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1、光纤通信与数字传输,南京邮电大学 通信与信息工程学院,通信与信息工程学院,2,光纤接入网,近年来，用户侧的业务从传统的话音为主逐渐向包括话音、视频及各种交互式数据业务融和的方向发展。接入网成为通信网络建设和发展的重点。 光接入网是指在接入网中采用光纤作为主要传输媒质的接入技术，具有传输容量大、传输距离长、对业务透明性好等优点，是固定接入领域内最佳的解决方案。 本章主要介绍光接入网原理及主要技术。教学课时为2学时。,通信与信息工程学院,3,9.1 光接入网基本概念,按照电信网的概念，可以将全网分为公用电信网和用户驻地网两大块。用户驻地网是属于用户所有，因而，通常电信网是指公用电信网部分。 目前国
2、际上已经倾向于将长途网和中继网合在一起称为核心网。相对于核心网而言，其他部分统称为接入网。接入网主要完成将所有用户接入到核心网的任务。,通信与信息工程学院,4,9.1.1 接入网,1. 接入网定义 ITU-T建议G.902对接入网的定义如下： 接入网是由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传输设施）组成的、为传送电信业务提供所需要的传送承载能力的实施系统，可经由Q3接口进行配置和管理。其中的传送实体可提供必要的传送承载能力，通常接入网对用户信令是透明的，可不作解释。原则上，对接入网可以实现的SNI和UNI的类型和数目没有限制。,通信与信息工程学院,5
3、,Y.1231 IP接入网,随着Internet和各种IP类数据业务应用的快速普及，ITU-T提出了适应于IP业务的IP接入网定义。建议Y.1231将IP接入网定义为IP用户和ISP之间为提供所需的、接入到IP业务的能力的网络实体的实现。Y.1231定义的接入网的结构和实现形式都较G.902灵活。 为便于读者理解和把握接入网的总体概念，本章中所涉及的接入网内容主要以G.902建议为参照。,通信与信息工程学院,6,2. 接入网的定界,接入网所覆盖的范围是由三个接口来定界，即网络侧经业务节点接口（SNI）与业务节点（SN）相连；用户侧经用户网络接口（UNI）与用户相连；管理侧经Q3接口与电信管理网
4、（TMN）相连，不具备Q3接口时通常需经由协调设备（MD）与TMN相连。SN是提供业务的实体，是一种可以接入各种交换型和/或永久连接型电信业务的网络单元。,通信与信息工程学院,7,图9-1 接入网的定界,通信与信息工程学院,8,3. 接入网的分层,为了便于网络设计与管理，接入网按垂直方向分为三个独立的层次。其中每一层为其相邻的高阶层提供传送服务，同时又使用相邻的低阶层所提供的传送服务，这三层分别是电路层、通道层和传输媒质层。在网络分层后，每一层仍显得很复杂，因此可以进一步将每一层网络划分为若干个子网，每一个子网又可以进一步分割成若干个更小的子网。,通信与信息工程学院,9,图9-2 接入网通用协
5、议参考模型,通信与信息工程学院,10,4. 接入网的主要特点,完成复用、交叉连接和传输功能 提供各种综合业务 网径较小 成本与用户有关 线路施工难度较大 光纤化程度高 对环境的适应能力强 组网能力强,通信与信息工程学院,11,图9-3 接入网分类示意图,线对增容技术PG 数字用户线技术（xDSL） 电力线接入技术PLC,有线接入网,无线接入网,有线无线混合接入网,接入网,铜线接入网,光纤接入网,光纤铜线混合接入网（HFC）,固定终端无线接入网,移动终端无线接入网,有源光纤接入网AON,无源光纤接入网PON,通信与信息工程学院,12,9.1.2 光纤接入网,光纤接入网（OAN，Optical A
6、ccess Network）是指在接入网中采用光纤作为主要传输媒质来实现信息传送的网络形式。它不是传统意义上的光纤传输系统，而是针对接入网环境所设计的特殊的光纤传输网络。,通信与信息工程学院,13,1. 光纤接入网的主要结构,光纤接入网采用光纤作为主要传输媒质，而局侧和用户侧发出和接收的均为电信号，所以在局侧要进行电/光变换，在用户侧要进行光/电变换，才可实现中间线路的光信号传输。一个一般意义上的光纤接入网示意图如图9-4所示。 一个光接入网主要由光线路终端 OLT、光分配网络 ODN 和光网络单元 ONU 等组成。,通信与信息工程学院,14,图9-4 光纤接入网示意图,通信与信息工程学院,1
7、5,图9-5 光纤接入网的参考配置,通信与信息工程学院,16,有源光网络AON和无源光网络PON,无源光网络PON是指在OLT和ONU之间没有任何有源的设备而只使用光纤等无源器件。PON对各种业务透明，易于升级扩容，便于维护管理。有源光网络（AON）中，用有源设备或网络系统（如SDH环网）的ODT代替无源光网络中的ODN，传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，网络规划和运行的灵活性大，不足的是有源设备需要机房、供电和维护等辅助设施。,通信与信息工程学院,17,图9-6 ODN中的光通道,通信与信息工程学院,18,光纤接入网的拓扑结构,光纤接入网的拓扑结构主要有总线形、环形和星形。由此又可以派生
8、出树形、双星形、环形星形等结构，如图9-7所示。,通信与信息工程学院,19,图9-7 光纤接入网的拓扑结构(部分),通信与信息工程学院,20,9.1.3 光纤接入网的应用类型,根据ONU位置的不同，可以将OAN划分为几种基本的应用类型，即光纤到路边FTTC、光纤到楼FTTB、光纤到家或办公室FTTH/FTTO等。 从发展来看，光接入网的普及主要受到成本和内容等多方面的制约，从长远来看，以FTTH/O家庭（办公室）无线网的形式实现宽带接入可能是一种较好的选择。,通信与信息工程学院,21,9.1.4 光接入网性能指标,表9-1给出了OAN的容量和ONU的类别，其中的通路传输距离是逻辑距离，即特定系
9、统（由帧结构和ONU数量限定的系统）所能达到的最大传输距离。ONU的类别是按照其在用户侧所需要最大容量来定义的，其单位为B（即64kbit/s通路），一般情况下不含控制和信令通路。,通信与信息工程学院,22,表9-1 OAN和ONU类别比较,通信与信息工程学院,23,光纤光缆指标,考虑到OAN应用的实际环境，距离一般较近，传输速率也不会很高，因此目前建议使用G.652光纤，暂不使用多模光纤和其他类型的单模光纤。工作波长必须在1310nm（12601360nm）或1550nm（14801580nm）波长段。 目前主要规定了三种类别的光通道损耗，如表9-2所示。 表9-2 三种类别的光通道损耗,通
10、信与信息工程学院,24,9.2 光接入网关键技术*,9.2.1 突发收发技术 9.2.2 突发同步技术 9.2.3 测距技术 9.2.4 多址接入技术 9.2.5 动态带宽分配技术 9.2.6 光功率的动态调节 9.2.7 服务质量和安全技术,*本节自学,通信与信息工程学院,25,9.2.1 突发收发技术,光接入网中需要具有突发收发的能力。例如对于采用TDMA的ONU而言，每个ONU只能在每一帧的特定时刻发送上行信号，因此需要有快速的功率开启和切断的功能。同时对于光接入网中发送机的消光比也有较高的要求。多个ONU对应于一个OLT，在每一时刻只有一个ONU发送信号，其他所有ONU都应处于关断状态
11、，此时要求其余所有ONU的残留光之和不能对正在发光的ONU产生影响。 OLT侧也有类似的问题。如多个ONU发送的信号到达OLT侧会有功率的波动，OLT的接收机需要能灵活快速地调整接收电平，迅速地接收和恢复数据。,通信与信息工程学院,26,9.2.2 突发同步技术,由于各ONU与OLT的距离不同，因此各个信元信号经传输延迟后，到达OLT时的比特相位不同，OLT接受到从ONU来的短脉冲数据流，这些数据流的比特相位各不相同且是未知。由于组成上行帧的各ONU传输的信元数有限，为了不丢失有用信息，需有较快的比特同步，OLT处的比特同步必须在每个上行ONU短脉冲数据流期间建立。使得快速比特同步电路在几个比
12、特周期内与输入数据同步，从而把每个ONU发送的信号正确恢复出来。,通信与信息工程学院,27,9.2.3 测距技术,光接入网的环境是典型的点到多点方式，由于各个ONU到OLT的距离不等，为了防止各个ONU所发上行信号发生冲突，OLT需要一套测距功能，以保证不同物理距离的ONU与OLT之间的“逻辑距离”相等，即传输延迟一致，以避免碰撞和冲突的出现。 测距也即测量各个ONU到OLT的实际距离，并将所有的ONU到OLT的虚拟距离设置相等的过程。,通信与信息工程学院,28,测距实现,测距过程分为三个子过程：静态粗测距；静态精测距；动态精测距。系统初始化时或当一个新的ONU加入时或一个ONU重新加电时，静
13、态粗测距起作用，为保证该过程对数据传输的影响较小，采用低频低电平信号作为测距信号；静态精测距是达到所需测距精度的中间环节，每当ONU被重新激活时都要进行一次，它占据一个上行传输时隙；动态精测距是在数据传输过程中，使用数据信号来进行测距。精态精测距过程结束后，OLT指示ONU可以发送数据了，在发送数据过程中，OLT持续地测量各ONU环路延时，及时调整补偿时延以适应各种因素对环路时延的影响。,通信与信息工程学院,29,9.2.4 多址接入技术,时分多址接入TDMA 波分多址接入WDMA 码分多址接入CDMA,通信与信息工程学院,30,时分多址接入技术 TDMA,上行传输时将时间分成若干个时隙，每一
14、时隙内只安排一个ONU以分组方式向OLT发送分组信息。每个ONU严格按照预先规定的顺序依次发送。为了避免与OLT距离不同的ONU所发的上行信号在OLT处发生冲突，OLT需要有一套复杂的测距功能，不断测量每一ONU与OLT之间的时延（即逻辑距离），指挥每一个ONU调整发送时间，使之不至于互相冲突。,通信与信息工程学院,31,波分多址接入技术 WDMA,波分多址接入WDMA方式是采用不同的波长对应于不同的ONU。采用单根光纤，两个方向的信号（上行信号和下行信号），分别调在不同的波长上。各个ONU不同波长的上行光信号，送至光分路器并耦合进光纤，该复用信号到达OLT后，利用WDM器件可分出属于各个ON
15、U的光信号，再经过光电检测器，解调出电信号。上行传输（从ONU到OLT）必须工作在1310nm波长区，下行传输（OLT到ONU）工作在1310nm或1550nm波长区。当上、下行均工作在1310nm波长区时，上行信号处于1310nm波长区高端，下行信号处于1310nm波长区低端。,通信与信息工程学院,32,码分多址接入技术 CDMA,码分多址接入CDMA方式是为每一个ONU分配一个多址码，并将各ONU的上行信码与其进行模二加后，再去调制具有相同波长的激光器，经光分路器（OBD）合路后传输到OLT，通过检测、放大和模二加等电路后，恢复出ONU送来的上行反码。,通信与信息工程学院,33,9.2.5
16、 动态带宽分配,在上行方向，任意时刻不同ONU对带宽的需求是不一样的，这就涉及到带宽分配及其算法的问题。带宽分配要求提供一套最有效的在尽可能保证每个ONU需求的同时高效利用网络资源的手段。带宽分配算法既要考虑连接业务的性能特点和其服务质量的要求，又要考虑接入控制的实时性。 动态带宽分配可以通过包括消息和状态机等技术来实现。,通信与信息工程学院,34,9.2.6 光功率的动态调节,每个ONU与中心接收机的光路损耗是不同的，所以中心节点的光接收机必须能够应付从一个突发到另一个突发的不同的光接受功率，因此，接收机需要较大的动态范围，并且能够设定门限快速区分比特“0”和比特“1”。此外每个传输节点的输出功率将根据该节点的光路损耗而进行调节，从而降低对光接收机的动态范围的要求。,通信与信息工程学院,35,9.2.7 服务质量和安全技术,光接入网的服务质量和安全技术是保证用户对于不同业务类型需求的关键技术。采用TDM方式传送下行数据的光接入网，必须采取一定的认证和鉴权机制，以保证每一个ONU只能获得自己所需的信息。而对于上行信号而言，需要采取认证机制以保证只有合法的ONU
