宽带接入技术(第四章 光纤接入技术)
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第4章 光纤接入技术
光纤宽带速度王 晖
(中国传媒大学信息工程学院)
2009/10
主要内容
? ? ? ? ? 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 光纤接入技术概述 PON的基本概念和结构 PON的功能结构 APON系统 EPON系统 GPON系统
4.1
光纤接入技术概述
光纤接入是指局端与用户之间以光纤作 为传输媒体。 根据光接入网(OAN)中光配线网(ODN)是 由无源器件还是由有源器件组成，可分为有 源光网络和无源光网络(PON，PASSIVE OPTICAL NETWORK)； 根据技术体制，还可分为PDH光接入技术、 SDH光接入技术、ATM光接入技术、以太网光 接入技术等。
光纤接入网采用光纤做为主要的传输媒体来取代传 统的双绞线。
交换局 光纤 双绞线 ONU 光网络单元 用户设备
OF
ONU
交 FTTH 光纤到户 FTTC 光纤到路边 FTTB 光纤到大楼 换 机
O
OF
FTTH FTTB
L T
OF
ONU
ONU
双绞线
FTTC
无源光网络（PON）和有源光网络（AON） UNI
ONU SNI 业务节点 OLT ODN . . . ONU OLT：光线路终端 ODN：光分配网络 ONU：光网络单元 ODT：光远程终端 SNI 业务节点 OLT ODT . . . ONU
无源光网络图
UNI ONU
有源光网络图
FTTH 技术
FTTH：ONU位于用户驻地的一种容量可扩展的光接 入网OAN
– OAN: – ONU: – OLT: Optical Access Network Optical Network Unit Optical Line Termination
OAN
CO/HE //
OLT
ONU
FTTH技术－系统架构
三种系统架构 无源光网络PON
– 在网络分配的某一段共享光纤 – 利用光分路器分离和汇聚信号 – 仅在端节点需要供电
有源节点
– 提供一段专用的光纤路由 – 利用有源节点来管理信号分配
混合PON
– 有源节点与PON的结合
FTTH系统架构–PON
(A-PON，E-PON，G-PON)
Usually 10-20 km OLT
// // // // //
//
//
ONU
Optical splitter 1x16 (1x2, 1x8) 1x32 (1x4, 1x8)
/
/
FTTH系统架构–PON
1550 nm broadcast (if used) 1490 nm data
// // //
(A-PON，E-PON，G-PON)
//
//
//
//
1310 nm data
//
FTTH 系统架构－有源节点
Up to 70 km OLT
// // // //
Up to 10 km
//
ONU
//
Processing (powered)
//
FTTH 系统架构－有源节点
//
1550 nm broadcast (if used)
// // //
//
1310 or 1550 nm (depending on distance) on separate fibers
//
//
FTTH系统架构－混合PON
Up to 70 km OLT Optical splitter
// // //
Usually 10-20 km
//
/
/
//
ONU
Processing (powered)
//
//
Optical splitter
//
FTTH系统架构－混合PON
Single
fiber, 1550 broadcast, 1310 bidirectional data //
/
/ //
1550 nm broadcast
// // //
1310 or 1550 nm (depending on distance) on separate fibers
//
//
//
FTTH参考模型
Broadcast Programming Narrowcast Video V- OLT
1555 nm
Splitters can be collocated or distributed
1555 nm
Video RF
SFU ONT
IP Network ATM Network
OLT Voice Gateway
1490 nm
1:N 1:N
1490 nm 1310 nm 10/100BaseT
POTS Lines
1310 nm
1555 nm
MDU ONT
Video RF 24 POTS Lines Data {DSL or 10/100BaseT}
TDM/PSTN Network
1490 nm
EMS
1310 nm
Network Intranet Management
Passive Optical Network (PON) Optical Distribution Network (ODN)
Telephony Data Video
Service Sub-Network
Access Sub-Network
End User Network
4.2
PON的基本概念和结构
在光纤用户网的研究中，为了满足用户 对于网络灵活性的要求，1987年英国电信公 司的研究人员最早提出了PON的概念。
由于ATM技术发展及其作为标准传递模式 的地位，研究人员开始注意到把ATM技术运用 到PON的可能性，并于20世纪90年代初提出了 APON的建议。
PON的基本概念和结构
在光接入网(OAN)中，若光配线网(ODN) 全部由无源器件组成，不包括任何有源节 点，则这种光接入网就是PON。 OLT为光线路终端，它为ODN提供网络接 口并连至一个或多个ODN。 ODN为光配线网，它为OLT和ONU提供传 输手段。 ONU为光网络单元，它为OAN提供用户侧 接口并和ODN相连。
OLT (Optical Line Termination)
Support 8 OLT, 500 ONU 4000 VLAN, 2500 TDM
ONU (Optical Network Unit)
mduGear224 24 FE Port/2 T1 Port
室内型ONU
小容量综合接入单元
大容量综合接入单元
室外型ONU
小容量综合接入单元
室外型综合接入单元
PON的基本概念和结构
如 果 ODN 全 部 由 光 分 路 器 ( optical splitter)等无源器件组成，不包含任何有源节 点，则这种光接入网就是PON，其中的光分 路 器 也 称 为 光 分 支 器 ( OBD，Optical Branching Device)。
光分路器
OSP-S光分路器用于单模光纤网络可提供从2到16路 各种光分比以适合网络需求。
PON的基本概念和结构
实际的OAN拓扑结构往往比较复杂。 根据OAN参考配置可知，OAN由OLT， ODN和ONU三大部分组成。 OAN的拓扑结构取决于ODN的结构。 通常ODN可归纳为单星、多星(树形)、 总线和环形等四种基本结构，相应地，PON 也具有这四种基本拓扑结构。
ONU1 分 路 器 1…n
CO
ONU2
OLT
ONUn
PON的单星结构
ONU1 OBD ONUn1 OBD OLT
ONU1 OBD ONUn1 PON的多星(树形)结构
分路器n
分路器2
分路器1
OLT
ONUn
ONU2
ONU1
PON的总线结构
ONU1
1
OBD OLT
ONUn
n
OBD
PON的环形结构
图: PON的拓扑结构
ONU ONU ONU
λ1
OLT
λ2
………. ONU 1:32 ONU ONU
图: PON的光路
PON的基本概念和结构
选择PON的拓扑结构应考虑的主要因素有： 用户的分布拓扑 OLT和ONU的距离 提供各种业务的光通道 可获得的技术 光功率预算
PON的基本概念和结构
选择PON的拓扑结构应考虑的主要因素有： 波长分配 升级要求 可靠性、有效性 运行和维护 安全和光缆的容量等
4.3
主要内容: 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4
PON的功能结构
PON的构成 PON的功能结构 操作维护管理功能 PON的多路接入技术
4.3
PON的功能结构
无源光网络(PON)：是指信号在光网络的 传输过程不经过再生放大(光放大或电放 大)，网络的分路由光功率分配器(分路 器)等无源器件实现。
4.3.1
PON的构成
1、光接入网的参考配置
2、传输复用技术 在PON中传输复用技术主要完成OLT和ONU 连接的功能。 其连接可以是点对多点，也可以是点对 点的方式。
Q3 接入网系统管理功能
UNI S/R (PON) a T AF ONU ONU ODN OLT R/S
SNI
V
业务节点功能
ONU ODN AF 用户侧 接入链路 ONU 网络侧 OLT 业务节点功能
光接入网的参考配置
4.3.1
多点接入方式有多种： 时分多址接入（TDMA） 副载波多址接入(SCMA) 双向传输方式有： 空分复用(SDM) 时间压缩复用(TCM) 波分复用(WDM) 副载波复用(SCM)
PON的构成
4.3.1
3、波长分配
PON的构成
1310nm波长区，波长分配范围是1260—1360nm；
1550nm波长区，波长分配范围是1480—1580nm；
测试或监视信号的传输应采用其他波长；
当采用光放大器时，以上波长范围可能变窄。
4.3.2
1、ONU的功能结构
PON的功能结构
ONU提供通往ODN的光接口，用于实现OAN的用户 接入。 根据ONU放置位置的不同，OAN可分为光纤到家 (FTTH)，光纤到办公室(FTTO)，光纤到大楼 (FTTB)及光纤到路边(FTTC)。 每个ONU则由核心功能块、服务功能块及通用功 能块组成。
服务功能模块
核心功能模块
用户
用户端 功能
用户和服务 复用功能
传输 复用功能
ODN 接口功能
ODN
供电功能
OAM功能
通用功能模块
图:ONU的功能结构
ONU的功能结构
ONU的核心功能块包括用户和服务复用功能、 传输复用功能以及ODN接口功能。
用户和服务复用功能包括装配来自各用户 的信息、分配要传输给各用户的信息以及连接 单个的服务接口功能；
ONU的功能结构
传输复用功能包括分析从ODN过来的信 号，并取出属于该ONU部分以及合理地安排要 发送给ODN的信息；
ODN接
口功能则提供一系列光物理接口功 能，包括光／电和电／光转换。如果每个ONU 使用不止—根光纤与ODN相连，那么就存在不 止一个物理接口。
ONU的功能结构
ONU服务功能模块: 提供用户端功能，它包括提供用户服务接 口 ， 并 将 用 户 信 息 适 配 为 6 4 kbit/s 或 n╳64kbit/s的形式；
该功能块可为一个或若干个用户服务，并 能根据其物理接口提供信令转换功能。
ONU的功能结构
ONU通用功能块提供供电功能及系统的运行、管 理和维护(OAM)功能。
供电功能包括交流变直流或直流变交流，供电方 式为本地供电或远端供电，若干个ONU可共享一 个电源，ONU应在用备用电源供电时也能正常工 作。
4.3.2
2、OLT的功能结构
PON的功能结构
OLT提供一个与ODN相连的光接口，在OAN的网络 端提供至少一个网络业务接口。 它位于本地交换局或远端，为ONU所需业务提供 必要的传输方式。 每个OLT由核心功能块、服务功能块及通用功能 块组成。
核心功能块
ODN 接口功能 O D N 传输复用 ODN 接口功能 功能 数字 交叉 连接 功能
业务功能块 网络
业务接 口功能
供电功能 通用功能块
OAM功能
OLT的功能结构
OLT的功能结构
OLT核心功能块包括数字交叉连接、传输复用和 ODN接口功能。 数字交叉连接功能提供网络端与ODN端允许的连 接； 传输复用功能通过ODN的发送和接收通道提供必 要的服务，它包括复用需要送至各ONU的信息及 识别各ONU送来的信息；
OLT的功能结构
ODN接口功能提供光物理接口与ODN相关的一系 列光纤相连，当与ODN相连的光纤出现故障时， OAN启动自动保护倒换功能，通过ODN保护光纤 与别的ODN接口相连来恢复服务。 OLT服务功能块提供服务端功能，它可支持一种 或若干种不同的服务。 OLT通用功能块提供供电功能和OAM（操作维护 管理）功能。
4.3.2
3、ODN的功能结构
PON的功能结构
ODN是OAN中极其重要的组成部分，它位于ONU和 OLT之间。 PON的ODN全部由无源器件构成，它具有无源分 配功能。
R/S S/R Qm ONU1 Qr R/S ONUn Q1 Qr ODN OLT
ODN的功能结构
4.3.2
PON的功能结构
ODN的基本要求如下： ·为今后提供可靠的光缆设施； ·易于维护； ·具有纵向兼容性； ·具有可靠的网络结构； ·具有很大的传输容量； ·有效性高。
4.3.2
PON的功能结构
通常，ODN应为ONU到OLT的物理连接提供光 传输媒质。
组成ODN的无源元件有单模光纤、单模光缆、 光纤带、带状光纤、光连接器、光分路器、波 分复用器、光衰减器、光滤波器和熔接头等。
4.3.3
操作维护管理功能
操作维护管理(
OAM)功能可用两个不同的 部分来定义，即OAN子系统特有的OAM功能和 OAM功能类别来共同定义。
OAN子系统特有的OAM功能包括设备子系 统、传输子系统、光的子系统及业务子系统。
4.3.3
操作维护管理功能
设备子系统包括OLT和ONU的机箱、机柜、机 架、供电及光分路器外壳、光纤的配线盘和配 线架。 传输的系统包括设备的电路和光电转换。 光的子系统包括光纤、光分支器、滤波器和光 时域反射仪或光
功率计。 业务子系统包括各种业务与OAN核心功能适配 的部分(如PSTN、ISDN)。
4.3.3
操作维护管理功能
OAM功能类别包括配置管理、性能管理、故障 管理、安全管理及计费管理。 光接入网的OAM应纳入电信管理网(TMN)，它 可以通过Q3接口与TMN相连。 但由于Q3接口十分复杂，考虑到PON系统的经 济性，一般通过中间协调设备与OLT相连，再 由协调设备经Q3接口与TMN相连。这样，协调 设备与PON系统用标准的简单QX接口。
4.3.4
PON的多址接入技术
TDMA：时分多址（Time Division Multiple Access ）
WDMA： 波 分 多 址 （ 波 分 多 路 访 问 ） （ Wavelength Division Multiple Access）
CDMA ：码分多址（Code Division Multiple Access）
SCMA：副载波多址( Sub-carrier Multiple Access)
PON Multiple Access
TDMA
CO
FEEDER
PASSIVE STAR COUPLER/ SPLITTER
λ0 λ0
t
TIME SLOT ALLOCATED TO SUBSCRIBER 1
λ0
CH1 CH2 . . CHN
TIME DEMUX
RCVR
ADVANTAGES Identical optical sources at CPs 1 photodector at CO
DISADVANTAGES High speed light sources Broadband receiver at CO High speed time DEMUX (sum of channel bit rates) Ranging protocol Access delay
PON Multiple Access
TDMA : Ranging Protocol
– Ranging is a function to measure the distance between OLT and each ONU to avoid collisions between upstream cells in ATM-PON systems – The equalized round trip delay for each ONU can be constant
Delays due to opto-electrical and electro-optical conversion in the ONU and OLT ? PON signal processing in the ONU and OLT ? Optical fiber propagation delay from the OLT to the ONU or vice versa
PON Multiple Access
WDMA (1)
CO
FEEDER WDM λ λΝ RCVR 1 RCVR 2 RCVR N WDM N 2 1 λ2 λ1
ADVANTAGES DISADVANTAGES Dense wavelength MUX/DEMUX Independence of channels Use of different wavelength emission Bandwidth efficiency (no high speed DEMUX at and costly DFB lasers CO) Wavelength stabilization of various Security components No component sharing at CO (N photodetectors)
PON Multiple Access
WDMA (2): Spectrum Splicing
CO
LED spectrum FEEDER HD WDM λ0 λ0
λ0 RCVR 1 RCVR 2 RCVR N HD WDM
ADVANTAGES Identical optical sources at CPs Independence of channels bandwidth efficiency No wavelength stabilization Security
DISADVANTAG
ES Dense wavelength MUX/DEMUX Low power budget No component sharing at CO
PON Multiple Access
SCMA
N
CO
FEEDER
2 1
PASSIVE STAR COUPLER/ SPLITTER
λ0 λ0
λ f1 DEMOD 1 DEMOD 2 DEMOD N RCVR Advantages Independence of channels Identical optical sources at CPs Bandwidth efficiency(no High speed DEMUX at CO) 1 photodetector at CO Disadvantages High speed light sources Broadband receiver at CO f2 fN λ0
μw-splitter
PON Multiple Access
SCMA ? 该技术的基本原理是将多路基带控制信号调制到 不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然 后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。 ? 在ONU端进行二次解调，首先利用光探测器从光信 号中得到多路射频信号，并从中选出该单元需要 接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中 恢复出基带控制信号。 ? 在控制信道上使用SCMA接入，不仅可降低网络成 本，还可解决控制信道的竞争。
PON Multiple Access
CDMA
Noise
Data Source Rate 1/T Code Rate n/T Code Rate n/T
∫
T
Data Sink Rate 1/T
Does not require a complicated MAC protocol ? Has a benefit for a relatively high number of low bit rate connections ? Hard to find optical orthogonal codes (OOCs)
4.4
4.4.1
APON的关键技术
APON的产生及优点
在光纤用户网的研究中，为了满足用户对于 网络灵活性的要求，1987年英国电信公司（即 英国BT公司）的研究人员最早提出了PON的概 念。 由于ATM技术的迅速发展及其作为标准传 递模式的地位，使
研究人员开始注意到把ATM 技术运用到PON的可能性，并于9O年代初提出 了APON的建议。不久，阿尔卡特公司研制了第 一个试验系统。
4.4.1
APON的产生及优点
由于ATM和PON一些固有的特点，使得APON从一开始就占据了一 个较高的起点，该方案有着巨大的优势： 宽带化并支持所有种类和各种速率的业务； 灵活地满足用户需求； 能够全动态分配带宽； 简单、有效的网络运行和管理（O＆M）； 安全性高； 低时延； 对业务复用／解复用的全力支持。
4.4.2
#n
APON系统结构
#3 #2 #1
下行（连续比特率） ONU#1 用户 用户 用户
ONU#2 ATM 交换机 光线路 终端 1芯（WDM） #1 #2 #3 ONU#n #n 无源光 分路器 ONU#3
用户
上行（ 突发模式）
基本APON系统结构
20Km
APON网络结构
4.4.2
APON系统结构
该系统分路比为1：16。 从局端OLT往ONU传送下行信号采用TDM技术。 ONU传送到局端OLT的上行信号采用TDMA技术。 在上行和下行时，ATM信元都是被组装在一个 APON包中。 给每个包加入8个开销比特，可以提供同步及其 他与网络传输相关的功能。
4.4.2
APON系统结构
系统所采用的双向

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