（电磁场与微波技术专业论文）用于铁路区间通信光接入网的155mbs光端机的研究.pdf

中文摘要 中国铁路通信网是我国最大的专业通信网之一，具有自身特点：保障 列车行车安全。随着其传输网和交换网的日益数字与宽带化，铁路接入网 的发展也开始起步。铁路接入网除了应具有话音、数据、传真、图象等宽 带综合业务外，还应该支持铁路专用通信、专用数据业务等，所以铁路接 入网在满足铁路行车的同时，又要面对路外的市场，真正的综合接入。 区间通信是面向铁路现场，直接为行车指挥、安全抢险服务。随着列 车提速和高速铁路的建设，对区间通信提出了更高的要求，如宽带化、综 合化、更高的可靠性、安全性和灵活性，这也在某种意义上推动了铁路接 入网的发展。 本论文题目所称的区间通信光接入网，实际是以区间通信为基础的、 考虑到应能适应各种业务接入的综台接入网，在网络的设计上要便于升 级，提供和本地交换机以及车站局域网或更高层的干线通信网的接口。与 当前已使用的区间光纤用户网比较，它具有以下特点： 1 线路上采用同步传输体制( s d h ) 2 光电用户终端接口可随机接入 3 基于i p 网作为网络平台 为此要提供一套能完成上述任务的实验系统，包括基丁：i p 的s d h 通 道、光电接口( 光端机) 和可随机接入的用户终端。 ， f 本论文的工作是设计用于光接1 3 设备的光端机，它为接入网提供s d h 通道：速率为1 5 5 5 2 0 m b s 。本文在分析了现有光接入网的概念、分类和 结构基础上，提出了用于铁路区间通信光接入网的特点以及要达到的成 果。采用了当前高度集成的s d h 组帧芯片、一体化的光收发模块和先进的 时钟提取与串并变换芯片，使我所设计的光端机具有集成度高、性能先进、 耗电小、有利于可靠性提高等优点，并在此基础上可进一步开发网管功能， 实现对所接入的综合业务透明传输。本光端机位于光网络单元( o n u ) 和光 线路终端( o l t ) 内：用户接入的信息具有随机性：所以本光端机除了具有， 光端机的通用结构外，还具有码速调整和组帧的功能，这是其显著特点之 一；它能够实现光接入网传输媒质层的功能，同时也能实现通道层的部分 功能。整个光端机包含五大部分：接口电路、码速调整电路、组帧、定时 提取电路、光发送接收器。 本论文是按照光接入网的分层结构来叙述的。第一章，对整个课题作 综述：第二章介绍了光接入网的有关内容；第三章论述了光接入网的传输 媒质层，主要讲述了光端机的有关内容；第四章对光接入网的通道层做了 介绍，s d h 是重点；第五章为本论文的重点，详细论述了我所设计的1 5 5 m b 光端机的原理、组成以及实验结果。 ，j ，“一一 关键词光接入网如na 0 n 凹p一j 光端机组帧 晰幌取次晾、通，f 吉阚 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dp r i v a t ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s o fc h i n a ，c h i n e s e r a i l w a y c o m m u n i c a t i o ni s c o m p o s e d o f t r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，s w i t c h i n gn e t w o r ka n da c c e s sn e t w o r k t h e t r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n ds w i t c h i n gn e t w o r ka r eb e c o m i n gm o r ea n d m o r eb r o a da n dd i g i t a l r a i l w a ya c c e s sn e t w o r ks h o u l dh a v et h e a b i l i t yo ft r a n s f e r r i n gv o i c e ，d a t a ，f a xa n di m a g e ，i nt h em e a nt i m ei t s h o u l dg u a r a n t e et h e s a f e t y o fr a i l w a yr u n n i n g t h a ti st o s a y , t h e r a i l w a y a c c e s sn e t w o r ks h o u l db ear e a li n t e g r a t e da c c e s sn e t w o r k t h e r a i l w a y i n t e r v a lc o m m u n i c a t i o ns e r v e sf o rt h e s a f e t y o f r a i l w a yr u n n i n gd i r e c t l y h i g h - s p e e dr a i l w a yr e q u i r e si tt ob ew i d e r ， m o r ei n t e g r a t e d ，s a f e r , m o r er e l i a b l e ，m o r ef l e x i b l e t h e s ed e m a n d s i n c i t et h ed e v e l o p m e n to f r a i l w a ya c c e s sn e t w o r k i ns o m e w a y i nm y p a p e r ，t h es o c a l l e do p t i c a la c c e s sn e t w o r ku s i n gi nr a i l w a y i n t e r v a lc o m m u n i c a t i o ni sa ni n t e g r a t e da c c e s sn e t w o r k w h i c hc a n l i a d a p tt ot r a n s f e rv a r i o u ss e r v i c e s ，w h i c hc a nb ee a s yt ob eu p g r a d e d ， w h i c hc a np r o v i d ei n t e r f a c et ol o c a le x c h a n g e ro rs t a t i o no fl o c a la r e a n e t w o r ko rm a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k c o m p a r e d w i t ho t h e r i n t e r v a la c c e s sn e t w o r k ，t h eo a ni nm y p a p e r i sf e a t u r e da sf c l l l o w e d ： 1 a d o p tas t a n d a r d i z e dt r a n s m i s s i o nh i e r a r c h yi nt r a n s m i s s i o n s t r u c t u r e 2 t e r m i n a l sc a nb ea c c e s s e dr a n d o m l y 3 a s y s t e mb a s e d i p s ow es h o u l dp r o v i d ea ne x p e r i m e n ts y s t e mt ot e s tt h ea b o v e m e n t i o n e d ，i n c l u d i n g a p a t h b a s e d i p , o p t i c a l t r a n s c e i v e r ，a n d r a n d o m l ya c c e s s i n g t e r m i n a l s m yj o bi s t od e v i s et h eo p t i c a lt r a n s c e i v e rt h a tw i l lb eu s e di n i n t e r f a c e de q u i p m e n t t h er a t eo fo a ni s1 5 5 5 2 0 m b s t h eo p t i c a l t r a n s c e i v e ri si no l to ro n u m y o p t i c a lt r a n s c e i v e ri sc o m p o s e do f 5p a r t s ：i n t e r f a c ec i r c u i t ，a d j u s t i n gr a t ec i r c u i t ，f r a m e ，c l o c kr e c o v e r y , o p t i c a lt r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r k e y w o r d s ：o a n ( o p t i c a l a c c e s sn e t w o r k ) p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) a o n ( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) s d hp d hs p d h o p t i c a lt r a n s c e i v e r f r a m ec l o c kr e c o v e r y i i 】 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外现状 中国铁路通信网是体系完整、覆盖全国、提供多种业务的综 合性服务网，综合实力仅次于中国电信，是我国最大的专业电信 网之一。其长途干线通信四通八达，容量很大，现有3 7 0 0 0 铁路 公里的光缆、4 5 9 3 铁路公里的数字微波、4 2 2 4 2 铁路公里的数字 通道，拥有先进的程控交换、数据通信及传输手段。与电信网相 似，铁路接入网的发展落后于干线网，处于刚刚起步阶段。 作为专业通信网，铁路通信网有自己最大的特点：保障列车 的行车安全。所以铁路接入网也具有自身的特点，它所支持的用 户应包括：铁路专用通信( 调度电话、区段专用电话、站间行车 电话、站场电话、区间电话等) 、专用数据业务( t m i s 、p m i s 、d m i s 、 c m i s 、调度集中、调度监督、红外轴温远程监测等) 以及铁路部 门各类用户及相关路外用户的话音、数据、传真、图象等综合业 务。铁路接入网既要面对铁路行车，又要面对路外的市场，真正 的综合接入。 本论文题目所称的区间通信光接入网，实际是用于铁路区间 通信的、考虑到应能适应各种业务接入的综合接入网，在网络的 设计上要便于升级，提供和本地交换机以及车站局域网或更高层 的干线通信网的接口。 区间通信是面向铁路现场，直接为行车指挥、安全抢险服务 的，极具铁路特色的通信。随着列车提速和高速铁路的建设，对 区间通信提出了新的要求，表现在： ( 1 ) 数据业务大量增加。这些数据业务包括与行车安全直接相 关的安全信息，如列控信息、计算机联锁信息等：包括保障行车 安全的各个系统的监控管理信息，如变电站联动信息、牵引调度信 息等；包括各种灾害预测、预报及报警信息，如地震、塌方、风力 等监测信息：还包括抢险、救灾，线路大修中产生的大量数据信息 等等。 ( 2 ) 区间人员作业通话要更加及时、便捷。区间人员通常流动 性大：同时伴随有关人员携带仪表的大量数据、传真需要通信。 ( 3 ) 区间重要地点的图像监视。灾害和事故时将现场的图像、 数据及语音综合传输给上级机构。 第一章绪论 这些新业务的要求，推动区间通信向宽带化、综合化发展，并 且提出了更高的可靠性、安全性和灵活性，从而使光纤技术引入 区间通信成为不可避免的必然趋势。例如日本j r 已在区间站场利 用光纤环构成了保障安全的、实时的铁路信号安全系统。德国、 法国等也进行了这方面的试验。我国在区间光纤通信网的研究上， 也开展了大量工作，取得了一定成果，但仍不尽人意。 1 1 1 当前已有的有源区间光纤用户网： 当前已使用的区间光纤用户网，有两种形式： 采用p d h 传输体制，平均l 2 k m 就要加一个“线路设备”，它 可能是线路放大器或者是上下话路的群路设备。它具有p d h 所 具有的缺点： ( 1 ) 由于是有源网，每台线路设备都需要有电源，不管电源来 自于缆内的远供系统，或来自于信号系统，在信号系统故障期间， 其安全性及可靠性都难以保障。 ( 2 ) 固定的线路设备必须定期在现场检修、维护，如果高速铁 路采用高架方式，而且车次频繁( 平均间隔4 5 分钟) ，路边的 空间狭小，维护困难。 ( 3 ) 在这些固定的线路设备中，有许多是不经常使用的。比如 公用电话，平时只有几个人使用。多数线路设的视频接口经常是 不使用的，设备利用率极低。 ( 4 ) 目前研制的设备，属于光电一光有源中继方式。如图 一， ：旁路光开关 难以实现光旁路功能，一旦设备出故障，就可能中断此段通 信，通信可靠性差。 ：兕 吖 蚴 簿靠 吲 叫 第一章绪论 ( 5 ) 线路设备要配置多种接口，以满足不同用户在同一光纤上 传输的要求。除了图像口、话音口以外，各种不同的信息采集、 监控系统均有各自的接口要求。作为各种信息系统的传输通道， 不应要求用户的接口向线路设备的标准靠，而应针对不同用户配 置不同接口。这样，不仅大大增加了线路设备的接口板的数量、 成本，而且容易插错。 ( 6 ) 线路设备到用户终端还有一段距离，比如线路设备固定安 装在2 k m 处，而用户终端在1 k m 处，仍然要有一段电缆连接。在 电气化铁路中，这段电缆引入了大量的电磁干扰。 采用s d h 体制 例如华为和中兴公司的接入网产品。它们都已经应用于铁路 地区通信的接入网中。它们具有s d h 的优点。针对铁路实际情况， 都提出自己的解决方案。例如中兴公司的地区通信：平常通过交 换机的c e n t r e x 功能来实现；在某一处光缆中断的情况下，可通过 光传输系统的公务电话来实现区间的应急通信。 s d h 是同步传输，线路设备和各种接口都固定连接，不管是 否需要传输信息，通信始终建立。目前，尚无s d h 设备用于铁路区 间通信接入网的应用实例。 1 1 2 解决上述问题的思路； 针对上面所述的已有的有源光插入的区间光纤用户网的缺 点，提出以下解决思路： ( 1 ) 将线路中的有源中继连接改为无源连接。除了经常使用 的线路设备固定安装在线路上以外，其它设备改为可携带式，当 使用时临时接入。新增的有源设备也从无源插口接入。 ( 2 ) 线路上采用s o e ，但用户的接入为异步接入，当有携带式 设备接入线路上时，才建立通信。 ( 3 ) 建立i p 网通信产品，并与多媒体技术融合，进一步提高开 展多种通信业务的灵活性。 简图如下： 第一章绪论 携带式线路接口设备 车站b r r _ 】端站 _ _ 1j 达1 k m 的光缆 说明：系统由车站a 、车站b 的主站设备、光纤线路、无源可 拔插光纤连接器分路器( 无源接口) 、需要经常使用的有源中间 站( 具有光旁路功能) 以及短程和远程便携机或可临时接入的设 备( 统称便携机) ，及可无源插入的有源站组成。接入网传送层采 用$ d h 体制，线路速率为1 5 5 5 2 0 m b s 。 1 2 本论文提出的用于铁路区间通信光按入网的特点 线路上采用同步数字体制s d h 、光电用户终端接口可随机接 入、基于i p 网作为网络平台、总线式无源网络。本接入网在端站 将网关与更上一层的网( 交换网或车站局域网或更高层的干线通 信网) 相联，保证重要信息可以达到上层领导机关。本系统使用 四根光纤构成双回路( 两去两回) ，构成了双环，使系统的可靠性 大大提高。整个线路除有源中间站外，均为无源连接。线路通畅， 可靠性高。有源中间站又有旁路功能，所以整个光纤链路是非常 可靠的。 1 3 要达到的目标、成果形式及技术指标 1 达到的目标 建立一套同步传输、光电接口( 光端机) 和用户终端可随机 第一章绪论 接入的( 异步接入) 、基于1 1 ) 网络平台的、光纤线路采用无源连 接的铁路区间通信光接入网。 2 成果形式 提供一套能完成上述任务的实验系统。 3 主要技术指标 ( 1 ) 系统全程距离5 0 7 0 k m 。 ( 2 ) 系统的有源站跨距l5 2 0 k m 。 ( 3 ) 系统无源接口跨距1 2 k m 。 系统全程可接入无源接i l 数2 0 3 0 个。 4 开发下述功能的设备 有通话和数据传输的便携式的光多媒体终端。 可提供基于i p 网平台的数据、语音、图像( 压缩编码) 综合光接口设备。 具有光旁路功能的固定有源站。 具有光旁路功能的可插入的有源站。 1 4 本人所做的工作 我所做的工作是针对铁路区问通信光接入网的特点，设计并 制作了用于接入网光接口设备的光端机，它为接入网提供s d h 通 道，速率为1 5 5 5 2 0 m b s 。这是国内首次将s d h 引入铁路区间通信 光接入网，它在大力发展高速铁路的今天，具有特别重要的意义， 并有一定的创新性。我具体做了以下工作： 1 分析了光接入网的概念、分类和结构，并比较了目前已有 的光接入网设备的性能、组网结构等；在此基础上提出了 用于铁路区间通信光接入网的特点以及要达到的成果。 2 采用国际上当前最新的s d h 光端机组帧的核心芯片，它具 有单片集成、线路复用、复用段和再生段开销处理等功能， 可应用于s t m 一1 和s t m 一4 系统中。 第一章绪论 3 采用了国际上当前最新的、与s t m 一1 匹配的、具有标准接 口的、集收发功能于一体的光收发模块：采用了先进的时 钟提取和串并变换模块，使s t m 一1 光端机体积小，耗电小， 有利于光端机可靠性的提高。 4 对高速器件在线路板上的互连进行了分析和研究，提出了 应注意的事项，在此基础上，设计和制作了高速电路板。 5 对电路板进行了调试。目前已经实现单机自环和双机通 信，为铁路区间无源插入的光接入网提供了s d h 通道，并 可利用板上的c p u 进一步增加网管功能。 本论文是按照光接入网的分层结构来叙述的。第二章介绍了 光接入网的有关内容；第三章论述了光接入网的传输媒质层，主 要讲述了光端机的有关内容；第四章对光接入网的通道层做了介 绍；第五章为本论文的重点，详细论述了我所设计的1 5 5 m b 光端 机的原理、组成以及实验结果。 第二章光纤接入网概述 第二章光纤接入网概述 本章将介绍接入网的概念、特点以及种类，重点介绍光接入 网的概念、分类和结构。 2 1 接入网倚述 整个通信网按功能可以分成传送网、业务网和电信管理网三 个部分，而传送网又可分为传输网、交换网、接入网。传输网是 指长途端局以上部分，通常是指城市和城市之间；交换网是指长 途端局与市话局之间以及市话局之间的部分。目前国际上倾向于 将传输网和交换网合在一起称为核心网 3 。接入网即为本地交换 机与用户之间的连接部分，通常包括用户线传输系统、复用设备、 交叉连接设备、终端设备，也就是说用户通过接入网的传输，能 够灵活地接入到不同的电信业务节点上。它们的关系如图21 。 幽21 接入嘲在接个通信网中的位置 2 1 1 接入网定义 按照国际电信联盟( i t u t ) 提出g 9 0 2 的建议，接入网的定 义如下3 ： 接入网( a n ) 是由业务节点接口( s n i ) 和相关用户刚络接 口( u n i ) 之间一系列传送实体( 诸如线路设施和传输设施) 所组 第二章光纤接入网概述 成的为传送电信业务提供所需传送承载能力的实施系统，可经由 管理接口( q 3 ) 进行配置和管理。通俗地看，接入网是位于用户 和核心网之间的接入链路，是相关机械设施的总和，是一个与业 务和应用无关的传送网。因此有以下特点： 接入网具有与多个业务节点接口( s n i ) 相连接的能力， 接入网和不同的业务节点相连接时有其相应的s n i 。 对用户信令透明传输，不作处理。 接入网的传输实体可能是独立的接入数字段，也可能是接 入网传输设备内部传送功能模块；物理传输媒介不受限 制。 接入网的网管应服从整体网管规划，接入网可能不建立独 立的网管系统，接入网的网元管理层与上级网管的接口协 议需要统一考虑。 进行复用解复用、交叉连接，一般不含交换功能( 也有人 认为允许含有限交换功能) ，而且应该独立于交换机。 接入网( a n ) 所覆盖的范围可由三个接口来定界： 网络侧经由业务节点接口s n i 与业务节点s n 相连。 用户侧经由用户网络接口u n i 与用户相连。 管理方面则经由q 3 接1 3 与电信管理网( t m n ) 相连。 图2 2 显示了接入网的定界。 幽22 接入刚的界定 其中s n 是提供业务的实体，是一种可以接入各种交换型或永 第一章 光纤接入网概述 久连接型电信业务的网元，而s n i 即是a n 与s n 之间的接口。 可提供规定业务s n 的有本地交换机、l p 选路器租用线业务节点 或特定配置情况下的点播电视和广播电视业务节点等。a n 允许与 多个s n 相连，这样a n 既可以接入分别支持特定业务的单个s n ， 又可以接入支持相同业务的多个s n ，这也是现代接入网的特点之 一，即综合业务自搂民。 2 1 2 接入网的发展动力 接入网的概念自从建立起电话业务网之后就存在着，只是它的 作用不像今天这样突出，人们对它的关心也没有达到今天的这样 程度。最初的接入网仅为电话业务服务，严格说应称为电话业务 的接入网，或称为经典的接入网。它是由连接用户电话机和交换 局之间的无源、无复用的多条用户线组成，其带宽和传输距离非 常有限。现代接入网之所以引起电信界、计算机界的极大关注， 主要是由于： ( 1 ) 随着社会的发展，人们对诸如交互视频业务、高速数据、 图像、语言、多媒体通信等非话音业务的需求日益增强，但是目 前以双绞线为主的经典接入网根本满足不了上述宽带业务所提出 的新要求；另外，伴随着各种新业务的发展，每一种业务都要求 将其业务节点和用户终端设备之间建立接入通道。如果每一种业 务网都独立地建设接入通道，不仅不经济，而且给运营维护管理 带来诸多不便，更重要的是不同业务网中信息的传输速率各异， 用户不希望各种业务网的传输线路分别进入用户室内，客观上需 要建立连接于用户终端设备和各种业务网的业务节点之间的综合 传送网络，该网络应满足各种业务网与用户终端设备之间传送综 合信息的要求，或者说它是与业务无关的传送网络。这便对现代 接入网提出更高的要求：宽的带宽和综合业务接入。 ( 2 ) 通信网络的迅速发展，给接入网打下了基础：一方面光 纤已基本取代铜线电缆，建成了以s d h 为基础的大容量干线网络， 使传输网实现带宽化；另一方面，交换机全面数字化，容量不断 扩大，通信网上的交换接点数日益减少。同时，由于a t m 技术的 第二章光纤接入剐概述 发展，使交换网也大步迈向带宽化和数字化。接入网作为整个通 信网中与用户相连的最后一段网络，日益成为现代通信网的“瓶 颈”，严重制约了宽带业务的发展，只有解决这“最后一公里”， 才能真正实现b i s d n ，进入宽带网络时代。因此，采用新技术， 加快宽带接入网的建设引起了电信网规划部门和业界人士的极大 关注。 接入网有强大的发展动力，但由于技术的成熟度以及其自身的 一些特点，其发展速度并非想象的那样快。其自身具有以下特点： ( 1 ) 业务量密度低。一条位于住宅用户和本地交换机的接入电 路每天只需传送几次呼叫，占用率很低，导致网络的这一部分经 济效益差，使人们不愿意轻易投资于该领域。 ( 2 ) 用户对成本十分敏感。因为接入线往往由个别用户专用， 这也限制了接入网的发展。 ( 3 ) 成本差异较大。接入网要覆盖所有类型的用户，居住在市 中心的用户和偏远地区的用户所需要的接入线长度不同，导致两 者成本差异很大。 ( 4 ) 运行环境恶劣。接入网设备常常需要安装在室外不可控环 境下，对电子元器件和光元器件的性能提出更高的要求。 在接入技术上，有各种不同的接入技术( 第四节介绍) ，不管 成熟度如何，前期都需要较大的经济投入，而且各地现状和基础 不同，所以要根据自己的实际情况，选择合理的接入网类型。 铁路通信网是全国最完善的专业通信网之一，铁路接入网正 处于起步阶段，有巨大的发展潜力，我们应该看到： ( 1 ) 铁路通信首先要确保铁路安全行车，接入网的发展要充分 考虑到诸如调度等与行车有关信息的安全畅通。 ( 2 ) 铁路接入网要面向社会，充分挖掘铁路通信网所具有的潜 力，提高网络的利用率。 2 1 3 接入网的通用协议参考模型 接入网的功能结构是以i t u t 建议g 8 0 3 的分层模型为基础 的，将网络划分为电路层( c l ) 、传输通道层( t p ) 、传输媒质层 ( t m ) ，其中t m 又可进一步划分为段层和物理媒质层。整个接 第一章 光纤接入网概述 接入网的通用协议参考模型可以用图2 3 来描述。 图23 接入网协议参考模型 电路层是面向公共交换业务的，按照提供业务的不同可以区分 不同的电路层网络；通道层为上面的电路层网络节点提供透明的 通道，通道的建立由交叉连接设备负责；传输媒质层与传输媒质 有关，主要面向跨越线路系统的点到点传送。传输媒质层可以细 分为段层和物理层，其中段层涉及段层接入点之间的信息传递， 支持个或多个通道层，例如s d h 通道或p d h 通道，物理层涉 及实际的传输媒质，诸如光纤、双绞线、同轴电缆、无线，支持 段层网络。三层之间相互独立，相临层之间符合客户n 务者关系。 每一个功能层可以分解成三个基本功能，即适配、终结和交叉连 接，以便各层之间相互映射。 从接入网的通用协议参考模型看，我所设计的光端机位于通 道层和传输媒质层，即为接入网提供s d h 通道和实现光电转换。 在下面两章将对基于s d h 的光接入网和光端机作介绍。 第二二章光纤接入网概述 2 1 4 接入网类型 接入网技术发展非常快，主要考率的因素是经济性，这与用户 的业务需要、用户密度、用户的经济承受能力、接入技术等多方 面因素有关。从电路层上看，有电路交换模式、分组交换模式和 a t m 交换机模式；从通道上看，有p d h 、s d h 、s p d h ；从传输 层和物理媒介上看，主要有光纤接入、铜线接入、混合接入、无 线接入。通常采用什么样的接入技术就称为什么样的接入网。 一基于铜缆的接入网 1 高比特率数字用户线( h d s l ) h d s l 用两对双绞铜线双向对称传输数字信号，传输速率各 为1 1 6 8 m b s ，可以提供2 0 4 8 m b s 的e 1 业务。它对双绞铜线没 有特殊要求，所以安装方便，一般不用中继。h d s l 有若干种编 码方式，如基带编码方式( p a m ) 、正交幅度调制( q a m ) 、无载 波调幅调相( c a p ) 等。它用这些特殊的编码和调制方式，提高 传送质量，延长传输距离。h d s l 将2 m b s 信号用多对线并行传 输，以降低一对线上的传输速率，进一步增加无中继传输距离。 目前，h d s l 一般用两对双绞铜线。h d s l 广泛用于移动通信基站 中继、无线寻呼中继、d d n 节点中继、i s d n ，它所能承载的业务 有p o t s 、租用线业务、n 6 4 k b s 、i s d n b r a 以及i s d n p r a 等。 2 不对称数字用户线( a d s l ) a d s l 系统由局端收发机和用户端收发机两部分组成，它利 用双绞铜线向用户提供两个方向上不对称的宽带信息业务。它把 传输线路的频谱分为3 段，低频段传送话音；中间窄段为上行数 字通道。a d s l 采用离散多音调制( d m t ) 技术，把全频道分为 2 5 6 个子信道，根据子信道瞬时衰减特性、群时延特性和噪声特性， 把输入数据动态分配给它们。同时，d m t 将不能载送数据的子信 道关闭。对可以载送数据的子信道，则按其瞬时特性，在1 个码 元包络载送1 1 1 b “信息，并使用数字信号处理器在必要时问调 整参数。这种动态分配数据的技术使频带利用率大提高，将误码 和噪声减至最小，提高了系统传输容量。此外，a d s l 利刷向适 第一二奄光纤接八删概述 应滤波的新发展，如格栅编码和交错方式的前向纠错，减少高斯 噪声，增加信道容量。它还首次采用不对称回波抵消技术消除回 波。a d s l 被广泛用于i n t e m e t 接入、远端l a n 接入和视频点播 ( v o d ) 业务。其承载的业务有p o t s 、租用线业务以及v o d 等， 它在一对上下行信道传输能力不对称的电话线上既可传输语音信 号又可同时传输视频信号。其带宽一般为6 - 8 m 。 3 单线对数字用户线( s d s l ) s d s l 与h d s l 类似，可以在两个方向上传送数据，速率为 1 5 4 4 m b i t s ，它只利用一对双绞铜线。一对双绞铜线的使用使其传 输距离受到限制，一般在3 k m 左右。s d s l 应用于小范围通信， 如住宅电视会议或远端l a n 接入。 4 甚高数据速率数字用户线( v d s l ) v d s l 可以在两个方向上不对称传送数据，它的传输距离为 3 0 0 m 1 4 k m ，但它的传输速率很高，在一对双绞铜线上，其下行 速率可达3 m b i t s 到5 2 m b i t s ，上行速率可达1 5 m b i t s 到2 3 m b i t s 。 很宽的传输速率使v d s l 传送高清晰度电视( h d t v ) 。h d s l 、 a d s l 、s d s l 和v d s l 都是通过一对m o d e m 来实现，其中一个 m o d e m 放在电信局，另个放在用户端。4 种d s l 技术都不占 用双绞铜线的全部带宽，还为话音通道留有空间。 目前实现以上种技术的芯片均已问世，如m i t e l 公司、m o t o r o l a 公司、a d 公司等，国内也有一些公司提供h d s l 产品，如华为公司。 应用铜缆接入新技术，可以使现有的铜线基础设施在用户接入 网的发展过程中焕发出新的生命力，但是这些接入技术也有它们 的局限性，比如有的传输速率较低，传输距离有限( 3 - 5 k m ) ，难 以适应今后交换局覆盖半径扩大后对各种接入设备传输距离的要 求以及宽带业务发展的需要。因此，这几种接入技术适合作为建 设光纤接入网期间的过渡措施或作光纤接入网的补充。 二基于光缆的接入网 光纤是目前传输速率最宽的介质( 光纤3 x1 0 4 g b s ，同轴电缆 1 g b s ，微波3 0 0 g b s ) 。将光纤应用到接入网，定能满足将来各 种宽带业务的需要。可以说，光纤接入是宽带接入劂的最终形式， 第一章 光纤接入网概述 只是时间问题。 ( 1 ) 按接入位置可将光纤接入划分为： 光纤到家( f t t h ) ，光纤到路边( f t t c ) ，光纤到大楼( f t t b ) 等。 f t t h 是一种全光网络结构，用户与节点间实现完全光缆传 输，它是按入网的最终解决方案。f t t h 的带宽、传输质量和 运行维护，都十分理想。由于整个用户接入网完全透明，因而 对传输制式、波长和传输技术没有严格限制，适合于各种交互 宽带业务。另外光纤直接到家，不受外界干扰，也无泄漏问题， 室外设备可以做到无源，供电成本也低。f t t h 缺点是目前成 本太高，不能大量推广。 f t t c 用光纤代替主干铜缆和局部铜缆，将光网络单元( o n u ) 设置在路边，然后通过双绞铜线或电缆接入用户。f t t c 适合 于居住密度较高的住宅区。 f t t b 用光纤将o n u 接到大楼内，再用电缆延伸到各用户。 f t t b 特适用于给一些智能化办公大楼提供高速数据、电子商 务和视频会议等业务。f t t c f t t b 成本比f t t h 低，容易过 渡到f t t h ，可提供宽的对称带宽，省掉了大部分铜缆。 ( 2 1 光纤铜轴混合网络( h f c ) h f c 利用c a t v 的总线式同轴电缆网络，主干线采用光纤， 光电转换节点到用户用同轴电缆接入。为什么要引入光纤? 从带 宽看，同轴电缆的带宽达1 g h z ，可传3 0 0 m 一6 0 0 m ，似乎足以应付 目前可以预料到的各种业务，但同轴电缆的衰耗太大，干线需加 放大器，这会影响系统的质量，h f c 采用光纤的主要原因之一是 利用其低损耗特性。h f c 可以利用现有的c a t v 网络，被普遍认 为是一种比较经济的接入网解决方案，但也存在一些问题：h f c 建立在模拟频分复用基础上，从技术发展趋势看，会对未来网络 发展产生不利影响；另外要想使h f c 传输电信业务，必须将原来 的单向网络转向双向网络，同时使网络在接口的可靠性、抗腐蚀 性等方面真正达到电信网的要求，有一定的难度；从长远利益合 理安排频谱。 第二章光纤接入尉概述 三无线接入网 无线接入指利用无线技术为用户提供电信业务。采用的无线 技术可以包括微波、卫星等，分为移动式接入和固定式接入两大 类。无线接入的优点有：不需要铺设线路，可以节省大量费用和 时间；可随时按需进行变更、扩容，一般适合于偏远农村和海岛。 但质量不稳定，受环境影响大，目前难以提供宽带接入，这是今 后需要改进的重点。 2 2 光接入网 光接入网( o a n ) 是指采用光纤传输技术的接入网( a n ) 。o a n 的优势在于：它可将目前铜缆网的维护运行费用大大减少；它能 够有效地为新业务特别是宽带业务提供支持；此外，o a n 的引入 还可以延长传输距离，减少交换机的数量。总的来说，随着信息 传输向全数字化过渡，光接入方式必然成为宽带接入网的最终解 决方法。 根据o a n 室外传输设施中是否含有源设备，可将o a n 划分 为无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 和有源光网络 ( a o n ，a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，如图2 4 所示。前者成本相对低， 稳定性高，需要较少的维护。 图2 4 光接入刚的参考配置 第二章光纤接入剐概述 0 1 ) n ：光分配网络，它是o l t 和0 n u 之间的光传输媒质，由无源光 器件组成。 0 l t ：光线路终端。它提供0 a n 网络侧接口，可以连接一个或多个 0 d n 。o l t 应至少提供o a n 网络侧一个网络接口。 0 n 1 j ：光网络单元。它提供o a n 用户侧接口，可以连接一个0 d n 。 0 d t ：光远程终端。由光有源设备组成。 a f ：适配功能。 l j l l i ：用户网络接口。 s n i ：业务节点接口。 2 2 1 无源光接入网 无源光网络p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，是指在o l t 和 o n u 之间通过光耦合器等无源光器件组成的无源光分配网络( o d n ) 对光信号进行无源分路，具有较强的网络分支能力。p o n 可以实 现对各种业务的透明传送，具有较高的网络可靠性，易于升级扩 容和维护管理；能实现设备线路共享，具有良好的经济性。因此， 中国电信总局推荐p o n 系统用于接入网的配线段，小容量的p o n 系统尤其适用于分散的小区，乡村等网络的低端。随着高速p o n 技术和光电技术的发展，p o n 将逐渐成为宽带多媒体接入的主要 形式之一。图2 5 显示用无源光分支器组成的p o n 结构框图。 幽25 光源光网络结构框图 p o n 的容量：所含0 l t 的数量。每个0 l t 有一定的传送容量。 分支比：光分支器分路数，常见的为1 ：3 2 。 0 n u 容量：每个0 l t 所能驱动的0 n u 数量。 第二章光纤接入网概述 1 9 9 6 年5 月，i t u t 正式通过第一个窄带无源光接入网建议： g 9 8 2 ，主要针对2 m b 以下业务。建议对p o n 的光纤类型( g 6 5 2 ) 、 逻辑传输距离( 2 0 k m ) 、最大信号传输时延( 1 5 m s ) 、0 l t 到0 n o 之问的距离变化( 5 k m ) 、传输复用技术等都作了规定，可以参阅 文献 3 。 无源光接入网必须考虑的技术问题： ( 1 ) 传输距离：由于接入网的传输距离要求不太长，g 9 8 2 建 议的最大逻辑传输距离2 0 k m ，并不是完全根据光功率预算得到的， 而是兼顾到分支比、0 n u 数量等因素。要求整个光分配网络( 0 d n ) 具有可逆性，即输入和输出对换后不应导致器件光损耗的重大变 化，要求光连接器和分支器具有良好特性。目前看，达到距离要 求已不成问题。 ( 2 ) 0 l t 和0 n u 之间的双向传输问题，这取决于所采用的传输 复用技术： s d m ：空分复用，上行信号和下行信号用分开的两根光纤传 输，虽然实现简单，但距离较长时，成本高。 t c m ：时间压缩复用，收发两端分别在不同的时刻占有同一 根光纤，需要发送和接收缓冲器。 f d m ：频分复用，在单根纤上的上行和下行信号通过调制， 安排在不同的频谱位置。目前最常用的副载波复用( s c m ) 。 w d m ：波分复用，在同一根光纤上的上行信号和下行信号用 不同的波长。 t d m ：时分复用。 ( 3 ) 冲突解决：当o l t 连接多个o n u 时，由于每个o n u 到 o l t 的距离不同，e 行信号在o l t 处可能会发生碰撞，产生冲突。 目前解决的办法是o l t 中含有测距功能，不断测量每一个o n u 与o l t 之间的时延( 距离) ，指挥o n u 调整发送时间使之不致互相 冲突。 无源光接入网具有接入成本低的优点，但它的容量和传输距 离有限。在长距离和大容量应用中，可采用有源接入或有源无源 混合接入。 采用光纡放大器可扩大无源网的传输距离和覆盖面积，虽然 第二章光纤接入网概述 增加了一种有源设备，但网络拓扑与工作性质以及传输方式仍然 与无源网相同，可作为无源网的一种推广。目前因光纤放大器的 价格较贵，还没有应用实例。 2 2 2 有源光接入网 有源光接入网( a o n ) 是指在o l t 和o n u 之间引入光有源 设备( 目前主要指光电光转换设备，一般不包括光纤放大器) 。 在光接入网框图( 图2 4 ) 中，光远程终端( o d t ) 可以是有源复用 设备、远端集中器( h u b ) ，也可以是一个环网。这就必然涉及到传 输体制。由于光接入网的业务透明性，国际电信联盟( i t u t ) 目 前还未对其传输体制进行限制，使光接入网传输体制呈现出多样 化发展进程，大体分p d h 、s d h 、s p d h 三类。 在以往接入设备中，通常采用基于p d h 数字复用技术的用户 环路光纤传输系统( s l c 或d l c l ，主要用来解决大城市的远距离 放号。采用p d h ，技术成熟，成本较低。但是p d h 有众多局限性， 不适合于长远发展。s d h 以其自身的优点为世界共认，而且已被 广泛应用于干线网，预计到2 0 0 0 年，几乎世界上所有的电信传输 网络都将采用s d h 技术，将s d h 引入接入网是一个发展趋势， 它会在网络管理方面和电信管理网更加融合( 这一部分在第四章 里有论述) 。目前看，成本较高，但随着技术的发展，s d h 产品的 价格会降下来。 s d h 技术引入接入网后，接入网可以分成两个层面：一是光 接入分配网，另一个是光接入传送网。接入传送网与用户业务无 关，信息透明传输，它的特点是容量大、对安全性要求高，可以 采用传输体制标准、网管维护功能强、自愈保护功能完善的s d h 环网。接入分配网直接面向用户，位于接入网的末端，如地理位 置分散的居民小区、乡村等，其特点是o n u 容量较小，数量多且 分散，维护困难，网络结构通常难以形成环形，采用p o n ( 也可 以是d l c ) 。图2 6 显示基于s d h 的环状光有源接入网。 第二章光纤接八网概述 图2 6 基于s d h 的环状光有源接入网框图 从上图看，接入传送网采用s d h 环，自愈保护功能完善，能 够使接入网的传输距离加长，交换机的服务半径按需延伸，从而 扩大了交换区的覆盖范围，符合“大容量，少局所”优化本地网 路的建设方针；容量得到扩大，可提供综合业务接入；接入网可 独立于交换机进行升级，灵活性高，有利于向宽带网过渡，但存 在供电问题。 目前国内一些生产厂家已开发生产出综合类型的光纤接入网 设备，这些设备以光纤接入为主干，将s d h 引入光接入网，并可 融合铜缆接入( h d s l 、a d s l ) 、无线接入( w l l ) 等接入方式。 如华为的h o n e t 系统，中兴的z x a l 0 系统以及u t 斯达康的 a n 一2 0 0 0 等等。在接入网设备的引入上，要综合考虑自己的实际 情况，并和本地交换机相结合，交换机要有v 5 接口。论文的附录 分；3 1 j 介绍了华为公司的光有源和无源一体化综合接入网h o n e t 系统以及中兴公司的z x a n 系统的部分应用框图。 第三章传输媒质层 第三章传输媒质层 传输媒质层位于接入网的最底层，它与传输媒质有关。传输媒 质层可以细分为段层和物理层，其中段层涉及段层接入点之间的 信息传递，支持一个或多个通道层，例如s d h 通道或p d h 通道， 物理层涉及实际的传输媒质，诸如光纤、双绞线、同轴电缆、无 线，支持段层网络。在光纤接入网中，传输媒质为光纤，用户网 络接口(