第7章现代光纤网络

1、 光纤通信光纤通信 原理与应用原理与应用 第 7 章 现代光纤网络 第第7 7章章 现代光纤网络现代光纤网络 7.1 7.1 光纤通信在现代信息网络中的重要地位光纤通信在现代信息网络中的重要地位 7.1.1 现代信息网络的基本特点 现代信息网络又称为多媒体通信网络，其基本特点是 1. 信息综合化 2. 信息高速化 3. 传输介质多样化 4. 应用多样化 7.1.2 光纤通信在现代信息网络中的应用概况 1国际光纤通信发展概况 2我国光纤通信发展概况 7.2 光纤接入网 7.2.1 基本概念 1接入网（AN） 1） AN在整个通信网中的部位UNI用户-网络接口 ；SNI业务节点接口 用户是指用户终

2、端设备（如计算机、电话机等） 和用户驻地设备（如用户交换机等）； 核心网是指本地局与市话局、市话局与长途局、长途局与长途局之间的所有区段。 2）AN的几种等价定义 接入网是用户和端局（即本地交换局）之间的所有机线设备，具有复用、交叉连接和传输等功能 接入网是用户与核心网之间的中介网 接入网是UNI和SNI之间的所有机线设备 3）端局到用户之间的传统电缆接入网的线路连接结构（图7-2）端局：本地交换局 2光纤接入网（OAN） 1）定义：光纤接入网是以光纤作为传输介质的接 入网，又称为光接入网（OAN）。 2）光纤接入网的线路连接结构（图7-3） 3）光纤接入网的的功能配置结构 PON和和AON

3、的区别的区别： PON 的配线网使用无源器件(光分路器、WDM器件) AON 的配线网使用有源器件(电复用器、集线器HUB等 )4）光纤接入网的基本拓扑结构（图7-5）7.2.2 FTTx接入网1. 定义：定义：FTTx接入网属于光纤接入网（OAN）的一部分，是指从端局设备OLT到用户端设备ONU之间的所有机线设备2. FTTx的基本类型 1）光纤到路边（FTTC） 2）光纤到大楼（FTTB） 3）光纤到户（FTTH）和光纤到办公室（FTTO) 双连线是光纤；单连线是双绞线；粗线长方块是ONU图7-6 FTTx接入网的基本类型OLT（图中未画出） 是LE与右侧光纤之间的E/O转换接口7.2.3

4、 FTTH的基本拓扑结构 1. 基本拓扑结构图图7-7 点对多点PON的基本拓扑结构 无源光分支器(又称为光分路/合路器)使用光功率分路方式的光耦合器、或WDM方式的分波/合波器(目前多使用前者) 2. 点对多点PON结构的优点 能节省大量光纤及相关设备，因而成为FTTH的热 门研究对象。目前国际上研制的PON技术，主要分为： EPON（Ethernet PON）即以太网PON APON（ATM PON）即异步传输模式PON BPON（Bandwith PON）即宽带PON GPON （Gigabit-Capable PON）即千兆位PON7.2.4 FTTH 的实现技术：xPON接入技术1x

5、PON的规范标准 A/BPON：ITU-T G.983.1G.983.10 EPON：IEEE802.3ah GPON ：ITU-T G.984.1 G.984.4 2xPON的基本工作原理 1）xPON接入网的拓扑结构：通常采用星形或树形结构 2）上、下行信号的收发方式 下行方向 OLT发送的信号通过光分路/合路器以广播方式传送到各个ONU，各个ONU从中取出发给自己的信息。 上行方向 各个ONU从不同位置向OLT发送信号，并且共享从光分路/合路器到OLT的同一根光纤通道，因此必须遵循一定的上行接入规则，才能避免各信号之间发生碰撞。 3）按照现有规范，目前各类按照现有规范，目前各类PON的上

6、、下行信号的上、下行信号都是采用时分复用都是采用时分复用( (TDM) )的传输方式的传输方式 图7-8 xPON的上、下行传输方式 4）关键问题：上行信号的时分多路接入控制）关键问题：上行信号的时分多路接入控制 3. xPON拓扑结构各组成模块的基本功能 4. 各类PON的帧结构 1）A/BPON帧结构图7-11 BPON帧结构（上行速率为155.52 Mb/s、下行速率为622.08 Mb/s ）图7-12 BPON帧结构（上行速率为622.08 Mb/s、下行速率为1244.16 Mb/s ） 2）EPON帧结构 以太网帧的前导码在物理层由硬件生成以太网帧除前导码以外的部分称为MAC帧图

7、7-13 EPON的帧结构3）GPON帧结构图7-15 GPON的帧结构5xPON的关键技术 1） 测距和时延补偿技术测距和时延补偿技术 2）上行信号的同步接收技术）上行信号的同步接收技术 3）上行信号的突发发射技术）上行信号的突发发射技术 7.2.5 各类PON接入技术的比较1. 各类PON的性能比较A/BPONEPONGPON标标 准准ITU-T G.983IEEE 802.3ahITU-T G. 984下行速率下行速率/(Mb/s)155.52/622.08/1244.1612501244.16/2488.32上行速率上行速率/(Mb/s)155.52/622.08 1250155.52

8、/622.08/ 1244.16/2488.32下行波长下行波长/nm12601360126013601260 1360上行波长上行波长/nm148015001480150014801500基本协议基本协议ATMEthernetATM线路编码线路编码NRZ8B/10BNRZ分支比分支比1:16/321:16/321:16/32/64/128最大传输距最大传输距离离/km202060传输码效率传输码效率较高低高支持多业务能支持多业务能力力ATM（其他业务适配复杂）Ethernet（其他业务适配复杂）ATM, TDM, Ethernet等QoS保障保障依靠ATM机制 有相关定义有多种具体定义OAM

9、功能功能丰富一般丰富下行数据安全下行数据安全 单密钥加密/解密未具体定义AES单密钥加密/解密2. 各类PON的应用情况 1）A/BPON 技术成熟，成本较高，在ATM 网络资源丰富的应用环境易于实现。目前在北美、日本和欧洲都有APON产品的实际应用。 2）EPON 结构简单，成本低，继承了Ethernet易于实现的特点，在欧美等原有设备较多的国家和地区使用较多，在日本和韩国使用也较多。 3）GPON 其标准门槛较高，技术实现复杂，商用芯片推出较晚，成本高。2006年以来情况已经大为改观，目前有众多的大型芯片厂商支持GPON芯片的生产，有许多国家已经试验或正在部署GPON的应用。 4）我国的应

10、用情况 2007年我国FTTH/FTTB建设已经逐渐拉开序幕，全国各地的FTTH商用工程不断涌现。在这一年，中国电信进行了多轮的设备互联互通测试，并于8月首次举行16个省份EPON的集中采购。 2008年中国电信大力推动EPON的规模发展，同时以一些地区作为试点开始对GPON应用的探索。中国网通集团也将GPON作为未来接入网的演进目标。7.2.6 HFC接入网1基本概念 HFC（光纤-同轴电缆混合）接入网是在有线电视（CATV）网基础上发展起来的一种宽带接入网，是综合利用数字和模拟传输技术、光纤和同轴电缆技术的一种接入网，是CATV网与通信网相结合的产物。 HFC网除了传送CATV外，还提供电

11、话、数据和其他宽带交互式业务。2HFC网络结构图7-17 HFC网络结构简图各组成单元功能各组成单元功能 1）局端（又称为前端）设备 完成电信号调制/解调、电/光和光/电转换（即光发送和光接收）、合路/分路、应答控制等。 2）光纤节点（FN） 完成光/电和电/光转换（即光接收和光发送），以及电信号解复用/复用等。 3）分路器（又称为分支器） 是多根同轴电缆的交接点，完成电信号的分路/合路。 4）放大器 完成同轴电缆信号的放大。 5）用户接口盒（UIB） 对用户TV、电话机、计算机提供接口转换功能。 HFC接入网的频段分配如下： 上行通道（UC） 使用542 MHz频段（高频HF和甚高频VHF）

12、，用来传送上行电话及用户视频点播请求/控制信号 下行通道（DC） 使用501000 MHz频段（甚高频VHF和超高频UHF），其中50550 MHz频段用来传送模拟电视，550750 MHz频段用来传送数字电视（也可分出一部分频段用来传输下行电话及用户数据信号），7501000 MHz频段预留用来传送双向通信业务3HFC网络的工作原理 发送端 所有信息通过相应调制转换成射频（即HF, VHF和UHF）模拟信号，经由频分复用方式合成一个宽带射频电信号，加到前端的光发射模块上调制成光信号发送出去 传输 光信号传输到光纤节点后转换为射频电信号，再经射频放大器放大后送至各个同轴电缆分配网传输到用户 用

13、户端 用户接收相应频带的信息，并进行解调得到所需信息 7.3 光纤局域网7.3.1 局域网（LAN）的基本概念1局域网的基本特点 1）通信范围较小（在10 km以内），可以覆盖一座高楼、 一个建筑群、一个企业、一个校园等，站点数目有限，路由功能可有可无； 2）数据速率较高（几至几百Mb/s以上）； 3）误码率较低（109以下），中间节点不需要差错控制； 4）采用基带数字传输（传输介质是双绞线、50 同轴电缆 或光纤）或宽带模拟传输（传输介质是双绞线、75 同轴电缆或光纤）； 5）各个站点共享信道资源，需要较复杂的介质接入控制（ MAC）技术（此特点仅适合ATM局域网以外的传统局域网）。2局域网

14、分类 可以分为以太网（Ethernet）、令牌环（Token Ring）网、FDDI网（以上称为传统局域网）和ATM（异步传输模式）局域网。 以太网又分为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10Gb/s以太网。10Base-5（50粗同轴电缆联网）IEEE802.310Base-2（50细同轴电缆联网）IEEE802.3a10Base-T（无屏蔽双绞线联网） IEEE802.3i10Base-F（光纤联网）IEEE802.3j10Mb/s以太网100Base-TX（无屏蔽或有屏蔽双绞线联网） IEEE802.3u100Base-FX（光纤联网） IEEE802.3u100Base-

15、T4（无屏蔽双绞线联网） IEEE802.3u 100Mb/s 以太网 1000Mb/s 以太网1000Base-SX（光纤联网） IEEE802.3z1000Base-LX（光纤联网） IEEE802.3z1000Base-CX（有屏蔽双绞线联网）IEEE802.3z1000Base-T（无屏蔽双绞线联网）IEEE802.3ab10GBase-R（光纤联网）IEEE802.3ae 10GBase-T（无屏蔽双绞线联网）IEEE802.3an4Mb/s令牌环（同轴电缆联网）IEEE802.516Mb/s令牌环（同轴电缆联网）IEEE802.525或51Mb/s ATM局域网（无屏蔽双绞线联网）

16、ATM标准155Mb/s ATM局域网（无屏蔽或有屏蔽双绞线或 光纤联网光纤联网）ATM标准622Mb/s ATM局域网（光纤联网）ATM标准10Gb/s以太网令牌环网 FDDI网 ATM局域网100Mb/s光纤令牌环（光纤联网）FDDI标准7.3.2 光纤总线形/星形局域网1. 定义 光纤总线形局域网是用一根光纤将多个用户终端连接起来构成的网络 光纤星形局域网是利用光纤将所有用户终端分别与一个中心节点连接起来构成的网络2. 实例 1）10Base-F 是一种使用光纤的10Mb/s以太网技术，包含以下三个类型，即 10Base-FL 用于计算机之间或计算机与中继器之间的点对点链路，支持全双工通

17、信，链路长度可达2 km（0.85 m多模光纤）或5 km（1.31 m多模光纤），与FOIRL（即中继器间光纤链路）混用则长度减半 。用于大楼之间的链接。 10Base-FB 用于中继器之间的主干链路，允许中继器级联，使用多模光纤，链路长度可达 2 km 。 10Base-FP 用于无中继器情况下无源星形拓扑结构中的链路，使用多模光纤，链路长度可达 500 m 。 2）100Base-FX 是一种使用光纤的100Mb/s快速以太网技术，网络拓扑结构为星形，使用1.31 m多模光纤，链路长度可达412 m（半双工）或2 km（全双工）。用于主干网上的网桥、路由器及交换机之间的链接。 3）100

18、0Base-SX和1000Base-LX 是使用光纤的千兆位以太网技术，网络拓扑结构为星形，链路长度：1000Base-SX可达 550 m（ 用0.85 m多模光纤），1000Base-LX可达 5 km（ 用1.31 m单模光纤 ）。用于大楼主干网、校园主干网或城域主干网。 4）10GBase-R 是使用光纤的万兆位以太网技术，网络拓扑结构为星形，又分为以下三类： 10GBase-SR 使用两根多模光纤（0.85 m），链路长度可达300 m（芯径50 m ）或35 m（芯径62.5 m）。通常用于数据中心。 10GBase-LR 使用两根单模光纤（1.31 m），链路长度可达10 km。

19、 10GBase-ER 使用两根单模光纤（1.55 m），链路长度可达40 km。 7.3.3 光纤令牌环局域网1定义 由两个相互独立的、传输方向相反的光纤环路作为传输介质，采用令牌环技术，速率达到100 Mb/s的高速局域网，称为光纤令牌环局域网，又称FDDI网络。 2. 光纤令牌环局域网的结构图7-20 光纤令牌环局域网的结构简图 主环和次环 主环用于传输数据，次环用于备份。 单连接站点（SAS）和双连接站点（DAS） SAS 只能有一个端口（含进/出光纤接口各一个）与主环直接相连，而不能与次环直接相连（但可通过双连接集中器连接到双环上）。例如，一般站点（如用户PC机）都是SAS。 DAS

20、 允许两个端口分别与主环和次环直接相连。例如，重要站点（如服务器）都是DAS。 双连接集中器（DAC，或称为FDDI-Hub） 可以与主环和次环直接相连，本身还带有多个端口，用来连接多个单连接站点SAS。3. 工作原理 FDDI环形网络上各个站点不能任意争抢公共信道来发送信息，而是由沿一定方向绕环传递的令牌（一种独特格式的帧）来赋予站点发送信息的权力。一个需要发送信息的站点，必须等待令牌到来，并且只有截获令牌后才可以发送信息。 一个截获了令牌的站点发送完一个或多个信息包后，随即产生一个新令牌，新令牌跟在所发送的最后一个信息包的后面绕环运行。其他任何站点截获了这个令牌，也可以发送一个或多个信息包

21、，并且在这些信息包的后面立即又发送一个新的令牌继续运行。 7.3.4 光纤ATM局域网1基本概念 ATM（异步传输模式）的协议模型比传统以太网要复杂得多，在局域网中得到了成功的运用和发展。ATM网具有高带宽（高达622 Mb/s）、低延时（30 s左右）、用途广泛等优点。 2ATM技术的主要特点 1）ATM是电路交换与分组交换的结合 2）ATM采用统计时分复用（STDM）方式 3）ATM支持各种不同速率的业务 4）ATM交换节点功能简单 5）ATM适用性强 3光纤ATM局域网拓扑结构 光纤ATM局域网包括两类基本的网络元素，即ATM交换机和ATM端点。 各个ATM交换机之间用光缆两两相连形成网

22、状结构，以获得良好的连通性。 每个ATM交换机则通过一些点到点链路与各自的ATM端点相连，形成星形结构。 整个网络成为星形-网状拓扑结构。 7.4 光纤城域网和广域网7.4.1 光纤城域网（MAN）1城域网的基本特点 1）通信范围比局域网大（在几十km内）， 可以覆盖一个城市。 2）数据速率较高（几十至几百Mb/s）。 3）误码率较低（109以下）。 4）网络体系结构与局域网相同。 5）各个站点共享信道资源，需要较复杂的介 质接入控制（MAC）技术。2光纤分布式队列双总线 光纤分布式队列双总线（FDQDB）是一种基于光纤传输技术的分布式队列双总线城域网，数据速率可达2300 Mb/s。 FDQ

23、DB的拓扑结构是由光纤双总线以及连接在这两条总线之间的用户站点组成的。两条总线是单向传输，彼此方向相反；各个用户站点通过这两条传输方向相反的单向总线可以实现相互间的双向通信。 7.4.2 基于SDH的多业务传送平台（MSTP）1. 基于SDH的多业务传送平台（MSTP）是利用光纤传输技术并以SDH为基础的多业务传送平台，可以同时实现TDM, ATM, Ethernet等多种业务的接入、处理和传送。MSTP是目前城域网最主要的一种实现方式。2. MSTP的拓扑结构是在SDH传送网的基础上配置第二层（数据链路层）交换机（即按照MAC地址进行交换）等设备而构成的。3. MSTP提供多种业务的接口，包

24、括：TDM业务（PDH, SDH等）的E1, E3, STM-1/4/16接口；以太网业务的10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s接口；ATM业务的E1, E3, STM-1/4/16接口。4. MSTP使用GFP帧来承载各种业务信息。GFP（通用成帧规程）是一种面向无连接的数据链路层协议，它提供了一种将高层用户信息适配到字节同步的SDH传送网络中的通用机制。7.4.3 光纤广域网（WAN）1 WAN的基本特点 1）通信范围比城域网大（在几十至几千km内），可以跨地区、跨省市、跨越整个国家，多用于LAN的远程连接，站点数目很多，故需路由选择。 2）数据速率较高（几十至几百Mb/s）。 3）不采用局域网使用的介质接入控制（MAC）技术，而