第5章光纤接入网技术-副本

第5章光纤接入网技术·

本章介绍光纤接入网技术，主要内容包括：●光纤接入网概述●

ATM无源光网络（APON）接入技术●以太网无源光网络（EPON）接入技术●吉比特无源光网络（GPON）接入技术●有源光网络（AON）接入技术光纤接入网概述5.1ATM无源光网络（APON）接入技术5.2以太网无源光网络（EPON）接入技术5.3吉比特无源光网络（GPON）接入技术5.4有源光网络（AON）接入技术5.55.1光纤接入网概述

5.1.1光纤接入网的定义及优点

1、光纤接入网的定义·

光纤接入网(OAN)是指在接入网中用光纤作为主要传输媒介来实现信息传送的网络形式，或者说是业务节点与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的接入方式。2、光纤接入网的优点（1）支持更高速率的宽带业务；（2）有效解决接入网的“瓶颈效应”问题；（3）传输距离长；（4）质量高、可靠性好；（5）易于扩容和维护。

5.1.2光纤接入网的功能参考配置·AON主要包含如下配置。●四种基本功能模块：

光线路终端(OLT)

光分配网络(ODN)/光远程终端(ODT)

光网络单元(ONU)AN系统管理功能块●五个参考点：光发送参考点S光接收参考点R与业务节点间的参考点V与用户终端间的参考点TAF与ONU间的参考点a●三个接口：网络维护接口Q3，用户网络接口UNI业务节点接口SNI。1、OLT功能块：（OpticalLineTerminal，光线路终端）·OLT，是光接入网的核心部件，相当于传统通信网中的交换机或路由器，同时也是一个多业务提供平台。

一般放置在局端，提供面向用户的无源光纤网络的光纤接口

OLT的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口，并经过一个或多个ODN与用户侧的ONU通信。OLT与ONU的关系为主从通信关系。·

OLT对来自ONU的信令和监控信息进行管理，从而为ONU和自身提供维护与供给功能。有OLT的典型组网方式OLT内部组成（图5-3）业务部分：提供业务接口功能，包括接口适配、接口保护等，以及在需要时具有特定业务的信令处理和媒质传输制式的转换功能核心部分：包括汇聚分发、业务处理和ODN适配功能公共部分：包括供电与OAM功能2、ONU功能块（OpticalNetworkUnit,光网络单元）

（图5-4）

是光网络中的用户端设备，放置在用户端，与OLT配合使用，实现以太网二层、三层功能，为用户提供语音、数据和多媒体业务。·ONU位于ODN和用户之间，ONU的网络侧具有光接口，而用户侧为电接口，因此需要具有光/电和电/光变换功能，并能实现对各种电信号的处理与维护管理功能。ONU主要实现的功能是：

—选择接收OLT发送的数据。

—响应OLT发出的管理命令，并作相应的调整。

—对用户的以太网数据进行缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送。

—其他用户管理功能。3、ODN/ODT功能块·

ODN（OpticalDistributionNetwork,光分配网络）ODN/ODT为ONU和OLT提供光传输媒介作为其间的物理连接，即传输设施。·

根据传输设施中是否采用有源器件，光纤接入网分为有源光网络（AON）和无源光网络（PON）。·

有源光网络（AON）（ActiveOpticalNetwork）则指的是OAN的传输设施中含有源器件，即为光远程终端（ODT）；而无源光网络（PON））（PassiveOpticalNetwork）指的是OAN中的传输设施全部由无源器件组成，即为光分配网络（ODN）。4、AN系统管理功能块·AN系统管理功能块是对光纤接入网进行维护管理的功能模块，其管理功能包括配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及计费管理。5.1.3光纤接入网的分类

1、有源光网络（AON）·

有源光网络（AON）是传输设施中采用有源器件。·

有源光网络由OLT、ONU、光远程终端（ODT）和光纤传输线路构成。·AON通常用于电话接入网，其传输体制有PDH和SDH，一般采用SDH（或MSTP（Multi-ServiceTransferPlatform）技术）。·

网络结构大多为环形，ONU兼有SDH环形网中ADM（分插复用器）设备的功能。在数字传输系统中，有两种数字传输系列，一种叫“准同步数字系列”（PlesiochronousDigitalHierarchy），简称PDH；

另一种叫“同步数字系列”（SynchronousDigitalHierarchy），简称SDH。PDH是指在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟，这些时钟的信号都具有统一的标准速率。

尽管每个时钟的精度都很高，但总还是有一些微小的差别。为了保证通信的质量，要求这些时钟的差别不能超过规定的范围。

因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步，所以叫做“准同步”。

在以往的电信网中，多使用PDH设备。这种系列对传统的点到点通信有较好的适应性。

而随着数字通信的迅速发展，点到点的直接传输越来越少，而大部分数字传输都要经过转接，因而PDH系列便不能适合现代电信业务开发的需要，以及现代化电信网管理的需要。SDH就是适应这种新的需要而出现的传输体系。

最早提出SDH概念的是美国贝尔通信研究所，称为光同步网络（SONET）。

它是高速、大容量光纤传输技术和高度灵活、又便于管理控制的智能网技术的有机结合。

最初的目的是在光路上实现标准化，便于不同厂家的产品能在光路上互通，从而提高网络的灵活性。1988年，国际电报电话咨询委员会（CCITT）接受了SONET的概念，重新命名为“同步数字系列（SDH）”，使它不仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输的技术体制，并且使其网络管理功能大大增强。它有统一的比特率，统一的接口标准，为不同厂家设备间的互联提供了可能。2、无源光网络（PON）·

无源光网络（PON）中传输设施ODN是由无源光元件组成的无源光分配网，主要的无源光元件有：光纤、光连接器、无源光分路器OBD（分光器）和光纤接头等。·

根据采用的技术不同，无源光网络（PON）又可以分为以下几类。●APON——基于ATM的无源光网络（在PON中采用ATM技术），后更名为宽带PON（BPON）；●EPON——基于以太网的无源光网络（采用PON的拓扑结构实现以太网帧的接入）；●GPON——GPON业务是BPON的一种扩展。

5.1.4光纤接入网的拓扑结构

1、无源光网络（PON）的拓扑结构

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无源光网络（PON）的拓扑结构一般采用星形、树形和总线形。（1）星形结构·

星形结构包括单星形结构和双星形结构。①单星形结构

单星形结构是指用户端的每一个光网络单元(ONU)分别通过一根或一对光纤与OLT相连，形成以光线路终端(OLT)为中心向四周辐射的星型连接结构。单星型结构特点：

光纤连接中不使用OBD，不存在由分路器引入的光信号衰减，网络覆盖的范围大；线路中没有有源电子设备，是一个纯无源网络，线路维护简单；采用相互独立的光纤信道，ONU之间互不影响且保密性好，易于升级。

但是光缆需要量大，光纤需要量大，光线和光源无法共享，成本较高。②双星形结构·

双星形结构单星形结构的改进，多个光网络单元(ONU)均连接到无源光分路器OBD（分光器），然后通过一根或一对光纤再与OLT相连，如图5-6所示。

双星型结构适合网径更大的范围，且维护费用低、易于扩容升级、业务变化灵活。

是目前采用比较广泛的一种结构。（2）树形结构·

树形结构是光纤接入网星形结构的扩展，如图5-7所示。·

连接OLT的第1个光分路器(OBD)将光分成n路，下一级连接第2级OBD或直接连接ONU，最后一级的OBD连接n个ONU。树形结构的特点：

线路维护容易，不存在雷电及电磁干扰，可靠性高。但是由于OLT的一个光源提供给所有ONU的光功率，光源的功率有限，限制了所连接ONU的数量及光信号的传输距离。（3）总线形结构适合于沿街道、公路线状分布的用户环境。采用非均匀分光的分光器沿线状排列。总线型结构特点：

非均匀的分光器只引入少量的损耗给总线，并且只从光总线中分出少量的光功率。

但是由于光纤线路存在损耗，使在靠近OLT和远离OLT处接收到的光信号强度有较大的差别，因此对ONU中光接收机的动态范围要求较高。

2、有源光网络（AON）的拓扑结构·

有源光网络（AON）的拓扑结构一般采用双星形、链形和环形结构。（1）有源双星形结构

引入了远端节点RN/RT。通过向新设的远端节点分配一些服用功能，或者附加一些有限的交换功能，来减少馈线段光纤的数量，以克服星形结构成本高的缺点。

适于传输距离较远，用户密度较高的企事业用户区和住宅居民用户区。

远端节点可以采用SDH复用器。（2）链形结构·

当涉及通信的所有点串联起来并使首末两个点开放时就形成了链形结构（线形结构）。·

图中的远端节点RN可以采用SDH分插复用器（ADM），ADM具有十分经济灵活的上下低速业务的能力，可以节省光纤并简化设备（ADM兼有ONU的功能）。（3）环形结构·

环形结构是指所有节点共用一条光纤链路，光纤链路首尾相接组成封闭回路的网络结构。·

这种结构的突出优点是可实现自愈。缺点是单环所挂用户有限。

自愈——无需外界干扰，网络就可以在较短的时间内自动从失效故障中恢复所传业务。

有源光网络和无源光网络的区别：

有源光网络中，ONU设备串联在光纤网络中，每个ONU收到的信号是经上级ONU光-电-光变换后的信号。而在无源光网络中，ONU设备是通过光分路器并接在光纤网络上，各ONU收到的信号都由OLT直接发送下来。

当网络需要增加支路时，有源光网络系统必须在支路节点增加光接口板以实现光方向的增加，而无源光网络系统则只需更换光分路器，采用分路数更多的光分路器即可增加光方向，因此无源光网络系统扩充比有源光网络系统更方便，且投资成本更低。5.1.5光纤接入网的应用类型

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按照光纤接入网的参考配置，根据光网络单元(ONU)设置的位置不同，光纤接入网可分成不同种应用类型，主要包括：

光纤到路边(FTTC)光纤到大楼(FTTB)光纤到家(FTTH)或光纤到办公室(FTTO)FTTB（FiberToTheBuilding）:是FTTX+LAN的一种网络连接模式，主要是将光信号接入办公大楼或者公寓大厦的总配线箱内部，实现光纤信号的接入，而在办公室大楼或公寓大厦的内部，则仍然是利用同轴电缆、双绞线或光纤实现信号的分拨输入，以实现高速数据的应用。

我们称为FTTX+LAN的宽带接入网（简称FTTB），这是一种最合理、最实用、最经济有效的宽带接入方法。5.1.6光纤接入网的传输技术

1、双向传输技术（复用技术）·

双向传输技术（复用技术）是上行信道(ONU到OLT)和下行信道(OLT到ONU)的区分。（1）光空分复用(OSDM)

·OSDM就是双向通信的每一方向各使用一根光纤的通信方式，即单工方式，如图5-13所示。（2）光波分复用(OWDM)·

只需将两个方向的信号分别调制在不同波长上即可实现单纤双向传输的目的。（3）时间压缩复用方式(TCM)·

时间压缩复用（TCM）又称“光乒乓传输”。·

在一根光纤上以脉冲串形式的时分复用技术，每个方向传送的信息，首先放在发送缓存中，然后每个方向在不同的时间间隔内发送到单根光纤上。接收端收到时间上压缩的信息在接收缓存中解除压缩。（4）光副载波复用(OSCM)·

在OSCM中，首先将两个方向的信号分别调制到不同频率的射频波上，然后两个方向的信号再各自调制一个光载波（可以使用一个波长）。·

在接收端同样也需要二步解调，首先利用光/电探测器从光信号中得到两个方向各自的射频信号，然后再将各射频波解调恢复出两个方向各自的信号。2、多址接入技术·OLT与ONU的连接方式采用点到多点的连接方式时，为了使每个ONU都能正确无误地与OLT进行通信，反向的用户接入，即多点用户的上行接入需要采用多址接入技术。·

多址接入技术主要有：

光时分多址（OTDMA）光波分多址（OWDMA）光码分多址（OCDMA）光副载波多址（OSCMA）（1）光时分多址接入(OTDMA)方式·OTDMA方式是指将上行传输时间分为若干时隙，在每个时隙只安排一个ONU发送的信息，各ONU按OLT规定的时间顺序依次以分组的方式向OLT发送。·

为了避免与OLT距离不同的ONU所发送的上行信号在OLT处合成时发生重叠，OLT需要有测距功能，不断测量每一个ONU与OLT之间的传输时延(与传输距离有关)，指挥每一个ONU调整发送时间使之不致产生信号重叠。（2）光波分多址(OWDMA)方式·

光波分多址(OWDMA)方式是每个ONU使用不同的工作波长，OLT接收端通过分波器来区分来自不同ONU的信号。·

OWDMA方式的原理如图5-18所示。（3）光码分多址(OCDMA)·

光码分多址(CDMA)方式是给每个ONU分配一个唯一的多址码，将各ONU的上行信号码元与自己的多址码进行模二加，再调制相同波长的激光器，在OLT用各ONU的多址码恢复各ONU的信号。

光纤码分多址（OCDMA）是利用光纤的丰富带宽和高速的光信息处理技术，将数据信号扩频成光脉冲序列，经光纤传输后，再利用光学相关技术实现解码的技术；是将扩频多址射频同轴连接与大容量的光纤通信技术相结合的通信方式，能更有效地弥补微波通讯带宽不足的缺陷。

（4）光副载波多址（OSCMA）方式

·

SCMA方式采用模拟调制技术，将各个ONU的上行信号分别用不同的调制频率调制到不同的射频段，然后用此模拟射频信号分别调制各ONU的激光器，把波长相同的各模拟光信号传输至OBD合路点后再耦合到同一馈线光纤到达OLT。

在OLT端经光/电探测器后输出的电信号通过不同的滤波器和鉴相器分别得到各ONU的上行信号。·

目前光纤接入网主要采用的多址接入技术是OTDMA。

5.2ATM无源光网络（APON）接入技术1、APON的概念·APON(ATM-PON)是PON技术和ATM信元相结合的产物，即在PON上实现基于ATM信元的传输。·APON是在20世纪90年代中期由全业务接入网络组织（FSAN）最初运作开发的。·

经过FSAN集团的不懈努力，1998年10月通过了全业务接入网采用的APON格式标准：ITU-TG.985.1；

2000年4月批准其控制通道规范的标准：ITU-TG.985.2；2001年又发布了关于波长分配的标准：ITU-TG.985.3，利用波长分配增加业务能力的宽带光接入系统。2、APON的特点

（1）综合接入能力（2）高可靠性（3）接入成本低（4）资源利用率高（5）技术复杂APON工作原理OLT(光线路终端)将到达各个ONU(光网络单元)的下行业务组装成帧，以广播的方式发送到下行信道上，各个ONU收到所有的下行信元后，根据信元头信息从中取出属于自己的信元；在上行方向上，由OLT轮询各个ONU，得到ONU的上行带宽要求，OLT合理分配带宽后，以上行授权的形式允许ONU发送上行信元，即只有收到有效上行授权的ONU才有权利在上行帧中占有指定的时隙。实现APON的关键技术有：

多址和接入控制技术(在使用TDMA上行接入时包括测距、带宽分配等)

突发信号的发送和接收技术

快速比特同步技术

安全保密等实用的PON系统主要是窄带PON，由窄带PON升级到宽带的APON，终端设备和控制协议都需要进行大幅度的改动，传输速率的提高对物理层设备和媒质访问控制(MAC)协议都有新的要求。

只要宽带PON的成本可以控制在窄带PON的1.5倍以下，还是可以接受的。虽然宽带PON的技术细节还需要在其实际的发展和使用中继续研究和完善，但ITU-T在APON实用系统出现之前就确定了G.983建议，对APON进行了规范。985到了本世纪初，随着互联网技术发展和其他通讯技术发展，APON也暴露了带宽比较低的弱点；在APON技术基础上发展了BPON技术，带宽从155M提升到622M。BPON在北美等很多地区得到了部署。BPON经过发展，又形成了GPON技术。GPON可以支持2.5G下行，1.25G上行。底层封装技术扩展支持GEM（GeneralEncapsulationMethod）封装，同时兼容支持ATM封装。但从各个厂家实现来看，基本上抛弃了ATM封装。5.3以太网无源光网络（EPON）接入技术5.3.1EPON的网络结构及设备功能（EthernetPassiveOpticalNetwork，以太网无源光网络）·EPON是基于以太网的无源光网络，即采用PON的拓扑结构实现以太网帧的接入，EPON技术由IEEE802.3

EFM工作组进行标准化。EPON的标准为IEEE802.3ah。

EPON，顾名思义，是基于以太网的PON技术。它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。

在物理层采用PON技术，在数据链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现以太网接入。

因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本、高带宽、扩展性强、与现有以太网兼容、方便管理等。

1、EPON的网络结构·EPON的网络结构一般采用双星形或树形，其示意图如图5-28所示。·EPON中包括无源网络设备和有源网络设备。●无源网络设备——无源网络设备指的是光分配网络(ODN)，包括光纤、无源分光器、连接器和光纤接头等。·

它一般放置于局外，称为局外设备。●有源网络设备——包括光线路终端（OLT）、光网络单元(ONU)和设备管理系统(EMS)。2、EPON的设备功能（1）光线路终端（OLT）·OLT的具体功能为：①提供EPON与服务提供商核心网的数据、视频和话音网络的接口，具有复用/节复用功能；②光/电转换、电/光转换。③分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能；④具有以太网交换机或路由器的功能·OLT布放位置一般有3种方式：

—OLT放置于局端中心机房(交换机房、数据机房等)

—OLT放置于远端中心机房

—户外机房或小区机房(2)分光器·

分光器的作用是将1路光信号分为N路光信号。·

其具体功能为分发下行数据，并集中上行数据。·

分光器带有一个上行光接口，若干下行光接口。

从上行光接口过来的光信号被分配到所有的下行光接口传输出去，从下行光接口过来的光信号被分配到唯一的上行光接口传输出去。·EPON中，分光器的分光比一般为：1:8/1:16/1:32/1:64。·

分光器的布放方式有三种：

一级分光：应用于需求密集的城镇二级分光：应用于需求分散的城镇

多级分光：应用于成带状分布的农村或商业街（3）光网络单元(ONU)①ONU的功能—给用户提供数据、视频和语音与PON之间的接口（若用户业务为模拟信号，ONU应具有模/数、数/模转换功能）—光/电(以太网帧格式）转换、电/光转换—提供以太网二层、三层交换功能

②ONU布放的位置·

根据ONU布放的位置，可将EPON分为以下几种情况：—光纤到户(FTTH)—光纤到大楼(FTTB)—光纤到路边(FTTC)（4）设备管理系统(EMS)·EPON中的OLT和所有的ONU被设备管理系统(EMS)管理，设备管理系统(EMS)提供与业务提供者核心网络运行的接口。·

管理功能有故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理。5.3.2EPON的工作原理及帧结构·EPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输。·

使用二个波长时，下行（OLT到ONU）使用1510nm，上行（ONU到OLT）使用1310nm，用于分配数据、语音和IP交换式数字视频（SDV）业务。·

使用三个波长时下行使用1510nm上行使用1310nm增加一个下行1550nm波长，携带下行CATV业务1、下行通信·EPON下行采用时分复用（TDM）+广播的传输方式。·

EPON下行传输原理如图5-30所示。·EPON下行传输的数据流被组成固定长度的帧，其帧结构如图5-31所示。·EPON下行传输速率为1.25Gbit/s，每帧帧长为2ms，携带多个可变长度的数据包。·

含有同步标识符的时钟信息位于每帧的开头，用于ONU与OLT的同步，同步标识符占1个字节。

·

EPON包头（Header）：包含LLID

逻辑链接标识（LLID，（LogicalLinkIdentifier）是EPON系统分配给通过点到点仿真子层（P2PESublayer）建立起来的逻辑链接的一种数字标识，每一个逻辑链接都会分配到不同的LLID。

在EPON系统中，LLID是由网管通过OLT分配的。

OLT可以通过LLID辨别帧是由哪个ONU发来的，或者通过修改帧中的LLID将帧转发到相应的ONU处。

于是，我们就能够建立起OLT到ONU、ONU到OLT的通路，完成OLT与ONU之间，以及ONU与ONU之间的通信。

每个ONU的LLID的数目是可以通过设置选择的。每个LLID可以支持一个或者多个队列收发用户的数据。2、上行通信·

在上行方向，EPON采用时分多址接入（TDMA）方式。

具体来说，就是每个ONU只能在OLT已分配的特定时隙中发送数据帧，每个特定时刻只能有一个ONU发送数据帧，否则，ONU间将产生时隙冲突，导致OLT无法正确接收各个ONU的数据。·

连接于分光器的各ONU发送上行信息流，经过分光器耦合到共用光纤，以TDM方式复合成一个连续的数据流。

此数据流组成帧，其帧长也是2ms，每帧有一个帧头，表示该帧的开始。·

每帧进一步分割成可变长度的时隙，每个时隙分配给一个ONU。·

EPON上行帧结构如图5-33所示。5.3.3EPON的关键技术·EPON的关键技术包括时分多址接入的控制（测距技术）、快速比特同步、突发信号的收发和动态带宽分配(DBA)、EPON的安全性及可靠性等。·

下面重点介绍多点控制协议（MPCP）、EPON的测距技术、动态带宽分配(DBA)、安全性及可靠性。多点控制协议（MPCP）

MPCP（Multi-PointControlProtocol，多点控制协议）是解决EPON系统技术难点的关键协议。是整个EPON系统正常工作的核心，是对IEEE802.3标准的重要扩展。

它通过定义特定的控制帧消息结构，解决上行信道复用、测距及时延补偿等EPON的难点问题。采用MPCP，可以实现一个可控制的网络配置，如ONU的自动发现、终端站点的带宽分配及查询和监控等。MPCP（Multi-PointControlProtocol多点控制协议），该协议是MACcontrol子层的一项功能。MPCP使用消息、状态机、定时器来控制访问P2MP（点到多点）的拓扑结构。

在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体，用以和OLT中的MPCP的一个实体相互通信。多点控制协议（MPCP）作为EPON/MPCP的基础，EPON实现了一个P2P仿真子层，该子层使得P2MP网络拓扑对于高层来说就是多个点对点链路的集合。

该子层是通过在每个数据报的前面加上一个LLID（LogicalLinkIdentification）逻辑链路标识来实现的。该LLID将替换前导码中的两个字节。PON将拓扑结构中的根结点认为是主设备，即OLT；将位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即ONU。MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收。

系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告、以便优化PON系统内部的带宽分配。EPON系统通过MPCPDU来实现OLT与ONU之间的带宽请求、带宽授权、测距等。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配，ONU的自动发现和加入，向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。MPCP多点控制协议位于MACControl子层。MACControl向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。1、测距技术·

测距具体过程为：OLT发出一个测距信息，此信息经过OLT内的电子电路和光电转换延时后，光信号进入光纤传输并产生延时到达ONU，经过ONU内的光电转换和电子电路延时后，又发送光信号到光纤并再次产生延时，最后到达OLT，OLT把收到的传输延时信号和它发出去的信号相位进行比较，从而获得传输延时值。·OLT以距离最远的ONU的延时为基准，算出每个ONU的延时补偿值Td，并通知ONU。·

该ONU在收到OLT允许它发送信息的授权后，延时Td补偿值后再发送自己的信息，这样各个ONU采用不同的Td补偿时延进行调整自己的发送时刻，以便使所有ONU到达OLT的时间都相同。·

G.983.1建议要求测距精度为±1bit。

·

测距原理

简化公式：

L=3.75*RTT2、动态带宽分配(DBA)·

通过DBA功能，OLT可以对每个ONU的上下行带宽进行动态管理，按照ONU的业务类型和带宽需求进行，依据网络带宽使用状态来灵活分配ONU的带宽，试行按需分配，既可以保证相关业务的QoS，又可以方便用户管理，可以实现按流量和业务类型的管理。3、安全性及可靠性·EPON系统可以对上下行的数据进行加密，每个ONU可采用专用密钥以保证其安全性，而且对密钥可以定期更新。·

在IEEE802.3ah有关EPON的定义中，专门定义了有关EPON系统的维护功能，以利于系统运行时的维护和故障分析。·

而且G.983.1建议采用双PON系统，保证EPON系统的可靠性，即用备用的PON保护工作的PON，一旦工作的PON发生故障，就切换到备用的PON上。5.3.4EPON的优缺点

1、EPON的优点（1）相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级（2）提供非常高的带宽——EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbit/s的带宽（3）服务范围大（4）带宽分配灵活，服务有保证2、EPON的缺点

（1）受政策制约及运营商之间竞争的影响，小区信息化接入的开展存在较多的变数。（2）设备需要一次性投入，在建设初期如果用户数较少时相对成本较高。5.3.5EPON的组网应用实例1、EPON单独组网FTTBFTTH/FTTO2、EPON混合组网FTTB+LAN/WLAN/DSLFTTC+DSL

5.4吉比特无源光网络（GPON）接入技术

5.4.1GPON的概念与技术特点

1、GPON的概念

·GPON业务是BPON的一种扩展，相对于其他的PON标准而言，GPON标准提供了前所未有的高带宽（下行速率近2.5Gbit/s），上、下行速率有对称和不对称两种，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场。

GPON(Gigabit-CapablePON)技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。在GPON标准中，明确规定需要支持的业务类型包括：数据业务(Ethernet业务，包括IP业务和MPEG视频流)、PSTN业务(POTS，ISDN业务)、专用线(T1，E1，DS3，E3和ATM业务)和视频业务(数字视频)。GPON中的多业务映射到ATM信元或GEM帧中进行传送，对各种业务类型都能提供相应的QoS保证。

基于GPON技术的设备基本结构与已有的PON类似，也是由局端的OLT，用户端的ONT/ONU，连接前两种设备由单模光纤(SMfiber)和无源分光器(Splitter)组成的ODN(光分配网络)以及网管系统组成。图5-41GPON的系统结构示意图GPON的技术特点是在第二层借鉴了ITU-T定义的GFP（GenericFramingProcedure，通用成帧规程）技术，扩展支持GEM（GeneralEncapsulationMethods）封装格式，将任何类型和任何速率的业务经过重组后由PON传输，而且GEM帧头包含帧长度指示字节，可用于可变长度数据包的传递，提高了传输效率，因此能更简单、通用、高效地支持全业务。·作为一种电信级的技术标准，GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能。

·

与EPON直接采用以太网帧不同，GPON标准规定了一种特殊的封装方法：GEM。

·GPON可以同时承载ATM信元和(或)GEM帧，有很好的提供服务等级、支持QoS保证和全业务接入的能力；在承载GEM帧时，可以将TDM业务映射到GEM帧中，使用标准的8kHz(125μs)帧能够直接支持TDM业务。EPON和GPON的区别：

EPON和GPON相同的部分仅是其网络拓扑结构，也就是一对多，下行都是广播机制的，上行都是TDMA机制，事实上，凡是PON，都是那么个模样。

至于其数据帧的结构，数据复用的方式，上下行的带宽，物理层的性能等，都是不同的。

不管局端设备（OLT）还是终端设备（ONU），都是不同的两种设备。主要区别在于采用完全不同的标准；在

应用上，GPON比EPON带宽更大，它的业务承载更高效、分光能力更强，可以传输更大带宽业务，实现更多用户接入，更注重多业务和QoS保证；

但实现更复杂，这样就是导致其成本相对EPON也较高，但随着GPON技术的大规模部署，GPON和EPON成本差异在逐步缩小。2、GPON的技术特点

（1）业务支持能力强，具有全业务接入能力（2）可提供较高带宽和较远的覆盖距离（3）带宽分配灵活，有服务质量保证（4）具有保护机制和OAM功能（5）安全性高（6）系统扩展容易，便于升级（7）技术相对复杂、设备成本较高5.4.2GPON的协议层次模型与标准

1、GPON协议层次模型·GPON协议层次模型主要包括3层：

物理媒质相关层（PMD层）

传输汇聚层（TC层）

系统管理控制接口（OMCI）层（1）PMD层·PMD层提供了在GPON物理媒质上传输信号的手段，其要求参见G.984.2标准，其中规定了光接口的规范，包括上下行速率、工作波长、双工方式、线路编码、链路预算以及光接口的其他详细要求。（2）TC层·TC层是GPON技术的核心，G.984.3规定了帧结构、动态带宽分配DBA、ONU激活、OAM功能、安全性等方面的要求。·

TC层包括两个子层：

成帧子层（FramingSublayer）

适配子层（AdaptationSublayer）●成帧子层的主要作用是：

提供GPON传输汇聚（GTC）净荷和物理层操作管理维护（PLOAM）的复用和解复用、GTC帧头的生成和解码（即在发送端封装成GTC帧，在接收端进行帧拆卸），以及嵌入式OAM的处理；

另外成帧子层还完成测距、带宽分配、保护倒换等功能。●适配子层的主要作用是：

用GEM提供对上层协议和OMCI的适配（即GEM帧的封装和拆卸），同时还提供DBA控制等功能。（3）OMCI层·

OMCI提供了对ONU进行远程控制和管理的手段，其要求在G.984.4和G.988标准中规定。2、GPON的标准·

2003年3月ITU-T颁布了描述GPON总体特性的G.984.1和ODN物理媒质相关（PMD）子层的G.984.2GPON标准；

2004年2月和6月发布了规范传输汇聚(TC)层的G.984.3和系统管理控制接口（OMCI）的G.984.4标准；

2008年3月ITU-T发布了新的G.984.1和984.3。（1）G.984.1（G.gpon.gsr）·G.984.1标准的名称是千兆比无源光网络的总体特性，该标准主要规范了GPON系统的总体要求，包括光纤接入网(OAN)的体系结构、业务类型、业务节点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能目标。·

G.984.1对GPON提出了总体目标，要求ONU的最大逻辑距离差可达20km，支持的最大分路比为16、32或64，不同的分路比（分光比）对设备的要求不同。·

从分层结构上看，ITU定义的GPON由PMD层和TC层构成，分别由G.984.2和G.984.3进行规范。（2）G.984.2（G.gpon.pmd）·

G.984.2标准的名称为千兆比特无源光网络的物理媒体相关(PMD)层规范，该标准主要规范了GPON系统的物理层要求。·G.984.2规定了GPON系统的上、下行速率，有对称和不对称几种。●下行1244.16Mbit/s/上行155.52Mbit/s；●下行1244.16Mbit/s/上行622.08Mbit/s；●下行1244.16Mbit/s/上行1244.16Mbit/s；●下行2488.32Mbit/s/上行155.52Mbit/s；●下行2488.32Mbit/s/上行622.08Mbit/s；●下行2488.32Mbit/s/上行1244.16Mbit/s；●下行2488.32Mbit/s/上行2488.32Mbit/s。（3）G.984.3（G.gpon.gtc）·G.984.3标准名称为千兆比无源光网络的传输汇聚（TC）层规范，于2003年完成。·

该标准规定了GPON的TC子层的GTC帧格式、封装方法、适配方法、测距机制、QoS机制、安全机制、动态带宽分配（DBA）、操作维护管理功能等。·

G.984.3是GPON系统的关键技术要求，它引入了一种新的传输汇聚子层，用于承载ATM业务流和GEM业务流。·

GEM是一种新的封装结构，主要用于封装那些长度可变的数据信号和TDM业务。（4）G.984.4（GPONOMCI规范）·G.984.4标准的名称为GPON系统管理控制接口（OMCI）规范，2004年6月正式完成。·

该标准提出了对OMCI的要求，目标是实现多厂家OLT和ONT设备的互通性。·

而且该标准指定了协议无关的MIB管理实体，模拟了OLT和ONT之间信息交换的过程。5.4.3GPON的系统结构及设备功能

1、GPON的系统结构·GPON系统与其他PON接入系统相同，也是由OLT、ONU、ODN三部分组成。·GPON可以灵活地组成树形、星形、总线形等拓扑结构，其中典型结构为树形结构。·

GPON的系统结构示意图如图5-41所示。图5-41GPON的系统结构示意图2、GPON的设备功能

（1）光线路终端（OLT）·

具体功能为：①向上提供广域网接口；②集中带宽分配、控制光分配网(ODN)；③光/电转换、电/光转换；④实时监控、运行维护管理光网络系统的功能。（2）光网络单元(ONU)·

具体功能为：（1）为用户提供l0/1OOBase-T、Tl/El和DS-3等应用接口；（2）光/电(以太网帧格式）转换、电/光转换；（3）可以兼有适配功能。（3）光分配网络（ODN）·ODN是一个连接OLT和ONU的无源设备，其中最重要的部件是分光器，其作用与APON和EPON中的一样。·GPON系统支持的分光比为1:16//1:32/1:64，随着光收发模块的发展演进，支持的分光比将达到1:128。5.4.4GPON的工作原理

1、GPON的上、下行传输·GPON的工作原理与EPON一样（只是帧结构不同）。GPON在下行方向（OLT到ONU）采用TDM+广播方式。·OLT以广播方式将由数据包组成的帧经由无源光分路器发送到各个ONU。·

GPON的下行帧长为固定的125μs，所有ONU都能收到相同的数据，但通过ONUID来区分属于各自的数据。上行方向（ONU到OLT），多个ONU共享信道容量和信道资源，GPON也采用TDMA（时分多址接入）方式。·

上行链路被分成不同的时隙，根据下行帧的USBWMap字段来给每个ONU分配上行时隙，这样所有ONU就可以按照一定的秩序发送自己的数据，不会产生为了争抢时隙而发生的数据冲突。2、GEM帧

·GEM帧结构如图5-44所示。·

帧头包括4个字段，各字段的作用为：

——PLI用于指示净荷长度，共12bit，即GEM净荷的长度最多是4095字节，超过此长度就需要分片。——Port-ID是GEM端口的标识，相当于APON中的VPI。12bit的Port-ID可以提供4096个不同的端口，用于支持多端口复用，由OLT分配。——PTI（3bit）用于指示净荷类型，同时用于指示在净荷分片时是否为一帧中最后一片；——

HEC为13bit，用于帧头的错误检测和纠正。4、GPON的帧结构（1）GPON下行帧结构·GPON下行帧周期为125μs，若下行速率为2.488Gbit/s，下行帧的长度38880字节。·

对于1.244Gbit/s的上行速率，上行帧的长度为19440字节。·

GPON下行帧结构如图5-45所示。·GPON下行帧包括两部分：下行物理层控制块（PCBd）和载荷部分（Payload）。·

PCBd用于提供帧同步、定时及动态带宽分配等OAM功能。·

载荷部分（Payload）用于透明承载ATM信元或GEM帧。●物理层同步（Physicalsynchronization,Psync）（长度4字节）——用做ONU与OLT同步；●Ident（长度2字节）——用作超帧指示，其值为0时指示一个超帧的开始；●PLOAMd（PLOAMdownstream）（长度13字节）——用于承载下行PLOAM信息。●BIP（长度1字节）——是比特间插奇偶校验8比特码，用作误码监测；●Plend（PayloadLengthdownstram）（长度4字节）——用于说明USBWMap域的长度及载荷中ATM信元的数目，为了增强容错性，Plend出现两次。●USBWMap域（长度N×9字节）——用于上行带宽分配，带宽分配的控制对象是传输容器（T-CONT：TransmissionContainer），一个ONU可分配多个T-CONT，每个T-CONT可包含多个具有相同QoS要求的VPI/VCI（用来识别ATM业务流）或PortID（用来识别GEM业务流），这是GPON动态带宽分配技术中引入的概念，提高了动态带宽分配的效率。·ONU根据PCBd获取同步等信息，并依据ATM信元头的VPI/VCI过滤ATM信元，依据GEM帧头的PortID过滤GEM帧。（2）GPON上行帧结构·GPON上行帧周期为125μs，帧格式的组织由下行帧中USBWMap域确定，GPON的上行帧结构如图5-46所示。●上行物理层开销（PhyscialLayerOverheadupstream，PLOu）——包含前导码、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示，其长度由OLT在初始化ONU时设置，ONU在占据上行信道后首先发送PLOu单元，以使OLT能够快速同步并正确接收ONU的数据；●PLSu（长度120字节）——为功率测量序列，用于调整光功率；●PLOAMu（PLOAMupstream）（长度13字节）——用于承载上行PLOAM信息，包含ONUID、MessageID、Message及CRC；●DBRu（长度2字节）——包含DBA（动态带宽调整）域及CRC域，用于申请上行带宽；●Playload域——填充ATM信元或者GEM帧。5.4.5GPON的关键技术·

GPON的关键技术与APON、EPON一样，主要包括以下几个方面。—时分多址接入的控制（测距技术和时延补偿）—快速比特同步—突发信号的收发—动态带宽分配—安全性和可靠性等5.4.6GPON与APON、EPON的比较GPON课件参考网页/link?url=CsI1NsNtuq57kZnsKEUZfjsazSiCzU1s-KV85y2-K2qLwiC4gGgot-BPJfPAodXcbIhRJx_bt6M_nfq95Rl0A14_KinUnlWolEN_DtD2HUq5.5有源光网络（AON）接入技术

（Active

Optical

Network—AON）有源光网络属于一点对多点的光通信系统，由ONU、光远程终端OLT和光纤传输线路组成。分为基于PDH和SDH的AON。数字复接技术：

CCITT推荐两类数字速率系列和数字复接等级：（1）以北美和日本采用的1.544Mbit/s作基群的数字速率系列；（2）以欧洲和我国采用的2.048Mbit/s作基群的数字速率系列。复接原理：

数字复接包括发送数字复接器和接收数字分接器两部分。

复接器：在发送端把多路信号按TDM方式合并为单路合路信号；

分接器：把合路信号分解为原来的各支路信号。

复接方式1、按位/按路/按接帧复：根据各支路在高次群中的排列方式分

按位复接：每次只复接每支路的一位码元，待各支路第n位码都取过之后，再依次取各支路的(n+1)位、(n+2)位。

按路复接:各个支路轮流按顺序一次复接8位码。

按帧复接：每次复接一个支路的一帧数码2、同步/异步/准同步复接

依照复接时各低次群的时钟情况分同步复接：被复接各支路的时钟由同一个总时钟供给，各支路时钟频率完全相等的。异步复接：指时钟不同、且没有统一标称频率或相应关系的支路信号进行复接的方式。在数字通信系统中，传送的信号都是数字化的脉冲序列。这些数字信号流在数字交换设备之间传输时，其速率必须完全保持一致，才能保证信息传送的准确无误，这就叫做“同步”。准同步复接：参与复接的各低次群信号使用各自的时钟但频差，在一定的范围内，复接前必须将各支路码速调整到统一值。

PCM二次群采用准同步复接方式。

二次群同步复接

二次群由四个基群复接而成，复接后的码速率是8.448Mb／s。每个基群的标称码速率是2.048Mb／s；四个基群相加的速率为4×2.048＝8.192Mb/s；

在复接前应将各支码速提高到2.112Mb／s，即每个支路平均每秒插入64Kb／s码元或每帧插入8bit码元后，再复接成二次群码流。按路复接PCM二次群同步复接帧结构

二次群同步复接原理及其构成框图

PCM准同步复接

准同步复接前需将每个支路的码速调整到2.112

Mb／s

PCM二次群准同步复接帧结构由四个基群数码按位复接而成，帧周期100.38μs，帧长848bit，每个复接支路为212bit。

二次群准同步复接基群支路插入码及信息码分配示意。二次群准同步按位复接帧结构PCM三次群准同步复接帧结构同步数字体系(SDH，SynchronousDigitalHierarchy)

是一种光纤通信系统中的数字通信体系。它是一套新的国际标准化协议，使用由发光二极管发出的激光或高相关光束，通过光纤同步传输复用数字码流。

指由网络单元(如复用器、数字交叉连接设备、分插复用器等)组成的、在光纤上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络。这是全球范围内第一个数字传输体制世界标准，其定义速率为N*155.520Mb/s（N=1，2，3，......）SDH特点：

确定了全球光接口标准，使不同厂家的设备可以互通，节省成本；

采用模块化结构和字节复用技术，便于组网和进行交换；

帧结构中富余比特多，使网路检测故障、监测传输的等能力大大加强；采用指针调整技术，解决了节点之间由时钟差异带来的问题；

简化了复接和分接技术，上下电路方便，提高通信网的灵活性和可靠性；

完全兼容PDH，还能容纳各种新业务信号；SDH采用的信息结构等级称为同步传送模块STM－N（SynchronousTransport，N=1，4，16，64）。

最基本的模块为STM－1，四个STM－1同步复用构成STM－4，16个STM－1或四个STM－4同步复用构成STM－16。SDH的复用原理与结构

容器（C）是形成网络同步虚容器（VC）的信息基本结构，每种已定义的VC都有相应的容器（C），已定义的适配功能使得许多常规网络速率（例如2Mbit/s，34Mbit/s）可以进入有限数目的标准容器中。

容器(C)是用来装载各种速率信号的信息结构。在SDH中定义了五种标准容器C-11、C-12、C-2、C-3和C-4，现有各种速率的信息经过适配后都可以装入其中。虚容器（VC）由虚容器通道开销（VCPOH）与容器（C）组成。

把低阶VCPOH附加在容器（C-1/C-2）上形成低阶虚容器（VC-1/VC-2）。而高阶VCPOH附加在容器（C-3/C-4）上则形成了高阶虚容器（VC-3/VC-4），虚容器通道开销（VCPOH）为虚容器（VC）的组合与分解提供了条件。

通道开销的功能包括有虚容器（VC）通道性能监视，维护信号和告警状态指示等。支路单元（TU）是在低阶通道层和高阶通道层间提供适配的信息结构。它由低阶VC的信息净负荷和指示净负荷帧起点相对于高阶VC帧起点偏差的TU指针组成。

由一个或多个同一或不同规模的TU构成的混合容器净负荷称为支路单元组（TUG）。

支路单元组（TUG）在高阶VC净负荷中占有确定的位置。由TUG与高阶的VC通道开销（VCPOH）组成高阶虚容器（VC）。

高阶虚容器经过管理单元指针（AUPTR）处理后形成了管理单元（AU）。

由管理单元（AU）组成管理单元组（AUG）。

W个管理单元组（AUG）组成同步传送模块（STM-A）。复用过程SDH传输业务信号时各种业务信号要进入SDH的帧都要经过映射、定位和复用三个步骤：（1）映射：是指将各种速率的信号先经过码速调整装入相应的标准容器（C），再加入通道开销（POH）形成虚容器（VC）的过程，帧相位发生偏差称为帧偏移；（2）定位：是指将帧偏移信息收进支路单元（TU）或管理单元（AU）的过程，它通过支路单元指针（TUPTR）或管理单元指针（AUPTR）的功能来实现；管理单元指针区（AUPTR）：用来指示净负荷区内的信息首字节在STM－N帧内的准确位置以便接收时能正确分离净负荷。（3）复用：是指将多个低价通道层信号通过码速调整使之进入高价通道，或将多个高价通道层信号通过码速调整使之进入复用层的过程。

复用也就是通过字节交错间插方式把TU组织进高阶VC或把AU组织进STM-N的过程，由于经过TU和AU指针处理后的各VC支路信号已相位同步，因此该复用过程是同步复用原理与数据的串并变换相类似。与相应的PDH系列相比，SDH的系统容量略有减少；但同步数字体系SDH不仅提高了网络利用率，还大幅度提高了通信网的可靠性、灵活性以及对各种业务的适应性。1、系统简化·SDH传输网用于干线网中，PDH信号作为支路装入SDH帧结构时，一般需要经历几次映射和一次（或多次）指针调整。·

而在基于SDH技术的AON中，接入网业务一般只需经过一次映射而不必再进行指针调整，所以可以将指针值设置为一个固定值，即可简化系统。5.5.3AON中简化的SDH技术

2、设立子速率·SDH的标准速率STM-1即为155.520Mbit/s、622.080M