辽工大耘慧楼EPON光接入网设计方案与规划

前言自古以来，“通信”在我们身边一直存在。随着社会的发展，通信也在不断发展。现如今，有光、电两大通信种类。其中，电通信包括有线、无线，这两种技术是成熟技术。在发展过程中，以提高信息传输距离与速率为任务，让通信更加技术有效、通信费用更加实惠、通信安全更加可靠等方面进行了许多研究，并取得卓越的成就。这些年，人们开始对语音业务、视频业务、数据业务有更高的需求，对速率的要求也更高，“最后一公里”接入技术已经难以满足当代社会的需求。因为光纤网络有透明业务、，寿命长，容量几乎无限的优点。可以适应增加带宽和新业务开发需求。自然地，接入网络的发展存在不可避免的趋势。由于人们有这些需求，各运营商已于2006年开始相关部署和测试，无源光网络（PON）技术能适应当代社会的需求，它对更容易适应周围环境，并且在特殊环境下也不受电磁雷电干扰、无供电压力、节省成本、运营维护费低等。PON中EPON和GPON技术尤其受欢迎，因为它们不但成本较低而且寿命长、除此之外传输距离较远并且带宽高，这使它们成为新一代光接入网的主要原因。如今被广泛使用的宽带接入技术之一就是无源光网络技术，其中最有优势的宽带接入方案是FTTH，在中国它已被广泛使用，在国内外受到重视，现在已进慢慢进入到规模化的应用阶段。本次对辽宁工程技术大学耘慧楼的光接入网设计中使用FTTH方案设计。1光纤通信概述光纤通信是一种光信号通过光纤的通信方法。在中国古代，烽火被用来传达信息。今天的通信已经从第一代经过不断的研究、探索已经发展到第五代通信系统。1.1光纤通信的发展史1.1.1发展的里程碑高琨博土是一位英籍华人，他为光纤的发展做出了巨大的贡献。在1966年7月他在一片杂志上发表名为《用于光频的光纤表面波导》的论文。他提出了一种可能性，就是让光纤来作为传输介质，并且他也在论文里设计了光纤的波导结构，他认为需要提高玻璃的纯度并添加适当的掺杂剂，用这些成分能制作出光学纤维。将光纤衰减系数降低20dB/km以下。1.1.2技术上的重要发展阶段光纤通信史中，重要发展阶段如下表1-1所示。表1-1光纤通信发展阶段Tab.1-1TableofDevelopmentstageofopticalfibercommunication各阶段产生时间主要特点及技术第一代光纤通信系统20世纪70年代后期它主要使用0.85μm波长的光波的多模光纤作为光源。但由于损耗大并且多模光纤的传输带宽小，它存在传输距离短且传输速度低的限制。第二代光纤通信系统20世纪80年代早期它主要使用1.3μm波长的光波的多模光纤作为光源。光纤损耗小，中继距离为大于20km，但多模光纤具有较大的色散和较低的系统比特率。第三代光纤通信系统它主要将工作波长定在1.55μm处，并且传输介质是色散位移光纤第四代光纤通信系统使用波分复用和光放大器来增加比特率和中继距离。第五代光纤通信系统以新型技术的应用为产生标志，如使用光孤子技术通信。1.2光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成。如下图1-1所示。调制信号从电发射器发射到光发射器，以产生由光发射器调制后的光信号，进入光纤传输，并到达光接收器，光信号被发送到光接收机，之后光信号被转换成电信号，被放大并被发送出去，该过程在光接收器处进行。图1-1最简单的光纤数字通信系统Fig.1-1ThediagramofThesimplestopticaldigitalcommunicationsystem1.3光纤传输原理1.3.1光的性质麦克斯韦认为电磁波是光波的本质。偏振效应表面光波是横波。波动光学认为，一个小光源辐射出的电磁波可以用中心光源发出的一系列球面波前表示。波前定义为波列中具有相同相位的点的集合。光在传播中遇到尺寸比光波波长大得多的物体，这时光波看成平面波，传播方向用光射线表示，射线与波前垂直。因此大尺寸的光效应如：反射和折射，可以使用简单射线轨迹的分析方法，这个观点就是射线光学或几何光学。光射线指明了光束能量流动的方向。1.3.2光纤传输原理根据射线理论，光在光纤中传播主要基于全反射原理。全反射原理：从光速小的介质(光密介质)进入到光速大的介质(光疏介质)时，入射角度到达特定角度(临界角)时会产生全反射。光在不同物质中传播有不同速度，当光进入另一种不同的物质时，在界面会发生折射和反射。并且入射光的角度越大/小折射光的角度也越大/小。当入射角度达到或超过90度时，会产生光的全反射。物质不同光折射率不同，当物质相同时，光的波长不同折射角也不同的。1.3.3光纤模式和结构光纤的纤芯的材料为石英玻璃，并用玻璃包层包裹。大多光纤都包在一层有弹性、耐磨蚀的塑料材料中。这层材料可以保护光纤、减缓机械损伤。图1-2单模、多模、梯度折射率光纤的比较图Fig.1-2ThediagramofComparisonofsinglemode,multimode,gradientindexfibers常用的光纤类型。阶跃折射率光纤指折射率均匀的纤芯与包层界面处经历折射率的大变化。梯度折射率光纤指距光纤中心的向外部的径向距离的函数是纤芯的折射率。如图1-2所示。阶跃型和梯度型折射率光纤又可以分为单模和多模。其特点如下表1-2所示。表1-2单模和多模光纤介绍及特点表Tab.1-2TableofSinglemodeandmultimodefiberintroductionandcharacteristics种类介绍特点单模光纤只能传输一种模式的光信号损耗较小、传输距离较长、易于制造、便宜、不需要复杂的电路、并且具有长寿命多模光纤可以传输多种模式的光信号模式相互干扰、损耗大、传输距离短、存在模间色散由上表可以看出单模光纤的优势更多，因此光纤接入网当前应用的全是单模光纤。1.4光纤的优点与铜线相比，光纤具有以下优点。传输距离长。由于光纤传输损耗低于铜线，因此减少中继器数量，降低了系统成本和复杂性。信息容量大。光纤传输的带宽是大于铜线传输的，单个物理线可以传送更多信息，因此只需少量物理线路就可以获得一定的信息量。尺寸小、重量轻。与铜线的半径和重量比起来光纤的尺寸更小、更轻，可以很容易地铺设在非常拥挤的城市的地下管道和电缆托架上。抗电磁干扰。光纤是由介质材料制成，因此不会产生感应电流，这意味着光纤免受电磁干扰和邻近信号载体干扰的影响，也不会耦合进电噪声从附近设备中。布设时更为安全。光纤布设时不会产生火花和高压电，但要避免眼睛直视光纤。提高信息安全性。光纤是非常安全的，因为光信号被限制在光纤中，并且周围的不透明涂覆层可以很好地吸收泄露信号。资源丰富，节约有色金属。光纤主原料是玻璃即SiO₂，SiO₂与铜、铝相比优点有：资源丰富、价格低廉，因此光纤可以节省大量铜材。2接入网技术随着IP骨干网和IPLAN迅速发展。网络正在引入越来越多的新服务以改善网络使用。接入网成本和接入网技术限制了所有通信网络宽发展。无源光网络(PON)技术用光纤做传输媒，有透明服务、运维费低和易于升级等优点。2.1接入网2.1.1接入网基本概念整个通信网分为三个部分：通信设备终端、本地交换网、接入网。通信设备终端与本地交换网络之间的是接入网，它包括网络终端、网络单元、分配单元、线路终端、用户/网络接口设备。如下图2-1所示。图2-1接入网的基本组成Fig.2-1ThediagramofBasiccompositionoftheaccessnetwork2.1.2功能模型及构成与定界接入网有如图2-2所示的物种功能。图2-2接入网功能模块Fig.2-2ThediagramofAccessnetworkfunctionmodule其中，用户接口功能是将用户网络接口与管理和核心功能与用户网络接口适配；业务接口功能是与处理、选择、管理信息的核心功能进行适配；核心功能包括协议处理和传输复用；传输功能可以提供传输的通道和媒质；接入网系统管理功能对以上功能进行检测、操作、控制、管理、配置、数据采集等。接入网物理参考模型如图2-3所示。可以看出，接入网与其他网络实体之间主要通过Q3接口、业务节点接口和用户网络接口进行连接。图2-3接入网物理参考模型Fig.2-3ThediagramofAccessnetworkphysicalreferencemodel2.1.3主要类型近年来，接入网已成为包括交换，传输，管理和计算机在内的各种通信技术发展的综合表达。根据传输介质的不同，接入网可以分为无线和有线接入。1.无线接入无线接入技术是指引入无线传输介质以向用户提供固定终端服务和移动终端服务的接入网络的一部分或全部。无线接入技术具有服务快速，网络灵活，维护方便，投资少，影响快等特点。但基站接收器需放置在用户的互联网接入设备周围一定距离内，它特别适用于地理位置崎岖的地方，并提供紧急服务的需要。2.有线接入有线接入技术主要包括双绞线接入、光纤接入和混合接入。具体介绍如下表2-1所示。表2-1有线接入技术种类及特点Tab.2-1TableofWiredaccesstechnologytypesandfeatures种类采用技术性能介绍特点双绞线接入数字信号处理技术双绞线只能传输音频和低速数据成本最低、使用最多光纤接入无源光网络(PON)光接入网OLT到各ONU之间是没有有源设备。采用无源光分路器和光纤放大器，利用时分复用、波分复用、副载波复用传输方式将信息送至用户无源光分配器无需机房、络维护费用很低、适用于居民用户和小型商业用户有源光网络(AON)光接入网OLT到各ONU之间是有有源设备，利用复用器组成环型和双星型等拓扑结构网络时，业务的分支通过有源的复用设备完成具有交叉连接功能、组网能力较强、适用于大中型商业用户混合接入采用混合光纤同轴电缆网基本特征是以副载波调制方式综合接入多种模拟和数字业务信息节省投资、可拓宽业务、可使电话、数据、有线电视三网合一2.2光接入网从宽带发展的角度去思考，FTTH接入是用户接入的最好的一种方式，也是发展的必然趋势。近年来，各大网络运营商的建设优先级已成为光纤入户接入(FTTH)，这已经成为社会网络建设的必然趋势。2.2.1光接入网配置ITU-TG.982建议关于光接入网功能参考配置，它配置如下表2-2所示。表2-2ITU-TG.982建议光接入网参考配置Tab.2-2TableofITU-TG.982RecommendationOpticalAccessNetworkReferenceConfiguration参考配置主要功能OLT光线路终端位于接入网的局端，提供光接入网网络侧与交换机之间的接口；OLT管理来自ONU的信令和监控业务，为ONU提供维护和指配功能。ODN光分配网由光缆、光分路/合路器、光纤连接器等器件构成的ONU与OLT之间的光通路连接，上行采用时分多址(TDMA)技术将信息从ONU传输到OLT，下行采用时分复用(TDM)模式从OLT传输到ONU。ONU光网络单元为光接入网提供直接或者远端的用户端接口，位于ODN的用户侧，一个ONU可接入多个用户，ONU的网络侧为光接口，用户侧为电接口，因此需要光/电和电/光转换功能：ONU还要完成对语音信号的数/模和模/数转换、信号处理、复用和维护管理功能。AF适配功能为用户和ONU提供适配功能，它既可以包含在ONU内，又可以是独立的。这些配置可以用于光纤到分线盒(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到办公室(FTTO)和光纤到户(FTTH)等情况。2.2.2拓扑结构拓扑结构中包括局端OLT、用户端ONT、光分配网ODN。它包括点到点型拓扑结构、星型拓扑结构、树型拓扑结构、总线型拓扑结构、环形拓扑结构。1.点到点拓扑结构图2-4点到点拓扑结构Fig.2-4ThediagramofPoint-to-pointtopology如上图2-4所示，点到点拓扑结构是一个OLT的线路终端(LT)，仅对应连接一个ONT的线路终端(LT)。这种方式中的ONT相互独立地工作，ONT之间无关联性。2.星型拓扑图2-5星型拓扑图结构Fig.2-5ThediagramofStartopologystructure如上图2-5所示，星型拓扑是多点到多点结构，一个OLT的多个线路终端(LT)可以连接多个ONT的线路终端(LT)，每个OLT的线路终端只能连接一个ONT的线路终端。3.树型拓扑图图2-6树型拓扑图结构Fig.2-6ThediagramofTreetopologystructure如图2-6所示，树型拓扑是点到多点结构。树型拓扑是ODN中存在光分配点(ODP)的一种结构，从OLT到ODP形成树干，树枝是从ODP到ONT，ONT则成了树叶；该结构使用0DP将下行链路信号分发给大量用户，并且还使用这些ODP将上行链路信号传送到OLT。这种结构适用于不均衡的ODP。4.总线型拓扑图2-7总线型拓扑图Fig.2-7ThediagramofBustopology如图2-7所示，总线拓扑图也是点到多点结构，光分配网(ODN)由多个光分配点(ODP)，组成，这些ODP串联，OLT的线路终端(LT)与光分配网中的一个光分配点连接，ODP把从总线上的信号分配给OLT，它可以看作是树型结构的一种特例。5.环形拓扑图2-8环形拓扑结构Fig.2-8ThediagramofRingtopology如图2-8所示，将OLT用两个线路终端(LT)与多个ODP串联连接成一个环形。这种结构可用于提高网络可靠性。2.2.3光接入网技术应用1.光纤到办公室(FTTO)FTTO的应用类型，如图2-9所示。图2-9FTTO的类型Fig.2-9ThediagramofTypeofFTTO用于业务最大、对网络安全要求高的企业单位，结构上适于点到点或环型结构：但若很多企业单位聚集在一处，且业务量不是很大，树型也是可行的。2.光纤到户(FTTH)FTTH用光纤作为馈线、配线和引入，将ONU分配给每个用户，ONU就是ONT，直接连接用户家庭网络。如图2-10所示。图2-10FTTH的类型Fig.2-10ThediagramofTypeofFTTHFTTH比较经济的拓扑结构是树型拓扑。可以使xPON和点对点以太网满足从OLT到ONU之间的传输技术的业务需求，或采用其他技术。3.光纤到交接箱(FTTCab)光网络单元(ONU)部署在交接箱灵活点(FP)处，从灵活点(FP)之后使用金属线直接连接到用户，如图2-11所示。图2-11FTTCab的类型Fig.2-11ThediagramofTypeofFTTCab其中，DP为分配点，CN为用户网络。FTTCab的拓扑主要适用于点到点或环型的拓扑。可以使xPON和点对点以太网满足从OLT到ONU之间的传输技术的业务需求，使用ADSL2+/ADSL/VDSL2技术满足FP之后的业务需求，若想使用WiMAX方式，需要使ONU点到用户如果采用无线方式接入。4.光纤到大楼/分线盒(FTTB/C)如下图2-12所示，OLT至ONU使用光纤直接连接，金属线作为DP之后的引入线，形成FTTB/C的应用类型。图2-12FTTB/C的类型Fig.2-12ThediagramofTypeofFTTB/CFTTB/C利用金属线上的高带宽传输技术，具备更高的用户带宽接入扩展能力，与光纤到户时用户所能够使用的带宽基本一致。从OLT至ONU使用光纤直接连接，可以使xPON和点对点以太网满足从OLT到ONU之间的传输技术的业务需求。2.3无源光网络由最开始的以异步传输方式作为基础的APON技术，发展至将以太网作为基础的10GEPON以及EPON技术，最后则是GPON，任何PON标准的产生均有效地推动接入网科技的飞快进步。2.3.1主要类型目前PON产品按照其采用技术，分为APON/BPON、EPON和GPON。1.APON/BPONAPON(ATM-PON)的模型结构如图2-13所示。APON工作的基本模式为：OLT把抵达所有ONU的下行业务整合为帧，借助广播手段进行信号传递，ONU借助信元头当中的虚拟通道以及电路标识，对数据信元展开合理界定，如此获得归于本身的信号，同时将其它信号剔除掉。在上行位置必须获得上行批准的ONU方可在上行帧当中具备特定的时隙。图2-13APON模型结构Fig.2-13ThediagramofAPONmodelstructureAPON系统具备这么几个重要特征：借助统计时分技术展开运作；带宽属于即时性分配；配备了极为完整及多样化的管控及保护功能等。APON的缺点：业务能力有限、传输速率低、ATM层适配复杂、成本较高。2.EPON(10GEPON)EPON把PON同互联网科技有效融合，其目的为借助最为有效的手段达成单个点至多点构造的吉比特光纤系统。EPON同IEEE标准相吻合。它的重要优势为将SDH成以及ATM剔除掉，促使运作及初期成本显著减少；能够充分运用以太网技术先进的芯片，达成维护成本的降低，易于更新以及扩展。它的重要缺陷为整体效率不够高，无法对以太网以外的业务提供有效支持，在涉及到TDM以及语音业务之时，就会引起QoS问题。它属于将以太网技术作为基础的宽带接入系统，借助PON的拓扑结构对以太网展开接入。它利用PON来实现Ethemnet帧的传递，向用户给予有效的视频以及信息等各类业务。相较于APON而言它给予的带宽更大，服务水平更高且成本更小，它所给予的带宽相较于当前接入技术要高不少。它同APON的重要差别为：它是按照IEEE802.3以太网协议的规定，将长度不定的数据包予以传递，最长字节能够达到1518个；APON是按照ATM协议的要求，所传递的是字节长度确定的信元共计53个，每一个信元包含字节信头五个以及净负荷48个。为将OLT的带宽分配难题处理掉，IEEE802.3ah研究组创造了多点控制协议的模式，属于在控制子层当中嵌入EPON媒质的基础功能。MPCP借助定时器以及信息等手段，对点至多点主站拓扑的对接展开操控。该拓扑当中任何ONU均存在MPCP实例，其同OLT当中的实例展开通信。3.GPON在EPON诞生以后，FSAN联盟逐渐对高于1Gbit/s的PON标准展开探索，如今已构建多个标准如G984.4标准。GPON存在有史以来的最大速率，可高效并借助原格式进行业务的传递。GPON所给予的下行速率有2.488以及1.244Gbit/s，而上行速率则具有诸多标准，能够根据实际状况给予非对称或对称速率；传递距离可达到20km以上；对所有接入服务提供有效支持，尤其是对原格式的TDM流以及数据划分提供充分的支持。在制定GPON协议时重点关注以帧为基础的各类业务的传递；在分配上行带宽时借助的是时隙指配；对非对称速率予以支持。为促使带宽效率大幅增加，数据帧能够展开串连以及分拆；归于物理层的有存活率开销以及带宽即时分配信息等；帧头选取CRC予以维护，误码率测算选取的是比特交织奇偶检验；物流层对服务水平产生一定的支持。帧的净负荷可划分成两段，即通用帧段以及ATM信元段，达成各类业务的顺利接入。2.3.2无源光网络特点由于光纤在传输带宽方面具有无与伦比的优势，最佳的接入手段就是光纤接入，尤其是宽带相关的业务。在所有光纤接入方式当中，达成FTTH的较佳方式为PON，存在大量显著的特征。1)PON将外部的有源设施剔除掉，任何信号处置都在户内设施以及交换机当中实现。因为当地交换机同用户间并不存在有源电子设施，能够在用户所在位置配备ONU，所以环境质量明显提升，能够选取成本低廉的元器件。不仅防止有源设施产生的电磁效应以及雷电作用，还使得外部设施以及线路遭遇更少的问题，同时促使系统更为稳定及可靠。2)因为无源光光网络为完全透明的，所以对传输手段与模式以及带宽等不存在要求，也就是同所有速率以及模式的信号相适，同新业务的引进是相适用的，属于较为完美的业务网络，并且同接入网运作的长期目的相吻合。3)由于PON自身属于多用户共享的一种系统，也就是大量用户共同享有同样的光分路器、光缆以及设施等，因而成本是极为低廉的，同时此类介入模式初期无需较多的投入，大多数投入能够等待用户实际接入时实施；相较于有源光网络而言，其在维护运作、开启及安装等方面的成本大幅减小，促使系统更为平稳及持续地运行。3以太无源光网络EPON它属于无源光网络技术，重点处理光纤的接入如光纤到户或小区，借助它能够促使设施及光纤等的成本大幅减少；因为选取的是无源分光器，促使故障发生率以及网络层次显著降低。它已经获取网络运营商的接受及认同，伴随成本的削减将得到大规模应用。3.1EPON协议的层次构成如图3-1所示，EPON协议同OSI网络分层模型当中的两层相关，分别为物理层以及数据链路层。在后者当中引进了OAM以及多点MAC控制这两个子层。多点MAC控制子层的重点功能为，基于点对多点的实体网络当中达成点对点的逻辑链路，促进OLT可以同大量ONU间产生信息互通。OAM子层给予了定位的方式以及状态监控，还有故障分析以及链路级的特性等。就物理层而言它同吉比特以太网具备一样的结构，然而按照点对多点的规定对专门的PMD子呈展开界定，并且对PMA以及RS等子层展开合理扩张。图3-1EPON协议的参考模型Fig.3-1ThediagramofReferencemodelforEPONprotocol1.PMD子层PMD子层的主要作用为光信号的收发，还有对信号展开监控及检测。光发送器借助串行接口来获取源自于PMA的码流，接着把它转变成适宜在链路中传递的物流信号，该信号借助媒质关联接口传递至无源光介质中。光接收器借助MDI获得源自于物理介质所发出的信号，获取同步判决时钟把物理信号转换成码流。并且该接收器能够对信号接收水平展开监控，要是非常好则会出现Signal-Detcet信号，借助PMA传送至PCS当中的同步模块。EPON系统当中的ONU以及OLT，在PMD方面产生的主要差别，就是接收过程中的时钟提取电路。2.PMA子层该子层的主要作用为达成并串之间的转化。在传送时它收到源自于PCS的通过编码处理的十位代码组，借助本地传送时钟对其展开串并转化，接着利用升位次序传送至PMD。PMA通过PMD获取比特流，借助PMD获取的同步时钟，基于代码组对齐模块的操控之下，对比特流展开并串转化以后，最后传送至PCS。再则PMA具备反馈作用，能够借助PMA的收发功能来展开检测。3.PCS子层它位于物理层的最上方位置，下同PMA子层相连，上同GMII相连，重点达成十位同八位数据的编码转换。十位数据可以促使直流分量显著减少，方便误码率的减小以及接收端时钟提取，所以它将上方传送的八位数据转变为十位数据予以传送。OLT一侧PCS的收发均选取的是持续的工作方式，至于ONU一侧的PCS子层为持续收取OLT一侧传送的广播信息，传送则为持续地进行。所以EPON当中的PCS子层不但需在持续的信息流状况下平稳运作，在展开突发收发时也必须维持平稳。当中OLT侧出现的突发接收以及同步，均为达成系统PCS子层技术的核心。4.FEC子层它处于PMA同PCS间，通常包含下述几个功能：发送。收取由PCS层传送的包，展开八位同十位数据转换以后，接着实施FEC编码运算，借助校验字节将一些扩张的包间间隔予以替换，最终将包借助十位及八位编码传送至PMA层。字节对齐。收取由PMA层传送的信号且对齐帧，选取FEC子层时不得对齐该子层的字节。接收。将借助字节对齐的信息展开RS译码，接着引进空闲码再传送至PCS层。5.MAC子层它的主要作用为成帧。EPON当中的MAC层不仅选用了两类帧，分别为PAUSE控制帧以及802.3数据帧，另外增添了五类控制帧。6.RS子层它的主要作用为把关联控制信号以及GMII的信息，传送至以太网当中的PLS服务原语。EPON系统促使它的功能延伸。借助它的延伸功能来模拟点至点信道，将EPON当中点至多点的结构，转变成多条点至点信道的集合。7.MPMC子层它的主要作用为实现ONU至OLT的注册程序管控，以及OLT对ONU展开带宽即时分配。EPON借助它，经过在其上运行的MPCP，如此达成点至多点的通信。OLT对ONU发送窗口的分配，以及ONU的注册均为借助MPCP予以实现的。3.2工作原理EPON下行选取的是TMD传送模式，上行选取的是TDMA传送模式。3.2.1下行数据传输如图3-2所示。OLT把数据借助长度不确定的数据包广播，传送至在EPON当中的全部ONU，任一数据包均配备了包括目的地ONU的信头。再则部分包也许必须传送至特定的多播或者所有广播。光分路器位置的流量划分为单独的几组信号，任一组均包含全部特定ONU的信号，在信号传送至该ONU之时，其获取分配给自身的包，而将部分传送至其它ONU的包剔除掉。图3-2EPON下行传输原理Fig.3-2ThediagramofEPONdownlinktransmissionprinciple3.2.2上行数据传输在展开上行传输时EPON借助的是TDMA技术，把大量ONU所具备的上行数据整合为TDM数据流传送至OLT。如图3-3所示。该技术为把合路时隙划分给所有ONU，任何ONU的信号在借助长度不一样的光纤传送之后，抵达光分路器的公用光纤，恰恰占有划分给自身的指定时隙，从而防止出现互相撞击的状况。图3-3EPON上行传输原理Fig.3-3ThediagramofEPONuplinktransmissionprinciple借助TMD将时隙分配至ONU，从而对上行流量展开管控，时隙处于同步状态，从而方便在信息信号聚集至同一光纤时，所有ONU当中的上行包不至于相互作用。在ONU给出的时隙上将数据传送至OLT，借助时分复用防止信息传送抵触，也就是上行选取争用手段，下行选取广播手段。3.2.3EPON多点控制协议机制IEEE802.3标准中制定了多点控制协议，该协议指的是在所有ONU同OLT间构建合理的点对点链路，让点对多点系统当中的MAC用户端可以独立地进行数据帧的收发。该协议的基本作用包含：上行带宽的即时性分配，ONU的定时、注册以及查询等。为了将此类作用完全体现出来，有这么几类处理机制。其一选通机制。OLT按照ONU的拥挤程度，以指定算法作为基础，将上行带宽即时分配给各类ONU。其二报告机制。ONU将拥挤程度告知OLT，明确所有优先级队列所必须具备的上行带宽。即便不存在带宽要求，ONU也会定期发布相关通告，从而确保两者间的有效连接。其三发现机制。对ONU展开认证发现等，在该过程中还必须展开定时及测距等。4辽工大耘慧楼EPON光接入网设计方案与规划在本设计方案中，主要对用户进行需求分析、接入网网络结构设计、无源器件的选型设计、线路的损耗计算和系统容量设计、工程预算设计等内容。具体设计方案如下。4.1用户需求分析根据实地考察可知，辽宁工程技术大学有行政楼、静远楼、耘慧楼、尔雅楼、实验楼、图书馆和宿舍楼等，由于整个校园用户人数较多，所以需要把学校分为教学区和生活区，而本次设计中的耘慧楼属于教学区，它位于辽宁工程技术大学偏西的位置。如图4-1和4-2所示，耘慧楼呈一个环形，中间是一个小花园，教室分布在四周，共有四层楼层，其中一层有19间教室、二层有24间教室、三层有26间教室、四层有25间教室，因此耘慧楼共94间教室。由于学校教学楼楼宇不多，且教室分布均匀，需要宽带业务、普通电话业务等，需要网络范围较小，因此采用基于EPON的FFTH技术就能完成耘慧楼的宽带网络需求。图4-1耘慧楼一、二层平面分布图Fig.4-1ThediagramofPlanemapofthefirstandsecondfloorsofYunhuiBuilding图4-2耘慧楼三、四层平面分布图Fig.4-2ThediagramofThethirdandfourthfloorplanofYunhuiBuilding表4-1各个教室功能介绍Tab.4-1TableofIntroductiontoeachclassroomfunction楼层教室功能教室号数量总计一层小教室106/117/109/110/11151050019大阶梯教室101/105/108/116台4922.5实验室102/103/104/112/113/1206值班室1071办公室107/1192配电室115米1二层小教室203/207/208/215424大阶梯教室201/206/209/219435实验室(办公室)202/204/205/210/211/212/217/218/2239办公室213/216/220/221/224/2256机房2141三层小教室308/315/317/322426计算机教室302/312/313/314/319/3206资料室301/311/3183办公室303/305/307/309/310/316/321/323/324/325/32611会议室3061实验室3041四层小教室401/417/418325实验室404/412/413/414/419/4206办公室407/408/409/410/411/415/421/422/423/424/42511会议室4031机房402/405/4163试卷室4061合计94耘慧楼的教室功能有很多种，例如小教室、大阶梯教室、实验室、教室办公室、计算机机房、资料室等。具体功能如上表4-1。4.2接入网设计方案4.2.1整体接入网设计方案由于校园用户数量大，所以我们选择用两个OLT来进行校园接入网设计。如图4-3所示。图4-3基于EPON构建辽宁工程技术大学校园接入网Fig.4-3ThediagramofConstructionofCampusAccessNetworkofLiaoningTechnicalUniversityBasedonEPON本设计主要需要设计耘慧楼EPON光接入网。需要给每个楼配两条光缆，一条在用，另一条备用，来解决语音传输和宽带网络需求，光纤入楼层具体方案如下图4-4所示。12芯主干光缆从移动公司机房OLT设备经过学校的弱电井最后接到耘慧楼外的光交箱处，从光交箱分出两芯供给耘慧楼使用，一个作在用光缆，另一个作备用光缆，将在用光缆接至耘慧楼一层的光分纤盒内，在光分纤盒里有一分八光分路器，将光纤分为8路，每层供给2路，分别接每层的两个ONU设备，如图4-4所示。图4-4光纤入楼层设计Fig.4-4ThediagramofFiberintothefloordesign在耘慧楼内，具体设计思路如下图4-5和4-6所示。图4-5耘慧楼光接入网路由图Fig.4-5ThediagramofOpticalaccessnetworkroutingdiagramofYunhuiBuilding图4-6耘慧楼一层光纤接入Fig.4-6ThediagramofOnelayeroffiberaccessintheYunhuiBuilding如上两图所示，每个楼层的ONU设备在西门的上下两端。因为从耘慧楼西门至东门距离在100以内，而五类线的最长传输距离为100米，所以在教学楼内可以采用图4-5的方法进行光纤入户。本设计采用的ONU设备支持16口输出，所以在耘慧楼一层使用的两个ONU设备分别接11、8间教室；二层的两个ONU设备分别接15、9间教室；三层的两个ONU设备分别接15、11间教室；四层的两个ONU设备分别接14、11间教室。具体教室的连接如表4-2所示。表4-2每个ONU设备具体连接的教室Tab.4-2TableofClassroomconnectedtoeachONUdeviceONU设备位置教室号教室数量一层西北处107/108/109/110/111/112/113/114/115/116/11711间一层东南处101/102/103/104/105/106/118/1199.28010D/20D8间二层西北处208/209/210/211/212/213/214/215/216/217/218/219/220/221/22415间二层东南处201/202/203/204/205/206/207/223/2259间三层西北处312/313/314/315/316/317/318/319/320/321/322/323/324/325/32615间三层东南处301/302/303/304/305/306/307/308/309/310/31111间四层西北处412/413/414/415/416/417/418/419/420/421/422/423/424/4259.28010D/20D14间四层东南处401/402/403/404/405/406/407/408/409/410/41111间因为每个ONU都有剩的端口，所以当故障时，可以用剩余的端口作备用端口来应急。4.2.2教室内部接入设计用五类线将ONU设备与每个教室的光猫连接，光猫再接到教室的路由器就可以实现上网；在需要IP语音业务的教师办公室，可以接一个电猫，同时完成语音业务和上网业务。具体不同种类教室需求如下表4-3所示。表4-3不同教室种类需要的设备Tab.4-3TableofEquipmentrequiredfordifferentclassroomtypes需要设备教室种类光猫小教室、大阶梯教室、会议室、试卷室9.28010D/20D300/1000Modem实验室、办公室、机房、资料室9.79710D/20D300/1000具体接入方式如下图4-7和4-8所示。在只需要上网业务的教室，例如小教室、大阶梯教室、会议室等，用光纤把ONU设备与光猫相连，光猫的输出口接至网线一端，网线另一端接路由器插口，这时就可使用WIFI否者用网线路由器的LAN口和电脑相连电脑即可上网，如下图4-7所示。图4-7光猫的连接方式Fig.4-7ThediagramofGuangModemconnectionmethod在既需要上网业务也需要电话语音业务的教室，例如实验室、办公室、资料室等，需要用光纤将ONU设备与Modem连接，连接方法与光猫连接方式类似，但它比光猫多一条电话线，让Modem接上电话线即可完成电话语音业务，如下图4-8所示。图4-8Modem的连接方式Fig.4-8ThediagramofModemconnectionmethod4.3设备选型4.3.1局端设备OLTOLT设备有机架式和盒式两种形态。机架式是前面板的上下高度大于8.9厘米、结构是常用的插板式。它可接入容量大、当接口不够可以扩展且性能好，接口廉价。多种接口可以做到混插，因此它可以大容量的综合接入，易于顺应发展需要。盒式前面板的上下高度小于等于8.9厘米。设计有固定的样式，不支持模块化。其口数量少、可扩展性不强，在用户数少的场合有较小的优势。在本次设计，我们预选机架式设备，产品如下：1)华为产品表4-4华为OLT设备系列Tab.4-4TableofHuaweiOLTequipmentseries参数运行环境背板总线交换容量主控板交换容量接入容量接口种类系统性能MA5680T温度：-25℃～+55℃湿度：5%～95%3.2Tbit/s1920Gbit/s128×10GEPON256×EPON48×10GEPON96×EPON1.上行接口：10GE光，GE光/电2.业务接口：EPON光口、GPON光口、P2PFE光口、P2PGE光口1.二层/三层线速转发2.支持1：256分光比3.支持60km逻辑距离MA5683T温度：-40℃～+65℃湿度：5%～95%1.5Tbit/s960Gbit/s48×10GEPON96×EPONMA5608T温度：-40℃～+65℃湿度：5%～95%720Gbit/s512Gbit/s16×10GEPON32×EPON2)烽火OLT设备表4-5烽火OLT平台AN5516-01Tab.4-5TableofFiberHomeOLTplatformAN5516-01整体描述设计特点系统容量业务能力1.小体积、大容量、高密度2.EPON/GPON/10GEPON/P2P通用平台；3.支持IEEE1588V2协议，支持三层功能；4.单框支持128个PON口，背带交换容量976G，总线带宽3.25T。1.全前插板、前出线设计；2.支持所有板卡、所有光模块热插拔；3.PON接口支持盘间、跨盘保护，保护时间小于50ms。1.背板交换容量976G，背板总线带宽3.2T；2.PON口数量64/128个；3.上行接口：4*STM-1/32E1专线、下行接口：16*8GE；5.支持1:32/64/128光分路比6.支持60KM超长距离1.支持V5/NGN语音模式，支持H.248、MGCP、SIP等协议；2.支持强大的VLAN扩展功能，包括VLAN。从上表可以得出，在本次设计采用性价比较好的华为MA5680TOLT设备，如图4-9它是插板式带有扩展槽的具有三层设备的功能相当于路由器或高层交换机。图4-9华为MA5680T设备实物图Fig.4-9ThediagramofHuaweiMA5680Tdevicephysical其接口主要参数如下表4-6所示。表4-6MA5680T接口主要参数Tab.4-6TableofMainparametersoftheMA5680Tinterface接口类型最大传输距离传输速率中心波长发送光功率接收灵敏度最大值SC/PC20km1.25Gbit/s1310/1490nm2dBm~7dBm-27dBm4.3.2终端设备ONUONU设备种类丰富，从用户数量看，包括独享和共享；从数量上来看，可以是单个也可以是一个；从放置位置看，包括室内、室外、楼内等。ONU它具有核心功能、业务功能和公共功能。ONU设备选型应考虑到OUN设备应与OLT设备之间芯片级互通、ONU设备需要由应用环境来决定端口的类型和数量。华为SmartAXMA5620支持接口规格为24、16、8口FE+POTS。目前，MA5620设备，有低功耗、静音、自然散热等优点，同时它支持远程配置，在设备上注册成功之后可以直接建立业务通道和管理通道，不用人力在现场操作，插上立马可以使用。它支持SIP和H.248两种协议；支持GPON、EPON、GE三模自适应模式。MA5620E-16设备的EPON接口主要参数如下表4-7所示，实物图如4-10所示。表4-7MA5620E-16设备EPON接口参数Tab.4-7TableofMA5620E-16deviceEPONinterfaceparameters传输速率接口类型静态功耗中心波长发送光功率接收灵敏度最大值峰值功耗接收：1Gbit/s发送：1Gbit/sSC/PC35.2W发送：1310nm接收：1490nm-1dBm~4dBm-27dBm40.6W图4-10MA5620E-16实物图Fig.4-10ThediagramofMA5620E-16physical在选择光纤或光缆时，应注意选用规则：根据通信距离、传输速率、是否采用波分复用(G.652光纤适合光纤接入网、G.653适合单通道高速光传输网、G.655适合长距离高速密集波分复用光传输网)；考虑功率、色散和非线性因素(G.652光纤适合功率受限系统、G.653适合色散受限系统、G.655非线性受限系统)；光纤接头类型(根据设计的光纤通信系统选用接头兼容的光纤)；考虑业务需求(束状光缆适合光接入网和光传输网；带状光缆适合光传输网；皮线光缆适合光接入网中住户至终端侧；光电混合光缆适合企业网)；考虑应用环境(阻燃光缆适合煤矿、石化等危险环境；海底光缆适合海底通信环境；束状光缆、带状光缆和光电混合光缆适合管道、架空和直埋环境；皮线光缆和光纤适合室内小型走线管或直连环境)；价格因素(根据需求选用适合系统容量的光缆，如8芯、12芯、24芯等)。从设计总图可以看出，在本次设计中，从OLT到校园的光交箱，使用一根12芯主干光纤用于教学楼部分(耘慧楼行政楼、静远楼、尔雅楼、实验楼、图书馆)，之后用配线光缆和用户引入光缆将光纤入教室，配线光缆我们采用GYTA型号光缆，它的适用于户外、金属加固、钢-聚乙烯粘结护套光缆。如下表4-8所示。表4-8GYTA光缆各型号参数Tab.4-8TableofGYTAcablevariousmodelparameters光缆型号芯数(根)光缆直径mm光缆重量Kg/Km弯曲半径(mm)静态/动态允许压扁力(N、100mm)长期和短期GYTA/2-62-69.28010D/20D300/1000GYTA/8-128-129.28010D/20D300/1000GYTA/14-1814-189.28010D/20D300/1000GYTA/32-3632-369.79710D/20D300/1000光纤主要选用G.652单模光纤。它波长为1310nm，并且它是所有单模光纤中性能最好的。并且在1550nm波长出表现出最小的衰减，在18ps/(nm.km)的系数下可以看到大量的色散，所以它可以选择1310nm,也可以选择1550nm波长。G.652有以下几种型号，如下表4-9所示。表4-9G.652单模光纤型号参数Tab.4-9TableofG.652singlemodefibermodelparameters型号支持传输系统最大传输距离支持传输系统最大传输距离G.652A10Gbit/s400km40Gbit/s2kmG.652B10Gbit/s3000km40Gbit/s80kmG.652C10Gbit/s400km40Gbit/s2kmG.652D10Gbit/s3000km40Gbit/s80km因此，本设计中进入教学楼的光缆选用G.652B型单模光纤，它传输距离较长，能完成我们的传输任务。在教学楼内部，应选用皮线光缆，它抗拉、抗扰、抗压性能较好，便于操作。4.3.4光分路器选型光分路器可以分为尾纤式光分路器和法兰式光分路器，它的接口类型有FC、SC、LC等；本设计中采用法兰式FC型接口类型的光分路器，如图4-11所示。图4-11法兰式光分路器Fig.4-11ThediagramofFlangeopticalsplitter光分路器的具体参数如下表4-10所示。表4-10光分路器参数表Tab.4-10TableofOpticalsplitterparametertable光分路器参数1:41:81:161:321:64典型插入损耗(dB)7.010.213.216.519.6最大插入损耗(dB)7.310.613.517.020.0均匀性(dB)<=0.6<=0.6<=0.6<=1.2<=1.7偏振相关损耗(dB)<=0.3<0.3<0.3<0.3<0.4回波损耗(dB)>=55方向性(dB)>=55工作波长1260~1650nm工作稳定40℃～85℃工作湿度<=85%4.3.5光纤法兰盘选型光纤法兰盘又称光纤耦合器,是光纤活动连接器对中连接的重要部分，作用是光纤对接。它可以从两侧连接不同类型接口，同时允许在MPO、SC、LC、FC、ST、MTRJ等不同接口之间进行转换。当连接光纤通信相关的设备时、连接光纤时、对仪器进行测试时、进行光纤传感器时，都会用到它。它有这很重要的作用。在本次设计中使用SC-PC活动连接器，让光纤与光分路器、路由器、光端口等端口进行对接。其具体参数如下表4-11所示。表4-11SC-PC光纤耦合器参数表Tab.4-11TableofSC-PCfibercouplerparameter型号平均损耗回波损耗SC-PC光纤耦合器<=0.5dB<=45dB4.3.6光交箱选型光缆交接箱以干层光缆为主，配线层光缆提供光缆成端，跳接的交接设备。光缆引入光缆交接箱后，需要对接入的光缆进行固定、端口对接、分配光纤，使主干光缆与配线光缆连通用跳纤。它有用于室外的室外式光交箱和用于室内的小型壁挂式光交箱两种。光交箱有48芯、72芯、96芯、144芯、288芯、360芯、576芯几种。在本次设计中，由于有669间教室，就使用144芯光交箱，光交箱放置在几个教学楼较中心的位置，也就是在耘慧楼对面的路边。图4-12校园光交箱Fig.4-12ThediagramofCampuslightbox4.3.7光分纤盒光纤分纤盒用来连接入户光缆，它可以在室外、楼道、室内使用并固定、安装光分器。在本次设计中将使用挂壁式光缆分纤盒，并将光分纤盒放置在一路楼道内，在将分纤盒内光纤做好标记，以便于未来的故障检查等。挂壁式光缆分纤盒如图4-13所示。图4-13挂壁式光缆分纤盒Fig.4-13ThediagramofWall-mountedcablesplitterbox4.3.8路由选型在本次设计中，要使用路由器实现上网功能。如今，几乎家家配有路由器，现在市面上有各种牌子路由如：华为、锐捷、H3C、中兴、TP-LINK等。选择路由器时，我们应注意CPU、内存、吞吐量、支持的网络协议和待机数量等方面问题。具体参数如表4-12所示。表4-12不同型号路由器参数Tab.4-12TableofDifferentmodelrouterparameters产品型号无线传输速率网络标准USB接口数量无线网络支持频率价格TL-WDR7660千兆版1900Mbps802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac不支持2.4G&5G189元WS5200增强版1167Mbps802.11b、802.11g、802.11a、802.11n、802.11ac不支持2.4G&5G229元小米路由器4A1200Mbit/s802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac不支持2.4G&5G119元WS51021167Mbps802.11b、802.11g、802.11a、802.11n、802.11ac不支持2.4G&5G139元由上表的对比，可以选择性价比较好的小米路由器4A。4.4网络容量计算在对接入网进行设计时，要对网络容量问题进行考虑。若网络容量设计不合适，那么会造成网络运行不畅或资源浪费的现象。因此，需要合理的规划每个PON系统的用户数。并确保所需要使用的网络宽带是小于网络的最大宽带。本设计对用户所需宽带进行分析，如下表。表4-13用户宽带分析Tab.4-13TableofUserbroadbandanalysis业务类型所需带宽同时在线率(%)上网8Mbit/s80%IP语音0.2Mbit/s2%如上表所示每个用户带宽需求是8.2Mbit/s，但是在现实生活中，他们并不都是同时在线的。按照电信运营给出的经验来算，每个用户的统计带宽约为：8Mbit/s(高速上网)×80%+0.2Mbit/s(IP语音)×2%=6.4Mbit/s。若考虑33%的冗余能力，每个用户应该留够6.4×33%+6.8=8.5Mbit/s带宽，对与本设计，除去链路开销，每个PON口提供的GE带宽可以达到900Mbit/s，因此可以配给900/8.5=105个用户使用。在本设计中，计算了一个PON口在全部用户全部使用，和80%用户同时使用时，所需要的总带宽。如下表4-11所示。表4-14一个PON口需要的总带宽Tab.4-14TableofTotalbandwidthrequiredforaPONport同时在线率用户数每户所需带宽总带宽100%1058.5Mbit/s892.5Mbit/s80%848.5Mbit/s714Mbit/s由上表可以看出，当所以用户同时在线时，一个PON口需要提供892.5Mbit/s带宽，而我们使用的设备每个PON口提供1.25G， 远小于这个范围。由于校园使用用户较多我们把校园分为教学区和生活区，各分给这两个区一个OLT，其中教学区包括耘慧楼(94间)、行政楼(146间)、静远楼(169间)、尔雅楼(80间)、实验楼(100间)和图书馆(80间)；教室共有669间教室。所以教学区实际带宽需：8.5×669=5685.5M带宽。所以本工程教学区需要1个10GE光口上联IP网络。生活区算法如上，也需1个10GE光口上联IP网络。4.5计算光纤线路损耗在对耘慧楼的光接入网设计中，需要算出整个过程中最坏条件下的损耗，来确定方案是否可行。整个链路的损耗应满足一下公式：光纤损耗×光纤传输的距离+光分器损耗+活动接头损耗×接头个数<EPONR/S-S/R允许的最大损耗-损耗富余量。其中允许最大损耗量计算如下公式：上行：损耗量=ONU发射光功率—OLT接收光功率；下行：损耗量=OLT发射光功率—ONU接收光功率；将所用OLT和ONU设备参数进行统计，并计算EPON系统最大衰耗数值。如下表4-15所示。表4-15EPON系统最大衰耗计算Tab.4-15TableofMaximumattenuationcalculationofEPONsystem类型损耗OLTPON口发送光功率2dBm~7dBm单模光纤接收灵敏度-27dBmONUPON口发送光功率-1dBm~4dBm接收灵敏度-27dBmEPON系统R/S-S/R间允许最大衰耗上行：ONU-OLT1310nm25dBm(考虑1dB的上行光通道代价)下行：OLT-ONU1490nm28dBm(考虑1dB的上行光通道代价)在计算损耗时，需要计算光纤损耗，熔接点损耗，光器件损耗等，并且要加上损耗富余量。总损耗计算如下表4-16所示。表4-16链路总损耗Tab.4-16TableofTotallinkloss项目单位损耗数量/长度总损耗主干光缆损耗0.2(dB/km)5.4km1.08dB配线光缆0.2(dB/km)1km0.2dB熔接点损耗0.1(dB/个)17个1.7dB1:8光分路器10.2(dB/个)1个10.2dB活动接头0.517个8.5dB总计21.68dB上表是链路进行最坏条件下的损耗计算。损耗富余量一般认为3dB。因此：21.68dB<25dB-3dB，所以本设计可以保证光信号的可靠接收。4.6工程预算在完成耘慧楼的EPON光接入网设计中，工程预算也不可缺少。本设计要考虑从中国移动公司(城东)到学校的施工预算，需要计算直埋光缆施工费、挖弱电井费、铺设光纤费和人工费用等，如下表4-17所示。除此之外还需要考虑耘慧楼使用的各个设备。例如：OLT、ONU设备、光缆、无源光器件等。其所需设备预算如下表4-18所示。表4-17施工预算Tab.4-18TableofConstructionbudget序号施工名称单位数量单价总计(元)1直埋光缆施工费千米5.410000元/千米540002掘井费口11200元/口12003人工费11280总计66480由上表可以看出，本设计在施工上的预算为66480元。表4-18设备预算Tab.4-17TableofEquipmentbudget序号名称规格型号单位数量单价(元)总计(元)1OLTMA5680T台110500105002ONUMA5620-8台8922.573803主干光缆12芯米54002.25/m121504配线光缆4芯米3002/m6005皮线光缆2芯米1001.2/m1206超五类线UTP或STP米6000.95407分光器1：8台135358光交箱144芯三网合一空箱个17507509分纤盒室内壁挂式个1101010路由器小米路由器4A个901191071011光缆熔接盒台12000020000总计62795由上表可以看出，本设计在购买设备上的预算为66480元。本设计整体施工时间预计16天完成，并需要达到运营商的各种标准后，才算整体完成，整个工程预算预计十三万可以完成。4.7施工方案4.7.1施工前准备1.将铺设材料准备妥当，布线辅料就位。2.光缆检测，在光缆敷设之前对所购的光缆进行检验，包括光缆类型、光纤对数、光缆长度、光缆连通性等。3.勘察主干光缆经过的地方，是否适合铺设光缆4.在铺设主干光缆沿途，挖地坑时，需要贴施工警示；在耘慧楼外也需要贴开工通知