光纤通信原理-光接入网

第10章光接入网引入：光纤到家了吗？我们到底需要多大的上网速率？梅特卡夫定律（Metcalfe'sLaw）告诉我们：网络价值同网络用户数量的平方成正比。

第10章光接入网10.1接入网概述 10.2光接入网 10.3EPON技术 10.4GPON技术 10.5下一代无源光网络 10.6光接入网器件与设备 10.7习题与设计题 10.1接入网概述

长途网和中继网合在一起称为核心网（CN，CoreNetwork），相对于核心网的其他部分，则统称为接入网（AN，AccessNetwork），ITU-TG.902对接入网下的定义如下：接入网是由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设施和传输设施）组成的、为传送电信业务提供所需要的传送承载能力的实施系统，可经由Q3接口进行配置和管理。业务节点接口（SNI）：是接入网与核心网之间的接口。有对交换机的模拟接口（Z接口）、数字接口（V接口）等。各种数据接口及针对宽带业务的各种接口。用户网络接口（UNI）：是用户和网络之间的接口。具有模拟电话接口、N-ISDN接口、B-ISDN接口、各种数据接口和宽带业务接口。网络的发展方向是“三网合一”三网合一是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，三大网络通过技术改造，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。【讨论与创新】上网搜索资料，讨论学习，未来我们到底需要多大的接入带宽？10.2光接入网

10.2.1光接入网10.2.2无源光网络10.2.1光接入网

它们有什么用呢？在光接入网中，光缆交接箱是一种为主干光缆、配线光缆提供光缆成端、跳接的交接设备。光缆引入光缆交接箱后，经固定、端接、配纤以后，使用跳纤将主干光缆和配线光缆连通。FTTH室外壁挂式光分路器箱用于光缆与光通信设备的配线连接，通过箱内的光分路器，用光纤引出光信号，实现光配线功能。光接入网（OAN）是指采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。OAN又可以划分为无源光网络（PON，PassiveOpticalNetwork）有源光网络（AON，ActiveOpticalNetwork），ONU：光网络单元，提供OAN用户侧接口，并且连接到一个ODN；UNI：用户网络接口；SNI：业务结点接口；S：光发送参考点；

R：光接收参考点；AF：适配功能；V：与业务结点间的参考点；T：与用户终端间的参考点；a：AF与ONU之间的参考点。Q3接口是电信管理网和电信各部分的标准接口OLT（OpticalLineTerminal）是光线路终端。OLT通常放置在中心机房，提供上行SNI接口，通过10GE/GE/FE连接IP城域网。ONU（OpticalNetworkUnit）是光网络单元。通常放置在用户侧ODN（OpticalDistributionNetwork），由无源光纤分路器和光缆线路组成。光缆部分选用G.652、G.657系列的光纤，光分路器1:2～1:32可选。OLT到ONU之间的传输距离一般是10km～20km，原则上是10km用1:32的分光器，20km用1:16，因为分光器分光比例越高，光损耗越大。根据ONU所设置的位置，光纤接入网分为光纤到户（FTTH）光纤到路边（FTTC）光纤到大楼（FTTB）光纤到办公室（FTTO）光纤到楼层（FTTF）光纤到小区（FTTZ）10.2.2无源光网络

1．PON技术的发展PON的标准技术上有四种技术。APON（ATMPON）、BPON（BroadbandPON）基于ATM的无源光接入技术EPON（EthernetPON），基于以太网的无源光接入技术，遵循IEEE802.3ah系列标准GPON（GigabitCapablePON）基于ATM/GEM的无源光接入技术，遵循ITU-TG.984系列标准，2.PON无源光网络应用10.3EPON技术 339

1.EPON概述EPON（IEEE802.3-2005）是千兆以太网技术与无源光网络（PON）的结合，EPON技术和现有的设备具有很好的兼容性，而且EPON还可以轻松实现带宽到10Gb/s的平滑升级。EPON基本特点：OLT与ONU之间信号传输基于IEEE802.3以太网帧传输线路速率下行/上行都是1250Mb/s以MAC控制子层的MPCP（Multipointcontrolprotocol）机制为基础。2.EPON帧结构EPON是基于以太网的无源光网络，OLT和ONU之间采用以太网封装方式，传输的是以太网帧结构，所以EPON是基于802.3的帧格式。帧起始定界（SFD，StartofFrameDelimiter），共6字节，用来为帧的头部定界；净负荷（Payload），共72～1526字节，用来承载以太网帧，包括前导码（Preamble）、目标MAC地址、源端MAC地址、数据长度、数据信息、填充和校验字段；帧结束定界（TFD，TerminalofFrameDelimiter），6个字节，共2个，用来为净负荷和帧的尾部定界；前向差错校验（FEC），共16个字节，校验范围从SFD开始到第一个TFD为止。EPON帧的长度可变，所以EPON帧占用的时间不固定。EPON帧结构中，修改了以太网帧的前导码第3个字节SPD标识LLID（LogicalLinkIdentifier，逻辑链路标记）和CRC位置，标识它不是普通以太网帧而是一个EPON帧；对于上行数据，采用时分多址接入技术（TDMA），根据IEEE802.3ah协议，当ONU在注册成功后，OLT会根据系统的配置，给ONU分配一个唯一的LLID，给ONU分配特定的带宽，TDMA技术为每个ONU分配时隙，每个ONU的信号通过使用不同时间长度的光纤传输来完成“时分”功能，再把“时分”后的信号聚到光分路器，完成“复用”功能。在采用动态带宽调整时，OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告，动态地给每一个ONU分配带宽。EPON下行传输方式与上行的TDMA传输方式完全不间，由于EPON系统采用的是典型的树形结构，一个OLT将下行数据通过广播的方式传输给多个ONU。根据IEEE802.3ah协议，OLT从来自上游网络的比特流中取出以太网帧，并封装成EPON帧，每一个数据帧的帧头包含注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识（LLID），替代以太网前导码的最后两个字节；OLT只给注册过的ONU分配LLID，ONU接收数据时，仅接收符合自己的LLID的帧或者广播帧。EPON下行帧的传输速率为1Gb/s（通过8B/10B编码后速率变为1.25Gb/s）。3.

多址控制协议MPCP数据链路层的关键技术主要包括：上行信道的多址控制协议（MPCP）、ONU的即插即用问题、OLT的测距和延时补偿。MPCP协议是EPON的数据链路层技术的核心。①ONU的自动注册指OLT对系统中的ONU进行注册，主要用于系统中增加ONU或ONU重新启动。②动态带宽分配（DBA，DynamicallyBandwidthAssignment）。DBA是一种能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽的动态分配的机制。③系统同步。因为EPON中的各ONU接入系统采用时分方式，所以OLT和ONU在开始通信之前必须达到同步，才会保证信息的正确传输。要使整个系统达到同步，必须有一个共同的参考时钟，在EPON中以OLT时钟为参考时钟，各个ONU时钟和OLT时钟同步。④测距和时延补偿。由于EPON的上行信道采用TDMA方式，多点接入导致各ONU的数据帧延时不同，因此必须引入测距和时延补偿技术以防止数据时域碰撞，并支持ONU的即插即用。测距包括静态测距和动态测距。在ONU注册时，对ONU开始测距，使用注册冲突避让机制。在EPON中解决ONU的注册冲突的方案有两种：随机延迟时间法和随机跳过开窗法。⑤支持QoS。在EPON中QoS主要体现在3个方面：一是物理层和数据链路层的安全性；二是如何支持业务等级区分；三是如何支持传统业务。⑥EPON的安全性。ONU通过上行信道传送一些保密信息（如数据加密密钥），OLT使用该密钥对下行信息加密，因为其他ONU无法获知该密钥，接收到下行广播数据后，仍然无法解密获得原始数据。⑦全局统一网管。在网管中心设网管服务器，各运行、维护中心设远程终端，分权分域进行用户管理和设备管理。目前主流厂商的网管可支持256个OLT的管理。10.4GPON技术

1.GPON的发展GPON（Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks）由FSAN组织于2002年9月提出。2003年3月ITU通过了ITU-T

G.984.1和ITU-TG.984.2协议。2004年6月ITU又通过了ITU-TG.984.3，特点如下：GPON，采用ITU-T定义的GFP（GenericFramingProtocol，通用成帧协议）对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射；能提供1.25Gb/s和2.5Gb/s下行速率，155Mb/s、622Mb/s、1.25Gb/s、2.5Gb/s几种上行速率；并具有较强的OAM功能；提供更远的传输距离，采用光纤传输，接入层的覆盖半径达20km，局端单根光纤经分光后引出多路到户光纤，节省光纤资源；拥有高速宽带及高效率传输的特性。2.GPON帧格式分为下行帧和上行帧结构，GPON帧结构比EOPN帧结构复杂。GPON下行帧由物理控制块（PCB）和下行净负荷（Payload）组成，净负荷之外部分被称为物理控制块（PCB）。净负荷里面就是下行的GEM帧（GPONEncapsulationMode，GPON封装方式）。GPON上行帧由PLO、PLOAM、PLS、DBR、上行净负荷字段构成。GPON上/下行帧长固定为125ms，频率为8000Hz，可见GPON装载125ms的PDH和SDH帧时，不需要进行速率适配。GEM帧是GPON技术中最小的业务承载单元，是最基本的封装结构GEM帧由帧头和净负荷组成，帧头包括PLI、Port-ID、PTI和HEC这4个字段，共5字节。PLI（PayloadLengthIndicator，净负荷长度标识）：12位，用来指明变长数据的净负荷长度。由于GEM帧是连续传输的，所以PLI可以视作一个指针，用来指示并找到下一个GEM帧头。净负荷最大字节长度是4095字节，如果数据超过这个上限，GEM将采用分片机制。Port-ID（端口识别号）：12位，用来区分不同的端口。Port-ID可以提供4096个不同的端口，用于支持多端口复用。PTI（PayloadTypeIndicator，净负荷类型标识）：3位，PTI最高位指示GEM帧是否为OAM信息，次高位指示用户数据是否发生拥塞，最低位指示在分片机制中是否为帧的末尾，为1时表示帧的末尾。HEC（HeadErrorCheck，帧头差错校验）：13位，用来存放帧头的校验字，供接收端对GEM帧头进行检错和纠错。GEM帧的净负荷部分，最大长度是4095字节，用来存放TDM、以太网数据等。其中，以太网数据取自以太网帧结构中除前导码之外的所有字段。GEM帧是GPON技术中最小的业务承载单元，是最基本的封装结构。所有的业务都要封装在GEM帧中在GPON线路上传输，通过GEMPort标识。3.EPON和GPON的比较GPON和EPON技术在速率等级、传输距离、分光比等都有不同10.5下一代无源光网络

10.5.110G/100GPON技术 10.5.2WDM-PON技术 为什么要发展下一代PON？超高清视频，5G网络，虚拟现实（VR），所有这些应用都需要发展下一代无源光网络技术（NG-PON）。下一代PON包括NG-PON1NG-PON2NG-PON3NG-PON1包括10GEPON和XG-PON。NG-PON2的要求：OLT下行总速率≥40Gb/s，上行总速率≥40Gb/s，用户ONU最高下行带宽≥1Gb/s、上行带宽0.5～1Gb/s，传输距离20～60km或100km（后者采用光放大），光分比1:64～1:1000，与之前的PON兼容。NG-PON3的设定目标：单个接入PON可支持1000个用户，每个用户带宽1Gb/s，复合传输容量400Gb/s～1Tb/s，传输距离0～100km，与之前的PON兼容，技术的发展方向有WDM-PON、混合WDM/TDM-PON。10.5.110G/100GPON技术

1.10GEPON技术10GEPON扩大802.3ah标准的上下行带宽，达到10Gb/s速率。IEEE802.3av确定了两种物理层模式一种是非对称模式，即10Gb/s速率下行和1Gb/s速率上行；另外一种是对称模式，即上下行速率均为10Gb/s，10G-EPON采用1577nm作为10Gb/s下行信号波长，10Gb/s信号与1Gb/s信号（1490nm）为WDM方式上行方向，非对称10G-EPON系统的上行波长仍然沿用EPON系统的上行波长1310nm（1260～1360nm），实现与EPON的无缝兼容；对称10G-EPON系统的上行信号（速率为1Gb/s）波长是1270nm（1260～1280nm），二者有重叠，因此不能采用WDM方式，而是采用双速率TDMA方式。2.100GEPON2015年7月开始启动100G-EPON的标准制定工作，命名为IEEE802.3ca。100GEPON目标定义了3种MAC层速率，即25G、50G和100G。其中25G分为非对称10G/25G和对称25G/25G二种制式。100GEPON需要和对称的10GEPON共存，以保护运营商的10GEPON投资。10.5.2WDM-PON技术WDM-PON系统一般包含三部分，OLT、RN和ONU。WDM-PON系统一般包含OLT、RN和ONU3部分。ONU上传数据时占用某个波长，复用器将多波长信号合路到一根光纤，传到OLT接收端，经分路后，由接收机阵列最后完成接收。OLT下传数据时，发射多波长信号，到达解复用器时进行分路，最后每个波长到达相应的ONU的接收端被接收。WDM的采用就为每个ONU到OLT的连接提供了一条虚拟的点到点双向传输链路。无色ONU的实现技术根据使用的器件不同可分为可调激光器、宽谱光源和无光源。①使用波长可调的激光器使ONU可以工作在不同的波长，可调激光器也工作在特定波长，但可通过辅助手段对波长进行调谐，如电调谐、温度调谐和机械调谐，这样在系统中可使用同样的激光器以产生不同的工作波长。②ONU中放置一个宽谱光源，发出的光从ONU出来后，再接一个WDM设备，比如薄膜滤波器或AWG，对信号进行谱分割，只允许特定的波长部分通过并传输到位于中心局的OLT。这样各个ONU具有相同的光源，但由于它们接在WDM合波器的不同端口上，从而可为每个通道生成单独的波长信号。③ONU处无光源，系统中的所有光源都置于OLT处，并通过AWG进行谱分割后向ONU提供特定波长的光信号，而ONU直接对此光信号进行调制，以产生上行信号。2016年，出现首个32波10GWDM-PON样机10.6光接入网器件与设备

10.6.1单纤双向光收发器件 10.6.2波导型光分路器 10.6.3蝶形光缆及连接 10.6.4光线路终端设备 10.6.1单纤双向光收发器件单纤双向是指在一根光纤里可以同时传输收发两个方向的光信号，要实现收发两个方向的光信号同时传输，需要收发方向使用不同的光波长。ONU单纤双向光收发组件可用于EPON网络通信，发送机部分使用1310nm激光，接收部分使用1490nm接收机和互阻抗放大器（TIA）。双向光收发组件（BOSA，Bi-DirectionalOpticalSub-Assembly）是将TO-LD光源、TO-PIN-TIA（跨阻抗放大器）探测器、分光片、光纤等零部件用同轴耦合工艺全部集成组装于一体原理BOSA的中心部位有分光片，LD组件和PD组件均通过自聚焦透镜与分光片耦合，光源照射面镀增透膜，探测器接收面镀反射膜。LD发出的光功率，通过自聚焦透镜聚焦成平行光束，透过分光片耦合到传输光纤，外来信号光通过光纤照射到分光片上，再反射到自聚集透镜上，经透镜聚光与PD探测器组件耦合。PON光模块有EPON光模块及GPON光模块。PON光模块有OLT光模块和ONU光模块10.6.2波导型光分路器

1.光波导分路器原理平面光波导型光分路器采用平面光波导工艺技术，在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层，平面光波导的制作包括成膜、光刻、刻蚀、退火等工艺。2.分路器器件无源光分路器的功能是将一路输入光信号进行光功率分割，分成多路输出。典型情况下，分路器实现1:2到1:32甚至1:64的分光。无源光分路器的特点是不需要供电。封装后平面光波导型光分路器的实物图。10.6.3蝶形光缆及连接

1.蝶形引入光缆蝶形光缆是一种新型光缆，也称为软光缆，或者皮缆。蝶形光缆多为单芯、双芯结构，也可做成四芯结构，横截面呈8字型，加强件位于两圆中心，可采用金属或非金属结构，光纤位于8字型的几何中心。2快速连接器光缆的连接，可以采用2种技术：熔接和冷接。所谓冷接是与熔接相对立，指通过“冷接子”进行光缆机械接续。光纤面板插座提供与标准SC型单芯光纤活动连接适配器一致的插口，用于蝶形光缆与跳纤的互联。10.6.4光线路终端设备华为光线路终端SmartNG-OLTMA5800MA5800多业务接入设备是千兆超宽时代的8KReadyOLT，采用分布式架构，支持PON/10GPON/TWDMPON共平台，具有支持多介质千兆汇聚、最佳4K/8K视频体验、多业务虚拟化共平台及100GPON平滑演进等特性。【讨论与创新】上网搜索资料，讨论并学习下面的内容。(1)什么可见光光通信Li-Fi呢？能利用可见光光通信实现光接入吗？(2)5G移动网络接入会取代FTTH吗？(3)什么是自由空间光通信FSO呢？国内外发展如何项目实践：FTTH网络设计1.项目基础知识EPON网络主要设备ODN的分光方式主要有两种：一级分光和二级分光，受PON设备光功率预算及带宽的限制，当前，ODN的总分路比一般为1:64。采用一级分光时，分路器一般设置在配线光交处；光分路器采用1×64。采用二级分光时，第一级分路器一般设置在配线光交处，光分路器采用1×8，第二级分路器一般设置在分纤箱处，光分路器采用1×8二级分光的PON系统ODN光通道损耗所允许的衰减定义为ONU和OLT之间，也就是S/R和R/S参考点之间的光损耗，其中S是光发送信号参考点，R是光接收信号参考点。OLT的传输距离应通过ODN允许的光通道损耗及OLT、ONU设备的功率预算，采用最坏值法核算，即ONU接收光功率＝OLT发射光功率－光通道损耗。目前，EPON在用的光模块主要有：①PX20，允许通道插入损耗24dB，支持最高分光比为1:32，是EPON网络部署的早期配置，新设备已不再配置PX20光模块；②PX20+，允许通道插入损耗28dB，支持最高分光比为1:64，当前的EPON设备均配置PX20+光模块。目前，GPON在用的光模块主要有：①ClassB+，允许通道插入损耗28dB，支持最高分光比为1:64，当前GPON设备普遍配置ClassB+光模块；②ClassC+，允许通道插入损耗32dB，支持最高分光比为1:128，ClassC+光模块已发展成熟，未来将主要采用这种光模块。光功率衰减的主要影响因素有光分路器的插入损耗（不同分光比有不同的插入损耗）、光缆本身的损耗、光缆熔接点损耗、尾纤/跳纤通过适配器端口连接的插入损耗等，光通道损耗为以上因素引起的损耗总和。①