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201/23 现代通信技术与系统 陆 韬 编著 注：本教材已由 XX 大学出版 所有，翻录必究 二 O O 八 年 七 月 202/23 XX 大学 第 9 章有线通信综合接入网技术 宽带互联网的组网结构分为“用户接入网”和“城域骨干网+长途广域网”两部分；宽带接入网是使用最广泛,发展技术较快的重要通信技术,代表着通信网络的主要组成部分。本章叙述了宽带互联接入网的主流组网技术和发展的新标准，共分为四个部分：第 1 节概述了通信宽带互联网组网概念与国际规 X；第 2 节简述了通信宽带铜线接入技术；第 3 节简述了通信网宽带光纤接入技术；第 4 节简述了用户综合通信网组网技术；其中第 2-4 节均为最新通信接入网技术的技术发展成果；整章内容构成了通信接入网络的基础理论要点，具有很强的实用性。9-1 宽带互联网组网技术概论 9-1-1 通信接入网概论 1.通信接入网概论 根据ITU-T建议G.902的定义：通信接入网(AN)是由通信业务节点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间的一系列通信业务传输设施所组成的，该设施受到通信运营商（电信公司）的监控、配置和管理。它主要包括用户终端设备、用户线传输系统和通信业务节点接口设备等三大部分。其功能主要是将用户的各种通信业务信息汇聚传送至电信公司的通信系统（如节点机房等）。我国自 20 世纪 90 年代（1990 年之后）开始，大量采用全塑铜芯双绞线市内通信电缆，敷设于通信用户与电信局（交接箱、节点机房等）之间，形成了庞大的通信电缆（属于“一类双绞线”）接入网的特点；目前城市通信机房一般分为“交换传输中心机房（监控中心）”和“小区节点机房（无人职守）”两大类，每个中心机房统一监管若干个小区节点机房，通过（单模）光纤传输系统，疏导其通信业务量；每个小区节点机房则汇聚其自然地域 X 围内的所有通信用户，一般每个小区节点机房的用户区域半径在 2.5Km 以内，最大不超过 5.0Km，用户总数一般不超过 1.5 万户。接入技术可以分为有线接入技术和无线接入技术两大类，目前向用户提供宽带业务的主要有基于铜线的 ADSL 技术、光纤接入（EPON、GPON）技术、基于 HFC 的 Cable Modem 及宽带无线等接入方式，而 ADSL 和光纤两种接入方式占了 95%以上的市场份额。本章主要介绍有线通信接入技术。2接入网的定义 根据 ITU-T 建议 G.902 的定义：接入网(AN)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所组成的电信承载系统，并可通过标准管理（Q3）接口进行配置和管理。它通常包含用户线传输系统、复用设备、数字交叉连接设备和用户网络接口设备。其主要的作用包括复用和传输功能，但一般不包括交换功能，并且独立于交换机。另外接入网对用户信令是透明的，不做处理，接入网(AN)Q3UNI业务节点(SN)SNIQ3TMN203/23 相应的信令处理由 SN 完成。图 9.1 接入网的系统组成示意图 ITU-T 接入网的主要设计目标如下：(1)支持各类综合电信业务的接入。将接入网从具体的业务网中剥离出来，成为一种独立于具体业务网的基础接入平台，以支持、宽带、IPTV 等各类电信业务接入，有利于降低接入网的建设成本。(2)开放、标准化 SNI 接口。将接入网与本地交换设备之间的接口，即 SNI 接口由专用接口定义为标准化的开放接口，这样 AN 设备和交换设备就可以由不同的厂商提供，为大量企业参与接入设备市场的竞争提供了技术保证，有利于设备价格的下降。(3)独立于 SN 的网络管理系统。该网管系统通过标准化的接口连接 TMN，由 TMN 实施对接入网的操作、维护和管理。以上对接入网的定义，既包括了窄带接入网又包括了宽带接入网。通常宽带与窄带的划分标准是用户网络接口上的速率，即将以分组交换方式为基础，把用户网络接口上的最大接入速率超过 2 Mb/s的用户接入系统称为宽带接入，对最小接入速率则没有限制；窄带接入系统是基于传统的 64 kb/s 的电路交换方式发展而来的，对基于 IP 的高速数据业务支持能力较差。3接入网的 X 围定界 接入网覆盖的 X 围由三个接口界定，如图 9.1 所示。网络侧经 SNI 与业务节点(SN)相连，CPE 可以是简单的一个终端，也可以是一个复杂的局域网或其他任意的用户专用网。TMN 侧可通过标准管理接口 Q3 对接入网设备进行配置和管理。其中 SN 是提供业务的实体，比如 SN 可以是本地交换机、IP 路由器、租用线业务节点或特定配置的视频点播(VOD)等。接入网允许与多个 SN 相连，既可以接入多个支持不同业务的 SN，也可以接入支持相同业务的多个 SN。图 9.2 接入网的一般物理结构示意图 4接入网的一般物理结构 接入网从物理上可分为馈线段、配线段和引入线段，图 9.2 为接入网的一般物理结构。连接业务节点和局端设备之间的部分称为馈线段，接入网的局端设备可以放在机房内，即和业务节点放在一起，也可以放在机房外，如某个小区中心、马路边或写字楼内。如果局端设备与业务节点放在一起，则局端设备一般通过电接口与业务节点直连；如果局端设备没有与业务节点放在一起，则馈线段一般采用有源光接入技术，如 SDH、PDH 等。网络拓扑结构可以是环型或星型。连接局端设备和远端设备之间的部分称为配线段，远端设备一般放在马路边、小区中心、大楼内、用户办公室或用户家中，局端设备和远端设备之间可采用无源光纤、无线或铜线方式传输。网络拓扑结构可以是星型或树型。引入线部分的传输媒介一般为铜线或无线。9-1-2 主要功能和协议参考模型 1 接入网的功能模型 局端设备馈线段业务节点SNI配线段远端设备引入线UNI204/23 接入网的功能结构分为五个基本功能组：用户口功能(UPF)、业务口功能(SPF)、核心功能(CF)、传送功能(TF)和接入网系统管理功能(AN-SMF)，其结构如图 9.3 所示。图 9.3 接入网的功能结构示意图（1）用户口功能用户口功能的主要作用是将特定 UNI 的要求与核心功能和管理功能相适配，它完成的主要功能有：终结 UNI 功能、A/D 转换和信令转换、UNI 的激活与去激活、UNI 承载通路/承载能力的处理、UNI 的测试。（2）业务口功能 业务口功能的主要作用是将特定 SNI 规定的要求与公用承载通路相适配以便核心功能处理，也负责选择有关的信息以便在 AN-SMF 中进行处理，主要功能有：终结 SNI 功能、将承载通路的需要和即时的管理及操作需要映射进核心的功能、对特定的 SNI 所需的协议进行协议映射，以及 SNI 的测试。（3）核心功能核心功能的主要作用是负责将个别用户承载通路或业务口承载通路的要求与公用传送承载通路相适配。核心功能可以在接入网内分配，具体包括：接入承载通路的处理、承载通路集中、信令和分组信息的复用、ATM 传送承载通路的仿真及管理和控制。（4）传送功能 传送功能的主要作用是为接入网中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道，也为所用传输媒介提供媒介适配功能，主要功能有：复用功能、交叉连接功能、管理功能、物理媒介功能等。（5）接入网系统管理功能接入网系统管理功能的主要作用是协调接入网内 UPF、SPF、CF 和 TF 的指配、操作和维护，也负责协调用户终端(经 UNI)和业务节点(经 SNI)的操作功能,主要功能有：配置和控制功能、指配协调功能、故障监测和指示功能、用户信息和性能数据收集功能、安全控制功能、资源管理功能、对 UPF 和 SN 协调的即时管理和操作功能。2接入网的参考模型 接入网的功能结构实际是以 ITU-T G.803 建议的分层模型为基础的，而分层模型则定义了构成接入网的各实体之间的相互配合关系，接入网的通用协议参考模型如图 9.4 所示。其中电路层面向电路层接入点之间信息的承载模式，例如电路模式、分组模式、帧中继模式、ATM 模式等。图 9.4 接入网通用协议参考模型示意图 用户口功能核心功能传送功能核心功能业务口功能接入网系统管理功能UNISNIQ3接入承载处理功能层AF电路层(CL)通道层(TP)传输媒介层(TM)层管理系统管理接人承载能力要求205/23 通道层定义了通道层接入点之间信息的传递方式，并为电路层提供透明的通道，如 PDH、SDH、ATM 及其他类型的通道。传输媒介层则与具体的传输媒介相关，相当于 OSI 的物理层，它可以是铜线系统(xDSL)、光纤接入系统、无线接入系统、混合接入系统等，而具体的传输媒介可以是双绞线、光纤、无线或同轴光纤混合方式等。接入承载处理功能位于电路层之上，主要用于用户承载体、用户信令及控制与管理。9-1-3 接入网的接口与分类 接入网有三种主要接口，即业务节点接口、用户网络接口和维护管理接口等。1业务节点接口(SNI)SNI 是接入网和 SN 之间的接口，可分为支持单一接入的 SNI 和综合接入的 SNI。目前支持单一接入的 SNI 主要有模拟 Z 接口和数字 V 接口两大类，其中 Z 接口对应于 UNI 的模拟 2 线音频接口，可提供模拟业务或模拟租用线业务；数字 V 接口主要包括 ITU-T 定义的 V1-V5，其中 V1、V3 和4仅用于 N-ISDN，V2 接口虽然可以连接本地或远端的数字通信业务，但在具体的使用中其通路类型、通路分配方式和信令规 X 也难以达到标准化程度，影响了应用的经济性。支持综合接入的标准化接口目前有 V5 接口和以 ATM 为基础支持宽带综合接入的 VB5 接口，但 VB5 目前尚在制定中，还很不完善。2用户网络接口(UNI)UNI 在用户侧，接入网经由用户网络接口与用户宅用设备(CPE)或用户驻地网(CPN)相连。用户网络接口主要有传统的模拟 Z 接口、ISDN 基本速率接口、ISDN 基群速率接口、ATM 接口、E1 接口、以太网接口，以及其他接口。用户终端可以是计算机、普通机或其他电信终端设备。用户驻地网可以是局域网或其他任何专用通信网。3维护管理接口(Q3)维护管理接口是电信管理网与电信网各部分的标准接口。接入网也是经 Q3 接口与电信管理网(TMN)相连，以方便 TMN 管理功能的实施。4接入网的分类 根据宽带接入网采用的传输媒介和传输技术的不同，接入网可分为宽带有线接入网和宽带无线接入网两大类。宽带有线接入网技术主要包括：基于双绞线的 xDSL 技术、基于 HFC 网(光纤和同轴电缆混合网)的Cable Modem 技术、光纤接入网技术等。宽带无线接入网技术主要包括：3.5 GHz 固定无线接入、LMDS 等。9-1-4V5 接口 1.V5 接口概述 V5 的概念最初由美国 Bellcore（贝尔实验室）提出，它是专为接入网的发展而提出的本地交换机(LE)和接入网之间的新型数字接口，属于 SNIX 畴。20 世纪 90 年代初，随着通信网的数字化，业务的综合化，以及光纤和数字用户传输系统大量引入，要求 LE 提供数字用户接入的能力。而 ITU-T已经定义的 V1V4 接口都不够标准化，很难满足应用中的实际需求。V5 接口正是为了适应接入网 X 围内多种传输媒介、多种接入配置、多种业务并存的情况而提出的，根据速率的不同，V5 接口分为 V5.1 和 V5.2 接口。由于这一新接口规 X 的重要性和迫切性，ITU-T 第 13 组于 1994 年以加速程序分别通过了 V5.1接口的 G.964 建议和 V5.2 接口的 G.965 建议。与 V5 接口相关的标准还涉及 V5.1 和 V5.2 接口的测试规 X、具有 V5 接口的 AN/LE 设备的配置管理、故障管理和性能管理等方面。206/23 我国则在 ITU-T 的 V5 接口技术规 X 基础上，于 1996 年完成了相应的 V5.1 和 V5.2 接口技术规 X的制定，并根据我国电信网络的现状，明确了部分可选参数，指明了适用于我国的 PSTN 协议消息和协议数据单元，并提供适合我国国情的 V5 接口国内 PSTN 协议映射规 X 技术要求。如果 AN-SNI 侧和 SN-SNI 侧不在同一地方，则可以使用 V5 接口来实现透明的远端连接。V5 接口协议规定了接入网和 LE 之间互联的信号物理标准、呼叫控制信息传递协议，使得 PSTN/ISDN 用户端口终止于接入网而不是 LE。通过 V5 接口接入网只需要完成对用户端业务的提供，呼叫控制功能仍然留给 LE 完成。这样就各司其职、独立发展，有助于不同网间互联。V5 接口主要的优点如下：(1)支持接入网通过复用/分路手段实现对大量用户信令和业务流更有效的传输；(2)支持通过 Q3 接口对接入网进行网络管理；(3)支持对接入网的资源管理和维护；(4)支持用户选择 LE；(5)充分有效地利用网络带宽资源。2.V5 接口支持的业务 V5 接口的现行标准有 V5.1 和 V5.2 两个，二者的区别如下：V5.1 接口由一条 2.048 Mb/s 的链路构成，一般在连接小规模的接入网时使用，时隙与业务端口一一对应，不支持集线功能，不支持用户端口的 ISDN 基群速率接入，也没有通信链路保护功能。V5.2 接口按需可以由 116 个 2.048 Mb/s 链路构成，用于中大规模的接入网连接。它支持集线功能、时隙动态分配、用户端口的 ISDN 基群速率接入，可以使用大于 E1 速率的链路(最高 16 个 E1速率)；V5.2 接口能使用承载通路连接(BCC)协议以允许 LE 向接入网发出请求，并完成接入网用户端口和 V5 接口指定时隙间的连接建立和释放，提供专门的保护协议进行通信链路保护。V5.1 接口可以看成 V5.2 接口的子集，V5.1 接口可以升级为 V5.2 接口。（1）PSTN 业务 V5 接口既支持单个模拟用户的接入，又支持用户小交换机（PABX）的接入，其中用户信令可以是双音多频信号也可以是线路状态信号，二者均对用户附加业务没有影响。在使用PABX的情况下，支持用户直接拨入功能。（2）ISDN业务 V5.1接口支持ISDN-BRI（2B+D，即144kb/s速度）接入，而V5.2接口既支持ISDN-BRI接入，又支持 ISDN-PRI（3B+D，即 2048kb/s 速度）接入。B 通道和 D 通道的承载业务、分组业务和补充业务均不受限制。但 V5 接口不直接支持低于 64 kb/s 的通道速率。（3）专线业务专线包括永久租用线、半永久租用线和永久线路(PL)，可以是模拟用户，也可以是数字用户。半永久租用线路通过 V5 接口，可以使用 ISDN 中的一个或两个 B 通道，而永久租用线和永久线路则旁路 V5 接口。用户电路复用模拟数字 BRI接入网一个 2.048 Mb/s 链路AN 侧 SNI用户电路线路集中模拟数字 PRI数字 BRILE本地交换机LE 侧 SNI(a)LE多个 2.048 Mb/s 链路(116)(b)207/23 图 9.5 V5 接口连接示意图(a)V5.1 接口；(b)V5.2 接口 9-2 宽带铜线电缆接入技术 9-2-1 ADSL 接入网技术 1 系统介绍 到目前为止，全球电信运营商的用户有 70%以上，仍然是通过双绞线电缆接入电信网络的，这部分的总投资达数千亿美元。在“光纤到户”技术（FTTH）短期内还无法完全实现的情况下，开发基于双绞线电缆的宽带接入技术，既可以延长原有双绞线铜缆的寿命，又可以降低接入网的系统建设成本，对电信运营商和用户都极有吸引力。习惯上将各种基于双绞线电缆的宽带接入技术统称为 xDSL,其中 ADSL 技术是目前最有活力的一种宽带接入技术，是大多数传统电信运营商从铜线接入到宽带光纤接入的首选过渡技术。非对称数字用户线接入技术(ADSL：Asymmetric Digital Subscriber Line)的提出最初是为了支持基于 ATM 的 VOD 视频点播业务。20 世纪 80 年代末，电信界内认为 VOD 是未来宽带网上的主要应用之一，当时电信网入户的线路资源主要是双绞线电缆，在这种条件下人们自然想到利用双绞线开发宽带接入技术。由于 VOD 信息流具有上下行不对称的特点，而普通双绞线的传输能力又毕竟有限，为了把这有限的传输能力尽可能地用于视频信号的传输，因此，这种服务于 VOD 的宽带接入技术，应具备上下行不对称的传输能力，即下行速率传输视频流远大于上行速率传输点播命令。自 20 世纪 80年代末期 ADSL 技术出现后，曾经一度沉寂。直到 20 世纪 90 年代中后期（我国是自 2000 年之后），互联网 Internet 的应用由专业领域走向大众化，并且戏剧性地飞速增长，彻底打乱了电信行业既定的“以 ATM 技术为主流”的发展方向；互联网上的信息量急剧膨胀，使得传统的窄带接入难以满足大量信息传送的要求，ADSL 作为一种宽带接入技术其传输特点恰好与个人用户和小型企事业用户信息流的特征一致，即下行的带宽远高于上行。这样借助于 Internet 互联网的发展，ADSL 技术不但起死回生，而且从此大规模走向市场，成为目前电信行业的一种主流的宽带接入技术，特别是随着新一代 ADSL（ADSL2+/VDSL2 接入技术）技术的开发应用，为该系列技术的应用打开了新的大门。2工作原理及接入参考模型 ADSL 技术是一种以普通双绞线作为传输媒介，实现高速数据接入的一种技术。其最远传输距离可达45 km，下行传输速率理论值最高可达 68 Mb/s，上行最高 768 kb/s，因而传输速度比传统的 56 kb/s模拟调制解调器快 100 多倍，这也是传统的电信窄带 ISDN（传输速率 128 kb/s）接入系统所无法比拟的。为实现普通双绞线上互不干扰的同时执行业务与高速数据传输，ADSL 采用 FDM(频分复用)和离散多音调制(DMT：Discrete Multitone)技术。208/23 传统通信目前仅利用了双绞线 20 kHz 以下的传输频带，20 kHz 以上频带的传输能力处于空闲状态。ADSL 采用频分复用（FDM）技术，将双绞线电缆上的可用频带划分为三部分：其中，上行信道频带为 25138 kHz，主要用于发送数据和控制信息；下行信道频带为 1381104 kHz；传统话音业务仍然占用 20 kHz 以下的低频段。就是采用这种方式，利用双绞线的空闲频带，ADSL 才实现了全双工数据通信，如图 9.6 所示。图 9.6 ADSL 频谱安排参考方案示意图 另外为提高频带利用率，ADSL 将这些可用频带又分为一个个子信道，每个子信道的频宽为 4.315 kHz。根据信道的性能，输入数据可以“自适应地”分配到每个子信道上。每个子信道上调制数据信号的效率由该子信道在双绞线中的传输效果决定，背景噪声低、串音小、衰耗低，调制效率就越高，传输效果越好，传输的比特数也就越多。反之调制效率越低、传输的比特数也就越少。这就是 DMT调制技术。如果某个子信道上背景干扰或串音信号太强，ADSL 系统则可以关掉这个子信道，因此ADSL 有较强的适应性，可根据传输环境的好坏而改变传输速率。ADSL 下行传输速率最高 68 Mb/s，上行最高 768 kb/s，这种最高传输速率只有在线路条件非常理想的情况下才能达到。在实际应用中，由于受到线路长度背景噪声和串音的影响，一般 ADSL 很难达到这个速率。基于ADSL技术的宽带接入网主要由局端设备和用户端设备组成：局端设备(DSLAM：DSL Access Multiplexer)、用户端设备、话音分离器、网管系统。局端设备与用户端设备完成 ADSL 频带的传输、调制解调，局端设备还完成多路 ADSL 信号的复用，并与骨干网相连。话音分离器是无源器件，停电期间普通可照样工作，它由高通和低通滤波器组成，其作用是将 ADSL 频带信号与话音频带信号合路与分路。这样，ADSL 的高速数据业务与话音业务就可以互不干扰。3应用领域及不足 现在 ADSL 的应用领域主要是个人住宅用户的 Internet 接入，也可用于远端 LAN、小型办公室/企业Internet 接入等。其主要的缺点是：带宽（传输速率）仍嫌不够快。图 9.7 ADSL 系统接入参考模型示意图 9-2-2 新一代 ADSL2+/VDSL2 接入技术 1 ADSL2+接入技术 随着 ADSL 技术在全球 X 围的大规模推广以及针对于 DSL 技术的应用和服务的不断推出，第二代 ADSL 技术标准由 ITUT 于 2003 年 1 月通过的“ADSL2（G.992.5）”推出，它在第一代 ADSL传统电话业务上行信道下行信道20 251381104kHzInternetDSLAM话音分离器双绞线话音分离器PSTNSNI网管系统Z接口ADSL ModemCPEZ接口TelephoneUNI209/23（G.992.1）的标准基础上进行了全面的、较大的改进，主要是将频谱 X 围从.扩展至，相应地，最大子载波数目也由增加至，如下页图 9.8 所示。它支持的净数据速率最小下行速率可达 25bs，上行速率可达。打破了接入方式带宽限制的瓶颈，使其应用 X 围更加广阔。的传送模式在标准规定的（异步传送模式）和（同步传送模式）的基础上，增加了（分组传送模式），能够更高效率地传送日益增长的以太网业务。标准中还增加了话音、全数字模式等方面的规 X，即在没有业务时用该话带传送数据，这样可增加的上行带宽；定义了更灵活的帧结构以支持四种延迟通道、四个承载信道，支持对误码和时延的配置。与相比，在技术和应用上都取得了突破。第一，传统的系统能提供的最大下行速率为；而通过频谱的扩展，实现从到的频率分布，实现个子载频，最大下行速率至少可以达到/，可以在较宽松的距离内轻松提供如视频、视频会议等宽带业务。图 9.8 ADSL2+制式频谱安排方案示意图 第二，传统的系统最大覆盖 X 围约为，如果线路有损伤、噪音干扰，那么覆盖的 X 围就更小，严重限制了用户的接入能力。而采用增强的调制方式和无缝速率适配，可以更好地降低线路噪声对信号的影响，可将覆盖距离延伸至左右，能接入的用户数量大大提高。第三，传统的系统在业务开通前或业务运行期间无法对线路的参数进行监测，对线路是否能开通业务或发生故障时判断故障点无能为力；而具有强大的线路诊断能力，整个系统的线路质量评测和故障定位功能比从前有了很大改善，使业务变得更加容易管理和维护。相当一段时间内，都将是宽带接入的主流方式，而凭借其技术上的领先性，必将延续的既有地位成为市场应用主流。以下的案例也说明具有广泛的应用前景。年 XXXX 电信公司升级了 ADSL2+设备后，对于许多远距离无法接入的用户进行了覆盖。使公里以内的用户实现稳定上网，在.公里的情况下，同步速率达到/；在公里的情况下，同步速率超过/。同时将设备适用频带从.扩展到.，有效的减小了线间串扰，提高了综合出线率。目前新一代 ADSL 设备均采用 ADSL2+设备接入用户。2.VDSL2 接入技术 通道 210/23 为了进一步推动宽带接入网的技术发展，ITUT 于 2005 年 5 月推出了“VDSL2（G.993.2）”标准，VDSL2 是迄今为止最新、最先进的 xDSL 宽带铜线电缆通信标准；能够在短距离（350M）X围内提供高达 100Mb/s 的上下对称数据速率，也可以在 1.21.5 公里距离内提供全双工 30Mb/s 的超高数据速率；因而 VDSL2 标准支持语音、视频、数据、HDTV 和互动游戏等三重(triple-play)业务的广泛部署，可以帮助通信公司逐步、灵活和节省成本地升级现有的 xDSL 基础架构。业界首个与该标准完全兼容的是英飞凌半导体公司的“VINAX”VDSL2 芯片组，于标准颁布的次日（2005-05-28）即宣布研发成功。VDSL2 仍使用 DMT 线路编码，与 ADSL 系列标准完全兼容，子载波数目也由512 个增加至最大4,096 个；新的 VDSL2 解决方案既可以满足 VDSL2、也可以满足 ADSL/2+设备的要求。因此使用者只需使用一种技术就能平滑、逐步和高效地将现有网络升级到 VDSL2，并允许他们用单个网络覆盖所有 xDSL 业务应用；因而形成了接入系统在 0.6km 内使用 VDSL2 标准，在 13kmX 围使用 ADSL2+标准，而在 3km 以上使用 ADSL 标准的铜线电缆接入网通信格局。同时用户仍可以继续使用 ADSL MODEM，想升级带宽，接收先进的通信三重业务时，只需简单地升级他们的用户端设备(CPE)就可以了。这实现了更低的设施和维护成本以及到 VDSL2 的无缝（软件）升级。9-3 宽带光纤接入技术 9-3-1 概述 1系统介绍 光纤接入网指采用光纤传输技术的接入网，一般指本地交换机与用户之间采用光纤或部分采用光纤通信的接入系统。按照用户端的光网络单元(ONU)放置的位置不同又划分为 FTTC(光纤到路边)、FTTB(光纤到大楼)、FTTH(光纤到户)等等。因此光纤接入网又称为 FTTx 接入网。光纤接入网的产生，一方面是由于互联网的飞速发展催生了市场迫切的宽带需求，另一方面得益于光纤技术的成熟和设备成本的下降，这些因素使得光纤技术的应用从广域网延伸到接入网成为可能，目前基于 FTTx 的接入网已成为宽带接入网络的研究、开发和标准化的重点，并已成为主要的通信接入网推广技术。2 光纤接入网的参考配置 光纤接入网一般由局端的光线路终端(OLT)、用户端的光网络单元(ONU)、以及光配线网(ODN)和光纤组成，其结构如图 9.9 所示。OLT：具有光电转换、传输复用、数字交叉连接及管理维护等功能，实现接入网到 SN 的连接。ONU：具有光电转换、传输复用等功能，实现与用户端设备的连接。ODN：具有光功率分配、复用/分路、滤波等功能，它为 OLT 和 ONU 提供传输手段。图 9.9 光纤接入网的参考配置示意图 3 光接入网的类型 按照 ODN 采用的技术光网络可分为两类：有源光网络(AON：Active Optical Network)和无源光网络(PON：Passive Optical Network)。有源光网络(AON)：指光配线网 ODN 含有有源器件(电子器件、电子电源)的光网络，该技术主要用于长SNV 参考点OLTODNONUONUa 参考点T 参考点SNI网管系统R/S(光发送/接收参考点)R/S(光发送/接收参考点)UNIAF211/23 途骨干传送网。无源光网络(PON)：指 ODN 不含有任何电子器件及电子电源，ODN 全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。但在光纤接入网中，OLT 及 ONU 仍是有源的。由于 PON 具有可避免电磁和雷电影响，设备投资和维护成本低的优点，是目前以及将来光纤接入网的主要技术形式。图 9.10所示是 PON 的一般结构。图 9.10 PON 的接入结构示意图 4光纤接入网的特点 光纤接入网具有容量大，损耗低，防电磁能力强等优点，随着技术的进步，其成本最终可以肯定也会低于铜线接入技术。但就目前而言，成本仍然是主要障碍，因此在光纤接入网实现中，ODN 设备主要采用无源光器件，网络结构主要采用点到多点方式，具体的实现技术主要有三种：基于 ATM 技术的 APON 和基于计算机局域网千兆以太网（Ethernet）技术的 GEPON 和目前的新技术 GPON。9-3-2APON 接入技术 1系统介绍 ATM 与 PON 技术相结合的 APON 光纤接入技术，最初由 FSAN 集团(Full Service Access Network Group)于 1995 年提出，它被认为是一个理想的解决方案，因为 PON 可以提供理论上无限的带宽，并降低了接入设备的复杂度和成本，而 ATM 技术当时是公认的提供综合业务的最佳方式，并保证 QoS。APON 的 ITU-T 的相关标准是 G.983。基于 APON 的光纤接入网，是指在 OLT 与 ONU 之间的 ODN 中采用 ATM PON 技术。APON 的主要设备包括局端的 OLT、用户端的 ONU、位于 ODN 的无源光分路器，以及光纤。其结构上的主要特点是：（1）无源光分路器与 ONU 之间构成点对多点的结构(目前典型的是 1：64)，使得多个用户可以共享一根光纤的带宽，以降低接入成本和设备复杂度。ONUONUInternetPSTNATM/FROLTSNIPONSplitterFTTHFTTBSplitterSplitterONUNTFTTC1ONU1TE2ONU2TE3ONU3TE123123123123无 源 光 分 路 器53 字 节 ATM 信 元下 行 信 道:1550nm,TDMOLT1ONU1TE2ONU2TE3ONU3TE213123无 源 光 分 路 器上 行 信 道:1310nm,TDMAOLT212/23 图 9.11 APON 工作原理示意图（2）采用 ATM 传输技术，即 OLT 与 ONU 之间通过 VPI/VCI，直接将 53 字节的 ATM 信元组，转换成光信号传递。2工作原理 为在一根光纤上实现全双工通信，APON 的下行数据信道使用 1550 nm 波长，当来自外部网络的数据到达 OLT 时，OLT 采用“广播式-时分复用(TDM)”方式将数据交换至无源光“分路器”，后者简单地采用“广播方式”将下行的 ATM 信元传给每一个 ONU，每个 ONU 根据业务建立时 OLT 分配的 28 bit 的 VPI/VCI 进行 ATM 信元解码过滤，仅接收属于自己的信元。APON 的上行数据信道使用 1310nm 波长，采用“传输时隙分配（TDMA）”方式实现多址接入。由于用户端 ONU 产生信号是“突发”模式，而不同 ONU 发出的信号是沿不同路径传输的，通常由 OLT首先测试到 ONU 的距离，测距的目的是补偿 ONU 到 OLT 之间的距离不同而引起的传输时延差异，根据 ONU 到 OLT 的距离，OLT 为 ONU 分配一个合适的时隙，以保证 ONU 之间发送数据时相互不冲突，然后通过 PLOAM 信元分配一个特定的传输时隙，通知 ONU。随后 ONU 必须在指定的时隙内完成光信号的上传发送。3技术应用 ATM 化的无源光网络/宽带无源光网络（APON/BPON）可以利用 ATM 的集中和统计复用功能，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使性能价格比有很大改进，目前在美国和日本等国已经开始商用，在日本已经敷设了约 50 万线。然而，目前实际 APON/BPON 的业务适配提供却很复杂，业务提供能力有限，数据传送速率和效率不高，成本较高，其市场前景由于 ATM 的衰落而变得很不确定。从长远的业务发展趋势看，APON的可用带宽仍然不够。以 FTTC 为例，尽管典型主干下行速率可达 622 Mbit/s，但分路后实际可分到每个用户的带宽将大大减小。按 32 路计算，每一个分支的可用带宽仅剩 19.5 Mbit/s，再按 10 个用户共享计算，则每个用户仅能分到约 2 Mbit/s。显然，这样的性能价格比无法满足网络和业务的长远发展需要。由于我国高速互联网接入开展的时间较晚，该项技术主要是在欧美等信息技术发达国家使用，我国通信接入网领域基本未开展此项技术。9-3-3 以太网无源光网络(EPON)接入技术 1系统介绍 EPON 是 Ethernet PON 的简写，它是在 ITU-T G.983 APON 标准的基础上，由 IEEE 802.3ah 工作组制定的 Ethernet PON(EPON)标准。近年来，由于千兆比特 Ethernet 技术的成熟，和将来 10G 比特Ethernet 标准的推出，以及 Ethernet 对 IP 天然的适应性，使得原来传统的局域网交换技术逐渐扩展到广域网和城域网中。目前越来越多的骨干网采用千兆比特 IP 路由交换机构建，另一方面，Ethernet在 CPN 中也占据了绝对的统治地位，将 ATM 延伸到 PC 桌面已肯定不可能了。在这种背景下，接入网中采用 APON，其技术复杂、成本高，而且由于要在 WAN/LAN 之间进行 ATM 与 IP 协议的转换，1ONUTE2ONUTE3ONUTE123123123123无源光分路器可变长分组，IEEE 802.3 帧格式OLT1ONUTE2ONUTE3ONUTE213123无源光分路器OLT213/23 实现的效率也不高。在接入网中用 Ethernet 取代 ATM，符合未来骨干网 IP 化的发展趋势，最终形成从骨干网、城域网、接入网到局域网全部基于 IP、WDM、Ethernet 来实现综合业务宽带网。图 9.12 EPON 工作原理示意图 2工作原理 EPON 与 APON 关键的区别在于：EPON 中数据传输采用 IEEE 802.3 Ethernet（以太网）的帧格式，其分组长度可变，最大为 1518 字节；APON 中采用标准的 ATM 53 字节的固定长分组格式。由于 IP 分组也是可变长的，最大长度为 65 535 字节，这就意味着 EPON 承载 IP 数据流的效率高、开销小。在 EPON 中，OLT 到 ONU 的下行数据流采用广播方式发送，OLT 将来自骨干网的数据转换成可变长的 IEEE 802.3 Ethernet 帧格式，发往 ODN,光分路器以广播方式将所有帧发给每一个 ONU，ONU 根据 Ethernet 帧头中 ONU 标识接收属于自己的信息，其工作原理见上图 8.12。ONU 到 OLT 的上行数据流采用时分复用（TDMA）发送，与 APON 相同，OLT 为每个 ONU 分配一个时隙，周期是 2 ms。EPON 采用双波长方式实现单纤上的全双工通信，下行信道使用 1510 nm波长，上行信道使用 1310 nm 波长。目前相关的标准主要由 IEEE 的 EFM 研究组进行制定。9-3-4 千兆无源光网络(GPON)接入技术 1系统介绍 GPON 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 X 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。GPON(Gigabit-Capable PON)最早由 FSAN 组织于 2002 年 9 月提出，ITU-T 在此基础上于 2003 年 3 月完成了 ITU-T G.984.1 和 G.984.2 的制定，2004 年 2 月和 6 月完成了 G.984.3 的标准化。从而最终形成了 GPON 的标准协议族。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(光线路终端)，用户端的 ONT/ONU(光网络终端或称作光网络单元)，连接前两种设备由单模光纤(SM fiber)和无源分光器(Splitter)组成的 ODN(光分配网络)以及网管系统组成。基本结构仍如图 9.12 所示。2 工作原理 对于其他的 PON 标准而言，GPON 标准提供了前所未有的高带宽，下行速率高达 2.5Gb/s，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场。提供 QoS 的全业务保障，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。承载 GEM 帧时，可以将 TDM 业务映射到 GEM 帧中，使用标准的 8kHz(125s)帧能够直接提供时分复用（TDMA）业务。作为电信级的技术标准，GPON 还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的光传输监控管理(OAM)功能。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)、各类专线通信(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。GPON 技术允许运营商应根据各自的市场潜力和特定的管制环境，有针对性地提供用户所需要的特殊业务。9-