《现代通信网及其关键技术》基于pon技术的光纤接入网.ppt

现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术基于PON技术的光纤接入网 PON（无源光网络）技术：具有高带宽、广覆盖、单纤接入、接口丰富及综合业务接入能力等优点。一根光纤可以提供语音、数据和视频业务。光纤本身的高稳定性，有效地降低运维成本，可以实现接入网建设的”一劳永逸“现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术8.5.3 ATM 无源光网络（APON）和和窄窄带带PONPON样样，宽宽带带时时分分复复用用无无源源光光网网络络（TDM TDM PONPON）也也是是一一种种基基带带广广播播系系统统。不不同同的的是是它它除除了了基基于于专专用用时时隙隙的的系系统统外外，还还有有一一种种基基于于ATMATM的的PONPON系统（系统（APONAPON）。）。APONAPON与与BISDNBISDN核核心心网网同同样样采采用用了了ATMATM传传送送技技术术，可可以以利利用用SDHSDH帧帧结结构构传传送送各各种种宽宽带带和和窄窄带带业业务务的的信信元元，业业务务节节点点接接口口采采用用STMSTMNN接接口口，这这样样有有利利于于形形成成一一个个一一体体化化的的ATMATM网网，因因此这是一种最有前途的接入网技术。此这是一种最有前途的接入网技术。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术1.AON 的主要特点n(1)APON 系统是一种高质量高带宽的接入传输系统，接入带宽是ADSL 的几十倍甚至上百倍，上行速率可达155.52Mb/s，下行速率亦可达622.08Mb/s，传输距离则可达20km。n 与点到点的SDH 光传输系统相比，它可以节省光纤资源，简化网络规划的复杂性。n(2)APON 系统具有ATM 技术特有的灵活性和业务透明性。除了提供以太网接口以外，系统 还可以提供仿真的电路接口和ATM 接口。n(3)APON 系统具有ATM 技术特有的统计复用功能。在城域网应用方面可以充分利用带宽，达到节约带宽的效果。n(4)APON 系统具备无源光网络(PON)的可靠性和经济性，维护成本低，网络结构和应用环境 灵活，稳定性高，兼容性好。n(5)APON 系统的局端设备体积小，节省空间和电能。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术APONAPON主要优点包括：主要优点包括：无源纯介质的无源纯介质的ODNODN对传输技术体制的透明性，对传输技术体制的透明性，使使APONAPON成为未来光纤到家、光纤到办公室、光纤成为未来光纤到家、光纤到办公室、光纤到大楼的最佳解决方案之一。到大楼的最佳解决方案之一。树型分支结构，多个树型分支结构，多个ONUONU共享光纤介质使系共享光纤介质使系统总成本降低；纯介质网络，彻底避免了电磁和统总成本降低；纯介质网络，彻底避免了电磁和雷电和影响，维护运营成本大大降低。雷电和影响，维护运营成本大大降低。局端至远端用户之间没有有源器件，可靠性较局端至远端用户之间没有有源器件，可靠性较有源有源OANOAN大大提高。大大提高。能适应传统电信业务能适应传统电信业务PSTN/ISDNPSTN/ISDN，具有分配，具有分配视频和交互视频业务（视频和交互视频业务（CATVCATV和和VODVOD）能力。）能力。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 存在一些问题，n 如系统成本太高；n 系统容量和覆盖范围有限，未考虑对窄带业务的支持及与其他技术相结合时需解决引入线的宽带化等一系列问题。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 2 APON 系统结构n APON 是指采用ATM 信元传输方式的PON。n APON 主要由光线路终端（OLT）、光分路器、光网络单元（ONU）和光纤光缆等组成。n APON 系统采用无源星型拓扑结构，分支比可以为1:32，采用OTDM/OTDMA 传输方式，如图 8-30 所示。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术APON采用无源双星拓扑，分路比为1:32。从OLT往ONU传送下行信号时采用TDM技术，ONU传送到OLT的上行信号采用TDMA技术。在上行和下行信号传输时，ATM信元均被组装在一个APON包中。通过给每个APON包加入个比特（用于开销），提供同步及与网络传输相关的功能。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n(1)双工传输方式。n APON 系统所采用的双向传输方式主要有如下两种方式。传输线路的标称速率有两种，即对称速率（）和非对称速率（上行，下行）。n 实现双向传输的方式也有两种，n 一是采用单纤波分复用方式，n 二是采用单向双纤空分复用方式。n APON 系统一般采用波分复用方式及TDM/TDMA 传输复用技术实现单纤双向传输。1)AON 系统的传输方式现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术(2)上下行传输方式。n 在上行和下行信号传输时，ATM 信元均被组装在一个AON时隙中，其中包含8b 开 销，提供同步及与网络传输相关的功能。n 在下行方向上，由ATM 交换机送来的ATM 信元先送给OLT，OLT 将其变为155.52Mb/s 或 的速率，并以广播形式，用1550nm 波长区传送给所有与OLT 相连的ONU，任意一个 ONU 可以根据信元的VCIVPI 选出属于自己的信元传送给用户终端。n 在上行方向上，各个ONU 收集来自用户的信息，并通过1310nm 波长区以155.52Mb/s 的速率，采用突发模式发送数据。n 为防止信元冲突，需要有突发信号的同步功能及时延调整功能，以确保 APON 系统为各种业务提供ATM 标准的接人平台。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术 基于 基于ATM ATM 的 的PON PON 接入网主要由 接入网主要由 光线路终端 光线路终端OLT OLT（局端设备）、光分路器（局端设备）、光分路器（Splitter Splitter）、）、光网络单元 光网络单元ONU ONU（用户端设备）以及光纤传输介质组成。（用户端设备）以及光纤传输介质组成。2)APON 系统的功能单元现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术APON系统结构现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术(1)光线路终端(OLT)n APON-OLT 可以通过VB5 接口与外部网络连接，不过，为了能与现存的各类交换机实现互联，系统也具有向外网络提供现存窄带接日的能力，如V5 接口等。n OLT 和ONU 通过ODN 在业务网络 接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间提供透明的ATM 传输业务。n OLT 由业务接口、ATM 交叉连 接、ODN 接口、OAM 和供电模块构成。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术OLT功能块业务接口模块:实现系统不同类型的业务节点接入，如PSTN、ATM 交换机、VOD 服务器及因 特网服务器等。这主要是通过VB5.x 或接口实现。该功能模块将ATM 信元插入上行的SDH 净负荷区，也能够从下行的SDH 净负荷区中提取ATM 信元。VB5 接口的速率可以是SDH 的STM 一 1(155.52Mb/s)、STM-4(622.08Mb/s)。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n ATM 交叉连接模块:n ATM 交叉连接模块是一个无阻塞的ATM 信元交换模块，n 主要实现多个 信道的交换、信元的路由、信元的复制及错误信元的丢弃等功能。n ODN 接口模块:n 每个ODN 接口模块驱动一个PON，接口模块数的数量由所支持用户数的数 量来确定。n 主要功能分别是:与ONU 一起实现测距功能，并且将测得的定距数据存储，以便在电源 或者光中断后重新启动ONU 时恢复正常工作;n 从电到光变换下行帧;n 从光到电变换上行帧;n 从突发 的上行光信号数据中恢复时钟;n 提取上行帧中的ATM 信元和插入ATM 信元至下行帧;n 给用户信息 提供一定的加密保护;n 通过MAC 协议给用户动态地分配带宽。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n OAM 模块:n OAM 模块对OLT 的所有功能块提供操作、管理和维护手段，如配置管理、故障管 理、性能管理等;也提供标准接口(Q3 接口)与TMN 相连。n 供电功能模块:n 将外部电源变换策划能够所要求的机内各种电压现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术(2)光分配网络(ODN)n ODN 在OLT 和一个或多个ONU 之间提供一条或多条光信道。n ODN 为OLT 和ONU 之间的物理连接提供光传输介质，它主要包括单模光纤和光缆、光连接器、无源光分支器件、无源光衰减器、光纤接头等无源光器件。n 根据ITU-T 的建议，系统中一个ODN 的 分支比最高能达到1:32，即一个ODN 最多支持32 个ONU;光纤的最大距离为20km，光功率损耗为 10dB-25dB。n 根据系统所支持用户群的大小，OLT 能够提供多个ODN 接口以满足用户群多ONU(32)的需求。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术(3)光网络单元(OND)n OND 实现与ODN 之间的接口及接入网用户侧的接口功能。n OND 主要由ODN 接口功能模块、用户端口功能模块、业务传输复用/解复用模块、供电功能模块和OAM 功能模块等组成。n 现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术ONU功能块n ODN 接口功能模块:n 实现光/电、电/光变换功能;从下行PON 帧中抽取ATM 信元和向上行 PON 插入ATM 信元的功能;与OLT 一起完成测距功能;n 在OLT 的控制下调整发送光功率;n 当与OLT 通信中断时，则切断OND 光发送，以减小该OND 对其他OND 通信的串扰。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 用户端口功能模块:n 提供各类用户接口，并且将其适配为ATM 信元。用户接口单元采用 模块化设计使系统支持现存的各类业务;n 通过添加新模块可方便地升级，以满足未来新业务 要求。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 业务传输复用/解复用模块:n 将来自不同用户的信元进行组装、拆卸以便和各种不同的业务 接口端相连，并复用至ODN 接口模块;n 将ODN 接口模块的下行信元进行解复用至各个用户端。n 供电功能模块:n 主要提供ONU 电源，可以是本地交流供电，也可以是直流远供。ONU 在备用 电池供电的情况下也能够正常工作。n OAM 功能模块:n 对ONU 所有的功能块提供操作、管理和维护。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术3.APON 关键技术 由于APON系统在下行方向以TDM方式工作，可使用标准SDH光接口，因此，实现起来很容易。APON系统在上行方向，PON的ODN实际上是共享传输介质，需要接入控制才能保证各个ONU的上行信号完整地到达OLT。通常采用TDMA的上行接入控制，APON的接入复用是在时域实现的，上行信号为TDMA方式，信号是“突发”模式。就是说上行信号是突发的、幅度不等的、长度也不同的脉冲串，并且间隔时间也不相同。由于是突发模式，APON系统在物理层传输上需要解决几个技术难点。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 为了防止ATM 信元发生碰撞，OLT 需要引入测距功能，来补偿因为ONU 与OLT 之间的距离不同而引起的传输时延差异，使所有ONU 到OLT 的逻辑距离相同，以确保不同ONU 所发出的信号能够在OLT 处准确地复用。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术（1）测距方法。从各节点发出的ATM 信元传输路径不同，到达接收机也是不同步的。只有各ONU 到OLT 的连接距离相等，才能防止ATM 信元在OLT 处发生碰撞。实际线路中的各ONU 到OLT 距离是无法实现相等的。测距的目的是补偿因ONU 与OLT 之间的距离不同而引起的传输时延差异，使所有ONU 到OLT 的逻辑距离相同。目前，实现测距的方法有扩频法测距、带外法测距和带内开窗测距。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术（2）突发模式同步技术。不管采用哪种测距方法，总是受到测距精度限制。在采用的测距机制控制ONU 的上行发送后，上行信号还是有一定的相位漂移。在上行帧的每个时隙里有字节开销，保护时间用于防止微小的相位漂移损害信号，前导字节则用于同步获取。OLT 在接收上行帧时，搜索前导字节，并以此快速获取码流的相应信息，达到比特同步；然后根据定界符确定ATM 信元的边界，完成字节同步。OLT 在收到ONU 上行突发的前几个比特内实现比特同步，才能恢复ONU 的信号。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术（2）突发模式同步技术 同步获取可以通过将收到的码流与特定的比特图案进行相关运算来实现。一般的滑动搜索方法延时太大，不适用于快速比特同步。可以采用并行的滑动相关搜索方法，将收到的信号用不同相位的时钟进行采样，采样结果同时（并行）与同步比特图案进行相关运算，并比较运算结果。在相关系数大于某个门限时将最大值对应的取样信号作为输出，并把该相位的时钟作为最佳时钟源；如果多个相关值相等，则可以取相位居中的信号和时钟。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术（3）突发信号的收发。在使用TDMA 传输的上行接入中，各个ONU 必须在指定的时间区间内完成光信号的发送，以免与其他信号发生冲突。为了实现突发模式，在收发端要采用特别的技术。光突发发送电路要求能够快速地开启和关断，迅速建立信号，传统的电光转换模块中采用的加反馈自动功率控制不适用了，需要使用响应速度更快的激光器。在接收端，由于来自各个用户的信号光功率不同且是变化的，所以突发接收电路必须在每收到新的信号时调整接收电平（门限）。调整工作通过APON 系统中的时隙前置比特实现。突发模式前置放大器的阈值调整电路可以在几个比特内迅速建立起阈值，接收电路根据这个门限正确恢复数据。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 8.3.6 以太无源光网络（EPON）n 把简单经济的以太技术与PON 的传输结构结合起来的 Ethernet over PON 概念，自2000 年开始引起技术界和网络运营商的广泛重视。n EPON 是几种最佳的技术和网络结构的结合。EPON 采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。n EPON 不需任何复杂的协议，光信号就能精确传送到终端用户，来自终端用户的数据也能被集中传送到中心网络。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术 EFON是以太网（Ethernet）和无源光网络（PON）两种技术相结合的产物。在无源光网络体系架构的基础上，定义了一种新的、应用于EPON系统的物理层(主要是光接口)规范和扩展的以太网数据链路层协议，以实现在点到多点的PON中以太网帧的TDM接入。此外，EPON还定义了一种运行、维护和管理(OAM)机制，以实现必要的运行管理和维护功能。EPON和APON的主要区别是:EPON采用协议，支持可变长度的数据帧，最长可为 1518B;而APON采用ATM协议，支持53B固定长度信元。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 基于以太网的EPON 宽带接入网不同于 传统的以太网技术，它仅采用了以太网的帧结构和接口O与APON 相比，EPON 能提供更大的带宽 和更低的用户设备成本。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术1.EPON 的主要特点n(1)高带宽。上/下行速率可高达1 25 Gb/s，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享 带宽，上行利用时分复用(TDMA)共享带宽。高速宽带可以充分满足接入网客户的带宽需求，并可 方便灵活地根据用户需求的变化动态分配带宽.n(2)低成本。由于采用PON 结构，使EPON 网络中减少了大量的光纤和光器件投资及维护成 本。同时，廉价的以太网路由器、交换设备和安装维护方便等，使EPON 具有极大的推广价值。n(3)易兼容。各个厂家生产的EPON 网络设备易互联互通。由于EPON 采用以太网的传输协 议，与主流的用户局域网/驻地网技术相同，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带 来的成本因素.现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n(4)省投资。采用单纤波分复用技术，仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20km。n 在 ONU 侧通过光分路器分送给最多32 个用户，因此可大大降低OLT 和主干光纤的成本压力。n(5)易升级。采用点对多点的结构，只需增加ONU 数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统 进行扩容升级，充分保护运营商的技资。n(6)多业务。EPON 具有同时传输TDMIP 数据和视频广播的能力，其中TDM 和IP 数据采用 以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 3.网络结构n EPON 位于业务网络接口到用户网络接口间，通过SNI 与业务节点相连，通过UNI 与用户设备相连。EPON 主要分成三部分，即光线路终端（OLT），光配线网络（ODN）和光网络单元/光网络终端（ONU/ONT）组成。n 其中OLT 位于局端，ONU/ONT 位于用户端。OLT 到ONU/ONT 的方向为下行方向，反之为上行方向。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术EPON接入网结构现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术EPON技术的基本网络结构现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 4.EPON传输原理及帧结构n EPON 和APON 的主要区别是：n 在EPON 中，根据以太网协议，传送的是可变长度的数据包，最长可为1518 个字节；n 在APON 中，根据ATM 协议的规定，传送的是包含48个字节净负荷和5 字节信头的53 字节固定长度信元。n 在EPON 中，OLT 传送下行数据到多个ONU，完全不同于从多个ONU 上行传送数据到OLT。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术EPON 上行信息流汇集现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n EPON 上行帧结构及其组成的过程。n 每个ONU 有一个TDM 控制器，它与OLT 的定时信息一起，控制上行数据包的发送时刻，以避免复合时相互间发生碰撞和冲突。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术EPON 上行帧结构现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术EPON 上行帧的组成过程现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 5.EPON 的关键技术n 由于EPON 采用OTDMA 协议作为上行传输方式，因此同样需要解决测距和时延补偿、突发同步 和动态接收等问题，同时还要解决如下技术问题。n 1)突发同步n 由于突发模式的光信号来自不同的端点，所以可能导致光信号的偏差，消除这种微小偏差的措施是采用突发同频技术。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 2)大动态范围光功率接收n 由于EPON 上各个ONU 到OLT 的距离各不相同，所以各个ONU 到OLT 的路径传输损耗也互不相同，当各个ONU 发送光功率相同时，到达OLT 后的光功率互不相同。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 3)测距和ONU 数据发送时刻控制n 由于光信号来自远近不同的光网络单元（ONU），所以可能产生相应的信号冲突，通过距离修正的技术就可以消除这种冲突。n 现在，无论是长距离的核心传输网络，还是城域接入网汇聚层部分，数字通信技术已经从ATM 为中心，逐渐转移到以IP 为基础的视频、音频和数据通信了。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 4)带宽分配n EPON 分配给每个OND 的上行接入带宽由OLT控制决定。n 带宽分配与分配给OND 的窗口大 小和上行传输速率有关。n 带宽分配又分静态和动态两种，静态带宽由开窗口尺寸决定;动态带宽根 据OND 的需要，由OLT 分配决定。n 5)实时业务传输质量n 传输实时语音和视频业务要求传输延迟时间既恒定又很小，时延抖动也要小。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 6)安全性和可靠性n EPON 下行信号以广播方式发送，任何一个OND可以接收到OLT 发送给所有OND 的信息，这 就必须对发送给每个OND 的下行信号单独进行加密。n OLT 可以定时地发出命令，要求OND 更新自 己的密钥，OLT 就利用每个OND 发送来的新密钥对发送给该OND 的数据信元进行搅动加密，保证 每个OND 从接收所有OND 的信息中，按照自己的密钥译出属于自己的信息，使下行信息安全地到 达目的地，以保护每个OND 的隐私。n 为了防止有的OND 对不属于自己的信息采用逐个试探的方法现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术EPON的应用模式 a)多用于网吧接入 b)数字监控系统的信号接入 c)农村信息化提供接入平台 d)运营商在FTTH中的应用现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术8.3.7 GPON技术n GPON技术特点n GPON 设计了新的TC（传输汇聚）子层，该子层完成对高层多样性业务的适配和多路复用。n GPON 采用了125 s 定长的帧结构，每秒8 千帧。n 一个TC 帧可包含多个ATM 信元和/或GEM 帧。n GEM（GPON Encapsulation Method）是GPON技术优势的集中体现，它是GFP 的简单变种。n GPON 引入了Port ID。n 在ONU 的一个业务端口看来，它存在着与OLT 的一个点到点的连接，由Port ID 标识。n GPON 的很多技术规范借鉴BPON。现代通信网第 第 8 8 章宽带接入网技术 章宽带接入网技术n 优点：多业务支持：与TDM 业务无缝对接速率高：上行155M；下行。传送效率：高GPON 更注重多业务和QoS 保证因此更受运营商的青睐 n GPON现状n 标准化工作仍然在继续n 业界的支持厂家较少，短时间内很难形成产业规模GPON 技术