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1、1,光通信网络导论Introduction to Optical Networks,陈林,2,第七章 宽带接入网,7.1宽带接入技术综述7.2光纤接入网,3,CPN,接入网,UNI,SNI,SNI,CPN,接入网,UNI,核心网,CPN:(Customer Premises Network)用户驻地网UNI:(User Network Interface)用户网络接口SNI:(Services Node Interface)业务节点接口核心网：以前的 长途网+中继网(长途端局与市话局之间 及市话局与市话局之间),7.1 宽带接入技术综述,从水平上看，信息网可分割为三大部分，即用户驻地网（CPN
2、）接入网与核心网。,4,电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及复用设备、交换设备及各种线路设施等。接入网是电信网的重要组成部分，负责将电信业务透明地传送到用户。接入网有时称为本地环路、（Local Loop),用户网（subscibers Network),用户环路系统。,接入网基本概念,5,接入网定义,国际电信联盟（ITUT）第13组于1995年7月通过了关于接入网框架方案的新建议，其中对接入网的定义如下：接入网由业务接点接口（Services Node Interface,SNI)和用户网络接口（User Network Interface,UNI)之间的一系列传送实体
3、组成，为供给电信业务而提供所需传送承载能力的实施系统，可经由管理接口（Q3）配置、管理。,6,7.1 宽带接入技术综述,接入网,业务节点,电信管理网(TMN),Q3,Q3,UNI,SNI,接入网位于用户驻地网与核心网之间 通过用户网络接口(UNI)与用户相连 通过业务节点接口(SNI)与用户相连 通过Q3接口与电信管理网(TMN)相连 接入网的特点 用户类型复杂，如工业用户、住宅用户、学校用户.用户线的平均距离较短，一般为数公里，多数用户比较集中。要求低价格，用户负担的成本费用尽可能低。,7,7.1 宽带接入技术综述,有线接入技术 铜线传输*对绞铜线 POTS 采用的传统传输方式，普遍应用。*
4、同轴电缆 过去CATV采用的传统传输方式。*线对增容系统 采用话音压缩技术在一对铜线上传4-16通路*高比特数字用户线(HDSL)*非对称数字用户线(ADSL-XDSL)光纤传输*FTTH-FTTX*无源光网络(PON)光纤同轴混合传输 HFC 无线接入技术 有线无线综合接入技术,8,接入网的发展历史,接入网的一次最大的飞跃应该是光纤的诞生。由于最初建立的都是铜缆网，引入光纤势必考虑成本问题，所以现在核心网和骨干网的干线部分应用光纤，而配线和引入线光纤化还刚刚开始在接入网光纤化的同时，过去投巨资兴建的双绞线设施不可能在短时间内被光纤取代。光纤化是个长期演化的过程。过渡时期怎样充分利用双绞线的带
5、宽作用，对用户和运营商都是好事。20世纪90年代出现了几种以铜线技术为基础的接入网新技术，如用户线对增容技术(SLC)、高速数字用户线路（HDSL）、非对称数字用户线路（ADSL）和甚高速数字用户线路（VDSL）等一系列xDSL技术，使传统的铜线技术抓住了最后的商机。,9,接入网的技术类型（1）,类型 系统类别 对绞铜线 铜 铜轴电缆 线 线对增容系统(SLC)有 传 高比特数字用户线(HDSL)输 非对称数字用户线(ADSL,VDSL,MDSL,XDSL)线 光 采用Z接口的用户环路载波系统(SLC)纤 采用V5国际标准接口的数字环路载波系统(V5-DLC)接 传 采用V5国际标准接口的无源
6、光网络(V5-PON)输 模拟视频图象传输系统(VSB-AM，FM)入 混合光纤-同轴传输系统(HFC)交换式数字视像系统(SDV),光纤同轴混合传输,10,接入网的技术类型（2）,类型 系统类别 卫星直播系统(DBS)无 固 同步卫星系统(SSC)定 甚小孔径卫星终端(VSAT)终 单区制无线接入线 端 本地多点分布业务系统(LMDS)多点多路分布业务系统(MMDS)无线寻呼系统接 移 无绳电话系统(CT1，CT2，DECT，PHS)动 集群通信系统 终 蜂窝移动通信系统(TACS,AMDS,DAMPS,GSM,CDMA等)入 端 同步卫星移动通信系统(InmerSAT)公共陆地移动通信系统
7、(FPLMTS)低轨道卫星移动通信系统(LEO)光纤-无线混合系统(HFW)个人通信系统(PCS),同轴混合传输,有线无线综合接入,11,有线接入网,铜线接入：铜线接入以现有的电话线为传送媒质，利用各种先进的调制技术和数字信号处理技术，来提高铜线的传输速率和距离。但是铜线的传输带宽毕竟有限，铜线接入方式的传输速率和传输距离一直是一对难以调和的矛盾。目前以电话线为传输介质的宽带接入技术主要有以下几种：（1）线对增容技术：初期采用的线对增容技术是在每一对铜线上都开通二个64kbit/s的话路或数据，采用64kbit/sPCM数字编码标准及回波消除技术，在一对双绞线上开通全双工144kbt/s速率的
8、2BD窄带ISDN信号传输。为了适应用户的需要，也可采用32kbit/s或16kbit/s的自适应编码（ADPCM）技术，在一对双绞线上传送4路或8路电话信号，这也就是市场上所谓“02,04,08”设备，以提高铜线的容量，但他不属于一种新的宽带技术，只是针对目前的电话线路进行了一些处理，是一种过渡的临时措施。,12,（2）高速率数字用户线（HDSL）,为了进一步增加铜线的传输速率，以达到可以开通一个基群E1（2.049Mbit/s)传输速率的需求，又开发了HDSL技术。HDSL技术是在2对可3对铜线上实现2048kbit传输速率的全双工结构。采用2对，每对可传输速率可降为1168kbit/s,
9、采用3对可降为748kbit/s.,13,光纤接入网,光纤是目前传输带宽最宽的介质，目前主干网中已大量采用光纤，将光纤应用到用户环路中，能满足将来各种宽带业务的需要。可以说，光纤接入是宽带接入网的最终形式，但目前要完全抛弃现有的用户网络，全部重新铺设光纤，对于大多数国家和地区来说还是不经济、不现实的。,14,光纤接入,由于目前接入网的用户终端设备都是电气设备（如电话、传真、电视、计算机）故在传输系统的两端（端局和用户端）之间，先在发送端把各种电信号转换为光信号，在光纤上传输，在接收端，在接收端恢复为电信号。这种光电转换设备（O/E或E/O），在局端通常称为光线路终端（optical line
10、Terminal，OLT），在用户端称为光网络单元（Optical Network Unit,ONU).这种设备较贵。而全球通信事业的发展，新的通信业务，尤其是宽带业务（如调整数据通信、图像通信、远程教学、远程医疗、居家办公、居家购物等。接入网必然是光纤化。,15,混合接入 主要有混合光纤/同轴(HFC)接入技术，同轴电缆也是一种带宽较宽的介质，目前的CATV网就是一种混合光纤同轴网络，主干部分利用光纤，然后用同轴经分支器接入各家各户。HFC接入技术的一大优点是利用现有的CATV网，从而降低网络成本。无线接入 无线接入的初期投入小，能迅速提供业务，无线接入不需要铺设线路，所以可以省去铺线的大量
11、费用和时间；灵活性强，可随时按需进行变更、扩容；目前无线用户环路的成熟性能还不如有线方式，质量不稳定，受环境影响大，提供宽带接入较困难。虽然现在已开始研究利用ATM技术的无线接入系统，但离实用还有很大的距离。,7.1 宽带接入技术综述,16,光纤接入网的一般结构为：在交换局中设有光线路终端（OLT）在用户侧有光网络单元（ONU）OLT和ONU间用光纤连接 ONU可用多种方式连接用户，如同轴、双绞铜线等，一个ONU可以连接多个用户。根据ONU与用户的距离，光纤接入网又有多种方式，最主要的有FTTC和FTTH.,7.2 光纤接入网,OLT,OLT,ONU,ONU,ONU,.,.,.,.,交换局,光
12、分配网络,点对点,点对多点,1,N,17,光接入网的参考配置 光接入网(OAN)为共享相同网络侧接口并由光传输系统所支持的接入链路群，有时称之为光纤环路系统(FITL)。从系统配置上可以分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON)，如图7.1所示。,ODN:光分配网络，是OLT和ONU之间的光传输媒质，由无源光器件组成。OLT：光线路终端，提供OAN网络侧接口，并且连接一个或多个ODN。ODT：光远程终端，由光有源设备组成。ONU：光网络单元，提供OAN用户侧接口，并且连接到一个ODN或ODT。,18,19,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
13、：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。,20,在OLT和ONU之间没有任何有源电子设备的光接入网称为无源光网络(PON)。PON对各种业务是透明的，易于升级扩容，便于维护管理，缺点是OLT和ONU之间的距离和容量受到限制。用有源设备或有源网络系统(如SDH环网)的ODT代替无源光网络中的ODN，便构成有源光网络(AON)。AON的传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，运行和网络规划的灵活性大，不足之处是有源设备需要供电、机房等。如果综合使用两种网络，优势互补，就能接入不同容量的用户。,21,目前，用户网光纤化的途径主要有两个：在现有电话铜
14、缆用户网的基础上，引入光纤传输技术改造成光接入网 在现有有线电视(CATV)同轴电缆网的基础上，引入光纤传输技术使之成为光纤/同轴混合网(HFC)。,22,光接入网的定义,定义为共享同样网络侧接口且由光接入传输系统支持的一系列接入链路，由光线接入线路终端（OLT）、光配线网（ODN）、光网络单元（ONU）及适配功能（AF）组成，可能包含若干与同一OLT相连的ODN,23,光接入网的功能模块介绍,（1）OLT的作用：为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并经地个或多个ODN与用户侧的ONU通信，OLT与ONU的关系为主从通信关系。OLT可以分为交换和非交换业务，管理来自ONU的信令和监控信息
15、，为ONU和自身提供维护和供给功能。OLT可以直接设置在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器接口。,24,（2）ODN的作用,为OLT与ONU之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分配。ODN由无源光元体（如光纤光缆、光连接器和光分路器等）组成纯无源光配线网，呈树形分支结构。,25,（3）ONU的作用,为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于ODN的用户侧。ONU的主要功能是终结来自ODN的光纤处理光信号，并为多个小企事业用户和居民住宅用户提供业务接口。ONU的网络侧是光接口，用户侧是电接口，因此ONU需要有光/电和电/光转换功能，还要完成对语言的数/模和模/
16、数转换、复用、信令处理和维护管理功能。按照ONU在用户接入网中所处的位置不同，可将OAN分为FTTC、FTTB，FTTO，FTTH。,26,（4）AF的作用,为ONU和用户设备提供适配功能，具体物理实现则可以包含在ONU内，也可完全独立。,27,（5）其它几个功能模块的作用,发送点参考点S是紧靠在发送机（ONU或OLT）光连接器后的光纤点，而接收参考点R是紧靠要接收机（ONU或OLT）光连接器前的光纤点，a参考点是ONU与AF之间的参考点，V参考点是用户接入网与业务节点之间的参考点，T参考点是用户网络接口参考点，Q3是网管接口。,28,3.光接入网的拓扑结构 光接入网的拓扑结构一般有4种：单星
17、形、双星形、总线形和环形，如图7.2所示。,29,4.光接入网的应用类型 根据ONU的位置不同，光接入网有4种基本应用类型：光纤到路边(FTTC：Fiber To The Curb)光纤到大楼(FTTB:Fiber To The Bulding)光纤到办公室(FTTO:Fiber To The Office)光纤到家(FTTH:Fiber To The Home)光纤到小区（FTTZ：Fiber To The Zoon)。,在FTTC结构中，ONU设置在路边的电线杆上的分线盒处，有时也可以设置在交接箱处。FTTC一般采用双星形结构，从ONU到用户之间采用双绞线铜缆，若要传送宽带业务则要用高频电
18、缆或同轴电缆。,30,FTTH和FTTO FTTH(Fiber To The Home)称光纤到家，对于企业用户也可称光纤到办公室FTTO(Fiber To The Office)。是一种光纤化程度最高的接入网结构。光纤直接铺设到各个用户，ONU放在用户室内，由用户专用。对于每个用户都可提供足够的带宽。在FTTO中，企业用户的业务量较大，可以采用点对点的配制方式。在FTTH中，家庭用户业务量较小，可以采用无源光分支器构成点对点的结构。FTTH是接入网发展的最终目标,但在近期，完全废弃现有网络，对各用户重新铺设光纤，为每个用户都设置一个光端机，在经济上还是难以承受的。在经济发达地区及业务量较大的
19、地区，在新铺设的线路中采用FTTH不失为一种可取的方案，如日本NTT计划在2010年实现。,7.2 光纤接入网,31,FTTC FTTC(Fiber To The Curb)称光纤到路边。将ONU放置在路边，每个ONU一般连8到32个用户。ONU和用户之间可采用同轴或双绞线构成星形连接。采用双绞线时可用后面将要提到的各种高速铜线技术，如ADSL、HDSL、VDSL。采用同轴时，可采用高速的同轴电缆调制解调器(Cable Modem)，这样可解决从ONU到用户这段线路的宽带化。在FTTH大量应用之前，FTTC是一种比较理想的宽带接入方案。但由于ONU安装在户外，所以对ONU的供电、维护和测试以及
20、对ONU的性能要求都要比FTTH高。综合考虑初期投资、年运行维护费用和收益，FTTC仍是现阶段最现实而经济的光纤接入网络。,7.2 光纤接入网,32,交换局,远端单元,.,1,N,有源光纤网络(1)光纤到远端单元 FTTR(Fiber To The Remote Unit)FTTR结构中从交换局通过光纤用V5接口连接远端单元，再经过铜线分配到各用户。这种网络中以光纤代替原有的铜线主干网，复用率提高了，同时采用V5接口又省去了数模转换设备，当距离较长时，这种结构的成本反而低于铜线线路的成本。贝尔电话公司就采用这种方案在美国大部分区域实现光纤化。但是这种网络对每个用户提供的带宽有限，仍不能适应高速
21、业务的需要。,V5,V5,远端单元,铜线,用户,7.2.1有源光纤接入网,33,OLT,OLT,ONU,ONU,ONU,交换局,(2)有源双星结构 FTTC(ADSFTTC)有源双星结构中从交换局用有源星型光网络接到各个ONU，然后从ONU采用铜线引出，按星型方式接到各个用户。采用有源节点可以降低对光器件的要求，如可采用带宽窄、性能低的光器件，但初期投资较大，且存在供电、维护等问题。,有源光节点,用户,7.2.1有源光纤接入网,34,OLT,OLT,交换局,无源光纤网络(PON)无源光纤网络采用无源光星型光网络将信号分送至用户，由于采用无源分路器所以初期投资较小，大量费用将在所有宽带业务发展以
22、后支出，但必须采用性能较好、带宽较宽的光设备。传输距离较短，因为一个1:2的光分支器约产生34dB的损耗，分路数越大，损耗也越大。必须解决用户回送信息流与交换设备的同步问题，以及多路信号如何复用的问题。,用户,ONU,ONU,7.2.2 无源光纤接入网(PON),35,无源光纤接入网络的调制复用技术 在FTTC中，目前比较常见的电信号调制方法是在下行方向采用16CAP调制，在上行方向采用QPSK，达到下行 52Mb/s和上行19.44Mb/s的传输速率，下行指从交换局到用户方向，上行指从用户到交换局方向。复用技术的目的有两种：一是利用一根光纤传送上、下行的双向信号。即使用两根光纤分别传送上、下
23、行信号，也需采用复用技术在一对物理线路上传送多路信号。对上行信号，复用技术解决多址访问问题，即连接在同一根光纤上的多个ONU或用户如何通过同一光纤发送信号而不发生冲突。对下行信号，复用技术决定ONU和用户如何从同一光纤上取出OLT发向各自的信号。,7.2.2 无源光纤接入网(PON),36,无载波幅度相位调制 CAP(Carrierless AmplitudePhase Modulation),PON的调制复用技术,16-CAP的星座图,基本原理与正交幅度调制 QAM 一样，数据经两路正交信号分别调制后叠加，只是CAP中抑制了载波，因为载波并不携带有用信息与16QAM、64QAM对应，有16-
24、CAP、64-CAP。16-CAP用一个符号表示4比特数据(b0b1b2b3),51.84Mb/s的信号速率对应12.96Mb/s的线路速率。实际应用时，还有将b0b1进行差分运算后再进行调制的差分16-CAP调制等方式。,37,正交移相键控 QPSK(M=4的M进制MPSK）(Quadrature Phase Shift Keying Modulation),QPSK是一种很成熟的数字调制技术，它用一个符号表示2比特数据。对于19.44Mb/s的信号速率，对应的线路速率为9.72波特。,QPSK的星座图,PON的调制复用技术,38,PON中所用的复用技术主要有四种：时分复用方式(TDM PO
25、N)是一种最常用最简单的复用方式，它采用同一波长的光信号在一条物理线路上传送多路信号，上、下行信号或每一路信号都分配了固定时隙，ONU就可根据分配的时隙区分各路信号。TDM方式要求OLT与0NU之间。有严格的定时关系，一般由OLT向ONU发送定时信号。副载波复用(SCM PON)中各路电信号经不同的频率电调制后，再以同一波长在同-光纤中传输，由于调制频率不同，各信号在频域中占用不同的频带，因此接收时，经光电变换后，利用不同中心频率的滤波器就可滤出各路信号。波分复用(WDM PON)中不同的信号采用不同波长的光信号传输，目前WDM主要用于在一根光纤上传送上、下行两路信号，如1310nm窗口用于上
26、行，1550nm窗口用于下行。,PON中用的复用技术,39,ATM PON(APON)采用ATM信元传送各路信号，ATM信元加上一个小的分组开销后，就被封装到APON分组中，开销的目的是提供同步和与网络传输相关的功能，研究表明，只要给每个ATM信元增加1字节的开销就足以捏供所需的功能。在下行方向，不同路信号的信元由VPIVCI识别。在上行方向,与TDM方式相似，APON中由OLT控制，在给定的时间内只允许一个用户发送信元,OLT在下行方向的开销字节中发送认可信号,ONU或用户只有收到认可信号后才可发送信元。由于ATM在实现不同业务的复用以及适应不同带宽要求这方面的灵活性，APON方式是一种很有
27、前途的接入方式。在时分复用和APON中，由于各ONU到无源分支节点的距离不同，因此信号的传输时延、衰耗也不同这就要求采取一些特殊技术来解决同步和自动调整接收电平。,PON中用的复用技术,40,V5接口 V5接口是专为接入网发展而提出的本地交换机与接入网之间的接口。以前定义的V1到V4接口都不够标准化，因此没有实用。后来将本地交换机、用户环路与终端设备综合考虑，定义了V5接口。90年代初 Bellcore TR303 93-94 ETSI V5 接口标准 94-95 ITU-T V5.1接口(G.964)和 V5.2接口(G.965)96.10 国家邮电部 YDN020-1996 和 YDN02
28、1-1996 目前已标准化的有：V5.1接口 支持2Mb/s速率的业务 V5.2接口 支持多达16个2Mb/s的业务 V5.3接口 准备定义针对SDH速率 V5.B接口 准备定义针对宽带业务的接口。,7.2.3 光纤接入网的接口,41,接入网AN,本地交换机LE,电信管理网(TMN),Q3,Q3,UNI,V5(SNI),7.2.3 光纤接入网的接口,V5接口（续）V5接口支持的业务类型包括POTS，ISDN(综合业务数字网)和专线业务。优点：开放的接口标准 统一和开放，有利于不同厂商公平竞争。为接入网的数字化和光纤化提供了条件。可灵活配置、提供多种业务 低成本 增强监控和网管能力，提高服务质量
29、 V5接口接入网的范围由三个接口定界：UNI，Q3，V5,PSTN终端ISDN终端专线终端,42,AN功能结构,用户口功能UPF,核心功能CF,传送功能TF,核心功能CF,业务口功能UPF,AN系统管理功能 AN-SMF,UNI,SNI,QAN,用户承载和用户信令信息,控制和管理信息,43,AN功能结构,接入网的主要功能：用户口功能(UPF)将特定的UNI要求与核心功能和管理功能相适配。业务口功能(SPF)将特定的SNI要求与公用承载通路相适配，以便核心功能处理，也负责选择有关信息，以便AN系统管理功能处理。核心功能(CF)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承载通路相适配，还为
30、通过AN传送所需的协议适配和复用所进行的对协议承载通路的处理。传送功能(TF)为AN中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道，也为所用传输媒质提供媒质适配功能。AN系统管理功能(AN-SMF)协调AN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。,44,链路控制 为AN中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道。为所用传输媒质提供媒质适配功能。链路控制 2048Kb/s链路的控制：对2Mb/s帧定位、复帧定位、告警指示和CRC信息进行管理和控制。链路控制协议：支持V5.2接口上链路的管理功能。BCC BCC协议：用来在LE控制下分配承载通路。业务所需的多时隙连接，应在V5.2接口内一个2M链路提供。保护 保护协议支持在适合的物理C通路之间交换C通路，以达到协议保护的目的。定时 提供比特传输、字节定位和帧同步所必须的定时信息。,V5接口的功能,
