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1、光通信技术发展概述（上）,熊伟成2010-11-30,从宏观角度认识通信网络了解各种电信业务的基本实现流程了解当前主要光通信技术的基本原理及发展趋势,课程的目的,通信网络整体概述光接入网概述和主要技术光城域网概述和主要技术光骨干网概述和主要技术,课程主要内容,光通信网络发展概述宽带接入网主要技术光接入网技术现状和技术特点光接入网未来技术发展趋势,提纲,“三网融合”追溯通信网发展,“三网融合”指的哪“三网”？,广播电视网,传统电信网,计算机网,Triple Play,5,城域网,接入网,至省干,广播电视网,国际局,省局,省局,市局,市局,端局,端局,用户A,用户B,省际网,本地网,省内网,国际网
2、,光纤数字化,铜线接入,省级长途交换中心（省会城市）,国际长途交换中心,本地网交换中心（地、市）,端局（县局、市话局）,传统电信网络PSTN,程控交换机,光传输设备,程控交换机,光传输设备,电信机房,电信机房,计算机网络,第一代计算机网络远程终端联机阶段 第二代计算机网络计算机局域网网络阶段 第三代计算机网络计算机网络互联阶段 第四代计算机网络国际互联网与信息高速公路阶段,B,C,D,A,三网发展共性数字化、光纤化,广播电视网,传统电信网,计算机网,HFC网络,现代电信网络,三网融合网络,调制解调技术,数字化CATV,DSL技术,VoIP技术,光纤承载CATV,光纤承载IP,数字化技术发展,光
3、纤化技术发展,多业务综合接入,Cable Modem,媒体网关,移动业务WLAN,IP电话,宽带上网,视频通信,带宽批发,NGN/IMS,网络平台,光城域网,国际互联互通,虚拟ISP,业,务,平,台,VPN,宽带无线接入WLAN,xDSL,Ethernet,宽带接入,信令网关,现代光通信网络,Access,Aggregation,MSC Server,MGW,SGSN,GGSN,3G CN,RNC,SR,BAS,Core,固定网络用户,商业网络用户,移动网络用户,STM-N、FE、GE、10GE、OTN、E1、PON,STM-N、E1、FE、GE、PON、DSL、POTS,IP CORE,NG
4、N,SR,OTU/ODU,WDM/OTN,光通信网络层次结构,OTU/ODU,OTU/ODU,OTU/ODU,光通信网络发展概述宽带接入网主要技术光接入网技术现状和技术特点光接入网未来技术发展趋势,提纲,宽带数据接入网络,骨干节点,城域核心,综合接入,BRAS,RTU,ONU,BRAS,L3,城域汇聚,DSLAM,MSAG,LAN,OLT,Internet,L3,BRAS,L3,L3,宽带数据接入网，主要向用户提供宽带上网业务。骨干网设备主要由核心路由器组成，覆盖省级节点。城域网主要由路由器、交换机及传输设备组成，覆盖市内局点。接入网的技术种类和设备型态较多，主要有DSL、LAN、PON等技术
5、，覆盖区局到用户约1公里范围。,接入网主要设备,Modem,DSLAM,路由器,交换机,OLT,FTTC ONU,FTTB ONU,FTTH ONU,BRAS,ADSL2+,PON,ADSL2+VDSL2,Centre office,Home,ADSL2+/VDSL2,ONT,ADSL2+,10/100Base-T,1 km,2 km,IP DSLAM,GE,Curb,Building,DSL,光纤以太网,FTTH,GE,DSL,IP DSLAM,Switch,Switch,宽带接入主要组网,接入技术带宽与距离,三大优势：1、更远的传输距离：采用光纤传输，接入层的覆盖半径20KM；2、更高的带
6、宽：对每用户下行2.5G/上行1.25G（物理层）；3、分光特性：局端单根光纤经分光后引出多路到户光纤，节省光纤资源。,PON与DSL接入对比,L3交换机,BAS/SR,模块局机房,端局机房,小区机房,楼道,OLT,双芯光纤,DSLAM,端局机房,单芯光纤,分路器,ONU,BAS/SR,MC+LAN网络结构,PON实现FTTN网络结构,光纤覆盖距离大，避免铜缆割盗,路边交接箱,ONU,ONU,楼道,更大容量带宽支持全业务接入,馈线铜缆投资大，覆盖距离有限、需要大量模块局机房,DSLAM,Modem,从端局直接覆盖用户，节省机房投资和维护成本,PON与LAN接入对比,L3交换机,BAS/SR,小
7、区中心机房,端局机房,小区2级机房,楼道,OLT,双芯光纤,L2交换机,城域机房,单芯光纤,分路器,ONU,BAS/SR,MC+LAN网络结构,PON实现FTTN网络结构,节省光纤、管道资源,路边交接箱,ONU,ONU,楼道,管理能力完备,简化网络结构，降低运维成本,无需建设小区机房,光通信网络发展概述宽带接入网主要技术光接入网技术现状和技术特点光接入网未来技术发展趋势,提纲,光纤接入技术分类,点对多点光纤接入技术,点对点方式：需要2N个收发模块，光纤总长度为N*(D1+D2)。,点对多点方式：需要N+1个收发模块，光纤数量为(D1+N*D2)。,假设有32个用户，D1的距离为5000m，D2
8、的距离为50m，则：点对点方式需要64个光模块，点对多点方式仅需要33个光模块，节约近50；点对点方式需要（500050）32176000m光纤，点对多点方式仅需要500050326600m光纤，节约光纤超过96。,总体来看，PON技术的关键是在线路中引入了无源的分路器，这使得系统设备的理论成本和线路成本均可以较传统的P2P技术有较大幅度的优化，还可以增强OAM能力和QoS水平；另外，由于分路器是无源器件，维护简单，环境适应能力强。,光纤以太网技术的两种使用方式：点到点以太接入N根光纤，2N个光收发器管理独立小区交换机接入只需铺设1或2根光纤到小区2N+2个光收发器设备占用局端机房空间小在传输
9、过程中需要有源设备设备分级管理PON的接入方式：只需铺设1或2根光纤到小区需N+1个光收发器设备占用局端机房空间最小传输中不需有源设备设备集中管理,以32个结点为例,32/64根光纤64个收发器,P2P,P2P,1/2根光纤66个收发器,光纤接入技术分类,局端设备OLT,用户端设备ONU,1:N 光分路器,1,2,1：32coupler构造,1：32coupler的内部構成,单模单芯光纤,点对多点光纤分路技术,什么是PON,Passive Optical Network 无源光网络,OLT,ONU,Optical Line Terminal 光线路终端,Optical Network Unit
10、 光网络单元,Passive Optical Splitter 无源分光器,PSTN,Internet,CATV,ONU,ONU,PON是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络；PON由光线路终端OLT（Optical Line Terminal）、光网络单元 ONU（Optical Network Unit）和无源分光器POS（Passive Optical Splitter）组成；,Passive Optical Splitter 无源分光器,PON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输（强制）。为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术：下行数据流采用TDM技术；
11、上行数据流采用TDMA技术。,PON的原理信号复用,1490nm,1310nm,PON基本原理下行传输,下行数据广播发送，每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃其他用户的数据,下行数据的安全？,PON基本原理上行传输,上行数据分时发送，各ONU的发送时间与长度由OLT集中控制TDMA的接入机制,上行数据的同步？,OLT和ONU的工作职责,ONU的操作ONU通过下行控制帧的时间戳同步于OLT；ONU等待发现帧（gate）ONU进行发现处理，包括：测距，指定物理ID和带宽。ONU等待授权，ONU只能在授权时间发送数据,OLT的操作产生时间戳消息，用于系统参考时间通过MPCP帧指配
12、带宽进行测距操作控制ONU注册,PON的原理 ONU自动注册,自动化注册不必等序列号登记认证以后才使能数据通路,PON的技术发展,相同的拓扑P2MP光纤,APON,EPON,GPON,封装协议不同,FSAN提出，ITU-T标准化；ATM封装；目前标准化最完善；没有得到市场认可。,IEEE EFM工作组标准化，编号802.3ah；以太网封装；即将形成正式标准；产品开始在市场上迅速应用。,FSAN提出，ITU-T标准化；ATM、GEM封装；标准正在逐步完善；支持厂家极少。,在这些PON之前，还有ITU-T窄带PON标准，有相当数量的产品在国内应用。ATM PON的众多技术被其它PON所直接继承引用
13、。,MAC地址,前同步码,目的地址,源地址,长度,数据,FCS,8,4,2,6,6,可变,EPON 直接借用以太网帧,LLC首部,可变,MAC首部,MAC数据,FCS,数据,高层数据,EPON数据链路层直接使用以太网帧，仅修改前导码最后2个字节。,GPON的基本特性,GPON采用125s定长的帧结构，每秒8千帧。GEM（GPON Encapsulation Method）是GPON技术优势的集中体现，它直接采用了GFP的技术（ITU-T G.7041）。GPON支持不对称线路速率，下行2.488 Gbit/s，上行1.244 Gbit/s。,GPON的协议结构,GPM：ODN规格、光接口参数、
14、物理层开销等,传输汇聚层：实现复用、DBA、告警性能等,GEM封装：实现多业务支持能力,物理层OAM：ONU注册、加密等,ONU管理控制接口：业务管理和FCAPS,OAM,control,OAM,control,Downstream,ATM,(optional),ATM,(optional),Ethernet,(over GEM),Ethernet,(over GEM),GPON下行帧格式,GPON标准的SDH的125us的固定帧ONU更容易提取同步信号更好的延时和抖动性能,EPON承载TDM业务没有具体定义时钟信息必须通过PWE3算法恢复不同厂家采用不同方法承载，互通性差,GPON帧结构,P
15、hysical Control Block Downstream(PCBd),Payload,AllocID,Start,End,AllocID,Start,End,1,100,200,2,300,500,T-CONT1(ONT 1),T-CONT 2(ONT 2),Slot 100,Slot 200,Slot 300,Slot 500,PLOu,PLOAMu,PLSu,DBRu X,Payload x,DBRu Y,Payload y,Upstream Bandwidth Map,125us,Downstream Framing,Upstream Framing,GPON帧结构,GPON C
16、ontrol,PLOAM,OMCI,GPON Encapsulation Mode(GEM),Physical Media Dependent(PMD),GPON Transmission Convergence(GTC)Framing,Ethernet,TDM,Bearer Traffic,GPON协议栈,物理层OAM：ONU注册、加密等,ONT管理控制接口：业务管理和FCAPS,GEM封装：实现多业务支持能力,传输汇聚层：实现复用、DBA、告警性能等,PMD：ODN规格、光接口参数、物理层开销等,GPON业务映射,EPON,GPON,TCP+UDP etc.,IP,Ethernet,Lay
17、er 2,Layer 3,Layer 4,Layer 5or more,Layer 1,PON-PHY,TDME1,话音,视频,数据,VoIP,AES(Optional),AAL1/AAL2,AAL5,GEM Frame,PON-PHY,TDME1,话音,视频,数据,VoIP,AES(Optional),Ethernet？,ATM？,GPON复用封装,IFpon,ONU,ONU,ONU,T-CONT,Port,T-CONT,Port,Port,T-CONT,T-CONT,Port,Port,Port,Port,Port,不同的ONU用ONU-ID标识,不同的T-CONT用Alloc-ID标识,
18、不同的GEM-PORT用Port-ID标识,GPON T-CONT,树形共享媒体接入网络需要分布式复用功能，将需求不同的许多用户和业务汇聚在一起。为了保证QOS敏感的业务不受其他业务的影响，需要更高层次的汇聚，在GPON称为T-CONT。一个T-CONT对应一种带宽业务流，这种业务流有自己的Qos特征，Qos特征主要体现在带宽保证上，分为固定带宽，保证带宽，保证/不保证带宽，尽力转发，混合方式五种。T-CONT的主要是从带宽的保证角度而不是从业务的种类（如CBR，UBR等，这里包含了带宽、延时、抖动等等的考虑），来划分的。,GPON的DBA技术,GPON系统采用SBA+DBA的方式来实现带宽的
19、有效利用，GPON系统通过状态的上报以及OLT业务监视（非状态上报）支持动态带宽分配。GPON的状态上报DBA存在3种机制：PLOu-State Ind DBA;DBRu-Piggy-back DBA;Payload DBA;,SR-DBA流程,OLT根据上次计算的结果在下行帧头中下发BW Map。ONU根据带宽分配信息在规定的时隙上发送目前T-CONT中等待发送的数据状态报告。OLT收到ONU的状态报告后，经过DBA计算并更新BW Map，在下一帧进行下发。ONU收到OLT下发的BW Map消息后，在指定的时隙上发送数据。,在OLT处监视从NSR-ONU/ONT来的信元数据流的算法,过程(P
20、rocedure)：Step1：在确定的间隔(interval)内监视OLT接收到的信元数目。Step2：通过使用在Step1中的实时监控(real time monitoring)结果来计算利用速率(utilization rate)。Step3：通过比较利用速率和极限值，来认识(recognize)拥塞程度。,NSR(Non Status Reporting)-DBA,NSR-DBA实现,PON关键技术测距,OLT通过Ranging测距过程获取ONU的往返延迟RTD（Round Trip Delay），从而指定合适的均衡延时参数EqD（Equalization Delay），保证每个ONU
21、发送数据时不会在分光器上产生冲突。OLT获取序列号和Ranging的过程都需要开窗，即Quiet Zone，暂停其他ONU的上行发送通道。,PON的原理测距原理,补偿因ONU距离不同而产生的时延差异：RTT（Round Trip Time）在注册过程中，ONU对新加入的ONU启动测距过程OLT使用RTT来调整每个ONU的授权时间OLT也可以在任何收到MPCP PDU的时候启动测距功能。使用注册冲突避让：在PON系统中，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。,RTT=(T3-T1)-(T2-T1)=T3-T2,GPON与EPON比较（1）,GPON与EPON比较（2）
22、,29 dB,24dB,20 dB,Maximum loss,15 dB,10 dB,5 dB,Minimum loss,PX30,PX20,PX10,Table 802.3ah for optical path loss,30 dB,15 dB,Class C,28 dB,25 dB,20 dB,Maximum loss,13 dB,10 dB,5 dB,Minimum loss,Class B,Class B,Class A,Table G.984.2 Classes for optical path loss,33 dB,18 dB,Class C+,EPONFP+PIN激光器常规ODN
23、：1：32分路比下传20km,GPONDFB+APD激光器常规ODN：1：64分路比下传20km,ETH/TDM,GEM,GTC/T-cont,Flow control/Classification,GPON 业务承载层,PON QoS处理机制,DBA,VLAN/COS/PQ/GTS/POLICING,GPON与EPON比较（3）,ETH/TDMTDM业务（非电路仿真方式）为面向连接，系统可以通过静态配置带宽严格保证面向连接的QoS。ETH业务（包括电路仿真方式的TDM业务）主要是基于二层VLAN、COS等标识进行业务的QoS处理GEM在GEM层主要是针对每个GEM Port进行业务流分类，类
24、似于DSLAM的单PVC多业务的处理方式。针对流分类后的业务分别进行优先级修改、流量监管和转发处理。GTCQoS处理的最小单元是T-CONT，T-CONT可以看作是ONU业务流的承载容器，调度机制是DBA。DBA的算法是GTC的QoS处理性能的关键。,ETH/TDM,DBA,EPON 业务承载层,EPON 业务处理流程,EPON提供SLA、接纳控制、带宽资源分配等功能，保障各类业务的服务质量结合流分类、VLAN分配模式、COS业务等级特性，合理安排业务流处理模式合理高效的DBA机制，支持固定带宽、保证带宽和尽力而为的带宽分配承载TDM业务的QoS保障手段：设置专属VLAN，按VLAN进行业务流
25、分类，实现与其他业务的隔离为TDM业务设置最高优先级，802.1p 的COS值建议设置为7，采用SP调度策略预留较高的带宽通道,GPON 业务处理流程,ONU侧：对UNI接口接收到的业务流进行流分类，流分类的结果定义为Virtual UNI（一般就是VLAN或者802.1p TAG）Virtual UNI映射到指定的GEM port，多个Virtual UNI可以映射到同一个GEM port。ONU再将GEM port分配到指定的T-CONT。OLT侧：OLT从T-CONT中拆出GEM帧，然后对每个GEM port接收到的业务流分别进行流分类，CVLAN切换为SVLAN，以及上行网络侧VLAN
26、的802.1p优先级，再基于802.1p调度后发送到SNI接口,GPON与EPON比较（4）,PON CES,Native TDM,Native模式是GPON 标准附录中规定的一种TDM承载方式，它借助GPON的8K帧头进行边界定位，把TDM业务直接承载在GEM帧内。TDM业务先导入缓存中进行排队，并且按照固定的字节数复用到GEM帧中进行传输。这种方式不对具体的TDM业务进行感知，只进行透传处理。GEM帧具有定长的特点，对TDM业务传输非常有利。,EPON/GPON均可以采用CES方式CES技术实现分为PWE3和MEF8两种协议MEF8通过以太网（MAC地址）进行电路仿真，PWE3通过IP网（
27、IP地址）进行电路仿真,光通信网络发展概述宽带接入网主要技术光接入网技术现状和技术特点光接入网未来技术发展趋势,提纲,PON的主要技术,PON（无源光网络）,TDM PON（时分无源光网络）,FSAN/ITU-TGPON（）XGPON1XGPON2,IEEEEPON（IEEE802.3ah）10G EPON（IEEE802.3av）,WDM PON（波分无源光网络）,PON技术发展路线,10,2,1,Line Rate（GB/s）,2002,0,622Mb/sBPON,2004,1.25Gb/sEPON,2008,2.5Gb/sEPON,2010,2015,NGA1:借鉴10G EPON技术成
28、果,考虑当前GPON和ODN网络兼容，在上行速率、技术工艺方面根据GPON的规划要求进行重新定义,WDM-TDMPON,NGA2:不考虑当前GPON和ODN网络兼容，发展高速率、长距、大分光比的WDM-TDM混合 PON网络,秉承一致的协议和管理方式，多种速率可以完全兼容并实现平滑升级,发展高速率、长距、大分光比的WDM-TDM混合 PON网络，国家863项目,2.5Gb/sGPON,GPON继承了BPON 众多技术特性，但不兼容BPON,？,基于16/32波道、单波道1.25/2.5G速率的WDM PON系统，未来兼容TDM PON,10Gb/sGPON,10Gb/sEPON,WDM PON
29、,10 GEPON,Ethernet PON,基于以太网的无源光接入技术.2000年11月成立IEEE研究小组，即后来的EFM工作组；2004年4月工作组形成IEEE 802.3ah系列标准.现统称为IEEE 802.3-2005；,以EPON为基础,EPON的下一代无源光接入技术.2006年802.3av成立（确定了10GEPON标准目标）2008年3月D1.1 确定主要技术类型/参数；2008年12月D2.2修订2009年1月D3.0草案终稿2009年9月发布标准定稿,EPON,NG-EPON演进方向,10Gbps下行、1Gbps上行,10Gbps下行、10Gbps上行,10G EPON多
30、速率共存,下行 WDM 上行 双速率,突发模式TDMA机制协调1G和10G ONU共存OLT根据预期接收到的速率将输入信号导引至合适的接收路径,10G EPON标准进程,2006年03月 802.3av成立（确定10GEPON标准目标）2009年01月 D3.0终稿2009年09月 标准发布,10GEPON,10G EPON协议变化,10G EPON技术特色,技术特色,较现有的EPON与GPON技术，具有先进带宽提供能力,与EPON及ODN具有良好兼容性，可继承EPON标准,产业链,标准方向清晰明确、进展迅速，产业供应链各环节响应迅速,至少还有4家芯片制造商开始了10GEPON相关芯片的开发,
31、沿续10G以太网的成熟产业链，现有光器件成熟,NG-GPON演进方向,重点考虑兼容GPON 重点研究方向：提升速率，引入WDM技术；增加长距/大分光比；问题：NG-PON1的波段分配TC层的改动,NGA1,NGA2,不受现有XPON限制，研究新的PON技术,标准化尚早WDM PONOCDMA PONOTDM PON,Gigabit PON，基于ATM/GEM的无 源光接入技术.FSAN在2001年初提出,ITU和FSAN进行标准化，遵循ITU-T G.984系列标准；,GPON,NG-GPON标准进展,10G GPON,WDM-TDM PON的研究（国家863项目）,开始进行低成本的多波长以太网综合接入系统（WDM-TDM PON）的研制，包括局端OLT设备、系列化ONU设备及EMS网管；并研制出相应的关键光模块和器件，包括局端、用户端光模块、无热AWG、10G MAC 和TDMoP 芯片等；,谢 谢！下次课程主要讲解光传输网技术,地址:武汉市关东科技园东信路6号/邮编:430073/电话:027-59100408邮箱,
