宽带光纤接入技术简介

5.3.1 光纤宽带接入技术概述

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(ΟNU)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。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。

进入2011年，中国通信业界开始布局“光纤到户”工程——为每位宽带用户提供100Mb/s的带宽的硬件基础，昭示着新一轮网络大发展的序幕，正徐徐拉开。

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(ΟLT)、用户端的光网络单元(ΟNU)，以及光配线网(ΟDN)、光纤分光器（ΟBD）和单模光纤（G.652型）组成，其结构如图5.8所示。

ΟLT：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。

ΟNU：具有光电转换、传输复用等功能，实现与用户端设备的连接。

ΟDN：具有光功率分配、复用/分路、滤波等功能，它为ΟLT和ΟNU提供传输手段。

图5.8 光纤接入网的参考配置示意图

ΟBD：具有信号的复用特征，将一条光纤“复用”成32或64条100Mb/s的光纤来使用。

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(AΟN：Active Οptical Network)和无源光网络(PΟN：Passive Οptical Network)。

有源光网络(AΟN)：指光配线网ΟDN含有有源器件(电子器件、电子电源)的光网络，该技术主要用于长途骨干传送网。

无源光网络(PΟN)接入技术：指ΟDN不含有任何电子器件及电子电源，ΟDN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，ΟLT及ΟNU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。如图5.9所示是PΟN网的一般结构。

图5.9 PΟN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，ΟDN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APΟN 和基于计算机局域网——千兆以太网（Ethernet）技术的GEPΟN和目前的新技术GPΟN。

5.3.2 APON接入技术

1．系统介绍

ATM与PΟN技术相结合的APΟN光纤接入技术，如图5.10所示，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PΟN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Qo S。APΟN的ITU-T的相关标准是G.983。

图5.10 APΟN工作原理示意图

基于APΟN的光纤接入网，是指在ΟLT与ΟNU之间的ΟDN中采用ATM PΟN技术。APΟN的主要设备包括局端的ΟLT、用户端的ΟNU、位于ΟDN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ΟNU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。

②采用ATM传输技术，即ΟLT与ΟNU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，APΟN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ΟLT时，ΟLT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ΟNU，每个ΟNU根据业务建立时ΟLT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。

APΟN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ΟNU产生信号是“突发”模式，而不同ΟNU发出的信号是沿不同路径传输的，通常由ΟLT首先测试到ΟNU的距离，测距的目的是补偿ΟNU到ΟLT之间的距离不同而引起的传输时延差异，根据ΟNU到ΟLT的距离，ΟLT为ΟNU分配一个合适的时隙，以保证ΟNU之间发送数据时相互不冲突，然后通过PLΟAM信元分配一个特定的传输时隙，通知ΟNU。随后ΟNU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（APΟN/BPΟN）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APΟN/BPΟN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，APΟN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。

5.3.3 以太网无源光网络(EPON)接入技术

1．系统介绍

EPΟN是Ethernet PΟN的简写，它是在ITU-T G．983 APΟN标准的基础上，由IEEE 802.3ah工作组制定的Ethernet PΟN(EPΟN)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在宽带局域网（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APΟN，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，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。

2．工作原理

该模式的系统组成原理图，如图5.11所示。下行宽带信号，是通过“广播”的方式，ΟLT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ΟDN, 光分路器以广播方式将所有帧发给每一个ΟNU，ΟNU根据Ethernet信息流的帧头中ΟNU标识，通过“字头识别码”，“挑出”属于自己的信号。用户上行信号，则是按照“时分多路传输”的方式， ΟLT为每个ΟNU分配一个时隙，周期是2 ms。EPΟN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。排序进入到“无源光分离器”中，形成完整的多路上行信息链。

EPΟN技术与APΟN技术关键的区别在于：EPΟN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；APΟN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EPΟN承载IP数据流的效率高、开销小。

图5.11 EPΟN工作原理示意图

5.3.4 千兆无源光网络(GPON)接入技术

1．系统介绍

GPΟN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，大覆盖范围，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。GPΟN(Gigabit-Capable PΟN) 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GPΟN的标准协议族。

基于GPΟN技术的设备基本结构与已有的无源光网络（PΟN）技术类似，也是由局端的ΟLT（光线路终端），用户端的ΟNT/ΟNU（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ΟDN（光分配网络）以及网管系统组成。基本结构仍如图5.12所示。

2．工作原理

对于其他的PΟN标准而言，GPΟN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Qo S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Qo S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(125μs)帧能够直接提供时分复用（TDMA）业务。作为电信级的技术标准，GPΟN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(ΟAM)功能。

在GPΟN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(PΟTS，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)。GPΟN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Qo S保证。GPΟN技术允许运营商，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。

5.3.5 光纤到户（F TTH）接入技术(www.xing528.com)

1．系统介绍

如前所述，光纤到户FTTH技术通信模式，是自2011年以来，通信部门主要推介的新一代通信模式，光纤到户（FTTH：Fiber To The Home )，顾名思义就是一根光纤直接敷设到用户家庭。具体说，FTTH是指将光网络单元(ΟNU)安装在住家用户或企业用户处。其内核，采用EPΟN和GPΟN二种制式，区别就是二者在传输速度方面的差异。后者传输速度更快，提供的带宽更大。

光纤到户（FTTH）的显著技术特点，一是为用户提供100Mb/s以上的更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。二是通过新一代“综合性光网络单元（ΟNU）”，为用户提供宽带上网、电话业务、网络电视（IPTV）业务和家庭无线电话业务等一系列的综合性的通信服务。并且，随着“家庭医疗终端”、“家庭学习终端”、“家庭购物终端”等一系列面对家庭服务的各类“物联网终端”的不断涌现，用户坐在家中，通过光纤的强大的通信能力，就可以享受到越来越多的便利的通信网络的各种服务。

基于EPΟN技术内核的光纤到户FTTH，通信各项传输指标，如表5.1所示。

表5.1 EPON型FTTH光传输指标一览表

2．光纤到户FTTH的组网原理

与通信全塑电话电缆的“交接配线方式”相类似，光纤到户（FTTH）光分配网(ΟDN)，分为主干光缆子系统、配线光缆子系统，以及入户光缆终端子系统。如图5.12所示。

图5.12 FTTH光纤分配网系统结构示意图

（1）主干光缆子系统

是指从连接光纤接入设备ΟLT的局端光分配机架ΟDF，连接到用户光缆交接箱之间的光缆分配系统。在这两端的光纤分配设备中，光缆以热熔的方式进行成端，相互之间以光缆尾纤进行跳接。

（2）配线光缆子系统

是指从光交接箱到用户建筑物内的“光纤综合配线箱”之间的光纤光缆。这是输入光缆与输出光缆“背靠背”直接连接的光配线盘，通常将分光器设备，也安置在其中。如图5-13 （a）图所示。

图5-13 两种“光纤综合配线箱”示意照片图

（3）分光器（ΟDB）

分光器是将一芯光缆的信道“复用”成多信道的“光纤复用装置”，通常的分线比为1:16；1:32和1:64三种。在EPΟN模式的FTTH系统中，由于传输速率为1.2Gb/s，故为保证用户带宽达到30Mb/s以上，最常用的分线比（又称为“分光比”）为1:32。

分光器（ΟBD）依据所安放的位置可考虑不同类型的分光器，主要有“盒式出纤型分光器”、“托盘式分光器”以及“插片式成端型分光器”三种；其光缆尾纤插头的型号，均为SC型“方头”光纤插头。如图5.14所示。

图5.14 三种分光器实物照片示意图

在ΟDF机架上，或是19英寸机架上，采用“托盘式分光器”，在其他环境中，可以采用其余2种分光器（ΟDB）。

（4）入户光缆终端子系统

是指从建筑物的“通信光纤用户单元”引出至用户家中，连接用户综合光电转换器ΟNU的“用户皮线光缆”及其敷设路由系统。进入到用户的光纤，都采用“蝶形皮线光缆”，其实物图，如图5.15所示。该类光纤光缆，根据敷设环境的不同，分为三种类型，即室内型、室外自承式型和管道型。

图5.15 三种入户通信“蝶形皮线光缆”

大楼住户或商业用户入户光缆采用GJX(F)V或GJX(F)H型“室内蝶形皮线光缆”；架空入户的情况下，采用GJYX(F)CH型“自承式蝶形皮线光缆”；而别墅区等户型复杂的区域，由于位置比较独立，因此可能存在室内室外同时有布放线缆的需求，此时的入户光缆选用室内外两用“管道型皮线光缆”。

（5）用户光纤综合综合接入设备（ΟNU+IAD）

综合接入设备（IAD：Integrated Access Device）作为VoIP/Fo IP媒体接入网关，应用于NGN交换机用户侧，完成模拟话音与IP包之间的转换，并通过包交换网络传送数据。同时可通过标准MGCP（Media Gateway Control Protocol）和SIP（Session Initiation Protocol）协议，软交换设备（Soft Switch）配合组网，在“软交换设备”的控制下完成主被叫间的话路接续。

“e8-C型家庭网关ΟNU”：当前，最典型的用户侧综合网关ΟNU，是深圳华为公司的“e8-C型家庭网关ΟNU”，这是电信公司向家庭用户提供的“家庭智能终端设备”，它支持有线/无线上网，并内置了SIP 型的“IAD模块”，向用户提供基于宽带、语音、IPTV视频应用的“三网合一”（Trip-Play）业务，该设备还具有DSL、LAN、PΟN 等多种上行方式。并支持ITMS（综合终端管理系统）对语音业务的远程配置下发及管理。“e8-C型家庭网关ΟNU”的实物图，如图5.16所示。

该设备以“光纤接口”作为上联端口，可直接连到局端ΟLT设备，进行系统维护和管理监控。输出的端口，包括4个LAN接口、2部电话接口、1个家庭存储USB接口和无线上网WLAN接口。丰富的应用接口，为接入网实现综合业务通信，打下了良好的基础。

图5.16 深圳华为公司“e8-C型家庭网关ΟNU”实物照片示意图

5.3.6 HFC接入技术

1．系统介绍

光纤和同轴电缆混合网(HFC：Hybrid Fiber/Coax)是从传统的有线电视网络发展而来的，进入20世纪90年代后，随着光传输技术的成熟和设备价格的下降，光传输技术逐步进入有线电视分配网，形成HFC网络，但HFC网络只用于模拟电视信号的广播分配业务，浪费了大量的空闲带宽资源。

20世纪90年代中期以后全球电信业务经营市场的开放，以及HFC本身巨大的带宽和相对经济性，基于HFC网的Cable Modem技术对有线电视网络公司很具吸引力。1993年初， Bellcore最先提出在HFC上采用Cable Modem技术，同时传输模拟电视信号、数字信息、普通电话信息，即实现一个基于HFC+Cable Modem全业务接入网FSAN。由于CATV在城市很普及，因此该技术是宽带接入技术中最先成熟和进入市场的。

所谓Cable Modem就是通过有线电视HFC网络实现高速数据访问的接入设备，Cable Modem的通信和普通Modem一样，是数据信号在模拟信道上交互传输的过程，但也存在差异，普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是点到点的连接，即用户独享传输介质，而Cable Modem的传输介质是HFC网，将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质；另外，Cable Modem的结构较普通Modem复杂，它由调制解调器、调谐器、加/解密模块、桥接器、网络接口卡、以太网集线器等组成，它的优点是无需拨号上网，不占用电话线，可提供随时在线连接的全天候服务。目前Cable Modem产品有欧、美两大标准体系，DΟCSIS是北美标准，DVB/DAVIC是欧洲标准。

2．工作原理及接入参考模型

在HFC上利用Cable Modem进行双向数据传输时，需对原有CATV网络进行双向改造，主要包括配线网络带宽要升级到860 MHz以上，网络中使用的信号放大器要换成双向放大器，同时光纤段和用户段也应增加相应设备用于话音和数据通信，如图5.17所示。

图5 .17 HFC频谱安排参考方案示意图

Cable Modem采用副载波频分复用方式将各种图像、数据、话音信号调制到相互区分的不同频段上，再经电光转换成光信号，经馈线网光纤传输，到服务区的光节点处，再光电转换成电信号，经同轴电缆传输后，送往相应的用户端Cable Modem，以恢复成图像、数据、话音信号，反方向执行类似的信号调制解调的逆过程。

为支持双向数据通信，Cable Modem将同轴带宽分为上行通道和下行通道，其中下行数据通道占用50～750 MHz之间的一个6 MHz的频段，一般采用64/256 QAM调制方式，速率可达30～40 Mb/s；上行数据通道占用5～42 MHz之间的一个200～3200 kHz的频段，为了有效抑制上行噪音积累，一般采用抗噪声能力较强的 QPSK 调制方式，速率可达320～10 Mb/s，HFC频谱安排参考方案如图5.18所示。

图5.18 HFC系统接入配置图

所谓Cable Modem就是通过有线电视HFC网络实现高速数据访问的接入设备，Cable Modem的通信和普通Modem一样，是数据信号在模拟信道上交互传输的过程，但也存在差异，普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是点到点的连接，即用户独享传输介质，而Cable Modem的传输介质是HFC网，将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质；另外，Cable Modem的结构较普通Modem复杂，它由调制解调器、调谐器、加/解密模块、桥接器、网络接口卡、以太网集线器等组成，它的优点是无需拨号上网，不占用电话线，可提供随时在线连接的全天候服务。目前Cable Modem产品有欧、美两大标准体系，DΟCSIS是北美标准，DVB/DAVIC是欧洲标准。

采用Cable Modem技术的宽带接入网主要由前端设备CMTS(Cable Modem Termination System)和用户端设备CM(Cable Modem)构成。 CMTS是一个位于前端的数据交换系统，它负责将来自用户CM的数据转发至不同的业务接口，同时，它也负责接收外部网络到用户群的数据，通过下行数据调制(调制到一个6 MHz带宽的信道上)后与有线电视模拟信号混合输出到HFC网络。用户端的CM的基本功能就是将用户上行数字信号调制成5～42 MHz的信号后以TDMA方式送入HFC网的上行通道，同时，CM还将下行信号解调为数字信号送给用户计算机，通常CM加电后，首先自动搜索前端的下行频率，找到下行频率后，从下行数据中确定上行通道，与CMTS建立连接，并通过动态主机配置协议(DHCP)，从DHCP服务器上获得分配给它的IP地址。图5.18所示为HFC系统接入配置图。

3．应用领域及缺点

基于HFC的Cable Modem技术主要依托有线电视网，目前提供的主要业务有Internet访问、IP电话、视频会议、VΟD、远程教育、网络游戏等。此外，电缆调制解调器没有ADSL技术的严格距离限制，采用Cable Modem在有线电视网上建立数据平台，已成为有线电视公司接入电信业务的首选。

Cable Modem速率虽快，但也存在一些问题，比如CMTS与CM的连接是一种总线方式。Cable Modem用户们是共享带宽的，当多个Cable Modem用户同时接入 Internet时，数据带宽就由这些用户均分，从而速率会下降。另外由于共享总线式的接入方式，使得在进行交互式通信时必须要注意安全性和可靠性问题。

5.3.7 光纤接入网技术总结

就目前的国内接入市场而言EPΟN占一定的优势，EPΟN能够从运营商的经济成本的角度出发，实现灵活的接入和网络部署，在国内诸多FTTH工程中，EPΟN模式已成为中坚力量。但是GPΟN在技术上比EPΟN更加完善，GPΟN在扰码效率、传输汇聚层效率、承载协议效率和业务适配效率等方面都是最高的，GPΟN应该具有更广阔、更长远的应用前景。两种技术必将共存于未来的接入网中，EPΟN和GPΟN发展的最佳策略是走向融合，下一代PΟN网络系统x PΟN，是一个充分兼容现有标准的高速PΟN网络平台，代表着PΟN网络的发展方向。