基于GPON的光纤接入网设计文档格式.docx

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“到2011年，光纤宽带端口超过8000万，城市用户接入能力平均达到8Mbit/s以上，农村用户接入能力平均达到2Mbit/s以上，商业楼宇用户基本实现100Mbit/s以上的接入能力。

”此项政策为中国宽带接入市场的发展奠定了良好基础，“光进铜退”、“百兆光纤入户”已成为现在国内宽带接入市场发展的方向。

自从1987年英国电信公司的研究人员提出了无源光网络（PassiveOpticalNetwork，PON）的概念开始，接入网技术从此进人了一片新的天地，尤其是在1995年FSAN联盟定义一个通用的标准后，不少设备制造商投资开发PON相关产品，运营商积极关注PON的应用。

因此，PON得到了极大的发展，业界公认PON代表了未来接入网的发展方向。

PON先后出现了ATM无源光网络（ActiveOpticalNetwork，APON）、以太网无源光网络（EthernetPassiveOpticalNetwork，EPON）、吉比特无源光网络（GigabitPassiveOpticalNetwork，GPON）三种技术。

APON技术由于承载协议复杂、业务效率不高等原因因此在无源接人网的应用前景中并不乐观。

基于以太网的EPON技术依靠较为成熟的技术、产品和较低的成本等优势在目前的市场中是个宠儿，但是EPON采用8B/10B线路编码，其宽带损耗大、效率低，另外它主要支持以太网业务，承载时延敏感的话音服务时会引起服务质量（QualityofService，QoS）问题。

而GPON作为新一代无源光网络接入技术，从一开始就综合考虑了PON的应用和要求，在传送多业务时对提供高比特率和高效率有明确的保证，同时能提供可靠的QoS机制和简便的管理功能。

因此GPON技术倍受运营商的关注和青睐，被认为是实现语音、数据、视频三网合一的最佳保证。

本论文全文分为五部分：

第一部分为前言，介绍了课题背景和论文结构；

第二部分，介绍了宽带接入的几种方式，目前主流的FTTx技术，PON的标准现状；

第三部分，下一代光纤接入网—GPON，首先介绍了GPON的实现原理，并对关键技术、应用模式、组网方式、设备类型进行了简单的描述，特别对动态带宽分配、上下行信道复用技术、帧结构、安全性和传输质量等关键技术进行了介绍；

第四部分，以一个小区业务需求为例，设计小区GPON接入方案，验证GPON应用方案的可行性，确保GPON在业务提供、系统性能等方面能够满足业务应用；

第五部分为结束语，总结在论文阶段的主要工作和论文主要内容。

第一章宽带接入技术

第一节宽带接入技术的概述

宽带接入是指用户需要通过一定的通信基础网络支持实现用户和Internet的高速连接。

由于种种原因，从通信基础网络到用户端“最后一公里”成为宽带接入的“瓶颈”。

目前，实现主要有以下几种方式：

xDSL、CableModem、吉比特以太网、无线接入技术和光纤接入技术。

一、xDSL

xDSL是高速数字用户线（HighDigitalSubscriberLine，HDSL）、非对称数字用户线路（AsymmetricDigitalSubscriberLine，ADSL）、超高速数字用户线（VeryhighdatarateDigitalSubscriberLine，VDSL）等技术的统称。

在xDSL的这几项技术中，由于HDSL主要支持2Mbit/s及以下的速率，VDSL提供的速率虽然很高（可达25Mbit/s以上），但线路长度较短（25Mbit/s时约为1㎞），已部分技术尚未完全确定，故在实际使用中，ADSL使用最为普遍。

ADSL是一种在普通电话线上进行宽带通信的技术，它利用现有的电话网络，以市话双绞铜线为传输介质，实现点到点的宽带传输，为用户提供上、下行非对称的传输速率，上行（从用户到网络）为低速的传输，可达1.5Mbit/s；

下行（从网络到用户）为高速传输，可达8Mbit/s，非常符合普通用户联网的实际需要。

ADSL的传输速率比传统的模拟调制解调器快100多倍，也是传输速率达128kbit/s的综合业务数字网（IntegratedServicesDigitalNetwork，ISDN）所无法比拟的。

ADSL最初主要是针对视频点播业务开发的，但随着技术的发展，ADSL逐步成为了一种较方便的宽带接入技术。

ADSL满足了用户即时接入Internet服务的需求。

这一技术极大地推动了高速数据传输，如会议电视、视频点播技术（VideoOnDemand，VOD）、高清晰度电视（HighDefinitionTelevision，HDTV）等业务的增长。

二、CableModem

有线电视网只是传送电视信号，而CableModem宽带接入则是利用原来的电缆传输线路，经过改造来实现上网和通讯。

由于有线电视采用同轴电缆，因此其带宽容量相当大，下传速率可以达到30Mpbs。

但是CableModem的问题也是显而易见的，因为有线电视的同轴电缆是按单行道模式设计，所以有线电视网必须将单向传输改制为双向传输才能实现因特网功能。

另外，CableModem采用树型结构，在树型节点上简单地将几个节点连在一起。

因此，它实际上是一个总线型网络，这就意味着用户要和邻居共享有限的带宽。

所以当同一时间上网人数多时，有线电视的上网速度就会变慢。

不过，由于CableModem网络的骨干部分是由光纤组成，而光纤的速度几乎是没有限制的，因此只要让有线电视网中光纤的部分增加，同轴电缆的部分减少，CableModem的扩充能力仍是极强的，所以共享式的结构不一定对速度产生太大影响。

三、吉比特以太网

吉比特以太网是一种新型高速局域网，它可以提供高达1Gbit/s的通信带宽，采用和传统10Mbps、100Mbps以太网同样的CSMA/CD协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速以大网基础上平滑、连续性的网络升级，从而能最大限度地保护用户以前的投资。

由于其利用光纤接入用户局域网，所以用户接入速度只受限于光纤的接入速率。

另外，吉比特以太网总体的开销，包括购置和维护开销都比较低，具备可支持新应用和新数据类型的能力，网络设计可以有相当的灵活性，还能够提供内部局域网通信。

四、无线接入

无线接入可分为移动接入与固定接入两种。

其中移动接入又可分为高速和低速两种。

高速移动接入一般可用蜂窝系统、卫星移动通信系统、集群系统等。

低速接入系统可用PGN的微小区和毫微小区，如CDMA的WILL、PACS、PHS等。

固定接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入，它实际上是公共交换电话网（PublicSwitchedTelephoneNetwork，PSTN）/ISDN网的无线延伸,其目标是为用户提供透明的PSTN/ISDN业务。

固定无线接入系统的终端不含或仅含有限的移动性，其接入方式有微波一点多址、蜂窝区移动接入的固定应用、无线用户环路及卫星VSAT网等。

固定无线接入系统以提供窄带业务为主，基本上是电话业务。

主要的宽带固定无线接入技术有3类，即已经投入使用的多路多点分配业务、直播卫星系统以及正在做现场试验的本地多点分配业务。

五、光纤接入

光纤接入技术是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体的接入方式，用户网光纤化有很多方案，有光纤到路边、光纤到小区、光纤到办公室、光纤到大楼、光纤到家庭。

但不管是何种领域的应用，实现光纤到户都是为了满足高速宽带业务以及双向宽带业务的客观需要。

光纤用户网的主要技术是光波传输技术，目前光纤传输的复用技术发展相当快，多数已处于实用化。

复用技术用得最多的有时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）、波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）、频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）、码分复用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）等。

第二节光纤在接入网中的延伸——FTTx

一、FTTx的系统结构

FTTx技术主要用于接入网络的光纤化运作，范围是从区域内的电信机房中的局端设备到用户终端设备，局端设备为光线路终端（OpticalLineTerminal，OLT），用户端设备为光网络单元（OpticalNetworkUnit，ONU）或光网络终端（OpticalNetworkTerminal，ONT）。

FTTx系统的基本组成如图1.1所示。

图1.1FTTx系统的基本组成

（一）光线路终端OLT

光线路终端OLT提供与光配线网（OpticalDistributionNetwork，ODN）之间的光接口，是用于连接主干光纤的局端设备，一般放置在服务提供商的中心机房。

OLT提供必要的手段来传递不同的业务给ONU，其功能结构由3部分组成：

核心部分、业务部分和公共部分。

（二）光分配网ODN

光分配网络ODN位于ONU和OLT之间，为ONU和OLT提供以光纤为传输媒介的物理连接，它是由无源光器件组成的无源光分配网。

从其功能上分，整个ODN网络从局端到用户端可分为馈线光缆子系统、配线光缆子系统、入户线光缆子系统和光纤终端子系统4个部分。

（三）光网络单元ONU/光网络终端ONT

ONU广义的概念是指装有包括光接收机、上行发射机、多端口桥接器的网络设备，光网络单元一般放置在用户端。

对于狭义的ONU概念，ONU系局端设备到用户终端设备之间的中间设备，通过ONU下挂用户终端设备连接最终用户。

ONT指的是位于用户端的终端设备。

二、FTTx技术分类

光纤连接ONU主要有两种方式,一种是点对点形式拓扑（PointtoPoint，P2P）,另一种是使用点对多点形式拓扑（PointtoMultipoint，P2MP）。

（一）点到点（P2P）以太网

点对点光纤连接没有复杂的上行同步技术和终端自动识别等优点，上行的全部带宽可以被一个终端所用，有利于带宽的扩展，但光学器件和光纤等材料的成本相对较高。

（二）点到多点（P2MP）的无源光网络

光分配网（ODN）由无源器件组成，并无任何有源节点，光线路终端（OLT）下行的光信号，是通过一根光纤，由无源光分路器（PassiveOpticalSplitter，POS）将光信号分路广播给各用户终端设备光网络单元（ONU/ONT），大幅减少了设备维护的成本，节省了大量光缆资源等建设成本。

三、FTTx技术的应用类型

FTTx是指光纤在接入网中的推进程度或使用策略，不是具体的接入技术。

光纤深入用户的程度不同，ONU放置的位置也不同。

根据ONU的具体放置位置，光接入网（OpticalAccessNetwork，OAN）可以分为四种基本的应用类型：

●光纤到路边（FiberToTheCurb/Cab，FTTC）

●光纤到大楼（FiberToTheBuilding，FTTB）

●光纤到办公室（FiberToTheOffice，FTTO）

●光纤到家（FiberToTheHome，FTTH）

●光纤到节点（FiberToTheNode，FTTN）

如图1.2所示OAN描述了的应用示意图。

FTTH

图1.2FTTx接入网

（一）光纤到路边（FTTC）

光纤连接到路边，是一种基于优化xDSL技术的宽带接入方式，采用光纤到路边、铜线到用户的方式实现用户的宽带接入，我们称为FTTC+xDSL的宽带接入网，这是适合小区缺乏五类线的情况下的一种最合理、最实用、最经济有效的宽带接入方法。

使用FTTC实际用户仍旧是采用xDSL接入，因此与当前的xDSL一样需要拨号，家里需要配置xDSL的“猫”。

在FTTC中一般采用小型数字用户线接入复用器（DigitalSubscriberLineAccessMultiplexer，DSLAM）设备作为最终接入，布放在电话分线盒位置上，一般覆盖24~96用户。

FTTC通常为点到点或点到多点结构，一个ONU可以为一个或多个用户提供接入。

FTTC常和xDSL或cablemodem组合使用，给用户提供窄带或宽带业务。

（二）光纤到大楼（FTTB）

光纤到楼，是一种基于优化高速光纤局域网技术的宽带接入方式，采用光纤到楼、网线到户的方式实现用户的宽带接入，我们称为FTTB+LAN的宽带接入网，这是一种最合理、最实用、最经济有效的宽带接入方法。

使用FTTB不需要拨号，用户只要开机即可接入Internet，可以认为采用的是专线接入。

FTTB对硬件要求和普通局域网的要求是一样的，只需要配置以太网卡，所以对用户来说硬件投资非常少。

FTTB的ONU直接放置在居民住宅公寓或单位办公楼的某个公共地方，然后通过铜缆将业务分送到各个用户。

通常是一种点到多点的结构，即一个ONU为多个用户提供接入。

合适的接入技术有：

FTTB+xDSL或FTTB+Ethernet。

ONU到用户间可采用xDSL技术或Ethernet技术。

（三）光纤到办公室（FTTO）

光纤到办公室，是光纤延伸到办公室的宽带接入技术。

若将FTTC结构中的ONU放置在办公室，就构成了FTTO结构。

FTTO实现了全程光纤接入，主要用于大型企事业单位，业务量需求大，一般采用环型或点到点的结构。

但是一般FTTO除了提供以太网接口用于宽带上网以外，还需要提供少量的E1接口。

（四）光纤到家（FTTH）

光纤到家，顾名思义就是一根光纤直接到家庭。

它是在光纤上承载的业务，它是无源网络，从局端到用户，中间基本上可以做到无源；

FTTH去掉了整个铜线设施：

馈线、配线和引入线。

它还去掉了铜线所需要的所有维护工作并大大延长了网络寿命。

对所有的宽带应用，这种结构是最健壮和长久的未来解决方案。

FTTH的显著技术特点是不但提供更大的带宽，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。

适于引入各种新业务，是最理想的业务透明网络，是接入网发展的最终方式。

（五）光纤到节点（FTTN）

光纤连接到节点，是光纤延伸到电缆交接箱所在处，然后采用技术覆盖到最终用户的宽带接入技术，它与FTTC比较类似，主要的区别在光纤终节点的位置，以及覆盖的最终用户数。

对于FTTN，光纤在电缆交接箱处终结，因此一般覆盖200~300用户。

它的主要特点是不需要重建接入环路和分配网络。

因此比较适合用户较分散、较稀疏的农村。

第三节无源光网络——PON

一、无源光网络的概念及结构

无源光网络接入系统PON，是指在OLT（光线路终端）和ONU（光网络单元）之间的ODN（光分配网络）没有任何有源电子设备，是一种点对多点的接入技术。

在光分支点不需要节点设备，只需要安装一个简单的无源光分路器，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、安全性高、综合建网成本低、维护成本低等优点，同时PON技术是一种纯光介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性。

PON技术的产生，打破了传统光接入点到点的解决方法，在解决宽带接入问题上提供了一种经济的、面向未来的、多业务的用户接入技术，是当前FTTx接入的主要技术手段。

二、PON的种类

PON是实现宽带光接入的一种常用网络形式，从概念的提出到现在已有20多年的时间。

在这期间，人们根据PON的独特物理结构，提出了一些标准和规范。

按承载的内容来分类，PON主要包括基于异步传输模式（AsynchronousTransferMode，ATM）的无源光网络（APON）∕宽带无源光网络（BroadbandPassiveOpticalNetwork，BPON），基于Ethernet的无源光网络（EPON），基于通用成帧规程（GenericFramingProcedure，GFP）的比特无源光网络（GPON）等。

他们主要差异在于采用了不同的二层交换技术，APON二层交换采用的是ATM技术，最高速率为622Mbit/s；

EPON二层交换采用的是Ethernet技术，可以支持1.25Gbit/s速率，将来速率还能升级到10Gbit/s；

GPON二层交换则采用GFP对Ethernet、TDM和ATM等多种业务进行封装映射技术。

如表1.1所示对EPON和GPON两种千兆比无源光网络技术的主要参数进行了比较，为更加全面，同时也将BPON列入其中。

表1.1BPON、EPON、GPON技术主要参数比较

BPON

EPON

GPON

下行线路速率（Mbit/s）

155/622/1244

1250

1244/2488

上行线路速率（Mbit/s）

155/622

155/622/1244/2488

线路编码

NRZ

8B/10B

分路比

32

32/64

64/128

最大传输距离（km）

20

60

TDM支持能力

TDMoverATM

TDMoverEthernet

TDMoverPacket

上行可用带宽（Mbit/s）

（传输IP业务）

500（在上行622Mbit/s速率情况下）

760~860（在上行1250Mbit/s速率情况下）

1100（在上行1244Mbit/s速率情况下）

OAM

有

下行数据加密

搅动或AS加密

没有定义

AS加密

由表可知，EPON简单、高速、成本低、用户面广，技术、产品相对GPON成熟，是近期大力发展的无源接入技术;

而GPON可透明传