FTTx技术.docx

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FTTx技术

FTTx技术

3.2.1概述

传统的接入网技术难以满足Multiple-Play业务的需求，只有基于光纤接入技术的综合业务接入网能够满足未来用户的需求。

光纤接入采用光纤作为传输媒质，具有传输容量大、传输质量高、高可靠性、传输距离长、抗电磁干扰等优点，是未来宽带有线接入的发展方向。

FTTX是接入网提速的必然选择，最终目标是FTTH（光纤到户）。

图3-2FTTx接入示意图

图3-3FTTH接入示意图

FTTx系统主要由光线路终端（OLT，局端设备）、光网络单元（ONU，用户端设备）和光分配网（ODN，光纤环路系统）组成。

其中光分配网由以下几部分组成：

●干（馈）线光缆：

由中心机房引出，至光分配点

●配线设施：

光缆接续盒、光交接箱、光配线箱、ODF

●光分配点：

光分路器所在的位置

●配线光缆：

光配线点至入户光纤配线点之间

●光分路器：

1:

2～1:

64

●入户光纤配线点：

对入户线光缆进行配线的设施所在的位置

●入户线光缆：

入户光纤配线点至光纤端接点之间

●配线设施：

楼道分线盒、光缆接头盒

●光纤端接设施：

光纤插座、入户终端盒

●跳线：

连通光纤端接设施与ONU

图3-4ODN拓扑示意图

图3-5ODN应用示意图

3.2.2FTTx的划分与技术种类

1、FTTx的划分

根据光纤到用户的距离来分类，如图1所示，可分成光纤到交换箱（FTTCab）、光纤到路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）及光纤到户（FTTH）或光纤到办公室（FTTO）等。

美国运营商Verizon将FTTB及FTTH合称光纤到驻地（FTTP）。

上述服务可统称FTTx。

（1）光纤到路边

光纤到路边（FTTC）的ONU设置在路边的人孔、电线杆的分线盒处、交接箱等位置，从ONU到用户之间采用双绞线、同轴电缆等，是一种光缆/同缆混合系统。

（2）光纤到大楼

光纤到大楼（FTTB）中ONU直接放在楼内，再经铜线将业务分送到各个用户。

FTTB的光纤化程度比FTTC更进一步，适合与高密度用户区如写字楼等，通常采用点到多点的结构。

（3）光纤到户/办公室

光纤到户/办公室（FTTO）的ONU通常位于大企事业用户（公司、大学、研究所、政府机关等）终端设备处，由于这些用户业务量大，加上无源光网络的发展使得接入成本不断降低，因此这种结构发展很快，一般采用点对点或环型结构。

光纤到户（FTTH）的ONU位于用户家中，将光纤的距离延伸到终端用户家里，使得家庭内能提供各种不同的宽带服务，如VOD、在家购物、在家上课等，提供更多的商机。

若搭配WLAN技术，将使得宽带与移动结合，则可以达到未来宽带数字家庭的远景。

2、FTTx的技术种类

FTTx的主要实现技术包括点对点技术（如点对点光以太网，包括有源、无源两种情况）和点对多点无源光网络技术（如EPON、GPON、BPON等）两大类。

点对多点的PON技术与点对点方式相比，节省主干光纤和OLT光接口，标准化程度高，适合于用户区域较分散、而每一区域内用户又相对集中的小面积密集用户地区，是近期宽带光接入及FTTH应用的主要方式。

点对点方式的主要优点是专用接入、带宽有保证、设备成本低、覆盖区域较大、在低密度用户区域平均成本较低，适合于用户分布比较分散或带宽需求较高（100Mb/s以上）的场合。

BPON/APON由于技术比较复杂、成本较高、速率有限、IP业务映射效率低等原因，不宜再采用，目前主推EPON/GPON。

3.2.3FTTx的解决方案

1、点到点的FTTx解决方案

点对点直接光纤连接具有容易管理、没有复杂的上行同步技术和终端自动识别等优点。

另外上行的全部带宽可被一个终端所用，这非常有利于带宽的扩展。

但是这些优点并不能抵消它在器件和光纤成本方面的劣势。

Ethernet+MediaConverter就是一种过渡性的点对点FTTH方案，此种方案使用媒体转换器（MediaConverter;MC）方式将电信号转换成光信号进行长距离的传输。

其中MC是一个单纯的光电/电光转换器，它并不对信号包做加工，因此成本低廉。

这种方案的好处是对于已有的电的Ethernet设备只需要加上MC即可。

MC方式的拓扑结构如图3所示。

对于目前已经普及的100MbpsEthernet网络而言，100Mbps的速率也可满足接入网的需求，不必更换支持光纤传输的网卡，只需要加上MC，这样用户可以减少升级的成本，是点对点FTTH方案过渡期间网络的解决方案。

由于其技术架构相当简单、便宜并直接结合以太网络而一度成为日本FTTH的主流，但在2004OFC会议中，NTT宣称将从现在起日本FTTH标案将采取点对多点（PointtoMulti-Point，P2MP）架构的PON网络模式，势必将影响MC的未来。

图3-6使用MediaConverter

2、点到多点的FTTx解决方案

在光接入网中，如果光配线网（ODN）全部由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是PON。

PON的架构主要是将从光纤线路终端设备OLT下行的光信号，通过一根光纤经由无源器件Splitter（光分路器），将光信号分路广播给各用户终端设备ONU/T，这样就大幅减少网络机房及设备维护的成本，更节省了大量光缆资源等建置成本，PON因而成为FTTH最新热门技术。

PON技术始于20世纪80年代初，目前市场上的PON产品按照其采用的技术，主要分为APON/BPON（ATMPON/宽带PON）、EPON（以太网PON）和GPON（千兆比特PON），其中，GPON是最新标准化和产品化的技术。

不同PON技术有着不同的优缺点，如下所示。

表3-2xPON技术比较

3.2.4光纤回路分类

FTTH的传输层分为三类：

分別是Duplex（双纤双向）回路，Simplex（单纤双向）回路和Triplex（单纤三向）回路。

其中双纤回路是在OLT端和ONU端之间使用两路光纤连接，一路为下行，信号由OLT端到ONU端；另一路为上行，信号由ONU端到OLT端。

Simplex单纤回路又称为Bidirectional，简称BIDI，这种方案只使用一条光纤连接OLT端和ONU端，并利用WDM方式，用不同波长的光信号分別传送上行和下行的信号。

这种利用WDM方式传输的单纤回路和Duplex双纤回路相比可减少一半的光纤使用量，可以降低ONU用户端的成本，但是使用单纤方式时在光收发模块上要引入分光合光单元，架构比使用双纤方式的光收发模块复杂一点。

BIDI上行信号选用1260至1360nm波段的激光传输，下行则使用1480至1580nm波段。

而在双纤回路中则是上下行都使用1310nm波段传送信号。

单纤三向回路是指在一条光纤中上行采用1310nm波段传送信号，下行采用1490nm和1550nm波段传送信号。

其中1550nm波段传送广播电视，1490nm波段传送数据，这就需要所谓的Triplex架构。

这三种情况的具体示意图，如图3-7所示。

图3-7（a）Duplex双纤回路

图3-7（b）Simplex单纤回路

图3-7（c）Triplex单向三纤回路

3.2.5PON技术介绍

PON，PassiveOpticalNetwork，无源光网络，一种基于P2MP拓朴的技术。

随着以太网技术在城域网中的普及以及宽带接入技术的发展，人们提出了速率高达1Gbit/s以上的宽带PON技术，主要包括EPON和GPON技术：

“E”是指Ethernet，“G”是指吉比特级。

1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。

1995年，全业务网络联盟FSAN（FullServiceAccessNetwork）成立，旨在共同定义一个通用的PON标准。

1998年，国际电信联盟ITU-T工作组，以155Mbps的ATM技术为基础，发布了G.983系列APON（ATMPON）标准。

这种标准目前在北美、日本和欧洲应用较多，在这些地区都有APON产品的实际应用。

但在中国，ATM本身的推广并不顺利，所以APON在我国几乎没有什么应用。

2000年底，一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟（EFMA），提出基于以太网的PON概念——EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork）。

EFMA还促成电气电子工程师协会（IEEE）在2001年成立第一英里以太网（EFM）小组，开始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在内的EFM相关标准。

EPON标准IEEE802.3ah在2004年6月正式颁布。

2001年底，FSAN更新网页把APON更名为BPON（BroadbandPON）。

实际上，在2001年1月左右EFMA提出EPON概念的同时，FSAN也已经开始了带宽在1Gbps以上的PON，也就是GigabitPON标准的研究。

FSAN/ITU推出GPON技术的最大原因是由于网络IP化进程加速和ATM技术的逐步萎缩导致之前基于ATM技术的APON/BPON技术在商用化和实用化方面严重受阻，迫切需要一种高传输速率、适宜IP业务承载同时具有综合业务接入能力的光接入技术出现。

在这样的背景下，FSAN/ITU以APON标准为基本框架，重新设计了新的物理层传输速率和TC层，推出了新的GPON技术和标准。

2003年3月ITU-T颁布了描述GPON总体特性的G.984.1和ODN物理媒质相关（PMD）子层的G.984.2GPON标准，2004年3月和6月发布了规范传输汇聚（TC）层的G.984.3和运行管理通信接口的G.984.4标准。

3.2.5.1PON原理

3.4.5.1.1PON组成

如图3-8所示，PON由光线路终端（OLT）、光合／分路器（Spliter）和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构。

OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。

ONU放置在用户侧，OLT与ONU之间通过无源光合／分路器连接。

所谓无源，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。

图3-8PON组成结构

PON使用波分复用（WDM）技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送。

OLT到ONU/ONT的方向为下行方向，反之为上行方向。

下行方向采用1490nm，上行方向采用1310nm。

如图3-9所示。

其基本思想是在一定的物理限制和带宽限制条件下，让尽可能多的终端设备ONU来共享局端设备OLT和光纤。

图3-9PON单纤双向传输原理

3.4.5.1.2PON技术特点

1、优点：

●多业务：

PON系统要求提供语音，数据，视频等业务接入，业务透明性好，实现真正意义的全业务接入与“三网合一”。

●高带宽：

EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。

GPON则是高达2.5Gb/s的带宽。

●长距离接入：

由于光纤的传输距离高达数百公里，所以实际上物理传输层的距离瓶颈在收发光信号的设备光器件上，目前PON标准规定距离为20km

●成本相对低：

由于PON系统的ODN部分没有电子部件，无需电源供应，因此容易铺设，基本不用维护，建设维护成本低。

设备相对简单，系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。

●扩展性好：

目前PON网络一般采用树型网络结构，作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构既节省光纤的资源，同时这种共享带宽的网络结构能够提供灵活的带宽分配。

对终端的接入无需增加主干部分的线路，另外，系统在设计增加了动态测距和分配时隙的技术，终端的增加和拆除不影响整个系统的稳定运行，所以，当系统需要扩充时，所需改动的部分最小，为工程实施提供了灵活的解决方案。

●良好的QoS保证；PON系统设计中，由于本身就是为电信运营商提供多业务接入而设计的技术方案，G/EPON系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。

在不同业务的服务质量、优先级保证等技术措施上，提供了多种应用解决手段，实现用户级的SLA，因此，用户可根据接入的设备重要性的不同，分别设置不同的服务等级，对重要的用户或重要的应用设备，设置及时、可靠的响应机制，从而实现了多业务、不同服务等级的综合接入系统。

●无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。

2、缺点：

●建网需要重新布线，但布线成本低于铜缆。

●网络拓扑以星树形为主（虽然有环形保护的变通方案，但成本效率不是最优，PON最适合的就是末端接入）。

●国内正处于规模应用开始阶段，设备成本有待进一步降,尤其是FTTH模式。

3.4.5.1.3PON工作原理

下行：

OLT将送达各个ONU的下行业务组装成帧，以广播的方式发给多个ONU，也就是通过光分路器分为N路独立的信号，每路信号都含有发给所有特定ONU的帧，各个ONU只提取发给自己的帧，将其它ONU的帧丢弃；

图3-10PON下行广播方式工作示意图

上行：

从各个ONU到OLT的上行数据通过时分多址（TDMA）方式共享信道进行传输，OLT为每个ONU都分配一个传输时隙。

这些时隙是同步的，因此当数据包耦合到一根光纤中时，不同ONU的数据包之间不会产生碰撞。

图3-11PON上行TDMA方式工作示意图

3.4.5.1.4PON拓扑

PON系统的组网方式如下图所示。

其中最常见的是树形拓扑。

图3-12PON拓扑

3.4.5.1.5PON保护

从接入网的管理角度看，为加强接入网的可靠性，PON的保护结构是必须要考虑的。

然而，保护应当是一种可选的机制，因为其实施必须要考虑到经济因素。

PON的保护根据其保护部分的不同，主要有几种类型：

光纤部分保护、OLT保护和全保护等。

这三种配置如下图所示。

图3-13（a）光纤部分保护

图3-13（b）OLT保护

图3-13（c）全保护

3.2.5.2EPON原理

EPON在现有IEEE802.3协议的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧，是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和TDM（TimeDivisionMultiplexing）时分MAC（MediaAccessControl）媒体访问控制方式提供多种综合业务的宽带接入技术。

EPON基本特征

●遵循标准IEEE802.3-2005section5.

●OLT与ONU之间信号传输基于IEEE802.3以太网帧

●传输线路速率下行/上行：

1.25Gbit/s

●编码方式为8B/10B码

●分光比1：

64

●物理传输距离20KM

EPON相对于现有类似技术的优势主要体现在以下几个方面：

1、与现有以太网的兼容性：

以太网技术，是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。

EPON只是对现有IEEE802.3协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。

考虑到以太网的市场优势，EPON与以太网的兼容性是其最大的优势之一。

2、高带宽：

根据目前的讨论，EPON的下行信道为百兆/千兆的广播方式，而上行信道为用户共享的百兆/千兆信道。

这比目前的接入方式，如Modem、ISDN、ADSL甚至ATMPON（下行622/155Mbps，上行共享155Mbps）都要高得多。

3、低成本：

首先，由于采用PON的结构，EPON网络中减少了大量的光纤和光器件以及维护的成本。

其次，以太网本身的价格优势，如廉价的器件和安装维护使EPON具有ATMPON所无法比拟的低成本。

3.2.5.3GPON原理

1、GPON标准包括：

vG.984.1：

千兆比无源光网络的总体特性

vG.984.2：

千兆比无源光网络的物理媒质相关（PMD）层规范

vG.984.3：

千兆比无源光网络（GPON）的传输汇聚层规范

vG.984.4：

千兆比无源光网络（GPON）的ONT管理控制接口（OMCI）规范

2、GPON基本特征：

v支持全业务：

包括话音（TDM、SONET和SDH）、以太网、ATM、租用线与其它业务；

v用同一协议可支持各种对称和不对称比特率，155M/622M/1.2Gbit/s上行，1.2Gbit/s下行，以及155M/622M/1.2G/2.4Gbit/s上行，2.4Gbit/s下行；

v物理距离最大支持20km，光纤差分距离最大支持20km；

v分光比支持1：

64、1：

128；

vGPON系统最大传输时延为1.5ms；

v线路码是不归零（NRZ）码，在物理层有带外控制信道，用于使用G983PLOAM的OAM功能；

vGEM封装：

把任何业务（TDM和分组）都通过GFP装入125微秒的幀中，封装简单高效；

v能提供端到端业务管理的OAM&P强大功能；

v技术设备相对复杂，GPON承载有QoS保障的多业务和强大的OAM能力等优势很大程度上是以技术和设备的复杂性为代价换来的，从而使得相关设备成本相对较高。

GPON传输网络可以是任何类型，如SONET/SDH和ITU-TG.709（OTN）；用户信号可以是基于分组的（如IP/PPP，或EthernetMAC），或是持续的比特速率，或者是其它类型的信号；而GFP则对不同业务提供通用、高效、简单的方法进行封装，经由同步的网络传输；对于最靠近用户的接入层来说，GPON具有前所未有的高比特率、高带宽；而其非对称特性更能适应未来的FTTH宽带市场。

因为使用标准的8kHz（125μ）帧，从而能够直接支持TDM业务。

图3-14GPON帧周期

GPON拥有高速宽带及高效率传输的特性。

GPON采用全新的传输汇聚层协议“通用成帧协议”（GFP，GenericFramingProtocol），实现多种业务码流的通用成帧规程封装；另一方面又保持了G.983中与PON协议没有直接关系的许多功能特性，如OAM管理、DBA等。

GFP基本的帧格式主要由两部分组成：

4B的帧头（CoreHeader）和GFP净负荷（其范围从4～65535B）。

CoreHeader域由2B的帧长度指示（PLI，PDULengthIndicator）和2B的帧头错误检验（HEC，HeaderErrorCheck）组成。

GFP的净负荷中又分为净负荷的帧头（PayloadHeader）、净负荷本身及4B的FCS（FrameCheckSequence）可选项。

PayloadHeader用来支持上层协议对数据链路的一些管理功能，由类型（Type）域及其HEC检验字节和可选的GFP扩展帧头（ExtensionHeader）组成。

在Type域中提供了GFP帧的格式、在多业务环境中的区分以及ExtensionHeader的类型。

目前，GFP定义了三种ExtensionHeader（Null、Linear、Ring），分别用于支持点对点和环网逻辑链路上的GFP帧的复用，在相应的ExtensionHeader域中会给出源/目的地址、服务类别、优先权、生存时间、通道号、源/目的MAC端口地址等。

当没有数据包传输时，GFP会插入空闲帧（IdleFrame），IdleFrame是一种特殊的GFP控制帧，只有4B的CoreHeader（PLI值为0）。

GPON的下行帧结构：

图3-15GPON下行帧结构

GPON的上行帧结构：

图3-16GPON上行帧结构

GFP简单灵活尤其适合于在字节同步通信信道上传输块编码和面向分组的数据流，它成功吸收了ATM中基于帧描述的差错控制技术来适应固定或可变长度的数据业务。

GFP不需要预先处理客户的字节流，不需要象8B/10B或64B/66B那样需要插入数据控制比特，也不需要HDLC帧结构中的标志符，它仅依赖于当前净荷的长度及帧边界的差错控制校验，有效的确认这两类信息并在GFP的帧头中传输是决定数据链路同步及进入下一帧字节数的关键。

为了方便的在同一时间里处理到达的随机字节块，GFP充分减少了数据链路的映射解映射的处理。

通过使用具有低比特错误率的新型光纤来作为传输介质，GFP进一步减少了收端的逻辑处理。

这减少了运行的复杂性，使得GFP特别适合于点到点的SONET/SDH的高速传输链路及OTN的波长信道。

GFP允许执行共存于同一传输信道中的多传输模式。

一种模式是帧映射GFP，这种模式适合于PPP、IP、MPLS及以太网业务。

另一种模式是透明映射GFP，它可用于对延迟敏感的存储域网，也可用于光纤信道、FICON及ESCON业务。

总之，GPON继承了G.983的成果，具有丰富的业务管理能力。

GPON的核心基础是GFP，它具有覆盖任何可能出现的新业务的适配能力，包括数字视频、存储网络（SAN）、电子商务等。

GPON具有面向未来的、可升级的多业务环境，能为将来的业务提供清晰的转移路线，而不需要中断和改变现有的GPON设备，也不需要以任何方式改变其传输层。

3.2.5.4EPON和GPON比较

由于IEEE的EPON标准化工作比ITU-T的GPON标准化工作开展得早，而且IEEE的关于Ethernet的802.3标准系列已经成为业界的最重要的标准，因此目前市场上已有的G比特级PON产品更多的是遵循EPON标准，严格遵循GPON标准的产品目前基本上还没有。

EPON产品较GPON产品更广泛的另一个重要原因是因为EPON标准制定得更宽松，制造商在开发自己的产品时有更大的灵活性。

表3-3EPON与GPON比较

GPON（ITU-TG.984）

EPON（IEEE802.3ah）

下行速率

2500Mbps

1250Mbps

上行速率

1250Mbps

1250Mbps

分光比

1:

64,可扩展为1:

128

1:

32可扩展为1:

64

下行效率

~92%，采用：

NRZ扰码（无编码），开销（8%）

~72%，采用：

8B/10B编码（20%），开销及前同步码（8%）

上行效率

~89%，采用：

NRZ扰码（无编码），开销（11%）

~68%，采用：

8B/10B编码（20%），开销（12%）

实际下行带宽

2300Mbps

900Mbps

实际上行带宽

1110Mbps

850Mbps

每用户实际下行带宽

72Mbps（1:

32），36Mbps（1:

64）

28Mbps（1:

32）

运营、维护（OAM&P）

OMCI必选。

对ONT进行全套FCAPS（故障、配置、计费、性能、安全性）管理

OAM可选且最低限度地支持：

ONT的故障指示、环回和链路监测

网络保护

50ms主干光纤保护倒换

未规定

TDM传输和时钟同步

内置，支持NativeTDM模式，保障TDM业务质量，电路仿真可选

电路仿真（ITU-TY.1413或MEF或IETF）

光纤线路检测

OLSG.984.2

无

1、可用带宽

EPON提供固定上下行1.25Gbps，采用8B/10B线路编码，实际速率为1Gbps。

GPON支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，下行2.5Gbps或1.25Gbps，上行1.25Gbps、622Mbps等多种速率，根据实际需求来决定上下行速率，选择相对应光模块，提高光器件速率价格比。

2、多业务能力和安全性

EPON沿用了简单的以太网数据格式，只是在以太网包头增加了64字节的MPCP点到多点控制协议来实现EPON系统中的带宽分配、带宽轮询、自动发现、测距等工作。

虽然IEEE在制定EPON标准时主要考虑数据业务，基本上未考虑语音业务，但是鉴于目前运营商在布网规划时更注重要求接入网络应能同时提供数据和语音业务，因此除