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PON接入网结构-无源光网络接入

        一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴。—中国谚语
           一个本地接入网系统可以是点到点系统,也可以是点到多点系统;可以是有源的,也可以是无源的。图11.2.1表示光接入网(OAN)的典型结构,可适用于光纤到家(FTTH)、光纤到楼/路边(FTTB/C)和光纤到交接间(FTTCab)。
光接入网结构
图11.2.1  光接入网结构
        FTTB和FTTH的不同仅在于业务传输的目的地不同,前者业务到大楼,后者业务到家。与此对应,到楼的终端叫ONU,到家的终端叫ONT。它们都是光纤的终节点,为了叙述的方便,之后统称为ONU。通常ONU比ONT服务的用户更多,适合于FTTB,而ONT适合于FTTH。
       在FTTH系统中,没有户外设备,使网络结构及运行更简单;因为它只需对光纤系统进行维护,所以维修容易,并且光纤系统比混合光纤/同轴电缆系统更可靠;随着接入网光电器件技术的进步和批量化生产,将加速终端成本和每条线路费用的降低。所以FTTH是接入网未来的发展趋势。
       根据ITU-TG.982建议,PON接入网的参考结构如图11.2.2所示。该系统由OLT、ONU、无源光分配网络(ODN)、光缆和系统管理单元组成。ODN将OLT光发射机的光功率均匀地分配给与此相连的所有ONU,这些ONU共享一根光纤的容量。为了保密和安全,对下行信号进行搅动加密和口令认证,在上行方向采用测距技术以避免碰撞。
       光分配网络(ODN)在一个OLT和一个或多个ONU之间提供一条或多条光传输通道。参考点S和R分别表示光发射点和光接收点,S和R间的光通道在同一个波长窗口中。光在ODN中传输的两个方向是下行方向和上行方向。下行方向信号从OLT到ONU传输,与ODN的接口是S/R;上行方向信号从ONU到OLT传输,与ODN的接口是R/S。在下行方向,OLT把从业务节点接口(SNI)来的业务经过ODN广播式发送给与此相连的所有ONU。在上行方向,系统采用TDMA技术使ONU无碰撞地发送信息给OLT。
 PON接入网的参考结构
图11.2.2   PON接入网的参考结构
 

一、 光线路终端(OLT)

1. OLT功能模块
      OLT由ODN接口单元、ATM复用交叉单元、业务单元和公共单元组成,如图11.2.3所示。
      ODN接口单元完成物理层功能和汇聚子层(TC)功能,主要包括光/电和电/光变换、速率耦合/解耦、测距、信元定界和帧同步、时隙和带宽分配、口令识别、扰码和解扰码、搅动和搅动键更新、信头误码控制(HEC)和比特交错校验(BIP8)、比特误码率(BER)计算和运行维护与管理(OA&M)等,特别是在OLT上行方向要完成突发同步和数据恢复等功能。在具有动态带宽分配功能的系统中,ODN还完成动态授权分配功能。为了实现OLT和ODN间的保护切换,OLT通常配备有备份的ODN接口。
OLT构成框图
图11.2.3    OLT构成框图
       ATM复用交叉单元完成多种业务在ATM层的交叉连接功能、传输复用/解复用功能、流量管理和整形功能、运行维护和管理(OAM)等功能。在下行ATM净荷中插入信头构成ATM信元,并从上行ATM信元中提取ATM净荷。
        业务单元完成业务接口功能,如采用基于SDH接口,除完成电/光或光/电转换外,在下行方向,从输入的SDH信息流中提取时钟和恢复数据,用信元定界方式从SDH帧中提取ATM信元,滤除空闲信元(即速率解耦),通过ATM通用测试运行物理接口(UTOPIA)输出到ATM复用交叉单元;在上行方向,把ATM信元和空闲信元(如有必要)插入SDH帧的净荷中(即速率耦合),并插入各种SDH开销,以便组成
SDH帧。另外业务单元还应具有信令处理的能力。
2. OLT工作原理
       在下行方向,接收来自业务端的数字流,经速率解耦去掉空闲信元,提取出ATM信元,根据其虚通道标识符/虚信道标识符(VPI/VCI)交叉连接到相应的通路,重新组成ATM信元,然后对其净荷进行搅动加密。下行传输复用采用时分复用(TDM)方式,每发送27个ATM信元就插入1个物理层OAM(PLOAM)信元,由此形成PON的下行传输帧,经扰码后送给光发送模块,进行电/光变换,以广播方式传送给所有与之相连的ONU。
       在上行方向,OLT在接收到ONU的突发数据时,根据前导码恢复判决门限并提取时钟信号,实现比特同步。接着根据定界符对信元进行定界。获得信元同步后,首先进行解扰码,恢复信元原貌。经速率解耦后提取出ATM信元,然后根据信元类型进行不同的处理。若是PLOAM信元,则根据其中的信息类型分别送到测距、搅动、OAM等功能模块进行处理。若是ATM信元,则送到ATM交叉连接单元进行虚通道标识符/虚信道标识符转换,连接到相应的业务源。

二、光网络单元(ONU)

1. ONU完成功能
       图11.2.4表示ONU的功能构成框图,它由ODN接口单元、复用/解复用单元、业务单元和公共单元组成。
  ONU功能构成框图
图11.2.4     ONU功能构成框图
       ODN接口单元完成物理层功能和ATM传输会聚子层(TC)功能,物理层功能包括对下行信号进行光/电变换,从下行数据中提取时钟,从下行PON净荷中提取ATM信元,在上行PON净荷中插入ATM信元。如上行接入采用时分多址(TDMA)方式,则对上行信号完成突发模式发射。通常,TC子层完成速率耦合/解耦、串/并变换、信元定界和帧同步、扰码/解扰码、ATM信元和PLOAM信元识别分类、测距延时补偿、口令识别、搅动键更新和解搅动、信头误码控制(HEC)和比特交错校验(BIP8)、比特误码率(BER)计算和运行维护和管理等功能。如果在一个ONU中有多个传输容器(T-CONT),每个T-CONT都要完成以上的功能。
       当系统具有上行带宽分配(DBA)能力时,ODN接口单元还应具有情况报告和信息检测功能。为了实现OLT和ODN间的保护切换,ONU通常配备有备份的ODN接口。
       ONU提供的业务,既可以给单个用户,也可以给多个用户。所以要求复用/解复用单元完成传输复用/解复用功能、用户业务复用/解复用功能。在上行ATM净荷中插入信头构成ATM信元,从下行ATM信元中提取ATM净荷,根据VPI/VCI值完成多种业务在ATM层的交叉连接、组装/拆卸和分发功能,以及运行维护和管理等功能。
       业务单元提供用户端口功能,根据用户的需要,提供Internet业务、电路仿真业务(CES)、E1业务和xDSL等业务。按照不同的物理接口(如双绞线、电缆),它提供不同的调制方式接口,进行A-D和D-A转换。另外,还应具有信令转换功能。
       ONU公共单元包括供电和OAM功能。供电部分有交流/直流变换或直流/直流变换,供电方式可以是本地供电,也可以是远端供电,几个ONU也可以共用同一个供电系统。ONU在备用电池供电条件下也能正常工作。
2. ONU工作原理
       当接收下行数据时,ONU利用锁相环技术从下行数据中提取时钟,并按照ITU-T I.432.1建议进行信元定界和解扰码。然后识别信元类型,若是空闲信元则直接丢弃,若是PLOAM信元,则根据其中的信息类型分别送到测距、搅动键更新、OAM等功能模块进行处理。若是ATM信元,则解搅动后根据VPI/VCI值选出属于自己的ATM信元,送到
ATM复用/解复用单元进行VPI/VCI转换,然后送到相应的用户终端。
        当发送上行数据时,ONU从业务单元接收到各种用户业务(如E1、CES等)的ATM信元后,进行拆包,根据传送的目的地加上VPI/VCI值,重新打包成ATM信元,然后存储起来。根据从下行PLOAM信元中收到的数据授权和测距延时补偿授权,延迟规定的时间后把信元发送出去,当没有信元发送时就发送空闲信元,当接收到PLOAM授权后就发送PLOAM信元或在接收到可分割时隙授权后就发送微时隙。对该信元进行电/光变换前,先要对除开销字节外的净荷进行扰码。

三、 光分配网络(ODN)——将OLT光信号广播分配到多个ONU

       光分配网络(ODN)提供ONU到OLT的光纤连接,如图11.2.5所示。ODN将光能分配给各个ONU,这些ONU共享一根光纤的容量。在该分配网中,使用无源光器件实现光的连接和光的分路/合路,所以这种光分配系统称为无源光网络(PON)。主要的无源光器件有:单模光纤光缆、光连接器、光分路器和光纤接头等。
1×8光分路器结构
图11.2.51×8光分路器结构
       ODN采用树形结构的点到多点方式,即多个ONU与一个OLT相连。这样,多个ONU可以共享同一根光纤、同一个光分路器和同一个OLT,从而节约了成本。这种结构利用了一系列级联的光分路器对下行信号进行分路,传输给多个用户,同时也靠这些分路器将上行信号汇聚在一起送给OLT。
       光分路器的功能是把一个输入的光功率分配给多个光输出。作为光分路器使用的光耦合器,只用其一个输入端口。光分路器的基本结构如图11.2.5所示,它是星形耦合器的一个特例。1×N光分路器可以由多个2×2耦合器组合。图11.2.5表示由7个2×2单模光纤耦合器组成的1×8光分路器结构。光分路器对线路的影响是附加插入损耗,可能还有一定的反射和串音。
       在ODN中,光传输有上行方向和下行方向。信号从OLT到ONU是下行方向,反之是上行方向。上行方向和下行方向可以用同一根光纤传输(单纤双工),也可以用不同的光纤传输(双纤双工)。
       为了提高ODN的可靠性,通常需要对其进行保护配置。保护通常指在网络的某部分建立备用光通道,备用光通道往往靠近OLT,以便保护尽可能多的用户。
       PON是一个点到多点系统,比点到点系统复杂得多。各种PON都具有相同的拓扑特性,即所有来自ONU的上行传输都在树状ODN中以无源方式复用,再通过单根光纤传送到OLT后解复用。不过,各个ONU都不能访问其他ONU的上行传输。
        PON的功率分配也可以分级进行,比如在一条馈线末端安装1×8的分路器,再在8分支末端安装1×4的分路器,从而使总分路比达到1∶32。分配级数可以大于2。由于功率分配可以分开进行,这使得同一PON里的ONU享有不同的分光比。
        在ODN中有两种发送下行信号的基本方法,一种是功率分配PON(PS-PON),一种是波长路由PON,也称WDM-PON。PS-PON一般简称为PON,下行信号的功率平均分配给每个分支,所以OLT可以向所有的ONU进行广播,由各个ONU负责从集合信号中提取自己的有效载荷。在WDM-PON中,给每个ONU分配一个或多个专用波长。