光纤与光接入网

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第一章　光纤

　　第一讲　光纤的分类
　　一， 光纤的分类
　　光纤是光导纤维（OF：Optical Fiber）的简称。但光通信系统中常常将 Opti
cal Fibe（光纤）又简化为 Fiber，例如：光纤放大器（Fiber Amplifier）或光
纤干线（Fiber Backbone）等等。有人忽略了Fiber虽有纤维的含义，但在光系统
中却是指光纤而言的。因此，有些光产品的说明中，把fiber直译成“纤维”，显然
是不可取的。

　　光纤实际是指由透明材料作成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料作成的包层所被覆，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。

　　光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。但对于有
线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：①损耗小；②有一
定带宽且色散小；③接线容易；④易于成统；⑤可靠性高；⑥制造比较简单；⑦价
廉等。

　　光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上
作一归纳的，兹将各种分类举例如下。
（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。
（2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。
（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。
（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。
（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。



　　二， 石英光纤
　　是以二氧化硅（SiO2）为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的
折射率分布的光纤。石英（玻璃）系列光纤，具有低耗、宽带的特点，现在已广泛
应用于有线电视和通信系统。

　　掺氟光纤（Fluorine Doped Fiber）为石英光纤的典型产品之一。通常，作为
1.3Pm波域的通信用光纤中，控制纤芯的掺杂物为二氧化绪（GeO2），包层是用SiO
炸作成的。但接氟光纤的纤芯，大多使用SiO2，而在包层中却是掺入氟素的。由于，瑞利散射损耗是因折射率的变动而引起的光散射现象。所以，希翼形成折射率变动因素的掺杂物，以少为佳。

　　氟素的作用主要是可以降低SIO2的折射率。因而，常用于包层的掺杂。由于掺
氟光纤中，纤芯并不含有影响折射率的氟素掺杂物。由于它的瑞利散射很小，而且
损耗也接近理论的最低值。所以多用于长距离的光信号传输。

　　石英光纤（Silica Fiber）与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红
外线光的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。


　　三， 红外光纤
　　作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长，尽管用在较短的传输距离，也只能用于2pm。为此，能在更长的红外波长领域工作，所开发的光纤称为红外光纤。

　　红外光纤（Infrared Optical Fiber）主要用于光能传送。例如有：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。


　　四， 复台光纤
　　复合光纤（Compound Fiber）在SiO2原料中，再适当混合诸如氧化钠（Na2O）、氧化硼（B2O2）、氧化钾（K2O2）等氧化物的多成分玻璃作成的光纤，特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。


　　五， 氟化物光纤
　　氯化物光纤（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料又
简称 ZBLAN（即将氟化铝（ZrF4）、氰化钡（BaF2）、氟化镧（LaF3）、氟化铝
（A1F2）、氰化钠（NaF）等氯化物玻璃原料简化成的缩语。主要工作在2～ 10pm
波长的光传输业务。

　　由于ZBLAN具有超低损耗光纤的可能性，正在进行着用于长距离通信光纤的可
行性开发，例如：其理论上的最低损耗，在3pm波长时可达10-2～10－3dB／km，而
石英光纤在1.55pm时却在0.15～0.16dB/Km之间。

　 目前，ZBLAN光纤由于难于降低散射损耗，只能用在2.4～2.7pm的温敏器和热
图像传输，尚未广泛实用。

　　最近，为了利用ZBLAN进行长距离传输，正在研制1.3pm的掺错光纤放大器（PD
FA）。

　　六， 塑包光纤
　　塑包光纤（Plastic Clad Fiber）是将高纯度的石英玻璃作成纤芯，而将折射
率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较，具有
纤芯租、数值孔径（NA）高的特点。因此，易与发光二极管LED光源结合，损耗也
较小。所以，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。


　　七， 塑料光纤
　　这是将纤芯和包层都用塑料（聚合物）作成的光纤。早期产品主要用于装饰和
导光照明及近距离光键路的光通信中。

　　原料主要是有机玻璃（PMMA）、聚苯乙稀（PS）和聚碳酸酯（PC）。损耗受到
塑料固有的C－H结合结构制约，一般每km可达几十dB。为了降低损耗正在开发应用
氟索系列塑料。由于塑料光纤（Plastic Optical fiber）的纤芯直径为1000pm，比单模石英光纤大100倍，接续简单，而且易于弯曲施工容易。近年来，加上宽带化的进度，作为渐变型（GI）折射率的多模塑料光纤的发展受到了社会的重视。最近，在汽车内部LAN中应用较快，未来在家庭LAN中也可能得到应用。


　　八， 单模光纤
　　这是指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常简称为单模光纤
（SMF：Single ModeFiber）。目前，在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。

　　由于，光纤的纤芯很细（约10pm）而且折射率呈阶跃状分布，当归一化频率V参
数＜2.4时，理论上，只能形成单模传输。另外，SMF没有多模色散，不仅传输频带
较多模光纤更宽，再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消，其合成特性恰好形
成零色散的特性，使传输频带更加拓宽。

　　SMF中，因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤（DePr-
essed Clad Fiber），其包层形成两重结构，邻近纤芯的包层，较外倒包层的折射
率还低。另外，有匹配型包层光纤，其包层折射率呈均匀分布。


　　九， 多模光纤
　　将光纤按工作彼长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤（MMF：
MUlti ModeFiber）。纤芯直径为50pm，由于传输模式可达几百个，与SMF相比传输
带宽主要受模式色散支配。在历史上曾用于有线电视和通信系统的短距离传输。自
从出现SMF光纤后，似乎形成历史产品。但实际上，由于MMF较SMF的芯径大且与LED
等光源结合容易，在众多LAN中更有优势。所以，在短距离通信领域中MMF仍在重新
受到重视。


　　MMF按折射率分布进行分类时，有：渐变（GI）型和阶跃（SI）型两种。GI型
的折射率以纤芯中心为最高，沿向包层徐徐降低。从几何光学角度来看，在纤芯中
前进的光束呈现以蛇行状传播。由于，光的各个路径所需时间大致相同。所以，传
输容量较SI型大。


　　SI型MMF光纤的折射率分布，纤芯折射率的分布是相同的，但与包层的界面呈
阶梯状。由于SI型光波在光纤中的反射前进过程中，产生各个光路径的时差，致使
射出光波失真，色激较大。其结果是传输带宽变窄，目前SI型MMF应用较少。


　　十， 色散使移光纤


　　单模光纤的工作波长在1.3Pm时，模场直径约9Pm，其传输损耗约0.3dB／km。
此时，零色散波长恰好在1.3pm处。


　　石英光纤中，从原材料上看1.55pm段的传输损耗最小（约0.2dB／km）。由于
现在已经实用的掺铒光纤放大器（EDFA）是工作在1.55pm波段的，如果在此波段也
能实现零色散，就更有利于应用1.55Pm波段的长距离传输。


　　于是，巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性，就可使原在1.3Pm段的零色散，移位到1.55pm段也构成零色散。因此，被命名为色
散位移光纤（DSF：DispersionShifted Fiber）。


　　加大结构色散的方法，主要是在纤芯的折射率分布性能进行改善。


　　在光通信的长距离传输中，光纤色散为零是重要的，但不是唯一的。其它性能
还有损耗小、接续容易、成缆化或工作中的特性变化小（包括弯曲、拉伸和环境变
化影响）。DSF就是在设计中，综合考虑这些因素。


　　11色散平坦光纤
　　色散移位光纤（DSF）是将单模光纤设计零色散位于1.55pm波段的光纤。而色
散平坦光纤（DFF：Dispersion Flattened Fiber）却是将从1.3Pm到1.55pm的较
宽波段的色散，都能作到很低，几乎达到零色散的光纤称作DFF。由于DFF要作到
1.3pm～1.55pm范围的色散都减少。就需要对光纤的折射率分布进行复杂的设计。
不过这种光纤对于波分复用（WDM）的线路却是很适宜的。由于DFF光纤的工艺比较
复杂，费用较贵。今后随着产量的增加，价格也会降低。

　　12色散补偿光纤
　　对于采用单模光纤的干线系统，由于多数是利用1.3pm波段色散为零的光纤构
成的。可是，现在损耗最小的1.55pm，由于EDFA的实用化，如果能在1.3pm零色散
的光纤上也能令1.55pm波长工作，将是非常有益的。
因为，在1.3Pm零色散的光纤中，1.55Pm波段的色散约有16ps／km／nm之多。
如果在此光纤线路中，插入一段与此色散符号相反的光纤，就可使整个光线路的
色散为零。为此目的所用的是光纤则称作色散补偿光纤（DCF：DisPersion Compe-
nsation Fiber）。


　　DCF与标准的1.3pm零色散光纤相比，纤芯直径更细，而且折射率差也较大。
DCF也是WDM光线路的重要组成部分。

　　13偏派保持光纤
　　在光纤中传播的光波，因为具有电磁波的性质，所以，除了基本的光波单一
模式之外，实质上还存在着电磁场（TE、TM）分布的两个正交模式。通常，由于
光纤截面的结构是圆对称的，这两个偏振模式的传播常数相等，两束偏振光互不
干涉。但实际上，光纤不是完全地圆对称，例如有着弯曲部分，就会出现两个偏
振模式之间的结合因素，在光轴上呈不规则分布。偏振光的这种变化造成的色散，
称之偏振模式色散（PMD）。对于现在以分配图像为主的有线电视，影响尚不太大。
但对于一些未来超宽带有特殊要求的业务，如：①相干通信中采用外差检波，要
求光波偏振更稳定时；②光机器等对输入输出特性要求与偏振相关时；③在制作
偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等时；④制作利用光干涉的光纤敏感器等，
凡要求偏振波保持恒定的情况下，对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏
振保持光纤（PMF：Polarization Maintaining fiber），也有称此为固定偏振
光纤的。

　　14双折射光纤
　　双折射光纤是指在单模光纤中，可以传输相互正交的两个固有偏振模式的光
纤而言。因为，折射率随偏报方向变异的现象称为双折射。在造成双折射的方法
中。它又称作PANDA光纤，即偏振保持与吸取减少光纤（Polarization－maintai-
ning AND Absorption－ reducing fiber）。它是在纤芯的横向两则，设置热
膨胀系数大、截面是圆形的玻璃部分。在高温的光纤拉丝过程中，这些部分收缩，
其结果在纤芯y方向产生拉伸，同时又在x方向呈现压缩应力。致使纤材出现光弹
性效应，使折射率在X方向和y方向出现差异。依此原理达到偏振保持恒定。

　　15抗恶环境光纤
　　通信用光纤通常的工作环境温度可在-40～＋60℃之间，设计时也是以不受大
量辐射线照射为前提的。相比之下，对于更低温或更高温以及能遭受高压或外力
影响、曝晒辐射线的恶劣环境下，也能工作的光纤则称作抗恶环境光纤（Hard
Condition Resistant Fiber）。


　　一般为了对光纤表面进行机械保护，多涂覆一层塑料。可是随着温度升高，
塑料保护功能有所下降，致使使用温度也有所限制。如果改用抗热性塑料，如聚
四氟乙稀（Teflon）等树脂，即可工作在300℃环境。也有在石英玻璃表面涂覆
镍（Ni）和铝（A1）等金属的。这种光纤则称为耐热光纤（Heat Resistant Fib-
er）。


　　另外，当光纤受到辐射线的照射时，光损耗会增加。这是因为石英玻璃遇到
辐射线照射时，玻璃中会出现结构缺陷（也称作色心：Colour Center），尤在
0.4～0.7pm波长时损耗增大。防止办法是改用掺杂OH或F素的石英玻璃，就能抑
制因辐射线造成的损耗缺陷。这种光纤则称作抗辐射光纤（Radiation Resista-
nt Fiber），多用于核发电站的监测用光纤维镜等。

　　16密封涂层光纤
　　为了保持光纤的机械强度和损耗的长时间稳定，而在玻璃表面涂装碳化硅
（SiC）、碳化钛（TiC）、碳（C）等无机材料，用来防止从外部来的水和氢的
扩散所制造的光纤（HCF：HermeticallyCoated Fiber）。目前，通用的是在化
学气相沉积（CVD）法生产过程中，用碳层高速堆积来实现充分密封效应。这种
碳涂覆光纤（CCF）能有效地截断光纤与外界氢分子的侵入。据报道它在室温的
氢气环境中可维持20年不增加损耗。当然，它在防止水分侵入延缓机械强度的疲
劳进程，其疲劳系数（Fatigue Parameter）可达200以上。所以，HCF被应用于
严酷环境中要求可靠性高的系统，例如海底光缆就是一例。

　　17碳涂层光纤
　　在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤，称之碳涂层光纤（CCF：Carbon Coated
Fiber）。其机理是利用碳素的致密膜层，使光纤表面与外界隔离，以改善光纤
的机械疲劳损耗和氢分子的损耗增加。CCF是密封涂层光纤（HCF）的一种。

　　18金属涂层光纤
　　金属涂层光纤（Metal Coated Fiber）是在光纤的表面涂布Ni、Cu、A1等
金属层的光纤。也有再在金属层外被覆塑料的，目的在于提高抗热性和可供通
电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一，也可作为电子电路的部件用。


　　早期产品是在拉丝过程中，涂布熔解的金属作成的。由于此法因被玻璃与
金属的膨胀系数差异太大，会增微小弯曲损耗，实用化率不高。近期，由于在
玻璃光纤的表面采用低损耗的非电解镀膜法的成功，使性能大有改善。

　　19掺稀土光纤
　　在光纤的纤芯中，掺杂如何（Er）、钦（Nd）、谱（Pr）等稀土族元素的
光纤。1985年英国的索斯安普顿（Sourthampton）大学的佩思（Payne）等首
先发现掺杂稀土元素的光纤（Rare Earth DoPed Fiber）有激光振荡和光放大
的现象。于是，从此揭开了惨饵等光放大的面纱，现在已经实用的1.55pmEDFA
就是利用掺饵的单模光纤，利用1.47pm的激光进行激励，得到1.55pm光信号放
大的。另外，掺错的氟化物光纤放大器（PDFA）正在开发中。

　　20喇曼光纤
　　喇曼效应是指往某物质中射人频率f的单色光时，在散射光中会出现频率f
之外的f±fR， f±2fR等频率的散射光，对此现象称喇曼效应。由于它是物质
的分子运动与格子运动之间的能量交换所产生的。当物质吸取能量时，光的振
动数变小，对此散射光称斯托克斯（stokes）线。反之，从物质得到能量，而
振动数变大的散射光，则称反斯托克斯线。于是振动数的偏差FR，反映了能级，
可显示物质中固有的数值。

　　利用这种非线性媒体做成的光纤，称作喇曼光纤（RF：Raman Fiber）。
为了将光封闭在细小的纤芯中，进行长距离传播，就会出现光与物质的相互作
用效应，能使信号波形不畸变，实现长距离传输。


　　当输入光增强时，就会获得相干的感应散射光。应用感应喇曼散射光的设
备有喇曼光纤激光器，可供作分光测量电源和光纤色散测试用电源。另外，感
应喇曼散射，在光纤的长距离通信中，正在研讨作为光放大器的应用。

　　21偏心光纤
　　标准光纤的纤芯是设置在包层中心的，纤芯与包层的截面形状为同心圆型。
但因用途不同，也有将纤芯位置和纤芯形状、包层形状，作成不同状态或将包
层穿孔形成异型结构的。相对于标准光纤，称这些光纤叫异型光纤。


　　偏心光纤（Excentric Core Fiber），它是异型光纤的一种。其纤芯设置
在偏离中心且接近包层外线的偏心位置。由于纤芯靠近外表，部分光场会溢出
包层传播（称此为渐消彼，Evanescent Wave）。


　　因此，当光纤表面附着物质时，因物质的光学性质在光纤中传播的光波受
到影响。如果附着物质的折射率较光纤高时，光波则往光纤外辐射。若附着物
质的折射率低于光纤折射率时，光波不能往外辐射，却会受到物质吸取光波的
损耗。利用这一现象，就可检测有无附着物质以及折射率的变化。


　　偏心光纤（ECF）主要用作检测物质的光纤敏感器。与光时域反射计（OTDR）
的测试法组合一起，还可作分布敏感器用。

　　22发光光纤
　　采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时，
产生的荧光一部分，可经光纤闭合进行传输的光纤。


　　发光光纤（Luminescent Fiber）可以用于检测辐射线和紫外线，以及进
行波长变换，或用作温度敏感器、化学敏感器。在辐射线的检测中也称作闪光
光纤（Scintillation Fiber）。


　　发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上，正在开发着塑料光纤。

　　23多芯光纤
　　通常的光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的。但多芯光纤（Multi
Core Fiber）却是一个共同的包层区中存在多个纤芯的。由于纤芯的相互接近
程度，可有两种功能。


　　其一是纤芯间隔大，即不产生光耦会的结构。这种光纤，由于能提高传输
线路的单位面积的集成密度。在光通信中，可以作成具有多个纤芯的带状光缆，
而在非通信领域，作为光纤传像束，有将纤芯作成成千上万个的。


　　其二是使纤芯之间的距离靠近，能产生光波耦合作用。利用此原理正在开
发双纤芯的敏感器或光回路器件。

　　24空心光纤
　　将光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤
（Hollow Fiber）。


　　空心光纤主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线光能传输。空
心光纤结构有两种：一是将玻璃作成圆筒状，其纤芯与包层原理与阶跃型相同。
利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于，光的大部分可在无损耗的空气
中传播，具有一定距离的传播功能。二是使圆筒内面的反射率接近1，以减少反
射损耗。为了提高反射率，有在简内设置电介质，使工作波长段损耗减少的。
例如可以作到波长10.6pm损耗达几dB／m的。




第二讲　信号传输的革命——光纤传感技术

　　光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支撑发展的信息产业的重要组成部分。由于其信号传输是光，因此具有本质防爆特性，井具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰强、可传距离远以及操作肾单、使用寿命长等一系列优点，特别是能在极端恶劣危险的环境中工作，这在目前起对不可取代的作用。该技术的产业化可带动和促进多个工业领域的技术进步和发展，将给仪器仪表及其相关行业带来一次技术革命：将会给石油、化工工业的自动化计量和安全检测技术带来重大变革；提高冶金、化工、建材等行业高温测量的自动化检测水平；为电力系统高压设备参数测量和安全监测提供新的手段；为特大型工程的长期安全运行提供全新可靠的监测方法；还将带动和兴起一批为之配套的加工工业和新型敏感材料、特种光纤等新材料工业的发展。在下述应用领域尤其具有重要意义）

　　一、光纤液位传感器
　　在我国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采用光纤光缆采集和传输信号，做到现场无电检侧，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。即将投产的光纤液位传感器价调查和分析表明，目前全国年需求量应在1万台以上，而1日市场需求仍在快鹏长如。

　　二、光纤高温测量仪
　　目前，我国冶金，化工，建材，能源等工业部门的高温炉体均采用双。。。。。。 我国主要依靠从南：）娜罗斯进口，因此其生产成 光纤高温测量仪，是采用特种材料制备的光纤传感头，由于环境温度的变化，引起通过传感光通量的变化，经光传输信息并进行光电转换和数字化处理从而达到测量环境（被测物体）温度的目的，经用户试用考核，光纤高温测且仪有toT优点：①反应灵敏②安全③寿命长（在复杂环境下是传统曳热偶的3一4倍）④抗电磁干扰能力强。其馒大优势在生渤本，金属热电偶每支长度一般为：1米，需铂金丝2米，校目前的进口成本，仅这瓤分的材料费概达刃0元晦支，而光纤高乒测量仪，整体制造成本仅fo8oo7C／每支，因此县＊jR大的价格优势。目前工业领域涉及采用高沪生产并需检测温度的“行业主要有：冶金、化工、化肥、羹村等行业。①冶金：主要用于冶炼炉体及出炉钢水、铁水的温度测量，如武钢·据了解每年需消耗金属热电偶约1万支。国内现有大小钢铁厂和炼铜《炼铬等其它有色金属冶炼企业的预计年消耗金属热电偶在百万支以上，光纤高温测量仪由于非一次性产品，寿命较长，其需求勾汕在：顺支以上。②化工、化肥：据全国的化工，化肥企业的预计年消耗量也在1顺支左右，由于光纤高温测且仪的寿命为全属热电偶的2倍，年懦求也在4万支左右。③巨村：巴村行业采用高温窑炉生产的有水泥窑炉、玻璃窑炉、陶瓷窑炉，全国有大小水泥厂are余家，玻璃厂41x）亲家，陶瓷厂3m久家，以平均每家年消耗10支计算，年懦求10万支忻合本产品颂支。④其它行业特别是科研单位，大量研究机构，以及如金属硅，碳化硅的烧结炉和输变电站的大型变压器工作温度检测等领域，预计财产品的需求且也在5万支以上。上述几方面的衫合计为年23万支左右。

　　三、光纤阀位回讯器
　　在易燃易馒、瞩蚀性液体物质管遭输送系统中，阀位控制尤为重要，而我国石化、化工行业目前所使用的各种阀位回讯器，由于受工矿环境的影响及各种原料溶液的腐蚀，基本上用不了几个月就无法正常工作）由此导致阀门的开起度无法控制．这不仅存在安全隐息i也严重影响生产的自动化管理，目前急需一种安全可靠的替代品。光纤阀位回讯器具有本质防馒，使用寿命长卜1小次）使用时间在三年以上，效果良好。：～“、光纤阀位回讯器主要用于石油化工筹领域的省仑输送中的阀门检测与控制，调查显示，目前石化系统共拥有各类阀（下5～40万合，其更换周期为4郝：向购：年新增阀门有】万台，这样仅石化系统年需要的阀位回讯器约8h10万支。此外，其它行业如油品的运输、贮存、化工筹单位以及国家正在建设的西气东送工择，均有大鱼的阀门斋乡装阀位回讯器，因此保守的估计1国内隼


　　心沥血，终于取得重大突破，至目前已形成光纤传感领！域六大类30亲种科技成果和产品，通过在石油、怄、剃金、铁路、建材、水利等行业的实际推广应用，效果极佳，取得了巨大的经济效益和社会效益，并先后获得了m多项国家和省部级科技成果奖励和国家专利。其产品技术已达到或接近国际先进水平。其中光纤高温测量仪、光纤液位传感器、光纤阀位回讯器三大系列产品的生产技术已达到实用化程度，具有极大的市场潜力，也已具备开发和批量生产的条件。 卜北新建材参与发起设立的武汉工大光纤传感科技股份有限企业已在有“中国光谷”之你的武汉市正式挂牌。该企业的主发起人为武汉工业大学科技开发总企业，注册资金2500万元人民币，北新建材投资700万元，持有20%的发起人股份。北新建材因此在中国“光谷：”的光传感科技领域占有了一席之地。



第二章　光接入网讲座

　　第一讲　光接入网概述
　　摘要：本讲首先讨论了光接入网的基本概念和应用环境，然后先容系统接入方式，接下来重点讲述系统参考配置和应用类型，最后分别简要先容其业务支撑能力和配置结构的选择。

　　关键词：光接入网 无源光网络

1 光接入网的基本概念和应用环境

　　所谓光接入网（OAN）就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，OAN指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。在北美，美国贝尔通信研究所规范了一种称为光纤环路系统（FITL）的概念，其实质和目的与ITU-T所规定的OAN基本一致，只是具体规范稍有差异因而泛指时OAN和FITL两者可以等效使用，不作区分。

　　根据接入网室外传输设施中是否含有源设备，OAN又可以划分为无源光网络（PON）和有源光网络（AON），前者采用光分路器分路，后者采用电复用器分路，两者均在发展，但多数国家和国际电联标准部（ITU-T）更注重推动PON的发展，ITU-T第15研究组已于1996年6月通过了第一个有关PON的国际建议G.982，不少国家也已开始或准备开始在接入网中大量引入OAN系统，其中德国走得最快，已敷设了大约1500 000线。目前商用的PON系统主要是窄带PON（2Mbit/s以下业务），宽带PON（BPON）尚处于研究试验阶段，但发展势头很猛，值得密切注视。

　　总体上看，目前的接入网仍然主要是铜缆网，约占94%左右，携带的业务主要是电话业务。铜缆网的故障率很高，维护运行成本也很高，仅美国贝尔电话运营企业每年用于其用户铜缆网维护运行和满足新用户增长要求的花费就达30亿美金。在光通信时代，花费巨额费用去维护运行一个将要淘汰的铜缆网实在是迫不得已之举。OAN和FITL概念的提出正是为了达到将上述大规模用户接入网投资和花费逐渐转向光纤的目的。总的看，在电信网中引入OAN或FITL的最基本的目标有两条。

　　　　首先是为了减少铜缆网的维护运行费用和故障率。据估算，采用光用户接入网后，每年的维护运行和供给成本可以比传统铜缆网节约至少每线50美金。对于1亿用户线相当每年可以节约50亿美金，20年累计可达1000亿美金，已完全可以用这笔费用来弥补将铜缆网转变为光缆网所需的新投资，当然故障率也可降低。

　　　　其次是为了支撑开发新业务，特别是多媒体和宽带新业务，从而加强竞争力，增加新业务收入，补偿建设光用户接入网所需的新投资。近年来由于光器件价格的持续稳定下降而铜缆价格的持续上升，光接入网的初装费用也已经可以与传统铜缆网相比，在传输距离大约为（2～3）km以上时已低于传统铜缆网。

　　除了上述两个基本目标外，采用光接入网可以满足用户希翼较快提供业务，改进业务质量和可用性的要求，也可以节约城市拥挤不堪的地下管道空间，延长传输复盖距离，适应扩大的本地交换区等其他目的，其结果当然也把接入网的数字化进一步推向了用户。简言之，采用光接入网已经成为解决电信发展瓶颈的主要途径，其应用场合，不仅最适合那些新建的用户区，而且也是对需要更新的现有铜缆网的主要代替手段。

　　OAN和FITL的主要设计目标有三条： 　　　　首先主要是为小企事业单位和居民住宅用户设计的，因而可以看作是一种小型的数字环路载波系统。这一点不仅与传统的大容量点到点光纤传输系统不同，也与数字环路载波系统不同，从而引入了不少新的特点。

　　　　其次光接入网的引入不应依赖于交换机的类型，既要能与现有模拟交换机或数字交换机兼容，也应能与新的数字交换机兼容，即能工作于多厂家，多类型交换机环境。

　　　　最后光接入网必须能提供所有原来铜缆网所能提供的业务（主要为2Mbit/S以下速率的业务），将来还应能升级提供图像和数据等新的宽带业务。

　　综上可知，OAN不是传统的光纤传输系统，而是一种针对接入网环境所设计的特殊的光纤传输系统。尽管有人将之称为小型数字环路载波系统（DLC），其实两者在设计思想、结构、成本和应用环境等方面都有不少差别。

2 系统接入方式

　　从光接入网系统接入方式看，FITL有三类接入方式：

　　1.综合的FITL系统

　　这类系统的主要特点是通过一个开放的高速数字接口与数字交换机相连。由于接口是开放的因而FITL系统与交换机制造厂商无关，可以工作在多厂家环境，有利于将竞争机制引入接入网，从而降低了用户接入网成本。这种方式代表了FITL的主要发展方向。

　　目前这类标准开放接口有两大类，一类是美国贝尔通信研究所为综合的数字环路载波（IDLC）系统提出的TR-303开放接口。该接口采用嵌入的OAM通路，增加一些为支撑FITL系统所需要的功能后将成为综合的FITL系统的开放接口。另一类是ITU-T提出的V.5.1和V.5.2开放接口，后者比前者仅多了集中和保护功能。这类接口将成为OAN的标准开放式数字接口。遗憾的是两者间都互不兼容。

　　2.通用的FITL系统

　　这类系统在FITL和交换机之间需要应用一个局内终端设备，在北美称之为局端（COT）。其功能是进行数模转换并将来自FITL系统的信号分解为单个的话带信号，以音频接口方式经音频主配线架与交换机相连。由于接口是音频话带接口，因而这种方式适合于任何交换机环境，包括模拟交换机和尚不具备标准开放接口的数字交换机。然而，由于需要增加局内终端设备、音频主配线架和用户交换终端，因而这种方式的成本和维护费用要比综合的FITL系统高。其好处是通用性。

　　3.专用交换机的FITL系统

　　这类系统与交换机之间不存在开放的标准接口，而是工厂自行开发的专用内部接口，因而交换机和FITL系统必须由同一制造厂家生产。这往往是迫不得已的方法，不是发展方向，将逐渐淘汰。

3 参考配置和应用类型

　　3.1 功能参考配置

　　ITU-T建议G.982提出了一个与业务和应用无关的光接入网功能参考配置示例，如图1所示。尽管图示参考配置是以无源光网络（PON）为例的，但原则上也适用其他配置结构，例如将图中无源光分路器用电复用器代替就成了有源双星形结构。


　　图中从给定网络接口（V接口）到单个用户接口（T接口）之间的传输手段的总和称为无源光接入链路。利用这一概念可以方便地进行功能和规程的描述以及规定网络需要。通常，光接入键路的用户侧和网络侧是不一样的，因而是非对称的。光接入传输系统可以看作是一种使用光纤的具体实现手段，用以支撑接入链路。于是，光接入网（OAN）可以定义为共享同样网络侧接口且由光接入传输系统支撑的一系列接入链路，由光线路终端（OLT）、光配线网（ODN）、光网络单元（ONU）及适配功能（AF）组成，可能包含若干与同一OLT相连的ODN。

　　下面先对几个主要功能块的作用作一简要先容。

　　OLT的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并经一个或多个ODN与用户侧的ONU通信，OLT与ONU的关系为主从通信关系。在北美，OLT称为局用数字终端（HDT）。OLT可以分离交换和非交换业务，管理来自ONU的信令和监控信息，为ONU和本身提供维护和供给功能。OLT可以直接设置在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器接口。OLT在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在一个设备内。

　　ODN为OLT与ONU之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分配。ODN是由无源光元体（诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等）组成的纯无源的光配线网，呈树形—分支结构。

　　ONU的作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于ODN的用户侧。ONU的主要功能是终结来自ODN的光纤处理光信号并为多个小企事业用户和居民住宅用户提供业务接口。ONU的网络侧是光接口而用户侧是电接口，因此ONU需要有光/电和电/光转换功能，还要完成对语声信号的数/模和模/数转换、复用、信令处理和维护管理功能。其位置有很大灵活性，既可以设置在用户住宅处，也可以设置在DP处甚至FP处，按照ONU在用户接入网中所处的位置不同，可以将OAN划分为三种基本不同的应用类型，即光纤到路边（FTTC），光纤到楼（FTTB）以及光纤到办公室（FTTO）和光纤到家（FTTH）。

　　AF为ONU和用户设备提供适配功能，具体物理实现则既可以包含在ONU内，也可以完全独立。以FTTC为例，ONU与基本速率NTI（相当AF）在物理上就是分开的。

　　图中发送参考点S是紧靠在发送机（ONU或OLT）光连接器后的光纤点；而接收参考点R是紧靠在接收机（ONU或OLT）光连接器前的光纤点；a参考点是ONU与AF之间的参考点；V参考点是用户接入网与业务节点间参考点；T参考点是用户网络接口参考点；Q3是网管接口。

　　3.2 应用类型

　　按照ONU在光接入网中所处的具体位置不同，可以将OAN划分为三种基本不同的应用类型，如图2所示。下面分别讲述各自的优点和缺点以及适用场合。


　　3.2.1 光纤到路边（FTTC）

　　在FTTC结构中，ONU设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒处，即DP点，有时也可能设置在交接箱处，即FP点，但通常为前者。此时从ONU到各个用户之间的部分仍为双绞线铜缆。若要传送宽带图像业务，则这一部分可能会需要同轴电缆。这样FTTC将比传统的DLC系统的光纤化程度更靠近用户，增加了更多的光缆共享部分，有人将之看作一种小型的DLC系统。

　　FTTC结构主要适用于点到点或点到多点的树形—分支拓扑。用户为居民住宅用户和小企事业用户，典型用户数在128个以下，经济用户数正逐渐降低至8～32个乃至4个左右。还有一种称为光纤到远端（FTTR）的结构，实际是FTTC的一种变形，只是将ONU的位置移到远离用户的远端（RT）处，可以服务更多的用户（多于256个），从而降低了成本。由于FTTR具有的业务量处理能力，因而特别适用于点到点或环形结构。

　　FTTC结构的主要特点可以总结如下：

　　　　在FTTC结构中引入线部分是用户专用的，现有铜缆设施仍能利用，因而可以推迟引入线部分（有时甚至配线部分，取决于ONU位置）的光纤投资，具有较好的经济性。

　　　　预先敷设了一条很靠近用户的潜在宽带传输链路，一旦有宽带业务需要，可以很快地将光纤引至用户处，实现光纤到家的战略目标。同样，如果考虑到经济性需要也可以用同轴电缆将宽带业务提供给用户。

　　　　由于其光纤化程度已十分靠近用户，因而可以较充分地享受光纤化所带来的一系列优点，诸如节省管道空间，易于维护，传输距离长，带宽大等。
由于FTTC结构是一种光缆/铜缆混合系统，最后一段仍然为铜缆，还有室外有源设备需要维护，从维护运行的观点仍不理想。但是如果综合考虑初始投资和年维护运行费用的话，FTTC结构在提供2Mbit/s以下窄带业务时仍然是OAN中最现实，最经济的。然而对于将来需要同时提供窄带和宽带业务时，这种结构就不够理想了，届时初期对窄带业务合适的光功率预算值对以后的宽带业务就不够了，可能不得不减少节点数和用户数，或者采用1.5μm波长区来传宽带业务。还有一种方案是干脆将宽带业务放在独立的光纤中传输，例如采用HFC结构，此时在HFC上传模拟或数字图像业务，而FTTC主要用来传窄带交互型业务，具有一定灵活性和独立性，但需要有两套基本独立的基础设施。

　　3.2.2 光纤到楼（FTTB）

　　FTTB也可以看作是FTTC的一种变型，不同处在于将ONU直接放到楼内（通常为居民住宅公寓或小企事业单位办公楼），再经多对双绞线将业务分送给各个用户。FTTB是一种点到多点结构，通常不用于点到点结构。FTTB的光纤化程度比FTTC更进一步，光纤已敷到楼，因而更适于高密度用户区，也更接近于长官远发展目标，预计会获得越来越广泛的应用，特别是那些新建工业区或居民楼以及与宽带传输系统共处一地的场合。 　　需要注意有些文献将FTTB理解为光纤到办公楼或商务楼是不准确的，这里B表示Buliding而非Bisenes，而且Building主要指公寓楼。若为光纤到办公大楼，则称FTTO，详见后。

　　3.2.3 光纤到家（FTTH）和光纤到办公室（FTTO）

　　在原来的FTTC结构中，如果将设置在路边的ONU换成无源光分路器，然后将ONU移到用户家即为FTTH结构。如果将ONU放在大企事业用户（企业、大学、研究所、政府机关等等）终端设备处并能提供一定范围的灵活的业务，则构成所谓的光纤到办公室（FTTO）结构。由于大企事业单位所需业务量大，因而FTTO结构在经济上比较容易成功，发展很快。考虑到FTTO也是一种纯光纤连接网络，因而可以归入与FTTH一类的结构。然而，由于两者的应用场合不同，结构特点也不同。FTTO主要用于大企事业用户，业务量需求大，因而结构上适于点到点或环形结构。而FTTH用于居民住宅用户，业务量需求很小，因而经济的结构必须是点到多点方式。以下的讨论将以FTTH为主进行。总的看，FTTH结构是一种全光纤网，即从本地交换机一直到用户全部为光连接，中间没有任何铜缆，也没有有源电子设备，是真正全透明的网络。其主要特点可以总结如下：

　　　　由于整个用户接入网是全透明光网络，因而对传输制式（例如POH或SDH，数字或模拟等）、带宽、波长和传输技术没有任何限制，适于引入新业务，是一种最理想的业务透明网络，是用户接入网发展的长远目标。

　　　　由于本地交换机与用户之间没有任何有源电子设备，ONU安装在住户处，因而环境条件比户外不可控条件大为改善，可以采用低成本元器件。同时，ONU可以本地供电，不仅供电成本比网络远供方式可以降低约一个量级，而且故障率也减少。最后，维护安装测试工作也得以简化，维护成本可以降低，是网络运营者长期以来一直追求的理想网络目标。

　　　　由于只有当光纤直接通达住户，每个用户才真正有了名副其实的宽带链路，B-ISDN的实现才有了最终的保证，采用各种WDM或FDM技术真正发掘光纤巨大潜在带宽的工作才有可能。

　　综上所述，一个全光纤的FTTH网在战略上具有十分重要的位置。然而主要由于经济的原因目前尚不能马上实现光纤到家，影响这一目标实现的因素很复杂，有系统成本的因素、竞争的需要、政策法规的影响以及新技术的推动等。随着时间的推移，光纤光缆和光元器件成本在稳步下降；各种宽带业务的需求正在逐步呈现；现有铜缆网的维护运行负担的增加在不断推动网络运营者转向光纤网；来自同行，特别是CATV企业的竞争压力正迫使电话企业可能提前实施FTTH网以便保证长远的宽带业务收入；各国电信政策法规管制的逐渐放开越来越有利于FTTH的实施；各种新技术，诸如新型环路用激光器的出现，平面光波电路（PLC）的发展，光纤放大器的问世，波分复用和频分复用以及数字集成和压缩技术的进展都在积极推动FTTH的实现，人们对FTTH的兴趣又在重新增加。有理由相信，在接入网中较大规模引入FTTH的时机已不太遥远了。

4 业务支撑能力

　　OAN是一种为双向交互式业务而设计的系统，初期主要支撑2Mbit/s以下速率的业务，基本业务有下面7类：

　　　　普通电话（POTS）；
　　　　租用线；
　　　　分组数据；
　　　　ISDN基本速率接入（BRA）；
　　　　ISDN一次群速率接入（PRA）；
　　　　n×64kbit/s；
　　　　2Mbit/s（成帧和不成帧）。

　　除了上述7种基本窄带业务外，还有其他一些可能支撑的业务，特别是在将来应能支撑宽带业务，诸如单向广播式业务（如CATV业务），双向交互式业务（如VOD或数据通信业务）等，而且还可能支撑模拟广播式业务。例如有些国家就计划在近期利用1.5μm波长开放几十路模拟方式的副载波复用（SCM）电视节目。

5 配置结构的选择

　　光接入网的配置结构选择取决于众多的因素，十分复杂，需要详细分析比较和综合计算，下面仅列出几个基本考虑的因素和原则，供读者思考。

（1）用户类型

　　用户类型是配置结构选择所要首先考虑的因素，定位不准自然不会有合理的选择。通常，不同的用户类型往往需要配置不同的结构，例如企事业用户所需的用户线数目总是大于居民住宅用户， 因而FTTO和FTTC都可用于这类用户，前者适于业务量要求较大的大企业用户，而后者主要适用于小企事业和户和居民住宅用户。居民住宅用户通常只需要一二根用户电话线而已，因而必须采用具有较大共享能力的结构，例如FTTC、FTTB和FTTR。FTTC更适于分散用户，而FTTB更适于集中的公寓住宅用户。从长远看，则FTTH是方向。

（2）成本

　　成本是用户接入网技术能否成功的关键，成本高低在很大程度上取决于ONU成本究竟能在多大程度上为用户共享分担。显然，FTTH共享程度最低，用户侧需要安装专用于一个用户的ONU，其初装费用和维护成本都最高。美国Raynet企业的成本模型计算结果表明，当ONU能为24～32个用户共享时成本最佳。与FTTC和FTTB相比，FTTH的成本要高得多，目前计划安装FTTH的原因只能是其他非成本考虑因素。在相当一段时间内，FTTC和FTTB将成为最经济可行的居民用户线解决方案。对于大企事业用户，由于所需用户线数量大，平均每线的成本下降，因而FTTO结构是最经济可行的方案。像城市的新建办公大楼、饭店和大企业现在就可直接采用FTTO结构，而没必要再敷设大量铜缆用户线了。
在考虑成本时，不仅要考虑初始成本，还要考虑整个寿命期的成本，包括将来线路增长或整修的花费以及运营成本（供给、维护和供电等）。这样一来，FTTH的好处就显示出来了。按照美国贝尔通信研究所的研究结果，尽管FTTH的初始成本比FTTC要高很多，但供电成本可以节约75%至90%，供给成本可以节约20%以上，业务保证成本可以节约25%至40%，因而总的寿命期成本已可以与其他方式相比。

（3）与本地交换的综合

　　随着交换技术和光纤传输技术进展，特别是光纤传输成本的大幅度下降，多数电话企业正在重新组织配置接入网，主要趋势是减少本地交换机的数量增加交换机容量，扩大接入网的覆盖范围，而安装光接入网往往构成上述网络重新配置计划的一部分。如果能将远端交换和集中功能综合在ONU内，将使上述网络重新配置计划比较容易实现。然而此时ONU必须能为较大数量的用户服务才具有经济性，初步研究分析结果表明，一个ONU应能服务256个用户才比较经济可行。此时，SDH环形结构可以将综合FTTC/FTTB/FTTR接入网联成一体。

（4）服务灵活性

　　服务灵活性往往是企事业用户特别重视的特性。FTTO结构可以快速、灵活地按请求提供或切断业务，十分适合企事业用户的活动特性。通常，随着共享ONU的用户数的减少，能为每个用户提供特殊服务的能力会相应增加。对于大企事业用户，又由于业务量需求量大，因而FTTO提供了最灵活的服务。

（5）业务类型

　　从长远的观点看，光接入网必须能提供宽带图像业务，包括交互型和分配型的图像业务。显然，适于提供交互型低速业务（电话和数据）的配置结构未必能适于提供宽带图像业务，尤其是分配型图像业务。这方面，纯光的FTTH和FTTO结构具有最好的业务透明性。此外，ONU设置的位置越靠近用户的地方，将来的升级更新越容易。当然还有其他的考虑因素，这儿就不能　　细说了。










第二讲 光接入网系统总体要求
摘要：本讲首先先容光接入网的工作波长范围和光纤选型，然后先容了4种双向传输技术，接下来讲述OAN的容量和ONU类别以及逻辑传输距离的规定，最后着重先容几个主要网络远件的功能规定以及信号传输延时的要求。

关键词：光接入网 双向传输 功能

1 工作波长范围

　　目前光纤的可用工作波长区有3个，即780nm窗口、1310nm窗口和1550nm窗口。鉴于OAN对成本最敏感的部分是光电器件，因而设法降低这一部分的费用是改进整个系统技术经济性能的关键。一般地说，设法采用新技术，革新工艺和规模生产是三个降低成本的主要措施。就新技术而言，大量采用平面光波电路（PLC）是主要发展趋势。那么，是否还有别的降低成本的措施？其中之一就是采用780nm波长区。主要考虑是这一波长区的光盘用激光器已经大规模生产，成本很低。至于常规单模现象可以用滤模的办法来消除，并不复杂。780nm光纤损耗稍大，但对接入网环境也不是个大问题。然而，目前国际上尚无标准支撑工作在这一波长区的元器件，也无法用最坏值法来进行传输设计。此外，由于存在多模传输和高损耗传输问题，致使系统复杂性增加，部分抵消了其成本优势。因而从长远看，应用780nm波长区的近期经济优势似乎并不足以构成长期发展方向的理由。

　　ITU-T最近刚刚通过的新建议G.982决定只使用1310nm窗口和1550nm窗口，其中1310nm波长区将首先启用，主要支撑电话和其他2Mbit/s以下的窄带双向通信业务，其工作范围应尽量宽，以便容纳未来的WDM的应用。按照这一原则，其可用波长的下限主要受限于光纤截止波长和光纤衰减系数，其上限主要受限于1385nm处OH根吸取峰的影响。据分析，由于光纤的截止波长过高可能会引起模噪声损伤，这是一种乘性噪声，一旦产生就无法去掉，因此必须彻底杜绝。基本措施就是保证系统中最短的无连接光缆（例如维修光缆段）的有效截止波不超过系统工作波长的下限，以确保单模传输条件。按照目前的ITU-T标准参数，由模噪声所限定的系统工作波长的下限，以确保单模传输条件。按照目前的ITU-T标准参数，由模噪声所限定的系统工作波长的下限为1260nm。
根据典型敷设光缆的衰减系数，考虑了现场光纤接头的损耗和光缆温度系数余度（-50℃～+60℃），并假设1385nm的OH根吸取峰为3dB/km，当光缆最大衰减系数按0.65dB/km计时，波长范围为（1260～1360）nm。

　　根据上述分析，最经济合理1310nm波长区工作范围为（1260～1360）nm。这一波长范围与G.957所规范的STM-1等级局内通信接口波长范围一致，可适用于多纵模激光器和发光二极管。

　　对于1550nm波长区，除了暂时可以用作异波长双工（详见后文）的下行方向外，主要用于未来的新业务，特别是宽带图像业务。该波长区的下限主要受限于1385nm处OH根吸取峰的影响，而上限主要受限于红外吸取损耗和弯曲损耗的影响。若按0.25dB/km光纤衰减系数计，则可用波长范围为（1480～1580）nm，而将1600nm以上保留给OT-DR或其他测试技术使用。当然，如果在将来准备采用EDFA时，则工作波长区还要进一步受限于EDFA的增益平坦区范围，系统工作范围还会进一步变窄。G.982所规定的一个传输窄带交互型业务的波长分配方案如表1所示。

表1：窄带交互型业务的波长分配
双向传输方式 光纤数 波长区 传输技术 将来实施可能
单工 2 上下行皆310nm区
SDM   
半双工 1 上下行皆310nm区
TCM
   
异波长双工 1 上行1310nm区
下行1310nm区
WDM
上行1310nm区高端
下行1310nm区低端
双工 1 1310nm或
1550nm区
SCM
   

2 光纤选型

　　光纤类型从大的方面看可以划分为单模光纤和多模光纤两类，鉴于单模光纤的损耗低、带宽宽、制造简单和价格低廉，在公用电信网（包括接入网）中已成为主导光纤类型。新敷设的光纤几乎全部采用单模光纤，已不再考虑多模光纤。 　　单模光纤又分为G.652、G.653和G.654三种，考虑到成本及网络的维护和统一性，ITU-T规定在接入网中只使用生产量最大，价格最便宜，性能优良的标准G.652光纤。

　　有些国家主张也应允许使用G.653光纤，理由是色散小，与光纤放大器结合在1.55μm波长区可望提供更长的色散受散受限距离和扩大用户数，有一定优势。然而ITU-T认为在接入网环境下，目前的重点是2Mbit/s速率以下的业务，即使考虑宽带业务后其线路传输速率也不大可能超过2.4Gbit/s，因而足以覆盖现行规划的接入网最长传输距离。再考虑到G.653光纤的成本偏高以及将来开放波分复用系统方面的困难，因而目前不准备使用这种光纤。至于G.654光纤就更不会考虑使用了。

3 双向传输技术

　　传输技术主要完成连接OLT和ONU的功能，其连接方式可以为点到点，也可以为点到多点方式。至于反向的用户接入方式也可以有多种，主要有时分多址接入（TDMA）和副载波多址接入（SCMA）两种。目前的ITU-T标准是以TDMA方式为基础的，但不排除其他接入方式。下面就几种主要的双向传输方式作一简要先容。

（1）空分复用（SDM）

　　空分复用（SDM）就是双向通信的每一方向各使用一根光纤的通信方式，即所谓单工方式，其原理如图1所示。在SDM方式下两个方向的信号在两根完全独立的光纤中传输，互不影响，传输性能最佳，系统设计也最简单，但需要一对光纤才能完成双向传输的任务，以传输距离较长时不够经济。对于OLT与ONU相距很近的应用场合，则由于光纤价格的不断下降，SDM方式仍不失为一种可以考虑的双向传输方案。最后，由于两个方向的信号传输通路互相独立，因而对于光源波长没有特殊要求，只要在1310nm波长区内，是否相同无关紧要。


（2）时间压缩复用（TCM）

　　TCM方式是解决双向传输的有效手段之一。这种方法只利用一根光纤，但不断交替改变传输方向，使两个方向的信号得以轮流地在同一根光纤上传输，就像打乒乓球一样，因而又称“乒乓法”。实现TCM传输有两种方法，第一种方法是利用一只激光器既作光源又作检测器，十分简单，只要有一收发控制开关准确地控制其收发时间，使之不发生冲突即可。然而这种方法激光器兼作检测器的灵敏度较差，速率较高时，光通道可用光预算很小。第二种方法是利用两套独立收发设备，两端各设一个光耦合器用于分离上行和下行信号，两个方向的信号发送在时间上分开，分别占用不同的时隙轮流发送，其双向传输原理如图2所示。由于同一时刻只允许一个方向传输信号，因而称为半双工方式，以便与WDM和SCM的全双工方式有所区别。采用TCM方式时，两个方向的信号允许工作在同一波长，但目前规定必须在1310nm波长区。


　　需要注意在接入网环境，PON主要工作在点到多点方式，因此上下行信号的处理方式不同，下行方向上送给各个ONU的信号是连续排列发送且以广播方式送给各个ONU的，各个ONU收到的是全部信号但只能在属于自己的时隙中取出属于自己的信号。上行方向则不同，各个ONU是以突发方式发送信号的，且只能在属于自己的时隙内发送信号，于是各个ONU来的信号呈一个个非连续的突发块且幅度也不尽相同，如图2所示。


表2 OAN容量和ONU类别规定

参数 类型1（例如SDM和WDM） 类型2（例如TCM）
ODN接口 至少4个ODN口；总容量800B；每个ODN接口至少200B 至少4个ODN接口；总容量800B；每个ODN接口至少100B
最大分路比 最大逻辑距离20km以下时：16；
最大逻辑距离10km以下时：32 最大逻辑距离20km以下时：8；
最大逻辑距离10km以下时：16
ONU类别 类别1：至少2B；
类别2：至少32B；
类别3：至少64B 类别1：至少2B；
类别2：至少32B；
类别3：至少64B

　　采用TCM方式可以用一根光纤完成双向传输任务，节约了光纤、分路器和活动连接器，而且网管系统判断故障比较容易，因而获得了广泛的应用。这种系统的缺点是两端的耦合器各有3dB功率的损失，而且OLT和ONU的电路比较复杂。

（3）波分复用（WDM）

　　当光源发送功率不超过一定门限时，光纤工作于线性传输状态。此时，不同波长的信号只要有一定间隔就可以同一根光纤上独立地进行传输而不会发生相互干扰，这就是波分复用的基本原理。对于双向传输而言，只需将两个方向的信号分别调在不同波长上即可实现单纤双向传输的目的，称为异波长双工方式，特定双向传输方式的原理参见图3。这种方式未来的升级扩容潜力很大，很容易扩展至几十个波长，但目前WDM器件的成本还嫌过高，因而传输距离不长时不够经济。


（4）副载波复用（SCM）

　　利用副载波复用（SCM）实现双向传输的原理很简单，只需将两个方向的信号分别安排在不同频段即可实现单纤同波长双向传输的目的，基本原理参见图4，图f1中f2和分别代表不同频率。在实际OAN传输系统中，下行方向往往采用TDM方式基带传输形式，因而频率分量集中在低频端，而上行方向采用副载波多址接入（SCMA）方式，即各个用户的频率调在较高频段，与下行信号的频谱隔开，其原理如图5所示。由于上下行信号分别占用不同频段，因而系统对反射不敏感，也无需TDMA方式所必不可少的复杂的延时调整电路，传输延时较小，电路较简单。当然，模拟频分方式必须带有一切模拟方式所不可避免的缺点，这里就不重复讲述了。



4 OAN容量和ONU类别

　　ITU-T对于OAN的容量和ONU的类别以及最大分路比都有明确的规定，如表2所示。其中OAN容量实际就是OLT的容量规格要求。这些要求不仅反映了实际应用要求，而且也反映了当前采用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术所能经济地工作的速率。ONU的类别则按照其在用户侧所需要的最大通透容量来规定，即以B通路（64kbit/s承载通路）为基本度量单位，通常不含控制和信令通路，除了携带在承载通路内的情况（例如ISDN PRA）例外。

　　考虑到OAN的主要服务对象是居民住宅用户小企事业用户单位，因而每一个ONU的容量不是很大并可按应用场合划分为不同类别。容量最小的类别1要求至少2B，这种情况通常发生在单个居民住宅用户的情况，即FTTH应用。当然也可以比2B大，例如4B或更多，由厂家自行选择。类别2和类别3分别要求容量不少于32B和64B。

5 逻辑传输距离

　　逻辑传输距离指特定传输系统所能通达的最大距离，与光路的光功率预算无关，主要取决于信号帧的构成及分路比和传输方式，实际系统传输距离只可能短于逻辑传输距离。规范逻辑传输距离的目的主要是便于系统分类。通常，所用系统类型和分路比不同其逻辑传输距离不同，表3给出了两种不同类型系统的逻辑传输距离与分路比的关系。

表3 逻辑传输距离与分路比的关系


逻辑传输距离 类型1 类型2
20km 至少能支撑分路比16 至少能支撑分路比8
10km 至少能支撑分路比32 至少能支撑分路比16

6 ONU功能规定

　　ONU提供与ODN之间的光接口，实现OAN用户侧的接口功能，它可以设置在用户所在地（FTTH，FTTO，FTTB）或者设置在露天（FTTC）。ONU提供了必要的手段来传递系统所处理的各种不同业务，其功能块可以用图6来描述。
由图可见，ONU的功能由三部分组成，即核心部分，业务部分和公共部分，又可以分别称为核心壳，业务壳和公共壳。


（1）核心部分功能

　　ONU核心部分功能包含：

　　　　用户和业务复用功能；
　　　　传输复用功能；
　　　　ODN接口功能。

　　其中传输复用功能为来自与送给ODN接口功能的出入信号提供必要的功能进行评估和分配，提取和输入与ONU相关的信息。用户和业务复用功能对于来自与送给不同用户的信息进行组装和拆卸并与每种不同的业务接口功能相连。与ODN的接口功能则提供一系列物理光接口功能，终结相应的ODN的一系列光纤其功能包括光/电和电/光转换。

（2）业务部分功能

　　ONU的业务部分功能主要提供用户端口功能，即提供用户业务接口并将其适配入64kbit/s或n×64kbit/s。上述功能既可以为单个用户提供，又可以为一群用户提供。最后，用户端口功能还能按照物理接口来提供信令转换功能，诸如振铃、信令、A/D和D/A转换等。

（3）公共部分功能

　　ONU公共部分功能包括供电和OAM功能，其中供电功能为ONU供电（例如交/直流转换或直流/直流变换或直流/直流变换），供电方式可以公用同一供电系统。ONU应在备用电池供电条件下能正常工作。

　　OAM功能提供必要的手段为ONU的所有功能块处理操作、管理和维护功能，例如不同功能块的环回控制功能等。

7 OLT功能规定

　　OLT提供与ODN之间的光接口，应至少能为ODN提供网络侧的一个网络接口。OLT可以与本地交换机共处世哲一地，也可以安装在远端。OLT提供必要的手段来传递不同的业务给ONU，其功能块如图7所示。

　　由图可见，OLT功能可以由三部分组成，即核心部分，业务部分和公共部分，同样可分别称作核心壳，业务壳和公共壳。


（1）核心部分功能

　　　　OLT的核心部分功能包括：
　　　　数字交叉连接功能；
　　　　传输复用功能；
　　　　ODN接口功能。

　　传输复用功能为在ODN上发送和接收业务通路提供必要的功能。数字交叉连接功能为OLT的ODN侧的可用带宽与OLT网络侧的可用带宽提供交叉连接能力。ODN接口功能提供一系列物理光接口功能终结相应ODN的一系列光纤，其功能包括光/电和电/光转换。为了实现从OLT直到ODN中光分路器处的灵活点之间不同地理路由间的保护倒换，OAN系统应能为OLT装备可选的备用ODN接口。

（2）业务部分功能

　　OLT业务部分包括业务端口功能，业务端口至少应能携带ISDN PRA速率并能配置成至少提供一种业务或能同时支撑两种或多种不同的业务。任何提供两个或多个2Mbit/s端口的支路单元（TU）都应能以每个端口为基础进行独立配置，对于上述多端TU还应能将每个端口配置给不同的业务，OLT设备中的每一TU位置应能允许容纳任何类型的TU，OLT还应能支撑任何不超过最大设计数目且能任意结合不同业务类型的TU。当然，业务部分功能通常还应能提供手段来处理通过OLT的信令信息。

（3）公共部分功能

　　OLT公共部分功能包括供电与OAM功能，其中供电功能将外部供电电源转换为所需的数值，OAN功能则提供必要的手段来处理所有功能块的操作、管理和维护功能。公共部分功能还提供OAM接口功能。对于本地控制，可以提供测试接口，OLT通过协调功能（MF）经Q3接口还能上层网管操作系统相连。

8 信号传输延时

　　OAN的信号传输延时定义为下行和上行信号传输延时的平均值。按照这一定义，信号传输平均延时是测量的信号往返传输延时的一半，测量方法可以按照上述定义进行，测量条件通常假设传输距离为10km，用户侧的铜缆引入线长度忽略不计。

　　ITU-T规定，对于FTTH应用，光接入网的V参考点与TC参考点之间的最大信号传输延时不得超过1.5ms；对于其他应用（FTTC，FTTO，FTTB），则光接入网的V参考点与a参考点之间的最大信号传输延时不得超过1.5ms。此时V参考点与T参考点之间的最大信号传输延时仍需满足ISDN的2ms指标要求。




第三讲 光配线网

摘要：本讲首先先容光配线网（ODN）的组成，然后重点讲述ODN的4种典型结构，接下来讲述ODN模型，重点是光通道损耗计算模型和计算方法，最后简要先容ODN的反射及其要求。

关键词：光配线网 无源光网络 网络结构

1 ODN组成

　　光配线网（ODN）是OAN的关键部分，其主要作用是为OLT和ONU提供光传输媒质作为其间的物理连接。多个ODN可以通过光纤放大器结合起来延长传输距离和扩大服务用户数。

　　通常，ODN是由无源光元件组成的光源分配网，主要的无源光元件有：

　　　　单模光纤和光缆；
　　　　无源光衰减器；
　　　　光纤带和带状光缆；
　　　　光纤接头；
　　　　光连接器；
　　　　无源分路元件，又称光分路器（OBD）。

　　ODN的配置通常为点到多点方式，即多个ONU通过ODN与一个OLT相连。这样，多个ONU可以共享同一光传输媒质和光电器件，从而节约了成本。点到点配置，即一个ONU与一个OLT相连的形式可以看作是上述点到多点方式的特例或子集，此时无需光分路器。纯粹点到多点连接方式的ODN又称为无源光网络（PON），PON也可以看作是ODN的子集。

2 ODN结构

　　ODN是一种点到多点结构，因而按照其连接方式不同可以细分为4种结构，即星形、树形、总线和环形。

（1）单星形结构

　　当ONU与OLT之间按点到点配置，即每一ONU直接经一专用光链路与OLT相连，中间没有光分路器（OBD）时就构成了所谓的单星形结构。光链路可以是一根光纤，也可以是一对光纤。由于这种配置不存在光分路器引入的损耗，因此传输距离远大于点到多点配置。图1是单星形结构的一个示例。


（2）树形结构

　　树形结构是点到多点配置的基本结构，图2给出了一个典型示例。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，传给多个用户，同时也靠这些充分路器将上行信号结合在一起送给OLT。光分路器通常为1:n型，为了测试、监视和保护的目的，可能需要h:n型，这里1<h≤n0通常，树形结构中的光分路器使用平衡式器件，即任意输入口至任意输出口的光损耗标称值相同。这一要求主要是为了有一个简单的，通用的准则可用来进行光功率预算计算和全网设计。


（3）总线结构

　　总线结构也是点到多点配置的基本结构，图3给出了一个典型示例。这种结构利用了一系列串联的非平衡光分路器件以便从总线上检出OLT发送的信号，同时又能将每一ONU发送的信号插入光总线送回给OLT。采用这种非平衡光分路器后全在光总线中引入损耗从而消耗掉一些光功率。至于具体分路比则取决于应用，诸如最大ONU数和ONU所需的最小光功率等。


（4）环形结构

　　环形结构也属于点到多点配置，无源环形结构可以看作是无源总线结构的一种特例，即逻辑上等效于一折迭的总线结构。这种闭合的总线结构改进了网络的可靠性，图4给出了这种结构的一个示例。


　　综上所述，ODN的结构可以有4种，其中树形和总线形结构是两种基本结构。ODN结构的选择需要考虑多种因素，主要有用户所在地的分布，OLT和ONU之间的距离，不同业务的光通道，可用的技术，光功率预算值，波长的分配，升级的需要，可靠性和可用性，操作管理和维护，ONU供电，安全，光缆容量等等。没有一种单一的结构可以适用于所有情况，必须具体问题具体分析。

3 保护配置

　　适用于任意结构的保护配置主要有两类，即

　　　　设备和/或设施备用；
　　　　通道路由分集。

　　对于ODN本身，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。具体实施方法有：

　　　　不同光纤携带不同光通道，但主用和备用光纤在同一光缆内，即同缆分纤方式。这种方式最简单经济，但不能保护光缆切断故障。

　　　　不同光纤携带不同光通道，主用和备用光纤在不同缆内，但置于同一管道或路由上。这种方式可以防止一般性光缆切断故障，但不能防止大型故障（大型机械的施工事故等）。

　　　　不同光纤携带不同光通道，主用和备用光纤不仅不同缆，而且管道或路由也不同。这种方式提供了最大程度的保护，但经济代价也最高。

　　以树形结构为例，图2显示的保护方法就是在第一个分路点之前部分进行保护，即图中虚线所示的备用光纤和OLT各用部分构成了保护设计。这样，当OLT失效或第一个分路点之前的光纤失效时，OLT的备用部分激活，连同备用光纤一起可以保证业务不丢失。当ODN的第二个光纤段中单根光纤出故障时，则相当1/n1的总光纤数被切断。若第一个光纤段也无保护措施，则OLT失效或光纤故障可能导致全部ONU丢失业务，相当全部光纤被切断，因而这一部分的保护十分要紧，越往用户侧延伸，保护的重要性和必要性越小。

4 ODN模型

4.1 通用物理配置模型

　　ODN的通用物理配置模型如图5所示,其中Or表示ONU和ODN间的光接口,Oe表示OLT和ODN间的光接口,Om表示ODN与测试和监视设备间的光接口。ODN应能提供纵向兼容性，即ODN的标准化可以独立于两端的设备而进行。


　　ODN的设计特性应能保证可以提供任何目前可以预见得到的业务而无须较大的改动，这一要求对各种无源器件的特性有较大影响。可能直接影响ODN的光特性的要求有：

　　　　光波长透明性：诸如光分路器之类的无源器件应能支撑1310nm和1550nm波长区内任意波长的信号传输。这不仅能降低对现有单波长系统的光源要求，而且也为将来的WDM系统应用提供了基础。

　　　　可逆性：ODN的输入、输出口对换后不应导致器件光损耗的重要变化。这样可以简化网络的设计。

　　　　光纤兼容性：所有光元件都应能与G.652光纤兼容，这一要求也是很自然的。到目前为止，ITU-T并不打算在光接入网中采用其他光纤，因而G.652光纤将是主导的，甚至唯一的光纤类型。

4.2 光通道损耗计算

　　ODN的光功率预算所容许的损耗定义为S/R和R/S参考点之间的光损耗，以dB表示。这一损耗包括了光纤和无源光元件（例如光分路器、活动连接器和光接头等）所引入的损耗。ODN的容许损耗值对下行和上行方向是相同的。
决定整个系统光通道损耗性能的参数主要有下面三项：

　　　　ODN光通道间的最大损耗差。

　　　　最大容许通道损耗，即最小发送功率和最高接收灵敏度的差。

　　　　最小容许通道损耗，即最大发送功率和最低接收灵敏度（过载点）的差。

　　上述定义中的收发机参数均为寿命结束条件下的参数，即包括了温度和老化造成的影响。而且最后的最大和最小损耗值应该在需要的环境和波长范围内规定，而不仅仅是在给定波长，给定时间和给定温度下的测量结果。

　　图6给出了OLT和某一特定ONU之间下行光通道的图解表示。


　　由图可见，ODN由p个分路级别组成（典型情况为1或2级）。在ODN内，几个光通道可以是一样的，每一光通道将某一特定ONU与OLT相连，OLT与ONU之间的光通道由p个级联的光通道元件构成，第j个光通道元件由第（j-1）个光分路器的输出口开始，在第j个光分路器的输出口结束。但对j=1和j=p这两种情况例外，其中j=1时，光通道元件由S/R参考点开始，在第1个光分路器的输出口结束，对于p=j=1时，则于R/S参考点结束。当j=p时，光通道元件由第（p-1）个光分路器的输出口开始（对于p=j=1时，由S/R参考点开始），在R/S参考点结束，这样规定的目的是考虑最后一个分路器输出口可能呈现的光活动连接器和光纤接头的影响。

　　通常，第j个光通道无件由长度为Lj的光纤和下述无源光元件组成：

　　第j个光分路器，分路比hj:nj(hj1，nj1)；
　　第kj个活动连接器，kj0
　　第mj个光纤接头，且

mj=djLj+rj+maj

　　式中dj是初始安装阶段所规划的单位光纤长度的平均接头数；rj是运行期预计全发生的单位光纤长度的平均维修接头数；maj是djLj数中没有考虑的附加的规划接头数，例如由于安装光分路器所发生的接头以及ODN终结点所发生的额外接头（诸如局内光配线架和ONU侧的光终结点）。
于是，总的光通道由下述各项组成：

①P段光纤的和L　　

②p个光分路器，分路比hj:nj（hj1，nj1，j=1，......p）；

③p个光活动连接器之和K　　

④p个光接头之和m　　

光通道的总的分路比n可以表示为　　

　　对于点到点配置的ODN，光通道中没有光分路器，因而只需考虑一个光通道元件即可，上述分析仍然有效，只须将涉及光分路器的地方去掉即可。

4.3光通道损耗计算方法

　　光通道的损耗计算方法有三种，即最坏值法、统计法和联合设计法。鉴于接入网环境传输距离很短，通常无须使用联合设计法。

（1）最坏值法

　　最坏值法是将所有光通道中的光元件损耗值迭加起来即为ODN光通道的光损耗，这些损耗值都应该是系统寿命终了前且处于允许的工作范围内任意点的数值。这样设计的系统显然是十分安全的，任意点的数值。这样设计的系统显然是十分安全的，然而实际光元器件参数值的离散性很大，所有光参数同时取最坏值的可能性极小，因而按最坏值法设计的系统往往过于保守，导致资源浪费和成本较高。 （2）统计法

　　由于实际光元器件参数值的分布范围较宽，因而若能充分利用其统计分布特性，按统计特性将各个光元件的损耗相加，则有可能延长的传输距离。
高斯法是最简单的统计法，其基本原理就是利用多个高斯随机变量的均值和方差进行运算从而算出光通道损耗的上界lu和下界ll，即最坏值和最好值。采用3倍标准差后，所算上下界的统计置信度可达99.7%，可靠性很好。

lu=(mSμ+KCμ+LFμ+bBμ+Mμ)+3

ll=(mSμ+KCμ+LFμ+bBμ+Mμ)－3

　　式中m表示光接头数，K表示光活动连接器数目，L表示光纤长度，b表示光发路器数目，Sμ表示平均光接头损耗（dB），Cμ表示平均活动连接器损耗（dB），Fμ表示平均光纤损耗（dB/km），Bμ表示平均光分路器损耗（dB），Mμ表示其他光器件（例如WDM等）的平均损耗，Sσ表示光接头损耗的标准偏差，Cσ表示活动连接器损耗的标准偏差，Fσ表示光纤损耗的标准偏差值（dB/），Bσ表示光分路器损耗的标准偏差，Mσ表示其他光器件损耗的标准偏差。

　　当光元件损耗的分布接近高斯形时，高斯法的精度很好，否则会导致较大的误差，此时采用蒙特卡洛模拟（MCS）法将给出更准确的结果。蒙特卡洛模拟法又称随机模拟法，是一种通用的数值计算方法，其基本思路是从不同元件的分布中随机抽样，由这些随机抽样的值产生一模拟的系统值，重复上述过程（成百上千次）就会产生一系统损耗值的分布，可以作为实际系统性能的指示，重复次数越多，模拟结果与实际情况越相近。蒙特卡洛模拟法的计算精度与1/（N为抽样点数）成正比，带有随机性质要求精度高一位，样点数需要增加100倍，即需要较大的计算量才能达到较高的计算精度，这是其不足之处。

　　针对蒙特卡洛模拟法的缺点，笔者及其同事提出了另一种统计设计方法，称为映射法。这种方法利用了n维空间和一维空间的映射关系，将所有n维空间中能够映射到一维空间中同一区间的那些子空间的概率相累加，最终可以得到一维随机量在这一区间的概率。这里n维空间即不同光元件的损耗分布，而一维空间就是系统的总损耗。映射法具有确定的计算精度，只要样点数足够多，可以以任意确定的精度趋近真值。在同样计算精度下，其计算是可以比蒙特卡洛模拟法少一个量级左右。

5 光通道损耗类别

　　为了限制系统类别的数量，目前ITU-T只规定了三种类别的光通道损耗，如表1所示。

表1 光通道损耗类别

  类别A 类型1 类型2
最小损耗 5dB 10dB 15dB
最大损耗 20dB 25dB 30dB

　　类别B和C分别代表了OAN系统类型2（例如TCM）和系统类型1（例如SDM和WDM）的要求，这些规范值已经考虑了S/R参考点和R/S参考点之间的不同分路比、距离和有关通道损耗值。对于单星形结构，由于不存在光分路器，因而光通道损耗可能小于5dB。

6 ODN的反射

　　ODN的反射会造成发送光功率的波动和激光光源波长的偏移，光通道多个反射点产生的反射波干涉会在接收机处转化为强度噪声，因此ODN的反射应控制在一定指标内。

　　ODN的反射取决于光通道中各个光元件的回损特性，因而保证光元件，具有优良的回损特性是确保整个光通道的反射性能的基本前提。目前在各类光元件中，光活动连接器的回损特性较差，不定因素较多，诸如机械对准失效，灰尘、损坏等都会上起性能下降。老式平面研磨活动连接器的光纤芯区间有较大空气间隙，产生菲涅尔反射，回损特性不佳，典型回损仅为（20～30）dB。采用物理接触性（PC）连接器后，光纤端面为球形，可形成物理接触，消除了空气间隙，且球形端面使残余反射散开不易回到光纤芯区，改进了器件的回损特性。目前，无论采用哪一种设计的PC型连接器的回损一般均可优于40dB。若能进一步消除光纤球形端面的薄膜层，则回损可提高到50dB以上，有人称其为超级PC（SPC或UPC）。再进一步的改进是将光纤端面研磨成8°左右的倾斜角,使菲涅尔反射基本不返回至纤芯,可使回损提高到70dB,当然价格要高不少.
除了光活动连接器外,光纤接头也会产生反射。熔接式光纤接头的回损通常可优于70dB，但如果有了气泡则可能降至14dB。机械式光纤接头的回损为（40～50）dB，此熔接式接头差不少。最后，光纤本身也会因为折射率不均匀所产生的后向散射而影响光通道反射特性，1km光纤所产生的后向反射可能达-40dB，过度的宏弯和微弯也会产生很大的反射，需要注意。实际系统反射的影响是各种因素的结合。目前ITU-T规定，为了考虑目前和将来应用的不同需要，参考点R和S之间（包含分路器未使用的分支）的所有离散反射应优于-35dB，熔接光纤接头的最大离散反应应优于-35dB，而且要求上述反射水平无论在正常工作情况还是维护工作情况下均不得超过。在维护工作方式下允许采取附加的反射控制功能来确保反射要求不至超标。




第四讲 同步和网管

摘要 本讲首先先容光接入网的同步结构和同步接口，然后着重讲述其网络管理的主要功能规定、安全和供电等重要网管问题。

关键词 光接入网 网络管理 网同步


1 同步结构

　　光接入网所携带的主要业务是以64kbit/s为基础的交换业务，为了尽量减小这些同步业务上的字节滑动操作，光接入网系统的定时必须能跟踪外定时直至最终跟踪基准参考时钟（PRC）为止。

　　如果光接入网系统的OLT与具备同步供给单元（SSU）质量的时钟共处一地，则其时钟应同步于SSU。通常，光接入网的时钟有三种来源：

　　　　支路接口信号（例如V5接口）；
　　　　外部定时；
　　　　内部定时。

　　光接入网应能通过操作系统（OS）指定哪一种定时源作业务同步。而且一旦配置完毕，无论光接入网是否仍与OS相连，所有业务同步的检查核实功能都能正常实现。欧洲电信标准协会（ETSI）新通过的标准ETS300 463规定，光接入网的同步结构必须遵守下述要求：

　　（1）采用支路接口信号提取定时时，如果与光接入网相连的交换机有SSU质量的时钟，则光接入网的定时基准应该从与该交换机相连的携带业务量的2048kbit/s接口提取（例如V5接口）。如果交换机未配备SSU质量的时钟，则光接入网的定时基准可以从其他携带SSU定时质量的支路接口信号中提取。
如果OLT设置在远端，则只要携带业务量的2048kbit/s接口的定时漂移性能符合网络限值要求，则光接入网的定时基准仍应该从携带业务量的2048kbit/s接口提取。

　　（2）采用外部定时源时，如果SSU是在一独立的同步设备中时，光接入网系统可以直接经由2048kbit/s外同步接口取定时基准。

　　（3）采用内部定时源时，内部定时基准源的频率及其精度必须至少为（20485×10-5）kHz。在这种定时方式下，光接入网可以继续工作，但其业务质量会有某种程度的劣化。

2 同步保护和ONU定时

　　为了保证以64kbit/s为基础的交换业务的质量，应该对同步定时源提供保护，通常要求OLT至少有两个外同步接口并能在定时基准失效时提供自动定时基准倒换功能，定时基准的硬件保护倒换不应影响系统的正常信息传输。

　　在光接入网系统内，定时将由OLT通过ODN分配给与OLT相连的ONU，这意味着64kbit/s业务将在ONU内利用OLT提供的定时基准重新定时。然而，对于不成帧的2Mbit/s一类的业务不能按上述方式处理。这类业务企图支撑第三方定时的传送，因而要求光接入网对时钟全透明。用来支撑时钟透明的机制应该独立于光接入网系统的同步时钟。 3 同步接口

3.1 用于传送同步业务的网络侧接口

3.1.1 抖动和漂移容限

　　OLT的2048kbit/s接口的抖动容限应该满足G.823建议的要求.OLT的漂移容限要求与其位置有关。当OLT与SSU共处一地时，其漂移容限要求最低为18μs。当OLT处于远端时，则其漂移容限要求很高，为26μs。需要注意ITU-T有关网络漂移的规范正经历重要变化，尚无最终定论。但有一点是肯定的，即漂移是随机变量，其迭加也应该统计规律迭加，按线性规律迭加的结果是过于保守的。

3.1.2 抖动和漂移产生

　　ETSI规定，当使用通带频率为20Hz至100kHz的带通滤波器测量时，2048kbit/s接口的输出抖动应该小于0.1UIpp；当使用通带频率为18kHz至100kHz的带通滤波器测量时，2048kbit/s接口的输出抖动应该小于0.075UIpp。

　　对于漂移产生则要求OLT不应对同步接口出现的漂移附加任何明显的漂移，定量要求是在任何频率下OLT对漂移的放大量都必须小于0.1dB。

3.2 用于传送同步业务的用户侧接口

　　在用户网络接口（UNI）处，对抖动与漂移的容限要求和抖动与漂移的产生要求取决于光接入网所携带的业务，应分别遵守传送相应业务所应满足的规定。例如OAN携带ISDN BRA和ISDN PRA业务时，其抖动和漂移容限要求及产生要求应分别遵守有关ISDN BRA和ISDN PRA的接口抖动和漂移要求。

4 操作管理维护功能

　　光接入网的操作管理维护（OAM）功能应遵守TMN的通用功能要求，同时又必须有一些针对光接入网的特有功能要求。

　　为了便于OAM功能的定义和描述，可以从逻辑上将OAM功能划分为功能子系统。这样，OAM功能的分类可以从两个不同轴线方向来考虑。第一个轴承线由功能子系统组成，第二个轴线由功能类别组成。

　　OAN的功能子系统有4类，即设备、传输、光的子系统的业务子系统，主要来完成OAM的要求。

　　　　设备子系统包含OLT和ONU的机箱、机框和机架，也包含不在插板上的指示灯铃以及光纤配线盘式配线架。设备子系统还包含OLT和ONU的机架、机柜的供电以及光分路器的机壳。

　　　　传输子系统由OLT和ONU的收发设备电路和光/电电路组成。光配线盘或配线架属于设备子系统，但光元件本身属于光的子系统范畴。

　　　　光的子系统由各种形式的光纤、光分路器、光滤波器和任何光时域反射仪（OTOR）式线夹式光功率计组成。

　　　　业务子系统由那些为了支撑不同业务而需要专门将该业务与OAN的一般核心功能相适配的子系统组成，例如PSTN和ISDN。

　　从功能类别的角度看，OAN的功能必须具备TMN规定的5类功能类别：

　　　　配置管理；
　　　　故障管理；
　　　　性能管理；
　　　　安全管理；
　　　　计费管理。

　　上述计费管理功能通常不在光接入网内规定，因而下面将分别讲述其他4类功能类别的具体规定。

4.1 配置管理

　　配置管理与OAN的网络资源拓扑和系统的详细结构有关，主要负责系统内传送能力的供给、修改和中止。OAN的基本配置功能有：

1.设备

　　　　支撑简单方便的工作实施；
　　　　内部元件的配置；
　　　　系统备用元件的配置。

2.传输

　　　　OLT和ONU之间带宽分配的配置；
　　　　ONU的初始化；
　　　　ONU状态和库存的维护；
　　　　OLT的交叉连接；
　　　　环回测试的重新配置。

3.光的子系统

　　　　利用线夹式光功率计，实现可能的OAN识别；
　　　　如果需要的话，在不同OAN间倒换OTDR。

4.业务子系统

　　　　线路测试的重新配置（FTTH情况下为任选项）；
　　　　环回测试的重新配置；
　　　　ONU中线路卡指示的配置；
　　　　ONU中线路卡和OLT中交换接口的更新升级；
　　　　通过使用ONU中空闲线路的重新供给（FTTH情况下为任选项）。

4.2 性能管理

　　光接入网系统可能需要持续不断地监视和进行自动化例行测试。系统的被动监视可利用提供状态信息的方式来补充告警信息和开始告警。测试功能则可以用来检测故障位置。主要的性能管理功能有：

1.设备

　　　　供电条件监视；
　　　　环境监视。

2.传输

　　　　误码监视；
　　　　有延时调整功能时可以对调整的延时进行监视。

3.光的子系统

　　　　OAN性能劣化的监视。

4.业务子系统

　　　　对OLT的交换机接口进行监视；
　　　　对ONU处的线路进行监视。

4.3 故障管理

　　系统出现告警往往预示业务质量可能受到损伤，告警可以划分为各种不同程度的优先级别和应急程度。对告警的最一般的反应是企图通过测试功能来进行故障定位。通常，告警可以纳入预定的预防性维护策略从而可以减少涉及高优先级别告警的紧急维护行动。 　　为了防止大量告警信息充斥网络管理层而采取的告警优先级划分和告警遮蔽行动与所有功能系统有关。其他涉及故障管理的功能有：

1.设备

　　　　元件故障位置告警的监视;
　　　　电源失效监视；
　　　　如果需要的话，在ONU处的环境告警监视；

2.传输

　　　　与ONU通信联络的丢失；
　　　　传输系统在OLT失效监视；
　　　　过量误码的监视；
　　　　传输段层的诊断测试。

3.光的子系统

　　　　利用例行测试发现故障和OAN性能劣化；
　　　　利用测试对OAN进行故障定位。

4.业务子系统

　　　　OLT的交换机接口告警的监视；
　　　　OLT的交换机接口的测试；
　　　　对ONU处线路的测试；
　　　　业务能力的环回测试。

4.4 安全管理

　　安全管理涉及系统工作和退出工作安排中信息的完整性，同时也与谁允许接入系统及其资源以及允许接入到什么程度有关。主要的安全管理功能有：

1.设备

　　　　防止未经授权接入设备。

2.传输

　　　　对未经授权的ONU试图接入系统的检测；
　　　　OLT和ONU之间传输的安全保证。

3.光的子系统

　　　　未经授权的对光信号偷录的检测。

5 OAN的安全

5.1 一般安全要求

　　由于OAN固有的分布特性，一个用户的数据可以到达下行方向的所有ONU处，因此OAN的安全是一个十分重要的问题，需要有周密的考虑。除了上一小节所讲述的一些基本安全管理功能外，下面再进一步具体讲述一些涉及OAN的安全要求和措施。对以分路器为基础的ONU系统的一般安全要求是必须采用合适的结构和程序来抗拒诸如有意破坏、有意侵扰、窃听和伪装等现场难以避免的危险。

5.2 识别和鉴权 　　在OAN中，最小可识别的维护备件称为现场可置换单元（FRU），诸如插板。OLT和ONU模块也算作FRU。通常，每一个FRU的库存信息应该是唯一的。一旦通电，操作系统应对所有FRU进行鉴权，未经授权的人是不能决定任何ONU的配置状态的。

　　鉴权的过程的开始由OLT或ONU的通电触发，在现有OLT或ONU上增加一个FRU也会触发鉴权过程。这一鉴权过程检查FRU类型是否与操作系统的数据库相匹配并将任何不一致的情况报告给用户或高层操作系统。未经授权的人不能改变任何FRU的序列号码。

5.3 接入控制

　　FRU只允许接入要求的和授权的信息或资源，不准接入其余信息和资源。一切未经授权的对信息的阅读、生成、修改或删除都应防止。ONU应该置于封闭式单元或机箱中并有物理锁定以防止未经授权的接入ONU FRU。ONU单元或机箱的打开应产生事件报告并送给操作系统。

　　除了上述封闭和锁定措施外，ONU处还应提供进一步的措施来限制物理接入与其他用户和ONU有关的信息以及用来调制ONU光发送机的电驱动信号。
如果ONU丢失了与OLT的管理通信联系，应马上停止发送用户信息。通过操作系统应能压制上述功能。

　　如果OLT丢失了与某个ONU的管理通用联络，应停止那个ONU发送用户信息。同样，通过操作系统应能压制上述功能。

　　如果OLT丢失了与任意ODN接口上的所有从属ONU的管理通信联络，它应该中止从那个ODN接发送任何用户信息。同样，通过操作系统应能压制上述功能。

5.4 检查跟踪

　　对系统物理配置的任何变化细节都应送给操作系统。如果一旦OLT和OS间的管理通信失效，有关事件报告的信息应该存储在相关OLT中直至管理通信恢复正常为止，此时上述事件报告的信息再送给操作系统。

5.5 准确性

　　与安全有关的信息的正确性应始终保持，同时还应防止任何未经授权的对安全有关的信息或安全有关的信息不同项目之间关系的修改。

5.6 可用性

　　只要有需要应能将安全有关的信息及运行系统的资源和信息提供给FRU使用。

5.7 数据交换

　　系统管理数据的完整性和保密性应该在核心传输系统上的传输期间始终保持，而且在核心传输系统上传输期间的系统管理数据的完整性应该是可以检验核实的。此外从OLT传送给所有从属ONU的用户数据以及从ONU传送给相关OLT的用户数据的保密性应始终保持。

5.8 OAN安全的分层

　　OAN的安全性可以按三层来考虑，即物理安全性，传输系统安全性和业务安全性，如图1所示，下面分别讲述。


1.物理安全功能

　　OAN的安全分层的第一层是物理安全性，其主要功能包括为下述物理单元提供安全措施，即光缆、机架、光分路器盒、家用ONU机箱和路边或交接箱用ONU机箱等。主要的物理保护措施有：锁定、光衰减的监视、门接触器、铅封等。

2.传输系统安全功能

　　该层主要为核心传输系统提供安全功能，有关的安全措施包括对核心传输系统公用的功能，主要有：

　　　　对FRU的鉴权过程；
　　　　对ONU的接入控制措施；
　　　　核心传输系统中数据的接入控制措施。

　　这些措施是集中供给核心传输系统的，即对所有ONU都是公用的，而且以下有关的消息必须送给操作系统：

　　　　库存信息；
　　　　接入控制信息；
　　　　物理配置的改变。

　　整个鉴权过程也由操作系统控制。

3.业务安全功能

　　该层为业务部分（壳）功能提供安全措施。对于需要极端保密的特殊业务，安全功能必须按一段一段链路为基础实施，这类安全措施与特殊业务有关，必须在业务部分（壳）内实施。

6 供电

　　供电是光接入网的一大课题。光纤的纯介质特性是其最大优点，可以免除很多金属线所无法避免的麻烦。然而从供电的角度看，纯介质的光纤无法导电，为用户侧的ONU供电成了一个难题。目前，ONU的供电有三种方式，即由网络通过分离的金属线供电的集中供电方式，由附近供电设施供电的本地共享供电方式以及由用户所在地或附近处直接为ONU供电的本地供电方式。后面两种方式常常通称为本地供电。为了防止由于供电设施故障而引起业务中断，无论哪一种方式都需要有备用电池。

　　集中供电是目前铜缆接入网的供电方式，技术成熟，对于诸如普通电话这样的低功率要求场合，特别是传输距离不太长时，集中供电方式是一种经济可靠的供电方式，可以看作是一种能提供今天所要求的业务可用性和集中维护共享备用电池和设备的近期解决方案。然而，由于传输线损耗以及与长度成比例的附加供电电缆和安装成本，给用户接入网末端的设备供电要比给局内和远端设备供电贵很多。特别是当需要较高的功率电平而传输距离又比较长时，供电成本会迅速增加，大约在1.5km至2.5km范围时，集中供电的成本开始超过本地供电，如图2所示。


　　本地供电的特点恰好相反，网络中没有金属线，为纯介质的光纤网，自然也就没有金属线所带来的种种问题，本地供电的成本与传输距离无关，因而很适合于传输距离较长的应用场合。然而，由于可以共享备用电池的用户数少，因而备用电池成本比集中供电方式高。此外，采用商用交流市电进行本地供电时，电池的可靠性是关键。消费类可充电电池的可靠性很差，若一个用户服务区到处都安装这些低可靠低寿命电池，维护将是一个大问题，因此采用长寿命高可靠电池是本地供电方式的关键之一。简言之，本地供电对于传输距离长，功耗大的场合是一较好的供电方式。随着接入网覆盖范围的扩大和各种新业务的开发，本地供电方式已成为越来越重要的供电方式，代表了一种长远的解决方案。

　　对于光接入网而言，无论采用集中供电还是本地供电，其供电成本都要远高于局内供电或远端供电，因而尽量减少末端的ONU的耗电是降低整个系统供电成本的关键。美国贝尔通信研究所TR-909技术要求规定，当ONU为多个用户服务且用户线处于挂机状态时，ONU的耗电不应大于1.8W外加上每配置线0.18W。当用户线处于摘机状态时，则需再附加每配置线0.72W。表1列出了按照上述方法所算得的不同规模ONU的耗电功率限制。按照这一要求将会使FIT系统的成本有较好的经济性，比对应的DLC设备优越。如果假设每天有2h的摘机时间，则由表1数值可以导出图3的曲线。由图可见，每线功率限制尽管比DLC已小很多，但比普通电话仍然高不少，当用户线数增大时，则两者的差别越来越小。

表1.ONU功率限制要求


ONU用户线数 挂机时功率限制（W） 摘机时功率限制（W）
4 2.52 5.4
8 3.24 9.0
12 3.96 12.6
16 4.68 16.2
24 6.12 23.4

　　为了改进接入网的可用性，ONU通常都配有可充电备用电池，因而电池的可靠性好坏对整个系统的可靠性有很大影响。在接入网环境，ONU的环境往往是不可控的，因而备用电池必须是免维护的。可充电铅酸电池的成本低，技术成熟，没有镍镉电池的记忆效应，是接入网近期应用的重要选用电池。近年来，高可靠的高温镍镉电池已开始应用，其可靠性和紧凑性很引人注目。通常，高温总是要加速电池的老化过程，而高温镍镉电池利用耐热的聚丙烯材料来解决高温老化问题，可使其浮充寿命达10年左右，成为接入网应用的新的可选电池，代表了一个重要的发展方向。用普通电池外加光电池为ONU供电在很多场合似乎提供了一种经济可行的选择，既无需与远端供电设施相连，也无需与本地供电设施相连，可以有不受限的供电延长能力来对付典型的长时间电源失效故障。随着将来对ONU功率要求的进一步减少和光电池性能的进一步改进，上述供电方案在很多场合下将成为越来越经济的选择方案。总的看，从尽量减少维护工作的角度希翼备用电池的可靠性尽量高，寿命尽量长，这将是长远的努力方向。



第五讲 光接入网的演进

摘要：本讲首先简要讲述光接入网升级的一般考虑，然后着重先容无源光网络（PON）传送图像业务的主要方案，接下来讲述以PON为基础的SDV业务和应用以及SDH在接入网中的应用，最后讲述以ATM为基础的宽带PON（APON）。

关键词：光接入网 网络演进

1 光接入网（OAN）升级的一般考虑

1.1 OAN升级的一般考虑

　　OAN除了继续减小设备的尺寸、成本和功耗外，最主要的升级考虑是要支撑业务要求的演进，因而OAN系统应具备升级能力支撑那些目前尚不经济或尚未开发的新业务。当然，用来使OAN升级传送这些业务的手段本身应该是经济有效和实际可行的，而且在升级实施过程中对网络中的现有用户不应有影响。
OAN升级和演进的步骤和路线有很多选择，有些是必须经历的，有些是可以跳过的，下面列出一些可供选择的演进步骤和路线；

　　　　首先实施FTTC/FTTB，将光纤敷设尽可能靠近用户并准备足够的空闲光纤设备以备将来的发展或出租用。

　　采用V5.1开放接口与交换机相连实现诸如普通电话和窄带ISDN等业务。

　　　　如果法规允许的话，敷设CATV重迭网，提供有线电视业务。CATV网的实现有两种主要方式，其一是基本独立的重迭式网络基础设施（例如SDV应用，详见后文），其二是在同一网络基础设施中的附加波上实现（例如无源光网络（PON）应用，详见后文）。

　　　　实现具有集中功能的V5.2开放接口，提高网络利用效率，降低成本。

　　　　实现VB5接口，用户环路SDH和/或ATM化，最终提供交互式宽带业务。

　　　　为了扩大用户数或延长传输距离可以在演进过程中引入光纤放大器，这对宽带业务的传送往往很有必要。

　　　　当WDM器件价格降到可接受水平时，可以引入2～6个波长的WDM器件，从长远看则有可能实现32个波长乃至数百个波长的高密集波分复用或频分复用系统，甚至最终实现一个用户一个波长的所谓多色网。

1.2 光配线网（ODN）的升级考虑

　　光纤的成本正在稳步下降，而市政建设工程的费用却在稳步上升而且越来越困难，因而在建设光接入网的初期就应在光分路器与光网络单元（ONU）之间的配线段甚至引入线段落预放足够的空闲光纤或预留足够的空闲光纤管道管孔或管子，以备将来新业务的供给的需要和新技术实施的需要。

　　这样，对于引入线段落，利用预留的空闲光纤或者预留的空闲管道管孔和管子敷设附加的光纤即可实现升级。对于配线段/馈线段，除了上述措施外，还可以利用波分复用方式在现有光纤上通过附加工作波长的方式来逐步升级。 1.3 ONU的升级考虑

　　ONU的更新升级有多种方案可用，其中主要的选择有时分复用和波分复用甚至频分复用。时分复用具有灵活的帧结构，允许有效地更新ONU的容量与业务需求相适应。为了将来的升级可以事先在光接收机前安装光滤波器，其功能是允许目前使用的窄带业务以很低的损耗通过，但对于未来可能使用的其他波长则予以阻断。

　　除了上述一些比较宏观的考虑以外，尚有一系列具体的技术问题需要考虑，特别是怎样从现有的窄带OAN升级到提供宽带OAN，不仅要考虑供电和网管等大问题，还要考虑诸如设备的机箱尺寸和背板总线的带宽等十分细致的技术问题。一句话，OAN系统的升级不是一蹴而就的事，还需要作大量的研究工作，合理解决一系列实际问题后才行。

2 PON传送宽带图像业务

　　在OAN升级考虑中，最重要也是最困难的部分是怎样利用现有PON来传送宽带图像业务（特别是广播电视），即早期宽带PON（BPON）问题。有关BPON尚无任何国际标准可用，但有一种早期发展的趋势已经自然形成，即使用1310nm波长区传送窄带业务，而使用1550nm波长区传送宽带图像业务（主要是广播电视业务）。这样作的好处是1310/1550nm波分复用（WDM）器件已很便宜，而目前1310nm波长区的激光器也很成熟、便宜，适于经济地传送急需的窄带业务。另一方面，1550nm波长区的光纤损耗低，又能结合使用光纤放大器，因而很适于传送带宽要求较高的宽带图像业务。至于具体传输技术仍有多种选择方案，目前主要是频分复用（FDM），时分复用（TDM）和密集波分复用（DWDM）三种，下面分别讲述。

2.1 采用TDM+FDM+WDM的PON

　　这种方案使用1310/1550nm两波长WDM器件来分离宽带和窄带业务，其中1310nm波长区传送TDM方式的窄带业务信号，1550nm波长区传送FDM方式的图像业务信号（主要是CATV信号），系统配置如图1所示。


　　频分复用是一种成熟的模拟复用技术，复用方法是在一个波长上采用频分复用方式将多路电视信号组成一个副载波复用（SCM）信号，该信号再对一个1550nm波长的激光器进行强度调制，受调光信号经PON传输后到达接收端，由1310/1550nm两波长WDM器件将其与窄带信号分离并分别进入各自的接收机。由于多路电视信号所占用的带宽很宽，因而接收机灵敏度较低，可用光功率预算值较小。解决办法之一是让宽带图像信号旁路一些分路器，降低总的分路比，从而减小了光分路器的损耗，使其光功率预算值可以与窄带信号相比。解决办法之二是采用光纤放大器来弥补接收灵敏度的降低。

　　至于FDM中每个电视通路的调制方式的选择必须考虑诸如占用带宽，所需光功率预算，传输距离和经济性等多种因素，其中最关键的因素是可用光功率预算，即可用光通道损耗。为了满足传送50路电视节目的需要，AM-FDM方式的可用光通道损耗不到20dBdB，使PON的分路比只能取得很低且无法覆盖足够的传输距离。在同样条件下，采用FM-FDM方式的可用光通道损耗可高达30dB，可以满足PON的使用要求，因而成为合理的选择方案。

2.2 采用TDM+WDM的PON

　　这种方案也使用1310/1550nmWDM器件来分离宽带和窄带业务，与上述方案不同之处在于将电视信号的复用传输方法改为数字TDM方式，系统配置如图2所示。方法是对每路电视信号配置图像编码器进行抽样、量化和编码，再经TDM方式进行电复用成为高速数字流对激光器进行强度调制。这种PON系统是纯数字传输系统，中间传输过程与前述相仿，只是接收端需用电视解码器来恢复模拟电视信号送给常规家用电视接收机。为此用户必须购置一个机上盒，这在目前仍然相当昂贵。相信随着MPEG-2解码芯片的大规模生产，其成本不久会大幅度下降，届时这种数字TDM方案将会逐渐成为主导发展趋势。有关光通道损耗问题仍然需要采取类似措施来解决。


2.3 采用DWDM和PON

　　这种方案采用密集波分复用（DWDM）方式来实现分阶段的PON更新升级。目前公认比较现实的方案是采用5波分复用。第一步利用一个波长来传窄带业务。第二步附加一个波长来传CATV信号，其调制方式先为模拟方式，以后再更新为数字方式。采用模拟调频方式时可传50路左右节目，采用TDM数字调制方式时可传数百路MPEG-2编码的电视节目。第三步再附加一个波长来传交换式图像节目，妆期一个通路，以后可扩展至6路。第四不再附加一个波长来传高清晰度电视（HDTV），由于HDTV信号比常规复合编码电视信号所需带宽大4倍，因此同样的线路速率只允许传四分之一的HDTV电视节目数。再进一步可以再附加第5个波长来传双向宽带数据业务，例如局域网互连或其他高速图形和数据业务等，此时将会采用ATM方式。表1给出了这种以TPON为基础的5阶段波分复用发展规划，仅供参考。这种方案实现简单方便，发展潜力大，但目前WDM器件仍嫌太贵。

表1 采用波分复用的PON发展规划示例


波长
业务
网络能力
分路比
技术

1
窄带业务（电话等）
240×64kbit/s
128
TDMA

2
50路FM广播电视或数百路数字电视
（0.4～2.5）GHz或2.4Gbit/s
32
SCM或TDM

3
交换式图像
2.4Gbit/s
32
TDM

4
几十路HDTV广播电视
2.4Gbit/s
32
TDM

5
ATM双向宽带数据
156Mbit/s
32
TDM


3 以PON为基础的SDV业务和应用

　　除了上一节所讲述的利用PON来传送宽带图像的结构外，还有一种特殊的电是以PON为基础的BPON结构，称之为交换式数字图像（SDV）业务和应用。应该指出，SDV不是一个很合适的术语，很容易引起误解。首先SDV不是一种独立的系统结构，而只是一种业务和应用，其基本技术和系统结构是PON。其次从字面上看，似乎SDV应该是一种全数字化系统，而实际上当人们谈论SDV时目前几乎都是暗指一种数字式FTTC与单向HFC的结合物，用FTTC结构来传送所有交互式数字业务（包括电话、图像和数据），而HFC仅仅用来传送模拟广播电视节目外加给FTTC的ONU供电。这种结合物实际是由两套基本独立的网络基础设施所组成，如图3所示。


　　由图可知，上半部实际是一个以PON为基础的FTTC，与传统的PON不同处在这儿是ATM化的BPON，因而HDT和ONU皆为综合宽带设备，而且ATM可直接通达机上盒（STB）。由于目前尚无BPON的国际标准，因而线路口速率帧结构均为厂家专用的。例如美国LT企业的解决方案是采用双纤方式，下行速率1.036Gbit/s，上行速率51Mbit/s，其中图像业务的净负荷下行方向为829Mbit/s，上行方向为12.88Mbit/s，传输距离达10km左右。由综合HDT出来的高速信号经点到点或1：4分路比的点到多点无源光网络到达综合的ONU，电话信号直接通过星形方式经双绞线送给用户话机。交互式数字图像信号则首先与来自HFC网部分的模拟广播电视信号按频分复用方式结合在一起，其中数字SDV信号占据低频端，为基带调制信号，采用16电平CAP调制（CAP-16），由于是带通传输方式，因而零频附近没有频谱分量。模拟广播电视信号占据高频端标准CATV通路。上述频分复用信号再经引入同轴电缆传送给图像终端，其中模拟广播RF电视信号直接送给模拟电视接收机即可，交互式数字图像信号需要经过机上盒（STB）转换为标准模拟广播RF信号频谱后才能为模拟电视接收机所接受。SDV的上行信号在引入线同轴电缆上为1.62Mbit/s，ATM净负荷1.02Mbit/s，将来计划增加至3Mbit/s。在光纤线路上为51.84Mbit/s，ATM净负荷为12.88Mbit/s。

　　图中下半部是单向HFC，只用来传送模拟广播电视，带宽也只需550MHz即可，同时还免去了传输双向业务所带来的一系列麻烦，网络大为简化。另外，利用同轴电缆总线给ONU提供射频（RF）模拟电视信号的同时也解决了ONU的供电问题，而这两点恰好是普通FTTC结构的困难之处。

　　综合看来，似乎SDV比较合理地利用了FTTC和HFC的特点，其系统结构对电话企业有很大灵活性，可以在优先保证其双向业务的前提下根据需要灵活提供模拟广播电视业务和交互式数字图像业务，符合其长期发展目标。然而其关键是经济性，只有当使用交换式数字图像业务的用户数超过相当比例时其经济性才能充分体现。那么究竟经济的比例数是多少？已发表的结果差异很大，其范围可从15%～50%之间变化。但有一点是一致的，即只有交互式数字图像业务的使用率较高时，SDV才经济，否则不如模拟HFC结构经济。为了使读者对SDV与HFC的特性有一个全面的横向比较，笔者在表2中总结了两者的主要特性，仅供参考。表中SDV特性主要以PON为基础的FTTC为主，HFC指双向HFC，这两者代表了当前接入网发展的两个主要方式，前者最终通向B-ISDN，后者最终通向FSN（全业务网）。

4 SDH应用于接入网

　　SDH已经在核心网牢牢地站住了脚。目前的市场，带宽需求和技术都已显示有必要把SDH的技术上的巨大优势带进接入网领域，使SDH的功能和接口尽可能靠近用户。对于接入网应用SDH的主要优势在于：

　　　　对于要求高可靠高质量业务的大企事业用户，SDH可以提供理想的网络性能和业务可靠性。

　　　　可以增加传输带宽，改进网管能力，简化维护工作。 　　　　SDH的固有灵活性使网络运营者可以更快更有效地提供用户所需的长期和短期业务需求。

4.1 目前的应用方案

　　对于需要带宽大于等于34Mbit/s的大企事业用户，直接将SDH分插复用器（ADM）设置在用户处用STM-1通道与STM-N服务节点相连已证明是一种经济可行的方法。这种连接既可以是点对点方式，也可以通过环结构。对于带宽要求远小于34Mbit/s的情况，则采用更低速率的复用器或共享ADM的方式是更经济有效的方案。

　　在目前的ADM设备中，最基本的支路带宽单元是2Mbit/s。为了支撑低于2Mbit/s的业务需要附加的业务复用器。若能将这些低速业务接口集成进ADM则可以省去分离的业务复用器。另一个选择是利用SDH来传送2Mbit/s及以上速率的业务，后面连接PON来传送低于2Mbit/s的业务。

　　对于多数普通企事业用户，设在路边（DP点）的终端复用器可以用来为大量用户提供2Mbit/s为基本单元的带宽。需要小于2Mbit/s带宽业务的用户可以靠业务复用器或后接PON来解决。

　　对于大企事业用户，由于带宽需求大，可以考虑直接用STM-N环形结构将其互连起来。然而，对于带宽要求很高的大企事业可能不愿受环形带宽的限制，更喜欢点到点的连接方式。此外，将ADM直接放在用户所在地要考虑信息安全问题。对于带宽要求不太高的企事业用户，首先连至路边的ADM再经环结构互连可能是适宜的。

4.2 未来的实施方案

　　为了更充分地利用SDH的所有优势，需要将SDH进一步扩展至低带宽用户，提供64kbit/s等级的灵活性并能综合进现有和新的业务传送平台。具体实施方法可以有很多种，下面选择几种方法进行先容。

　　目前典型的SDH设备的支路板至少有16个2Mbit/s接口，对于那些需要的带宽远小于32Mbit/s的场合，使用这样的设备显然是不经济的。为了改进经济性需要开发一咱更紧凑更低成本的SDH设备，接口板具有更小的带宽，只需若干2Mbit/s接口即可。 　　一种更有效的为小带宽用户传送SDH通道的方法是使用STM-1子速率连接（Sub STM-1）。由TUG-2和TUG-3支撑的净负荷分别为6Mbit/s和42Mbit/s，这样的速率对小带宽用户而言虽然比STM-1速率要经济得多。因而采用Sub STM-1传送速率对于小带用户是一种经济有效的方案，同时又能保持全部SDH管理能力和功能。这种解决方案的主要困难是目前尚无国际标准可用，但ITU-T正在认真考虑。

5 以ATM为基础的BPON（APON）

　　电信网的核心网部分正在ATM化，接入网也正在开始大量应用PON系统。为了使接入网部分的PON和核心网的ATM化趋势相兼容，合乎逻辑的作法是使PON携带的信息ATM化，这种ATM化的PON称为ATPON。这样可以使接入网也能充分享受ATM化后所带来的一系列好处。APON代表了多媒体时代接入网发展的一个重要发展方向，图4显示了一种APON系统结构。


　　该APON系统采用无源双星形（PDS）拓扑，分路比为1：16，传输复用和多址接入方式仍然采用TDM/TDMA方式，不同之处在于是以信元为基础的TDM/TDMA方式。在下行方向，由ATM变换机来的ATM信元先送给OLT（B），OLT（B）将其变为连续的156Mbit/sTDM形式并以广播方式传送给所有与OLT（B）相连的ONU（B），每一ONU（B）可以根据信元的VCI/VPI选取出属于自己的信元送给用户终端。

　　上行方向，各个ONU（B）收集来自用户的信息并以156Mbit/sTDMA突发模式发送数据，为些系统需要有突发信号同步功能，另外为了解决各个终端所发信元发生冲突的问题，系统仍然需要有传输延时调整对准功能。

　　系统采用单纤波分复用方式来解决双向传输问题，即用1550nm波长传送下行信号，而用1310nm波长传送上行信号。下行信号和上行信号的分离采用1310/1550nm两波长WDM器件来完成。

　　APON的帧结构尚无标准可言，各厂家都有自己的专用方案。上述APON系统的帧结构由净负荷和附加的信头组成，其中净负荷为标准53byte，附加信头（诸如同步、定界、防护、识别、安全、地址等）为7byte，总长60byte，上下行皆一样，帧长1ms，只是具体内容不同。

表2 SDV与双向HFC的比较


.
SDV
HFC

基本技术
数字基带
模拟带通

典型节点用户数
16～48
500

光纤化程度
靠近用户
离用户稍远

网络拓扑
树形-分支
星形/总线

复用方法
TDM
FDM

接入控制
网络
终端

上行带宽
高
低

安全性
好（专用星形链路）
中（共享线路）

光元器件要求
低线性
高线性

维护运行
容易
复杂

经济性
高速率高交互式业务使率时经济
低速率低交互式业务使率时经济

网管
目前两套基础设施需两套独立网管
只需一套网管




第六讲 用光纤接入网组建专网

专网建设的传统方式

　　组建专网的传统方式是： 通过租用或自建到电信局的市内中继电路，并向电信局租用长途专线电路，将本地的通信设备与异地的通信设备联网，为用户提供语音通信和数据通信业务。采用传统方式组建专网有着不可克服的局限性。

　　1、租用的长途专线电路一般为双绞线，其信道窄，一般只有64K，且保密性差，即使采用诸如xDSL等数字传输技术，也存在物理上泄密的可能。

　　2、所能提供的业务范围小，一般只涉及电话、传真、电报等业务，以及一些以语言为基础的二次复用。

　　3、技术层次低，其发展潜力已到尽头。而且有资料表明，随着IP业务的发展， 数据通信业务将超过已统治电信行业100多年的电话通信业务。

光纤城域网在专网建设中的局限

　　近几年许多专网单位逐步在全国发达地区建设光纤城域网。光纤城域网对专网的技术升级起了巨大的推动作用。但是光纤城域网专网组网中也有局限。

　　首先是投资多、建设难度大。光纤的成本与屏蔽双绞线成本相比，价格不是一个数量级的。况且光纤传输设备的价格也十分可观，而且存在光缆地下通信管道的建设费用昂贵及建设管道过程中与各级政府职能部门配合的问题，单单铺埋炮缆这项工程就十分棘手。 　　其次是综合利用效率低。目前许多专网单位已建成光纤城域网的地区多为省会城市， 一般采用点对点的PDH传输系统，只是开放语音业务，用以替代原专网的市内中继线。其他诸如数据、图像等非语音业务亟待开发， 综合应用效率就显得十分低，而且点对点的PDH传输系统没有自愈功能。 因而光缆城域网正向SDH传输系统发展，但其投资是一般单位无法承受的。

　　第三是覆盖范围小。由于城域光缆网建设资金投入巨大的制约因素，使光纤城域网只是在发达地区建设，不能覆盖到全国所有地市，而接入网技术则刚好可以填补这个空白。因此从这个意义上说，光纤接入网技术又是光纤城域网的延伸，光纤城域网和光纤接入网如能很好地协调建设，将会共同成为专网的重要组成部分。 光纤接入网在专网建设中的应用

　　目前流行的光纤接入网，是在SDH传输环上的任一点延伸出一个接入平台，其核心设备是一种综合接入的高智能平台，它可同时接入电话交换网、DDN网、X.25网、ISDN网、帧中继网、ATM网、CATV网以及WWL网，并可直接向用户提供以上业务。

　　电信部门建设光纤接入网的目的就是将光纤拉到大楼、路边和小区，并将业务的提供点尽量靠近用户的需求点。当电信部门将光纤接入网站点建在专网单位的办公地点后，专网单位就可依据自己的业务需要，让电信部门提供相应的通信业务。电信部门不可能单独为专网单位的业务提供电路板，但专网单位可以出钱购买提供该业务的电路板。因为专网单位不需为整个通信系统投资，只是为具体提供业务的电路板投资，这样专网单位在组建专网中的投资可以大幅度降低。 　　专网单位是非专业通信企业，若想跟上通信的现代化步伐，靠国家投资、自己建设必将走入耗资大而见效微的误区。而电信部门在接入网建设发展中迫切需要建设许多站点，站点的建设用地一般采用购买和租用的办法解决，这是一笔很大的投资。专网单位可以采用以资源换投资的方式，互利互惠，搭上电信部门的这趟快车共同发展，应用接入网技术组建本单位的专用数字综合通信网络，那么专网单位的通信工作必将跟随电信发展而发展，从而开辟了一个全新的专网通信工作领域，专网单位在专网建设中应紧紧依靠电信部门，发挥机房、电源、空调器和环境安全等方面的资源优势，以资源换取建设接入网站点的投资，电信部门将光缆拉到专网单位的大楼，设备装进专网单位的机房，设备由电信方自行维护，专网单位代为照看，双方共同建设接入网站点，电信方根据专网单位的需要提供相应的通信业务。 专网应用光纤接入网技术的未来 　　大家可以预期电信技术及业务的发展方向将会向高速率、大容量、多元化的综合数字通信业务发展。随之发展的专网从不同角度来看会有以下变化：

　　首先从建设发展的角度来看，接入网站点作为电信网络的重要组成部分，其发展已经纳入电信建设的规划，这样就可以在建设上保证接入网站点的发展不会在短期内落伍，从而带动专网的建设。

　　其次，从用户对带宽的需求来看，必将从64K向2M发展，接入网站点可提供从64K到2M乃至更高的带宽通道，可以很好地适应用户对带宽变化的需求。

　　第三，从技术发展的角度看，由于接入网站点的作用是将各种通信业务综合汇接，并直接给用户提供全数字的通信业务。当一种新通信业务出现，其技术规范必将符合ITU的接入标准，从而保证新业务都能在接入网内传输，而电信部门为了能提供新业务，就会要求接入网设备提供商开发新的业务接口，从而在技术上保证了一旦有新业务的出现就能直接为专网单位所用。

　　第四，从投资的角度看，将来各种已有的通信业务费用必将随着新通信业务的出现而不断下降，而通信所需用地则会随着使用通信的人数增加、电信垄断的结束和电信同行的激烈竞争而不断上涨。两种因素相反变化，无形中会提高接入站点用地的提供者在通信领域的地位。这样在将来的通信发展中，专网单位以资源换投资的做法将会更有份量，专网单位在专网建设中将会得到更多的优惠。

　　综上所述，可以认为，借助电信部门的光纤接入网建设的机遇，应用光纤入网技术，是专网技术提升和改造的一个新途径。




第七讲 农村光纤接入网的新天地

　　近几年我国光纤接入网正在快速的发展，除省会城市和沿海经济发达的大、中城市正在大力建设光纤接入网以外，广大的农村地区也在积极地规划和建设光纤接入网。光纤接入网在农村的发展，主要有电话业务和有线电视业务两大市场。

一、农村发展接入网的必要性

　　1．适应电信网的发展趋势目前中国的本地电话网，基本完成了交换网和局间传输网的数字化，乡镇以上已经实现了局问的光缆化，而接入网的光纤化水平仍然较低，大量的铜缆接入已经成为电信网发展的“瓶颈”。

　　农村地区大量的小容量端局和模块局，由于机型落后、容量小、局间网络复杂，长期以来形成“小容量、多局所”的局面，不仅与本地网“大容量、少局所”的发展方向相悖，而且严重影响了本地网的交换网向二级结构的进一步演变。

　　随着信息产业结构发生的巨大变化，对单一的电信网提出了更高的要求。电信、有线电视、计算机网络服务之间的界限越来越模糊，随之将引发行业的融合和网络的融合。为满足用户对电信的多种需求，目前分散、复杂的网结构将难以胜任如此繁杂的功能。因此要根据市场的需求对网路的结构进行调整，并最终使各种分散的业务网如：电话网、分组交换网、DDN网和有线电视网等综合成未来以ATM技术为核心的B-ISDN网。

　　本地电话网的建设，将逐步对容量校机型落后、不能提供数据业务的小端局和模块局进行调整和自然淘汰，在这个过程中，需要利用接入网技术增加交换局的覆盖半径、调整平衡局间的业务量、完善网路管理，在原有机房面积不增加的情况下，增加交换机的容量从而达到减少局所的目的。接入网是整个电信网的重要组成部分，是实现电信网由单一媒体向多媒体转变的基础。

　　2．农村接入网亟待提高承载业务的能力

　　当今网路技术的发展、业务需求的多样化、信息速率的不断提高和业务的相互渗透，使电信、广播和计算机由原来的分离逐步走向融合，三种业务的融合使目前只能承载单一业务的铜缆接入网面临的问题日益突出。 　　随着计算机技术和电信技术的发展，特别是以IP技术为基础的网络由于其技术新、容量大、成本低、效率高，具有很大的发展潜力。多媒体业务，中、高速数据业务和宽带视频业务以及IP延伸的各种新业务，在市场成熟后将以爆炸性的速度发展。

　　从目前本地网的情况来看，用户对电信业务需求的种类以电话业务为主，近期还有少量的窄带数据业务需求，宽带业务的需求还有待时机。对于农村地区的用户来说，对有线电视的需求将超过电信。电视机的普及率高于电话普及率。从电话业务用户的发展数量来看，1999年全国农村的电话用户数比1998年平均增长5％，近几年电信资费的调整对农村通信的发展还将有比较大的促进，预计今后几年不仅农村电话将快速发展，县城和乡镇的电话普及率也会大幅度提高。

　　随着接入网技术的日渐成熟和接入设备价格的下降，必须加快接入网的建设步伐，农村接入网的建设，首先要满足用户对电话和有线电视的需求。网络的建设应该超前以适应未来网路向宽带化的方向发展，满足各种用户的不同需求，为用户提供优质、高效的服务，提高自身的竞争能力。

　　二、设置综合业务目标局的意义

　　以往本地电话网的局所只限定在电话业务节点的范畴，比如电话端局、电话汇接局、农话局、农话汇接局和模块局等。在接入网的规划和建设中，提出了综合业务目标局的概念。综合业务目标局是指未来能作为语音、数据、图像等多种业务的综合业务节点。

　　由于接入网的承载能力和接入的业务种类不再是单一的窄带电话业务，它所面对的业务节点除了电话交换机以外还有各种低、高速数据节点、视频业务节点和租用线等多业务节点。综合业务目标局的建设应该在现有电话业务交换节点的基础上，逐步增加窄带和宽带数据业务节点的功能。接入网的发展和建设也要根据数据业务的发展情况，逐步由目前的电话业务接入逐步过渡到窄带或宽带业务的接入。

　　所以综合业务目标局不仅要对电话交换机的机型有所选择外，如交换系统要具备大容量、高处理能力、能够提供V5系列接口或有条件升级。还要有容纳多种业务节点，如各种数据节点。有线电视前端设备，接入网局端设备及多种传输设备。随着多媒体业务、IP业务的发展，综合业务目标局建成多业务节点，正好符合接入网向综合业务接入的发展需求。

　　近几年本地网正在朝“少局所、大容量”的发展目标过渡，局所的调整给接入网综合业务目标局的发展奠定了基础，本地网保留的局所一般是容量比较大、功能齐全、地理位置适中的交换局，同时也是目前开展的窄带和宽带数据业务节点。综合业务目标局的设定，应该符合本地网的局所调整，也就是说目标局的选择应该在本地网局所调整的基础上进行或与本地网的局所建设统筹考虑。局址要选择位于覆盖范围的中部，以利于交换和传输网的网络布局，同时兼顾电信大用户和电信用户密集的地方，以利于用户对多种业务的接入。

　　三、光纤接入网网络结构

　　（1）本地传输网的现状分析

　　本地传输网的物理结构可以从两个层面来分析，即本地网的局问传输网和用户网。由于以往的局所比较多，许多地方的乡镇都设有小容量的端局，因此局间传输网通达到乡镇。随着我国本地局间传输网的数字化、光纤化程度不断提高，大部分地区都完成了光纤到乡镇的目标。局间传输网采用的技术为PDH、SDH，网络的拓扑结构一般是环形。但是对于模块局来说，由于模块局的传输往往不是标准的PDH，也不具备自愈环的组网能力，所以是星型的拓朴结构。

　　与局间传输网的情况相反，用户网的数字化、光纤化的程度比较低，采用的手段也比较落后。大部分地区沿用架空铜缆，网络的拓扑结构一般是以乡镇为中心的星型或线形结构。

　　按照本地网“少局所、大容量”的局所调整，乡镇一级的小容量局所将逐步由接入网设备替代。接入网的覆盖范围，也就由原来的村到乡扩大到村到县，原来乡镇间的局间光缆的路由一部分可以利用（路由走向符合现有接入网的需求），一部分要调整后利用。目前农村的网络拓扑结构如图1所示。




　　（2）有线电视网的网络现状

　　由于目前我国大部分地区有线电视网只提供单向的业务。有线电视网的网络为二级结构，即中心局和分局。在市区中心局以市为单位，分局以区为单位。农村一般以县为单位设置中心局，乡镇设置分局。中心局之间采用光缆环连接，中心局与分局之间为星型连接，有些乡镇的电视台是一种局部的星型拓扑结构。分局的有线电视前端设备通过星型拓扑结构的光缆连接到光节点，光节点一般放在行政村，从光节点到用户采用同轴电缆，以树形或总线形的拓扑结构连接到每个用户，每个光节点可以覆盖1km2范围的用户。目前有线电视网络的拓扑结构如图2所示。




（3）电信网和CATV网的比较

　　从两种网络的现状看到，两种网络的上层都是环形结构，并且是光缆环形网，但是这两种光缆环形网的起点是不一样的， CATV的中心局是设在县一级。中心局之间是光缆环，也就是县一级是光缆环。县与乡之间是星型的结构，电信网的端局之间，也就是乡镇与县局之间的主于光缆是环形结构。 　　CATV网从用户到光节点是树形、总线形的拓扑，采用同轴电缆每500m设一个放大器完成信息的传输，电信网从用户到交换机，一般是星型或线形拓朴结构，采用铜缆双绞线完成信息的传输。

　　两种网络传送的信息是截然不同的，电信网是双向窄带业务，传输的一般是数字信号。CATV网是单向宽带业务，传输的是模拟信号。随着技术的发展，双向的HFC和宽带无源光网络技术的不断商用化，将使这两种业务融合到一起。

　　2．接入网的网络结构 　　按照接入网的物理参考模型，接入网分为主干层、配线层和引入层。近期和中期光纤接入网的规划和建设，首先要完成主干层的光纤化，在城区意味着光纤到路边（FTTC）、光纤到小区（FTTZ）、光纤到大楼（FTTB），光纤到大楼一般是指电信大用户即电信业务需求量大和业务种类多的高层建筑。在主干层光纤化的基础上，再将光缆进一步向用户端延伸，在城区意味着光纤到大楼（FTTB）、光纤到办公室（FTTO），远期光纤接入网的目标是实现引入层的光纤化，即实现光纤到家庭（FTTH）。

　　城区主干层的拓扑结构如图3所示，图中的ONU通过ODB接入主干层光缆环。




　　在农村主干层的光纤化，是指完成从县综合业务目标局到乡镇所在地。经济比较发达的部分行政村之间的主干光缆的建设。随着光纤化进程不断向配线段延伸，在农村则意味着光纤逐步推向行政村或自然村。配线层的拓扑结构虽然可以为环形、星型、线形。但是从本地网的现状看到，配线层的网络基础大部分是行政村到乡镇的架空杆路，网路拓扑结构一般呈星型和链形，农村主干层光缆拓扑结构如图4所示。




　　3．接入网的网络保护

　　接入网的安全可靠性由接入网设备、线路和网路拓扑结构的安全可靠性决定。对于光纤接入网而言，设备的安全可靠性由设备的安全性指标决定，可以采用设备备用或关键插板热备用的措施达到保护目的。线路的安全可靠性由光缆、光节点、光接头和光接线（盒、箱、架）等元器件的指标决定，采用留有冗余度作为备用的方法，为网路提供一定的保护。从拓扑结构来看，目前只有环形的网路拓扑结构可以提供安全可靠性保证。对于非环形的拓扑结构，可以通过设备的主备用和线路的双路由等保护措施来达到保护目的。

　　（1）主干层的保护措施

　　本地网的局所调整后，综合业务目标局的覆盖半径将延伸，主干层承载的业务量带宽至少在155Mb／s，主干光缆的故障将影响成千上万的用户，因此，安全可靠性要求比较高，主干光缆采用环形的拓扑结构，组成光缆线路保护环和光缆设备自愈环。 　　线路保护倒换方式。光缆线路保护环是指每个ONU单独占用一组纤芯，通过环形的光缆从两个方向通达局内，一旦一个方向的光缆发生中断，采用线路倒换的办法通过另一个方向的光缆继续进行，该ONU可独享这组纤芯上的传输带宽。这种保护方法ONU的传输系统不用备用，只是通过局内和远端的ODF人工或自动进行倒换，需要一定的倒换时间。这种方式的优点是ONU独享一对光纤，与环上的其它ONU没有关系，一旦出现故障只影响它接入的用户；光缆线路保护环虽然用纤较多，但ONU不需要备用，投资相对比较少；ONU接入主干环相对灵活，可根据需要随时调整，并且带宽独享、易于升级，适合ONU“多个数，小容量”的环路。缺点是需要一定的倒换时间，如果用户对安全可靠性提出要求，ONU的传输系统需要采用热备用，主备用系统分别接入不同方向的ODF，对运营维护的要求比较高，比如对光缆衰耗的监视、对传输系统误码率的监视、ODF的自动调线，一旦发现异常可以及时倒换。

　　光缆设备自愈环保护。光缆设备自愈保护环是依靠SDH、SPDH传输系统的自动倒换技术，将网络连成环形改善网络的生存性，达到网络的保护。在光纤自愈环中各种业务的用户独占所需的带宽，而且业务量集中流向业务节点，也就是由ONU流向OLT，ONU之间不发生关系，一个光纤自愈环系统由若干ONU组成，它们共亨一组纤芯和传输带宽。这种方式的优点是安全可靠性高，节省光缆芯数、适合ONU“容量大，数量少”的光缆环路。缺点是虽然接入同样多的用户需要的纤芯数量相对较少，但是ONU需要备用传输系统，由于传输设备是双备份的，其投资依然昂贵，根据用户需求的不断增加，传输系统的带宽也将不断升级，系统连接的某个ONU扩容将对整个系统造成影响。另外用纤方式也不灵活，特别是在城市地区，ONU的位置必须处在主干光缆环上，否则还要通过配线光缆进行二次接入（配线光缆距离比较近，所需带宽铜缆又不能承受）造成一定的浪费。

　　非环形拓扑结构的主干光缆的保护措施。因为ONU所在地的地理环境和主干层光缆环的物理路由走向不能形成环形的拓朴结构，或要通过很远的物理迂回路由来实现环形拓扑。在这种情况下应该放弃组环的方案。

　　星型、线形、链形和树形拓朴结构的安全可靠性，只能依靠设备的线路倒换来达到对网络的保护。对重要的大用户ONU的传输设备应该具有自动倒换功能，在光线路发生故障时自动倒换到备用系统，为用户提供较高的可靠性，这种保护方式传输系统、光缆路由和光缆芯数都是需要双备份，这部分投资也是双倍的。为了节省投资，对于只提供普通电话业务接入的ONU，当光缆发生故障时，可以考虑通过局端的ODF和远端的ODB进行人工倒换，有条件可以设置双路由，没有条件可以通过备用的纤芯进行倒换。这种方式适合ONU容量比较小的农村地区。

　　非环形拓扑结构的主于光缆，如果不具有主备用系统，应该尽量在光缆的物理路由和线路上提高可靠性。一种是采用顶留纤芯的保护措施，在市区同管道不同管孔、同缆不同纤，在农村不同缆或同缆不同纤。

　　（2）配线层的保护措施 　　配线层光缆的拓朴结构可以是环形、星型、线形和链形，ONU通过主干层光节点的光线路设备，如光配线（箱、盒、架）进入主干层光缆环。

　　光网络的安全可靠性是与牺牲带宽、增加投资成正比的。随着配线层的光纤化进程的不断向前推进，光纤越靠近用户，ONU的数量就越多而每个ONU的容量就越小。配线层处于主于层和引入层的中间，配线层的安全可靠性要求应该比主干层低。一旦光缆发生故障，影响面也不会很大，保护的等级就应该比主干层低。

　　配线层的保护应该根据ONU接入用户的性质、业务量大小、光缆网络的拓扑结构以及建设单位的投资情况，灵活选择不同的保护措施。对于电信大用户，如银行、证券、保险、科研、党政部门、资讯部门、智能大厦等单位，信息量比较大，对网络的可靠性要求高，今后也是中、高速数据业务和宽带视频业务的潜在用户，这些单位的ONU是要重点保护的，光线路的倒换应该是自动的、无损伤的。

　　四、在光纤接入网中逐步实现电信网与CATV网的融合

　　1．局所的融合

　　农村综合业务目标局一般设在县城所在地，根据全县乡镇的数量和人口分布情况，最多在经济发达、人口稠密的乡镇再设一个目标局。一般CATV网的中心前端也设在县城，正好与电信网的目标局地理位置、覆盖范围相近似。 　　从目标局的功能来看，它是一个多业务节点，因此也可以包含CATV的节点。如果采用光纤环路作为传输媒介，CATV的分前端可以利用接入网的主干光缆环接入目标局的CATV中心前端。综合业务目标局的设置已经为今后的融合奠定了基础。

　　随着技术的发展，多种业务的融合己成定局，CATV和电话业务的融合，在农村是走向融合的第一步，也是关键的一步。从目前的情况看，两种业务的融合，在目标局有两种不同的选择，一种是同缆分纤的方法，CATV总前端设备单向传送有线电视节目，采用独立的传输系统，从总前端到前端的传输系统占用主干光缆环的一部分光纤。电信业务也采用独立的系统，从OLT到ONU也占用主干光缆环的一部分光纤，有的厂家将电视信号和电信信号在光纤接入的局端设备中，通过波分复用（WDM）耦合到一起传送到ONU，在ONU中分离出两种不同波长的光信号，再分别由两种不同的设备将光信号转换成电信号传送到用户端。

　　另一种融合的方法是全程综合，可以称得上是“三网合一”的方式之一，采用HFC双向传输技术，同缆同纤同引入线，在目标局将电话业务节点、数据节点和CATV总前端的语音，数据、CATV节目分别调制到不同的射频上，然后混频通过一个光发送系统传输到远端的光节点，通过光节点进行光电转换，将混频的电信号用同轴电缆传给用户单元，用户单元解调分离出三种信号，通过三种接口为用户提供语音、数据、电视。此种方式的优点在于CATV网、计算机网、电信网“三网合一”的程度比较高，但电话基本业务和低数数据业务的传输质量比较差，价格较昂贵。目前在广大的农村地区很难推广。

　　2．网络的融合

　　（1）主干层和配线层的融合

　　传统的CATV网的中心局（中心前端）到分局（前端），是星型的拓扑结构，网络的安全可靠性比较差。线路发生故障将影响几千个用户，所以网络的可靠性是不能忽视的。 　　中心局总前端通过主干层光纤环路与各分局的前端相连，形成物理环形逻辑星型的结构，使网络的安全可靠性得到保证。接入网配线层的拓扑结构一般为环形和星型，与CATV前端到光节点的拓扑结构基本一致。

　　两种业务的融合首先是网络拓扑结构的一致，在物理路由一致的前提之下，在主干和配线段首先可以采用同缆分纤的方式，各自选用不同的系统，最常见的是（HFC＋DLC）方式，有线电视采用HFC单向传送电视业务。有源光纤接入设备传送电信业务。主干光纤网络可以是有源的（HFC＋DLC），也可以是无源的（HFC＋PON）。这种方式在HFC上只传送CATV和VOD业务，而传送数据以及电话业务则由PON或DLC承担。此种方式的优点在于，电话基本业务和低速数据业务的传输质量和可靠性高，价格较低。此方式有利于邮电部门在保证基本电信业务的同时扩充传送CATV和V0D业务的能力。

　　也可以采用波分复用即同缆同纤不同波长的方式，最常见的是1300μm窗口传送电信业务、 150μm窗口传送有线电视业务。

　　（2）引入层的融合

　　对于光纤接入网而言，引入层是指用户端到光网络单元（ONU），一般使用铜缆双绞线，呈星型的拓扑结构；对于CATV网而言是指光节点到用户端，一般使用同轴电缆，呈树形或总线形的拓朴结构。 　　目前农村的ONU大部分放置在行政村，一个ONU容量达到500线以上，平均每线综合造价才能够比较经济合理。对于经济发达、人口稠密、电话普及率比较高的行政村，设置一个0NU便可以接入500个用户，而对于经济欠发达，人口密度和电话普及率低的地区，ONU要覆盖几个行政村接入的用户数量才能达到500个以上，考虑到经济和通信质量，用户到ONU的距离控制在800m～2km，也就是覆盖半径可以到2km。

　　有线电视网的光节点，可以覆盖的用户数在800～2000，由于电视普及率高于电话普及率，光节点覆盖半径在1km范围，就可以拥有大量的用户。同轴电缆每500m设置一级放大器，最多可以达4级，由于同轴电缆的每公里造价比铜缆贵，同轴电缆的长度也不宜太长。

　　可以看到电信业务和CATV业务可以在同缆分纤的方式下，从综合业务目标局，主干光缆和配线光缆几个部分进行联合建设，在农村光纤接入网网络的建设中为CATV提供一定数量的光纤芯数，光分支点设备，同时在接入设备的远端机房为CATV前端或光节点设备留有一定的局房面积和位置。就可以为采用铜缆分纤、双绞线和同轴电缆重叠入户的方式提供联合建设的条件。如果采用波分复用技术，从目标局到远端可以采用一套元源光网络设备，到光节点再将两种不同的光波分离出来，通过不同的终端设备0NU和光节点，将两种业务分别送到用户，这样不仅避免重复建设，也为今后的进一步的融合奠定基础。

　　从以上分析可以看出，在同缆分纤基础上，由于普及率、设备覆盖半径、拓扑结构的差异，引入层的融合是不可能的。也可以说在近期，农村电话和CATV可以在主干层和配线层实现网络的融合，在引入层的融合必须要等到传输系统、局端和远端设备的融合，也就是从系统上将语音、数据和图像综合在一起，通过光缆传送到光节点，从光节点到用户端使用同轴电缆到用户单元，经调制解调器分离出电话、数据和电视。