光纤接入网与无源光网络概述
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接入容量小 (户均30M×32户) 接入带宽小 (户均1M×1024户) 接入距离短 (10~20km)
系统 维护
管线 用户综合接入成本高，运营维护成本高 ，
施工 不能满足日益增长的业务接入带宽需求！
无源设备
数据来源：2010年光通信论坛暨第三届FTTx发展战略咨询会专题报告
2020/5/12
BX10、1000BASE-LX10、1000BASE-BX10 Cable Modem和PLC PON：APON、EPON、GPON、WDM-PON
2020/5/12
OE, HUST
4
xDSL
DSL类型
ADSL(G.dmt) ADSL(G.lite) ADSL2 ADSL2+ VDSL EoVDSL-10PASS-TS EoVDSL-2BASE-TL
OE, HUST
31
接入扩容与距离延伸：降低成本的重要途径
新器件和新技术 接入扩容：多用户分摊成本 小区
用户终端
距离延伸：降低运维成本 机房多
运营商 管线多
机房
1:32 1:1024
接入容量：增大32倍 单纤接入1024终端
接入距离：延伸3~5倍 60~100km
1:32
10~20km
• 单纤接入1024终端，30Mbps/终端——高带宽大容量接入
2020/5/12
• 光城计划
➢ 基于光纤接入与无线覆盖技术，武汉市2009年全面 启动“光城计划”，将实现50万“光纤到户”接入 规模。
➢ 武汉电信在全国率先推出20M宽带进入家庭。
➢ 高速上网、网络电视、高清电视、全球眼等高带宽服
务成为现实。OE, HUST
14
Biblioteka Baidu
光纤接入网与无源光网络
接入网简介 时分复用无源光网络(EPON & GPON) 波分复用无源光网络(WDM-PON) 混合波分时分复用无源光网络(HPON)
2020/5/12
OE, HUST
19
EPON下行流
802.3帧广播 数据的导出是由802.3帧的前导码中的LLID来标识 64字节GATE信息来分配带宽
2020/5/12
OE, HUST
20
EPON中的关键技术
突发发射，需要较高的响应速度。开启和关闭 时间应该较短。
突发接收，因为ONU的距离不同，需要较宽的 光功率响应范围。
OE, HUST
11
2020/5/12
OE, HUST
12
光纤接入：国家战略性新兴产业的基础
下一代互联网 物联网 三网融合
光纤 接入
我们要在发展新能源汽车以及电信网、广播电视 网和互联网三网融合等方面取得实质性进步，并要进一 步促进物联网的研发和应用。
——2010年国务院总理温家宝政府工作报告
接入网层面：从传统拨号上网到xDSL、LAN、
HFC，本质仍是基于铜缆的接入方式，始终是 整个网络运行的瓶颈。
2020/5/12
OE, HUST
9
铜缆接入网问题
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公司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 30亿美元。 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，因此 而提出光接入网（OAN）的概念。
➢ SN（业务节点）是提供接入到各种交换和/或非交换 电信业务的网元。
➢ SNI（业务节点接口）是提供用户接入到SN的接口。 ➢ UNI（用户网络接口）指的是终端设备与应用接入协
议的网络终端之间的接口 。
2020/5/12
OE, HUST
3
接入网的演变
xDSL：ADSL、ADSL2、ADSL2+、VDSL P2P Ethernet：100BASE-LX10、100BASE-
26
WDM-PON 网络架构
2020/5/12
OE, HUST
27
WDM-PON 关键技术
无色（colorless）ONU
2020/5/12
OE, HUST
28
RSOA
2020/5/12
OE, HUST
29
光纤接入网与无源光网络
接入网简介 时分复用无源光网络(EPON & GPON) 波分复用无源光网络(WDM-PON) 混合波分时分复用无源光网络(HPON)
注册和自动发现 测距和定时 请求报告和允许处理
2020/5/12
OE, HUST
21
常用光器件和光纤简介
光分路器 光合波/分波器 法兰盘和光纤跳线 光纤
2020/5/12
OE, HUST
22
光功率预算的计算方法
对于1×N分路器，插损记为PIL=log2N×3+2dB， 速算方法如N=2m，则PIL=3m+2dB
ONU 1 光发送器
光接收器
介质 接入 逻辑
数据发送 数据接收
数据发送 数据接收
介质 接入 逻辑
OLT 光发送器 光接收器
波分 合路
1:n 无源光 分路器
ONU 2 ONU 3
2020/5/12
OE, HUST
18
EPON上行流
由MPCP协议完成上行流的控制管理 时隙中含多个802.3的以太网帧 发送64字节的REPORT信息向OLT报告ONU的状态 避免冲突
最大传出速 度
最大接收速度
最大 距离
是否支持 多路绑定
1.5Mbit/s
8Mbit/s 5.5km 否
512kbit/s
1.5Mbit/s 5.5km 否
1.2Mbit/s
12Mbit/s 6.1km 是
1.2Mbit/s
25Mbit/s 6.1km 是
19.2Mbit/s
55Mbit/s 1.3km 是
2020/5/12
OE, HUST
38
解决方案
2020/5/12
OE, HUST
39
器件与系统
突发信号增益钳制 全光波长变换与整形器
HUST/ZTE合作研制的 混合波分时分无源光网络系统
• 接入距离60~100km——大范围长距离接入
2020/5/12
OE, HUST
32
混合波分时分复用无源光网络系统架构
2020/5/12
波分复用 时分复用
+ = 波分复用 时分复用 HPON
OE, HUST
33
技术难题1：终端单一波长 (“无色”)的波分复用
光纤
波分复用
单根光纤传输 多个波长信号
DEMUX …
λUM
λUM
(b)
SOA Chip FBG2
(d)
FBG1 λS
2020/5/12
OE, HUST
36
解决方案
2020/5/12
OE, HUST
37
技术难题2：突发信号“全光、透明”放大整形
突发 功率变化达 10 倍 信号 功率突变时间可达 1纳秒
需要“全光、透明”放大整形，以适合长距离传输
10Mbit/s
10Mbit/s 750m 是
2Mbit/s
2Mbit/s 2.7km 是
2020/5/12
OE, HUST
5
P2P Ethernet
点对点以太网可以提供较宽的带宽，传输距离 也较长，但使用的光纤光缆的数目较点对多点 的PON结构要多得多，另外在局端需要很多光 收发模块。
因此，点对点以太网技术并不适合于用户密度 较大的区域。
Tx Rx
…
OLT_2
Tx Rx
……
OLT_M
Tx Rx
MUX/DEMUX
Trunk Fiber
DS US
MUX/DEMUX R/B filter
……
RN RE_1
RE_2 RE_M OA AOWC_M OA
(a)
…
OONNUUs_1
…
ONU_N ONU_1
…
…
ONU_N
Acess 1:N Splitter Fiber
光纤
新器件
终端 有色复用 各个终端 传统
技术
终端 波长均不同
终端 无色复用
发明
所有终端 技术 终端 波长均相同
接入扩容：用户终端采用单一波长，成本最低
2020/5/12
OE, HUST
34
解决方案
ONU
给每个终端分配波长
波长资源有限，扩容受制约 ONU 设备和维护成本过高
1, 2 , ..., N
2020/5/12
OE, HUST
10
光接入网简介
OAN可分为无源光网络（PON）和有源光网络 （AON）。 多数国家更倾向于推动PON的发展 。 目前主流的PON技术有：
以EPON和GPON为代表的TDM-PON； WDM-PON； Hybrid WDM/TDM PON。
2020/5/12
2020/5/12
OE, HUST
15
PON网络结构
无源光网络（PON－Passive Optical Networks）技术是为了支 持点到多点应用发展起来的光接入技术。 OLT－－Optical Line Terminal，光线路终端 ONU－－Optical Network Unit，光网络单元 POS－－Passive Optical Splitter，无源光分路器/耦合器 ODN－－Optical Distribution Network，光纤分布网
光纤接入网与无源光网络概述
2020/5/12
OE, HUST
1
光纤接入网与无源光网络
接入网简介 时分复用无源光网络(EPON & GPON) 波分复用无源光网络(WDM-PON) 混合波分时分复用无源光网络(HPON)
2020/5/12
OE, HUST
2
接入网的定义
接入网是在业务节点接口(SNI)和与其关联的 每一个用户网络接口(UNI)之间由提供电信业务的 传送实体组成的系统 。
2020/5/12
OE, HUST
23
GPON 网络架构
GPON 帧结构
2020/5/12
OE, HUST
25
光纤接入网与无源光网络
接入网简介 时分复用无源光网络(EPON & GPON) 波分复用无源光网络(WDM-PON) 混合波分时分复用无源光网络(HPON)
2020/5/12
OE, HUST
ONU_1
…
DS US_M
ONU_N
US (ONUs)
US (AOWCs)
DS (OLTs)
GB2
GB1
λc
……
……
……
λ1
λ2
λN
λU1 λU2
λUM
(c)
λD1 λD2
λDM
λS
DEMUX …
λD1
λD1
λD2
DS
λD2
λD3
λD3
MUX …
λDM
US
λDM
λU1
λU1
λU2
λU2
λU3
λU3
…MUX
2020/5/12
OE, HUST
6
Cable Modem
Cable Modem网络线路带宽是共享的，在用户 达到一定规模后实际上无法提供宽带数据业务 ，用户分享到的带宽是非常有限的。
要实现双向的HFC需要更换目前有线电视网上 使用的单向放大器，这一部分改造费用也是相 当高的。
2020/5/12
语音网
数据网
视频网 2020/5/12
无源光网络（PON）
ONU
ONU
OLT
POS ODN OE, HUST
ONU ONU
ONU
16
2020/5/12
OE, HUST
17
EPON原理
EPON采用单纤波分复用技术
下行1490nm ； 上行1310nm ； 1550nm可选用于视频 ；
波分 合路
常规单模光纤G.652，传水峰以外的波长，插损按 0.3dB/km计算。
各种插损简单相加后再增加3dBm的功率余量，以 弥补器件老化带来的功率损耗。
例如：EPON使用常规单模光纤和树形网络拓扑结 构，使用1:32分路器，最远传输距离20km。则其 功率预算为5×3＋2＋20×0.3＋3=26dB（注:32 ＝25）
OE, HUST
7
PLC
PLC是指电力线上网，只要有电力插座的地方 就可以上网，方便，但因为其安全性和标准上 的障碍，目前其市场基本上可以忽略不计。
2020/5/12
OE, HUST
8
目前网络现状
骨干网层面：容量已达到10Tbps级 ,下一代网
络的逐步引入提高了网络利用率 ,已基本可以满 足新兴业务的需求 。
第1个TDM-PON
给每个时分PON分配波长
1
AOWC1 0
2
AOWC2 0
OOONNNUUU
0
时间
OOONNNUUU
0
ONUM
…… ……
N
WDM
2020/5/12
AOWCN 0
OOONNNUUU
0
第N个TDM-PON
OE, HUST
ONU2 ONU1
0 1 2 ……N
波长
35
解决方案
CO
OLT_1
2020/5/12
OE, HUST
30
接入成本：制约无源光网络发展的主要瓶颈
业务带宽需求与日俱增：
话音 (3条线路) 数据 SDTV (3个频道)
HDTV 合计业务带宽：
400 Kbps 5-10 Mbps 9-12 Mbps 9-19 Mbps 23-42 Mbps
有源设备
传统的时分复用无源光网络：
2020/5/12
OE, HUST
13
武汉市 “光城计划”
• 光纤到户（FTTH）
➢ 湖北省武汉市自2003年开始“光纤到户”试点， 到2008年底已有约11万户家庭用户，规模居全 国首位。
➢ 我国上海、武汉、天津、温州、北京等二十余
个城市已开始“光纤到户”建设。
KT Central Office (Shingal Branch)
系统 维护
管线 用户综合接入成本高，运营维护成本高 ，
施工 不能满足日益增长的业务接入带宽需求！
无源设备
数据来源：2010年光通信论坛暨第三届FTTx发展战略咨询会专题报告
2020/5/12
BX10、1000BASE-LX10、1000BASE-BX10 Cable Modem和PLC PON：APON、EPON、GPON、WDM-PON
2020/5/12
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xDSL
DSL类型
ADSL(G.dmt) ADSL(G.lite) ADSL2 ADSL2+ VDSL EoVDSL-10PASS-TS EoVDSL-2BASE-TL
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31
接入扩容与距离延伸：降低成本的重要途径
新器件和新技术 接入扩容：多用户分摊成本 小区
用户终端
距离延伸：降低运维成本 机房多
运营商 管线多
机房
1:32 1:1024
接入容量：增大32倍 单纤接入1024终端
接入距离：延伸3~5倍 60~100km
1:32
10~20km
• 单纤接入1024终端，30Mbps/终端——高带宽大容量接入
2020/5/12
• 光城计划
➢ 基于光纤接入与无线覆盖技术，武汉市2009年全面 启动“光城计划”，将实现50万“光纤到户”接入 规模。
➢ 武汉电信在全国率先推出20M宽带进入家庭。
➢ 高速上网、网络电视、高清电视、全球眼等高带宽服
务成为现实。OE, HUST
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光纤接入网与无源光网络
接入网简介 时分复用无源光网络(EPON & GPON) 波分复用无源光网络(WDM-PON) 混合波分时分复用无源光网络(HPON)
2020/5/12
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EPON下行流
802.3帧广播 数据的导出是由802.3帧的前导码中的LLID来标识 64字节GATE信息来分配带宽
2020/5/12
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20
EPON中的关键技术
突发发射，需要较高的响应速度。开启和关闭 时间应该较短。
突发接收，因为ONU的距离不同，需要较宽的 光功率响应范围。
OE, HUST
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2020/5/12
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光纤接入：国家战略性新兴产业的基础
下一代互联网 物联网 三网融合
光纤 接入
我们要在发展新能源汽车以及电信网、广播电视 网和互联网三网融合等方面取得实质性进步，并要进一 步促进物联网的研发和应用。
——2010年国务院总理温家宝政府工作报告
接入网层面：从传统拨号上网到xDSL、LAN、
HFC，本质仍是基于铜缆的接入方式，始终是 整个网络运行的瓶颈。
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铜缆接入网问题
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公司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 30亿美元。 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，因此 而提出光接入网（OAN）的概念。
➢ SN（业务节点）是提供接入到各种交换和/或非交换 电信业务的网元。
➢ SNI（业务节点接口）是提供用户接入到SN的接口。 ➢ UNI（用户网络接口）指的是终端设备与应用接入协
议的网络终端之间的接口 。
2020/5/12
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3
接入网的演变
xDSL：ADSL、ADSL2、ADSL2+、VDSL P2P Ethernet：100BASE-LX10、100BASE-
26
WDM-PON 网络架构
2020/5/12
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27
WDM-PON 关键技术
无色（colorless）ONU
2020/5/12
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28
RSOA
2020/5/12
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光纤接入网与无源光网络
接入网简介 时分复用无源光网络(EPON & GPON) 波分复用无源光网络(WDM-PON) 混合波分时分复用无源光网络(HPON)
注册和自动发现 测距和定时 请求报告和允许处理
2020/5/12
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21
常用光器件和光纤简介
光分路器 光合波/分波器 法兰盘和光纤跳线 光纤
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22
光功率预算的计算方法
对于1×N分路器，插损记为PIL=log2N×3+2dB， 速算方法如N=2m，则PIL=3m+2dB
ONU 1 光发送器
光接收器
介质 接入 逻辑
数据发送 数据接收
数据发送 数据接收
介质 接入 逻辑
OLT 光发送器 光接收器
波分 合路
1:n 无源光 分路器
ONU 2 ONU 3
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18
EPON上行流
由MPCP协议完成上行流的控制管理 时隙中含多个802.3的以太网帧 发送64字节的REPORT信息向OLT报告ONU的状态 避免冲突
最大传出速 度
最大接收速度
最大 距离
是否支持 多路绑定
1.5Mbit/s
8Mbit/s 5.5km 否
512kbit/s
1.5Mbit/s 5.5km 否
1.2Mbit/s
12Mbit/s 6.1km 是
1.2Mbit/s
25Mbit/s 6.1km 是
19.2Mbit/s
55Mbit/s 1.3km 是
2020/5/12
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解决方案
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39
器件与系统
突发信号增益钳制 全光波长变换与整形器
HUST/ZTE合作研制的 混合波分时分无源光网络系统
• 接入距离60~100km——大范围长距离接入
2020/5/12
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混合波分时分复用无源光网络系统架构
2020/5/12
波分复用 时分复用
+ = 波分复用 时分复用 HPON
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33
技术难题1：终端单一波长 (“无色”)的波分复用
光纤
波分复用
单根光纤传输 多个波长信号
DEMUX …
λUM
λUM
(b)
SOA Chip FBG2
(d)
FBG1 λS
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36
解决方案
2020/5/12
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37
技术难题2：突发信号“全光、透明”放大整形
突发 功率变化达 10 倍 信号 功率突变时间可达 1纳秒
需要“全光、透明”放大整形，以适合长距离传输
10Mbit/s
10Mbit/s 750m 是
2Mbit/s
2Mbit/s 2.7km 是
2020/5/12
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5
P2P Ethernet
点对点以太网可以提供较宽的带宽，传输距离 也较长，但使用的光纤光缆的数目较点对多点 的PON结构要多得多，另外在局端需要很多光 收发模块。
因此，点对点以太网技术并不适合于用户密度 较大的区域。
Tx Rx
…
OLT_2
Tx Rx
……
OLT_M
Tx Rx
MUX/DEMUX
Trunk Fiber
DS US
MUX/DEMUX R/B filter
……
RN RE_1
RE_2 RE_M OA AOWC_M OA
(a)
…
OONNUUs_1
…
ONU_N ONU_1
…
…
ONU_N
Acess 1:N Splitter Fiber
光纤
新器件
终端 有色复用 各个终端 传统
技术
终端 波长均不同
终端 无色复用
发明
所有终端 技术 终端 波长均相同
接入扩容：用户终端采用单一波长，成本最低
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解决方案
ONU
给每个终端分配波长
波长资源有限，扩容受制约 ONU 设备和维护成本过高
1, 2 , ..., N
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光接入网简介
OAN可分为无源光网络（PON）和有源光网络 （AON）。 多数国家更倾向于推动PON的发展 。 目前主流的PON技术有：
以EPON和GPON为代表的TDM-PON； WDM-PON； Hybrid WDM/TDM PON。
2020/5/12
2020/5/12
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15
PON网络结构
无源光网络（PON－Passive Optical Networks）技术是为了支 持点到多点应用发展起来的光接入技术。 OLT－－Optical Line Terminal，光线路终端 ONU－－Optical Network Unit，光网络单元 POS－－Passive Optical Splitter，无源光分路器/耦合器 ODN－－Optical Distribution Network，光纤分布网
光纤接入网与无源光网络概述
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1
光纤接入网与无源光网络
接入网简介 时分复用无源光网络(EPON & GPON) 波分复用无源光网络(WDM-PON) 混合波分时分复用无源光网络(HPON)
2020/5/12
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2
接入网的定义
接入网是在业务节点接口(SNI)和与其关联的 每一个用户网络接口(UNI)之间由提供电信业务的 传送实体组成的系统 。
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GPON 网络架构
GPON 帧结构
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光纤接入网与无源光网络
接入网简介 时分复用无源光网络(EPON & GPON) 波分复用无源光网络(WDM-PON) 混合波分时分复用无源光网络(HPON)
2020/5/12
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ONU_1
…
DS US_M
ONU_N
US (ONUs)
US (AOWCs)
DS (OLTs)
GB2
GB1
λc
……
……
……
λ1
λ2
λN
λU1 λU2
λUM
(c)
λD1 λD2
λDM
λS
DEMUX …
λD1
λD1
λD2
DS
λD2
λD3
λD3
MUX …
λDM
US
λDM
λU1
λU1
λU2
λU2
λU3
λU3
…MUX
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Cable Modem
Cable Modem网络线路带宽是共享的，在用户 达到一定规模后实际上无法提供宽带数据业务 ，用户分享到的带宽是非常有限的。
要实现双向的HFC需要更换目前有线电视网上 使用的单向放大器，这一部分改造费用也是相 当高的。
2020/5/12
语音网
数据网
视频网 2020/5/12
无源光网络（PON）
ONU
ONU
OLT
POS ODN OE, HUST
ONU ONU
ONU
16
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EPON原理
EPON采用单纤波分复用技术
下行1490nm ； 上行1310nm ； 1550nm可选用于视频 ；
波分 合路
常规单模光纤G.652，传水峰以外的波长，插损按 0.3dB/km计算。
各种插损简单相加后再增加3dBm的功率余量，以 弥补器件老化带来的功率损耗。
例如：EPON使用常规单模光纤和树形网络拓扑结 构，使用1:32分路器，最远传输距离20km。则其 功率预算为5×3＋2＋20×0.3＋3=26dB（注:32 ＝25）
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7
PLC
PLC是指电力线上网，只要有电力插座的地方 就可以上网，方便，但因为其安全性和标准上 的障碍，目前其市场基本上可以忽略不计。
2020/5/12
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8
目前网络现状
骨干网层面：容量已达到10Tbps级 ,下一代网
络的逐步引入提高了网络利用率 ,已基本可以满 足新兴业务的需求 。
第1个TDM-PON
给每个时分PON分配波长
1
AOWC1 0
2
AOWC2 0
OOONNNUUU
0
时间
OOONNNUUU
0
ONUM
…… ……
N
WDM
2020/5/12
AOWCN 0
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第N个TDM-PON
OE, HUST
ONU2 ONU1
0 1 2 ……N
波长
35
解决方案
CO
OLT_1
2020/5/12
OE, HUST
30
接入成本：制约无源光网络发展的主要瓶颈
业务带宽需求与日俱增：
话音 (3条线路) 数据 SDTV (3个频道)
HDTV 合计业务带宽：
400 Kbps 5-10 Mbps 9-12 Mbps 9-19 Mbps 23-42 Mbps
有源设备
传统的时分复用无源光网络：
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OE, HUST
13
武汉市 “光城计划”
• 光纤到户（FTTH）
➢ 湖北省武汉市自2003年开始“光纤到户”试点， 到2008年底已有约11万户家庭用户，规模居全 国首位。
➢ 我国上海、武汉、天津、温州、北京等二十余
个城市已开始“光纤到户”建设。
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