光纤接入技术

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通信行业职业技能鉴定培训丛书宽带接入
光纤接入技术第二章
第四章光纤接入技术
第一节光纤接入网概述
一、光纤接入网的基本概念
若传输媒质是光纤，同时利用光波进行接入网的信号传送，称为光纤接入网OAN(Optical Access Network)。

由于目前接入网的用户终端设备大都属于电气设备(如电话、传真、电视、计算机等)，故在传输系统的两端(局端和用户端)之间以光纤作为传输媒质时，必须首先在发送端把各种电信号转换为光信号，才能在光纤上进行传输。

而在接收端必须把光信号恢复为电信号，才能在电的终端设备上显示各种原始信息，见图4-1所示。

-1 光/电转换设备工作原理图4
这种光,电转换设备(O/E或E/O)，在局端通常称作光线路终端(Optical Line Terminal,OLT),在用户端通常称作光网络单元(Optical Network Unit,ONU)。

光纤是目前带宽最宽的传输介质。

在所有的传输介质中，光纤可以说是最理想的一种，可提供最大的带宽，可抗电磁干扰，抗雷击，不会产生腐蚀，可以长距离传输。

目前绝大部分的主干网都已采用光纤。

但在整体网络中，最主要的瓶颈在于接入网，这才是真正的网络堵塞路段。

如将光纤应用到用户线路中，取代现有的电话铜线，一定能够满足各种宽带服务的需要，光纤接入网可以说是有线宽带接入网的最佳解决方案。

光纤接入网(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。

建设光纤接入网的主要目标是:
1、为小型企业和事业单位及住宅用户最大程度地提高接入网的带宽。

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第二章光纤接入技术
2、使宽带接入网与核心网相互独立，即OAN不应依赖于交换机的类型，既要能与现有模拟和数字交换机兼容，也要能与新的数字交换机兼容，能够工作于多厂家、多类型交换机环境。

3、OAN不仅能提供原铜线网所能提供的所有业务，将来还能方便升级，支持
多媒体、图像以及高速数据等新的宽带业务。

4、实现灵活的、高可靠性的网络结构，进一步提高网络的使用效率，降低网络结构的实现成本。

要全面建设光纤接入网，就必须铺设相当密度的光纤线路，这在短期光纤接入网的简单结构
二、光纤通信的基本概念
为了便于理解和学习光纤接入网的概念和原理，先简单讨论一下光纤通信的基本概念。

1、光纤通信系统的组成
一个光纤通信系统主要应该包括四个部分:光纤光缆、光源、光检测器、光分合器件。

图4-3 光纤通信系统基本模型
光纤在任何时间都只能单向传输，因而要实现双向通信，需要两根光纤，一个用于输入，一个用于输出，光纤两端接在光学接口上。

2、光纤光缆
(1)光纤的结构和分类
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光纤的横截面很细，由三个部分组成:即纤芯、包层和涂层。

光波的传输是由芯子和包层完成的，其中纤芯为光通路;包层由多层反射玻璃纤维构成，用来将光线反射到纤芯上，而涂层只是起保护的作用，见图4-4和图4-5所示。

图4-4光纤截面结构图
图4-5 光纤层面结构图
按光纤截面上折射率分布形状分类见图4-6所示，光纤可以是:
阶跃型光纤(均匀光纤)
渐变型光纤
三角型光纤
包层凹陷型光纤
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图4-6 光纤截面上折射率分布图
按光纤传输的模式分类，主要有:
多模光纤:在光纤中传输的是多个模式，即发散为多路光波，每一路光波走一条通路。

它的折射率分布多是渐变的。

多模光纤的纤芯和外保护层
为:50,75μm/125μm。

单模光纤:在光纤中只能传输一个模式，即只提供单条光通路，光纤的芯径很细，其折射率分布一般是阶跃型。

单模光纤的纤芯和外保护层
为:8.6,9.5μm/125μm。

常用光纤的规格有:
单模光纤:8/125μm，9/125μm，10/125μm
多模光纤:50/125μm 欧洲标准
62.5/125μm 美国标准
见图4-7所示
图4-7 增强型多模光纤
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(2)光纤传输原理:光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。

而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。

当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。

在两种介质的界面上，当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射高度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。

不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射
角度也是不同的。

光纤通信就是基于以上光传输原理而实现的。

(3)光纤的主要传输性能:
损耗:
光纤损耗是光纤最重要的传输性能指标，也是衡量光纤质量的首要参数，损耗主要有吸收损耗和散射损耗。

吸收损耗是指光波在传输过程中被光纤材料吸收，使
光能转变为热能的一种损耗现象。

散射损耗是由于光纤的结构和材料的不均匀性，使光线在不均匀点变更其传播方向，导致光线的传播出现散乱，结果使得在终端的光功率减少的一种损耗现象。

色散:
在光纤通信系统中，一般采用数字通信方式，也就是用数字脉冲信号去调制光载频，因而在光纤中传输是一个个的光脉冲信号。

传输的速率越高，脉冲宽度越窄。

由于脉冲宽度与频带宽度成反比，故脉冲越窄，频带就越宽。

脉冲信号含有各个不同的频率成份，不同的频率经同样长的距离会产生不同的速度，或者说是产生不同的时延。

于是，一个脉冲的各个不同的频率成份到达接收端的时间各不相同，因而使脉冲的形状发生畸变，出现展宽的现象，称为色散。

故可知光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成份的群速不同，从而引起传输信号畸变的一种物理现象。

当色散严重时，前后脉冲将出现重叠，形成码间干扰，造成误码。

这时，为了保证通信质量，必须加大码间距离，这就降低了传输速率，减少了通信容量，或限制了信号的传输距离。

光纤主要有四种类型色散:模式色散(模间色散)、材料色散、波导色散、偏振色散。

模式色散:产生于多模光纤中，它是指不同的传输模式在光纤中传输时，由于传输速度不同，各模式到达终点的时间不同，从而引起色散。

渐变型多模光纤的模式色散比阶跃型多模光纤的模式色散小得多。

故采用多模光纤传送信息时，都采用渐变型多模光纤。

材料色散:光纤材料的折射率是随频率变化的，而一般光源所产生的光存在一定数量的不同波长，称为光谱，其光谱总占有一定的宽度。

一般激光器的光谱宽度较窄，约几个nm;发光二极管的光谱宽度较宽，约几十个nm。

这样，116
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从光源产生的光沿光纤传输时，将出现由于光纤材料折射率的频率特性所引起的色散。

这种色散是单模光纤的主要色散。

波导色散:波导色散是由于波导效应引起模内频率较高或波长较短的光信号进入包层，而包层折射率小于纤芯折射率，导致模内各信号传输速度不同而产生的色散。

偏振色散:单模光纤没有模式色散，但是存在偏振色散。

这种由单模光纤中双折射现象产生的色散称为偏振色散。

单模光纤所传输的模式实际上相当于两个相互正交的模式。

偏振色散与光纤的双折射参数成正比。

当光纤的不完善性严重时，偏振色散很大。

为了减少单模光纤的色散，必须设法减少光纤的双折射参数，严格光纤的几何尺寸标准。

材料色散和波导色散都是因为模内各信号频率成份的传输速度不同引起的，所以过去习惯上也称为模内色散。

这两种色散都与光源谱宽有关。

对于多模阶跃型光纤，模式色散影响最大，其次是材料色散，波导色散很小;多模渐变型光纤的模式色散很小。

对于单模光纤来说，没有模式色散，单模光纤的总色散为材料色散与波导色散之和。

1988年国际电信联盟建议把总色散分为模式色散和频率色散(包括材料色散和波导色散在内)两部分组成，不单独计算材料色散或波导色散。

在光纤的传输参数中，通常认为最重要的是衰减和色散两个参数。

国际电联ITU-T曾经提出四种不同类型的光纤光缆特性的建议。

在我国，目前使用最广泛的是G652单模光纤光缆(标准规定只推荐使用1310nm波长性能最佳的单模光纤)，在用户接入网中使用的光纤光缆也多是这种类型。

不同衰减系数等级的光纤光缆，其价格是不相同的，一般用户接入网的距离都很短，平均距离只有几公里，故一般不必选择高等级的光纤光缆，只有特殊长度或特殊要求的情况下，才考虑采用较高等级的光纤光缆。

(4)光纤的波长
光纤应用的波长是:850nm、1300nm、1550nm三种。

通常多模光纤使用850nm和1300nm的波长，单模光纤使用1310nm、1550nm的波长。

(5)光纤的成缆
为了保证光纤的安全和使用寿命，免受各种外部机械力和环境变化的影响，必须加装各种护层、构件或护套制成光缆，俗称为成缆。

光纤的结构已在前面作了介绍，这种光纤结构也称裸光纤，其涂层也叫一次涂覆。

裸光纤是不能单独应用的，因为其机械性能太差。

一般要进行二次涂覆或套塑，以便隔离外部机械力及环境的直接影响，防止光纤直接受力或暴露在外界环境中。

二次涂覆可以分紧套和松套(前者指光纤与二次涂覆全粘接在一起，后者指光纤可以在二次涂覆内自由活动)两种 117
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方式。

在二次涂覆外面一般还要加装加强芯(钢芯、尼龙、聚酯丝等)、骨架、油膏、防潮层、护套和铠装等构件。

其部分作用与电缆的构件类似，但其性能要求更加严格。

成缆的作用，除了防止外界机械力和环境因素对光纤的影响外，还应根据各种不同的应用场合提供防虫鼠生物、化学、雷电等功能，还应考虑易于施工、维护、运输、价格成本低等因素。

光缆的种类:
按敷设方式分:自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。

按光缆结构分:束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。

按用途分:长途通讯用光缆，短途室外光缆，混合光缆和建筑物骨架型铠装/绞式光缆结构
图4-9 多骨架层绞式薄涂层8芯带纤结构1000芯用户光缆
3、光源
用于光纤通信的光源主要有发光二极管和注入型激光二极管。

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发光二极管(LED):绝大多数的局域网网络在速度达到622Mbps时，需要使用发光二极管(LED)作为光源，这种光源是专门设计用于多模光纤工作的。

他们可以提供的工作距离为300,2000米，且比激光器光源更经济实惠。

注入型激光二极管(ILD):是在千兆字节的高速网络项目中使用的，因为发光二极管不能快速传送窄小的光脉冲信号。

激光器主要工作在单模光纤上。

4、光检测器
在接收端，当接收到从发送端经过光纤送来的光载波时，首先要经过光检测器进行光/电转换，然后经过放大均衡，才能变为所需要的电信号。

故在整个光接收过程中，光检测器是关键器件。

常用的半导体光检测器有:PIN光电二极管和APD 光电二极管
5、光分路器
将一根光纤中的光信号藕合到两根或多根光纤中的一种器件称为光分路器件。

常用的有一分二光分路器或一分N光分路器，见图4-10和图4-11所示。

图4-10 光分路器原理结构
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图4-11 “1分8”光分路器的构成
6、光分波器(合波器)
将一根光纤中多个不同波长的光信号分离，此器件称为光分波器;完成相反功能的器件则为合波器，见图4-12所示。

图4-12 光复用器原理示意图
第二节数字光纤通信体系
光纤接入网不是传统的光纤传输系统，但它将用到传统光纤通信中的相关技术，在此有必要回顾一下骨干网中得到广泛应用的数字光纤通信系统传输技术: 准同步数字体系(PDH)
同步数字体系(SDH)
一、准同步数字体系PDH
过去的光纤通信系统是PDH体系，全网没有统一的时钟，各个国家、各个厂家生产的设备不能
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第二章光纤接入技术
互联，它们的制式和性能也不一致，难以支持新业务的开发和现代网络的管理。

其主要缺点是:
1、PDH存在两大体系(含三个地区性标准)，彼此不能兼容，造成国际上互通困难详见表4-1所示。

表4-1 各个体系PDH传输速率表
2、准同步复用实现高次群(五次以上)复用困难，不适应光纤数字通信大容量超高速传输的发展。

3、没有统一的标准光接口规范，各个厂家生产的设备无法在光路上互通，无法调配电路，灵活性差。

各厂家产品唯有通过光,电转换成标准电接口才能互通，限制了联网应用的灵活性，也增加了网络的复杂性和运营成本。

4、上、下电路困难。

要从PDH的高速信号中识别并提取低速支路信号或送入信号，需要将整个高速信号逐级地解复用到所要的低速信号等级，提取或送入信号后，再逐级地复用至高速信号。

实现不方便，结构复杂，成本也较高，见图4-13所示。

图4-13 异步复用图
4、PDH复用信号帧结构中管理维护的比特量少，操作、维护、管理能力差，不能满足现代通信网对监控和网管的需要,无法适应迅速发展的电信网的需求，使维护和管理能力难以提高。

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二、同步数字体系SDH
为了克服PDH存在的缺点，在光路上实现标准化，便于不同厂家的产品可以在光路上互通，增加整个网络的灵活性，国际上经过反复协商，原国际电报电话咨询委员会(CCITT，现称国际电信联盟-电信小组,ITU-T)于1988年在美国同步光纤网(SONET)的基础上，修改形成了同步数字系列(SDH)。

SDH与SONET规范略有差异,但基本原理完全相同,标准也相互兼容。

通常统称为光同步数字传送网SDH/SONET。

1、什么是SDH:
SDH(Synchronous Digital Hierarchy)，即同步数字体系，是国际统一的关于数字通信多路复用和传输方面的等级通用标准。

同步:数字信号的传输严格按相同的传输速率。

准同步:数字信号的传输按“几乎”相同的传输速率。

异步:允许传输速率有“较大”误差。

SDH是一套可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级，而SDH网络则是由一些基本网络单元(NE)组成的，在传输介质上(如光纤、微波等)进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的传送网络，它具有全世界统一的网络节点接口(NNI)。

表4-2 SDH速率分级表
2、SDH的主要特点:
(1)速率分为四个等级。

SDH具有全世界数字传输体系的统一标准。

SDH网不仅与现有的PDH网能实现完全兼容，使PDH的1.544Mbit/s;和2.048Mbit,s 两大体系(含三个地区性标准)在STM-1 122
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等级上获得统一，实现了数字传输体制上的世界性标准;而且还可容纳各种新的数字业务信号(如ATM信元、FDDI信号等)，因此SDH网具有完全的前向兼容性和后向兼容性，见图4-14所示。

图 4-14 SDH复用路线
图4-14中:
C:容器，用来装载各种不同速率的数字信号(净负荷)。

VC:虚容器，由容器加上通道层开销构成，用于支持通道层连接。

TU:支路单元，由虚容器加上支路单元指针构成，用于为低阶通道
与高阶通道提供适配功能。

为适配不同的速率，独立的通道必须要有信息指针。

TUG:支路单元，由多个支路单元组合而成(支路单元复用)。

AU:管理单元，由虚容器加上管理单元指针构成，用于为高阶通道与复用段层提供适配功能。

AUG:管理单元组，由多个管理单元组合而成，是复用段基本复用单元。

一个国家或地区应保证使每一种支路信号只有唯一的路线可以到达STM-N帧。

我国SDH传输体系规定:PDH支路速率以2Mbit/s和140Mbit/s为主，部分地区经批准可以使用34Mbit/s。

STM-1(VC-4)为基本传输复用单位，大于C-4容量的信号采用AU-4级联方式传输。

(2)具有全世界统一的网络节点接口(NNI)，并对各网络单元的光接口有严格的规范要求，从而使得任何网络单元在光路上得以互通。

提出了一系列较完整的标准，使各生产单位和应用单位均有章可循，同时也使各厂家的产品可以直接互通，使电信网最终工作于多厂家的产品环境中，另外也便于国际互通。

(3)帧结构中安排了丰富的开销比特，使网络的运行、管理、维护与指配能力大大加强，通过软件下载的方式，可实现对各网络单元的分布式管理，同时也便于新功能和新特性的及时开发与升级，促进了先进的网络管理系统和智能化设备的发展。

(4)SDH以155Mbit/s为基本模块，采用指针调整新技术和同步复接方式，简化了数字复接分接过程，避免了PDH复用、分用过程中的分插过程。

见123
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第二章光纤接入技术
图4-15 从高速STM-N信号中取出和插入低速支路信号
(5)采用先进的分插复用器(ADM)、数字交叉连接(DXC)等设备，使组网能力和自愈能力大大增强，同时也降低了网络的维护管理费用。

归纳起来，SDH最为核心的三大特点是同步复用、强大的网络管理能力和统一的光接口及复用标准，并由此带来了许多优良的性能。

3、SDH的缺点:
频带利用率不如PDH系统;
采用指针调整，大量使用软件而使得设备变得复杂。

综上所述，SDH技术以其良好的性能得到了举世公认，因此必将最终替代PDH，成为传输网的发展主流。

尤其是与一些先进技术相结合，如光波分复用(WDM)技术、ATM技术、IP技术(IP over SDH)等，使SDH网络的作用越来越大，是未来信息高速公路不可缺少的主要物理传送平台。

4、在接入网中SDH的主要应用场合:
(1)对容量较高的大企事业用户，SDH可以作为点到点方式应用，直接将光纤敷设到用户处，实现FTTO方式。

(2)SDH也可以作为环形网应用或星形网应用，直接将大企事业用户相连或者经业务复用器与用户相连。

(3)对于小企事业用户和住宅居民用户，只要有足够容量需求，SDH可以用于馈线段，待标准和设备成熟后，SDH可以进一步用于配线段。

第三节光纤接入网的基本结构
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第二章光纤接入技术
一、光纤接入网的参考配置
光纤接入网的参考配置如图所示，该图是以无源光网络(PON)为例，并与业务和应用无关的接入网参考配置示例，但原则上它也适用于其它配置结构,
图4-16 OAN的参考配置
参考配置中从给定网络接口(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接入链路。

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，用以支持接入链路。

因此，光接入网(OAN)可定义为:共享同样网络侧接口，且由光接入传输系统支持的一系列接入链路，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。

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OLT与ONU的关系为主从通信关系。

OLT可个ODN与用户侧的ONU通信，
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任务。

ODN 是由无源光元件(诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等)的纯无源的光配线网组成，通常呈树形-分支结构;ONU是为光接入网提供远端用户侧接口，处于ODN的用户侧。

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。

图4-16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为网管接口。

光接入网既可以是一点对多点，也可以是一点对一点方式，具体的光配线网(ODN)形式要根据用户情况而定。

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第二章光纤接入技术
二、基本功能块
1、OLT功能块
光线路终端(OLT，Optical Line Terminal)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。

即OLT提供网络与光配线网(ODN)之间的光接口，并提供必要的手段来传递不同的业务。

OLT可以分离交换和非交换业务，对来自ONU的信令和监控信息进行管理，从而为ONU和自身提供维护与供给功能。

OLT可以设置在本地交换机接口处，也可设置在远端，与远端集中器或复用器接口。

它在物理上可以是独立设备，也可以与其它设备集成在一个总设备OLT功能块
(1) 业务部分功能
业务部分主要是指业务端口功能，对它的要求至少应能携带ISDN的一次群速率，并能配置成至少能同时支持两种以上不同的业务。

(2) 核心部分功能
核心部分功能包括以下三种功能:
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。

传输复用功能:该功能是为能在ODN上发送和接收业务通路提供必要服务而设置的。

ODN接口功能:该功能是根据ODN的各种光纤类型而提供一系列的物理光接口，实现电/光和光
/电变换。

(3)公共部分功能
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第二章光纤接入技术。