三网融合光纤到户接入系统的设计

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1、得 分：_光纤通信技术实验(三)三网融合光纤到户接入系统的设计实验报告学生姓名： 学号： 专业班级： E-mail： 电话： 指导教师： 柯昌剑 完成日期： 一、 实验目的1、了解三网融合光纤到户接入系统的网络拓扑结构，掌握星形网络和总线型网络的组网方法，了解数据、语音、视频三网融合业务的单纤传输和双纤传输方案。2、掌握无源光网络中光功率预算的设计和计算方法，以及传输波长的选择和分配方法。3、完成三网融合光纤到户接入系统的设计构建和业务配置，了解根据不同应用需求进行业务配置的方法和实现原理，学习三网融合光纤到户接入系统网络管理的基本方法。二、实验原理与背景知识1、无源光网络简介无源光网络（PO

2、N，Passive Optical Network）是光接入网的一种，是目前宽带光接入技术的发展方向。无源光网络的显著特点是接入网络只在边缘节点存在有源设备，在网络中间都是无源光节点，这个特点带来的好处是在接入网络中无需“光-电-光”转换，简化网络结构，降低实现成本，并且有效减少网络维护工作。因此无源光网络技术被专家普遍认为是宽带光接入的理想技术。无源光网络技术根据网络承载协议的不同，分为 APON、 EPON和 GPON等，其中由于 EPON 采用以太网协议作为二层承载协议，具有很好的兼容性和性价比，并且在 2004 年 6 月成为 IEEE 国际标准，因此目前得到最广泛的应用。2、EPON

3、 无源光网络体系结构下图所示为 EPON 无源光网络体系结构图，业务网络接口（SNI）到用户网络接口（UNI）间为EPON，EPON 通过 SNI 与业务节点相连，通过 UNI 与用户设备相连。EPON 主要分成三部分，即 OLT（Optical Line Termination）、ODN（Optical Distribution Network）和 ONU / ONT （Optical Network Unit / Optical Network Termination）组成。其中 OLT 位于局端， ONU/ONT 位于用户端（其区别为 ONT 直接位于用户端，而 ONU 与用户间还有其它

4、的网络如以太网）。OLT 到 ONU / ONT 的方向为下行方向，反之为上行方向。EPON 采用点到多点的分布结构，多种业务信号通过光纤传输到中心机房，然后被 OLT 通过 ODN 无源地分配到 ONU 单元，经过 ONU 的光/电转换和信号处理后，为用户提供服务。3、EPON 无源光网络上、下行数据传输原理EPON 网络的数据链路层采用不定长的以太网数据包进行传输，数据包长度依照 IEEE 802.3 以太网协议，最长可达 1518 字节。在 EPON 网络结构中，物理链路为点到多点，在逻辑链路上 OLT 通过 P2P 仿真技术，为每个 ONU 都指定一个虚拟链路连接，每个链路都通过一个

5、LLID 来唯一标识，在 ONU 注册成功后，OLT会动态地为其分配一个 LLID。在 EPON 网络中从 OLT 侧发到多个 ONU 的下行数据流的传输过程与从多个 ONU发往 OLT 的上行数据流传输过程有本质的区别。EPON 上行数据通道采用时分复用技术，通过 OLT 控制 ONU 在不同的时隙发送上行数据，一个时隙内可能包含多个 802.3 以太网数据帧，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干扰。例如，ONU-1 在第 1 个时隙传输数据包 1，ONU-2 在第 2 个没有被占用的时隙传输数据包 2，依此类推。示意图如下图所示：下行数据采

6、用广播方式从 OLT 发给多个 ONU，根据 IEEE 802.3 协议，这些数据包是不定长的，最长为 1518 字节。每个包携带的信头唯一地标识了数据所要到达的特定 ONU，此外有一些包发给所有的 ONU，称为广播包，还有一些包是发给一组 ONU 的，称为多播包。数据流通过光分路器后分为多路独立的信号，每路信号都含有发给所有特定 ONU 的数据包。当 ONU 接收到数据流时，只提取发给自己的数据包，将发给其他 ONU 的数据包丢弃。例如，在下图中 ONU-1 接收到了数据包 1、2、3，但只将数据包 1 发送给终端用户。4、EPON 无源光网络设备和器件介绍（1）EPON 的有源网络设备EP

7、ON 网络中的有源网络设备（OLT 和 ONU），都位于 PON 网络的边缘两端。 OLT位于电信运营商的中心机房（CO，Central Office）或分前端机房（POP，Point of Presence）内。通过无源光配线网 ODN，PON 把一个 OLT 连接到 32 个 ONU 上，每个 ONU 都放在一个住户或企业办公室处。ONU 向用户提供数据、视频和语音服务接口，以及把用户数据传输回 OLT 的网络接口。OLT（Optical Line Terminal）：EPON 系统中的局端设备，放置在中心机房CO。OLT 提供在 EPON 系统和服务提供商的核心数据、视频和电话网络之间的

8、接口。同时 OLT 也通过一个网元管理系统（EMS，Element Management System）链接到服务提供商的运营网络上。OLT 上的广域网（WAN，Wide Area Network）接口一般与下列类型的设备连接：o 1）.数字交叉连接设备（DCS，Digital Cross-connect System），传输到电话网上的非交换的或非本地交换的 TDM 业务，公共的 DCS 接口包括数字信号 E1、DS-1、DS-3、同步传输信号 STS-1 和 OC-3； o 2）.语音网关，传输到公共交换电话网（PSTNPublic-Switched Telephone Network）上

9、的本地交换的 TDM/语音业务； o 3）.IP 路由器或 ATM 边缘交换机，把数据业务导引到核心数据网络上； o 4）.电视网络设备，将视频业务传输到核心网络上。 OLT 的主要功能和特点包括： o 1）到核心 WAN 的多种服务接口； o 2）到 PON 的千兆以太网接口； o 3）第二层与第三层交换； o 4）服务质量（QoS）保障和服务水平协定（SLA）； ONU（Optical Network Unit）：ONU 提供用户的数据、视频和电话网络与 PON的接口。ONU 的主要功能是接收光信号并转换成电信号，并将其按照用户需要的形式传送到用户终端：以太网、IP 组播、POTS、T1

10、等。EPON ONU 的独特之处是，除了终结和转换光信号之外， ONU 还提供了第二层及第三层交换功能，允许在 ONU上实现企业数据的内部路由。 EPON 也非常适合于传输视频服务：以 CATV 的格式、使用 1550nm 波长，或者以 IP 视频组播方式。ONU 的主要特点和功能包括：o 1）POTS、T1、DS-3、10/100BASE-T、IP 组播和专用波长服务用户接口；o 2）二层交换；o 3）以 64kbps 为增量，最高可达到 1Gbps 的数据传输速度；o 4）较低的启动成本和即插即用的扩充能力；o 5）标准的以太网接口，不再需要附加 DSL 或电缆调制解调器。（2）EPON

11、的无源网络器件EPON 的光配线网络 ODN 全部由无源器件构成，包括单模光纤、光分支器、光波分复用器/解复用器、光连接器、光纤接头等。有源器件如 OLT 和 ONU 在 PON的两端。光分路器：POS (Passive Optical Splitter) ，又叫光分支器、单模光纤耦合器，光信号在 PON 中的传输要么是分路到多个分支光纤，要么是合并到主干光纤，这取决于光信号是上行还是下行。对于下行光信号，光分支器是将 OLT发送光信号分路到 ONU 的多个分支光纤上；对于上行光信号，光分支器则是将多个 ONU 的光信号合并到 OLT 主干光纤上。在 EPON 光配线网中，由于上行/下行光信号

12、波长为 1310nm 和 1550nm，因此需要采用宽谱光分支器。 1）光分路器的作用是进行光功率分配，一般为均分，我们在工程中使用的是1 N 树型光分路器。光分路器的正向和反向插入损耗相同，1 2 分路器理论插损为 3dB，依次为 1 4 的 6dB，1 8 的 9dB，1 16 的 12dB，1 32 的 15dB。实际中由于存在接头损耗等，一般比理论值大 0.5-1dB。 2）光分路器反向使用就是光耦合器，用于将多个分支的光信号合并到一个主干光纤中。光耦合器也可以用于不同波长的合波，但是比起波分复用合波器，其插损很大。 3）光分路器有熔融拉锥和 PLC（平面光波导）两种，前者廉价但体积较

13、大，且一致性不好，后者较贵，但体积小，一致性好。光波分复用器/光波分解复用器：在 EPON 无源光网络中，一根光纤中同时有23 个波长的光信号在传输，这些光信号在 OLT、ONU 和光纤的接口处，需要使用光波分复用器/光波分解复用器将不同波长的光信号合并或分开进行传输。按照 EPON 国际标准的要求，数据下行传输使用 1490nm 波长，上行传输使用 1310nm波长，CATV 下行传输使用 1550nm 波长。因此在 EPON 网络使用的光波分复用器/光波分解复用器的波长为 1310nm、1490nm 和 1550nm。 1）光波分复用器的作用是将多个输入端口的不同波长光信号耦合到一个输出端

14、口。 2）光波分复用器也分几种：熔融拉锥，AWG 和薄膜式。其特点是插损较小，一般的都在 5dB 以下。 3）光波分复用器反向使用就是解复用器。5、三网融合光纤到户接入系统光功率预算方法光纤接入网系统设计中，非常重要的就是传输波长的分配和光链路功率的预算。本实验中设计的是一个标准 GEPON 综合接入网络，该接入网同时承载数据、语音和视频三种业务。本实验网络的传输波长分配要参照相关的标准进行。因此，根据国际标准 IEEE802.3ah，本实验网络使用的波长由标准可以确定为 1310nm、1490nm 和 1550nm，其中 1310nm/1490nm 分别用来进行上行/下行数据或语音信号的传输

15、，1550nm 用来进行模拟电视信号的传输。在光接入网的功率预算和分配方面，也需要参照相关标准。在国际标准IEEE802.3ah 中，已经明确规定了可用的功率预算额度。对于使用 1000BASE-PX20 的物理层，上行和下行传输方向可用的功率预算额度均为26dB。 功率预算是指对于特定的距离、光纤/缆和光器件，从发端到收端的光功率损耗的预算。功率预算可以用于指导选择光纤光缆和光器件以及光模块的规格和指标。光功率预算的计算方法对于 1 N 分路器，插损记为 PIL=log2N3+1dB，速算方法如 N=2，则 PIL=3+1dB。其中的 1dB 为接头损耗。常规单模光纤 G.652，传水峰以外

16、的波长，插损按 0.3dB/km 计算。合波器插损一般按 5dB 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率损耗。三、实验仪器和装置1、三网融合光纤到户接入综合实验系统简介本实验使用的三网融合光纤到户接入综合实验系统是采用国际标准IEEE802.3ah 制作的 EPON 综合光接入网络系统设备。实验系统总体包括局端设备、终端设备和光配线设备。局端设备有数据光线路终端（OLT， Optical Line Terminal）、CATV 光发射机（1550nm 波长）、电话语音网关（VoIP FXO 网关）；终端设备有数据光网络单元（ONU，Optical Networ

17、k Unit）、CATV 光接收机、电话语音终端（VoIP FXS 网关）；光配线设备有光分支器（POS， Passive Optical Splitter）、光复用/解复用器（CWDM MUX/DMUX）、单模光纤（G.652 标准光纤）、光纤跳线和法兰盘等。下图给出了采用三网融合光纤到户接入综合实验系统的实验设备搭建的典型网络。在该网络中，局端设备分别连接了数据网络、电视网络和语音网络，将从上一级网络传来的信号通过光纤传输至终端设备，通过不同的信号处理方式还原成原始信号，输出给电视、电话和电脑等最终用户设备。2、网络拓扑结构和单/双纤传输方式说明三网融合光纤到户接入综合实验系统在网络拓扑上

18、，可以设计成星型和总线型两种结构，分别如下图所示。EPON 系统星型结构具有以下特点：（1） 最大为 1：32 的光分支比；（2） 适用于 ONU 光节点分布较集中的情况。EPON 系统总线型结构具有以下特点：（1） 可采用不对称分光比分支器，保证每条链路在设备光接受灵敏度范围内；（2）结构灵活，可以根据 ONU 分布结构来灵活配置光分支节点。另外，根据从 OLT 到 ONU 的光配线网络中使用的光纤数量情况，可以设计成单纤传输方案和双纤传输方案。在单纤传输方案中，支持数据和语音传输的1310nm/1490nm 波长和支持电视传输的 1550nm 波长光信号在一根光纤中进行复用和传送，实现单纤

19、三向。在双纤传输方案中，支持数据和语音传输的1310nm/1490nm 波长光信号使用一根光纤传输，支持电视传输的 1550nm 波长光信号使用另外一根光纤传输，这样可以减少光配线网络中的波分复用器的使用。四、实验内容和步骤1、三网融合光纤到户接入网络设计（1）比较并分析各种光纤接入网络拓扑结构的特点，选择三网融合光纤到户接入网络实验的网络拓扑结构。（2）分析三网融合光纤到户接入网络系统的各组成部分的功能和作用，选择三网融合光纤到户接入网络的构成组件。（3）完成三网融合光纤到户接入网络设计，形成体系结构框图，并进行光链路功率预算。2、三网融合光纤到户接入网络的搭建和业务开通（1）根据设计的三网

20、融合光纤到户接入网络方案，搭建实验系统。（2）在搭建的三网融合光纤到户接入网络中，逐一开通数据、语音和视频业务。对开通业务的功能和质量进行评测，对于调试中出现的问题进行分析解决。3、实验数据和结论分析（1）对三网融合光纤到户接入网络的光链路功率进行测量，并和前面的预算数据进行比较分析。（2）对不同的网络拓扑结构下的搭建情况和业务开通情况进行对比分析，对其中遇到的问题进行分析说明。五、实验结果发射的电视信号电视电话合波后分光器分光后输出电话信号输出电视信号1310nm0-5.3dBm1.0dBm7.3dBm-2.2dBm1490nm0-2.2dBm-14.4dBm-11.5dBm-11.8dBm

21、1550nm-2.6-4.7dBm-8.6dBm-6.1dBm0六、讨论与分析光波分复用器/光波分解复用器将不同波长的光信号合并或分开进行传输。数据与电话信号下行传输使用 1490nm 波长，上行传输使用 1310nm波长，CATV 下行传输使用 1550nm 波长。因此在 EPON 网络使用的光波分复用器/光波分解复用器的波长为 1310nm、1490nm 和 1550nm。七、思考题1、对比分析单纤传输和双纤传输的网络结构和各自的优缺点。答： 单纤传输，支持数据和语音传输的1310nm/1490nm 波长和支持电视传输的 1550nm 波长光信号在一根光纤中进行复用和传送，实现单纤三向。双

22、纤传输，支持数据和语音传输的1310nm/1490nm 波长光信号使用一根光纤传输，支持电视传输的 1550nm 波长光信号使用另外一根光纤传输，这样可以减少光配线网络中的波分复用器的使用。2、网络中使用了几种光无源器件？其中的波分复用器在网络中的放置位置可以移动吗？若几种波分复用器互换使用，会出现什么情况？答： 光无源器件有：光分支器、光复用/解复用器、单模光纤、光纤跳线和法兰盘等。波分复用器在网络中的放置位置不可以移动，若几种波分复用器互换使用，会是使信号数据的上下行传输错乱。3、在 EPON 网络中，OLT 下行方向传输的数据会到达每个 ONU，这会造成数据安全性问题，目前的 EPON 技术是怎么避免和解决这个问题的？答： 在逻辑链路上 OLT 通过 P2P 仿真技术，为每个 ONU 都指定一个虚拟链路连接，每个链路都通过一个 LLID 来唯一标识，在 ONU 注册成功后，OLT会动态地为其分配一个 LLID。 数据流通过光分路器后分为多路独立的信号，每路信号都含有发给所有特定 ONU 的数据包。当 ONU 接收到数据流时，只提取发给自己的数据包，将发给其他 ONU 的数据包丢弃。第 11 页 共 11 页