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沈阳市苏家屯区临湖社区的光纤接入网设计 摘要：接入网是整个电信网中重要的组成部分，其投资比重占电信网全部资源的很大的一部分。它既是整个电信网的窗口，也是电信网的“最后一公里”。相对于无线接入方便、灵活的特点而言，有线接入网的优点主要在于宽带安全和质量。对目前网络的主要收入来源（语音）与投资重点（宽带）不一致的问题，人们迫切希望找到一种新的网络体系，不仅能够持续提升带宽、发掘新的业务增长点，还能有效节约网络建设和维护成本，适应人们不断变化的业务发展需求。从介质上来看，不同的介质有不同的特点，能满足不同的要求。比如：无线接入能满足用户自由接入的需要，而光纤作为一种性能优越的有线传输介质，在接入网中正发挥着越来越重要的作用。 关键字：接入网，光纤，网络，OLT，ONU 一．概述 1. 接入网的概念 所谓接入网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备。其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为"最后一公里"。由于骨干网一般采用光纤结构，传输速度快，因此，接入网便成为了整个网络系统的瓶颈。最初，这“最后一公里”仅仅是指电话接入端局连接到用户终端的各种线缆及其附属设备，在电话网中，通常把这些线缆设备称为用户线（subscriber line）本地环路（local loop）等。长期以来，这些用户线不仅仅只是电话网接入用户的专属设备，在相当长的一段时期内甚至成为附属于某些特定电话交换机的专用设备。相对于传统的传输网络、交换网络而言，接入网是一个相对比较新的概念。长期以来，电信网络的接入部分经常简单地称为“接入段”，接入段仅仅是交换网络的最后延伸，是某些具体接入设备的附属设施，并不是一个独立完整的网络部件。从20世纪90年代中期，特别是进入21世纪以来，接入网已经开始发展成为一个相对独立、完整的网络，成为现代通信网络的两大基本部件（核心网和接入网）之一，并且是当前技术发展最快、竞争最激烈、建设最昂贵的网络。接入网有两个总体标准ITU G.902和Y.1231。G.902建议首先定义了若干基本定义作为进一步描述接入网总体结构的基础。其中最重要的是接入网、接入承受能力、业务节点和业务节点接口、用户网络接口的定义。接入网定义为：接入网（AN）是由一系列实体（诸如线缆装置、传输设备等）组成，为在一个业务节点接口（SNI）和每一个与之相关联的用户网络接口（UNI）之间提供电信业务而提供所需传送承载能力的一个实现。接入网可以经由Q3接口进行配置和管理。接入网可以实现的UNI和SNI的类型和数量原则上没有限制。接入网不解释用户信令。 2. 光纤接入网的概念 光纤接入网采用光纤做为主要的传输媒体来取代传统的双绞线，实现接入网的信息传送功能。通过光线路终端（OLT）与业务节点相连，通过光网络单元(ONU)与用户连接。光纤接入网包括远端设备——光网络单元和局端设备——光线路终端，它们通过传输设备相连。系统的主要组成部分是OLT和远端ONU。它们在整个接入网中完成从业务节点接口(SNI)到用户网络接口(UNI)间有关信令协议的转换。接入设备本身还具有组网能力，可以组成多种形式的网络拓扑结构。同时接入设备还具有本地维护和远程集中监控功能，通过透明的光传输形成一个维护管理网，并通过相应的网管协议纳入网管中心统一管理。在光纤接入网中由于光纤上传送的是光信号，因而需要在交换局将电信号进行电光转换变成光信号后再在光纤上进行传输。在用户端则要利用光网路单元（ONU）再进行光电转换恢复成电信号后送至用户设备。按照光纤到达的位置，有光纤到路边(FTTC)，光纤到大楼(FTTB)，光纤到办公室(FTTO)，光纤到家(FTTH)之分,从系统分配上分为有源光网络(AON，Active Optical Network)和无源光网络(PON，Passive OpticaOptical Network)两类。 国际电信联盟定义了光接入网（OAN）的基本结构，如图（一），该结构是基于电信接入网的概念提出的。从图中可以看出，光接入网由业务节点接口（service node interface，SNI）、相关的用户网络接口（user network interface，UNI）之间的一系列传送实体组成，这些实体包括线路设备和传输设施。电信管理网（TMN）通过Q3接口对接入网进行配置和管理。由于光接入网不解释用户信令，因此，光接入网是一个与业务无关的透明传输网络。光接入网一般是一个点到多点的结构，包括光线路终端、光分配网（optical distribu network，ODN）、光网络单元以及适配功能（adaption function ，AF） 图（一）ITU-T提出的接入网的基本结构 3. 建设接入网的必要性 通信网发展至今，发生了天翻地覆的变化，从模拟到数字，从电缆到光缆，从PDH到SDH，从STM到ATM，从ATM到IP/DWDM……，一代又一代新技术、新系统层出不穷。然而，绝大多数新技术、新系统都是应用于骨干网中，用户接入网仍为模拟双绞线技术所主宰。由于社会经济和通信技术的发展，单纯的语音业务已难以满足用户和市场的需求，特别是光纤技术的出现，以及用户对新业务，尤其是对宽带图象和数据业务的需求增加，给整个网络的结构带来了影响，同时也为用户接入网的改造和更新带来了转机。总之，用户对宽带综合业务的：需求和通信技术的迅速发展成为接入网技术发展的两大原动力。 人们对接入网关注的重点是伴随着语音、数据和视频等多媒体业务需求的不断增长而来的，因而，需要提供具有经济优势和技术优势的接入技术，满足客户的需求。接入网主要的特征有：接入网对于所接入的业务提供承载能力，实现业务的透明传送；接入网对于用户信令是透明的，除了一些用户信令格式转换外，信令和业务处理的接口依然在业务节点中；接入网的引入不应限制现有的各种接入类型和业务，接入网应通过有限个标准化的接口与业务节点相连；接入网有独立于业务节点的网络管理系统，该网络管理系统通过标准化的接口连接电信管理网（TMN），TMN实施对接入网的操作、维护和管理。 然而，考虑到光纤具有容量大、速率高和损耗小等优点，从长远来看，光纤到户应该是接入网最理想的选择，这主要是因为光纤有如下的优点：容量大，一般在10GHz以上；光缆的传输损耗低，因而传输距离更长；抗张强度好，质量小，而且比较小巧，所以光缆能最大限度的扩大配线管道的使用率，并且能够尽可能的减小安装问题；由于光纤的材质是玻璃或塑料，不导电，所以不会产生电磁波泄露，不会产生电磁干扰，也避免噪声干扰；光纤对恶劣环境有较强的抵抗能力；光纤不会向外辐射能力，很难用金属感应器窃听，保密性好；光纤的使用寿命要比金属设备的使用寿命长。 所以建设接入网的必要性和重要性就是： （1）.业务发展的必然要求 · 用户对宽带新业务的需求 ； · 干线网上的SDH和ATM技术的推广应用； · 要求接入网路提供宽带传输通道 ； · 铜缆用户网路容量小，频带窄，不易扩容和数字化， 已成为实现电信网的瓶颈； · 电信业务的发展方向是通信网的数字化、综合化、 宽带化、智能化和个人化 ； · 业务需求的宽带化、数字化和综合化与目前落后的接入手段之间的矛盾已成为电信网络建设中的主要矛盾之一。 （2）.降低企业经营成本、提高经济效益的重要环节 · 交换机程控化、中继传输光缆化 ； · 电话局到用户（接入网）仍为模拟传输； · 接入网是整个电信网的窗口，也是电信网的“最后一公里”，投资比重占电信网总投资的50%左右； · 模拟传输质量不好，承载业务有限，消耗大量有色金属----铜； · 电缆价格逐步提高 ； · 光纤传输系统价格呈下降趋势； · V5接口的提供和实用化，接入系统造价将进一步降低； · 维护费用比采用铜缆节省很多 ； · 大力、全面发展接入网也是经营成本核算的必然要求。 （3）.优化网路结构、深化电信网络运行维护体制改革 · 建设新一代接入网，将光纤敷设到离用户最近的地方（小区、大厦）； · 拆点并网，建大局，优化网路结构 ； · 集中维护人员，集中监控和维护。 （4）.电信市场竞争的需要 · 网络贴近用户，快速提供多种业务，拥有市场主动性； · 邮电独家垄断的局面已经被打破 ； · 两个优势：一是人才优势，二是网络优势； · 扩大和保持网络优势，大力发展接入网是电信网络建设发展的战略举措。 二．本地网网络结构和运行数据 1. 本地网状况 对于传统的固网营运商，现在城区的绝大部分地区均已实现铜缆接入网覆盖在采用多局制进行覆盖时，传统窄带端局的城区覆盖半径一般是在2-3km，大都采用DSL技术并对现有的端局实施“接入点下移”，使宽带设备进一步靠近用户，提升接入宽带。所以现在的大多数还都是铜缆接入网，但是铜线的传输带宽有限，并且国际有色金属不断攀升，铜缆的造价提升，随着技术的不断发展，基于PON系统的FTTH组网成本持续下降，所以已经有部分地区开始由基于铜缆的传统接入网向光纤接入网转型，但并非完全转型。 2. 本设计所设计范围的用户群状况 本次设计的光纤接入网主要是针对沈阳市***区临湖社区的设计。***区是沈阳市十个市辖区之一，位于浑河南岸，距市中心15公里，总面积762平方公里，人口43万，临湖社区是***区的一个大区，人数在1-2万。现在这个信息时代，大多数家庭都至少拥有一台电脑，更多家庭拥有一台台式和多台笔记本，网络的应用极为广泛。现在的青少年不用多说，每个人不说是专家，但一定都是玩家，同时，年长的父辈们并非想被这个时代所抛弃，为了娱乐也好为了学习也好，网络被每个人所熟知和使用。而这样的用户群，在因特网业务的需求上年轻人主要集中在视频、聊天、网络游戏，年长者主要集中在浏览网页和简单的聊天上。下图是主要的因特网业务带宽需求预测表： | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 语音、视频通信： 1Mbit/s 上网业务：1 Mbit/s | 语音、视频通信： 2Mbit/s 上网业务：2 Mbit/s | 语音、视频通信： 4Mbit/s 上网业务：4 Mbit/s 视频监控：2Mbit/s | | | | | | | | |
3. 现行用户接入方式及接入业务状况 目前用户接入因特网的方法： 1）、以传统的调制解调器拨号上网。 2）、以现有电话网铜线为基础的xDSL技术接入。 3）、以有线电视产业为基础的电缆调制解调技术接入。 4）、以光纤为基础的光纤接入网技术接入。 5）、以5类双绞线为基础的以太网接入技术接入。 6）、以扩频通信、卫星通信为基础的无线接入技术接入。 用户的的接入业务有： 1）宽带接入 2）以太网接入 3）光纤接入 4）电话铜线接入 5）HFC接入 6）无线局域/城域/广域接入 三．沈阳市***区临湖社区光纤接入网规划设计方案 1.接入方式的选择———EPON 根据光接入网中ODN是由有源器件还是无源器件组成，光接入网分为有源光网络和无源光网络。对于有源光网络又分为SDH和PDH。现在通常是基于SDH的有源光网络，因此，有源光网络也继承了主干网技术的一些固有的优点，比如：有源光网络的传输容量大，接入速度可达到155.520 Mbit/s 或622.080 Mbit/s ；传输距离远，不加中继器的传输距离是70多千米；带宽易于扩展；网络规划和运行的灵活性大；技术成熟，无论PDH设备还是SDH设备，都已经在主干网上广泛应用。但在接入网中与其他接入技术相比，成本还是比较高。 然而，无源光网络是专门为接入网发展的技术，其ODN全部由无源器件组成，信号在传输过程中无需再生放大，直接由无源光分路器传至用户，实现透明传输，信号处理全由局端和用户端设备完成。与有源光网络相比，无源光网络的覆盖范围和传输距离要小，但由于户外无有源设备，提高了抗干扰能力，可靠性更高，简化了接入途中的安装条件，价格更低、安装维护更方便，是光接入网最具发展潜力的技术。无源光网络包括：基于ATM的APON、基于Ethernet的EPON、基于ATM并尽量兼顾IP的需求而发展的GPON。相对于采用有源光网络技术而言，无源光网络的技术用于接入网络，在设备成本和维护运行成本方面，都相对较低，因而，在高性能接入技术中被普遍看好，我国近期发展趋势也十分关注，所以决定选择无源光网络中的EPON。 PON是一种点对点的个传输系统，下行采用广播形式，上行采用时分多址方式，在光分支点不需要节点设备，只需要安装一个简单的光分路器即可。其拓扑结构取决于ODN的结构。通常ODN具有四种基本拓扑结构：单星型、多星型（也即树型）、总线型和环型，相应的，PON也有四种基本拓扑结构，如图（二）中的（a）（b）（c）（d）： (a)单星型结构 (b)多星型（树型）结构 (c)总线型结构 （d）环型结构 图（二）PON的基本拓扑结构 2.接入网网络结构的设计 光网络的基本结构类型有星形、总线型（含环形）、和树形三种，可组合成各种复杂的网络结构。如下图（三）中（a）（b）（c）是PON的网络结构： (a)树形结构 （b）总线型结构 (c)单星结构 图（三）PON的网络结构 图（四）EPON接入系统结构图 3.接入网设备的选型 光接入网包括光线路终端（OLT）、光分配网（ODN）、光网络单元(ONU)以及适配功能（AF）。其中OLT面向网络侧为OAN提供与中心局设备的接口，完成光电转换；同时提供与ODN的光接口，提供各种手段来传递各种业务，OLT内部由核心网、业务层和公共层组成。业务层主要是端口，支持多种业务；核心层提供交叉连接、复用、传输；公共层提供供电、维护管理功能。OLT的存在可以降低上层网络对接入侧设备之间的具体接口、承载手段、组网形式、设备管理等的紧耦合，并可以提供统一的光接入网的管理接口。通常，OLT可设置在本地交换机接口处，也可设置在远端，物理上可以是独立设备，也可与其他设备功能集成在一个设备内。 光纤接入网OLT覆盖区规划主要包含两部分内容，即确定OLT最佳覆盖距离和选择OLT覆盖设备局址。OLT设备最佳覆盖距离的选取主要考虑设备传输物理距离和设备组网经济半径两个因素。通过光通道损耗核算，可以确定OLT的传输物理距离可达10～20km。因此，在城区内OLT设备组网的覆盖距离受限主要来源于成本压力。在一定的用户密度和相关资源的价格体系下，光纤接入网组网存在最佳经济覆盖半径，并对应最小以后投资。接入网的规划和设计可根据目标以后密度、业务需求和最初投资规模等因素，因此，可以根据工程经验和当地市场价格，取定参数，将各区域用户密度ρ，基于FTTB（EPON）的接入网相关参数放入下列式子: ![]() = ![]() 。EOPN的最佳覆盖距离是1.5～3km比较合理。作为电信业务发展的基础设施，电信局所资源的重要性在电信发展历程中不言而喻。针对划定目标区的局所资源、社会经济情况、人口分布情况以及电信业务的发展情况等进行分析。确定接入局所局址的关键因素是用户的分布，也就是用户预测。从节省线路投资考虑，计算最优的线路网中心作为最优局址。由于接入局所需直接与用户相连，因此其局址的选择可参照传统的局址选择方法：根据目标区理想的网络中心位置进行选址，避免扇形覆盖和条形覆盖；考虑接入管道向四周辐射的便利性。 ONU在用户侧提供提供用户到接入网的接口，完成光电转化，同时连接ODN。ONU主要功能是终结来自ODN的光信号并为用户提供多个业务接口，提供用户业务适配功能，完成速率适配、信令转换等功能。ONU可灵活地设置在路边。在EPON系统中，最开始的也是至关重要的是解决ONU的注册问题。当网络第一次启动或有新的ONU加入网络是，自动注册机制会通知OLT这些ONU的存在和他们的各项参数。根据这些参数，OLT就可分配给ONU带宽并使其在共享介质上通信。ONU的自动注册流程如下： （1）OLT每隔1s向系统各个ONU广播发送目的地址为广播LLID的注册授权，并根据系统内距离最远的ONU确定开窗大小。 （2）OLT接收到ONU发送注册请求帧后，由系统软件为该ONU分配ONU ID，然后以广播LLID向该ONU发送注册帧，目的MAC地址指向该ONU。 （3）在发送了注册帧后，OLT为注册确认帧发送注册确认帧授权，并等待该ONU发出的注册确认帧，该授权在OLT认为ONU注册失败前始终有效。 （4）新ONU收到注册帧后，用新分配的ONU ID覆盖原理的ONU ID ，同时等待OLT的注册确认帧授权以发送注册确认帧，通知OLT新ONU ID刷新成功，同时等待最小带宽授权。 （5）OLT在发送注册确认帧授权后的50ms内收到ONU的注册确认帧，那么OLT认为该ONU刷新ONU ID成功，该ONU注册成功，否则认为ONU注册失败。 为了确定ONU的数量，首先需对用户进行预测，通过用户数=住户数×入住率，对用户进行估算。还要考虑运营商的市场占有率，根据建筑单位的数据进行取定。ONU的设备型号很多，有同时为宽带业务提供DSL/LAN接口和伟窄带业务提供基于IAD的语音接口设备，也有只提供纯宽带接口的设备，选择根据用户需求。若驻地网的用户引入线是普通电话双绞线，则考虑采用DSL宽带端口ONU设备，若用户引入线为五类线，则考虑采用LAN宽带端口的ONU设备。从总体建设成本的经济性考虑，若能与驻地网引入线建设同步进行，建议采用LAN端口的接入模式。 ODN位于OLT和ONU之间，在OLT和ONU之间提供光传输技术。ODN由光连接器和光分路器组成，完成光信号功率的分配及信号的分、复接功能。组成ODN的设备可以是无源设备，也可是有源设备，对应的接入网是无源光网路和有源光网络。 AF为ONU和用户设备提供设备功能，具体物理实现既可以完成独立，也可以含在ONU内。 4.ONU位置的设置及容量的计算 根据OAN的应用类型（FTTH、FTTO、FTTB、FTTC）不同，其ONU放置的位置也不同。OUN的位置有很大的灵活性，可位于设备机房、办公室或者用户家中。ONU应根据FTTx网络的组网模式，业务需求进行设置。对于FTTH/O应用，应尽量将ONU设置在用户家中，避免安装在门口或楼道内。对于FTTB/C应用，可选择将ONU设置在大楼楼道或者竖井内机柜，室外光交接箱等不同位置。 ONU的容量的计算方法：ONU的带宽÷用户平均上网流量，也就是说能带多少用户取决于给ONU多少带宽，比如给ONU 10Mbps的带宽，预计每个用户平均上网流量是200kbps那么就是带50个。 5.光纤中继距离的计算 光纤中继距离的长短影响着光纤传输网的灵活性和投资规模。影响光纤中继距离的因素有：发送机输出耦合进光纤的平均光功率，耦合进光纤的功率越大,中继距离越长；光纤的色散,若光纤的色散大,则经过一定距离传输后出现的波形失真就严重，传输的距离越长,波形失真就越严重；光纤的损耗；满足一定误比特率要求的光接收机灵敏度。在计算光纤中继距离前先选好光纤类型，根据光纤损耗、色散及设备的有关性能影响计算光纤中继距离，不同的光纤传输系统其中的中继距离的计算也不同，下面是SDH光传输系统的中继距离的计算： （1）衰减限制中继段长度预算 L= ![]() PS—平均发射功率 Pr—最小灵敏度 Pp—设备富余度，一般取1dB或2Db Ac—连接器衰减和 Af—光纤衰减系数 Mc—线路富余度，取0.05～0.1Db/km As—光纤接头平均衰减 （2）色散限制的中继段长度 Ld= ![]() ![]() ：光传输收发两点间的允许的最大色散值 |D|:光纤色散系数 中继段范围：1～min（L,Ld） 6.SDH网络保护方式的设计 随着科学技术的发展，当今社会对通信的依赖性越来越大，一旦通信网络出错甚至中断，将会给社会带来巨大的损失。因此，自愈网的概念应运而生，它无需人为干预，就能在极端的时间内从失效故障中自动恢复所承载的业务，使用户感觉不到网络已经出了故障。其基本原理是使网络具备发现代替传输路由并重新确立通信，而不管具体失效元部件的修复或更换，后者仍需认为干预才能完成。确保网络生存性的方法有网络保护和网络恢复，目前常用的方法是网络保护。 （1）线形网的保护 为了提高业务传输的可靠性，SDH线形网一般都带有保护。保护是指利用结点间预先安排的容量取代失效或劣化的传送实体，一定的备用容量保护一定的主用容量。 （a）1+1保护倒换方式 （b）1：n保护倒换方式 ![]() ![]()
（2）自愈环 将网络结点连成一个环形，可以改善网络的生存性。环形网保护是实现自愈能力的一种常用方法，也称自愈环。按照自愈环结构，可将划分为通道倒换环和复用倒换环。对于通道倒换环，业务量的保护以通道为基础，倒换与否是由离开环的某一个通道信号质量的优劣决定的，通道倒换环使用专用保护，即正常情况下，保护段也在传送业务信号，保护时隙为整个环专用。对复用段倒换环，业务量的保护以业务段为基础，倒换与否是由每一对结点之间复用段信号质量优劣决定的，复用段倒换环使用共享保护，即正常情况下，保护段是空闲的，保护时隙由没对节点共享，当复用段出现问题时，整个节点间的复用段业务信号转向保护环。 按自愈环中结点收发信息传送方向相同与否，可将其分为单向环和双向环。正常情况下，单向环指所有业务信号按同一方向在环中传输。双向环指进入环的支路信号按一个方向传输。 按照一对结点间所用光纤的最小数量，可将自愈环分为二纤环和四纤环。 通常通道倒换环只工作在二纤方式，复用段倒换环则既可以工作在二纤方式，也可工作在四纤方式，既可以工作在单向方式也可工作在双向方式。 下面是二纤双向通道保护环： (a)正常情况 (b)倒换情况 四．总结及心得体会 社会在发展，在这样一个信息时代，人们已经离不开网络，它给我们带来的便利不言而喻。人们在意着网络的速度、质量及其业务的多样性，高速、高品质的互联网生活是人们所向往的。以往的接入是用铜缆，铜线的传输带宽有限，成本高，已渐渐不适用于社会，而光纤具有容量大、速率高和损耗小等优点，渐渐被人们熟知和使用。光纤接入网在全国各地得到了蓬勃发展，光纤接入网在实现国家信息化过程中起着越来越重要的作用。所以在此为我家的社区做了这个光纤接入网设计。 通过这次对光纤接入网的设计，通过查阅资料以及和老师探讨，对光纤和光纤接入网有了更多的了解。曾经学过光纤通信，但没有这次能这么深入的了解，看到了光纤在生活中的应用、作用及其发展。一切的理论只有在应用于实际是才有意义，学习一门知识只有认真、深入的了解才算学过。在以后的学习工作中，我会本着这种原则的。 参考文献：【1】张引发 《光纤通信工程与工程管理》 人民邮电出版社 【2】马立香《接入网技术》 清华大学出版社 【3】王庆《光纤接入网规划设计手册》 人民邮电出版社 【4】苏洋《光纤通信》（第二版） 西安电子科技大学出版社
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发表于 2016-10-13 11:39:43
