光纖通信接入網技術研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 網絡(PON)技術是實現FTTx的主流技術。典型的PON系統由局側OLT(光線路終端)、用戶側ONU/ONT(光網絡單元)以及ODN—Orgnization Development Network(光分配網絡)組成。PON技術可節省主干光纖資源和網絡層次，在長距離傳輸條件夏可提供雙向高帶寬能力，接入業務種類豐富，運維成本大幅降低，適合于用戶區域較分散而每一區域內用戶又相對集中的小面積密集用戶地區。光纖接入網的拓撲結構，是指傳輸線路和節點的幾何排列圖形，它表示了網絡中各節點的相互位置與相互連接的布局情況。網絡的拓撲結構對網絡功能、造價及可靠性等具有重要影響。其三種基本的拓撲結構是:總線形、環形和星形，由此又可派生出總線—星形、雙星形、雙環形、總線—總線形等多種組合應用形式，各有特點、相互補充。通常的光纖接入的拓撲結構有點到點(PZP)方式和點到多點(PZMP)兩種方式。（a）點到點光網絡 （b）小區交換式網絡 （c）點到多點無源光網絡 FTTx的實施方案在點到點(PZP)的接入方式中，交換局為每個用戶分配一根光纖，(a)所示。在這種點到點光纖接入方式中每個用戶可以使用這個根光纖的全部帶寬，而且用戶的升級容易實現。但是這種點到點的光纖接入方式存在嚴重的缺點：第一，隨著用戶數目的增加，光纖數量線形增加，成本很高；第二，每個光纖提供的傳輸帶寬浪費嚴重，其他的用戶無法共享光纖的帶寬資源；第三，不利于開展多播和組播業務。因此這種點到點的光纖接入方式在實際中應用并不多。(b)是點到點接入方式的改進，中心局交換機和用戶交換機之間通過光纖連接，用戶交換機為每個用戶提供點到點的光纖接入，(a)中的點到點光纖接入，這種改進方式可以節約光纖資源。另一種是基于PON的點到多點(P2MP)接入方式，(c)所示。這種無源的點到多點的接入方式中在用戶側使用無源光功率分配器，從而實現點到多點的用戶接入方式。相對于點到點光纖接入方式，點到多點接入的優點非常明顯：第一，由于多個用戶共享一根光纖的帶寬資源，用戶成本相對較低，而且可以充分利用光纖的帶寬資源；第二，對于開展點到多點的多播、組播業務相對簡單，適合開展視頻廣播和流媒體業務；第三，減小中心交換局一側的光纖接頭數目，安裝和維護簡單，易于實現用戶網絡的優化規劃。正是由于這些優點，PON已經成為光纖接入的主流技術。 PON技術 PON的拓撲結構根據不同的應用環境，PON的拓撲結構有以下幾種方式：(1)樹型拓撲結構樹型結構的PON拓撲方式如圖23(a)所示，這是最常用的PON組網方式。在這種方式中只需要一個lN的光分離器即可實現P2MP的傳輸，系統結構簡單，成本較低，組網靈活。(2)環形拓撲結構(b)所示。每個ONU和環型光纖通過22的光分離器相連。相對于樹型和總線型拓撲結構，環型拓撲PON有較好的服務質量(QoS，Quality of Service)保障，但是組網復雜，光分離器較多，ONU的增加和刪除都比較困難。(3)總線型拓撲結構(c)所示。在這種方式中需要N個12的光分離器來實現P2MP傳輸，系統結構簡單，組網靈活，但是光分離器的數目較多。在實際的應用中，考慮到光分離器的成本、多用戶接入控制復雜性和光分離器帶來的噪聲，應盡量減少光分離器的數目，因此樹型拓撲的PON應用最為廣泛。(a)樹型結構(b)環型網絡（c）總線型網絡 PON的拓撲方式 PON技術的標準化PON系統在90年代初就出現了，1996年ITU—T完成了對G..982的標準化，主要對2Mbit/s以下接入速率的窄帶PON系統進行定義。與此同時，以ATM為基礎的PON (APON)發展迅速，1998年ITU—，即基于PON系統的高速光接入系統，主要規定線路速率、光網絡要求、網絡分層結構、物理媒質層要求、匯聚層要求、測距方法和傳輸性能要求等。1999年ITU—(ONT)管理和控制接口規范，該建議主要從網絡管理和信息模型上對APON系統進行定義，以確保不同廠家的設備實現互操作。ITU(the International Telemunications Union)和FSAN(Full Service Access Network)聯盟采納了ATM標準，把它作為在PON第二層的幀封裝標準，能為商業用戶、家庭用戶提供包括IP數據、視頻、音頻等綜合業務，形成了APON的標準(文檔號ITU—TRecG983)。但是APON存在著一系列的問題，比如帶寬有限、帶寬損失大、數據包開銷大、協議轉換麻煩、技術復雜、設備昂貴、多廠家互操作性差等。隨著以太網技術的異軍突起，APON技術一直沒有得到大規模應用。隨著Internet的高速發展，用戶對網絡帶寬的要求不斷提高，各種新的寬帶接入技術已經成為研究的熱點。在這種背景下，IEEE于2000年底成立了EFM工作組(Ethernet in the First Mile study Group)，試圖引入一種新的接入技術標準Ethernet PON (Ethernet passive Optical Network，即EPON)。EPON利用PON(無源光網絡)的拓撲結構實現以太網的接入，它基于高速以太網平臺和TDM時分MAC(Media Access Control)媒體訪問控制方式，能夠提供多種綜合業務的寬帶接入，是成熟度最高、發展最快的技術。除了EPON標準，另外一個主要標準則為ITU—T的GPON標準，GPON(GigabitCapablep PON)最早由FSAN組織于2002年9月提出，ITU—，從而最終形成了GPON的標準族。目前GPON尚處于試驗應用階段。 光接入網中的復用方式 光纖最重要的一個特點是它可以傳輸很高速率的數字信號，容量很大。為了更進一步提高光纖的利用率，參考已經比較成熟的店的復用方法，人們還采用了各種光的復用技術。并將其運用于各種類型的光纖接入網中，如波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、頻分復用（Frequency Division Multiplexing，FDM）、時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）、空分復用（Space Division Multiplexing，SDM）和副載波復用（Subcarrier Multiplexing，SCM）等。第3章 光發送與光接收無線光接入光發送和探測技術和光纖通信區別，是針對大氣信道的特征而采用的一些特殊處理技術。主意包括天線、背景光噪聲處理、光源和光探測器的選取，以及光發射機和光接收機內部電路特殊處理。由于卡塞格倫天線具有體積輕、結構緊湊、焦距長度短等特點，且后瓣小、設計饋源靈活、增益高，它是無線光接入中使用較多的一種天線，但其遮擋率影響比普通拋物面天線大。 天線結構原理圖D：拋物面直徑f：拋物面焦距ψ0：拋物面半角d：雙曲面直徑φ0：雙曲面半角LV：雙曲面頂點到拋物面焦點的距離fc：雙曲面實焦點F′：虛焦點F間距離。由拋物面初級反射鏡和雙曲線次級反射鏡組成。卡塞格倫天線主反射面是旋轉拋物面，張角為ψ0；副反射面為旋轉雙曲面，張角為φ0；發送源通常置于主副反射面間旋轉雙曲面的實焦點F′上。在無線光通信中采用收發天線結構類似，發送和探測光信號部件都將放置在F′上，同時為了減小遮擋率，F′往往和拋物面的頂點重合。一般雙曲面的虛焦點和拋物面的焦點是重合的。在進行天線的幾何設計時，一般先給定拋物面D、f，再確定拋物面半角Ψ0， （31）雙曲面的四個參量LV、ф0、fc、d可以任選兩個參量，從而確定其他參數。給定D、F，可以用下式近似確定最小遮擋率的雙曲面直徑dmin （32）K取2，或者有dmin （33）；且： （34）根據上述公式就可以對卡塞格倫天線進行幾何設計。卡塞格倫天線的口徑越大，那么接收到的光強的方差就越小。但是天線的口徑的增大會帶來成本和制造的難度，典型的無線光接入系統的主反射面口徑直徑為幾十厘米以內。假設有球面波光場的光源置于雙曲面的實焦點F′上，經過雙曲面和拋物面反射后，發送出光場將具有平面波特性。同理，平面波光場經過大氣信道傳輸后，由接收天線的拋物面收集，再經雙曲面反射將會聚在雙曲面的實焦點F′上，具有球面波的特性。通過場理論[10]推倒，可以得出一個有用的天線增益計算公式：g=2 g （35）D為主反射面直徑，g為天線的總效率。效率因子g由副射面截獲效率、主反射面截獲效率、主反射面的口徑效率、遮擋效率、主反射面效率的乘積確定。在天線設計過程中必須考慮如下要求：l）高的光學質量；2）低的遮擋率；3）光學透鏡的高透射率及主、次反射鏡的高反射率；4）低的散射光效應；5）材料的熱膨脹系數小，機械強度高，重量輕，使用壽命長。多孔徑天線能減小大氣湍流的影響，在發送端采用光纖和光纖分支器將光源發出的信號連接到發送孔徑的饋源位置處，從光源到每個孔徑采用等長光纖連接，三個孔徑必須通過調整使整束發送光偏移角在1mrad左右的范圍內。光信號經大氣傳輸后，在接收端經相同的三個孔徑收集會聚到副反射鏡，再會聚到置于副反射鏡焦點的多模光纖上，傳送到光探測器上。并采用波長為785nm的信標光實現收發天線的校準。采用多孔徑發送，以在整體上增加總的發送光功率；多孔徑接收，一方面增加了光的接收面積，可以減少湍流的影響，另外多孔徑效應也可以進一步降低接收光強的方差。總之，多孔徑天線是一種改進的卡塞格倫天線，它有利于消除大氣湍流射衰減的影響、改善系統通信性能。天線是發送接收鏈路中最前端的部分，送入發射天線的光信號針對大氣信道如何產生以及進行有別于普通光纖通信的處理，也是無線光接入技術的重要內容。在無線光接入系統中，一般采用強度調制直接檢測（IM/DD）。強度調制直接檢測的光發送機一般由光源、驅動電路、自動功率控制和自動溫度控制電路、報警保護電路組成。，采用調制方式是數字調制，如果采用模擬調制，就要去掉編碼部分電路。信號經復用、編碼后， 數字無線光接入系統發射機結構框圖通過調制器對光源進行光強度調制。發射出的光一部分要反饋到光源的輸出功率穩定電路，即光功率控制電路（AGC），因為輸出光功率與溫度有關，所以還要加上自動穩定控制電路（ATC）。光源發射出光脈沖信號，既可以通過光耦合器耦合后由光纖傳輸到發射天線的饋源位置上，也可將激光器直接置于發射天線的饋源位置上。和光纖通信光發射機相比，無線光接入系統在光發射機前端添加了光發送天線。輸入信號經復用后所采用有別于的信息編碼和調制技術和普通光纖通信是有區別的，這將在第四章闡述。這里闡述光源的選取，其他驅動、告警保護、溫度和自動增益控制電路完全可以參照使用光纖通信相應成熟的電路。和光纖通信一樣，在進行光發送機光源的選取時，必須綜合考慮傳輸波長、系統帶寬、功率預算等因素，并結合各種光源特性進行選取。光纖通信中最常用的光源是半導體激光器（LD）和發光二極管（LED），發光二極管在數字通信中通常應用于傳輸帶寬在140Mb/s的系統中，，就常用LED作為光源。使用LED作為光源，具有不需要溫控裝置，驅動電路簡單，成本低等優點。但在本文中所討論的無線光接入系統中，一般采用780nm、850nm、1550nm的傳輸波長；傳輸速率采用同步復用模塊STM－N的系列；對光源輸出光功率的要求是和整個系統的功率預算相關的，一個光接入系統不但要考慮天氣狀況良好的功率衰減，而且要考慮天氣惡劣的情況功率預算，LED光源發出的光功率只有在無線光接入應用于短距離、低速率的情況可以滿足系統功率預算的要求。參考LED和LD一些典型參數特性，結合無線光接入系統的參數要求，可以選擇工作波長在850nm、1550nm的單模半導體激光器作為光源，其材料可以是GaAlAs或者GaInAsP，結構為掩埋異質結構。－8mw之間；調制頻率可以達到2－3GHz。在數字無線光接入系統中,如果背景噪聲或接收機噪聲很大，接收機性能會受到嚴重影響，如果激光器發出的是脈沖光會有效抑制這種影響，如果再采用脈沖位置調制會有更好的效果，這將在第四章詳細闡述。光發射機發出的光信號經大氣信道傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也會展寬、變形。光接收機的作用就是檢測經過傳輸的微弱信號，并放大、整形、再生成原傳輸信號，它的主要器件是利用光電效應把光信號轉變為電信號的光電探測器。對光電檢測器要求靈敏度高、響應度快、噪聲小、成本低和可靠性高。，在圖中，天線收集到的光信號不僅包括從發送端發射來的信號，而且還包括背景輻射的光噪聲，背景光噪聲的處理辦法是在光信號通過在光信號耦合到多模光纖前（如果沒有采用多模光纖耦合就是在光探測器前）附加一個濾光片，濾光片選擇透過信號光頻的光信號，將背景光信號濾掉。但是背景光噪聲總是存在的。同樣，如圖中所示，接收天線收集到的光信號既可以直接由光探測器接收，也可以通過多模光纖耦合到光探測器上，采用多模光纖是由于多模光纖具有更大的數值孔徑，可以更有效的將光信號耦合到探測器。光探測器和前置放大器組成光接收機的前端，選擇合適的光探測器、設計和選擇不同類型的前置放大電路在光接收機中是至關重要的，光接收機的參數主要由前端決定。 無線光接入系統接收機結構框圖在選擇探測器時，我們比較關心是滿足系統要求的高的靈敏度、最小系統附加噪聲、快的響應度以及足夠的帶寬，并且，探測器應當有低的溫度敏感、合適的物理尺寸、合理的價格和較長的使用壽命。目前常用光探測材料有Si、Ge、InGaAs、InGaAsP。Si光電二極管具有很高的靈敏度，—，—，但是Ge光電二極管的暗電流較大；。因此，如果無線光接入系統采用短的工作波長，就可以采用Si或者Ge材料的光電二極管，如果采用1550nm的工作波長