光纤到户(FTTH)的原理和实现方式.doc
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毕业设计（论文）
光纤到户（FTTH）的原理和实现方式
姓名黎学宏
学号28010102028
专业班级08通信C
所在学院电子信息学院
指导教师（职称）吕莹亮（助理工程师）王桓（讲师）
完成时间2012年4月
电子科技大学中山学院教务处制发
I
电子科技大学中山学院毕业设计（论文）任务书
题目名称
光纤到户（FTTH）的原理和实现方式
设计（论文）的主要内容和要求
了解FTTH的发展历史；
分析FTTH的关键技术；
分析学习三乡前陇恒安街FTTH工程。
推荐参考文献
中国联通宽带接入维护职工技能竞赛提升培训教材
预期目标和成果形式
1.毕业设计论文一本
起止时间
2011年9月20日至2012年4月30日
指导单位
中国联通中山市分公司
指导教师
年月日
审核意见
审核签名
年月日
电子科技大学中山学院毕业设计（论文）成绩评定表
设计（撰写）过程
评语：
宽带的发展离不开光纤网络的普及。
黎学宏同学在毕设过程中认真学习了FTTH的相关理论，并在联通老师的指导下，研习了实际的工程实例。
论文文理流畅，有较为详实的实例支撑优化理论，是一篇合格的毕设论文。
指导教师：
王桓
2012年05月02日
成绩
82
论文评阅
评语：
评阅教师：
年月日
成绩
论文答辩
评语：
答辩组长：
年月日
成绩
总分
审核人：
年月日
光纤到户（FTTH）的原理和实现方式
摘要
光纤到户（FTTH）是光网接入的一种理想实现方案。
将光网络单元（ONU）直接设置于用户家庭或者企事业单位办公室，是一种全光纤的接入网，具有端到端的高带宽传输能力，对业务的内容、格式等都有高度的透明性。
近年来，随着业务种类和数量的不断增加，用户侧的业务从传统的话音为主逐渐向包括话音、视频及各种交互式数据业务融合的方向发展。
国内对于FTTH的讨论逐渐升温，市场的需求、日渐降低的成本以及前所未有的历史机遇，正推动着FTTH在我国的应用。
本论文首先概述了FTTH的系统结构，对EPON、GPON等接入方式作论述和比较，其次，分析和阐述GPON的原理和关键技术。
本文重点阐述了GPONFTTH在通信运营商（以中国联通为例）网络规划建设中的组网模式、带宽预算、光分配网络（ODN）规划等关键技术，最后介绍了中山市三乡前陇恒安街FTTH接入新建工程。
关键词：
宽带；光纤到户（FTTH）；以太无源光网络（EPON）；千兆比特兼容的无源光接入网（GPON）
TheprincipleandimplementationofFiberToTheHome（FTTH）
Abstract
Fibertothehome（FTTH）isakindofidealopticalnetworkaccessscheme.Opticalnetworkunit（ONU）isdirectlysetupintheuserfamiliesorenterprisesoffice,itisakindofallopticalfiberaccessnetwork,havinghighbandwidthofend-to-endtransmissioncapacity,anditsaltitudinaltransparencyoftheservicecontentandformat.Inrecentyears,withtheincreasingofquantityandtypeofbusiness,theusersideofthebusinessdevelopedfromtraditionalvoicetobusinessamalgamationincludedvoice,videoandinteractivedata.ThediscussionoftheFTTHinourstaterisesgradually,thedemandofthemarket,reducingcostandtheunprecedentedhistoricalopportunity,thesearepromotingtheapplicationoftheFTTHinChina.
FirstlypresentpaperwillfirstintroducethesystemstructureofFTTH,describesandcomparestheaccessmethodsinEPONandGPON.Secondly,analysesandexplainstheprincipleandkeytechnologyofGPON.ThisarticleemphaticallyintroducedthekeytechnologiesoftheGPONFTTHinthenetworkmodelinnetworkplanningconstruction,thebudgetofthebandwidthandtheplanningoftheopticaldistributionnetwork（ODN）intelecommunicationsoperators（ChinaUnicom,forexample）.Finallyintroducedthevillas,officebuildings,residentialcorridorandcafe/customerEPONsolutions.Finally,introducedthesolutionsinGPONbasisofvillas,officebuildings,residentialcorridorandInternetbar/majoraccount.
Keywords:
BroadBand；Fibertothehome（FTTH）；Ethernetpassiveopticalnetwork（EPON）；Gigabitcompatiblepassiveopticalaccessnetwork（GPON）
目录
1、绪论 1
1.1. 项目背景 1
1.2. 项目的主要任务 2
2、FTTH的网络结构 2
2.1. 光接入网介绍 2
2.2光接入网的应用类型 3
2.3 PON和AON 5
3、FTTH的实现方式和关键技术 6
3.1. 基于Ethernet的无源光接入网 7
3.2. 千兆比特兼容的无源光接入网 7
3.2.1GPON的网络架构与标准协议 7
3.2.2GPON的关键技术 8
3.2.3光模块突发控制 9
3.2.4上行动态带宽分配 9
3.2.5下行AES加密 9
3.2.6PON终端认证 10
3.2.7GPON终端管理模型 11
4、三乡前陇恒安街FTTH的设计与实现 16
4.1. 系统总体架构 16
4.2. 系统设备 18
4.3. OND 20
4.4. 光缆布线 20
4.3. GPON光功率指标 20
4.3. 系统评价和结论 21
致谢 22
参考文献 23
附录 24
III
1绪论
1.1项目背景
在宽带接入领域，目前大多数家庭都是使用ADSL（非对称数字用户线路）技术来实现，用户的各种业务通过接入网进入核心网。
随着互联网的持续快速发展，网上新业务层出不穷，特别是近年来开始风靡的网络游戏，MSN和QQ等实时网络通信工具，使得人们对网络接入带宽的需求持续增加。
主流接入技术从拨号逐渐过渡到速度更快的ADSL和以太网，核心网上的可用带宽由于SDH的发展而迅速增长，用户侧的业务量也由于Internet业务的爆炸式增长而急剧增加，作为用户与核心网之间桥梁的接入网测由于入户媒质的带宽限制而跟不上骨干网和用户业务需求的发展，成为用户与核心网之间的接入“瓶颈”。
由于普通的ADSL技术无法提供长距离及高速带宽等系列服务，渐渐已无法适应固网运营商在原有带宽基础上推出更多新的服务项目，满足用户需求。
所以，可提供业务、高速率的光纤到户（FTTH）光接入网就成为了宽带接入网的最有效的解决方案。
光纤接入技术与其它接入技术相比，最大优势在于可用带宽宽，而且还有巨大潜力可以开发，在这方面其它接入技术无法与其相比。
光纤接入网还有传输质量好、传输距离长、抗烦扰能力强、网络可靠性高和节约管道资源的优点。
当然，与其他接入技术相比，光纤接入网也存在一定的劣势。
最大的问题是成本还比较高，尤其是光节点离用户越近，每个用户分摊的接入设备成本就越高。
另外，与无线接入相比，光纤接入网还血药管道资源。
但这些都不能阻止光纤到户，光纤到桌面成为光通信的发展趋势。
光纤是最佳的接入媒体，一纤到家彻底解决了接入带宽的问题，支持数据，视频以及语音等多种借口。
光通信发展到现在，骨干网络，城域网络等发展都接近成熟，只有在接入网络还是不足，只有实现光纤到户才能最终发挥光纤网络的巨大潜力，光纤到户是信息社会的标志，将是国家竞争力的根本体现。
2010年以来，全球FTTH/FTTB部署发展势头强劲，亚洲依然是FTTH/FTTB发展最好的地区，美国和俄罗斯也都在扩大自己的FTTH网络覆盖，东欧成为欧洲FTTH发展最快的地区。
到2010年年底，全球FTTH/FTTB家庭普及率超过1%的经济体达到26个，其中韩国、日本、美国、中国大陆、俄罗斯、意大利和法国都属于G20国家和地区。
韩国以超过50%的家庭普及率继续领跑全球宽带市场，日本以35%的普及率紧随其后。
立陶宛、斯洛文尼亚、爱沙尼亚和保加利亚则呈加速追赶的态势。
在亚太地区，越来越多的国家开始了不同程度的FTTH部署。
其中有些是政府主导，有些是运营商主导。
另外，更多的房地产商已经卷入到FTTH的部署中来，特别是公寓和科技园区的开发项目。
韩国、日本和新加坡三个国家都表示，在未来2-5年中将1Gbit/s宽带服务的家庭普及率提升到90%以上。
澳大利亚也推出了宏伟的NBNFTTP发展计划。
在北美，除了政府的宽带计划投入之外，美国的电信公司和其他宽带业务提供者也积极采用光纤技术升级宽带网络性能，以满足用户对带宽的需求。
美国FTTH部署的领头羊Verizon已经接近完成自己的网络部署目标，另外北美地区750多个中小运营商也加快了光纤接入建设的步伐。
2010年以来，欧洲一些国家加大了FTTH的发展力度，FTTH/FTTB用户及FTTH/FTTB家庭覆盖增速回升，欧洲传统的电信运营商积极建设FTTH/FTTB网络，几乎都已经推出或计划部署大规模的FTTH/FTTB网络。
截至2010年12月底，欧洲有约800多万FTTH/FTTB用户，FTTH/FTTB家庭/建筑物覆盖数近3300万。
2010年，法国政府宣布提供价值20亿欧元的低息货款，以刺激FTTH网络的建设。
这些货款将鼓励电信运营商开发主要大城市的FTTH网，让更多的百姓得以接入宽带业务。
其中，法国运营商Orange和SFR已达成协议，在巴黎附近的城市建设光纤网，包括多个共享点的建设；英国电信（BT）以BTInfinity为品牌，推出了第一个光纤宽带业务，下行速率为40Mbit/s，上行速率为10Mbit/s；葡萄牙已成为全球领先的FTTH国家，这得益于三家运营商——葡萄牙电信、Sonaecom和有线电视ZON多媒体公司间的竞争。
另外，目前中东地区的阿联酋的FTTH/FTTB家庭普及率已经跃居全球第四位，仅位于韩国、日本和中国香港之后。
随着各国宽带政策的实施，以及光纤接入技术的不断成熟、价格不断下降，全球FTTX建设将加快，2011年，全球FTTX用户也将继续稳步增长。
由于各国的经济情况不同，各国发展FTTH/FTTB的策略和速度不一样，但是全球各国的共识是，FTTH是宽带的未来，并且更多的国家开始建设FTTH/FTTB网络，全球的FTTH/FTTB建设将加速。
根据GIA公司的预测，到2015年，全球FTTH/FTTB用户数将达到1.839亿。
亚洲将继续成为FTTH/FTTB发展最好的市场。
以前，亚太地区FTTH/FTTB用户数的增长主要受韩国和日本市场的驱动，而未来五年，中国将成为FTTH/FTTB主要市场，中国用户数将持续增长，FTTH/FTTB将逐步成为下一代宽带接入网络建设的主要模式。
中国的FTTH建设在一个建设高峰，FTTH的发展对于光通信市场的带队有着不可低估的巨大作用，FTTH的出现导致的宽带生活甚至将深刻影响到我们根本生活方式。
1.2项目的主要任务
本文研究了光纤到户（FTTH）的原理与实现方式，详细阐述了光接入网的构成和各个组成本分。
重点介绍了实现FTTH的关键技术。
了解国内外FTTH的现状并了解使用情况，分析EPON与GPON的差异，重点分析GPON技术在现今的实现方式，分析了解中山市三乡前陇恒安街FTTH接入新建工程设计方案。
2FTTH的网络结构
2.1光接入网介绍
光纤接入网（OpticalAccessNetwork,OAN）是指在接入网中采用光纤作为主要传输媒质来实现信息传送的网络形式。
它不是传统意义上的光纤传输系统，而是针对接入网环境所设计的特殊的光纤传输网络。
光纤接入网采用光纤作为主要传输媒质，而局侧和用户侧发出和接收的均为电信号，所以在局侧要进行电-光变换，在用户侧要进行光-电变换，才可实现中间线路的光信号传输。
一个一般意义上的光纤接入网示意图如图2-1所示。
图2-1光纤接入网示意图
从图2-1中可以看出，一个光接入网主要由光纤路终端（OLT）、光分配网络（OND）和光网络单元（ONU）等组成（CO/SN为端局或业务节点）。
下面检验介绍这几个主要模块的功能。
1、光线路终端（OLT）的作用是提供网络与光分配网（ODN）之间的光接口，并提供必要的手段来传送不同的业务。
OLT可以分离交换业务，对来自ONU的心灵和监控信息进行管理，从而为ONU和自身提供维护和供给功能。
OLT可以设置在本地交换机的接口处，也可以设置在远端。
可以是独立的设备，也可以是与其他设备集成在一个总设备内，OLT的内部由核心部分、业务部分和公共部分组成。
OLT提供语音、数据、视频业务网络的互联接口，并实现网络管理的主要功能。
2、光网络单元（ONU）位于ODN和用户之间。
ONU的网络具有光接口，而用户则为点接口，因此需要具有光-电变换功能，并能实现对各种电信号的处理与维护功能。
ONU内部由核心部分、业务部分和公共部分组成。
3、光分配网络位于ONU和OLT之间，其主要功能是完成光信号的管理分配任务。
以无源光网络（PON）为例，其中的ODN主要由无源光器件和光纤构成无源光路分配网络。
通常采用树形拓扑结构。
如图2-2。
图2-2树形拓扑结构示意图
2.2光接入网的应用类型
根据ONU位置的不同，可以将OAN划分为几种基本的应用类型，即光纤到路边（FTTC）、光纤到楼（FTTB）、光纤到家或办公室（FTTH/FTTO）等。
1.FTTC
FTTC是光纤接入网应用较早时期的典型方案。
ONU设置在路边或街角的人孔或电杆上的分线盒处，有时也可以设置在交接箱处。
此时在用对绞铜线或同轴电缆引入用户。
FTTC的优点是可以利用部分用户侧的铜线资源，缺点是作为一种光纤/铜线混合系统，其维护运行的成本较高，用户侧较长的铜线不利于要求较高的宽带业务的应用，且长远来看铜线仍然会面临淘汰。
2.FTTB
FTTB是FTTC的变型，不同之处是将ONU直接置于楼宇内部（包括居民住宅、商用建筑等），再由高质量铜线如5类或6类非屏蔽双绞线（UTP）将业务分送至各个终端用户。
FTTB的光纤化较FTTC高，因此适应于较高用户密度的场合。
FTTB目前也用较多和综合布线系统共同使用。
3.FTTH/FTTO
FTTH/FTTO是光接入网理想的实现方案。
将ONU直接设置于用户家庭或企事业单位办公室，是一种全光纤的接入网。
具有端到端的高带宽传输能力，对业务的内容、格式等都具有高度的透明性。
缺点是目前在推广时还存在成本等的限制。
图2-3FTTH网络结构图
4.FTTPC
FTTPC（包括光纤到桌面FTTD）是目前一种新的提法。
持此观点的人认为，将来用户侧的业务种类和数量可能远远超过现有的预计，FTTH也未必能够满足需求，需要更进一步地将光纤连接至用户终端，包括未来用户侧终端设备可能都会内置ONU。
当然对此也有不同的认识，另一种观点认为FTTH已经足够，用户侧可以采用其他方法，比如无线接入实现小范围内多个终端共享一个ONU。
从发展来看，光接入网的普及主要受到成本和内容等多方面的制约，从长远来看，以FTTH/O+家庭（办公室）无线网的形式实现宽带接入可能是一种较好的选择。
本文主要介绍FTTH的实现方案。
2.3PON和AON
从系统配置上可以将OAN分为无源光网络（PON）和有源光网络（AON）。
无源光网络（PON）是指在OLT和ONU之间没有任何有源的设备而只使用光纤等无源器件。
PON对各种业务透明，易于升级扩容，便于维护管理等优点备受业界关注。
从最初的基于ATM的PON技术，到基于Ethernet的EPON技术和GPON技术，每一次PON标准的提出都促进了接入网的迅猛发展和新业务的支撑，更有效支持包括诸如话音、数据业务、视频业务、电子商务、远程教育和远程医疗等增值业务。
有源光网络（AON）中，用有源设备或网络系统（SDH环网）的光远程终端ODT代替无源光网络中的ODN，传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，网络规划和运行的灵活性大，不足的是有源设备需要机房、供电和维护等辅助设施。
1、PON中的ODN部分仅由光分路器、光缆等无源器件组成，因此PON具有极高的可靠性，同时对环境的依赖程度小，是光接入网中最为看好的技术。
考虑到实际用户环境的复杂性，PON的结构也具有多种形式，一般来说星型、树型和总线型结构都可以使用，但是考虑到FTTH等最终实现形式，采用点到多点的星型结构是比较合适的。
2、有源光接入网（AON）中的ODN由包括PDH或SDH的有源节点设备构成。
AON的本质是一个点对多点的光纤传输系统，主要适用于大客户环境。
根据复用体质的不同，又可以分为基于PDH的AON和基于SDH的AON，期中后者目前应用较多，再次主要简单介绍基于SDH的AON：
SDH技术已经在核心网络和城域网络中得到了广泛的应用，在接入网环境中使用SDH有源接入可以实现与城域网的无缝互连，因此是目前应用较多的一种形式。
但是在干线系统中使用的SDH设备并不能在接入环境中使用，还必须解决小型化、低成本以及安装和维护等问题。
考虑到SDH体制在现在有的干线网络中占有绝大多数的份额，因此接入侧选用SDH的AON具有一定的优势。
但是必须注意到的是，接入侧的业务类型越来越多的是基于IP类业务和应用，包括各种Ethernet业务，而面向电路连接的SDH对IP业务的承载存在一定的缺陷，需要采用一些特殊的适配技术才能高效率的承载IP业务。
同时从维护角度出发，在接入网中存在大量的有源节点，不仅对于供电等保障要求较高，也使得应用上存在一定的局限性。
基于SDH的AON对于像政府、金融的租用线业务较为适宜，接入网技术向多元化演进这是接入网市场长期格局，但从长远来看光接入网的发展趋势是无源化。
3FTTH的实现方式和关键技术
3.1基于Ethernet的无源光接入网
基于Ethernet的无源光接入网（EPON）是由国际电气电子工程师协会IEEE提出并标准化的。
IEEE的第一英里以太网EFM（EthernetintheMileStudy）工作组于2002年7月制定了EPON草案。
EPON是几种最佳的技术和网络结构的结合。
EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网上提供多种业务。
目前，IP／Ethernet应用占到整个局域网通信的95％以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，从而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。
10Gbit／s以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中虽佳的最后一公里的解决方案。
在一个EPON中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。
在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元（ONU）与光线路终端（0LT）之间突发性数据通信和实时的TDM通信，在协议的第二层，EPON采用成熟的全双工以太技术，使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需CDMA／CD，从而充分利用带宽。
另外，EPON通过在MAC层中实现802．1p来提供与APON类似的QOS。
1、EPON的上行接入技术
EPON上行接入技术可以使用时分多址复用（TDMA）、波分多址复用（WDMA）、码分多址复用（CDMA）等方式。
码分复用的缺点有：
信道间的干扰由ONU的数量决定；但如果开发出便宜的、适用于WDMA方式接入网的光发射和光接收器件，使用WDMA是发展的趋势。
时分复用具有N个ONU只需要一个OLT转发器和极少的波长等优点，但十分复用还是需要高速电子器件。
综合以上考虑，现在一般都是采用时分复用多址接入方式，波分复用多址接入方式从长远来看也具有较大的竞争力。
为了保证上行带宽的动态分配能力，EPON还提出了轮询机制等对时分多址接入进行补充。
2、EPON的安全机制
对于普通用户，即对信息的加密与否无所谓的用户，安全性问题并不突出，但EPON的发展目标是全业务汇聚网。
在实际的应用中，对于那些通过接入网与广域网相连，并通过接入网、城域网和广域网与异地用户进行通信的用户，若还只是用扰码加密这样的保密措施来对通信进行简易的加密将是非常不可靠的。
在加密领域里，人们已经做了大量的研究实践，有很多研究成果已经商用化。
在接入网中完全可以借用这些加密措施，提高接入网的安全性。
不过采用这些方法势必将在各用户终端配置额外的加密设备，这不但增加了网络广利的复杂程度，使网络管理的成本上升，而且会导致用户的成本增加。
因此，加密机制需要满足可靠性和成本之间的平衡。
3.2千兆比特兼容的无源光接入网
3.21GPON的网络架构与标准协议
鉴于EPON和APON/BPON的各自优劣，许多国际标准化组织都投入了大量精力试图提出一种兼具双方优点的方案。
ITU-T在APON基础上，提出了千兆比特兼容的无源光接入网（GPON）。
GPON的主要设想是在PON上传送多业务时保证高比特率和高效率。
由于GPON一开始就自下而上的重新考虑了PON的应用和要求，不在基于早先的AP
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