1、光纤通信基础知识 2013年6月15日2 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 光纤基础知识 1 课程提纲 光缆基础知识 2 PON系统基础知识 33 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 光纤通信的特点 光纤通信的优点： 通信容量大； 传输距离长； 保密性能好； 适应能力强； 体积小、重量轻、便于施工维护； 原材料丰富、价格低廉； 光纤通信缺点： 质地脆、机械强度差； 光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术； 分路、耦合不灵活； 光纤光缆的弯曲半径不能过小；4 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 光纤是由纤芯、包层、护套
2、(涂覆层)构成的一种同心圆柱体结构； 纤芯 包层 护套（涂覆层） 纤芯：折射率较高，用来传送光 包层：折射率较低，与纤芯一起形成 全反射条件 护套：强度大，能承受较大冲击，保 护光纤 光纤的结构 光纤是光导纤维（Optical Fiber）的简称；5 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 外径：一般为125um(一根头发平均100um) 内径：单模9um 多模50/62.5um 光纤的尺寸 125 9 50 125 62.5 1256 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 按材料分类： 石英系光纤：纤芯与包层都是高纯度的二氧化硅（SiO2）掺有 适量
3、杂质制成，损耗低、强度大、可靠性好、传输距离长，但 成本高，目前应用最为广泛； 石英芯塑料层光纤：纤芯采用石英制成，包层采用硅树脂，特 性同石英系光纤，但成本较低； 多成分玻璃光纤：一般采用SiO2、Na2O、CaO等多组玻璃材料 制成，其特点是损耗较低，但可靠性也比较差； 塑料光纤：纤芯与包层都是高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯 酸甲酯（有机塑料）制成，损耗大，传输距离很短，价格很低。 多用于家电、音响，以及短距的图像传输。 红外光纤：利用红外材料制成的光纤，具有极低的理论损耗极 限，适用于长距离通信。但由于目前工艺与技术原因，损耗相 当大，每公里几十-几百DB。 光纤的分类7 中博信息技术研
4、究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 按光纤内部的电磁场总模数： 单模（Single-Mode） 多模（Multi-Mode） 按折射率分类： 阶越型光纤 渐变型光纤 W型光纤 光纤的分类 按使用波长分类： 短波长光纤：波长为850nm的光纤； 长波长光纤：波长为1310nm的光纤； 超长波长光纤：波长为1550nm的光纤； 按特殊用途分类： 保偏光纤、有源光纤、双包层或多包层光纤； 增敏光纤、特殊涂层光纤、耐辐射光纤、发光光纤；8 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 G.651 多模光纤 G.652 零色散点在1310nm波长左右的单模光纤 G.653 零色散
5、点在1550nm波长左右的单模光纤 G.654 截止波长位移单模光纤 G.655 非零色散位移单模光纤 G.656 宽带光传送的非零色散光纤 G.657 接入网用弯曲衰减不敏感单模光纤 常见光纤型号9 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 色散(Dispersion)： 光纤的色散是指由于光纤中传输的信号是由不同模式或不同频率携带的，它们在传输过程 中速度不同，从而引起波形失真的一种物理现象。 模式色散：是指在光纤中由于各模式的轴向速度（传播路径）不同，使得到达终点的时间 也不相同，而引起的脉冲展宽。 材料色散：是指由于构成光纤的材料的折射率随传输广播的频率变化，导致模内
6、不同频率 信号的传输速度不同而引起的色散。 波导色散：是指由光纤的几何结构所引起的色散。 模式色散最大、材料色散次之、波导色散最小。 损耗（衰减）：光波在光纤中传输一段距离后能量会衰减，这就是光纤的损耗。损耗 是衡量光纤性能的关键指标之一。光纤的损耗限制了光纤最大无中继传输距离。损耗 用损耗系数（）表示，单位为dB/km，即单位长度km的光功率损耗dB（分贝）值。 单模光纤 1310nm 0.40.6dB/km 1550nm 0.20.3dB/km 塑料多模光纤 300dB/km 常见光纤参数 光纤的色散和损耗是限制光无中继传输距离的两个重要因素。10 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI
7、把握现在 成就未来 光纤的色谱编排顺序11 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 光纤的三个低损耗窗口 目前使用的光纤绝大部分都是基于二氧化硅（SiO2）材质的光纤，这种光纤在 红外波段有三个低损耗窗口，分别为： 0.85 m（850nm）窗口； 1.31 m（1310nm）窗口； 1.55m（1550nm）窗口；12 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 光纤基础知识 1 课程提纲 光缆基础知识 2 PON系统基础知识 313 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 实际应用中，为了提高光纤的强度、耐温等性能，光纤必须制成光缆才
8、能使 用。 光缆的定义:用适当的材料和缆结构，对通信光纤进行收容保护，使光纤免受 机械和环境的影响和损害，适应不同场合使用。 光缆结构可分为缆芯，加强元件和护层三大部分。 光缆的定义与结构 缆芯是光缆结构中的主体，其作用主要是妥善地安置光纤的位置，使光纤在各种外力 影响下仍能保持优良的传输性能； 加强元件一般采用圆形钢丝、扇形钢丝、钢绞线或钢管等；加强元件有两种设置方式， 一种是放在缆芯中心的中心加强方式，常用于层绞式和骨架式，另一种是放在护层中 的外层加强方式，常用于带式和束管式； 护层位于缆芯外围，是由护套等构成的多层组合体。护层结构应根据敷设条件选定， 敷设方式主要有管道、直埋、架空、水
9、底（或海底）等几种。14 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 按光纤在光缆中的状态分：紧结构、松结构、半松半紧结构 按缆芯结构分：层绞式、骨架式、带式、束管式 按光缆敷设条件分：架空、管道、直埋和水底光缆 按光缆使用环境场合分：室外光缆、室内光缆 Central Tube optical cable 中心束管式光缆 四种常 见缆芯 结构： Loose Tube optical cable 层绞式光缆 Slotted Core optical cable 骨架式光缆 Ribbon optical cable 带状光缆 光缆的分类 层绞式：一般采用中心加强件来承受张力，光纤
10、环绕在中心加强件周围，并以一定节距绞合 成缆； 骨架式：在中心加强件外面制一个带螺旋槽的聚乙烯骨架，一次涂敷的光纤置于骨架的槽内， 使光纤受到很好的保护。 带式：是先将一定数目的光纤排列成行制成光纤带，然后把若干条光纤带按一定的方式排列 扭绞成缆，是一种高密度结构的光缆。 束管式：是一种新型的光缆结构，它的特点是中心无加强元件，缆芯都为一充油管，一次涂 敷的光纤浮在油膏中，加强件在管的外面，既能做加强用，又可作为机械保护护层；15 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 FTTH建设适用的缆芯结构及规格 小芯数层绞 式光纤束光 缆 大芯数层绞 式带状光缆 大芯数中心 束管式
11、带状 光缆16 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 FTTH建设适用的缆芯结构及规格 普通蝶形光 缆 自承式蝶形 光缆 管道蝶形光 缆17 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 光纤基础知识 1 课程提纲 光缆基础知识 2 PON系统基础知识 318 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 PON的定义 PON：即无源光网络，Passive Optical Network的缩写，一种基于P2MP拓 朴的技术。 所谓无源是指光配线网ODN不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分 路器Splitter等无源器件组成，不需要贵重
12、的有源电子设备。 无源光网络的构成 PON 由局侧的 OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）、 用户侧的 ONU（Optical Network Unit，光网络单元）、 和两者之间的 ODN（Optical Distribution Network，光配线网络）组成。 PON的定义与构成19 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 PON系统采用WDM（波分复用）技术，不同的方向使用不同波长的光信号，实 现单纤双向传输。 采用两种复用技术 下行数据流采用广播技术，实现天然组播； 上行数据流采用TDMA技术，灵活区分不同的ONU数据； PON的基本
13、原理20 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 下行 广播方式：OLT连续广播发送，ONU选择性接收。 PON的基本原理 在ONU 注册成功后分配一个唯一的识别码LLID（Logical Link Identifier 逻辑链 路地址）。 ONU 接收数据时，仅接收符合自己识别码的帧或广播帧。21 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 上行 TDMA 方式：上行通过TDMA（时分复用）的方式传输数据。 PON的基本原理 任何一个时刻只能有一个ONU 发送上行信号。 各个ONU 发送的上行数据流通过光分路器耦合进共用光纤，以TDM 方式复合成一个 连续
14、的数据流。 每个ONU 由一个TDM 控制器，它与OLT 的定时信息一起控制上行数据包的发送时刻， 避免复合时数据发生碰撞和冲突。22 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 多业务：PON系统要求提供语音，数据，视频等业务接入，业务透明性好 ，实现真正意义的全业务接入与“三网合一” 。 高带宽：EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以 太技术的发展可以升级到10Gb/s。GPON则是高达2.5Gb/s的带宽。 长距离接入：由于光纤的传输距离高达数百公里，所以实际上物理传输 层的距离瓶颈在收发光信号的设备光器件上，目前PON标准规定距离为 20km
15、 成本相对低：由于PON系统的ODN部分没有电子部件，无需电源供应，因 此容易铺设，基本不用维护，建设维护成本低。设备相对简单，系统对 局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。 PON系统的特点23 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 扩展性好：目前PON网络一般采用树型网络结构，当系统需要扩充时，所需改动的部 分最小，为工程实施提供了灵活的解决方案。 良好的QoS保证；用户可根据接入的设备重要性的不同，分别设置不同的服务等级， 对重要的用户或重要的应用设备，设置及时、可靠的响应机制，从而实现了多业务、 不同服务等级的综合接入系统。 无源光网络是纯介质
16、网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶 劣的地区使用。 PON系统的特点24 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 PON网络主要技术指标 基于PON 的FTTH 网络模式必须通过衰耗核算的方式，来确定其有效的传输距 离，确定OLT 覆盖区域和覆盖半径； 应根据网络建设中采用的不同技术、组网方式等做好带宽的合理测算，以满 足不同业务和不同客户群对带宽的差异化需求。 PON 网络光纤链路损耗包括了SR 和RS（S：光发信参考点；R：光 收信参考点）参考点之间所有光纤和无源光元件（例如光分路器、活 动连接器和光接头等）所引入的损耗。 PON 系统的传输距离应采
17、用最坏值计算法，分别计算OLT 的PON口至 ONU 之间上行和下行的传输距离，取两者中较小者为PON 口至ONU 之 间的最大传输距离。25 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 F c WDM c A M A N A IL P L M 光纤线路（含固定 接头）衰减系数 PON系统R/S-S/R最 大允许通道插损 OLT-单个ONU之间所 有光分路器插损之和 单个活动连 接器的损耗 WDM模 块的插损 OLTONU传输距离 OLT-单个ONU之 间活接头数量 WDM模 块数量 线路维护余量 存在模场直径不匹配的光纤 连接等引入的附加损耗 PON系统传输距离测算公式26
18、中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 传输距离（km） 线路维护余量取值（dB） L 5 1 5L 10 2 10 3 PBT/PLC光 分路器类型 插入损耗典 型值（dB） PBT/PLC光 分路器类型 插入损耗典型 值（dB） 12 3.9 22 4.2 14 7.2 24 7.5 18 10.5 28 10.8 116 13.8 216 14.1 132 17.1 232 17.4 164 20.1 264 20.4 1128 23.7 2128 24 技术 光模块类型 最大允许插损(dB) EPON PX20 上行/下行：24/23.5 PX20+ 上行/下行：2
19、8/28 OLT侧PX20 ONU侧PX20+ 上行/下行：25/27 OLT侧PX20+ ONU侧PX20 上行/下行：27/24.5 GPON Class B+ 上行/下行：28/28 Class C+ 上行/下行：32/32 线路维护余量 PON系统最大允许通路插损 活接头连接损耗：0.5dB/个 冷接子连接损耗：0.1dB/个 机械接续光纤插头（座）插入损耗：0.5dB/每个插头 附加损耗：G.652D光纤与模场直径不匹配的G.657B光纤连接时可取0.2dB/连接点 光纤衰减系数（含固定接头） 光分路器插损 波长窗口 光纤线路衰减系数（dB/km） 1310nm 0.38（光纤带光纤
20、0.4） 1490nm 0.26（光纤带光纤0.28） 1550nm 0.25（光纤带光纤0.27） WDM合波器/分波器插损根据实际参数取定 PON传输距离测算-相关参数27 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 34567891 01 1 一级分光 7.25 6.5 5.75 5 4 3.25 2.5 1.75 1 二级分光 6.5 5.5 4.75 4 3 2.25 1.5 0.75 - 一级分光 9 8.25 7.5 6.75 5.75 4.75 4 3.25 2.5 二级分光 7.5 6.75 5.88 5 4 3.25 2.5 1.75 0.88 一级分光 9
21、 8 7.25 6.5 5.5 4.75 4 3.25 2.5 二级分光 8 7.2 6.25 5.5 4.75 3.88 3 2.25 1.25 一级分光 9.8 8.8 7.8 6.8 5.8 4.8 3.8 2.8 1.8 二级分光 8.6 7.6 6.6 5.6 4.6 3.6 2.6 1.6 0.6 64 一级分光 3.8 2.8 1.8 0.8 - - - - - 一级分光 9 8.25 7.5 6.75 5.75 4.75 4 3.25 2.5 二级分光 7.5 6.75 5.88 5 4 3.25 2.5 1.75 0.88 一级分光 9.75 8.75 8 7.25 6.25
22、 5.5 4.75 3.75 3 二级分光 8.75 7.75 7 6.25 5.25 4.5 3.75 2.75 2 EPON (OLT:PX20+/ONU:PX20) 64 128 GPON (class B+) GPON (class C+) 32 64 EPON (PX20+) 32 EPON (OLT:PX20/ONU:PX20+)活接头个数 光分路数 EPON (PX20) 32 按PON系统支持的最大光分路比进行组网，在OLT覆盖范围5km左右时， OLT至单个ONU之间的活接头数量不应超过7个 不考虑CATV业务承载、光链路保护、附加损耗，典型传输距离如下： 对于CATV业务的
23、承载，不仅要考虑WDM模块引入的插损对PON系统传 输距离的影响，还要考虑ODN链路的损耗是否满足CATV系统承载需求 PON传输距离测算-参考距离28 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 PON传输距离测算实例 例题：某新建FTTH 工程采用GPON Class C+光模块的OLT 和ONU 设 备，系统最大通道插入损耗为32dB，采用二级分散分光（第一级1:4， 第二级1:16）的方式组网，全程共计7 个活接头，光分路器插入损 耗为20.1dB，线路维护余量取2dB，光通道代价取1.5dB，工程中采 用的蝶形光缆为G.657A 单模光纤，请计算该工程中ODN 最大传
24、输距 离。 计算如下： 光分路器插入损耗=13.8+7.2=21dB 光活动连接器插入损耗=0.5dB7=3.5dB （7 个活接头，每个活接头损 耗按0.5dB 取值） 光纤损耗=0.45dB/km （含光缆固定接头） 光缆线路富余度=2dB （光纤老化损耗） 光通道代价=1.5dB (光模块老化富余) 传输距离L（32-21-3.5-2-1.5）/0.45=8.9km29 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 OLT部署的基本原则 OLT 节点选择应遵循以下原则： 从OLT设备的交换能力、设备容量考虑：主流厂商的OLT已经达到了A 类汇聚交 换机的能力，是低成本的多业
25、务接入与汇聚平台，OLT 节点应定位于汇聚以上 网络节点，而不是作为接入设备使用。 对于不同OLT 布局方案，即使整体投资相差不大，也应尽量集中设置OLT 节点。 对于OLT 节点的布局规划，在同等条件下，应更倾向于OLT 集中部署方案。 OLT 节点部署位置不应高于现有一般机楼，避免出现大量占用中继光缆纤芯的 情况；也不应低于主干光节点，避免出现反向占用主干纤芯，导致纤芯方向混 乱的情况发生。 城市地区OLT 节点终局容量应根据用户（家庭为主）密度考虑，覆盖范围为2 4 公里，大中型城市终局容量在25 万之间，不低于1 万；小城市或县城城关， 由于用户密度较低，OLT 终局容量太大将导致主干
26、光缆距离太长、管孔资源紧 张等问题，因此OLT 终局容量适当放宽至600020000 之间，最小不低于4000； 农村地区主要考虑传送距离的限制，采用FTTH 方式组网可能导致OLT 节点大量 增加，节点容量较小，PON 口利用率低等问题，因此农村地区应按照PON 系统 的最大传送距离进行规划，并灵活选择FTTB、FTTH 等组网模式。 下移的OLT 节点应选择机房条件好、管道路由丰富的现有综合接入机房，原则 上不应为OLT 节点新建机房。 OLT 节点应根据PON 用户的用户密度，按照最经济覆盖半径确定 规划区内的OLT 节点数量以及每个OLT节点的覆盖范围。30 中博信息技术研究院有限公司
27、 ZBITI 把握现在 成就未来 单个PON树可用带宽 技术 EPON GPON 线路速率 （Mbps） 下行 1250 2488 上行 1250 1244 可用带宽 （Mbps） 下行 950 2200 上行 900 1000 m i PON 1 ) i i i ( 并发比 业务 用户数 业务 带宽 业务 树可用带宽 单个 PON系统内带宽测算原则 应根据不同业务和不同客户群的需求差异分配相应的带宽 对用户的最大可用带宽进行限速 对于FTTH应用，BRAS或OLT设置为组播复制点 PON系统内带宽测算公式 假定所有业务的并发比统一取1/2 E P O N ：按164组网，户均业务带宽可达30
28、M G P O N ：按1128组网，户均业务带宽可达34M 假定直播（高清、标清用户各占50%）业务的并发比取100%，其余业务统一取1/2 E P O N ：按164组网，户均业务带宽可达27M（开高清）/ 18M（开标清） G P O N ：按1128组网，户均业务带宽可达31M （开高清）/ 22M （开标清） 备注 上述户均带宽均指下行带宽 考虑安全冗余，高清、标清IPTV业务所需带宽取：12M/路、3M /路 OLT ONU 1N N个ONU共享带宽 带宽测算31 中博信息技术研究院有限公司 ZBITI 把握现在 成就未来 n 1 j 1 j j j ) i i ( 并发比） 业务
29、 用户数 业务 带宽 （业务 频道数 制式 频道带宽 制式 上联带宽 m i BTV BTV OLT ） 忙时并发比 业务 用户数 业务 所需带宽 （业务 上联带宽 m i i i i OLT 1 BTV业务组播复制点在OLT时，OLT上联带宽计算公式 BTV业务组播复制点在BRAS时，OLT上联带宽计算公式 当OLT侧不同以太网/IP类业务上联基于物理链路隔离时，应分别计算不同业务的 上联带宽 根据所采用的上联链路端口可用带宽（需考虑冗余），计算所需的上联端口数 OLT一般采用双链路上联保护 上联链路冗余系数 上联端口可用带宽 上联带宽 上联端口数 OLT OLT 带宽测算-OLT上联 端口类别 可用带宽 FE 75 Mbps GE 900 Mbps 10GE 9000Mbps STM-1 63*E1 OLT上联端口可用带宽取值32
