【正文】 闡述了光接入網(wǎng)定義，分析光接入網(wǎng)的特性和原理；介紹光纖接入網(wǎng)的主要技術以及各種復用方式，闡述光纖接入網(wǎng)的拓撲結構和接入網(wǎng)網(wǎng)管功能。同時闡述了接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢。第三章是無線光接入系統(tǒng)光發(fā)送和接收單位，先介紹無線光接入系統(tǒng)中卡塞格倫天線結構和理論，再介紹無線光接入的光收發(fā)送單元結構，以及光源、探測器的選取，前置放大電路特點，無線光接收機的噪聲機制和一些性能指標性能，最后從整個系統(tǒng)的角度對無線光傳輸進行功率預算。第五章介紹光接入網(wǎng)組網(wǎng)理論和網(wǎng)絡結構，闡述了接入網(wǎng)網(wǎng)管功能和光接入網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。第2章 光接入技術光纖通信是利用半導體激光器（Laser Diode，LD）或半導體發(fā)光二極管（LED）作為光源器件，把電信號轉換成光信號并將其耦合進石英（或塑料）光纖中進行傳輸，在接收端使用半導體檢測器件（檢波器），如雪崩光電二極管（APD）或光電二極管（PIN）等，將光信號再還原為電信號的一種通信方式。光纖通信之所以發(fā)展迅猛，這與光纖通信技術所具有的巨大技術優(yōu)勢和潛力，以及其巨大的經(jīng)濟效益和社會效益是分不開的。① 頻率資源豐富，通信容量大。③ 節(jié)約銅（鋁）和鉛。⑤ 光纜耐腐爛，重量輕，體積小。① 數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)很容易與程控交換機相連接，而主要用于模擬通信的同軸電纜很難滿足數(shù)字化的要求。③ 由于數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)采用PCM技術，因而可以方便地利用終端設備上的計算機實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測與監(jiān)控。⑤ 利用“插入比特”的線路碼型，可以方便地解決“區(qū)間通信”問題和任意上下話路問題。⑦ 波分復用技術使得光纖通信的容量大幅度提高而不用增加光纖芯數(shù)。在北美，美國貝爾通信研究所對一種稱為光纖環(huán)路系統(tǒng)(FITL：Fiber In The Loop)的概念進行了規(guī)范，其實質(zhì)和目的與ITU—T所規(guī)定的OAN基本一致，只是具體規(guī)范稍有差異，因而一般兩者(OAN與FITL)可以等效使用，不做區(qū)分。多數(shù)情況下，OAN和FITL可以換用。FTTx技術主要用于接入網(wǎng)絡光纖化，范圍從區(qū)域電信機房的局端設備到用戶終端設備，局端設備為光線路終端(OLT，Optical Line Terminal)、用戶端設備為光網(wǎng)絡單元(ONU，Optical Network Unit)或光網(wǎng)絡終端(ONT，Optical Network Terminal)。美國運營商Verizon將FTTB及FTTH合稱光纖到駐地(FTTP，F(xiàn)iber To The Premise)。其中最主要的是FTTC、FTTB、FTTH。光纖到遠端模塊(FTTR，F(xiàn)iber To The Remote module)是FTTC的一種變型，將ONU的位置移到遠離用戶的遠端(RT)處，可服務更多的用戶(多于256個)，從而降低成本，一般提供2Mbit/s以下的窄帶業(yè)務。FTTB與FTTC并沒有什么根本不同，兩者的差異在于服務的對象不同，因而所提供的業(yè)務不同。FTTB的光纖化程度比FTTC更進一步。FTTH將光纖的距離延伸到終端用戶家里，使得家庭內(nèi)能提供各種不同的寬帶服務，如VOD、在家購物、在家上課等，提供更多的商機。因為主要用戶是大企事業(yè)用戶，業(yè)務量需求比較大，一般采用點到點或環(huán)形結構。ONU還可采用本地供電，供電成本比網(wǎng)絡供電方式費用低，故障率小，維護、安裝和測試方便。但帶寬進一步提升的空間取決于銅纜長度和設備。3） 對既有銅纜可以繼續(xù)利用。2） 將來在光纖到樓的基礎上再一次分光，即可快速、低成本地實現(xiàn)光纖到戶。2） 良好的網(wǎng)絡管理和QoS。4） 避免了盜打等風險。2） 維護分撒，工作量大，維護費用較高。1） 接入點較多，維護工作量大。3） 造價和維護成本較高。2） 缺乏相應的內(nèi)容應用產(chǎn)品支撐。適用場景1） 新建中低檔住宅小區(qū)、農(nóng)村行政村接入局點。新建商業(yè)樓宇，中高檔住宅新建商業(yè)樓宇、園區(qū)、高檔住宅小區(qū)光纖接入網(wǎng)可分為有源光網(wǎng)絡(AON)和無源光網(wǎng)絡(PON)。若光配線網(wǎng)(ODN)全部由無源器件組成，不包括任何有源節(jié)點，則這種光接入網(wǎng)就是無源光網(wǎng)絡。典型的PON系統(tǒng)由局側OLT(光線路終端)、用戶側ONU/ONT(光網(wǎng)絡單元)以及ODN—Orgnization Development Network(光分配網(wǎng)絡)組成。光纖接入網(wǎng)的拓撲結構，是指傳輸線路和節(jié)點的幾何排列圖形，它表示了網(wǎng)絡中各節(jié)點的相互位置與相互連接的布局情況。其三種基本的拓撲結構是:總線形、環(huán)形和星形，由此又可派生出總線—星形、雙星形、雙環(huán)形、總線—總線形等多種組合應用形式，各有特點、相互補充。（a）點到點光網(wǎng)絡 （b）小區(qū)交換式網(wǎng)絡 （c）點到多點無源光網(wǎng)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。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(shù)目的增加，光纖數(shù)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(yè)務。(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(jié)約光纖資源。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(xiàn)點到多點的用戶接入方式。正是由于這些優(yōu)點，PON已經(jīng)成為光纖接入的主流技術。在這種方式中只需要一個lN的光分離器即可實現(xiàn)P2MP的傳輸，系統(tǒng)結構簡單，成本較低，組網(wǎng)靈活。每個ONU和環(huán)型光纖通過22的光分離器相連。(3)總線型拓撲結構(c)所示。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(shù)目，因此樹型拓撲的PON應用最為廣泛。與此同時，以ATM為基礎的PON (APON)發(fā)展迅速，1998年ITU—，即基于PON系統(tǒng)的高速光接入系統(tǒng)，主要規(guī)定線路速率、光網(wǎng)絡要求、網(wǎng)絡分層結構、物理媒質(zhì)層要求、匯聚層要求、測距方法和傳輸性能要求等。ITU(the International Telemunications Union)和FSAN(Full Service Access Network)聯(lián)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(yè)用戶、家庭用戶提供包括IP數(shù)據(jù)、視頻、音頻等綜合業(yè)務，形成了APON的標準(文檔號ITU—TRecG983)。隨著以太網(wǎng)技術的異軍突起，APON技術一直沒有得到大規(guī)模應用。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)。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。 光接入網(wǎng)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(shù)字信號，容量很大。并將其運用于各種類型的光纖接入網(wǎng)中，如波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、頻分復用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）、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。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(fā)射機和光接收機內(nèi)部電路特殊處理。 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?？ㄈ駛愄炀€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(fā)送源通常置于主副反射面間旋轉雙曲面的實焦點F′上。一般雙曲面的虛焦點和拋物面的焦點是重合的。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(jù)上述公式就可以對卡塞格倫天線進行幾何設計。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(tǒng)的主反射面口徑直徑為幾十厘米以內(nèi)。同理，平面波光場經(jīng)過大氣信道傳輸后，由接收天線的拋物面收集，再經(jīng)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。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。多孔徑天線能減小大氣湍流的影響，在發(fā)送端采用光纖和光纖分支器將光源發(fā)出的信號連接到發(fā)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(diào)整使整束發(fā)送光偏移角在1mrad左右的范圍內(nèi)。并采用波長為785nm的信標光實現(xiàn)收發(fā)天線的校準?？傊嗫讖教炀€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(tǒng)通信性能。在無線光接入系統(tǒng)中，一般采用強度調(diào)制直接檢測（IM/DD）。，采用調(diào)制方式是數(shù)字調(diào)制，如果采用模擬調(diào)制，就要去掉編碼部分電路。發(fā)射出的光一部分要反饋到光源的輸出功率穩(wěn)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(wěn)定控制電路（ATC）。和光纖通信光發(fā)射機相比，無線光接入系統(tǒng)在光發(fā)射機前端添加了光發(fā)送天線。這里闡述光源的選取，其他驅(qū)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。光纖通信中最常用的光源是半導體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED），發(fā)光二極管在數(shù)字通信中通常應用于傳輸帶寬在140Mb/s的系統(tǒng)中，就常用LED作為光源。但在本文中所討論的無線光接入系統(tǒng)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(tǒng)的功率預算相關的，一個光接入系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)功率預算的要求。－8mw之間；調(diào)制頻率可以達到2－3GHz。光發(fā)射機發(fā)出的光信號經(jīng)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。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。但是背景光噪聲總是存在的。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(shù)主要由前端決定。目前常用光探測材料有Si、Ge、InGaAs、InGaAsP。因此，如果無線光接入系統(tǒng)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，一般選用InP上沉積InGaAs的材料。PIN光電二極管比PN結器件具有較寬的損耗區(qū)，其電容較低且RC系數(shù)較小，用PIN光電二極管可以獲得超過100GHz的高帶寬。但是，雪崩碰撞的隨機過程增加了器件的噪聲，并花費更多的時間，從而導致帶寬減小?？傮w來看，它功能類似一個帶寬為1/(2πR1Cd)低通濾波器，R1是負載阻抗，Cd是固有電容（約為1pF）。要增加帶寬，就應該使R1和Cd最小。而增大勢壘厚度就會增加渡越時間，減小響應時間。無線光接入系統(tǒng)中PIN和APD都可以采用，采APD成本較高，通常在高速率、大容量的系統(tǒng)中采用。該電流源3dB帶寬B＝1/2πRC，其中：R＝R1||Rd||Ra，C＝Cd＋Ca 光接收機前端等效電路圖這里Ra、Ca分別代表放大器的電阻和電容。但減小R就可能引入附加噪聲。前置放大器的設計要求在帶寬和靈敏度之間折衷。，集成前置放大器是在運放后增加了一個小時間常數(shù)的微分器， 集成前置放大電路的等價電路圖這是針對大的電阻R造成的帶寬很窄的情況下，有必要補償高頻衰減，相對低頻的導入高頻。集成前置放大器雖然對大R引起的帶寬降低有所改善，但是還得在接收電路中引入均衡電路，才會有較大改善。如圖所示，RF仍然很大，但是副反饋使輸入阻抗減小了A倍，帶寬相應也比同阻抗的高阻抗放大器擴大了A倍。但是它的噪聲相對較大，且輸出電平低于其他前置放大器。比較適用于外層自由空間光通信系統(tǒng)?？傊?，幾種前置放大器各有自己的優(yōu)缺點。 前置放大器的典型數(shù)據(jù)比較前置放大器負載電阻信號帶寬噪聲電流低阻抗50Ω10GHz1mA高阻抗1MΩ500MHz1nA跨越阻抗1KΩ1GHz1uA對前置放大器的選擇取決于預期應用要求，高速傳輸鏈路需要使用50Ω的放大器，但在遠程、中等比特率的鏈路中，一個高阻抗的前置放大器可能是最佳選擇。第4章 接入網(wǎng)升級技術研究目前，伴隨著整個電信業(yè)務的快速發(fā)展，從固定到無線，從窄帶到寬帶，從話音業(yè)務到多媒體業(yè)務，應用于電信網(wǎng)絡的各種技術層出不斷。同樣，隨著寬帶用戶的快速增長，在接入網(wǎng)絡層面，較之傳統(tǒng)的銅線接入技術，光接入技術有著覆蓋范圍廣、傳輸距離遠、帶寬高、安全保密性高、建設維護成本低等優(yōu)點，使之成為接入網(wǎng)建設新的亮點。目前，銅纜由于受主要原材料—電解銅價格的大幅上漲的影響，其價格比年高出。而同時，接入設備的采購價格在不斷下降，如己從三年前的每線1000多元降至不到300元。從降低建設成本的角度考慮，也應多用光纜、少建設銅纜。全球電信