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Chapter 10 光纖網路系統及重要元件. 10.1 光通訊網路技術 10.2 準同步數位階層 ( PDH) 10.3 SONET/SDH 10.4 分波多工 ( WDM) 10.5 全光網路 (AON) 10.6 光塞取多工 (OADM) 10.7 光交錯連接 (OXC) 10.8 接取網 (Access Network) 10.9 光纖網路重要元件. 10.1 光通訊網路技術. 光通訊網路依其應用性質與傳輸速度區分為三級 :
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Chapter 10 光纖網路系統及重要元件 10.1 光通訊網路技術 10.2 準同步數位階層(PDH) 10.3 SONET/SDH 10.4 分波多工(WDM) 10.5 全光網路(AON) 10.6 光塞取多工(OADM) 10.7 光交錯連接(OXC) 10.8 接取網(Access Network) 10.9 光纖網路重要元件
10.1 光通訊網路技術 光通訊網路依其應用性質與傳輸速度區分為三級: • 骨幹網(Backbone): 為國家間或主要都市間的光通訊網路 傳輸距離為數十到數百公里，傳輸速度10 ~ 40-Gbps。 • 都會網(Metro): 以都市為範圍的光通訊網路，傳輸距離為數十公里，傳輸速度2.5 ~ 10-Gbps。 • 區域網(Local): 為企業、校園或社區區域內的光通訊網路，傳輸距離為數百公尺到數公里，傳輸速度155-Mbps ~ 2.5-Gbps。
10.1 光通訊網路技術 通訊網路傳輸技術的發展主要分三階段: • 第一階段: 以銅線傳輸為基礎, 發展以分頻多工(FDM)和分時多工(TDM)技術為主的傳輸系統。 • 第二階段: 由於光纖較銅線具有通信容量大、傳輸距離遠、保密性佳、抗干擾等特性，在80年代中期以後，骨幹網及區域網所鋪設的傳輸系統被以SONET/SDH爲主的光纖傳輸系統所取代。 • 第三階段: 應用WDM/DWDM技術的光塞取多工(OADM)和光交錯連接系統(OXC)，發展全光網路。
10.1 光通訊網路技術 • 網路發展以往採用的是分時多工(TDM)的方式，後來發展成為WDM光纖網路，而在光纖上傳送網際網路協定(Internet Protocol；IP)，未來的目標則是讓IP直接在光纖實體上傳輸並配合乙太網路界面。
10.2 準同步數位階層(PDH) • 由於PCM技術的發展，通訊網路逐漸數位化，一多工標準: 準同步數位階層(PDH)因應而生，其標準如表：
10.2 準同步數位階層(PDH) • 例如: 電話語音信號經過脈碼調變(PCM)轉換為數位信號, 即每一4kHz頻帶的電話語音信號轉換為64-kbps的數位電話信號。 • 若干路數位信號經過分時多工系統組成數位群, 例如按照歐洲準同步數位階層(PDH), 30路數位信號經過TDM組成一次群2-Mbps, 4個一次群經過TDM組成二次群8-Mbps, 4個二級群經過TDM組成三次群34-Mbps, 4個三次群經過TDM組成四次群140-Mbps。
10.2 準同步數位階層(PDH) PDH的主要缺點: 1. 由表可看出，PDH存在1.544-Mbit/s和2.408-Mbit/s兩大階層及三個地區的標準，三者規格不同，造成國際間互通困難。 2. PDH沒有全世界統一的光介面規範，不同製造廠家的設備互通困難。 3. PDH訊框的結構用於網路操作、管理和維護的能力不足，成為改進網路效能的障礙。 4. PDH建立在點對點傳輸，通道利用率低，且時序的同步機制差。
10.3 SONET/SDH • 為因應網路大量傳輸的要求，針對PDH缺點，80年代貝爾實驗室提出同步光纖網路(SONET)的傳輸標準，作為現代通訊網的基本架構。 • 此架構是由數位傳輸結構(digital transmission hierarchy)改造而來，其比較適用於低速率的傳輸(如1.544-Mbps)。SONET是數位傳輸結構的改良品，較適用於高速率的傳輸。 • 國際電信聯盟(ITU-T, 前身為CCITT)以SONET為藍本，制定同步數位階層(SDH)，使之不僅適用於光纖網路，亦適用於微波及衛星傳輸的通用技術標準。
10.3 SONET/SDH SDH的優點: 1. 可與現有設備以及準同步數位階層(PDH)相容 2. 可將不同製造商的設備及系統互相連接 3. 具有加入/抽出(Add/Drop)資料通路的功能 4. 具有交錯連接功能 5. 容易獲得已複合於高速率光傳輸線路中的低速率信 號, 如DS1、DS3等 6. 模組化結構, 方便於系統更新與擴展 7. 具有資料通路保護切換的能力, 可以快速的恢復斷 線前的服務 8. 對網管設備的介面進行規範, 具有效的網路管理能力
10.3 SONET/SDH • SDH的基本架構是以同步傳送模組(STM)為基礎，基本速率為155.52-Mbps的信號，稱之為同步傳送模組第一位階(STM-1)。 • SONET基本速率為51.84-Mbps的信號，稱之為同步傳送信號第一位階(STS-1)。 • 為了透過光纖傳輸, SONET規定了和STS-1信號相對應的光傳輸信號第一位階(OC-1)信號，此信號由STS-1直接經由電-光轉換而獲得。 • OC-1是SONET傳輸的基本信號，例如OC-3信號的速率是OC-1 (51.84-Mbps) 的3倍，即155.52-Mbps。它相對於SDH的STM-1信號。
10.3 SONET/SDH • 網路傳輸體制從PDH過渡到SDH，各種資訊的數位信號經過分時多工組成新的一次群155-Mbps (STM-1), 4個一次群經過TDM組成二次群622-Mbps (STM-4), 4個二次群經過TDM組成三次群2.5-Gbps (STM-16), 4個三次群經過TDM組成四次群10-Gbps (STM-64), 4個四次群經過TDM組成五次群40-Gbps (STM-256)。 • 隨著數位速率的提高,電子技術難度相應地加大。電訊號的分時多工技術是有其極限的。如果通信頻寬需求繼續增長，電訊號的分時多工技術是無法達到40-Gbps以上的傳輸速率，以滿足頻寬需求急速成長的趨勢。
10.4 分波多工(WDM) • 傳統上每根光纖傳輸單一光載波。由於光纖特性的研究不斷地穫得進展，同時雷射與光電驅動元件技術亦有長足的進步，促使在同一光纖中傳送一個以上之光波長的技術得以實現，解決高頻寬需求的問題，此種傳輸技術稱為分波多工(WDM) 。 • 80年代中期, 首先採用的是在光纖的兩個低損耗窗口1310-nm和1550-nm窗口各傳送1路光波長信號，也就是1310-nm/1550-nm兩波分的WDM系統(間隔達200-nm)。現今而言，分波多工(WDM)的波長間隔一般在數十奈米。
10.4 分波多工(WDM) • 90年代後，1550-nm窗口摻鉺放大器(EDFA)實用化，利用1550-nm窗口傳送多路光載波信號。由於這些WDM系統的相鄰波長間隔比較窄(通常約0.8-nm)， 為了區別於傳統的WDM系統，稱這種波長間隔更緊密的WDM系統為高密度分波多工(DWDM)系統。 • 目前DWDM技術已成為通信網路帶寬高速增長的最佳解決方案，不論是骨幹網、都會網、區域網或接入網路，DWDM的光傳送網將構成整個通信網的基礎。因此光纖技術的發展與DWDM技術的應用與發展密切相關。
WDM優點 1. 可以充分利用光纖的巨大帶寬資源: 在單一光纖內傳輸多個不同波長的光波，讓數據傳輸速度和容量獲得倍增。現今利用的是光纖低損耗區(1310 ~1550-nm)的極少一部分，即使利用EDFA的放大區域帶寬(1530~1565-nm)也只佔了1/6, 還有很多波長區段可利用。 2. 適應各種信號: 由於同一光纖中傳輸的信號波長彼此獨立，因而可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種電信業務信號的綜合和分離，包括數位信號和模擬信號，以及PDH信號和SONET/SDH信號的綜合與分離。
10.4.1 WDM優點 3. 透明傳輸, 擴容方便: 分波多工技術的通道對數據格式是透明的，即與信號速率及電調製方式無關。一個WDM系統可以承載多種格式的業務信號，ATM、IP或者將來有可能出現的信號。透過增加一個附加波長即可引入任意想要的新業務或新容量，擴容性佳。 4. 節省成本: EDFA的應用可以大大減少長途幹線系統SDH中繼器的數目，從而減少成本。
10.5 全光網路(AON) • 目前新的網路建設已逐漸朝向全光網路發展，高密度分波多工(DWDM)系統的應用愈來愈廣泛。其中以光塞取多工(OADM)和光交錯連接系統(OXC)的應用與發展爲重。 • 全光網路(AON): 在光域上實現資訊的高速傳輸和交換，信號從源節點到目的節點的整個傳輸過程中始終使用光信號，在各節點處無光/電、電/光轉換, 亦即端點到端點的全光路，中間沒有光電轉換器，信號傳遞過程無需面對電子元件處理信號速率難以提高的困難。
10.5 全光網路(AON) • 全光網路具備以往通信網和現行光通信網路所不具備的優點： 1. 簡單可靠: 全光網路結構簡單，過程中沒有光電轉換 與存儲，突破電子元件瓶頸。另外許多光 元件都是無源的, 便於維護、可靠性高。 2. 可擴展性好: 加入新的網路節點時，不影響原有的網 路結構和設備，具有網路可擴展性。 3. 透明傳輸: 即對不同的速率、協議、信號同時相容 並允許PDH/SDH/ATM甚至IP技術併存。 4. 靈活重組: 可根據通信業務量的需求，動態地改變網 路結構，充分利用網路資源，具有網路可 重組性。
10.5 全光網路(AON) • 全光網路的網路結構分為服務層(Service layer)和傳送層(Transport layer) 。網路傳送層分為SDH/ATM層和光傳送層。
10.6 光塞取多工(OADM) 從主光路中取下所需要的波長，同時將載有新資訊的波 長加入主光路，而不影響其它波長的傳輸。可應用於點 對點(Point-to-Point)網路架構及環形(Ring)網路架構。
10.6 光塞取多工(OADM) • 點對點的光波塞取多工傳輸技術可以提供網路直接存取光纖的通訊，不需額外的光電訊號轉換元件。此點對點的OADM系統可以利用光波塞取技術將特定的光通路路由(routing)至指定的網路連接設備上。 • 此技術可分為設定傳送固定波長及動態可選擇波長; 固定波長的OADM系統，其取出與加入之光波長(光通道)為固定值，若要更改需以人為操作模式來修改; 而動態可選擇光波長之OADM系統可以動態地任意選擇光波長塞取。
10.6 光塞取多工(OADM) • 另一種應用是環狀網路架構的OADM系統。它可以提供電信業者整合各種不同網路的應用，如SDH、ATM及IP等傳輸技術，而且提供頻寬保護的功能。 • 藉由環形網路連結的特性提供光纖通路路由(routing)的功能，OADM系統更可以將不同應用介面的光纖通路路由至網路的任何一個位置，所有不同傳輸或資料型態的光纖通道皆可已利用此種網路架構來傳輸。
10.7 光交錯連接(OXC) • 數位交錯連接(DXC)技術可以提供網路上任何的傳輸通路進行相互交換(Cross-Connect)，不需要先行將資料通路經由解多工然後再多工的程序，即可達到將資料通路相互交換的目的，減少系統設計的複雜度和成本。 • 資料通路相互之間必須是相同的型式，例如同是DS0 level或是DS1或E1 level才可以進行交換。 • 在傳統的電子數位交錯連接系統可以提供數千個傳輸通道的相互連接，而交錯連接技術在光纖系統上的應用稱為光交錯連接(OXC)技術。
10.7 光交錯連接(OXC) 光交錯連接(OXC)技術，主要可以分為兩種方式： • 轉換至電訊號：先將以光形式傳輸的訊號由光電轉換 模組轉換至電訊號，然後再輔以電子交錯連接系統來進行資料通道的交換。 目前的網路系統大多採用此種方式，可以傳輸及交換大量的資料通道，但是會增加網路架構的複雜度及連結介面的限制。 (2) 非電訊號：純粹以光波形式來傳輸和進行交錯連接的 功能，此種技術利用全光交換做為傳輸的基礎，不需將光訊號轉換至電訊號以進行交錯連接。 雖然目前尚無法提供高通路(channels)數的交換系統，但是相關技術不斷地在突破。
10.8 接取網(Access Network) • 目前全球骨幹網已完全光纖化，主要以DWDM技術來提昇傳輸頻寬(2.5G～10Tbps); 都會網光纖成長率急速增加，其中重要技術有SONET/SDH-Based Metro Optical Network、Metro WDM及Optical Metro Ethernet等，波長的頻寬約2.5~10Gbps。 • 而區域網佔有率達第一的乙太網速度亦慢慢走向光纖傳輸的Gigabit速率等級。 • 從整體網路角度來看，介於都會網與區域網的接取網(Access Network)速度仍在數位元用戶迴路(Digital Subscriber Loop, DSL)的Mega等級，接取網將是現在網路上最大的頻寬瓶頸。
10.8 接取網(Access Network) • 解決方法是將接取網逐步光纖化 目前在光纖接取網路方面的主要發展方向包括: 1. 混合光纖/同軸電纜技術(HFC): 利用光纖結合有 線電視之現有網路來提供接取服務。 2. 光纖用戶回路技術(FITL): 最常見的架構爲被動 光網路(PON)，以期達到根據光纖到用戶延伸的 距離不區分的服務模式(統稱FTTx)。
10.8-1 HFC • 利用有線電視(CATV)之現有網路來提供接取服務，是把由頭端(Head End)到光節點(Optical Network Unit, ONU)間改爲光纖傳輸，在光節點和用戶之間再用同軸電纜進入用戶; 這種方式可充份利用CATV原有網路，建網快，造價低。 • 1993年初，Bellcore提出了在HFC上同時傳輸分配式廣播資訊、互動式電信資訊、類比資訊以及數位資訊，實現“全業務”接入。
10.8.1 HFC • HFC的網路可用頻帶至少應到750MHz，才能保證在原有有線電視節目傳輸之外還可以為其他業務提供頻帶。 • 與傳統有線電視網不同，HFC除了需要支援廣播資訊的傳輸，還需要支援雙向資訊的傳輸，因此必須將其可用頻帶劃分為上行頻帶和下行頻帶。 • 所謂上行頻帶是指資訊由用戶終端傳輸到局端設備所需佔用的頻帶;下行頻帶是指資訊由局端設備傳輸到用戶端設備所需佔用的頻帶。
10.8.1 HFC • 根據相關標準，HFC的上行頻率範圍為5MHz ~ 65MHz，下行頻率範圍為87MHz ~ 750MHz。 • HFC的頻帶分配示意如下:
10.8.2 FTTx 根據光用戶終端設備(ONU/T)在光纖接入網(OAN)中所 處的位置不同，接入網可分FTTC、FTTB、FTTO 和 FTTH等多種類型: • 在FTTC中，ONU設置在路邊或電線杆的分線盒邊。從ONU到各個用戶之間採用雙絞線 銅纜; 如傳送圖像業務，可採用同軸電纜，可以推遲引入部分的光纖投資。 • 從目前來看，FTTC在提供2 Mbps以下的傳輸時是OAN中最經濟的方案。
10.8.2 FTTx • 在FTTB結構中，ONU直接放到樓內，再經多對雙絞線分送各用戶。和FTTC相比，FTTB之光纖化程度進一步提高，因而更適用高密度以及需提供窄頻和寬頻綜合業務的用戶區。 • 在FTTO和FTTH結構中，均在路邊設置無源光分路器，並將ONU移至用戶的辦公室或家中，是真正全透明的光纖網路。 • FTTO和FTTH不受任何傳輸制式、頻寬、波長和傳輸技術的約束，是OAN發展的理想模式和長遠目標。
10.8.3 PON • 光纖用戶迴路(FITL, Fiber in the loop): 對於住宅或者建築物來講, 用光纖連接用戶，主要有兩種方式: 一種是用光纖直接連接每個家庭或大樓; 另一種是採用被動式無源光纖網路(PON)技術。 • 被動式無源光纖網路(PON)架構主要是將從光纖線路終端設備(OLT)下行的光訊號，透過一根光纖經由分光器(Splitter)，將光訊號分路廣播給各光用戶終端設備(ONU/T) 。 • PON架構大幅減少網路機房及設備維護的成本，更節省了大量光纜資源等建置成本，而成為實現FTTx的熱門技術 。
10.8.3 PON • 傳統SONET/SDH架構以點對點(Point to Point, PTP)傳輸為主，若局端設備有24 core，僅能服務24個用戶，欲擴大服務範圍，須增設新的局端設備。 • PON以點對多點(Point to Multipoint)方式傳輸，若分光器具備1對16的傳送能力，則能提供384個用戶使用，大大減少設置費用。 • PON僅在局端和用戶端設備使用光主動元件，在兩端傳輸路線中完全使用光被動元件。另外局端訊號以廣播(Broadcast)方式下傳到用戶，在傳送中不需作路徑選擇。
10.8.3 PON 下行技術: • PON以廣播的方式進行，信號由OLT發出，經光纖到達無源分光器，被平均分成N份發送到各個支路。 • ONU可以收到所有的廣播資料，但只接受位址碼和自己的ONU-ID相符的廣播資料，其他資料則丟棄。
10.8.3 PON 上行技術: • 由於從OLT到各個ONU之間的光纖長短不一，每路上行光信號的時延和衰減都不同，為避免信號碰撞，引入測距協議。測距主要使OLT測出到每個ONU的延時時間。 • 在OLT工作的時候，發送一個信號到各個ONU，然後ONU發回一個回應，OLT發送資料和接收資料的時差就是每個ONU的延時, 將它作為ONU發送資料的偏移時間，來避免上行資料的碰撞(利用TDMA技術)。
10.8.4 APON • 利用ATM協定作為無源光網路中OLT與ONU之間通信的鏈路層協議; 利用ATM良好的QoS保障機制和對多業務的支持，實現PON的綜合業務接入。 • ITU-T G.983.x系列規定A-PON傳輸位元速率(由Full Service Access Network, FSAN提出): (1) 上、下行對稱的155.52-Mbps; (2)非對稱的下行622.08-Mbps，上行155.52-Mbps速率。 • 雙向傳輸方法主要有兩種: (1)採用單纖分波，兩個波長分別工作在下行1550-nm區和上行1310-nm區; (2)採用單向雙纖方式，工作在1310-nm區，以便充分利用低成本的光源。
10.8.4 APON • 以ATM技術為基礎的原因，是當時(1995)看好ATM技術將大量地使用在骨幹網路及都會網路，甚至在接入網路。 • 隨著乙太網路建置快速成長，乙太網路的應用已經由區域網(LAN)擴展到寬域網(WAN)且價格快速下滑。 • 另一方面，在承載IP封包時，ATM Frame並不能有效地提昇網路傳輸的效能，而且到目前為止ATM設備的價格仍然居高不下，因此也影響了ATM PON未來發展的可能性。
10.8.5 EPON EPON技術的主要特色： 1. 目前EPON標準的訂定, 主要是在IEEE 802.3ah, 也就是Ethernet in the First Mile (EFM)。 2. EPON網路中, 對於IP業務、 OLT與ONU之間的鏈路層採用乙太技術, 通過在TDM時隙裏的映射、封裝進行相互通信(乙太網路技術為目前最成熟的區域網技術)。同時提供IP、TDM和xDSL綜合接入能力, 擴容方便容易。 3. 上下行可以達到對稱的1.25Gbs, 可以滿足目前寬頻都會網的用戶需求, 打破了APON的622M/155M的帶寬瓶頸。
10.8.5 EPON APON和EPON都具有無源光網絡的共同優點。APON和 EPON本質上是ATM和IP在接入網中的繼續之爭: 1. EPON的基礎是乙太網, 而乙太網是當今使用最廣泛 的網路技術, 其相關器件、設備價格最低。用EPON作接入網, 成本低、通用性好; 免去了IP數據傳輸的協議和格式轉換, 效率高, 管理簡單。 2. 而用APON傳送數據還需在IP和ATM信元及SONET /SDH格式之間來回轉換, 效率低、技術複雜、成本高, 不適合向所有用戶推廣應用。
10.8.6 GPON • 在2001年, FSAN組織開始起草超過1Gb/s速率的PON網路標準 ― GPON (Gigabit PON) 成為光接入網一種全新的解決方案。ITU-T於2003年通過兩個有關GPON的新標準G.984.1和G.984.2。 • GPON標準的設置是基於不同服務需求, 提供最有效率和理想的傳輸速率, 同時兼顧OAM&P功能以及可擴充的能力。 • 基於此設計原則下, GPON的技術成為FTTx全新的解決方案。不但提供高速傳輸率, 而且支援各種接入服務, 特別是非常有效地支援原有格式的資料分組和TDM傳輸。
10.8.6 GPON GPON標準的主要要求如下: (1) 支援全方位服務-包括話音(TDM、PDH和 SONET/SDH)、Ethernet (10/100 BaseT)、ATM、 專線等等。 (2) 在傳輸彙聚層採用了一個全新的標準: 通用框架協定 (Generic Framing Protocol, GFP)。這是一種可以透明 、高效地將各種資料信號封裝進現有網路的通用標準信 號適配映射技術, 可以適應任何用戶信號格式和任何傳 輸網路。 (3) 物理覆蓋至少20公里, 優於ADSL的6公里達3倍之多。 協定內邏輯支援範圍60公里。
10.8.6 GPON (4)支援同一種協定下的多種速率模式, 包括同步622- Mbit/s、同步1.25-Gbit/s、以及不同步的下行2.5- Gbit/s、上行1.25-Gbit/s及更多(將來可達到同步2.5- Gbit/s)。 (5) 針對點對點的服務管理需提供 OAM&P (Operation、Administration、Provisioning)的能力。 (6) 針對PON下行流量是以廣播傳送之特點, 提供協定層的安全保護機制。
10.8.7 WDM-PON • 在寬頻發展的趨勢需求下, 未來PON傳輸技術將逐漸 與波分多工技術(WDM)結合以形成WDM-PON。利 用WDM可以提供多個光通道來提昇網路傳輸的頻寬。 • 在PON中引入WDM技術有兩種方案, 一種是為每個 ONU分配一對波長, 分別用於上行和下行傳輸, 這樣 就提供了OLT到各ONU固定的虛擬點對點雙向連接。 • 另一種是根據需要為ONU動態分配波長, 各ONU 能夠波長共用, 網路具有可重構性。
10.8.7 WDM-PON • OLT中使用多波長光源, 下傳給ONU1、ONU2 …… ONUn 的資料以直接調製或外調製方式, 加到波長為 l1、l2、……ln 的光載波上發送, 通過波長路由把 信號分配給目的ONU, 完成下行傳輸。 • 上行傳輸時, ONU間採用WDMA解決通道爭用問題, 每個ONU使用一個特定的波長, 因而不需要定時和網 路同步。上行信號通過波長路由器到一根光纖上, 傳 到OLT接收端, 由WDM接收機接收。
