无源光纤网络（精选4篇）
无源光纤网络 篇1
目前随着智能手机及上网本IPAD的大量应用, 能将光纤宽带网与无线网络结合起来的ROF技术, 将会在通信网络的快速扩容中有很好应用前景, 在拥有固定或者移动网络的基础上, 全面考虑成本的最低化、网络运营的最优化等等, 因此, ROF技术的应用在光无线宽带网络融合将具有深厚的现实意义。
1 ROF技术概述
ROF技术是一种高容量的无线通信技术, 主要是将光纤通信与无线通信进行对接, 融合在一起的无线接入技术, 是一种高科技的技术应用模式, 其中, 通过采取运营光纤作为一种通信基站, 并建立与中心站点之间的传输参数和线路, 并通过利用光载波来传送射频信号, 实现ROF技术的快速传输、交换、控制以及信号的再生等功能。
2 ROF技术的FTTH在光无线网络融合中应用现状
在ROF技术的应用上, 主要是光载波承受的是一些模拟的信号, 在微波信号的处理上, 和传统的数字技术存在一定的差别, 尤其是对于光器件的处理, 有着更为严格的要求。在ROF技术的物理层面, 在技术应用上取得了一定的发展, 譬如, 基于微波光子学的毫米波信号源产生, 光调制器、滤波器的特性分析与改进, 光纤链路的色散控制, 以及基站中光载波的再利用等系统设计与优化。在ROF技术的研究, 尤其是网络处理的能力, 在全光频率的变换技术应用上, 有了一定的突破。利用光波的外差混频技术, 实现对高载频波的变换, 实现在光无线网络的融合。特别是在通信系统中, 由于提升对毫米波信号的处理能力, 实现对强度调制器的技术升级, 以此解决网络融合中的接口问题, MAC协议等问题。
3 探讨ROF技术的FTTH在光无线网络融合中的应用
3.1 与未来4G移动通信网络的融合
在未来的4G无线接入网中, 正交频分复用作为优选方案, 具有高频谱利用率和可靠性, 良好的抗多径衰落能力等优点, 适用于高速的数据传输。Ro F技术则充分结合光纤和高频无线电波传输的特点, 使基站简化, 将传统基站集中的天线结构变为分布式天线结构, 基站天线与中心站间使用光纤连接, 为基站与中心站之间提供低损耗、高带宽、可靠的信息传输, 能实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入。将Ro F技术与OFDM技术融合在一起构成的OFDM-Ro F系统, 具有这两种技术各自的优点, 既能有效降低系统成本, 又能大大增加通信系统容量, 如果天线单元采用多进多出技术, 还可进一步加大系统容量和提高传输速率。目前基于OFDM的Ro F技术是一个最近比较热门的研究领域, 它涵盖光纤通信和无线通信领域, 它具有其它系统无法比拟的优势, 比如受电磁波干扰小, 覆盖范围大, 容量大, 远端基站模块成本低, 系统部署灵活简单、延伸性好, 易于集中升级管理等等。
3.2 接入网与PON的融合
下图为ROF与无源光网络 (PON, Passive Optical Network) 融合的系统结构框图。该结构中, 无线和有线业务均在光纤上传输, 其中下行信号在远端接入点 (RN) 分别送到光网络单元 (ONU) 和无线接入点 (WAP) , 实现有线信号和无线信号的分离。在中心局端, 中心基站 (BTS) 和光线路终端 (OLT) 分别进行信号的集中处理。这种结构的优点是利用了目前FTTH已铺设的光纤, 降低了无线接入的成本并可以扩容。
3.3 轨道交通中与Wi Max的融合
ROF是一种综合技术处理手段, 在各种智能系统的应用中, 尤其是高速轨道的智能交通网络, 可以在沿线形成铁路无缝覆盖的整体局面, 形成微微蜂窝, 直径约100m。由于单元蜂窝很小的覆盖范围, 火车高速的行驶速度 (120km/h) , 于是切换成为一个很头疼的问题, 每隔3s钟便要实现一次切换。并且, 如果相邻两蜂窝的重叠范围为10m, 则0.3s就要切换一次。为了解决切换问题, 可以引进Wi Max技术, 实现与ROF技术的融合。Wi Max技术增加了蜂窝的覆盖面积, 但同时降低了有效利用的覆盖面积。可以在每个大基站用ROF技术实现射频光纤拉远。目前中国移动在高速轨道交通沿线的TD-SCDMA信息覆盖也采用了BBU基带池的方法来减少信号切换的方法, 若采用ROF技术就完全能解决此类问题。
4 总结
在现代网络技术高速发展的时代, 通过ROF技术的全面应用, 可以看出ROF技术的FTTH在光无线网络融合中的应用占有很高的地位, 必将扮演着尤为重要的角色。在下一步的实际应用之中, 突出ROF关键技术的应用, 并逐渐应用到各个领域之中, 提升ROF技术的FTTH在光无线网络融合中的应用价值, 向着低成本、高利润、集成化的发展趋势迈进。
摘要：随着通信网络信息量的不断提升, 运营商对光纤网络的带宽容量要求越来越高, 而最后一公里的接入网巨大市场份额无疑会成为各大运营商争相投资的动力。本文着重分析ROF技术在接入网络融合中的应用展望, 并剖析ROF技术在应用中存在问题和现状, 探讨ROF技术在WLAN网络中的应用。
关键词：ROF技术,光纤无源网,光无线网络,FTTH
参考文献
[1]王岩, 吴重庆, 冯玉珉.PON技术在FTTH中的应用.光子技术, 2004年第03期.[1]王岩, 吴重庆, 冯玉珉.PON技术在FTTH中的应用.光子技术, 2004年第03期.
[2]张革新, 赵剑.FTTH中光纤光缆的发展.现代传输.2007年第05期.[2]张革新, 赵剑.FTTH中光纤光缆的发展.现代传输.2007年第05期.
FTTH无源光纤接入技术分析 篇2
随着用户对宽带接入提出越来越高的要求, 现有的宽带接入方式, 如ADSL和LAN接入, 由于存在传输距离短、接入带宽有限、安全性不高、QoS没有很好的保证等问题, 已越来越不能满足用户的需求。光接入技术快速发展, 从有源光接入技术 (PDH、SDH、MSTP、点到点以太网系统) 到PON无源光接入技术 (APON、BPON、GPON、EPON、GEPON) 。最后, 由于光纤本身的成本, 光收发模块、OLT和ONU的设备成本, 以及现有光纤到户的配套成本不断下降, 使得目前实现光纤到户的设备成本和线路成本比以前有了大幅度的下降。
1 光接入网
根据ITU-T建议G..982, 光接入网OAN可以定义为共享同样网络侧接口且由光接入传输系统支持的一系列接入链路, 由一个光线路终端OLT, 至少需要一个光配线网ODN、一个光网络单元ONU及适配设施AF组成, 可能包括若干与同一OL1相连的ODN。并根据接入网室外传输设施是否含有有源设备, OAN可以划分为有源光网络AON和无源光网络PON。前者采用有源的电复用器分路, 可延长传输距离, 扩大ONU数并可能重新利用部分现有铜缆设施, 种类有SDH环、ATMVP环等;后者则采用无源光功率分配器 (耦合器) 将信息送至各用户, 易于扩容和展开业务, 维护费用较低, 但对光器件要求较高, 需要较为复杂的多址接入协议。无源光网络PON是光纤接入的发展方向。PON作为一个共享系统其发展方向是覆盖更多的用户且使每一用户有足够的业务带宽, 也就是说要求PON上下行比特率更高, 分支比更多, 传输距离更长。以下将对无源光接入网作进一步分析。
2 无源光纤接入技术
无源光网络 (PON) 是一种纯介质网络, 其主要特点是在接入网中去掉了有源设备, 从而避免了电磁干扰和雷电影响, 减少了线路和外部设备的故障率, 简化了供电配置和网管复杂性, 降低了运营维护成本。其次, PON的业务透明性较好, 带宽宽, 可适用于任何制式和速率的信号。并且局端设备和光纤 (从馈线段一直到引入线) 由用户共享, 因而光纤线路长度和收发设备数量较少, 相应成本较其它点到点通信方式要低。随着光纤向用户日益推进, 其综合优势越来越明显。PON的每个用户的成本随着分享OLT的用户数量的增加而迅速下降, 因而非常适合于分散的小企业和居民用户, 尤其是新建区域。具体的说无源光网络 (PON) , 是指在OLT (光线路终端) 和ONU (光网络单元) 之间的光分配网络 (ODN) 没有任何有源电子设备。其典型的拓扑结构为点对多点的星型结构 (如图1所示) 。在光分支点不需要节点设备, 只需要安装一个简单的无源光分路器, 因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、安全性高、综合建网成本低、维护成本低、可靠性高等优点。
2.1 APON和BPON
早期的窄带无源光网络是基于TDM的, 性能价格比不好, 已经自然消亡。ATM化的无源光网络 (APON/BPON) 可以利用ATM的集中和统计复用, 再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用, 使性能价格比大大改进。然而, APON/BPON的业务适配提供很复杂, 业务提供能力有限, 数据传送速率和效率不高, 成本较高, 其市场前景由于ATM的衰落而黯淡。最后, 从业务发展趋势看, APON的可用带宽仍然不够。
2.2 EPON
随着IP的崛起和发展, 基于以太网的PON的概念, 即在与APON类似的结构和G.983的基础上, 设法保留其精华部分———物理层PON, 而以以太网代替ATM作为链路层协议, 构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更强业务能力的新的结合体———EPON。
EPON主要基于IEEE802.3ah标准, 与传统点到点以太网主要不同之处在于采用点到多点通信方式。其下行方向工作于TDM方式, 数据流以变长以太帧方式广播到ONU, 每个ONU根据以太帧的MAC地址, 决定取舍。上行方向工作于TDMA方式, 来自不同时隙的ONU数据流汇聚到公共光纤设施和OLT。此外, 传统以太网工作于连续光传输模式, 在收发两个方向都是连续的比特流, 因此收端的定时和判决容易实现。而EPON的上行比特流是轮流发送的突发数据包, OLT的接收定时恢复、判决门限设置、测距和延时补偿比较复杂。从EPON的结构上看, 其关键优点是极大地简化了传统的多层重叠网结构。
IEEE802.3ah规范的EPON技术的上下行波长是1310nm和1490nm, 上下行速率均为1.25Gbit/s, 传输距离是10/20km, 分路比是32/16, 主要业务是数据和语音, 增加一个1550nm电视广播波长后, 成为语音、数据和电视三合一的所谓三重业务捆绑服务。对于传送单一以太网业务而言, EPON是一种很好的解决方案。 (系统参考配置如图2所示) 。
2.3 GPON
2001年, 在IEEE积极制定EPON标准的同时, FSAN组织开始发起制定速率超过1Gbit/s的PON网络标准———吉比特以太网无源光网络 (GPON) , 随后, ITU-T也介入了这一新标准的制定工作并于2003年1月通过两个有关GPON的新标准———G.984.1和G.984.2。按照这一最新标准的规定, GPON可以提供1.244Gbit/s和2.488Gbit/s的下行速率和ITU规定的多种标准上行速率, 即可以灵活地提供对称和非对称速率。传输距离至少达20km, 系统分路比可以为1:16、1:32、1:64乃至1:128, 而EPON只提供1.25Gbit/s对称速率, 分路比最多为1:32。即GPON在速率、速率灵活性、传输距离和分路比方面有优势。其次, GPON采用了两种适配方式, 除了传统的ATM外, 还在传输汇聚层采用了一个全新的基于SDH的标准通用组帧程序 (GFP) , 这是一种可以透明、高效地将各种数据信号封装进现有SDH网络的通用标准信号适配映射技术, 可以适应任何用户信号格式和任何传输网络制式, 无需附加ATM或IP封装层, 封装效率高、提供业务灵活, 而APON/BPON和EPON对每种特定业务都需要提供特定的适配方法。第三, 由于GPON采用GFP映射, 其传输汇聚层本质上是同步的, 还使用标准SDH的125μs帧, 使GPON可以支持端到端的定时和其它准同步业务, 特别是可以直接高质量、灵活地支持实时的TDM语音业务, 延时和抖动性能很好。而EPON在承载TDM业务方面没有具体规定, 导致厂家可以采用不同方法来承载, 包括一层、二层和三层均可以, 互操作性较差, 性能难以确保。第四, GPON在网管方面具有丰富的功能, 包括带宽授权分配、动态带宽分配、链路监测、保护倒换、密钥交换和各种告警功能等, 比EPON考虑周到。不过, EPON在网管功能上比普通以太网有了明显改进, 可以提供远端故障指示、远端环回控制和链路监视等基本管理功能, 也能满足基本管理功能。第五, 在QoS方面, GPON可以通过使用指针调整ONU的授权带宽和授权周期来保证业务的带宽和延时要求。而EPON主要采用优先级队列结合DBA算法来保证带宽和延时, 也能基本满足不同业务的QoS要求。从技术角度, GPON是BPON的继承和发展。GPON继承了BPON的很多基本特点, 例如两者都使用同样的OLT核心技术, 包括ONU的激活和测距等, 使用同样的物理光纤设施和光功率预算值, 同样的管理软件栈等。另一方面, GPON采用了一些最新的技术成果, 除了最重要的GFP封装技术外, 还包括前向纠错等新技术。 (如图3所示)
3 结束语
目前EPON技术已基本成熟, 且系统运行相对稳定, 能够满足IPTV、宽带上网、VoIP等宽带业务的发展需求。虽然GPON技术在传输能力、速率灵活性和分路比等方面有优势, OAM功能和保护机制也相对完善, 支持TDM业务承载, 但其技术实现复杂。国外有较多运营商选择GPON技术作为未来实现FTTH的主要方式;而我国国内对未来FTTH大规模的应用, 是选择EPON技术还是GPON技术目前还没有定论, 不过, 可以肯定地讲, EPON和GPON技术的最终抉择, 将取决于设备成本、业务支持能力和互通性等多方面因素。
参考文献
[1]韦乐平.FTTH宽带光纤接入的技术特征与方案选择[J].电信科学.
[2]网通紧随电信10月进行EPON设备集采[J].电信情报.2007[16]:10-11.
[3]张校逸, 毛涵月.现代通信宽带无源接入网技术GPON.2004[6]:12-13.
[4]徐伟亮, 李俊.GPON最新一代无源光网络[J].黑龙江通信技术.2003.[3]:21～23.
[5]全弘林.新一代无源光网络技术-GPON[J].通信世界[100期特刊].
[6]唐宝艮, 王文鼐, 李标庆.电信网技术基础.北京:人民邮电出版社.2007.
光无源接入网络发展方向 篇3
在宽带业务对速率的需求不断增长和40Gb/s以太网技术己走向应用的推动下，如何实现可提供“面向未来”超高宽带的下一代接入网系统，成为当前无源光网络 (PON) 技术的发展趋势和研究热点。在带宽提升的同时，下一代PON系统还必须能够保持低成本的接入以及实现灵活的资源分配，才能够有效地承载运营商提供的多元化应用业务和用户对带宽的需求。
本文基于对当前的GPON和EPON及WDM-PON的综合各个方面优劣的考虑，得出光学正交频分复用无源光网络 (OFDM-PON) 以其低成本、高带宽、较强的灵活性和安全性作为面向未来光通信的最具吸引力的解决方案。
2 PON系统结构
PON (Passive Optical Network)系统一般应用于一对多的网络拓扑结构中，是由光线路终端OLT (Optical Line Terminal)，光配线网络(Optical Distribution Network, ODN)和用户终端ONU (Opticla Network Unit)三个部分组成[1]，网络参考模型如图所2-1示。
在整个PON网络中，OLT为系统提供各种业务的接口，并管理ONU的业务信息和监控系统物理层的运行状况。ODN位于OLT和ONU之间，主要是由split, WDM和光纤组成的光网络，承载光信号的传输[2,3]。ONU位于用户端，响应OLT的管理并转发用户的信息。下行方向，ONU接受属于自己的业务数据，同时丢弃不属于自己的数据。上行方向为从ONU到OLT方向，不同的ONU根据特定的时隙或者频率，避免在合路时互相碰撞和干扰。对于整个网络的成本，ODN和ONU占90%是网络投资的关键部分。
3 当前PON系统的基本结构和特点
对于当前的PON系统主要有两种：TDM-PON和WDM-PON，其中TDM-PON是一种上行时分复用，下行广播形式的PON也是当前使用率最高的。OLT发出的信号由基于功率分配的分路器分发到各个ONU。近年来，电信运营商纷纷开始大规模部署的光接入网主要包括APON、EPON以及GPON这三种标准均是采用TDM-PON技术的网络，其共同的基本结构如图3-1所示。
TDM-PON系统采用单纤波分复用技术，如当前主流的GPON采用的是1490nm波长下行2.488Gb/s数据流，1310nm波长的上行1.244Gb/s数据流;EPON采用的是上下行都为1.244Gb/s的对称结构。
对于下行信号，采用TDM的广播传输模式：OLT将数据分组以广播方式发送给所有ONU，如上图中OLT将广播包括ONU1、ONU2、ONUn信息的数据分组。每个数据分组都有区分用户的ONUID信令标签，ONU自主对数据分组地址进行解析，过滤接收属于自己的数据，下行方向上不需要OLT控制。而对于上行则需要每个ONU按照一定的顺序发送数据，避免发生时序的叠加和冲撞。
当前TDM-PON的主要特点有：(1)系统较复杂，为让不同ONU发出的信号按照既定的时间到达OLT而不与其他的时序相冲突，需要复杂的测距和时钟技术，对于每个ONU发送的信号功率不同，每帧数据信号需要牺牲带宽来迅速的调整OLT中接受判决电平，降低带宽的利用率。(2)安全性低，下行采用广播的形式来传递信号，每个ONU理论上可以接受到OLT所发出来的所有信息，有可能窃取其他用户数据信息。(3)用户的带宽受限，当OLT下用户数量增加时，每个用户使用的带宽将会降低，对于适时性要求高的业务，随着带宽的降低带来延时增大降低业务的传输质量。下表对于当前使用的主流TDM-PON技术EPON和GPON性能作比较。
WDM-PON是波分复用形式无源光网络，每个ONU和OLT之间单独使用一个波长，采用点到点的传输模式和相互隔离双向信道。WDM-PON相对于TDM-PON，其ONU独享一个OLT信道，速率可达到整个OLT下行带宽，与此同时避免了时分复用系统复杂时间管理问题，各通道之间互不影响，信号传输透明性好，每个ONU有很好的安全性[4]。
在波分复用光网络中，远端节点使用波分复用器来将不同波长分开，并且在OLT内添加一个波分复用器来分离不同波长上的光信号，如图3-2所示。复用/解复用功能可以由阵列波导光栅 (AWG) 或介电薄膜滤波器来完成。对于密集波分复用 (DWDM) 技术，每个波长的间隔可以达到50或100GHz，与长距离波分复用传输相类似。
由于使用了波分复用技术，共享信道QoS有保障，不需要突发模式接收机和发射机，也无需复杂的介质访问控制 (MAC) 层协议来管理时序，使得网络管理简单化。并且，由于使用了波长复用/解复用器来代替光功率分路器，ONU端接收到的光功率仅取决于发射光功率和离中心局端的距离。每个用户的带宽固定，不会由于用户数量的增加而造成带宽减小。这些特点都使得信噪比 (SNR) 与用户数量无关，使得波分复用无源光网可以灵活便捷地升级。
除上述的优点，波分复用光网络在实际商用系统中面临一些挑战。比如，每个ONU需要光源的波长与复用/解复用器的窗口相匹配。同时，各用户间的带宽不能共享，一定程度上造成带宽的浪费。这些都是为了实现简单、独立、高效的接入方案所付出的代价。随着近年来利用OLT发出的一部分光来承载下信号，一部分在ONU端承载上行光信号，但同时也由于上下行的波长相同带来的反射、散射干扰等ODN、对OLT激光器发送光功率检测和对网络的管理打来了很多问题。虽然一对一的模式增加局端复杂度，但是也降低了对接收端和发送端器件的要求，对于TDM方式，下行每个用户实际带宽是10Mb/s但其器件的接受却是OLT下行速率2.488Gb/s或者1.244Gb/s，大幅提高了ONU端接收和发送器件的成本。
综合以上TDM和WDM的特点，这两种接入方式也是当前的两种主要接入方式，针对这两种接入方式的优点，在下一代PON中可以采用WDM-PON和TDM-PON相结合的方式。这样可以极大提高用户的接入速率的同时也不改变现有的PON网络，只是在一定程度上增加了中心局端的复杂度，而中心局端的成本在整个网络成本中的比重相当小，并且容易维护，因此还是保证了整个网络的无源性。这种传输方式的简单叠加，现有的成熟的技术上可以直接使用。
4 OFDM-PON接入
光OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 是一种特殊的多载波调制技术，复用的子载波频谱相互重叠，并且正交，作为一种新型技术应用在接入网是近几年的热点。以微波的OFDM为基础，其频谱利用高、抗色散性能好和载波自由分配，可以自由实现较高的接入速率[5]。其与基于TDM或WDM的其他PON技术不一样，基于OFDM的PON技术主要是利用DSP在电子域上实现基于时频二维资源的动态带宽管理、传输色散补偿和对多业务的支持，来实现高达40Gb/s的超带宽高速接入。OFDM的传输机制如下图所示。
在下行方向，OLT根据与各ONU协商的频域/时域资源配置结果，将分组数据流封装到相应的子载波和时隙上，生成所需的OFDM符号。接着利用数模转换器 (Digital-to-Analog Converter, DAC) 将数字信号转换成电模拟信号，并作为光调制器驱动信号，得到含有子载波边带的光OFDM信号。通过ODN的传输后，在ONU端，经过光电检测，每个ONU接收机按照资源调度结果，从各自分配的子载波和时隙上解调出自己的分组数据。
在上行方向, 每个ONU将数据经过正交振幅调制 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) 映射后加载到各自分配的子载波上, 将其余子载波置空, 然后将这些子载波数据经IFFT后得到具有实值波形的OFDM符号。经DAC和光调制器, ONU1、ONU2、ONU3将生产占据不同子载波集λ1、λ2、λ3的光OFDM符号。来自多个ONU的光OFDM符号将在ODN中的光电耦合器, 井继续传送至局端的OLT中。在OLT接收器上, 光OFDM信号转为电信号, 经载波相位提取与同步以及OFDM符号边界对齐后, 可高效解调出来自不同ONU的数据[6]。与WDM-PON的波长复用概念类似又有区别, 在OFDM-PON中是采用频谱重叠交错但互相正交的子载波来承载信号, 在光模块中一般只需一个单波长的光发射机和接收机即可实现光子载波集的调制和解调, 而无需WDM系统中的多波长发射机和接收机[7,8]。同时, OFDM-PON的各个ONU信号的波长复用和解复用一般可由收发端实现, 因此无需在ODN中添加AWG器件, 可继续沿用TDM-PON的功率分路器以及相应的ODN器件。
与TDM-PON相比OFDM-PON可以与TDM-PON相结合针对时域资源管理和频域资源分割。例如, 在时域可以适应数据的突发流量。在频域可以提供精细的基于信道状况的调度。OFDM-PON的OLT为每一个特定的用户分配一个子载波子集, 在上行数据流方向上, 每一个ONU将数据调制到指定的子载波集上, 同时其他所有ONU的子载波都被置为零。与其他的PON技术相比, OFDM-PON还有很多其他的优点:
(1) 可提高带宽的利用率, 利用4bit/s/Hz的16-QAM调制技术, 2.5GHz的带宽可以支持10Gb/s的总数据传输率。
(2) 在处理带宽资源共享及可视化方面有独特的灵活ꢋ舓性, 可以通过简单低开销的媒质接入控制实现操作。
(3) 协议独立及服务透明, 类似透明管道的子载波集可同时支持不同服务质量要求的数字和模拟信号。
(4) OFDM-PON是一个可伸缩的构架, 其与TDM-PON和WDM-PON共存。
(5)这种解决方案成本低，与传统的WDM-PON相比，在OLT中所需要的接收机数量最少。
在美国NEC实验室的研究小组搭建了一种基于OFDM的虚拟PON构架, 其支持EPON、GPON共存, 且可利用OFDM子载波实现带宽虚拟化和数据分离。子载波集可以动态的分给不同类型的服务和采用不同的调制格式[6]。实验已经实现两个带业务量的OUN信号通过10Gb/s的数据信道和一个RF WIMAX信道OFDM-PON传输时, 数据的吞吐量没有发生任何变化[8]。
5结论
梋舓虽然当前PON网络以其较高的带宽和较强的稳定性能够满足当前用户的需求, 但是人们对带宽的需求随着媒质质量的提高和网络在人们生活中扮演的角色越来越重要会越来越高, 当前的技术将难以满足其要求。OFDM-PON以其较强的灵活性、较低的成本、较简单的管理方式、更高的接入速率和更安全的数据传输的优势, 会受到运营商的青睐, 也是未来光接入网发展的必然趋势。
参考文献
[1]张明德, 孙小菡.光纤通信原理与系统[M].东南大学出版社, 2001, 6.
[2]郎为民, 郭东生.EPON/GPON从原理到实践[M].人民邮电出版社, 2010, 1.
[3]李雪松, 傅珂, 柳海.接入网技术与设计应用[M].北京邮电大学出版社, 2009, 11.
[4]Lvan Kaminow, 厉鼎毅.光纤通信[M].北京邮电出版社, 2006, 1.
[5]张海滨.正交频分复用的基本原理与关键技术[M].国防工业出版社, 2006, 1.
[6]William Shieh.Lvan Djordjevic.OFDM for Optical Communication[M].电子工业出版社, 2011, 3.
[7]Kun Qiu, Xinwen Yi, Jing Zhang, Hongbo Zhang, Mingliang Deng, and Chongfu Zhang.OFDM-PON Optical FiberAccess Technologies:Asia Communications and PhotonicsConference and Exhibition.2011.830921-830928.
无源光纤网络 篇4
智能变电站数据通信业务主要包括电网数据采集、电网实时控制 (包括继电保护与安全自动化) 、设备运行状态在线监测、变电站环境监测等。依据IEC 61850标准《第5部分:功能通信要求和装置模型》以及各类通信报文的不同功能和对传输时延的不同要求, 将数据通信负载分为以下四类。 (1) 快速报文。变电站自动化系统中最重要的快速报文是通用面向对象变电站事件 (GOOSE) , 事件信息包括跳闸、合闸、闭锁、解锁等。 (2) 中速报文。该类报文对传输时间的要求比快速报文略低, 典型的中速报文是采样值 (SV) 报文, 一般由过程层的合并单元 (MU) 产生。 (3) 低速文件报文。该类报文以制造消息规范报文 (MMS) 为代表, 是在TCP-IP协议基础上开发的报文。 (4) 时间同步报文。用于实现自动化系统IED内部时钟的同步。智能变电站四种主要业务在实时性、可靠性、安全性以及数据流量等方面的性能要求详见表1。
2 常规网络通信能力分析
智能变电站采用“三层两网”设计, 通过数据业务分析可以看到, 在过程层与间隔层之间存在持续、大流量原始数据, 以及突发、实时的控制命令报文, 这些数据以间隔为单位、多种类型的数据通信业务在间隔之间以及间隔层与站控层之间传递, 大量的采集数据需要在间隔层装置中预处理;间隔层以上的持续数据、大流量数据比例减少, 数据通信业务类型增加。
智能变电站现有的网络采用面向对象的以太网技术构建, 跨间隔、跨层级的大流量数据通信能力不足。受间隔层设备隔离和过程层网络覆盖范围有限因素的制约, 数据在间隔之间以及过程层直达站控层的传递不够灵活, 需要间隔层装置转发, 这种限制对跨间隔的保护、测控系统 (如母差、备自投等) 十分不利。随着智能变电站发展, 跨间隔的系统越来越多, 需要构建一个更加灵活、限制更少的通信网络。
3 网络设计原则
变电站网络设计涉及多种因素, 其主要原则包括:
3.1 数据业务分类
变电站中各种数据业务通信要求不同, 利用变电站数据业务分类的特性, 组建不同特点的通信网络, 在多种信息混合的情况下保证实时信息传递的实时性和可靠性是网络设计的基础。信息多样化和传递实时性是通信系统中的一对矛盾体, 解决这个矛盾是选择网络通信方案的基本原则。
3.2 网络互通和隔离
通信网络应提供IED互联的便利性、灵活性, 为变电站自动化技术的发展预留空间;同时网络应满足各个系统间隔离的要求, 以保证各个专业系统 (保护、自动化) 互不影响。互通和隔离是一对矛盾, 构建变电站通信网络应该妥善解决这个矛盾。
3.3 通信系统的建设成本
变电站通信系统的性能与成本是网络设计中的另一对矛盾, 较高的性能要求, 往往导致较高的建设成本。降低成本的途径一是采用合理的网络结构设计, 避免复杂的网络结构, 减少通信设备数量;二是采用标准、成熟、流行的技术;三是合理配置网络资源, 裕度考虑合理。
4 智能变电站无源光网络设计
4.1“两层一网”整体构架
根据网络设计原则, 综合考虑智能变电站网络性能要求和建设成本, 利用数据通信业务分类的特性, 组建“两层一网”通信网络。“两层一网”中两层指站控层、设备层 (过程层、间隔层合一) , “一网”指全站MMSGOOSESV合一网络。
在“两层一网”两层网络方案中, 采用无源光网络技术, 组建统一通信网络 (详见图1所示) , 采用面向连接、接近电路交换特点的交换技术 (MPLS-TP) 替代以太网技术, 构建逻辑网络, 将过程层、间隔层合一。通过网络互连使得变电站成为一个整体, 变电站中任何意两个IED设备通过统一网络可以直接实现通信, 通过网络互连使得变电站成为一个整体, 便于发挥各种自动化保护、测控系统的整体效益;同时, 可以充分利用网络提供的广播、组播技术实现保护、测控数据的一对多的跨间隔传递, 大幅度提高通信的效率。
4.2 关键技术研究
本文变电站通信网络设计采用“两层一网”结构, 通过引入无源光网络技术PON, 将整个通信资源划分为许多小时间片实现数据的传输和交换, 其关键技术主要包括无源光网络技术、分组交换技术、并行网络技术、逻辑子网技术等。
4.2.1 无源光网络技术
智能变电站网络引入了无源光网络技术PON, PON技术将整个通信资源划分为许多小时间片实现数据的传输和交换, 多倍地增加通信资源数量;每一路数据占有一个专属自己的时间片, 各路数据之间不产生资源竞争。通过无源光网络的应用提高设备集成度和网络覆盖能力, 引入高精度时间同步技术提供具有亚微秒精度的同步控制环境;采用多重路径快速保护机制, 提高数据传递可靠性, 增强网络的鲁棒性和生存能力;采用专用业务网络技术, 提供传递高速同步控制为基本业务兼容信息网、多媒体数据业务的综合通信平台。
4.2.2 分组交换技术
为克服以太网交换技术的不足, “两层一网”网络设计中采用面向连接、接近电路交换特点的分组交换技术 (MPLS-TP) 替代以太网技术作为实时交换机的基本技术体制。分组交换技术采用固定的分组连接, 每一个连接固定分配一定的资源, 基本保证连接的资源不受干扰;通信网络可以为每两个IED设备之间提供固定的连接和固定的带宽。这种技术在数据传递前通过带宽资源分配机制确定资源, 在数据传递过程中固定不变, 强调面向连接、严格控制、资源独占和通信保障, 因此该技术可以保证通信的可靠性, 提供固定的通信时延。
4.2.3 并行网络技术
在统一物理网络的基础上, 采用并行网络技术, 实现IED设备由单点接入到双网络接入的转变, 提高系统的可靠性和稳定性, 详见图2。具体组网中, 主备两台完全相同的交换机和接入网络组成并行网络, IED设备配置P模块接口, 采用标准的PRP方式 (即双路并发、主动放弃方式, IEC62439) , 实现主备网络无缝、无损的保护切换。全站设备以并行网络保护方式接入, 实现覆盖全系统的N-1保护和全路径端到端的1+1保护。
4.2.4 逻辑子网技术
根据数据业务类型对通信网络资源进行实质性划分, 依据高级、紧急、快速业务资源专用, 低级、慢速业务资源复用, 各类业务之间资源占用互不影响的原则, 利用可预配置时分复用交换技术, 将一个物理网络划分成若干独立的逻辑子网分别传递不同类型的业务, 具体见图3。通过资源划分, 将智能变电站典型业务分成GOOSE逻辑子网、SV逻辑子网、MMS逻辑子网三个逻辑平面, 各业务之间逻辑隔离, 互不影响, 提高数据传输可靠性。
5 结语
通过将智能变电站网络创新设计为“两层一网”架构, 组建全站统一的无源光网络, 采用面向连接的分组交换技术, 变电站中任意两个IED设备都可以直接实现通信, 提高网络性能;简化变电站网络结构、变电站交换机数量大幅减少, 网络设备投资减少60%以上, 效益显著。
摘要：本文在智能变电站数据业务分析的基础上, 通过EPON组建全站无源光网络, 简化变电站网络结构为“两层一网”, 提升网络的综合业务接入与处理能力, 降低网络建设成本。