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 (...


10-2

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


10-3

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。



10-4

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。

SONET/SDH

光纖

SONET/SDH

光纖

路由器

ATMIP

IP

光纖

傳統分時多工 WDM光纖網路未來目標

WDM



10-5

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：

地區

一次群二次群三次群四次群

北美

64Kbps 24路 (1*24)

1.544Mbps

96路 (24*4)

6.312Mbps

672路 (96*7)

44.376Mbps

4032(672*6)

274.176Mbps

日本

64Kbps 24路 (1*24)

1.544Mbps

96路 (24*4)

6.312Mbps

480路 (96*5)

32.064Mbps

1440(480*3)

97.728Mbps

歐洲

64Kbps 30路 (1*30)

2.048Mbps

120路 (30*4)

8.448Mbps

480路(120*4)

34.368Mbps

1920(480*4)

139.264Mbps

10.2 準同步數位階層 (PDH)


10-6

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 。



10-7

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。



10-8

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


10-9

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


10-10

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


10-11

10.3 SONET/SDH

SONET OC SDH Rate

STS-1 OC-1 - 51.84 Mbps

STS-3 OC-3 STM-1 155.52 Mbps

STS-12 OC-12 STM-4 622.08 Mbps

STS-48 OC-48 STM-16 2.5 Gbps

STS-192 OC-192 STM-64 10 Gbps

STS-768 OC-768 STM-256 40 Gbps


10-12

10.3 SONET/SDH


10-13

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。


10-14

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。



10-15

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。



10-16

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。


10-17

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。


10-18


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。


10-19


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。


10-20


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。

服務層(Service layer)

傳送層(Transport layer)

SDH/ATM層

光傳送層

網路管理

聲音

視頻電話

CATV

光接取

電節點 (SDH/ATM)

光節點 (OADM/OXC)


10-21


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。

... ...

塞入取出

光放大器光放大器光解多工器

光多工器

2 X 2 光開關

可調式波長轉換器

1 2, ,..., n 1 2, ,..., n


10-22

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。



10-23

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。



10-24


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。


10-25

光交錯連接 (OXC) 技術，主要可以分為兩種方式：(1)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。



10-26

OXC

控制信號

......... ...1

12

25

5

nn

資料相互換1 5



10-27


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。


10-28


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) 。


10-29

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


10-30

10.8.1 HFC

(Head End)頭端設備

(ONU)光節點

(ONU)光節點

(ONU)光節點

(ONU)光節點

光纖

綜合服務單元

綜合服務單元

綜合服務單元

綜合服務單元

同軸電纜

用戶端


10-31

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。


10-32

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 :

MHz100080075055065 875

上行通道數據

上行通道數據

下行通道CATV類比信號(80CH)

下行通道類比影像信號

(260CH)


10-33

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。


10-34

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。


10-35

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。


10-36

10.8.3 PON


10-37

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。


10-38

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。

OLT1 2 N...

1 x Noptical splitter

ONU 1

ONU 2

ONU N

...

1 2 N...

1 2 N...

1 2 N...

1

2

N


10-39

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 ) 。

OLT

Optical combiner

ONU 1

ONU 2

ONU N

...

1 2 N... 1

2

N

1 2 N... 1時框架 2時框架 1 1

2 2

N N


10-40

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。


10-41

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。


10-42

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。


10-43

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。


10-44

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。


10-45

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。


10-46

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。


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PON 的比較

　 APON EPON GPON

Traffic types ATM EthernetATM, Ethernet, TDM

Standard IUT-T G.983 IEEE 802.3ah IUT-T G.984

Data rates (Mbps)

Down: 1244 to 155 Down: 1244

Down: 2488, 1244

　 Up: 622, 155 Up: 1244 Up: 2488 to 155

Packet size 53 bytes 1518 bytesVariable to 1518 bytes

Span 20km 10km 20km

# of splits 32 16 64


10-48

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。


10-49

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 1 、 2 、…… n 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。


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10.8.7 WDM-PON


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10.8.7 WDM-PON

另一種方案稱為可重構 WDM-PON, 其下行傳輸與第一種方案相同。上行傳輸時 , ONU先使用控制通道向OLT 發送傳輸申請 , OLT 調度申請為 ONU 分配波長和時隙 , 並在下行框架中通知 ONU, ONU收到分配資訊後 , 調諧分配到波長上 , 在給定的時隙發送資料。

在這種方案中 , ONU需要配置一個固定發射機 (控制通道 ) 和一個可調發射機 (資料通道 ) 。其優點是上行波長動態分配 , 能夠支援更多的 ONU, 提高了波長通道的利用率。


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10.8.8 FDDI

光纖分散式數據界面 (Fiber Distributed Data Interface, FDDI) 是一種網路標準。由美國國家標準局 ANSI 的 X3T9.5 委員會制定。

FDDI 採用記號傳遞 (Token Passing) 方式，以中樞器(concentrator) 為基礎結構，在雙環的架構上提供網路傳輸。


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10.8.8 FDDI

光纖分散式數據界面 (FDDI) 的設計主要是用來作為校園主幹網路或高性能的區域網路，速率可高達 100 Mbps 。

FDDI 所能涵蓋的範圍較一般的區域網路超出甚多，它可伸展到 100 公里左右的長度，而相鄰兩個點最遠達兩公里， FDDI 並可連接最多到 1000 個點。

比起乙太網路最遠傳輸距離為 2.5 公里，而最多可連接到 1024 點， FDDI相較起來是一個超大型的區域結構。


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10.8.8 FDDI

FDDI提供雙環連接方式 ( 主環 : primary ring, 次環 : secondary ring) ，以便確保網路通信的容錯能力 (Fault-Tolerance) ，即當某一段故障時，可藉另一條光纖維持通信。

FDDI 網路上的工作站可區分為 A型及 B型兩類。 A型工作站可連接雙環，故又稱 DAS (Dual Attachment Stations) 。至於 B型工作站只連接到單一光纖環，故又稱為 SAS (Single Attachment Station) 。

FDDI 的中樞器 (Concentrator) 可供多部電腦連接，構成一個集中點再與環狀網路串連。


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10.8.8 FDDI


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10.8.9 Gigabit Ethernet

乙太網路 (Ethernet, IEEE 802.3) 的速度從以往一、二十年來的 10-Mbps加速至 100-Mbps (Fast Ethernet) ，在 1998 年提升至 Gigabit 等級 (Gigabit Ethernet) 。

2002 年隨著 IEEE 802.3ae 標準的草案制訂完成， 10 Giga Ethernet除了更快的速度之外，新標準的傳輸距離也更遠至 40 公里。

由於全世界超過 95% 的區域網路以乙太網路為基礎， 10 Giga Ethernet 的特色之一是能直接與廣域網路的SONET/SDH溝通，所以其突破性的應用即是可以將區域網路直接與廣域網路相連接。


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　 Ethernet Fast Ethernet

Gigabit Ethernet

規格名稱 10BASE T/2/5

100BASE T 1000BASE X

傳輸速度 10Mbps 100Mbps 1000Mbps

訊框格式 802.3

訊框長度 64 ~ 1518 bytes

傳輸距離

Shielded Copper

500 公尺 100公尺 25公尺

Cat 5 UTP 100公尺 100公尺 100公尺多模光纖 - 2公里 500公尺單模光纖 - 20公里 3公里


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在國際標準組織 (International Standards Organization, ISO) 所規範的網路七層基本架構裡，乙太網路基本上僅規範最底層的實體層 (Physical Layer, PHY) 和第2 層的數據連結層 (Data Link Layer) 。

IEEE 802.3ae 標準根據不同的應用領域，例如應用於廣域網路，而將這兩層結構更加複雜化，使得 10 Giga Ethernet 具有下列特點：


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1. 實體層裡平行地分出區域網路實體層 (LAN PHY) 與廣域網路實體層 (WAN PHY) 。

廣域網路實體層 (WAN PHY) 多加了一個廣域網路介面子層 (WAN Interface Sublayer, WIS) ，使得乙太網路的封框符合 SONET/SDH 的格式。

區域網路實體層 (LAN PHY)首次配備 WWDM (Wideband Wavelength Division Multiplexing) 技術，並為其規範了所謂 XAUI (10Gigabit Attachment Unit Interface) 的光電氣轉換介面。


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2. 在第 2 層的數據連結層裡， 10 Giga Ethernet仍然延續乙太網路的各項基本規格，包括MAC 協定 (Media Access Control protocol) 、乙太封框格式等。

由於 10 Giga Ethernet 全部採用光纖通訊技術，摒棄傳統的電子通訊方式，所以無須載波感測和多次存取，以及碰撞檢出等協定 (Carrier-Sensing Multiple-Access with Collision Detection, CSMA/CD) 。


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10.8.10 Fiber Channel

光纖通道是高性能的連接標準，由光纜互連計算設備的高速通道。對於需要有效地在伺服器和存儲介質之間傳輸大量資料而言，光纖通道提供遠端連接和高速帶寬。

光纖通道主要用於外設、大容量存儲系統 ( 如 RAID設備 ) 、影像和存檔系統、大型電腦、工程工作站和其他高速設備的互連。

光纖通道是由 ANSI確認的公開的標準，可以在光纖和銅纜上實施，能夠支持 SCSI 及其它多類協定。光纖通道的高速資料傳輸率使其成為存儲領域的理想技術。


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和 SCSI 技術相比而言，光纖通道技術具有三方面的優勢：性能、連接距離和擴展能力。

1. 性能的優勢 :

光纖通道以及高速為特點。在多種電纜類型，包括多模光纖、同軸電纜和遮罩雙絞線上提供了從 133-Mbps 到1-Gbps 的帶寬。

2. 連接距離的優勢 : SCSI的線纜長一般不超過 25 m ，對光纖通道技術來說，使用多模光纜可以達到 300～ 500 m 的連接距離，單模光纜則可以達到 10 km 。


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3. 擴展能力的優勢 : 光纖通道在環路中可以連接的設備數，勝於 SCSI 通道限制，提升了系統的升級擴展能力。

另外，光纖通道設備可以通過仲裁環路或者交換式結構，連接成一個網路，即所謂的 SAN 。而 SCSI 技術只能實現點對點的連接，這使其在一些環境下根本無法滿足需求。


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光纖通訊之主動元件與被動元件：光纖通訊中的主動元件係指會發光或收光者，及將

光放大的元件：如發射端的雷射、或接受器以及光放大器等；

其餘在光纖通訊系統中，不需要外加能量來源便可產生作用的元件，亦即純粹對光訊號作各種形式傳輸，而不牽涉光能和電能轉換的，即稱為被動元件。



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光纖通訊被動元組件 (passive component) 是在光纖通訊系統中，沒有外加能量來源對原先的光訊號產生改變的元件，也就是說此元組件不牽涉光能與電能轉換。

在光纖通訊系統中因不同場合而對元件有不同需求，光纖被動元組件則可因組成元件或製作方式的不同而大致分成六類：

一、接續光能 ─ 光纖連接器 /跳接線 (optical connector / patch cord) ：光纖連接器的設計，是針對容易經常將光纖與光源、光感測器或另一光纖連接、分離或再連接，其功能類似電線中的插頭。


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二、衰減光能 ─ 光纖衰減器 (optical attenuator) ：光纖衰減器的功用是減弱光纖傳遞的光量，調節光信號使其能座落在光接收器的動態範圍內。

三、分光 ─ 光纖耦合器 (optical coupler) ：光纖耦合器是用來將輸入的光量，依照所設定的比例分給不同的輸出埠，適用於像有線電視這類廣播式光纖網路，由頭端將信號送出，經過多個耦合器分光到用戶端接收。

四、隔絕反射光 ─ 光隔絕器 (optical isolator) ：光隔離器的功用是在隔絕光纖網路中的反射光，以免有多重反射 (multiple refection) 造成系統雜訊的增加。



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五、改變光路 ─ 光循環器 (optical circulator) 主要是用來將與光訊號方向相反的逆向光引導到另一條光路上，主要可應用於雙向的傳輸，或搭配光反射器可當作光的塞取多工器。光切換器 (optical switch) 則是用來將輸入光路導引至所指定的輸出光路，便於量測中光源或待測物的轉換。

六、光波長選擇 ─ 光濾波器 (optical filter) 的代表性產品為光纖光柵 (fiber grating) ，光纖光柵是一個反射某個波長的反射器 (反射波長依相位光罩而定 ) 。搭配光纖耦合器和光纖旋波器可作出光塞取多工器，也可以利用調變的相位光柵做成色散補償器 (dispersion compensator) 。



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10.9.1 連接器 (Connector)

光纖連接器是光纖端面的機械裝置，用以連接兩端的光路，大部分都做成跳接線 (Patch cord) 。其技術以實體接觸連接二條光纖的連接器，多採用圓柱形陶瓷套管做為光纖的對準，在光纖通信系統和測量儀錶中具有不可或缺的地位。

一般要求光纖連接器體積小、接入損耗小、可重復拆卸、可靠性高、壽命長、價格便宜等。下圖是光纖連接器的基本結構：


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10.9.2 衰減器 (Attenuator)

光衰減器是用於對光功率進行衰減的器件，可按用戶的要求將光信號能量進行預期性地衰減。它主要用於光纖系統的指標測量、短距離通信系統的信號衰減以及系統試驗等場合。

光衰減器要求重量輕、體積小、精度高、穩定性好、使用方便等。它可以分為固定式、分級可變式、連續可調式幾種。

光衰減器的原理概略分為兩種，其一是利用縱向或橫向位移法，刻意使光纖不對準以達成光衰減的目的，另外一種是在光路中加入一具有光吸收特性的玻璃片。


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光耦合是對同一波長的光功率進行分路或合路。透過光耦合器，可將兩路光信號合成到一路，如光耦合器示意圖 (a) 所示， P1和 P2兩路光信號經耦合器後變成了一路輸出 P3。

同時，光耦合器還可以對光進行分路，如耦合器示意圖 (b) 所示，輸入光信號 Pin經過介質膜的反射和折射，分成了兩路信號，其功率比是可以調節的。

光耦合器常見產品為 1x2 、 1x4 、 1x8 、 1x16 、 1x32 、2x2 、 4x4 等型式，輸出埠間的光能量分光比可由製程參數來控制。目前常見使用之技術有光纖熔燒式技術與積體光波導技術。

10.9.3 耦合器 (Coupler)


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10.9.3 耦合器 (Coupler)


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10.9.4 隔離器 (Isolator)

某些光器件，如 LD 及光放大器等對來自連接點、熔接點、濾波器等的反射光非常敏感，並導致性能的惡化。因此需要用光隔離器來阻止光反射。

光隔離器是一種只允許單向光透過的無源光器件，其工作原理是基於法拉第旋轉的特性。

隔離器可應用在發射模組中避免傳輸線之反射光影響光功率穩定性。以及在光放大模組中避免傳輸線之反射光影響增益穩定性並濾除光放大模組向後傳播之 ASE雜訊。


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法拉第效應 (Faraday Effect) ：原來沒有旋光性的透明介質，如水、玻璃等，放在強磁場中，可產生旋光性，這種現象稱為法拉第效應。

具體的現象是，把磁光介質放到磁場中，使光線平行於磁場方向透過介質時，入射的平面偏振光的振動方向就會發生旋轉，轉移角度的大小與磁光介質的性質、光程和磁場強度等因素有關。


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法拉第磁光隔離器可以說是單向導光器，防止系統中的反射光對器件性能的影響甚至損傷。

如果首先使入口處的起偏振器和出口處的檢偏振器的光軸方向彼此相差 45° 。達到檢偏振器的入射光，因偏振面旋轉了 45° ，所以能夠透過檢偏振器。而從檢偏振器反射回來的光，按原路到達起偏振器時，因振動面按同一方向又旋轉了 45° 。

和原入射光相比，振動面已發生了 90° 的旋轉，正好與起偏器的方向正交，所以不能透過起偏器。這就形成了光的單向傳輸系統，故稱其為隔離器。


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光源

法拉第旋轉器

起偏振器檢偏振器


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10.9.5 循環器 (Circulator)

循環器的工作原理等同於隔離器，如圖所示，光傳送順序沿順時針方向。

(a) 中由 1端輸入的信號只能沿順時針方向進入 2 和 3端，而不能沿逆時針方向進入 3 和 2端，這樣就防止了光線的反射。

(b) 的原理同 (a) ，只是端口比 (a) 多一個。

1

2

3

1

2

3

4

(a)三端循環器 (b)四端循環器


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10.9.6 濾波器 (Filter)

光濾波器是用來進行波長選擇的儀器，它可以從眾多的波長中挑選出所需的波長，而除此波長以外的光將會被拒絕透過。它可以用於波長選擇、光放大器的噪聲濾除、增益均衡、光多工 /解多工。

常見的光濾波器： (a) 基於干涉原理的濾波器： Fabry-Perot濾波器、多層介質膜濾波器、 Mach-Zehnder 干涉濾

波器等。 (b) 基於光柵原理的濾波器：陣列波導光柵濾波器 (AWG) 、光纖光柵濾波器、聲光可調濾波器等。


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空氣

高折射率介質

高折射率介質

高折射率介質

低折射率介質

低折射率介質

基底(Substrate)

入射光

反射光

折射光

多層介質膜

多層介質膜濾波器原理圖


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陣列波導光柵 (AWG)

陣列式波導光柵

輸入端波導

輸入端平面型波導

輸出端平面型波導

輸出端波導


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布拉格光柵 (FBG)

CoreCladding Bragg grating

kf ki

K

broad

B

Bbroad

B

Tra

nsm

issi

on

Tra

nsm

issi

on

B

Tra

nsm

issi

on

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 (...

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