摘要：本讲首先介绍光配线网（ODN）的组成，然后重点讲述ODN的4种典型结构，接下来讲述ODN模型，重点是光通道损耗计算模型和计算方法，{zh1}简要介绍ODN的反射及其要求。

关键词：光配线网 无源光网络 网络结构

1 ODN组成

　　光配线网（ODN）是OAN的关键部分，其主要作用是为OLT和ONU提供光传输媒质作为其间的物理连接。多个ODN可以通过光纤放大器结合起来延长传输距离和扩大服务用户数。

　　通常，ODN是由无源光元件组成的光源分配网，主要的无源光元件有：

　　　　单模光纤和光缆；
　　　　无源光衰减器；
　　　　光纤带和带状光缆；
　　　　光纤接头；
　　　　光连接器；
　　　　无源分路元件，又称光分路器（OBD）。

　　ODN的配置通常为点到多点方式，即多个ONU通过ODN与一个OLT相连。这样，多个ONU可以共享同一光传输媒质和光电器件，从而节约了成本。点到点配置，即一个ONU与一个OLT相连的形式可以看作是上述点到多点方式的特例或子集，此时无需光分路器。纯粹点到多点连接方式的ODN又称为无源光网络（PON），PON也可以看作是ODN的子集。

2 ODN结构

　　ODN是一种点到多点结构，因而按照其连接方式不同可以细分为4种结构，即星形、树形、总线和环形。

（1）单星形结构

　　当ONU与OLT之间按点到点配置，即每一ONU直接经一专用光链路与OLT相连，中间没有光分路器（OBD）时就构成了所谓的单星形结构。光链路可以是一根光纤，也可以是一对光纤。由于这种配置不存在光分路器引入的损耗，因此传输距离远大于点到多点配置。图1是单星形结构的一个示例。

（2）树形结构

　　树形结构是点到多点配置的基本结构，图2给出了一个典型示例。这种结构利用了一系列级联的光分路器对下行信号进行分路，传给多个用户，同时也靠这些充分路器将上行信号结合在一起送给OLT。光分路器通常为1:n型，为了测试、监视和保护的目的，可能需要h:n型，这里1<h≤n0通常，树形结构中的光分路器使用平衡式器件，即任意输入口至任意输出口的光损耗标称值相同。这一要求主要是为了有一个简单的，通用的准则可用来进行光功率预算计算和全网设计。

（3）总线结构

　　总线结构也是点到多点配置的基本结构，图3给出了一个典型示例。这种结构利用了一系列串联的非平衡光分路器件以便从总线上检出OLT发送的信号，同时又能将每一ONU发送的信号插入光总线送回给OLT。采用这种非平衡光分路器后全在光总线中引入损耗从而消耗掉一些光功率。至于具体分路比则取决于应用，诸如{zd0}ONU数和ONU所需的最小光功率等。

（4）环形结构

　　环形结构也属于点到多点配置，无源环形结构可以看作是无源总线结构的一种特例，即逻辑上等效于一折迭的总线结构。这种闭合的总线结构改进了网络的可靠性，图4给出了这种结构的一个示例。

　　综上所述，ODN的结构可以有4种，其中树形和总线形结构是两种基本结构。ODN结构的选择需要考虑多种因素，主要有用户所在地的分布，OLT和ONU之间的距离，不同业务的光通道，可用的技术，光功率预算值，波长的分配，升级的需要，可靠性和可用性，操作管理和维护，ONU供电，安全，光缆容量等等。没有一种单一的结构可以适用于所有情况，必须具体问题具体分析。

3 保护配置

　　适用于任意结构的保护配置主要有两类，即

　　　　设备和/或设施备用；
　　　　通道路由分集。

　　对于ODN本身，保护通常指在网络的某部分建立备用光通道，备用光通道往往靠近OLT以便保护尽可能多的用户。具体实施方法有：

　　　　不同光纤携带不同光通道，但主用和备用光纤在同一光缆内，即同缆分纤方式。这种方式最简单经济，但不能保护光缆切断故障。

　　　　不同光纤携带不同光通道，主用和备用光纤在不同缆内，但置于同一管道或路由上。这种方式可以防止一般性光缆切断故障，但不能防止大型故障（大型机械的施工事故等）。

　　　　不同光纤携带不同光通道，主用和备用光纤不仅不同缆，而且管道或路由也不同。这种方式提供了{zd0}程度的保护，但经济代价也{zg}。

　　以树形结构为例，图2显示的保护方法就是在{dy}个分路点之前部分进行保护，即图中虚线所示的备用光纤和OLT各用部分构成了保护设计。这样，当OLT失效或{dy}个分路点之前的光纤失效时，OLT的备用部分xx，连同备用光纤一起可以保证业务不丢失。当ODN的第二个光纤段中单根光纤出故障时，则相当1/n1的总光纤数被切断。若{dy}个光纤段也无保护措施，则OLT失效或光纤故障可能导致全部ONU丢失业务，相当全部光纤被切断，因而这一部分的保护十分要紧，越往用户侧延伸，保护的重要性和必要性越小。

4 ODN模型

4.1 通用物理配置模型

　　ODN的通用物理配置模型如图5所示,其中Or表示ONU和ODN间的光接口,Oe表示OLT和ODN间的光接口,Om表示ODN与测试和监视设备间的光接口。ODN应能提供纵向兼容性，即ODN的标准化可以独立于两端的设备而进行。

　　ODN的设计特性应能保证可以提供任何目前可以预见得到的业务而无须较大的改动，这一要求对各种无源器件的特性有较大影响。可能直接影响ODN的光特性的要求有：

　　　　光波长透明性：诸如光分路器之类的无源器件应能支持1310nm和1550nm波长区内任意波长的信号传输。这不仅能降低对现有单波长系统的光源要求，而且也为将来的WDM系统应用提供了基础。

　　　　可逆性：ODN的输入、输出口对换后不应导致器件光损耗的重要变化。这样可以简化网络的设计。

　　　　光纤兼容性：所有光元件都应能与G.652光纤兼容，这一要求也是很自然的。到目前为止，ITU-T并不打算在光接入网中采用其他光纤，因而G.652光纤将是主导的，甚至{wy}的光纤类型。

4.2 光通道损耗计算

　　ODN的光功率预算所容许的损耗定义为S/R和R/S参考点之间的光损耗，以dB表示。这一损耗包括了光纤和无源光元件（例如光分路器、活动连接器和光接头等）所引入的损耗。ODN的容许损耗值对下行和上行方向是相同的。
决定整个系统光通道损耗性能的参数主要有下面三项：

　　　　ODN光通道间的{zd0}损耗差。

　　　　{zd0}容许通道损耗，即最小发送功率和{zg}接收灵敏度的差。

　　　　最小容许通道损耗，即{zd0}发送功率和{zd1}接收灵敏度（过载点）的差。

　　上述定义中的收发机参数均为寿命结束条件下的参数，即包括了温度和老化造成的影响。而且{zh1}的{zd0}和最小损耗值应该在需要的环境和波长范围内规定，而不仅仅是在给定波长，给定时间和给定温度下的测量结果。

　　图6给出了OLT和某一特定ONU之间下行光通道的图解表示。

　　由图可见，ODN由p个分路级别组成（典型情况为1或2级）。在ODN内，几个光通道可以是一样的，每一光通道将某一特定ONU与OLT相连，OLT与ONU之间的光通道由p个级联的光通道元件构成，第j个光通道元件由第（j-1）个光分路器的输出口开始，在第j个光分路器的输出口结束。但对j=1和j=p这两种情况例外，其中j=1时，光通道元件由S/R参考点开始，在第1个光分路器的输出口结束，对于p=j=1时，则于R/S参考点结束。当j=p时，光通道元件由第（p-1）个光分路器的输出口开始（对于p=j=1时，由S/R参考点开始），在R/S参考点结束，这样规定的目的是考虑{zh1}一个分路器输出口可能呈现的光活动连接器和光纤接头的影响。

　　通常，第j个光通道无件由长度为Lj的光纤和下述无源光元件组成：

　　第j个光分路器，分路比hj:nj(hj1，nj1)；
　　第kj个活动连接器，kj0
　　第mj个光纤接头，且

mj=djLj+rj+maj

　　式中dj是初始安装阶段所规划的单位光纤长度的平均接头数；rj是运行期预计全发生的单位光纤长度的平均维修接头数；maj是djLj数中没有考虑的附加的规划接头数，例如由于安装光分路器所发生的接头以及ODN终结点所发生的额外接头（诸如局内光配线架和ONU侧的光终结点）。
于是，总的光通道由下述各项组成：

①P段光纤的和L　　

②p个光分路器，分路比hj:nj（hj1，nj1，j=1，......p）；

③p个光活动连接器之和K　　

④p个光接头之和m　　

光通道的总的分路比n可以表示为　　

　　对于点到点配置的ODN，光通道中没有光分路器，因而只需考虑一个光通道元件即可，上述分析仍然有效，只须将涉及光分路器的地方去掉即可。

4.3光通道损耗计算方法

　　光通道的损耗计算方法有三种，即最坏值法、统计法和联合设计法。鉴于接入网环境传输距离很短，通常无须使用联合设计法。

（1）最坏值法

　　最坏值法是将所有光通道中的光元件损耗值迭加起来即为ODN光通道的光损耗，这些损耗值都应该是系统寿命终了前且处于允许的工作范围内任意点的数值。这样设计的系统显然是十分安全的，任意点的数值。这样设计的系统显然是十分安全的，然而实际光元器件参数值的离散性很大，所有光参数同时取最坏值的可能性极小，因而按最坏值法设计的系统往往过于保守，导致资源浪费和成本较高。 （2）统计法

　　由于实际光元器件参数值的分布范围较宽，因而若能充分利用其统计分布特性，按统计特性将各个光元件的损耗相加，则有可能大大延长的传输距离。
高斯法是最简单的统计法，其基本原理就是利用多个高斯随机变量的均值和方差进行运算从而算出光通道损耗的上界lu和下界ll，即最坏值和{zh0}值。采用3倍标准差后，所算上下界的统计置信度可达99.7%，可靠性很好。

lu=(mSμ+KCμ+LFμ+bBμ+Mμ)+3

ll=(mSμ+KCμ+LFμ+bBμ+Mμ)－3

　　式中m表示光接头数，K表示光活动连接器数目，L表示光纤长度，b表示光发路器数目，Sμ表示平均光接头损耗（dB），Cμ表示平均活动连接器损耗（dB），Fμ表示平均光纤损耗（dB/km），Bμ表示平均光分路器损耗（dB），Mμ表示其他光器件（例如WDM等）的平均损耗，Sσ表示光接头损耗的标准偏差，Cσ表示活动连接器损耗的标准偏差，Fσ表示光纤损耗的标准偏差值（dB/），Bσ表示光分路器损耗的标准偏差，Mσ表示其他光器件损耗的标准偏差。

　　当光元件损耗的分布接近高斯形时，高斯法的精度很好，否则会导致较大的误差，此时采用蒙特卡洛模拟（MCS）法将给出更准确的结果。蒙特卡洛模拟法又称随机模拟法，是一种通用的数值计算方法，其基本思路是从不同元件的分布中随机抽样，由这些随机抽样的值产生一模拟的系统值，重复上述过程（成百上千次）就会产生一系统损耗值的分布，可以作为实际系统性能的指示，重复次数越多，模拟结果与实际情况越相近。蒙特卡洛模拟法的计算精度与1/（N为抽样点数）成正比，带有随机性质要求精度高一位，样点数需要增加100倍，即需要较大的计算量才能达到较高的计算精度，这是其不足之处。

　　针对蒙特卡洛模拟法的缺点，笔者及其同事提出了另一种统计设计方法，称为映射法。这种方法利用了n维空间和一维空间的映射关系，将所有n维空间中能够映射到一维空间中同一区间的那些子空间的概率相累加，最终可以得到一维随机量在这一区间的概率。这里n维空间即不同光元件的损耗分布，而一维空间就是系统的总损耗。映射法具有确定的计算精度，只要样点数足够多，可以以任意确定的精度趋近真值。在同样计算精度下，其计算是可以比蒙特卡洛模拟法少一个量级左右。

5 光通道损耗类别

　　为了限制系统类别的数量，目前ITU-T只规定了三种类别的光通道损耗，如表1所示。

表1 光通道损耗类别

　　类别B和C分别代表了OAN系统类型2（例如TCM）和系统类型1（例如SDM和WDM）的要求，这些规范值已经考虑了S/R参考点和R/S参考点之间的不同分路比、距离和有关通道损耗值。对于单星形结构，由于不存在光分路器，因而光通道损耗可能小于5dB。

6 ODN的反射

　　ODN的反射会造成发送光功率的波动和激光光源波长的偏移，光通道多个反射点产生的反射波干涉会在接收机处转化为强度噪声，因此ODN的反射应控制在一定指标内。

　　ODN的反射取决于光通道中各个光元件的回损特性，因而保证光元件，具有优良的回损特性是确保整个光通道的反射性能的基本前提。目前在各类光元件中，光活动连接器的回损特性较差，不定因素较多，诸如机械对准失效，灰尘、损坏等都会上起性能下降。老式平面研磨活动连接器的光纤芯区间有较大空气间隙，产生菲涅尔反射，回损特性不佳，典型回损仅为（20～30）dB。采用物理接触性（PC）连接器后，光纤端面为球形，可形成物理接触，xx了空气间隙，且球形端面使残余反射散开不易回到光纤芯区，大大改进了器件的回损特性。目前，无论采用哪一种设计的PC型连接器的回损一般均可优于40dB。若能进一步xx光纤球形端面的薄膜层，则回损可提高到50dB以上，有人称其为超级PC（SPC或UPC）。再进一步的改进是将光纤端面研磨成8°左右的倾斜角,使菲涅尔反射基本不返回至纤芯,可使回损提高到70dB,当然价格要高不少.
除了光活动连接器外,光纤接头也会产生反射。熔接式光纤接头的回损通常可优于70dB，但如果有了气泡则可能降至14dB。机械式光纤接头的回损为（40～50）dB，此熔接式接头差不少。{zh1}，光纤本身也会因为折射率不均匀所产生的后向散射而影响光通道反射特性，1km光纤所产生的后向反射可能达-40dB，过度的宏弯和微弯也会产生很大的反射，需要注意。实际系统反射的影响是各种因素的结合。目前ITU-T规定，为了考虑目前和将来应用的不同需要，参考点R和S之间（包含分路器未使用的分支）的所有离散反射应优于-35dB，熔接光纤接头的{zd0}离散反应应优于-35dB，而且要求上述反射水平无论在正常工作情况还是维护工作情况下均不得超过。在维护工作方式下允许采取附加的反射控制功能来确保反射要求不至超标。