无源光网络的原理和构成

作者：廖日坤 北京大学科学研究部 纪越锋 北京邮电大学  

　　接入网是用户进入城域网/骨干网的桥梁，是信息传送通道的"最后一公里"。过去几年，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换、还是传输都己更新换代，而接入网由于经济性问题如用户的业务需求、用户密度、用户的经济承受能力等多方面原因发展缓慢，成为制约网络向宽带化、全业务化发展的瓶颈。随着我国经济的迅速发展，高带宽的消耗业务逐步涌现，带宽提速成为迫切需求。为了满足用户的需求，各种新技术不断涌现，接入网技术己成为设备制造商、运营商和电信研究部门关注的焦点和投资的热点。

　　我国目前主流的有线接入技术包括ADSL、LAN、HFC、PLC和FTTH，其中部分LAN采用了PON+LAN的方式，而无线接入技术中又有WLAN、WiMAX、WiFi、Bluetooth、3G等技术。目前宽带接入网有两个主要的研究目标，第一是向高速、安全、智能化方向发展，要求网络更灵活、面向用户更多和成本更低，这方面FTTH是有线接入领域的杰出代表。另一个则是多业务的融合，即在同一个平台上灵活提供IPTV、有线电视视频、传统语音、数据业务的接入。

　　在各种宽带接入技术中，无源光网络以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为热门技术。目前已经逐步商用化的无源光网络主要有TDM-PON(APON、EPON、GPON)和WDM-PON，它们的共同特点是：

　　·可升级性好、低成本，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，降低了相应的运维成本;

　　·业务透明性较好，高带宽，可适用于任何制式和速率的信号，能比较经济地支持模拟广播电视业务，支持三重播放(Triple play，语音、视频、数据)业务;

　　·高可靠性，提供不同业务优先级的QoS保证，适应宽带接入市场IP化的发展潮流，适于大规模应用。

　　PON核心构成

　　如图1，PON(无源光网络)中最主要的三部分包括位于局端的OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)、终端ONU(Optical Network Unit，光网络单元)、以及ODN(Optical Distribution Network，光配线网)。PON"无源"是指ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不含有任何电子器件及电源。

　　图1 基于PON的宽带接入方式

　　基于PON的接入方案

　　TDM-PON

　　如图2基于时分复用技术的TDM-PON，其原理是将上行传输时间分为若干时隙?ti (i=1,2,3,……32,……)，在每个时隙内只安排一个ONU以分组的方式向OLT发送分组信息，各ONU按OLT规定的顺序依次发送。TDM要求OLT测定它与各ONU的距离后对各ONU进行严格的发送定时，各ONU从OLT发送的下行信号获取定时信息，并在OLT规定的时隙内发送上行分组信号。

　　TDM允许使用单一的波长，OLT以TDM下行广播时使用1490nm波长(1550nm下行传输视频)，ONU以TDMA上行多址接入使用1310nm波长，所以OLT只需要一个收发器，只有一种类型ONU，由此带来很高的经济性，被认为是光接入网共享信道的首选方案。

　　图2 TDM-PON模型

　　无源光网络始于20世纪80年代初，发展至今，有已经标准化的APON、EPON和GPON三种TDM/TDMA-PON类型。在窄带PON系统概念提出的同时，提出了基于ATM技术的宽带PON，即APON，以使接入网走向宽带化。

　　随着IP技术的不断完善，大多数运营商将IP技术作为主要承载技术，使得ATM完全退出了局域网。在这种背景下，出现了由ITU/FSAN负责制定替换APON的Gigabit PON(GPON)标准，以及由IEEE802.3ah负责制定的Ethernet PON(EPON)标准。

　　其中，EPON是基于千兆以太网的无源光网络，继承了以太网的低成本和易用性以及光网络的高带宽，是FTTH中"性价比"最高的一种，EPON的产业联盟从EPON的核心芯片、光模块到系统，产业链已经日趋成熟。而GPON在技术上略具优势，它能支持多种速率等级，可支持上下行不对称速率，与EPON只能支持对称1Gbit/s单一速率相比，GPON光器件选择余地更大，而在总效率和等效系统成本方面也有相当的优势。

　　三种TDM-PON的参数比较如表1所示，它们虽然有许多不同点，但归根到底都是基于时分复用机制的，上行方向以时隙为单位、共享带宽。

　　表1 EPON GPON APON参数对比

　　WDM-PON

　　如图3基于波分复用技术的WDM-PON把各ONU的上行信号分别调制为不同波长(?i ,i=1,2,3,……16,……)的光信号，传输至ODN后耦合到同一馈线光纤传输到OLT，在OLT中利用分波器取出属于各ONU的不同波长的光信号，再分别通过光电探测器解调为电信号。WDM利用光纤的低损耗波长窗口(1310nm/1370nm/……/1550nm)，能以不同的方式传输不同的业务。

　　图3 WDM-PON模型

　　WDM-PON上行方向采用粗波分CWDM或密集波分DWDM技术，每个用户独享一个波长的带宽，用户最大可用的带宽可以达到100G。波分多址WDMA光纤线路有足够的功率余度，便可方便地扩容与升级，但系统各通道共享光纤线路而不共享OLT光设备，故系统成本较高。

　　综合比较，由表2可以看出TDM-PON虽然有较低的网络快速部署费用，但是可靠性、带宽及升级扩容方面的表现都不如WDM-PON。因此随着无源光器件和其它技术的发展，WDM-PON将成为现行主流TDM-PON的有力竞争者。

　　表2 TDM-PON与WDM-PON对比

   混合PON(HPON/xPON)

　　由前所述，TDM-PON和WDM-PON各有优缺点和应用场合，单一地利用一种PON技术都存在不同程度的问题。因此最近斯坦福大学的一些研究学者提出了如图4的HPON(Hybrid TDM/WDM PON)的概念，它能够很好地兼容TDM和WDM技术，并支持TDM-PON到WDM-PON的平滑过渡。

　　WDM-PON与TDM-PON的结合，主要指在单根光纤上提供多个WDM通道，但是每对WDM通道上还是利用时分复用的接入机制，TDM-PON的问题依然存在。这种技术仅仅是一种扩容的手段，一种过渡性的技术。

　　图4 混合TDM/WDM的HPON模型

　　HPON除了TDM-PON+WDM-PON混合模型外，WDM-PON+ OCDMA-PON也是HPON一种未来理想的组合方式和发展方向。其中，OCDMA-PON上行方向采用光码分多址技术，每个用户分配一个码字，不需要复杂的控制协议和时钟同步技术。在这种组合中，WDM技术实现用户的大带宽传输，结合OCDMA灵活、安全以及大容量用户接入的特点，实现最终用户所需的随机安全接入。

　　PON发展趋势

　　当今，光通信技术正在往单波长的大容量以及密集波分复用方向发展，作为下一代接入网中首选的PON技术也有朝着这两个方向发展的趋势。从长远的角度来看，1Gbits/p的传输速率远不能满足下一代光接入网，用户终端对业务和服务的需求随着互联网的持续快速发展，如视频会议、实时游戏、IPTV等高带宽应用不断涌现，尤其是HDTV、网真等视频业务，对网络接入带宽提出了更高的要求，也推动着新的PON技术层出不穷。

　　新生的无源光网络技术代表像WDM-PON、OCDMA-PON、WDM/TDM HPON等等。从目前国际研究的现状看，这些新技术集中的表现在三方面：一个是高带宽、高利用率，包括提供超过100km长距离传输，多于1000用户的大用户量的接入，以及每户大于50Mbps的带宽。第二是新的网络结构、新的应用，例如把PON和LAN、OFDM、WiMAX等技术相结合，体现了网络与业务的融合。第三是新材料、新器件的使用，例如基于硬金属塑料光纤hard plastic clad fiber (HPCF)-PON，应用于WDM-PON中，可以实现均匀光分路比和低插入损耗。

　　图5更形象的说明目前PON的发展趋势，WDM-PON和10G EPON是代表方向之一，其标准化也在进程中。

　　图5 宽带接入网络和技术的发展趋势

　　结语

　　无论是核心网、传输网还是接入网，其发展的首要因素就是业务，是终端用户的需求。从业务发展现状来看，高带宽的消耗业务逐步涌现，带宽提速成为迫切需求，而PON以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为宽带接入的热点，它在提供业务组合的同时，实现了高可靠性和高性能，已经成为了下一代光接入网的发展方向。