xPON系统的关键技术研究

陈雪 张旭 刘冬 于晓映 刘培植 孙曙和
　　摘要：从性价比、技术成熟度、可维护性、可升级性等角度分析比较了各种宽带接入技术，着重论述了无源光接入系统的传输汇聚层关键技术——快速突发同步技术、测距技术和动态带宽分配算法。

　　关键词：PON 突发同步 测距 DBA

　　一、引言

　　根据信息产业部公布的“2000年通信业发展统计公报”，我国2000年末互联网用户达1601.7万户，固定电话用户达到14512.2万户，移动电话用户达到8526万户。按CNNIC和某知名网站的统计，我国公共 Internet用户每周平均上网16.5小时，拨号上网实际速率平均为6kbit／s；另据ITU统计，2000年骨干网上忙时每电话用户业务占用骨干网带宽约为0.496kbit／s。根据这些数据，按Internet业务80％进骨干网，电话业务20％进骨干网，电话业务（含移动业务）用户年增18％，Internet业务增长率基本逐年加倍，可推算出2005年我国骨干网上Internet业务占用骨干网带宽会超过电话业务（但应注意我国地区发展不平衡，上述结论是根据发达大城市的统计数据作出的）。

　　根据上面的数据可推算出：2005年我国骨干网总业务量为:676.14Gbit/s。由于DWDM技术的成熟和DWDM系统在骨干网、城域网上的推广应用，根据上面对业务发展需求的分析，我们可以得出这样的结论：骨干网能满足未来几年的业务发展需要。但接入网却大部分仍停留在窄带水平，而且仍主要是以支持电路交换为基本特征，不能满足用户高速上网乃至视频业务的日益迫切的需求，接入网已经成为全网带宽的最后瓶颈，接入网的宽带化和IP化已经迫在眉睫。

　　二、各种宽带接入技术的比较

　　在前所未有的发展机会下，各种宽带接入技术不断涌现。主要有基于双绞线传输的接入技术（xDSL）、基于同轴电缆和光纤混合传输的接入技术（HFC）、基于以太网技术的宽带接入（传输媒质为光纤十5类线）、基于无线传输的接入技术（MMDS、LMDS等）和基于光纤传输的接入技术（主要有xPON技术、基于SDH的有源光接入）等。这些宽带接入技术的着重点不同，适用场合和生命期也不同。接入网技术不同于骨干网技术，它要直接面向需求差异很大的各种用户群（尤其对我国这样经济发展水平很不平衡的情况），这决定了接入网的技术是多元化的，不可能一种技术包揽天下。决定接入网技术的发展策略时需要全方位、综合地评价各种技术的长处和不足，根据不同的用户群采用不同的技术。这里从业务支持能力、成本、技术特点及成熟程度、适用用户群、可维护性、可升级性等角度分析比较各种宽带接入技术。

　　1．xDSL技术

　　首先我们概括一下xDSL技术的特点。xDSL技术是一系列基于双续铜线的用户线高速传输技术，包括HDSL／SDSL、ADSL、VDSL等。HSDL／SDSL提供上下行对称的1.5MbPs或2MbPs速率接入，较适用于小企业用户。VDSL技术最高可提供下行52MbPs上行2.3MbPs的传输速率，但传输距离短（300米），现已有产品出现。目前 ADSL技术以其技术成熟程度较高、业务支持能力与居民用户和SOHO的需求大体相当而为业界人士所重视。利用ADSL技术开展宽带接入业务的优势在于：（1）．可以充分利用电信网现有的铜缆资源，不需改变现有电信运营商所拥有的电信网络结构就可开通业务；（2）．每个用户都可以独享高速通道；（3）ADSL接入保密性好，安全可靠；（4）可管理；（5）综合成本对小企业用户颇具竞争力。但还应看到ADSL技术的应用还存在着一些问题：（1）．受线路质量、传输距离等因素限制；（2）．可升级性差；（3）．对目前广大的普通居民用户来说成本还偏高。针对ADSL技术特点和我国居民用户的特点（相当大比例的居民用户居住在只有普通双绞线和用于单向传输有线电视的同轴电缆入户的楼宇、而且用户密集），这里建议 ADSL的局端设备（DSLAM）要尽量靠近用户——DSLAM到楼宇。这样能在一定程度上克服上述ADSL的主要问题。因为DSLAM距用户群近可适于普及ADSL应用，能上一定规模应用赢得利润；DSLAM靠近用户也就是光纤靠近用户，这样也为未来升级奠定了一定基础。

　　2．HFC技术

　　这里简要归纳一下有线电视运营商所青睐的宽带接入技术一 HFC的特征。其优势是： （1）能利用现有的覆盖率相当高的有线电视网资源；（2）开通率高；（3）一般支持几百kbPs到几MbPs（与共享用户数有关）的数据接入。不足之处是：（1）有线电视网需进行双向改造；（2）只适用于居民用户而不适用于企业用户；（3）可升级性较差；（4）与城域网的主干段互通，一般还需再配置设备。

　　3．以太网接入技术

　　以太网技术在企业局域网中获得巨大成功，现在它正向城域网和居民宽带接入渗透。在居民宽带接入方面，一般采用千兆以太网交换技术、利用光纤和5类线实现“千兆到小区、百兆到大楼、十兆到家庭”的方案。但实际上普通用户是难以达到10Mbps上网速率的，因为在骨干网或ISP的出口上仍有瓶颈。这种接入方式适用于新建的布放了5类UTP的商业大楼和新建的高档住宅楼。它的优势在于技术成熟度高、性能价格比好、容易安装开通、具有可扩展性以及高可靠性等，但也有管理不方便、安全性不高、没有QoS保证等不足。

　　4．无线接入技术

　　主要的宽带固定无线接入技术有3类，即多路多点分配业务（MMDS）、直播卫星系统（DBS）以及本地多点分配业务（LMDS）。其中LMDS技术被普遍认为是宽带固定无线技术中的便使者。LMDS技术的优点是：（1）．初始投资小，不像有线接入那样需要大量初期投资用于基础设施建设；（2）．业务开通迅速；（3）．系统具有良好的可扩展性。但LMDS也有其局限性：（1）．视距传输、服务区小；（2）．可靠性差，通信质量受雨、雪等天气影响较大；（3）．技术成熟程度还不如SDH、以太网等技术高，（4）．成本较高。这些使它特别适于在高密度用户地区里的企事业用户使用，而且由于一般企事业用户对可靠性要求较高，LMDS可能是这类用户的较好的备用系统。LMDS将会是最近几年中新兴运营商抢占无线宽带接入市场的一块绝好的辅路石，会受到越来越多的新兴接入服务商们的青睐。

　　5．光纤接入技术

　　光纤到户是宽带接入的最终目标，光纤越靠近用户就越接近最终目标。有远见的运营商在制定发展策略时必须意识到这一点。目前，光纤接入主要应用于城域网的主干层和接入层（作业务传输复用和接入）或直接到大、中企事业用户。光纤接入包括有源光接入和无源光接入两类。有源光接入主要是基于 SDH技术。SDH技术已经或正在从成熟的传输技术向接入技术过渡，提供DDN、FR、以太网等接口，但由于基于时分复用机制，接入用户数有限使得总体的性价比大大降低，一般较适用于大企业集团用户。无源光接入主要有采用ATM传输技术的无源光网络（ATM－PON）。但由于采用ATM技术成本较高，现在人们也研究非基于ATM传输的宽带PON，尤其值得人们关注的是结合以太网和PON两者优点的以太网PON，简称EPON。这里统称各类PON为xPON。xPON技术特点使它适用于城域网的接入段。xPON技术的特点如下：（1）．xPON采用无源光分支器的光分配网（ODN），各 ONU共享ODN和局端设备——OLT，而且 ONU与 OLT之间没有有源器件，维护运行方便，所以不仅潜在成本低，而且可靠性高；（2）．xPON的技术优势还在于纯介质网络对复用技术和波长的透明性能有利于今后的业务或技术的发展；（3）．若干ONU之间共享PON带宽可根据各ONU的需求动态灵活分配各ONU的带宽，从而使网络更经济合理；（4）．容量大、覆盖范围大、寿命长。这里对xPON和xDSL作一对比。

　　但xPON技术成熟度还远不如 SDH技术，在没有形成规模的应用之前，成本较xDSL要高，目前较适用于大中企事业用户和SOHO，而普通居民用户则适合采用xPON＋xDSL的方式，通过 xPON实现光纤到小区、大楼等，再利用已敷设好的普通电话线通过xDSL技术把业务开通到用户。为更清晰明了地对各种宽带技术作对比。

　　从这种定性比较可以看出，LAN接入技术和xPON＋xDSI，技术是比较有优势的，xPON＋xDSL适合于没有市5类线的企业和居民用户，而基于以太网的接入则适合于已布5类线的居民用户。

　　我们受到国家自然科学基金、863计划和信息产业部的资助，进行了xPON关键技术研究和系统研发。无论是ATM－PON系统还是非基于ATM的PON系统都必须解决PON传输汇聚层的相关关键技术，主要是与上行TDMA传输方式有关的快速突发同步、测距、突发光接收和光发射技术以及带宽动态分配算法的研究。下面着重介绍我们在xPON传输汇聚居技术上的主要研究成果。

　　三、 XPON的关键技术

　　1．快速突发同步技术

　　xPON上行为多点对一点的TDMA通信方式。PON系统的测距机制保证不同ONU发送的信元在OLT端互不碰撞，但测距精度有限，一般为±1bit， OLT端接收到的数据流为近似连续的数据流，不同ONU发送的时隙之间有几bits的防护时间，不同ONU发送的时隙之间有相位突变。因此，必须在信元到达的前几个bits内实现快速突发比特同步。

　　突发同步方式主要有关键字检测法和门控振荡器法以及模拟方式实现突发同步的方法。我们从技术可实现程度、成本以及性能等多方面进行了分析比较，确定采用关键字检测法。其基本原理是：用多相时钟对突发时隙的前导码分别抽样判决，其后对各路数据与关键字相关比较，选择使相关性最好的时钟定为同步的 bit时钟。通过分析比较综合考虑同步性能和成本，我们采用8比特的关键字，6相时钟抽样判决，并且提出了基于数据延时而不是传统的时钟延时方案，用同一主时钟对多相数据分别抽样，这样就不必进行相位校准，简化了电路设计。已用FPGA十少量分立外围ECL等器件实现了15552Mbps突发比特同步，并已应用到北邮电信科技股份公司研发的APONet系统中。

　　2．测距技术

　　由于各 ONU距 OLT的光纤路径的不同和各ONU元器件的不一致性造成OLT与各ONU间的环路时延不同，而且由于环境温度的变化和器件老化等原因，环路延时也会发生不断的变化。因此必须引入测距技术对上述原因引发的时延差异进行补偿，以确保不同ONU所发出的信号能够在OLT处准确地按时隙复用在一起。测距包括静态测距和动态测距，前者主要用在新的ONU安装调试阶段、停机的ONU重新投入运行时，以补偿各。ONU与OLT之间的光纤长度和器件特性不同引起的延时差异；后者应用于系统运行过程中，补偿由于温度、光电器件老化等因素对时延特性的影响，及时调整各个ONU上行时隙的到达相位。测距技术要满足如下几点要求：（1）．可靠性高；（2）．测距精度高，一般要求在全 1～2bit内（ITU－T G.983规定 ATM－PON系统的上行速率为155.52Mbps，这样1bit为6.43ns）；（3）．测距过程对运行中的其它ONU的影响最小，保证运行业务的QOS；（4）．成本低，测距所采用的技术应尽量简单，实现容易；（5）．测距时间短；（6）．测距范围大，即能提供的均衡延时大。

　　通过对比低幅伪随机码测距（扩频法）、带外低频正弦波测距和带内“开窗”测距等测距技术，我们确定采用能较好满足上述各项测距要求的带内“开窗”测距技术。采用高速FPGA设计实现了测距电路，测距精度为±1bit，测距范围大于20km，也就是允许ONU距离差大于20km，并且提出了采用PON物理层开销对突发接收相位进行实时检测和自动修正的动态测距技术。

　　2．带宽动态分配不法

　　所谓动态带宽分配算法就是实时地（ms星级）改变xPON的各ONU上行带宽的机制。目前一般PON系统各ONU的带宽是象SDH系统一样带宽静态指配的。对数据通信这样的变速率业务很不适应，如按峰值速率静态分配带宽则整个系统带宽很快就被耗尽，带宽利用率很低；而DBA使系统带宽利用率大幅度提高。根据统计大多数用户只有10％的时间是在线的，通过DBA在线用户可得到10倍于静态分配的带宽，因此使PON的性价比更高。xPON是接入网环境下的应用系统，不同于LAN。各ONU之间没有（或很少有）通信要求。因此xPON的动态带宽分配算法（DBA－Dynamic Bandwidth Arithmetic）作为系统的数据链路层协议有其自身的特点。根据xPON的特点，我们总结出对DBA设计的具体要求是：（1）．业务透明；（2）．高带宽利用率；（3）．低时延和低时延抖动；（4）．公平分配带宽；（5）．健壮性好；（6）．实时性强。根据对DBA的要求我们设计实现的DBA采用集中控制方式（这点也是ITU－T G.983建议所规定的）：所有的ONU的上行信息发送，都要先向OLT请求带宽，OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权，ONU根据分配的时隙发送信息。其分配准许算法的基本思想是：各 ONU利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分布并请求带宽，OLT根据各 ONU的请求公平合理地分配带宽，并且考虑了处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况的处理。经建模仿真，验证了所设计的 M AC协议能够满足各项要求，CDV较小，带宽利用率高，并且具有良好的健壮性。

　　四、结束语

　　xPON技术是解决宽带多业务综合接入的较理想方式。 xPON TC层技术关键包括快速突发同步、测距和动态带宽分配算法。我们在这些关键技术上取得全面突破，所研制的APONet系统已于2000年6月通过信息产业部的科技成果鉴定。

摘自《数据通信》