迈向PON时代的接入网

陈强，杨扬

1引言

　　接入网（AN）是泛指用户网络接口（UNI）与业务节点接口（SNI）间实现传送承载功能的实体网络，其目标是建立一种标准化的接口方式，以一个可监控的接入网络，使用户能够获得话音、租用线业务、数据多媒体、有线电视等综合业务。接入网连接本地交换局和用户，是用户和骨干网之间的界面。
宽带应用的不断发展造成了宽带骨干网与接入网之间的瓶颈。近几年，为了适应市场发展需求，加之网络经济的泡沫和电信运营商的大量投入，网络容量一再扩容，网络带宽一再提高，宽带骨干网已经出现网络容量大大超过业务需求的现象，因此只有实现宽带接入才是出路。

2传统的接入方式

　　拨号接入技术与交换设备和用户终端设备相比，自Alexander Graham Bell起就没什么大的变化。本地交换自引入自动交换和路由技术以来变得越来越快，也越来越可靠，交换设备的发展也正好迎合了用户终端设备的发展。PC的运行速度由5年前的100 MHz飞速发展到现在的2 GHz，1 GHz的以太网卡现在也已商用。随着网络终端速率的快速增长和大量LAN的增加，拨号接入技术由于受到固有的56 kbit/s的限制，已经越来越不能满足人们接入的需要。

　　为了解决接入网的瓶颈问题，提高用户的接入带宽，引入了不对称数字用户线（ADSL）。ADSL的一个最大优点就是不需要改变接入网中现有的设备，只需在线路两侧安装ADSL调制解调器即可。ADSL利用4 kHz以上的非语音频率作为传输数据信号的专用通道。ADSL的上行速率和下行速率是不对称的，数据通道中，下行带宽占绝大部分。在普通电话双绞线上，ADSL典型的上行速率为16~640 kbit/s，下行速率为1.544~8.192 Mbit/s，传输距离为3~6 km。尽管ADSL的速率比拨号接入有了很大的提高，但它还是不能提供像视频点播等需要大带宽的服务。
超高速数字用户环路（VDSL）作为下一代铜线接入技术，其国际标准正在制定。在一对普通电话双绞线上VDSL提供的典型速率为上行1.6~2.3 Mbit/s，下行12.96~55.2 Mbit/s（目前最高达到155 Mbit/s），速率比ADSL高约10倍，但传输距离比ADSL低得多，典型的传输距离为0.3~1.5 km。通过采用光纤到路边，再通过铜线接入到用户的方式可以克服距离限制。VDSL可同时传送多种宽带业务，如高清晰度电视（HDTV）、高清晰度图像通信以及可视化计算等，但VDSL并没有继承ADSL的优点，需要对现有网络设备进行较大的改造。

3无源光网络

　　相对于VDSL，另一个理想的接入网就是无源光网络（PON）。PON从本地交换局到用户形成一个树型结构，两者之间只包括无源器件，像无源耦合器(见图1)。在本地交换局，光链路终端（OLT）发送数据到用户终端或光网络单元（ONU），OLT也接收从ONU发回的数据。PON相对于VDSL的最大优点就是在本地交换局和用户之间不需要任何的有源器件，就像ADSL一样。

　　PON是未来接入网发展的方向。目前PON中的用户平均可以获得20 Mbit/s的速率，在需要的情况下可以达到更高。而且，PON的升级非常方便，只需要更新交换局和用户的终端设备即可，不需要对光纤本地环线进行改造。

3.1下行技术

　　如前所述，PON系统中，由一个OLT和多个ONU构成一个树型结构。下行方向，PON以广播的方式进行，信号由OLT发出，经过光纤到达无源光分路器，然后被平均分成N份发送到各个支路。因为多个ONU共享OLT发出的信号，所以ONU接收到的光信号只是OLT发出光信号的一部分。

3.2上行技术

　　PON的上行技术相对较复杂。由于从OLT到各个ONU之间的光纤长短不一，每路上行光信号的时延和衰减都不一样，为了避免信号碰撞，引入了测距协议。测距主要是使OLT测出到每个ONU的延时时间。在OLT上电工作的时候，发送一个信号到各个ONU，然后ONU发回一个响应，OLT发送数据和接收数据的时差就是每个ONU的延时，将它作为ONU发送数据的偏移时间，来避免上行数据的碰撞。

　　上行技术的另一个问题就是噪声漏斗效应，每个ONU产生的噪声通过光耦合器发送到OLT，在OLT汇聚形成强大的噪声干扰，降低了接收机的灵敏度，所以需要一种有效的机制来降低这种噪声干扰。目前的解决方案是在ONU不发送数据的时候关闭激光器，但是由于激光器的动态特性，当传输速率非常高的时候，激光器的预偏置时间将变得非常小，而这在实际应用中很难实现。
4FSAN

　　为了形成一种统一的接入网标准，1995年7家电信公司成立了后来名为全服务接入网（FSAN）的G7（Group 7）。FSAN的目标就是促成制定一种全球接入网设备的标准，以便降低设备的费用。FSAN下设两个委员会，其中一个重点研究PON技术，通过ITU发布了Broadband PON（BPON）的7项标准建议（G.983）。另一个承担VDSL的研究。

4.1BPON

　　Broadband PON是目前全球无源光网络的标准，它由ATM PON（APON）发展而来。BPON提供155 Mbit/s和622 Mbit/s的对称和非对称的传输速率，在这些速率下最大可接32个ONU，最远传输距离20 km。在下行方向，采用广播方式将数据传送到所有ONU。在上行方向，为了解决数据碰撞，采用了带测距的时分复用（TDMA）协议。OLT是系统的主要部分，所有的ONU只有在得到OLT的授权后才可以发送数据。动态带宽分配和波分复用是未来解决上行问题的发展方向。
BPON放弃了32个ONU的限制，通过在不发送数据的时候关闭激光器来解决噪声漏斗效应。

4.2GPON

　　FSAN同时也在制定下一代PON的规范，就是GPON，它的下行速率可以达到1.244 Gbit/s和2.488 Gbit/s，同时上行速率也可以达到155 Mbit/s，622 Mbit/s或者更高。通过采用前向纠错（FEC）获得2～3 dB的额外增益，传输距离可以达到60 km，可连接64个ONU。GPON采用与BPON不同的关闭激光器技术，GPON分配给激光器的预偏置时间是16 ns。这样FSAN将预偏置时间从155 Mbit/s的13 ns和622 Mbit/s的3.22 ns提高到了16 ns。同时，通过提高OLT发射器的发射功率，将ONU的接收灵敏度从BPON的－33 dB降到了－22 dB，这样虽然提高了OLT设备的费用，但同时降低了所有ONU设备的费用，也就降低了总的设备费用。

5最新的研究SuperPON

　　目前最新的PON研究方向是SuperPON。SuperPON分支比可达2 048，使用两级光放大器（位于交换局和馈线与配线之间即分支点）使距离达到100 km，为了保证用户有足够的带宽，比特率也相应提高，下行2.5 Gbit/s，上行311 Mbit/s。下行方向采用EDFA光纤放大器，比较简单，上行方向则不同，位于馈线与配线之间即分支点处的上行放大器接入来自多个ONU的输入，是漏斗噪声的汇合点，但由于上行方向为突发工作模式，可以安排上行放大器在有TDMA分组通过时才工作，以减小漏斗噪声的影响。EDFA时间常数太长不适合这种运用，而且上行1 310 nm波长也不是EDFA能胜任的，SOA（半导体光放大器）开关时间为ns量级堪当此用，但在PON中SOA需要有足够增益，这有赖于高驱动电流控制。SOA工作状态的切换由OAM根据ONU-ID（ONU识别符）控制。突发传输的直流电平波动问题因加入放大器而变得更严重，另外需要对大量ONU高效快速轮询，这些都是SuperPON需要解决的。

6结束语

　　本文给出了接入网的概要，介绍了PON系统的工作原理和FSAN的一些工作，也描述了目前（BPON）和将来（GPON）的PON标准和规范。

摘自　《中国有线电视》