无源光网络的原理和构成

2021年6月28日 1点热度 0条评论 来源: 温暖的房间

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、�系统杀尽⑷滴裰С值扔攀瞥晌让偶际酢D壳耙丫鸩缴逃没奈拊垂馔缰饕蠺DM-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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

(原文作者:廖日坤 北京大学科学研究部,纪越锋 北京邮电大学)

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