無源光網絡的現狀與趨勢

無源光網絡的現狀
    接入網是用戶進入城域網/骨干網的橋梁，是信息傳送通道的“最后一公里”。過去幾年，網絡的核心部分發(fā)生了翻天覆地的變化，無論是交換、還是傳輸都己更新換代，而接入網由于經濟性問題如用戶的業(yè)務需求、用戶密度、用戶的經濟承受能力等多方面原因發(fā)展緩慢，成為制約網絡向寬帶化、全業(yè)務化發(fā)展的瓶頸。隨著我國經濟的迅速發(fā)展，高帶寬的消耗業(yè)務逐步涌現，帶寬提速成為迫切需求。為了滿足用戶的需求，各種新技術不斷涌現，接入網技術己成為設備制造商、運營商和電信研究部門關注的焦點和投資的熱點。

    我國目前主流的有線接入技術包括ADSL、LAN、HFC、PLC和FTTH，其中部分LAN采用了PON+LAN的方式，而無線接入技術中又有WLAN、WiMAX、WiFi、Bluetooth、3G等技術。目前寬帶接入網有兩個主要的研究目標，第一是向高速、安全、智能化方向發(fā)展，要求網絡更靈活、面向用戶更多和成本更低，這方面FTTH是有線接入領域的杰出代表。另一個則是多業(yè)務的融合，即在同一個平臺上靈活提供IPTV、有線電視視頻、傳統語音、數據業(yè)務的接入。

    在各種寬帶接入技術中，無源光網絡以其容量大、傳輸距離長、較低成本、全業(yè)務支持等優(yōu)勢成為熱門技術。目前已經逐步商用化的無源光網絡主要有TDM-PON(APON、EPON、GPON)和WDM-PON，它們的共同特點是：

    可升級性好、低成本，接入網中去掉了有源設備，從而避免了電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，降低了相應的運維成本;

    業(yè)務透明性較好，高帶寬，可適用于任何制式和速率的信號，能比較經濟地支持模擬廣播電視業(yè)務，支持三重播放(Tripleplay，語音、視頻、數據)業(yè)務;

    高可靠性，提供不同業(yè)務優(yōu)先級的QoS保證，適應寬帶接入市場IP化的發(fā)展潮流，適于大規(guī)模應用。

PON核心構成

    如圖1，PON(無源光網絡)中最主要的三部分包括位于局端的OLT(OpticalLineTerminal，光線路終端)、終端ONU(OpticalNetwork Unit，光網絡單元)、以及ODN(Optical Distribution Network，光配線網)。PON“無源”是指ODN全部由光分路器(Splitter)等無源器件組成，不含有任何電子器件及電源。

 

    圖1基于PON的寬帶接入方式

基于PON的接入方案

TDM-PON

    如圖2基于時分復用技術的TDM-PON，其原理是將上行傳輸時間分為若干時隙?ti(i=1,2,3,……32,……)，在每個時隙內只安排一個ONU以分組的方式向OLT發(fā)送分組信息，各ONU按OLT規(guī)定的順序依次發(fā)送。TDM要求OLT測定它與各ONU的距離后對各ONU進行嚴格的發(fā)送定時，各ONU從OLT發(fā)送的下行信號獲取定時信息，并在OLT規(guī)定的時隙內發(fā)送上行分組信號。

    TDM允許使用單一的波長，OLT以TDM下行廣播時使用1490nm波長(1550nm下行傳輸視頻)，ONU以TDMA上行多址接入使用1310nm波長，所以OLT只需要一個收發(fā)器，只有一種類型ONU，由此帶來很高的經濟性，被認為是光接入網共享信道的首選方案。

    圖2TDM-PON模型

    無源光網絡始于20世紀80年代初，發(fā)展至今，有已經標準化的APON、EPON和GPON三種TDM/TDMA-PON類型。在窄帶PON系統概念提出的同時，提出了基于ATM技術的寬帶PON，即APON，以使接入網走向寬帶化。

    隨著IP技術的不斷完善，大多數運營商將IP技術作為主要承載技術，使得ATM完全退出了局域網。在這種背景下，出現了由ITU/FSAN負責制定替換APON的GigabitPON(GPON)標準，以及由IEEE802.3ah負責制定的EthernetPON(EPON)標準。

    其中，EPON是基于千兆以太網的無源光網絡，繼承了以太網的低成本和易用性以及光網絡的高帶寬，是FTTH中“性價比”最高的一種，EPON的產業(yè)聯盟從EPON的核心芯片、光模塊到系統，產業(yè)鏈已經日趨成熟。而GPON在技術上略具優(yōu)勢，它能支持多種速率等級，可支持上下行不對稱速率，與EPON只能支持對稱1Gbit/s單一速率相比，GPON光器件選擇余地更大，而在總效率和等效系統成本方面也有相當的優(yōu)勢。

    三種TDM-PON的參數比較如表1所示，它們雖然有許多不同點，但歸根到底都是基于時分復用機制的，上行方向以時隙為單位、共享帶寬。

WDM-PON

 

 

    如圖3基于波分復用技術的WDM-PON把各ONU的上行信號分別調制為不同波長(?i,i=1,2,3,……16,……)的光信號，傳輸至ODN后耦合到同一饋線光纖 傳輸到OLT，在OLT中利用分波器取出屬于各ONU的不同波長的光信號，再分別通過光電探測器解調為電信號。WDM利用光纖的低損耗波長窗口(1310nm/1370nm/……/1550nm)，能以不同的方式傳輸不同的業(yè)務。

    圖3WDM-PON模型

     WDM-PON上行方向采用粗波分CWDM或密集波分DWDM技術，每個用戶獨享一個波長的帶寬，用戶最大可用的帶寬可以達到100G。波分多址WDMA光纖線路有足夠的功率余度，便可方便地擴容與升級，但系統各通道共享光纖線路而不共享OLT光設備，故系統成本較高。

    綜合比較，由表2可以看出TDM-PON雖然有較低的網絡快速部署費用，但是可靠性、帶寬及升級擴容方面的表現都不如WDM-PON。因此隨著無源光器件和其它技術的發(fā)展，WDM-PON將成為現行主流TDM-PON的有力競爭者。

    混合PON(HPON/xPON)

    由前所述，TDM-PON和WDM-PON各有優(yōu)缺點和應用場合，單一地利用一種PON技術都存在不同程度的問題。因此最近斯坦福大學的一些研究學者提出了如圖4的HPON(HybridTDM/WDMPON)的概念，它能夠很好地兼容TDM和WDM技術，并支持TDM-PON到WDM-PON的平滑過渡。

    WDM-PON與TDM-PON的結合，主要指在單根光纖上提供多個WDM通道，但是每對WDM通道上還是利用時分復用的接入機制，TDM-PON的問題依然存在。這種技術僅僅是一種擴容的手段，一種過渡性的技術。

    圖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一種未來理想的組合方式和發(fā)展方向。其中，OCDMA-PON上行方向采用光碼分多址技術，每個用戶分配一個碼字，不需要復雜的控制協議和時鐘同步技術。在這種組合中，WDM技術實現用戶的大帶寬傳輸，結合OCDMA靈活、安全以及大容量用戶接入的特點，實現最終用戶所需的隨機安全接入。

PON發(fā)展趨勢

 

 

    當今，光通信技術正在往單波長的大容量以及密集波分復用方向發(fā)展，作為下一代接入網中首選的PON技術也有朝著這兩個方向發(fā)展的趨勢。從長遠的角度來看，1Gbits/ p的傳輸速率遠不能滿足下一代光接入網，用戶終端對業(yè)務和服務的需求隨著互聯網的持續(xù)快速發(fā)展，如視頻會議、實時游戲、IPTV等高帶寬應用不斷涌現，尤其是HDTV、網真等視頻業(yè)務，對網絡接入帶寬提出了更高的要求，也推動著新的PON技術層出不窮。

    新生的無源光網絡技術代表像WDM-PON、OCDMA-PON、WDM/TDMHPON等等。從目前國際研究的現狀看，這些新技術集中的表現在三方面：一個是高帶寬、高利用率，包括提供超過100km長距離傳輸，多于1000用戶的大用戶量的接入，以及每戶大于50Mbps的帶寬。第二是新的網絡結構、新的應用，例如把PON和LAN、OFDM、WiMAX等技術相結合，體現了網絡與業(yè)務的融合。第三是新材料、新器件的使用，例如基于硬金屬塑料光纖hardplasticclad fiber (HPCF)-PON，應用于WDM-PON中，可以實現均勻光分路比和低插入損耗。

    圖5更形象的說明目前PON的發(fā)展趨勢，WDM-PON和10GEPON是代表方向之一，其標準化也在進程中。

    圖5寬帶接入網絡和技術的發(fā)展趨勢

    結語 無論是核心網、傳輸網還是接入網，其發(fā)展的首要因素就是業(yè)務，是終端用戶的需求。從業(yè)務發(fā)展現狀來看，高帶寬的消耗業(yè)務逐步涌現，帶寬提速成為迫切需求，而PON以其容量大、傳輸距離長、較低成本、全業(yè)務支持等優(yōu)勢成為寬帶接入的熱點，它在提供業(yè)務組合的同時，實現了高可靠性和高性能，已經成為了下一代光接入網的發(fā)展方向。