無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)綜述

    第一代的PON采用TDM信號(hào)，例如DS1/E1信號(hào)等。其下行幀(downstream frame)是一個(gè)TDM幀，其時(shí)間槽是被指派給每一ONT之?dāng)?shù)據(jù)資料。對(duì)任何TDMA協(xié)定來(lái)說(shuō)，上傳的數(shù)據(jù)資料必需被分割成幾個(gè)區(qū)塊，以脈沖的方式傳輸。這些早期的PON從它們的上傳TDM時(shí)間槽收集數(shù)據(jù)資料，并在所指定的上傳脈沖時(shí)間槽中以較高的速度傳送。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)來(lái)說(shuō)，這樣可反應(yīng)出許多語(yǔ)音樣品。對(duì)封包數(shù)據(jù)資料來(lái)說(shuō)，在一個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)中，就只是包在幀里要傳輸?shù)囊欢逊獍止?jié)。

    第二代的PON采用ATM，在將上傳資料分割成區(qū)塊做上傳脈沖時(shí)提供了一個(gè)方便的協(xié)議。ATM則提供一個(gè)運(yùn)載TDM流量和封包的機(jī)制來(lái)支持QoS。此時(shí)的ATM被認(rèn)為是下一代網(wǎng)路的基礎(chǔ)，并已經(jīng)被用在DSL系統(tǒng)中的寬帶接入。由OLT分配給ONT的上傳脈沖時(shí)間槽主要是所允許傳送的ATM信元數(shù)目。ITU-T G.983 Broadband PON (B-PON) 系列定義了一個(gè)由Full-Service Access Network (FSAN) 聯(lián)盟所發(fā)展出的ATM PON (APON) 系統(tǒng)和協(xié)定。

　　由於IP封包包括更多的用戶(hù)數(shù)據(jù)資料，同時(shí)IP封包一般都是在以太網(wǎng)幀中，因此在路由的過(guò)程中采用封包技術(shù)是有道理的。所以為了避免復(fù)雜性以及和ATM相關(guān)的高帶寬用量，第三代的PON系統(tǒng)就采用了以太網(wǎng)幀。兩個(gè)主要的高速PON標(biāo)準(zhǔn)包括了ITU-T(G.984 系列)的Gigabit PON(GPON)和 IEEE(802.3ah)的Ethernet PON (EPON)。

　　一、B-PON

　　目前大部份在北美和歐洲所采用的PON系統(tǒng)包括了Verizon的雄心勃勃的FiOS專(zhuān)案，它采用ITU-T G.983系列的B-PON。此G.983系列包括ONT和OLT功能區(qū)塊的規(guī)格、上行和下行幀率及格式、TDMA上行接入?yún)f(xié)議、實(shí)體接口、ONT管理以及控制接口、存活度之強(qiáng)化、以及DBA。表一是B-PON功能特性之摘要。

　　下行傳輸是一串ATM信元的傳輸，對(duì)于155Mbit/s的下行速率，一個(gè)下行幀包含56個(gè)單元槽，每個(gè)單元槽發(fā)送53個(gè)字節(jié);對(duì)于622 Mbit/s的下行速率，下行幀含有4 x 56=224個(gè)單元槽。每28個(gè)單元槽中有一個(gè)物理層OAM(PLOAM)信元。PLOAM包含一個(gè)幀定位比特(framing bit)以找出PLOAM 信元。此外，PLOAM信元是可程控的，并包括一些資訊，例如上行帶寬以及OAM消息。這些ONT使用ATM VPI/VCI地址在下行信號(hào)中找出它們的數(shù)據(jù)資料。

　　上行幀包含53個(gè)時(shí)間槽，每個(gè)時(shí)間槽發(fā)送56個(gè)字節(jié)。每一個(gè)時(shí)間槽包含一個(gè)ATM/PLOAM信元和24比特(3字節(jié))的其他用量。該用量包括了防護(hù)時(shí)間(guard time)、一個(gè)前導(dǎo)碼(preamble)好讓OLT來(lái)復(fù)原計(jì)時(shí)以及信號(hào)水平，還有一個(gè)分隔符號(hào)來(lái)指示此資料的終點(diǎn)。該資料群之長(zhǎng)度及內(nèi)容可由OLT來(lái)程控。ONT會(huì)根據(jù)OLT的要求定時(shí)傳送PLOAM信元。

　　從OLT分配的帶寬資料會(huì)告知每一ONT會(huì)使用哪一個(gè)上行時(shí)間槽(upstream time slots)來(lái)傳送它的上行資料。B-PON DBA 協(xié)定可讓OLT知道ONT帶寬的需求，方式是經(jīng)由ONT明確的報(bào)告或觀察ONT傳送出來(lái)的ATM 空閑信元數(shù)目。在ONT傳送空閑信元時(shí)OLT會(huì)減少其分配帶寬，在ONT的上行時(shí)間槽中充滿(mǎn)了數(shù)據(jù)資料時(shí)，OLT則會(huì)增加其帶寬。

　　OLT會(huì)定期中止上傳，因此可以請(qǐng)任何新的ONT來(lái)宣告自己。新的ONT在此期間傳來(lái)一個(gè)反應(yīng)，如果有多個(gè)新ONT時(shí)，會(huì)使用隨機(jī)時(shí)間延遲以降低碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。該OLT會(huì)給新的ONT發(fā)送一個(gè)范圍的訊息并測(cè)量接到此反應(yīng)之時(shí)間，來(lái)確定至每一新ONT的距離。然后該OLT會(huì)發(fā)送給該ONT一個(gè)等化的延遲時(shí)間值，讓每一個(gè) ONT都會(huì)有相同的來(lái)回和等化延遲。如此可使從各ONT出來(lái)的上行傳輸譯最小的防護(hù)時(shí)間到達(dá)OLT。

　　表1 – B-PON、GPON和EPON之特性比較

　　二、EPON

　　IEEE 802.3ah EPON的發(fā)展原先是為了發(fā)揮以太網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其成為下一個(gè)主要可標(biāo)準(zhǔn)化的TDMA PON協(xié)議。表一為EPON特性摘要。

　　下行傳輸是一串以太網(wǎng)絡(luò)幀。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Gigabit以太網(wǎng)連接中，這些幀都是相同的， 只有前導(dǎo)碼和分隔符號(hào)是被修改過(guò)的，這樣便于搭載邏輯鏈路標(biāo)示(logical_link_id field, LLID)， 而只有LLID才能識(shí)別ONU對(duì)應(yīng)的MAC。在上傳的方向中，ONU會(huì)在OLT所分配的時(shí)間槽中傳送以太網(wǎng)絡(luò)幀的脈沖。

　　多點(diǎn)控制協(xié)議(Multi-Point Control Protocol PDUs, MPCPDUs)是基本的802.3 MAC控制幀，由ONU發(fā)送Report消息來(lái)請(qǐng)求帶寬，OLT則發(fā)送Gate消息分配帶寬。OLT會(huì)定期傳送Gate訊息至ONU讓它們有機(jī)會(huì)報(bào)告它們的帶寬需求。這些ONU亦可將它們的Reports和一個(gè)上傳數(shù)據(jù)資料一起傳送。Gate訊息中包括ONU所需的傳送開(kāi)始時(shí)間和期間。帶寬請(qǐng)求和分配包括幀間間隔(inter-frame gap)和前向糾(Forward Error Correction)所需的任何帶寬。EPON亦可執(zhí)行DBA。

　　EPON之上傳時(shí)間槽和范圍協(xié)定和B-PON與GPON不同，因?yàn)樗鼪](méi)有一個(gè)正規(guī)的下行和上行幀架構(gòu)。OLT和各ONU分別有自己的計(jì)數(shù)器，每16 ns計(jì)數(shù)一次。每一MPCPDU搭載一個(gè)時(shí)間戳(timestamp)，它是發(fā)送者計(jì)數(shù)器之值。而ONU會(huì)將其計(jì)數(shù)器設(shè)至接收到的timestamp值。OLT通過(guò)比較接收到的值和自己的計(jì)數(shù)器值以決定來(lái)回之延遲。當(dāng)OLT指派ONU上傳開(kāi)始時(shí)間會(huì)將此來(lái)回延遲列入考慮。

　　關(guān)於ranging和 activation則和B-PON類(lèi)似，只是當(dāng)?shù)赜?jì)數(shù)器會(huì)幫助OLT不需要將等化延遲時(shí)間傳送至ONU。

　　三、GPON

　　第二個(gè)FSAN TDMA PON協(xié)定是ITU-T G.984系列GPON，是根據(jù)B-PON和EPON的經(jīng)驗(yàn)所建構(gòu)的。如同EPON一般，GPON被最優(yōu)化以搭載以太網(wǎng)幀。表一為GPON特性摘要。

　　雖然GPON支援ATM 負(fù)載，它亦引入一個(gè)新的負(fù)載機(jī)制，稱(chēng)之為GPON Encapsulation Method (GEM)，同時(shí)被最優(yōu)化以便搭載以太網(wǎng)幀。GEM是采用G.7041 通用成幀規(guī)程(Generic Framing Procedure, GFP)， 不同處是GEM為PON的應(yīng)用作了幀開(kāi)銷(xiāo)(Frame Overhead)的最佳化，讓映射片段(mapping fragments)和整個(gè)以太網(wǎng)幀進(jìn)入GEM 負(fù)載，并支持TDM映射。

　　GPON 上行和下行均采用一個(gè)125 μs GPON Transmission Conversion (GTC) frame 架構(gòu)。下行幀開(kāi)始時(shí)有一個(gè)PLOAM開(kāi)銷(xiāo)域，之后有一個(gè)負(fù)載域，包括GEM幀和/或ATM信元。PLOAM包括幀資訊和下一個(gè)上行幀ONT傳輸分配的帶寬映射。

　　上行幀包括從ONT來(lái)的上傳脈沖，每一脈沖都從物理層負(fù)載開(kāi)始，在功能上和B-PON一樣，但同時(shí)還包括一個(gè)ONT帶寬請(qǐng)求的摘要資料。如果OLT有要求，在上傳脈沖中還會(huì)含有額外的PLOAM域和更多的帶寬細(xì)節(jié)。OLT會(huì)指派每一ONT之上傳時(shí)間，和下一個(gè)上傳GTC域相對(duì)應(yīng)的傳輸開(kāi)始和停止時(shí)間。

　　其中125 μs GTC幀的架構(gòu)可以搭載TDM信號(hào)，例如DS1/E1或語(yǔ)音，只要在每一GTC幀期間簡(jiǎn)單的映射信號(hào)的適當(dāng)字節(jié)數(shù)目到一個(gè)GEM幀。

　　此GPON activation和ranging協(xié)議和B-PON與EPON類(lèi)似，只有送至每一ONT的等化延遲值是收到下行幀和發(fā)送上行幀之間的offset。

　　四、IEEE 10 Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av)

　　IEEE 802.3 近日已核準(zhǔn)一個(gè)專(zhuān)案來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)10 Gbit/s 速率的EPON標(biāo)準(zhǔn)。最近的測(cè)試顯示其技術(shù)已經(jīng)可以執(zhí)行此PON。

　　可能推動(dòng)10 Gbit/s PON 系統(tǒng)的一個(gè)市場(chǎng)推動(dòng)力是數(shù)字視頻傳輸。此帶寬可以傳輸多重高畫(huà)質(zhì)IP封包的視頻流至每一個(gè)ONT，甚至在OLT/ONT分路比例為1:64或更高時(shí)也可使用。相對(duì)的，如果我們假設(shè)以20 Mbit/s應(yīng)用在一個(gè)高畫(huà)質(zhì)IP視頻流，那么一個(gè)具備622 Mbit/s下行速率的B-PON系統(tǒng)僅可以傳送一個(gè)1:32 分路比的VoD頻道至每一個(gè)ONT，而GPON可以以1:64 分路比傳送最多兩個(gè)VoD之頻道至每一ONT。

　　五、WDM PON

　　WDM PON 采用波長(zhǎng)分割多路復(fù)用器，而不用TDMA。OLT則采一個(gè)分離的波長(zhǎng)來(lái)和每一ONU以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式做通訊。每一ONU有一光學(xué)濾波器來(lái)選擇所接收數(shù)據(jù)資料的波長(zhǎng)，而OLT有一組濾波器，每一個(gè)ONU對(duì)應(yīng)一個(gè)濾波器。WDM PON之主要優(yōu)點(diǎn)是和每一用戶(hù)的通訊都可采用較好的原始數(shù)據(jù)傳輸率(例如 DS1/DS3、10/100/1000Base Ethernet, 等等)， 而與信號(hào)速率和其他用戶(hù)的格式無(wú)關(guān)。

　　WDM PON之主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)過(guò)濾不同波長(zhǎng)之光學(xué)元件的成本比較高。目前已經(jīng)探索出產(chǎn)品不同ONU波長(zhǎng)的方式，包括以下各項(xiàng)：

　　· 可現(xiàn)場(chǎng)安裝的光學(xué)模組，用來(lái)選擇ONU波長(zhǎng)。此方法的缺點(diǎn)是缺乏彈性，模組庫(kù)存和追蹤的成本高。

　　· 在ONU安裝可調(diào)式激光。雖然很有彈性，但可調(diào)式激光還不具備成本效益。

　　· 分路頻譜，在ONU采用一個(gè)具有合理寬光譜的光源，此處使用濾波器來(lái)選擇ONU的傳輸載波波長(zhǎng)。

　　· 被動(dòng)的方式，其中OLT提供光學(xué)載波信號(hào)給ONU。每一ONU模組以某種方式來(lái)調(diào)制載波，并反射回 OLT。

　　· 利用下行信號(hào)來(lái)控制ONU激光的輸出波長(zhǎng)。例如，插入某些下行信號(hào)至一個(gè)面射型激光二極體(VCEL)已經(jīng)被證明會(huì)使得VCEL的輸出鎖住和下行信傳號(hào)一樣的波長(zhǎng)。此技術(shù)被稱(chēng)為光學(xué)注入鎖定(optical injection locking)。

　　圖1為陣列波導(dǎo)光柵Athermal Arrayed Waveguide Gratings (AWGs)，似乎是最可行的接收器濾波技術(shù)。一個(gè)AWG是一個(gè)被動(dòng)式裝置，可被使用在廠外之環(huán)境。它們可以采用應(yīng)用于其他光學(xué)積體電路的硅基二氧化硅(silica-on-silicon)技術(shù)，因此有潛力成為具成本效益之技術(shù)。

　　目前配置最多WDM PON 的國(guó)家是韓國(guó)。此技術(shù)采用AWG接收器濾波方式，在ONU分路頻譜。頻譜的分路是在可調(diào)聲光濾波器(acousto-optic tunable filters, AOTFs)進(jìn)行。在 AOTF中使用一個(gè)聲波來(lái)形成一個(gè)長(zhǎng)期間的衍射光柵，當(dāng)作一個(gè)所需波長(zhǎng)的陷波濾波器。

　　雖然WDM PON具備某些彈性?xún)?yōu)勢(shì)，它可以搭載不同的客戶(hù)信號(hào)以及提供每一用戶(hù)更高的數(shù)據(jù)資料傳輸率，但其光學(xué)元件的數(shù)量很多，又較復(fù)雜，因此和TDMA為基礎(chǔ)的 PON系統(tǒng) ，例如EPON和GPON，或和使用介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)濾波器連接相比較，其成本效益較差。WDM也可結(jié)合TDMA PON協(xié)定以升級(jí)其容量。

　　六、CDMA PON

　　碼分多址(Code-division multiple access, CDMA) 技術(shù)亦可被應(yīng)用於PON中。如同WDM PON一般，CDMA PON可讓每一ONU使用一個(gè)不同的信號(hào)傳輸率和格式，對(duì)應(yīng)到用戶(hù)的原始客戶(hù)信號(hào)。光學(xué)CDMA亦可和WDM一起使用，以增加帶寬。此處將敘述一個(gè)典型的做法，如圖2所示。

　　CDMA的理論是以同樣頻道的傳輸頻譜來(lái)搭載多重客戶(hù)信號(hào)。信號(hào)的加碼方式可由解碼器辨識(shí)。最可行的技術(shù)是直接序列擴(kuò)展頻譜(direct sequence spread spectrum)，每一客戶(hù)信號(hào)的符號(hào)(例如0和1)都是運(yùn)用較高的速率以更長(zhǎng)串的符號(hào)來(lái)加碼。每一ONU使用一個(gè)不同的值串給相關(guān)的符號(hào)。

　　幸運(yùn)的是，光學(xué)直接序列 CDMA可以采用被動(dòng)衍射濾波器來(lái)執(zhí)行其動(dòng)作。典型的執(zhí)行動(dòng)作是采用Bragg衍射光柵(diffraction grating)，其架構(gòu)是采用標(biāo)準(zhǔn)單模式濾波器通過(guò)一個(gè)所要圖案的光罩來(lái)進(jìn)行UV曝光，也可以使用其他的光柵(grating)型態(tài)。

　　如上圖所示，加碼和解碼器可用相同的執(zhí)行方式。信號(hào)被送至濾波器的一端。當(dāng)信號(hào)在濾波器中行進(jìn)時(shí)，柵格規(guī)律會(huì)以光線(xiàn)反射的作用產(chǎn)生干擾規(guī)律。從濾波器反射回來(lái)的信號(hào)的幅度和相位會(huì)被調(diào)制，在通過(guò)濾波器時(shí)會(huì)以行進(jìn)時(shí)間的函數(shù)做符號(hào)變化。在接收器端，反向操作的動(dòng)作會(huì)將接收到的散播頻譜符號(hào)轉(zhuǎn)回原來(lái)的符號(hào)。

　　由於Bragg濾波器的線(xiàn)性特性，擴(kuò)展頻譜帶寬 (spread spectrum bandwidth)是和ONU之?dāng)?shù)目成正比的。OLT會(huì)將接收到的光學(xué)信號(hào)分割至多重衍射濾波器，以便從不同的ONU恢復(fù)數(shù)據(jù)資料。在一個(gè)典型的光學(xué)CDMA執(zhí)行動(dòng)作中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都使用相同的光纖光柵(Bragg gratings)。更復(fù)雜的接收器會(huì)在發(fā)射器和接收器使用不同的光柵，并結(jié)合光學(xué)和電機(jī)方式做處理。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)光柵規(guī)律會(huì)去除接收器的通話(huà)交叉干擾。

　　光柵的溫度控制是非常重要的，因?yàn)闉V波器的實(shí)體擴(kuò)張或收縮會(huì)變更規(guī)律之有效性。不過(guò)?？梢赃M(jìn)一步運(yùn)用此特性做成可調(diào)式濾波器(還有其他的調(diào)整機(jī)制) 。不過(guò)，頻率的穩(wěn)定度對(duì)于光學(xué)CDMA系統(tǒng)中的激光并不是必需的。

　　光學(xué)CDMA PON的一個(gè)主要缺點(diǎn)是一般光學(xué)放大器都需要達(dá)到一個(gè)適當(dāng)?shù)男盘?hào)雜音比。由于增加的接收器樹(shù)型分路(splitter tree)、循環(huán)器和濾波器所造成的損失，ONU/OLT分割器比例在沒(méi)有放大器時(shí)只有2:1至8:1的范圍，接收器的設(shè)計(jì)也是比較復(fù)雜。因此，和其他方式來(lái)比，它們的成本效益較差。