下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)探討

    PON技術(shù)作為一種極具潛力的寬帶接入技術(shù)，自從20世紀(jì)80年代被提出以來(lái)，先后經(jīng)過(guò)了寬帶無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(BPON)、以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)以及千兆無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)。如今基于WDM的PON技術(shù)和基于OCMDA的PON技術(shù)都先后被提出，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明WDM-PON和OCDMA-PON相對(duì)于基于TDM的PON技術(shù)在性能上有了較大的提高。但是WDM-PON中可用波長(zhǎng)數(shù)目有限，如在ITU-T G.694-2中規(guī)定的基于粗波分復(fù)用(CWDM)的系統(tǒng)中，波長(zhǎng)范圍為1270nm～1610nm，波長(zhǎng)間隔為20nm。這樣可用波長(zhǎng)只有18個(gè)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需求。而在基于密集波分復(fù)用(DWDM)的系統(tǒng)中，雖然可以增加可用波長(zhǎng)的數(shù)目，但是會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，進(jìn)而會(huì)影響到業(yè)務(wù)的性能。CDMA技術(shù)在無(wú)線領(lǐng)域，特別是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)中，獲得了巨大的成功。而光領(lǐng)域的CDMA(即OCDMA)技術(shù)由于光器件的不成熟，一直阻礙了其發(fā)展。直到最近，光編解碼技術(shù)才取得了顯著的進(jìn)展。因此，這也為將OCDMA技術(shù)引入到PON系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。基于OCDMA的PON系統(tǒng)避免了TDM-PON中的一系列技術(shù)難題，同時(shí)不同的用戶共享帶寬資源，用戶之間不需要同步。然而，OCDMA的缺點(diǎn)在于碼長(zhǎng)序列有限，并且隨著碼長(zhǎng)增加，用戶間的串?dāng)_逐漸增大，從而也在一定程度上限制了用戶數(shù)量。
　　綜合WDM-PON和OCDMA-PON的優(yōu)勢(shì)，基于WDM和OCDMA的PON系統(tǒng)，即WC-PON相對(duì)于其它無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有極大的帶寬優(yōu)勢(shì)和非常高的用戶承載能力，同時(shí)減小了用戶間串?dāng)_。
　　1. TDM-PON技術(shù)
　　PON技術(shù)的開(kāi)發(fā)主線一直沿著基于TDM的帶寬共享方式發(fā)展。TDM-PON技術(shù)在下行方向上采用廣播技術(shù)，在上行方向采用時(shí)分多址技術(shù)。在下行方向上，由于各ONU到OLT之間的距離不等，為了避免多個(gè)ONU設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)在OLT接收器上發(fā)生沖突，因此必須引入測(cè)距技術(shù)和突發(fā)控制技術(shù);同時(shí)，為了保證OLT能夠正確地接收來(lái)自各ONU的突發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)，還需要引入實(shí)現(xiàn)快速光檢測(cè)的突發(fā)光接收器件，以及能夠快速恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)的突發(fā)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(BCDR)器件。
　　雖然TDM-PON具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但在擴(kuò)展更高帶寬時(shí)，基于電的高速突發(fā)接收技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分困難，不僅需要增加復(fù)雜的帶寬管理算法，同時(shí)也在時(shí)鐘同步、快速光信號(hào)檢測(cè)方面，對(duì)半導(dǎo)體和光電子行業(yè)提出了苛刻的要求。此外，TDM-PON技術(shù)還存在網(wǎng)絡(luò)體系安全性脆弱和光纖故障定位困難等問(wèn)題。
　　2. TDM-PON到WDM-PON的演進(jìn)
　　TDM-PON雖然有著種種不足，但是由于其經(jīng)濟(jì)性，在目前的市場(chǎng)中仍然占主導(dǎo)地位。然而，由于WDM元件成本的持續(xù)下降，以及客戶對(duì)帶寬的需求不斷增加，PON技術(shù)必然向WDM-PON的方向發(fā)展。
　　2.1 WDM概念在TDM-PON中的引入
　　前面所述的各種TDM-PON技術(shù)其實(shí)也引用了WDM的概念。TDM-PON在下行方向上用1490nm的波長(zhǎng)以廣播的形式向各個(gè)用戶發(fā)送信息，在上行方向上以1310nm為載體，利用時(shí)分多址的方式進(jìn)行信息上傳。同時(shí)，在下行方向上專門(mén)引入了1550nm的波長(zhǎng)以傳輸有線電視信號(hào)(圖1)。這也可以簡(jiǎn)單的理解為基于粗波分復(fù)用(CWDM)的TDM-PON技術(shù)。
　　2.2 TDM over WDM的PON技術(shù)
　　TDM-PON并不能滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，特別是高清視頻和音頻等新型業(yè)務(wù)產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)量將迫使接入網(wǎng)帶寬升級(jí)。因而，我們不得不考慮在目前的PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中更多的使用具有先天優(yōu)勢(shì)的WDM技術(shù)。圖1中只是簡(jiǎn)單采用了3個(gè)波長(zhǎng)，其實(shí)從概念上講完全可以采用TDM over WDM的解決方案。如圖2所示，把每一個(gè)子網(wǎng)都可以看成是一個(gè)獨(dú)立的TDM-PON系統(tǒng)，下行方向采用廣播的形式將所有的信息承載于同一波長(zhǎng)，而在上行方向上仍然采用時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行信息匯聚。每個(gè)子網(wǎng)通過(guò)波分復(fù)用設(shè)備上連到光線路終端(OLT)。
　　TDM over WDM的PON相對(duì)于TDM-PON的確在很大程度上增加了PON系統(tǒng)所容納的用戶數(shù)量，因此也就意味著每個(gè)用戶可能有更多的時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)，從而為用戶提供了較大的帶寬資源。但是，這并沒(méi)有避開(kāi)TDM-PON系統(tǒng)本身存在的弊端，比如測(cè)距、動(dòng)態(tài)帶寬分配、突發(fā)控制、安全性和擴(kuò)展性等。
　　2.3 WDM-PON技術(shù)
　　上面提到的TDM over WDM的PON技術(shù)是得不償失的，因?yàn)槠涓冻龅拇鷥r(jià)比收益還要大。而采用純的WDM-PON，可以避免時(shí)分復(fù)用帶來(lái)的一系列難題，同時(shí)通過(guò)在上行方向上為每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)分配一個(gè)單獨(dú)的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)真正的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，保證了每個(gè)用戶的帶寬。
　　如圖3所示，WDM-PON系統(tǒng)采用與EPON類似的樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用雙纖雙向通信。其下行方向同樣使用1310nm的波長(zhǎng)，采用光分路器進(jìn)行廣播;而在上行方向上，采用WDMA技術(shù)，每個(gè)ONU采用符合ITU-T G.694.1規(guī)定的密集波分復(fù)用(DWDM)波長(zhǎng)，或者采用符合ITU-T G.694.2規(guī)定的粗波分復(fù)用(CWMD)波長(zhǎng)。在分叉處采用光分路器或者波長(zhǎng)復(fù)用器(WDM)進(jìn)行合波，在OLT內(nèi)部有波分復(fù)用器分路器(WDM DEMUX)和對(duì)應(yīng)的光接收陣列。
　　在WDM-PON方式下，用戶獨(dú)享一個(gè)波長(zhǎng)資源，但由于波長(zhǎng)資源有限，而且波長(zhǎng)資源分配方案復(fù)雜，因此難于實(shí)現(xiàn)大容量用戶的靈活接入。
　　3. OCDMA在PON中的應(yīng)用
　　OCDMA是CDMA技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用和延伸，其具有異步接入、共享信道、數(shù)據(jù)保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因而，將OCDMA應(yīng)用于光接入網(wǎng)，即OCDMA-PON，勢(shì)必會(huì)在很大程度上提高接入網(wǎng)的性能。如圖4所示，在下行方向，OCDMA-PON仍然采取廣播的方式，而在上行方向上，為每一個(gè)用戶分配一個(gè)碼型。每個(gè)用戶之間的碼型是相互正交的，即可以通過(guò)解碼器將每個(gè)用戶獨(dú)立的碼型從混合碼流中解出。
　　OCDMA-PON技術(shù)與PON技術(shù)相比，具有可隨機(jī)接入，異步工作;帶寬共享，用戶平均使用信道資源;網(wǎng)絡(luò)控制簡(jiǎn)單，地址配置靈活;業(yè)務(wù)透明性好，安全性高等優(yōu)點(diǎn)。從而解決了基于時(shí)分復(fù)用的PON所面臨的突發(fā)檢測(cè)、帶寬動(dòng)態(tài)分配等問(wèn)題。但是碼長(zhǎng)和碼間干擾限制了OCDMA-PON的用戶數(shù)量。
　　4. 下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)——WC-PON
　　WDM-PON由于波長(zhǎng)資源有限，從而限制了用戶數(shù)量，而OCDMA-PON系統(tǒng)同樣由于碼長(zhǎng)和碼間干擾的限制使得用戶數(shù)量在一定程度上有所受限。如圖5所示，WC-PON系統(tǒng)綜合了WDM-PON系統(tǒng)和OCDMA系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了它們各自的不足。WC-PON按區(qū)域劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)采用OCDMA-PON系統(tǒng)的原理，每個(gè)ONU分配一個(gè)獨(dú)立的碼型，單個(gè)子網(wǎng)內(nèi)的碼型相互正交，并分別在上下行方向上承載于同一波長(zhǎng)。不同的子網(wǎng)之間采用波分復(fù)用機(jī)制，而且不同的子網(wǎng)可以采用同一種碼型。WC-PON的性能分析如下：
　　1)承載能力
　　假設(shè)復(fù)用的波長(zhǎng)為N，每一個(gè)波長(zhǎng)上承載的正交碼型數(shù)目為M，則此PON系統(tǒng)可以承載的用戶總數(shù)就為N譓。相對(duì)于單獨(dú)的WDM-PON和OCDMA-PON，系統(tǒng)的承載能力得到了極大的提高。
　　2)異步復(fù)用
　　在每一個(gè)子網(wǎng)中，M個(gè)用戶公平地共享帶寬資源，與傳統(tǒng)的TDM-PON相比，真正地實(shí)現(xiàn)了異步復(fù)用，因而解決了TDM-PON中存在的測(cè)距、光突發(fā)接收、動(dòng)態(tài)帶寬分配等一系列難題，從而能夠充分適應(yīng)當(dāng)前或者以后變化豐富的業(yè)務(wù)。并且對(duì)ONU的位置沒(méi)有嚴(yán)格的限制。
　　3)對(duì)稱性
　　在傳統(tǒng)的TDM-PON網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)提供的下行比特率往往比上行比特率要大得多，這在過(guò)去的一段時(shí)間里適應(yīng)了市場(chǎng)的需求，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)一般基于CS(服務(wù)器-客戶端)模型。但是隨著業(yè)務(wù)種類的變化，尤其是迅雷、BT等點(diǎn)到點(diǎn)技術(shù)的涌現(xiàn)，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)逐漸向?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)發(fā)展，這就意味著對(duì)ONU而言，上下行業(yè)務(wù)向均衡的趨勢(shì)發(fā)展，這是TDM-PON技術(shù)所不能滿足的。而WC-PON是一種對(duì)稱的系統(tǒng)，其上下行都能夠提供吉比特的速率。
　　4)安全性
　　WC-PON相對(duì)于TDM-PON和WDM-PON的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其安全性。TDM-PON和WDM-PON由于其固有的本質(zhì)，尤其是在下行方向上采用廣播機(jī)制，這使得其安全性得不到保證。要想保證客戶業(yè)務(wù)的安全，必須在終端采取加密機(jī)制，WC-PON繼承了OCDMA-PON的安全性。
　　WC-PON還具有可擴(kuò)展性和可裁剪性。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)子網(wǎng)而言，增加一個(gè)碼型或者去掉一個(gè)碼型對(duì)系統(tǒng)并沒(méi)有太大影響，這對(duì)于建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖兌际呛芊奖愕摹Ｓ捎赪C-PON的種種優(yōu)勢(shì)，其必將成為未來(lái)光接入網(wǎng)的必然選擇。 通信吧招聘活動(dòng)獵頭篇