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无源光网络(PON)技术综述

时间:2008-12-15 09:24:26

简述PON技术沿革

        第一代的PON采用TDM信号,例如DS1/E1信号等。其下行帧(downstream frame)是一个TDM帧,其时间槽是被指派给每一ONT之数据资料。对任何TDMA协定来说,上传的数据资料必需被分割成几个区块,以脉冲的方式传输。这些早期的PON从它们的上传TDM时间槽收集数据资料,并在所指定的上传脉冲时间槽中以较高的速度传送。对语音信号来说,这样可反应出许多语音样品。对封包数据资料来说,在一个对应的点对点信号中,就只是包在帧里要传输的一堆封包字节。 

        第二代的PON采用ATM,在将上传资料分割成区块做上传脉冲时提供了一个方便的协议。ATM则提供一个运载TDM流量和封包的机制来支持QoS。此时的ATM被认为是下一代网路的基础,并已经被用在DSL系统中的宽带接入。由OLT分配给ONT的上传脉冲时间槽主要是所允许传送的ATM信元数目。ITU-T G.983 Broadband PON (B-PON) 系列定义了一个由Full-Service Access Network (FSAN) 联盟所发展出的ATM PON (APON) 系统和协定。 

        由於IP封包包括更多的用户数据资料,同时IP封包一般都是在以太网帧中,因此在路由的过程中采用封包技术是有道理的。所以為了避免复杂性以及和ATM相关的高带宽用量,第三代的PON系统就采用了以太网帧。两个主要的高速PON标准包括了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欧洲所采用的PON系统包括了Verizon的雄心勃勃的FiOS专案,它采用ITU-T G.983系列的B-PON。此G.983系列包括ONT和OLT功能区块的规格、上行和下行帧率及格式、TDMA上行接入协议、实体接口、ONT管理以及控制接口、存活度之强化、以及DBA。表一是B-PON功能特性之摘要。 

        下行传输是一串ATM信元的传输,对于155Mbit/s的下行速率,一个下行帧包含56个单元槽,每个单元槽发送53个字节;对于622 Mbit/s的下行速率,下行帧含有4 x 56=224个单元槽。每28个单元槽中有一个物理层OAM(PLOAM)信元。PLOAM包含一个帧定位比特(framing bit)以找出PLOAM 信元。此外,PLOAM信元是可程控的,并包括一些资讯,例如上行带宽以及OAM消息。这些ONT使用ATM VPI/VCI地址在下行信号中找出它们的数据资料。 

        上行帧包含53个时间槽,每个时间槽发送56个字节。每一个时间槽包含一个ATM/PLOAM信元和24比特(3字节)的其他用量。该用量包括了防护时间(guard time)、一个前导码(preamble)好让OLT来复原计时以及信号水平,还有一个分隔符号来指示此资料的终点。该资料群之长度及内容可由OLT来程控。ONT会根据OLT的要求定时传送PLOAM信元。 

        从OLT分配的带宽资料会告知每一ONT会使用哪一个上行时间槽(upstream time slots)来传送它的上行资料。B-PON DBA 协定可让OLT知道ONT带宽的需求,方式是经由ONT明确的报告或观察ONT传送出来的ATM 空闲信元数目。在ONT传送空闲信元时OLT会减少其分配带宽,在ONT的上行时间槽中充满了数据资料时,OLT则会增加其带宽。 

        OLT会定期中止上传,因此可以请任何新的ONT来宣告自己。新的ONT在此期间传来一个反应,如果有多个新ONT时,会使用随机时间延迟以降低碰撞的风险。该OLT会给新的ONT发送一个范围的讯息并测量接到此反应之时间,来确定至每一新ONT的距离。然后该OLT会发送给该ONT一个等化的延迟时间值,让每一个 ONT都会有相同的来回和等化延迟。如此可使从各ONT出来的上行传输译最小的防护时间到达OLT。

                                         表1 – B-PON、GPON和EPON之特性比较

二、EPON

        IEEE 802.3ah EPON的发展原先是为了发挥以太网技术优势使其成为下一个主要可标准化的TDMA PON协议。表一为EPON特性摘要。

        下行传输是一串以太网络帧。在点对点的Gigabit以太网连接中,这些帧都是相同的, 只有前导码和分隔符号是被修改过的,这样便于搭载逻辑链路标示(logical_link_id field, LLID), 而只有LLID才能识别ONU对应的MAC。在上传的方向中,ONU会在OLT所分配的时间槽中传送以太网络帧的脉冲。 

        多点控制协议(Multi-Point Control Protocol PDUs, MPCPDUs)是基本的802.3 MAC控制帧,由ONU发送Report消息来请求带宽,OLT则发送Gate消息分配带宽。OLT会定期传送Gate讯息至ONU让它们有机会报告它们的带宽需求。这些ONU亦可将它们的Reports和一个上传数据资料一起传送。Gate讯息中包括ONU所需的传送开始时间和期间。带宽请求和分配包括帧间间隔(inter-frame gap)和前向纠(Forward Error Correction)所需的任何带宽。EPON亦可执行DBA。 

        EPON之上传时间槽和范围协定和B-PON与GPON不同,因为它没有一个正规的下行和上行帧架构。OLT和各ONU分别有自己的计数器,每16 ns计数一次。每一MPCPDU搭载一个时间戳(timestamp),它是发送者计数器之值。而ONU会将其计数器设至接收到的timestamp值。OLT通过比较接收到的值和自己的计数器值以决定来回之延迟。当OLT指派ONU上传开始时间会将此来回延迟列入考虑。 

        关於ranging和 activation则和B-PON类似,只是当地计数器会帮助OLT不需要将等化延迟时间传送至ONU。

三、GPON 

        第二个FSAN TDMA PON协定是ITU-T G.984系列GPON,是根据B-PON和EPON的经验所建构的。如同EPON一般,GPON被最优化以搭载以太网帧。表一为GPON特性摘要。 

        虽然GPON支援ATM 负载,它亦引入一个新的负载机制,称之为GPON Encapsulation Method (GEM),同时被最优化以便搭载以太网帧。GEM是采用G.7041 通用成帧规程(Generic Framing Procedure, GFP), 不同处是GEM为PON的应用作了帧开销(Frame Overhead)的最佳化,让映射片段(mapping fragments)和整个以太网帧进入GEM 负载,并支持TDM映射。

        GPON 上行和下行均采用一个125 μs GPON Transmission Conversion (GTC) frame 架构。下行帧开始时有一个PLOAM开销域,之后有一个负载域,包括GEM帧和/或ATM信元。PLOAM包括帧资讯和下一个上行帧ONT传输分配的带宽映射。 

        上行帧包括从ONT来的上传脉冲,每一脉冲都从物理层负载开始,在功能上和B-PON一样,但同时还包括一个ONT带宽请求的摘要资料。如果OLT有要求,在上传脉冲中还会含有额外的PLOAM域和更多的带宽细节。OLT会指派每一ONT之上传时间,和下一个上传GTC域相对应的传输开始和停止时间。 

        其中125 μs GTC帧的架构可以搭载TDM信号,例如DS1/E1或语音,只要在每一GTC帧期间简单的映射信号的适当字节数目到一个GEM帧。 

        此GPON activation和ranging协议和B-PON与EPON类似,只有送至每一ONT的等化延迟值是收到下行帧和发送上行帧之间的offset。

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

        IEEE 802.3 近日已核准一个专案来开发一个10 Gbit/s 速率的EPON标准。最近的测试显示其技术已经可以执行此PON。 

        可能推动10 Gbit/s PON 系统的一个市场推动力是数字视频传输。此带宽可以传输多重高画质IP封包的视频流至每一个ONT,甚至在OLT/ONT分路比例为1:64或更高时也可使用。相对的,如果我们假设以20 Mbit/s应用在一个高画质IP视频流,那么一个具备622 Mbit/s下行速率的B-PON系统仅可以传送一个1:32 分路比的VoD频道至每一个ONT,而GPON可以以1:64 分路比传送最多两个VoD之频道至每一ONT。

五、WDM PON 

        WDM PON 采用波长分割多路复用器,而不用TDMA。OLT则采一个分离的波长来和每一ONU以点对点的方式做通讯。每一ONU有一光学滤波器来选择所接收数据资料的波长,而OLT有一组滤波器,每一个ONU对应一个滤波器。WDM PON之主要优点是和每一用户的通讯都可采用较好的原始数据传输率(例如 DS1/DS3、10/100/1000Base Ethernet, 等等), 而与信号速率和其他用户的格式无关。 

        WDM PON之主要缺点是生产过滤不同波长之光学元件的成本比较高。目前已经探索出产品不同ONU波长的方式,包括以下各项:

· 可现场安装的光学模组,用来选择ONU波长。此方法的缺点是缺乏弹性,模组库存和追踪的成本高。

· 在ONU安装可调式激光。虽然很有弹性,但可调式激光还不具备成本效益。

· 分路频谱,在ONU采用一个具有合理宽光谱的光源,此处使用滤波器来选择ONU的传输载波波长。

· 被动的方式,其中OLT提供光学载波信号给ONU。每一ONU模组以某种方式来调制载波,并反射回 OLT。

· 利用下行信号来控制ONU激光的输出波长。例如,插入某些下行信号至一个面射型激光二极体(VCEL)已经被证明会使得VCEL的输出锁住和下行信传号一样的波长。此技术被称为光学注入锁定(optical injection locking)。 

        图1为阵列波导光栅Athermal Arrayed Waveguide Gratings (AWGs),似乎是最可行的接收器滤波技术。一个AWG是一个被动式装置,可被使用在厂外之环境。它们可以采用应用于其他光学积体电路的硅基二氧化硅(silica-on-silicon)技术,因此有潜力成为具成本效益之技术。

        目前配置最多WDM PON 的国家是韩国。此技术采用AWG接收器滤波方式,在ONU分路频谱。频谱的分路是在可调声光滤波器(acousto-optic tunable filters, AOTFs)进行。在 AOTF中使用一个声波来形成一个长期间的衍射光栅,当作一个所需波长的陷波滤波器。 

        虽然WDM PON具备某些弹性优势,它可以搭载不同的客户信号以及提供每一用户更高的数据资料传输率,但其光学元件的数量很多,又较复杂,因此和TDMA为基础的 PON系统 ,例如EPON和GPON,或和使用介质转换器的点对点滤波器连接相比较,其成本效益较差。WDM也可结合TDMA PON协定以升级其容量。

六、CDMA PON 

        码分多址(Code-division multiple access, CDMA) 技术亦可被应用於PON中。如同WDM PON一般,CDMA PON可让每一ONU使用一个不同的信号传输率和格式,对应到用户的原始客户信号。光学CDMA亦可和WDM一起使用,以增加带宽。此处将叙述一个典型的做法,如图2所示。 

        CDMA的理论是以同样频道的传输频谱来搭载多重客户信号。信号的加码方式可由解码器辨识。最可行的技术是直接序列扩展频谱(direct sequence spread spectrum),每一客户信号的符号(例如0和1)都是运用较高的速率以更长串的符号来加码。每一ONU使用一个不同的值串给相关的符号。

        幸运的是,光学直接序列 CDMA可以采用被动衍射滤波器来执行其动作。典型的执行动作是采用Bragg衍射光栅(diffraction grating),其架构是采用标准单模式滤波器通过一个所要图案的光罩来进行UV曝光,也可以使用其他的光栅(grating)型态。 

        如图 2所示,加码和解码器可用相同的执行方式。信号被送至滤波器的一端。当信号在滤波器中行进时,栅格规律会以光线反射的作用产生干扰规律。从滤波器反射回来的信号的幅度和相位会被调制,在通过滤波器时会以行进时间的函数做符号变化。在接收器端,反向操作的动作会将接收到的散播频谱符号转回原来的符号。 

        由於Bragg滤波器的线性特性,扩展频谱带宽 (spread spectrum bandwidth)是和ONU之数目成正比的。OLT会将接收到的光学信号分割至多重衍射滤波器,以便从不同的ONU恢复数据资料。在一个典型的光学CDMA执行动作中,发射机和接收机都使用相同的光纤光栅(Bragg gratings)。更复杂的接收器会在发射器和接收器使用不同的光栅,并结合光学和电机方式做处理。适当的设计光栅规律会去除接收器的通话交叉干扰。 

        光栅的温度控制是非常重要的,因为滤波器的实体扩张或收缩会变更规律之有效性。不过。可以进一步运用此特性做成可调式滤波器(还有其他的调整机制) 。不过,频率的稳定度对于光学CDMA系统中的激光并不是必需的。 

        光学CDMA PON的一个主要缺点是一般光学放大器都需要达到一个适当的信号杂音比。由于增加的接收器树型分路(splitter tree)、循环器和滤波器所造成的损失,ONU/OLT分割器比例在没有放大器时只有2:1至8:1的范围,接收器的设计也是比较复杂。因此,和其他方式来比,它们的成本效益较差。



    
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