下一代無源光網(wǎng)絡關鍵技術探討

    PON技術作為一種極具潛力的寬帶接入技術，自從20世紀80年代被提出以來，先后經(jīng)過了寬帶無源光網(wǎng)絡(BPON)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(EPON)以及千兆無源光網(wǎng)絡(GPON)。如今基于WDM的PON技術和基于OCMDA的PON技術都先后被提出，并進行了相關的實驗。實驗表明WDM-PON和OCDMA-PON相對于基于TDM的PON技術在性能上有了較大的提高。但是WDM-PON中可用波長數(shù)目有限，如在ITU-T G.694-2中規(guī)定的基于粗波分復用(CWDM)的系統(tǒng)中，波長范圍為1270nm～1610nm，波長間隔為20nm。這樣可用波長只有18個，遠不能滿足系統(tǒng)需求。而在基于密集波分復用(DWDM)的系統(tǒng)中，雖然可以增加可用波長的數(shù)目，但是會產(chǎn)生較大的干擾，進而會影響到業(yè)務的性能。CDMA技術在無線領域，特別是第三代移動通信系統(tǒng)(3G)中，獲得了巨大的成功。而光領域的CDMA(即OCDMA)技術由于光器件的不成熟，一直阻礙了其發(fā)展。直到最近，光編解碼技術才取得了顯著的進展。因此，這也為將OCDMA技術引入到PON系統(tǒng)創(chuàng)造了條件?；贠CDMA的PON系統(tǒng)避免了TDM-PON中的一系列技術難題，同時不同的用戶共享帶寬資源，用戶之間不需要同步。然而，OCDMA的缺點在于碼長序列有限，并且隨著碼長增加，用戶間的串擾逐漸增大，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，基于WDM和OCDMA的PON系統(tǒng)，即WC-PON相對于其它無源光網(wǎng)絡技術具有極大的帶寬優(yōu)勢和非常高的用戶承載能力，同時減小了用戶間串擾。
　　1. TDM-PON技術
　　PON技術的開發(fā)主線一直沿著基于TDM的帶寬共享方式發(fā)展。TDM-PON技術在下行方向上采用廣播技術，在上行方向采用時分多址技術。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ONU設備發(fā)送的數(shù)據(jù)在OLT接收器上發(fā)生沖突，因此必須引入測距技術和突發(fā)控制技術;同時，為了保證OLT能夠正確地接收來自各ONU的突發(fā)數(shù)據(jù)信號，還需要引入實現(xiàn)快速光檢測的突發(fā)光接收器件，以及能夠快速恢復時鐘信號的突發(fā)時鐘數(shù)據(jù)恢復(BCDR)器件。
　　雖然TDM-PON具有成本較低的優(yōu)點，但在擴展更高帶寬時，基于電的高速突發(fā)接收技術實現(xiàn)起來十分困難，不僅需要增加復雜的帶寬管理算法，同時也在時鐘同步、快速光信號檢測方面，對半導體和光電子行業(yè)提出了苛刻的要求。此外，TDM-PON技術還存在網(wǎng)絡體系安全性脆弱和光纖故障定位困難等問題。
　　2. TDM-PON到WDM-PON的演進
　　TDM-PON雖然有著種種不足，但是由于其經(jīng)濟性，在目前的市場中仍然占主導地位。然而，由于WDM元件成本的持續(xù)下降，以及客戶對帶寬的需求不斷增加，PON技術必然向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技術其實也引用了WDM的概念。TDM-PON在下行方向上用1490nm的波長以廣播的形式向各個用戶發(fā)送信息，在上行方向上以1310nm為載體，利用時分多址的方式進行信息上傳。同時，在下行方向上專門引入了1550nm的波長以傳輸有線電視信號(圖1)。這也可以簡單的理解為基于粗波分復用(CWDM)的TDM-PON技術。
　　2.2 TDM over WDM的PON技術
　　TDM-PON并不能滿足不斷增長的帶寬需求，特別是高清視頻和音頻等新型業(yè)務產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)量將迫使接入網(wǎng)帶寬升級。因而，我們不得不考慮在目前的PON系統(tǒng)結構中更多的使用具有先天優(yōu)勢的WDM技術。圖1中只是簡單采用了3個波長，其實從概念上講完全可以采用TDM over WDM的解決方案。如圖2所示，把每一個子網(wǎng)都可以看成是一個獨立的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，而在上行方向上仍然采用時分復用的方式進行信息匯聚。每個子網(wǎng)通過波分復用設備上連到光線路終端(OLT)。
　　TDM over WDM的PON相對于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用戶可能有更多的時隙傳輸數(shù)據(jù)，從而為用戶提供了較大的帶寬資源。但是，這并沒有避開TDM-PON系統(tǒng)本身存在的弊端，比如測距、動態(tài)帶寬分配、突發(fā)控制、安全性和擴展性等。
　　2.3 WDM-PON技術
　　上面提到的TDM over WDM的PON技術是得不償失的，因為其付出的代價比收益還要大。而采用純的WDM-PON，可以避免時分復用帶來的一系列難題，同時通過在上行方向上為每個光網(wǎng)絡單元(ONU)分配一個單獨的波長，實現(xiàn)真正的點到點鏈路，保證了每個用戶的帶寬。
　　如圖3所示，WDM-PON系統(tǒng)采用與EPON類似的樹形拓撲結構，采用雙纖雙向通信。其下行方向同樣使用1310nm的波長，采用光分路器進行廣播;而在上行方向上，采用WDMA技術，每個ONU采用符合ITU-T G.694.1規(guī)定的密集波分復用(DWDM)波長，或者采用符合ITU-T G.694.2規(guī)定的粗波分復用(CWMD)波長。在分叉處采用光分路器或者波長復用器(WDM)進行合波，在OLT內部有波分復用器分路器(WDM DEMUX)和對應的光接收陣列。
　　在WDM-PON方式下，用戶獨享一個波長資源，但由于波長資源有限，而且波長資源分配方案復雜，因此難于實現(xiàn)大容量用戶的靈活接入。
　　3. OCDMA在PON中的應用
　　OCDMA是CDMA技術在光通信領域的應用和延伸，其具有異步接入、共享信道、數(shù)據(jù)保密性強等優(yōu)點。因而，將OCDMA應用于光接入網(wǎng)，即OCDMA-PON，勢必會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，為每一個用戶分配一個碼型。每個用戶之間的碼型是相互正交的，即可以通過解碼器將每個用戶獨立的碼型從混合碼流中解出。
　　OCDMA-PON技術與PON技術相比，具有可隨機接入，異步工作;帶寬共享，用戶平均使用信道資源;網(wǎng)絡控制簡單，地址配置靈活;業(yè)務透明性好，安全性高等優(yōu)點。從而解決了基于時分復用的PON所面臨的突發(fā)檢測、帶寬動態(tài)分配等問題。但是碼長和碼間干擾限制了OCDMA-PON的用戶數(shù)量。
　　4. 下一代無源光網(wǎng)絡——WC-PON
　　WDM-PON由于波長資源有限，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，彌補了它們各自的不足。WC-PON按區(qū)域劃分為若干個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)采用OCDMA-PON系統(tǒng)的原理，每個ONU分配一個獨立的碼型，單個子網(wǎng)內的碼型相互正交，并分別在上下行方向上承載于同一波長。不同的子網(wǎng)之間采用波分復用機制，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
　　假設復用的波長為N，每一個波長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。相對于單獨的WDM-PON和OCDMA-PON，系統(tǒng)的承載能力得到了極大的提高。
　　2)異步復用
　　在每一個子網(wǎng)中，M個用戶公平地共享帶寬資源，與傳統(tǒng)的TDM-PON相比，真正地實現(xiàn)了異步復用，因而解決了TDM-PON中存在的測距、光突發(fā)接收、動態(tài)帶寬分配等一系列難題，從而能夠充分適應當前或者以后變化豐富的業(yè)務。并且對ONU的位置沒有嚴格的限制。
　　3)對稱性
　　在傳統(tǒng)的TDM-PON網(wǎng)絡中，系統(tǒng)提供的下行比特率往往比上行比特率要大得多，這在過去的一段時間里適應了市場的需求，因為網(wǎng)絡一般基于CS(服務器-客戶端)模型。但是隨著業(yè)務種類的變化，尤其是迅雷、BT等點到點技術的涌現(xiàn)，當前網(wǎng)絡逐漸向對等網(wǎng)絡發(fā)展，這就意味著對ONU而言，上下行業(yè)務向均衡的趨勢發(fā)展，這是TDM-PON技術所不能滿足的。而WC-PON是一種對稱的系統(tǒng)，其上下行都能夠提供吉比特的速率。
　　4)安全性
　　WC-PON相對于TDM-PON和WDM-PON的另一個重要優(yōu)勢在于其安全性。TDM-PON和WDM-PON由于其固有的本質，尤其是在下行方向上采用廣播機制，這使得其安全性得不到保證。要想保證客戶業(yè)務的安全，必須在終端采取加密機制，WC-PON繼承了OCDMA-PON的安全性。
　　WC-PON還具有可擴展性和可裁剪性。因為對于每個子網(wǎng)而言，增加一個碼型或者去掉一個碼型對系統(tǒng)并沒有太大影響，這對于建網(wǎng)和網(wǎng)絡拓撲的改變都是很方便的。由于WC-PON的種種優(yōu)勢，其必將成為未來光接入網(wǎng)的必然選擇。 通信吧招聘活動獵頭篇