下一代無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

0 引言

PON技術(shù)是一種典型的電到多點接入技術(shù)，由局側(cè)光線路終端（OLT）、用戶側(cè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）以及光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成。“無源”是指ODN中不含有任何有源電子器件及電源，全部由光纖和光分/合路器（Splitter）等無源光器件組成，如圖1所示。

TDM-PON技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟化、商業(yè)化，BPON、EPON已經(jīng)在很大的范圍內(nèi)被采用，GPON也已在2007年開始部署。于是，很自然的出現(xiàn)了一個問題：如何定位下一代PON技術(shù)的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)上謹(jǐn)慎的做法是構(gòu)建一種可滿足未來網(wǎng)絡(luò)拓展需求，以更低的單用戶價格連接大量的終端用戶，按需求傳送可靈活調(diào)整帶寬的可擴展PON，它將無需對外部構(gòu)件進行改進就可升級，朝著這個方向，下一代PON的主要發(fā)展趨勢有以下幾個方面：WDM-PON、WDM/TDM混合PON、10G　EPON、PON/ROF匯聚、Long-Reach PON。

1 WDM-PON

一種直接升級TDM-PON的途徑是在OLT與ONU之間采用獨立的波長信道，這種方式通過物理上點對多點的PON結(jié)構(gòu)在OLT和每個ONU間形成了點對點的連接，被稱為WDM-PON。

相比TDM-PON，WDM-PON有許多優(yōu)勢，例如高帶寬，協(xié)議透明性，安全性更高，靈活的可擴展性，影響WDM-PON大規(guī)模應(yīng)用的最大問題在于基于不同波長的使用導(dǎo)致ONU的成本高。因此WDM-PON核心技術(shù)的發(fā)展都與如何為ONU構(gòu)建一個便宜和穩(wěn)定的光發(fā)射機相關(guān)。為了降低WDM-PON技術(shù)運行成本和提高其與原有資源的兼容性，系統(tǒng)設(shè)計者和設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)聯(lián)手共同開發(fā)一種無色ONU技術(shù)，其中最簡單的方法是使用可調(diào)諧激光器作為光發(fā)射器，但這類激光器價格十分昂貴，不適合用于接入網(wǎng)；另一種是寬光源和頻率切割技術(shù)，超輻射發(fā)光二極管（SLD）可發(fā)射出高輸出功率，可以選擇它的中心波長與帶寬，同時它是十分成熟、廉價的光設(shè)備。而目前新的有效的WDM-PON技術(shù)的實現(xiàn)方案大體上可以分為兩部分：第一部分是從OLT端到ONU端，這一部分采用了WDM技術(shù)；第二部分是從ONU端到網(wǎng)絡(luò)終端(NT)，這一部分采用了TDM技術(shù)。

2 WDM/TDM混合PON

WDM/TDM PON將是未來PON的發(fā)展趨勢。由于現(xiàn)階段實現(xiàn)WDM-PON存在不小的難度，因此較為合理的網(wǎng)絡(luò)升級策略是從TDM-PON向WDM-PON逐步過渡，而在過渡的過程中，兩者的共存階段是必須要經(jīng)歷的，將出現(xiàn)被稱為WDM/TDM混合PON的多種融合形式。WDM和TDM混合模式的PON結(jié)構(gòu)具有容量大、高可靠、節(jié)約城域光纖資源等突出優(yōu)勢，在將來的接入網(wǎng)絡(luò)改造和升級中將發(fā)揮巨大作用�；�于WDM技術(shù)的PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以兼容現(xiàn)有的1 G/2.5 G/10 G EPON、GPON和P2P等多種光纖接入技術(shù)。通過波長規(guī)劃可以直接承載1310 nm波長的有線電視（CATV）業(yè)務(wù)，實現(xiàn)“三網(wǎng)融合”；在線路中引入光鏈路監(jiān)控信號，實現(xiàn)ODN網(wǎng)絡(luò)的光鏈路檢測功能。另外通過WDM-TDM PON可以構(gòu)建一個具有更大接入容量、更高傳輸速率、面向全業(yè)務(wù)運營的具有中國特色的全新光接入網(wǎng)。

目前最自然的TDM-PON和WDM-PON融合技術(shù)是級聯(lián)。在一個WDM/TDM混合PON中，如果每個波長信道間獨自工作，除了源TDM-PON的MAC協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中無需一種額外的MAC控制協(xié)議。然而這種方案可能無法有效的利用帶寬，尤其是當(dāng)一些波長過載而另外的波長輕負載的情況。如果在所有ONU間共享這些波長，那么系統(tǒng)總吞吐量將會得到顯著的提高�；�于這個原因，需要一種被稱為動態(tài)波長分配（DWA）算法的波長調(diào)度方案，來通過控制可調(diào)諧激光器(LD)和WDM過濾器使得波長信道動態(tài)化。一種不僅分配時隙， 還為ONU分配波長的DWA/DBA算法的融合， 是WDM/TDM 混合PON發(fā)展的一個重要研究領(lǐng)域。

在WDM-PON中提供廣播業(yè)務(wù)是困難的，為了解決這個問題，WDM/TDM PON的融合結(jié)構(gòu)正在向PON中添加廣播波長的核心技術(shù)方向上進行發(fā)展。

3 10G EPON

普通EPON的自然升級是10G EPON，促進10G EPON發(fā)展的主導(dǎo)驅(qū)動力是市場需求。為了滿足市場需求，IEEE802.3av 10G EPON工作組在2006年9月成立，它們的任務(wù)是在2009年完成IEEE 802.3av 10 G EPON標(biāo)準(zhǔn)制定的工作。10 G EPON在系統(tǒng)組成上與1G EPON相同，但需采用支持10 G速率的OLT、ONU和ODN。10 G EPON在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上仍然延續(xù)1 G EPON的典型形拓撲結(jié)構(gòu)。

10 G EPON分為兩個類型：其一是非對稱方式，即采用10 G速率下行，但上行速率與EPON相同仍然為1 G；其二是對稱方式，即上下行速率均為10 G的EPON系統(tǒng)。相比來說，由于PON系統(tǒng)的上行傳輸技術(shù)難度較大，因此1 G上行10 G下行方式的10 G EPON系統(tǒng)較為容易實現(xiàn)，目前芯片廠家已經(jīng)可以提供原型系統(tǒng)。但由于該類系統(tǒng)上下行帶寬比達到1:10，因此能否與實際用戶業(yè)務(wù)需求的帶寬模型相匹配存在疑問。

目前10 G下行將采用1 574～1 580 nm，其與波長范圍在1 480～1 500 nm間的1 G下行共存，保留了1 540～1 560 nm用于處理視頻過載。10 G EPON下行采用10 G的傳輸速率進行廣播已經(jīng)沒有異議，但上行采用1G的傳輸速率還是10 G的傳輸速率，是采用TDMA還是WDMA則還要考慮。

采用TDMA技術(shù)的10 G EPON在成本上無疑較采用WDMA技術(shù)的10 G EPON要低得多，而且和目前的802.3ah EPON相比成本也不是特別高。但是采用TDMA技術(shù)的ONU的數(shù)據(jù)在上傳前必須等待自己的允許周期，不同ONU的上行數(shù)據(jù)中間還有保護時間，更重要的以太網(wǎng)幀是變長的，如果正在等待的ONU發(fā)送之前PON上下行鏈路均在發(fā)送長包，則該ONU可能等待的時間更長，這些因素都導(dǎo)致了采用TDMA的10 G EPON上行方向時延將較大，這對于對時延特別敏感的業(yè)務(wù)(如VOIP)十分不利。另外采用TDMA技術(shù)的10 G EPON其上行平均帶寬較小(相當(dāng)于所有ONU共享1 G或10 G的帶寬)。相比之下采用WDMA的10 G EPON每個ONU獨享1 G或10 G上行帶寬，另外上行方向使用的是真正的點對點(P2P)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送時無需等待，延時極低。然后不幸的是該方案優(yōu)越的性能需要高昂的成本代價，因此采用WDMA技術(shù)的10G EPON不太可能普及到用戶家里，即不適合FTTH應(yīng)用，但作為FTTB和FTTC還是大有前途的，也可以用于級聯(lián)現(xiàn)有的GEPON。采用TDMA技術(shù)的10G EPON，如果能夠解決上行時延過大的問題，在FTTH應(yīng)用特別是高清IPTV接入領(lǐng)域中將大有作為。

4 PON/ROF匯聚

伴隨著光纖敷設(shè)到用戶駐地趨勢的日益深入化，EPON、GPON和WDM-PON已經(jīng)進入了無線接入市場。另外一方面，BWA(寬帶無線接入)技術(shù)諸如WiFi/WiMAX/3G正變得流行，它們的優(yōu)勢在于更具拓展性和靈活性。為了充分利用光纖的大容量和無線規(guī)劃的移動固定性，逐步出現(xiàn)了一個很有希望的研究領(lǐng)域，即無線和光網(wǎng)絡(luò)的融合。一個簡單的融合例子是在FTTB環(huán)境中EPON和WiFi的級聯(lián)。出于經(jīng)濟可行性考慮，在集中住宅單元部署一個帶有接入到IEEE802.11n WLAN接口的ONU以覆蓋眾多用戶，這是一種替代實現(xiàn)FTTH的好方案。

一種真正的光網(wǎng)絡(luò)和無線的匯聚可能發(fā)生在基于光纖傳輸?shù)膹V播系統(tǒng)（ROF）。一種關(guān)于PON與ROF會聚的新方向是在PON的光纖實體端傳送RF子載波，從而基帶信號數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)調(diào)制的RF信號能同時傳送到有線和無線用戶處。

5 Long-Reach PON

帶有大的分流比，長反饋距離的Long-Reach PON被認(rèn)為是下一代光接入網(wǎng)的候選之一，為了延深PON 的可達距離至100 km，采用的方式是開發(fā)雙向的內(nèi)置光放大器。由于這使得中繼器運作靈活，因此Long-Reach PON或Super PON的說法有些不正確，取而代之Long-Reach光接入網(wǎng)是個比較可取的名字。

迄今為止，已經(jīng)開展了許多以擴展GPON可達距離為主要方式的研究活動，在這些過程中所用的光放大器是EDFAs（摻餌光纖放大器）或SOAs（半導(dǎo)體光放大器）。Long-ReachPON技術(shù)的進步使得城域網(wǎng)發(fā)展重心轉(zhuǎn)向接入網(wǎng)變得可能，這也是城域和接入?yún)R聚的一個重要的發(fā)展方向。

6 下一代PON演進的主流思路

FSAN組織將NG-PON的研究分為兩個部分：NGA1和NGA2。其中，NGA1研究方向主要為制定可兼容當(dāng)前GPON，能夠共享同一個ODN的下一代PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括引入WDM技術(shù)的研究，實現(xiàn)stacked GPON技術(shù)研究以及長距GPON技術(shù)研究，此外，雖然10 G GPON也屬于NGA1的范疇，但在FSAN組織暫沒有列入計劃討論。NGA2研究方向則不考慮對于當(dāng)前GPON網(wǎng)絡(luò)兼容性以及PON的兼容性，光波長選擇也不受目前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的限制，開放式地討論GPON技術(shù)發(fā)展?jié)摿�，目前主要探討方向是高速率、長距、大分光比的WDM-PON與TDM-PON相結(jié)合的混合PON網(wǎng)絡(luò)。

7 結(jié)語

綜上所述，在眾多新出現(xiàn)的PON技術(shù)中10G EPON是最有希望的，因為它將提供最高的傳輸容量，最低的單用戶價格以及最方便的方式從1 Gb/s升級至10 Gb/s。最簡單的以太網(wǎng)協(xié)議使得10 G EPON比10G GPON更容易實現(xiàn)，比之WDM-PON，10 G EPON的單用戶成本將低很多，因為更高速的電子器件遠比光波長器件便宜。

為了滿足WDM-PON中無色ONU要求，外部注入鎖定的F-P激光器技術(shù)的比特速率受限，可利用RSOA的回環(huán)和重調(diào)制技術(shù)使其達到更高的的比特速率。如果RSOA的成本降下來，關(guān)于WDM-PON相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，則WDM-PON將獲得更為廣泛的應(yīng)用前景。

WDM/TDM混合PON是一種升級TDM-PON至更高帶寬和更低單用戶成本的理想過渡方法。一種跨越不同TDM-PON的ONUs共享可調(diào)諧激光器，因而MAC層協(xié)議和為具體的網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)置的DWA/DBA融合算法需要得到進一步的發(fā)展改進。比之WDM/TDM混合PON，視頻廣播/多播和Long-Reach光接入網(wǎng)需要更多的關(guān)注，而光纖和無線的匯聚是一個新的研究領(lǐng)域。

所有這些系統(tǒng)很有可能在可預(yù)見的將來共存，總體說來下一代PON趨向于大帶寬、大分光比以及長距的方向發(fā)展，EPON與GPON標(biāo)準(zhǔn)組織分別采用了單波長提速和單纖提速和單纖多波長的技術(shù)思路。

盡管目前尚無對下一代PON成文的具體分類方式，但對于下一代PON的主流發(fā)展趨勢與技術(shù)的認(rèn)識是基本一致的，即從技術(shù)、成本、市場等諸多因素方面考慮，相對而言，WDM/TDM-PON融合技術(shù)具有更順暢、更現(xiàn)實的近期發(fā)展前景，伴隨著迅速增長的帶寬等需求，10 G EPON技術(shù)的相關(guān)理論也有望在不遠的將來得到跨越式的發(fā)展，而WDM-PON技術(shù)則是較為理想的遠期發(fā)展目標(biāo)。當(dāng)然，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的發(fā)展，所述多種技術(shù)在具體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時存在相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實無法預(yù)料性，且技術(shù)本身存在的問題也有待在實踐中進行深入研究，因此無法斷言現(xiàn)今正流行或被一致看好的技術(shù)一定會在將來得到很好的應(yīng)用前景，對此ATM網(wǎng)絡(luò)就是一個很好的反例。

基于中國具體國情考慮，10 G EPON的技術(shù)思路更符合中國FTTB的建設(shè)思路，更有利于FTTB（EPON）+LAN/xDSL網(wǎng)絡(luò)的演進發(fā)展。