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Steven S. Gorshe，PMC-Sierra的CTO組織首席工程師
在Triple Pay服務(wù)的趨勢(shì)下，帶寬極高的光纖成為電信運(yùn)營(yíng)商及CATV運(yùn)營(yíng)商的必要選擇，但是光纖過高的成本卻成為另一隱憂。無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）能降低運(yùn)營(yíng)商的使用空間、配置接入光纖的人工成本及維護(hù)成本。本文總結(jié)光纖的演進(jìn)，以及用在接入網(wǎng)絡(luò)的光纖技術(shù)，并概述PON的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。
簡(jiǎn)介
有幾個(gè)主要原因使眾多電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)提供語音、視頻以及高速數(shù)據(jù)接入之“三重服務(wù)Triple Play” 服務(wù)愈來愈有興趣。最重要的是，不斷增加的各種應(yīng)用促使許多用戶希望取得更高的帶寬，包括網(wǎng)絡(luò)的使用、互動(dòng)游戲和視頻的傳輸。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商也非常急迫的要提供各種新的服務(wù)以增加營(yíng)收的機(jī)會(huì)，這對(duì)現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商格外的重要，因?yàn)樗麄円蜔o線移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商以及VoIP競(jìng)爭(zhēng)語音服務(wù)的業(yè)務(wù)營(yíng)收。在北美和某些其它地區(qū)，有線電視運(yùn)營(yíng)商（CATV）亦在利用其有線電纜網(wǎng)絡(luò)提供給用戶“Triple Play”服務(wù)。一些中央和地方政府在某些情況下非常鼓勵(lì)并補(bǔ)貼三重服務(wù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，所取得的地區(qū)或中央級(jí)的可能優(yōu)勢(shì)包括了使用電信通訊網(wǎng)路以降低傳輸基礎(chǔ)架構(gòu)的成本、通過遠(yuǎn)距教學(xué)改善勞動(dòng)力的技術(shù)水準(zhǔn)、并建構(gòu)一個(gè)更理想的地方以吸引新公司和勞動(dòng)力至該地區(qū)。雖然對(duì)于推出三重服務(wù)的興趣已經(jīng)超過二十五年，我們終于有足夠的各式用戶應(yīng)用來創(chuàng)造服務(wù)的需求，而且技術(shù)已經(jīng)夠成熟，使用時(shí)具有成本效益。
電話網(wǎng)絡(luò)和有線電視CATV網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)上都是使用銅線做 “最后一公里”連接至客戶端。和電話公司所使用的絞線相比較，有線電視公司所使用的同軸電纜線有更高的帶寬，某些電話公司也考慮配裝自己的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。不過，為了經(jīng)濟(jì)效益，必需由許多用戶共同分用這些電纜線。同時(shí)，大部分的同軸電纜線的帶寬被分割成幾個(gè)頻道，用來做下游視頻播放的頻道，只剩下有限的帶寬用來做頻道的上游流量和服務(wù)之用，例如交互式的video on-demand （VoD）。很明顯的，最具彈性和 “未來性”的媒介體是光纖，它具有無限的可用帶寬。對(duì)電話網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來說，用光纖做連接是非常具吸引力的，采用它可以超越有線電視運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)能力。
本文開始時(shí)將簡(jiǎn)介在接入網(wǎng)絡(luò)中使用光纖的歷史概況，從電信運(yùn)營(yíng)商直接以光纖連接至每一用戶的成本過高，大部份的光纖接入系統(tǒng)都同時(shí)讓許多用戶分用一個(gè)無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）。本文將介紹一些具競(jìng)爭(zhēng)力的PON技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，其中包括現(xiàn)有的ITU-T G.983 系列寬帶PON （B-PON）、ITU-T G.984系列Gigabit PON （GPON） 和IEEE 802.3ah Ethernet PON （EPON） 標(biāo)準(zhǔn)，以及未來的PON技術(shù)，例如IEEE 803.3av 10Gbit/s EPON、WDM PON和CDMA PON。
FITL歷史簡(jiǎn)介
第一次對(duì)光纖到戶（FTTH）非常認(rèn)真看待的時(shí)間可回溯至1980年代末期，當(dāng)時(shí)電話公司已獲得提供用戶ISDN寬帶服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)。在光纖收發(fā)器、接收器和光纖FTTH技術(shù)快速發(fā)展之下，F(xiàn)TTH 的發(fā)展?jié)摿Τ趼抖四摺?BR>
第一代FTTH系統(tǒng)曾試圖以光纖來直接入代銅線回路，因此安裝了一個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)終端機(jī)（ONT）在（或靠近）客戶端。光纖的網(wǎng)絡(luò)端在一個(gè)光纖線路終端機(jī)（OLT）上的一個(gè)線路卡做連接之終端，或在一個(gè)傳統(tǒng)的數(shù)字回路電信系統(tǒng)上（DLC） 做連接的終端。此種拓普（topology）做法亦稱之為一個(gè)主動(dòng)之星（active star），如果在DLC遠(yuǎn)程終端機(jī)（RT）上采用一組光纖收發(fā)器以便達(dá)到ONT，則稱之為一個(gè)主動(dòng)雙星（active double star）。大部份大型設(shè)備廠商都會(huì)建構(gòu)此類系統(tǒng)的原型系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)試用版本（例如[21]）。此類系統(tǒng)的光纖至用戶的典型帶寬是一個(gè)DS1或E1信號(hào)。
開發(fā)無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）主要是要降低光纖收發(fā)器和光纖的數(shù)目。如圖一所示，一個(gè)PON系統(tǒng)在OLT使用單一光纖收發(fā)器通過一個(gè)光纖樹或一個(gè)具備無源光纖信號(hào)分配器的總線來服務(wù)多個(gè)用戶。第一個(gè)真正試用的PON系統(tǒng)是大約在1989年由英國(guó)電信所開發(fā)出來的[20]。第一代的PON系統(tǒng)則是由知名的設(shè)備的廠商和新設(shè)立的公司（start-up companies）所開發(fā)出來的。
第一個(gè)布建的商業(yè)性PON系統(tǒng)是針對(duì)企業(yè)客戶。不過，市場(chǎng)規(guī)模不大，原因是要求比DS1/E1 還要高帶寬的企業(yè)客戶群并不多。讓人意外的是，促使PON配置成長(zhǎng)快速的動(dòng)力來自住宅用戶對(duì)高速因特網(wǎng)的需求。DSL （數(shù)字用戶回路）是1990年代末期在住宅用戶應(yīng)用上最具成本效益的技術(shù)，由于頻譜兼容性的問題，它必需將T1信號(hào)從銅線組中移開。因此，PON就成為服務(wù)企業(yè)客戶最具吸引力的選項(xiàng)，它讓銅線電纜可以專注于提供住宅DSL服務(wù)。
圖 1 – PON 案例
另一個(gè)降低FITL系統(tǒng)成本的方式是由同一個(gè)ONT 光纖到戶外路邊Fiber to the curb （FTTC）系統(tǒng)來服務(wù)多個(gè)用戶，一 般來說，從一個(gè)ONT可以服務(wù)4至12個(gè)用戶，如此可提供三個(gè)主要成本效益。第一，和FTTH .相比，它可以降低光纖零器件的數(shù)目；第二，F(xiàn)TTC 從住宅外保留了最后幾百公尺連接至住宅內(nèi)的銅線回路，要在客戶端安裝光纖是非常昂貴的。這個(gè)短回路（一般都少于300公尺）可使用DSL技術(shù)來傳輸相同的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和視頻服務(wù)，并讓模擬POTS以其原來的頻率范圍持續(xù)傳輸。第三個(gè)FTTC好處是更適合以網(wǎng)絡(luò)提供電力給用戶的電話（參看第2.2.2節(jié)有關(guān)電力供應(yīng)問題的討論）。從FTTC變化出來的做法包括光纖到柜 fiber to the cabinet （FTTCab），柜子可以比一般的住宅邊設(shè)備服務(wù)更多的用戶，另外還有光纖到客戶端fiber to the premise （FTTP），此處的客戶端是一個(gè)多租戶的建筑物。在美國(guó)FTTN （Fiber to the Node）已經(jīng)變成FTTC/P/Cab系統(tǒng)的一個(gè)普遍名詞。
影響此種FTTC/FTTCab/FTTP 系統(tǒng)成本效益的因素眾多，其中包括每一OLT光纖收發(fā)器的ONT數(shù)目、光纖及安裝的成本、ONT端及客戶端的DSL收發(fā)器的成本、供應(yīng)ONT電力的整體成本、安置ONT的空間占用成本等。
對(duì)某些歐洲和美國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商來說，目前比較喜愛的規(guī)劃是用FTTC結(jié)合VDSL。不過，很明顯的，F(xiàn)TTC/FTTCab/FTTP系統(tǒng)在高帶寬的服務(wù)方面比FTTH系統(tǒng)的彈性度要低，因?yàn)楫?dāng)用戶需要不同服務(wù)速度時(shí)，對(duì)設(shè)備造成的沖擊較大。
FITL 技術(shù)上的挑戰(zhàn)
■光器件
第一代的FITL系統(tǒng)面對(duì)了許多技術(shù)性的挑戰(zhàn)。雖然將光纖接至用戶的多模光纖比較便宜，但是單模光纖的帶寬較優(yōu)，是比較好的選擇。不過，單模光纖需要用到激光發(fā)射器，因?yàn)樗睦w芯直徑太小，無法從LED發(fā)射器送出適當(dāng)?shù)墓饽芰�。在CD播放器上使用的廉價(jià)激光器無法被使用，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL(zhǎng)（一般從750nm至810nm）在單一模式玻璃光纖中是以多模式方式行進(jìn)的。以單模傳輸?shù)淖盍畠r(jià)激光器是采用1310nm，在1990時(shí)框（time frame）中此類的激光器是非常昂貴的。將光纖收發(fā)器直接連至每一用戶還是沒有成本效益的。
熔接（fused）式光纖分配器（fiber splitter）的出現(xiàn)大幅度降低了成本，讓PON更具吸引力 。無源的分配器將光能量分割至分配器的各支路上，當(dāng)在OLT和ONT之間的分配器數(shù)目增加時(shí)，功率會(huì)快速降低。因此，每一OLT收發(fā)器的ONT的分配比例之范圍一般都在16-比-1 和64-比-1之間。較高的分配器比例需要光學(xué)放大器。由于光學(xué)放大器的成本是由多家用戶共同分擔(dān)的，因此如果PON系統(tǒng)指數(shù)據(jù)傳輸率足夠高，能給所有用戶提供足夠量的帶寬，則頗具成本效益。
目前在PON系統(tǒng)一般都采用時(shí)域多路存取技術(shù)Time domain multiple access （TDMA）方式，其中所有ONT會(huì)輪流以脈沖方式傳送其上傳數(shù)據(jù)。參看圖2。在一個(gè)TDMA PON系統(tǒng)中的限制性技術(shù)因素之一是在各個(gè)ONT上傳數(shù)據(jù)時(shí)所需的防護(hù)時(shí)間。此防護(hù)時(shí)間包括一個(gè)ONT激光器被關(guān)閉和下一個(gè)ONT激光器打開時(shí)所需的時(shí)間，加上OLT調(diào)整至光學(xué)信號(hào)水準(zhǔn)所需的時(shí)間，以及新的脈沖達(dá)到時(shí)脈（clock）和數(shù)據(jù)同步所需的時(shí)間。當(dāng)PON數(shù)據(jù)傳輸率增加時(shí)，防護(hù)時(shí)間對(duì)上傳時(shí)間的百分比會(huì)跟著增加，相對(duì)于所希望的上傳數(shù)據(jù)速度，需要更高的脈沖傳輸速率。
圖 2 – TDMA 圖示
■連接電力至回路
在許多國(guó)家的FITL系統(tǒng)中，其最大的阻礙不是光器件的成本，而是提供可靠的電力至ONT和用戶。電話公司一般都是以一條-48Vdc 的電力輸送線將電壓輸送至用戶的電話機(jī)上，當(dāng)電力公司斷電時(shí)，一般都還會(huì)供應(yīng)約八小時(shí)的備用電力 。此種服務(wù)的高可靠度常被稱為‘生命線POTS’服務(wù)，因?yàn)橛脩粼诰o急狀況時(shí)可依賴此服務(wù)。連接至當(dāng)?shù)仉娏镜腄LC RT設(shè)備以及CO設(shè)備共同使用一組電池做備援。當(dāng)發(fā)生重大災(zāi)害時(shí)（例如水災(zāi)），會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)期斷電，在CO端會(huì)使用發(fā)電機(jī)，而在RT端可以使用便攜發(fā)電機(jī)來對(duì)電池進(jìn)行充電。對(duì)FTTH/C來說，便攜發(fā)電機(jī)是不切實(shí)際的，因?yàn)?ONT的位置太多了。
更重要的是，每五到十年就要更換電池，不但要花人力，還要付出成本。對(duì)電池的研究 （汽車產(chǎn)業(yè)非常鼓勵(lì)此研究）已經(jīng)改善了電池的壽命和容量，不過還是不適用在FTTH/C。值得注意的是，雖然ONT器件的能耗愈來愈低，但它們?nèi)灾徽颊w尖峰功率的一部份，尖峰功率和提供用戶電話機(jī)的電力和振鈴有關(guān)。
另一個(gè)因素是至電力公司的連接數(shù)目，每一個(gè)連接都要有一個(gè)電表。替代每一ONT連接至電力公司的方式，是采用一個(gè)分離的‘電力座power pedestal’，可以供應(yīng)多個(gè)ONT的電力，并包括它們的備援電池。對(duì)FTTH來說，另一個(gè)方式是讓用戶自行供應(yīng)電力至FTTH，并提供一個(gè)折扣給用戶也降低他們的電力費(fèi)。
因此，在這個(gè)激光器、光纖和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖澜�，講到電力的話題似乎有一些俗氣，但卻是一個(gè)大問題，還沒有一個(gè)容易的解決方式。不過，在廣泛使用移動(dòng)電話之下，情況已經(jīng)改變了。用戶開始習(xí)慣自己負(fù)擔(dān)電話的用電，并自行維護(hù)電話服務(wù)所需的電池，客戶很希望從FTTH獲得各種寬帶服務(wù)，因此可能很愿意負(fù)起自行供應(yīng)電力的責(zé)任，以及提供ONT的備援電力。而且，F(xiàn)TTH用戶非�？赡芤呀�(jīng)是移動(dòng)電話的用戶了，亦可以使用移動(dòng)電話做為生命線的服務(wù)。這個(gè)現(xiàn)象，加上對(duì)寬帶服務(wù)的需求的成長(zhǎng)，打開了住宅PON配置之門。
PON系統(tǒng)簡(jiǎn)介
■PON系統(tǒng)概述
如圖一所示，一般ONT都會(huì)提供給用戶一個(gè)POTS接口以及一個(gè)高速接口，可能是Ethernet或DSL。該OLT包括許多PON接口單位，一個(gè)給數(shù)據(jù)服務(wù)使用的交換光纖（switch fabric） （很可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的光纖或語音頻道的復(fù)用器），以及一個(gè)NE控制器。這些ONT最終還是由NE控制器來管理，此控制器負(fù)責(zé)所有的ONT和OAM&P之報(bào)告。OLT和ONT共同形成PON系統(tǒng)，其功能就如同一個(gè)NE一般。光纖的互連可被看成是一個(gè)擴(kuò)展的背板。
在下鏈的方向，OLT將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸給所有的ONU。此下鏈信號(hào)包含了所有ONT的下鏈數(shù)據(jù)、OAM的Overhead，以及上鏈傳輸所需的同步信息。這些ONT在摘取它們的下鏈數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)，所依據(jù)的是時(shí)間槽（time slots）、細(xì)胞/封包地址、波長(zhǎng)、或者CDMA碼。
在上鏈的方向，這些ONU需要一個(gè)媒介存取控制 medium access control （MAC） 協(xié)議來分用此PON。最普遍的MAC協(xié)議是TDMA，在此協(xié)議中每一個(gè)ONT都分配一個(gè)時(shí)間槽 （time slot）用來傳輸它們的上鏈數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。
如第2.2.1節(jié)所述，在各個(gè)ONT上鏈脈沖傳輸之間需要一個(gè)防護(hù)帶寬時(shí)間（guardband time），因此它們的傳輸不會(huì)在OLU接收器上互相重迭。各ONT信號(hào)通過光纖以光速除以光纖折射指數(shù)（約為2m/s）進(jìn)行傳輸。大部份現(xiàn)今的PON系統(tǒng)都有一范圍協(xié)議（ranging protocol） 來測(cè)量此延遲，因此當(dāng)ONT脈沖以最小的防護(hù)時(shí)間到達(dá)OLT 時(shí)可以被調(diào)整。
基本的TDMA PON系統(tǒng)會(huì)預(yù)先指定上鏈帶寬的一個(gè)固定部份給每一ONT，不管所要傳送的數(shù)據(jù)有多少。動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBA）可讓上鏈帶寬使用起來更有效率。采取DBA，每一ONT會(huì)將所需的帶寬通知給OLT。此數(shù)據(jù)可能包括不同服務(wù)等級(jí)的輸入。OLT會(huì)評(píng)估ONT的需求，并指派帶寬給下一個(gè)上鏈傳輸。此OLT可能包括在DBA運(yùn)算機(jī)制中數(shù)據(jù)流動(dòng)相關(guān)的服務(wù)層次協(xié)議service level agreement （SLA）的數(shù)據(jù)。這些帶寬的指派都被傳送到下游，一般都代表一個(gè)共同參考點(diǎn)的傳送開始和停止/區(qū)間。在某些系統(tǒng)中，ONT必需在所分配的上鏈傳輸槽中負(fù)責(zé)決定傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先次序。
一般PON 系統(tǒng)都以相同的光纖同時(shí)傳送上鏈和下鏈數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。而方向性的客戶有時(shí)習(xí)慣于在兩個(gè)方向都用相同的波長(zhǎng)，較高速的系統(tǒng)一般都在各方向使用不同的波長(zhǎng)。最普遍的是采用粗波分復(fù)用coarse wave division multiplexing （CWDM），其中使用1490或1550 nm 做下鏈方向，1310 nm 做上鏈方向，可將比較廉價(jià)的1310 nm 激光器安置在ONT。
值得注意的是某些PON系統(tǒng)采用1490 nm作為下鏈PON信號(hào)傳輸，而視頻則以1550 nm的波光作為下鏈傳輸。以WDM做視頻重迭對(duì)現(xiàn)有的配置提供一簡(jiǎn)單的升級(jí)，并增加下鏈的容量。模擬視頻傳輸則沒有這些問題，因?yàn)槿狈?shù)字內(nèi)容，以及沒有包含數(shù)字內(nèi)容的規(guī)定。
■PON 系統(tǒng)概述
第一代的PON采用TDM信號(hào)，例如DS1/E1信號(hào)等。其下鏈訊框（downstream frame）是一個(gè)TDM訊框，其時(shí)間槽是被指派給每一ONT的數(shù)據(jù)資料。對(duì)任何TDMA協(xié)議來說，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)數(shù)據(jù)，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)語音信號(hào)來說，這樣可反應(yīng)出許多語音樣品。對(duì)封包數(shù)據(jù)來說，在一個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)中，就只是一堆在該訊框中要傳送的封包bytes。
第二代的PON采用ATM，在將上傳數(shù)據(jù)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)制來支持QoS。此時(shí)的ATM被認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)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細(xì)胞數(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)議。
由于IP封包包括更多的用戶數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，同時(shí)IP封包一般都是在Ethernet訊框中，因此再路由的過程中采用封包技術(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)就已經(jīng)采用以太網(wǎng)的框架Ethernet frames。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）。下一節(jié)將敘述此兩個(gè)協(xié)議的上傳格式。
■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項(xiàng)目，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、 上傳和下傳訊框率和格式、TDMA上傳接入?yún)f(xié)議、物理層接口、ONT管理以及控制接口、存活度的強(qiáng)化、以及DBA。表一是B-PON功能特性的摘要。
下鏈傳輸是一串ATM單元的傳送，一個(gè)下傳的訊框包括了56 53-byte 單元槽給155 Mbit/s的速率以及4x56=224 單元槽給622 Mbit/s的速率，每28單元槽插入一個(gè)物理層OAM （PLOAM） 單元。PLOAM包含一個(gè)framing bit 以找出PLOAM 單元。此外，PLOAM單元是可程控的，并包括一些信息，例如上傳帶寬以及OAM訊息。這些ONT使用ATM VPI/VCI地址在下傳信號(hào)中找出它們的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。
在上傳訊框中包括53 56-byte時(shí)間槽。每一個(gè)時(shí)間槽包含一個(gè)ATM/PLOAM 單元和24 bits的其它用量。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來復(fù)原計(jì)時(shí)以及信號(hào)水準(zhǔn)，還有一個(gè)分隔符號(hào)來指示此資料的終點(diǎn)。該數(shù)據(jù)群的長(zhǎng)度及內(nèi)容可由OLT來程控。當(dāng)OLT要求時(shí)，ONT會(huì)傳送PLOAM單元。
從OLT指派的帶寬數(shù)據(jù)會(huì)告知每一ONT會(huì)使用哪一個(gè)上傳時(shí)間槽（upstream time slots）來傳送它的上傳數(shù)據(jù)。B-PON DBA 協(xié)議可讓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傳送出來的ATM 空閑單元 數(shù)目。在ONT傳送Idles時(shí)OLT會(huì)降低帶寬，在ONT的上傳槽中充滿了數(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來宣告自己。新的ONT在此期間傳來一個(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)送給新的ONT一個(gè)范圍的訊息并測(cè)量接到此反應(yīng)的時(shí)間，來確定至每一新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)有相同的來回和等化延遲。如此可使從各ONT出來的上行傳輸譯最小的防護(hù)時(shí)間到達(dá)OLT。.jpg)
■EPON
IEEE 802.3ah EPON之發(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。
下鏈傳輸是一串以太網(wǎng)絡(luò)訊框。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Gigabit Ethernet連接中，這些訊框都是相同的， 只有前導(dǎo)碼和分隔符號(hào)是被修改過的，這樣便于搭載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所指派的時(shí)間槽中傳送以太網(wǎng)絡(luò)訊框的脈沖。
多點(diǎn)控制協(xié)議Multi-Point Control Protocol PDUs （MPCPDUs）是基本的802.3 MAC控制訊框，由ONU使用來請(qǐng)求帶寬（Report訊息），以及由OLT指派帶寬（Gate訊息）。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)數(shù)據(jù)一起傳送。而Gate訊息中包括ONU所需之傳送只開始時(shí)間和期間。帶寬之請(qǐng)求和指派包括inter-frame gap和糾錯(cuò)傳遞（Forward Error Correction）所需的任何帶寬。EPON亦可執(zhí)行DBA。
EPON的上傳時(shí)間嘈和范圍協(xié)議和B-PON與GPON不同，因?yàn)樗鼪]有一個(gè)正規(guī)的下傳和上傳訊框架構(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)間截記（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通過比較接收到的值和自己的計(jì)數(shù)器值以決定來回的延遲。當(dāng)OLT指派ONU上傳開始時(shí)間會(huì)將此來回延遲列入考慮。
關(guān)于ranging和 activation則和B-PON類似，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。
■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被最佳化以搭載以太網(wǎng)絡(luò)訊框。表一為GPON特性摘要。
雖然GPON支持ATM 負(fù)載，它亦引入一個(gè)新的負(fù)載機(jī)制，稱之為GPON Encapsulation Method （GEM），亦被最佳化以便搭載以太網(wǎng)絡(luò)訊框。GEM是采用G.7041 Generic Framing Procedure （GFP）， 不同處是GEM為PON的應(yīng)用作了訊框負(fù)擔(dān)（Frame Overhead）的最佳化，讓映像片段（mapping fragments）和整個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)訊框進(jìn)入GEM 負(fù)載，并支持TDM映像。
GPON 采用一個(gè)125 μs GPON Transmission Conversion （GTC） frame 架構(gòu)給上傳和下傳。下傳的訊框開始時(shí)有一個(gè)PLOAM overhead field，之后有一個(gè)負(fù)載區(qū)域，包括GEM訊框和/或ATM 單元。PLOAM包括訊框信息和下一個(gè)上傳訊框的ONT傳輸指派的帶寬映射。
上傳的訊框包括從ONT來的上傳脈沖，每一脈沖都從物理層負(fù)載開始，在功能上和B-PON一樣，但同時(shí)還包括一個(gè)ONT帶寬請(qǐng)求的摘要數(shù)據(jù)。如果OLT有要求，在上傳脈沖中還會(huì)含有額外的PLOAM fields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 frame相對(duì)應(yīng)的傳輸開始和停止時(shí)間。
其中125 μs GTC訊框的架構(gòu)可以搭載TDM信號(hào)，例如DS1/E1或語音，只要在每一GTC訊框期間簡(jiǎn)單的映像信號(hào)的適當(dāng)bytes數(shù)目至一個(gè)GEM訊框。
此GPON activation和ranging協(xié)議和B-PON與EPON類似，只有送至每一ONT之等化延遲值是收到的下傳frame之開始和其上傳訊框之開始間的offset。
■IEEE 10 Gbit/s Ethernet PON（IEEE 802.3av）
IEEE 802.3 近日已核準(zhǔn)一個(gè)項(xiàng)目來開發(fā)一個(gè)在10 Gbit/s 速率之EPON標(biāo)準(zhǔn)。最近的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試已顯示其零器件技術(shù)已經(jīng)可以執(zhí)行此PON。
一個(gè)可能推動(dòng)10 Gbit/s PON 系統(tǒng)的市場(chǎng)推手是數(shù)字視頻傳送。此帶寬可以傳送多重高畫質(zhì)IP-封包的視頻流至每一ONT，甚至在OLT/ONT分割比例為1:64或更高時(shí)亦可 。相對(duì)的，如果我們假設(shè)以20 Mbit/s應(yīng)用在一個(gè)高畫質(zhì)IP視頻流，那么一個(gè)具備622 Mbit/s 下傳速率的B-PON系統(tǒng)僅可以傳送一個(gè)1:32 分割比例的VoD頻道至每一ONT，而GPON可以以1:64 分割比例傳送低于兩個(gè)VoD的頻道至每一ONT。
■WDM PON
WDM PON 采用波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)，而不用TDMA。OLT則采用一個(gè)分離的波長(zhǎng)來和每一ONU以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式做通訊。每一ONU有一光學(xué)濾波器來選擇所接收數(shù)據(jù)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的主要優(yōu)點(diǎn)是和每一用戶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），和信號(hào)速率及其它用戶的格式無關(guān)。
WDM PON的主要缺點(diǎn)是制作和過濾不同波長(zhǎng)之光器件的成本比較高。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)：
• 現(xiàn)場(chǎng)可安裝的光模塊，用來選擇ONU波長(zhǎng)。此方法的缺點(diǎn)是缺乏彈性，模塊庫存和追蹤的成本高。
• 在ONU安裝可調(diào)式激光器。雖然很有彈性，但可調(diào)式激光器還不具備成本效益。
• 分割頻譜，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模塊以某種方式來調(diào)制載波，并反射回去 OLT。
• 利用下傳信號(hào)來控制ONU激光器的輸出波長(zhǎng)。例如，插入某些下傳信號(hào)至一個(gè)面射型激光二極管（VCEL）已經(jīng)被證明會(huì)使得VCEL的輸出鎖住和下傳信號(hào)一樣的波長(zhǎng)。此技術(shù)被稱為光學(xué)注入鎖定（optical injection locking）。
圖3為數(shù)組波導(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)無源裝置，可被使用在戶外的環(huán)境。它們可以采用應(yīng)用于其它光學(xué)集成電路的silica-on-silicon技術(shù)，因此有潛力成為具合理成本效益之技術(shù)。
圖 3 – 導(dǎo)波管排列圖示
目前配置最多WDM PON 的國(guó)家是南韓。此技術(shù)采用AWG接收器濾波方式，在ONU分割頻譜。頻譜的分割是在可調(diào)聲光濾波器acousto-optic tunable filters （AOTFs）進(jìn)行。在 AOTF中使用一個(gè)聲波來形成一個(gè)長(zhǎng)期間的衍射光柵，當(dāng)做一個(gè)所需波長(zhǎng)的陷波濾波器。
雖然WDM PON具備某些彈性優(yōu)勢(shì)，它可以搭載不同的客戶信號(hào)以及提供每一用戶更高的數(shù)據(jù)傳輸率，但其光學(xué)零部件的數(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，或使用媒介體轉(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亦可結(jié)合TDMA PON協(xié)議以升級(jí)其容量。[22]
■CDMA PON
碼分多址Code-division multiple access （CDMA） 技術(shù)亦可被應(yīng)用于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)到用戶的原始客戶信號(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)基本典型的作法，如圖4所示。
CDMA的理論是以同樣頻道的傳輸頻譜來搭載多重客戶信號(hào)。信號(hào)的加碼方式可由譯碼器辨識(shí)。最可行的技術(shù)是直接序列散播頻譜（direct sequence spread spectrum），每一客戶信號(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)來加碼。每一ONU使用一個(gè)不同的值串給相關(guān)之符號(hào)。
圖 4 CDMA PON 圖示
幸運(yùn)的是，光學(xué)直接序列 CDMA可以采用無源衍射濾波器來執(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)單模濾波器通過一個(gè)所要的圖案之光罩來進(jìn)行UV曝光，也可以使用其它的光柵（grating）型態(tài)。
如圖 4所示，加碼和譯碼器可用相同的執(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)以光線反射的作用產(chǎn)生干擾規(guī)律。從濾波器反射回來的信號(hào)的幅度和相位會(huì)被調(diào)制，在通過濾波器時(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)回原來的符號(hào)。
由于Bragg 濾波器的線性特性，散播頻譜帶寬（spread spectrum bandwidth）是和ONU的數(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)律的有效性。不過。可以進(jìn)一步運(yùn)用此特性做成可調(diào)式濾波器（還有其它的調(diào)整機(jī)制）。不過，頻率的穩(wěn)定度對(duì)于光學(xué)CDMA系統(tǒng)中的激光器并不是必需的。
光學(xué)CDMA PON的一個(gè)主要缺點(diǎn)是一般光放大器都需要達(dá)到一個(gè)適當(dāng)?shù)男盘?hào)雜音比。由于增加的接收器分割樹（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，和其它方式來比，它們的成本效益較差。
總結(jié)
電話運(yùn)營(yíng)商一直都對(duì)住宅視頻和高速數(shù)據(jù)服務(wù)所帶來的新營(yíng)收機(jī)會(huì)非常有興趣。聚合用戶所要的新寬帶應(yīng)用之后，就需要寬帶接入、先進(jìn)的光學(xué)和封包技術(shù)，以及變更提供家用電話電力的模式，最終會(huì)使得FTTH和FTTN變成實(shí)際的需求。特別是目前EPON和GPON提供三重服務(wù)（Triple Play）所需的帶寬和OAM。
