基于ATM的無源光網(wǎng)絡(luò)

來源：北極星電技術(shù)網(wǎng) 作者：姚寶富 陳健

   關(guān)鍵詞:光纖接入網(wǎng) 無源光網(wǎng)絡(luò) 異步轉(zhuǎn)移模式 光用戶單元

   摘 要:介紹了一種新的基于ATM（異步轉(zhuǎn)移模式）的無源光網(wǎng)絡(luò)（ATM based PON）系統(tǒng)。對它的系統(tǒng)特點(diǎn)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、技術(shù)難點(diǎn)以及國際上在試驗方面的最新進(jìn)展作了概括闡述，并提出了一些新的觀點(diǎn)及對策。最后，對APON的未來提出了展望。

   隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對業(yè)務(wù)種類的需求越來越多樣化。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者不僅要提供電話和CATV等基本業(yè)務(wù)，還必須滿足用戶現(xiàn)在及將來對寬帶業(yè)務(wù) （如可視電話、點(diǎn)播電視、家庭教育和高速數(shù)據(jù)傳送等）的需求。這些需求加在一起構(gòu)成了一個共同的要求：就是建立一個通用的接入網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)必須十分靈 活，用戶通過一個通用接口與骨干網(wǎng)絡(luò)相連。同時通過這個接口，用戶可得到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者提供的各種服務(wù)。

   為了實現(xiàn)這種寬帶接入，人們提出了各種不同的方案。例如，鋪設(shè)光纖或用xDSL（包括ADSL、HDSL、VDSL等）升級已有的電話線，或用 HFC。在這些方案中，光纖接入被認(rèn)為是最有前途的解決方案。由于PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）被認(rèn)為是一種價格低、性能好的引進(jìn)寬帶接入的方案，ITU也極力推 薦這種方案，所以接入網(wǎng)部分主要集中于PON系統(tǒng)。另外，由于ATM已被CCITT接納為一種標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移模式，目前電信網(wǎng)的骨干網(wǎng)也正ATM化。為了使接 入網(wǎng)部分的PON和骨干網(wǎng)的ATM化趨勢相適應(yīng)，一個很好的做法是使PON攜帶的信息ATM化，這種ATM化的PON就稱為APON。

   1 APON系統(tǒng)

   1.1 APON的產(chǎn)生及優(yōu)點(diǎn)

   在光纖用戶網(wǎng)的研究中，為了滿足用戶對于網(wǎng)絡(luò)靈活性的要求，1987年英國電信公司（即英國BT公司）的研究人員最早提出了PON的概念。后來由于 ATM技術(shù)的迅速發(fā)展及其作為標(biāo)準(zhǔn)傳遞模式的地位，使研究人員開始注意到把ATM技術(shù)運(yùn)用到PON的可能性，并于9O年代初提出了APON的建議。不久， 阿爾卡特公司研制了第一個試驗系統(tǒng)。

   由于ATM和PON一些固有的特點(diǎn)，使得APON從一開始就占據(jù)了一個較高的起點(diǎn)，該方案有著巨大的優(yōu)勢：

   ·寬帶化并支持所有種類和各種速率的業(yè)務(wù)。

   ·靈活地滿足用戶需求。

   ·能夠全動態(tài)分配帶寬（這是在用戶網(wǎng)第一次做到）。

   ·簡單、有效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和管理（O＆M）。

   ·安全性高。

   ·低時延。

   ·對業(yè)務(wù)復(fù)用／解復(fù)用的全力支持。

   1.2 APON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

   圖1為一種基本APON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用無源雙星（PDS）拓?fù)�，分路比�?∶16。從局端OLT（光線路終端）往ONU傳送下行信號采用TDM 技術(shù)，ONU（光纖網(wǎng)絡(luò)單元）傳送到局端OLT的上行信號采用TDMA技術(shù)。在上行和下行時，ATM信元都是被組裝在一個APON包中，研究表明，給每個 包加入8個開銷比特，可以提供同步及其它與網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)的功能。由于1310／1550nm WDM器件很便宜，且1310nm波長區(qū)激光器很便宜，所以一般采用WDM技術(shù)。

   在下行方向，由ATM交換機(jī)來的ATM信元先送給OLT，OLT將其變?yōu)?55.52Mb／s或622.82Mb／s的速率，并以廣播方式用 1550nm波長區(qū)傳送到所有與OLT相連的ONU，每一個ONU可以根據(jù)信元VCI／PI選出屬于自己的信號的同步功能及時延調(diào)整功能。

   1.3 采用的技術(shù)

   1.3.1 測距

   由于從不同的ONU到OLT的距離不等，上行信號到達(dá)OLT的時延也不同，為了避免不同的ONU上行信號在PON總線上產(chǎn)生重疊、互相干擾，保護(hù)收發(fā) 通路能夠同步，承載的不同ONU信號之間要有一個間隔，通常成為保護(hù)時間（guard time）�？梢酝ㄟ^測距（Ranging）程序來得到不同信號時間間隔，取最遠(yuǎn)ONU傳輸時延作為時隙的時間間隔，使上行信號互不干擾。

   1.3.2 猝發(fā)模式同步

   上行方向傳送的信元在分路器上進(jìn)行交叉復(fù)用，為了盡可能地減少連續(xù)信元的開銷，獲得最大的帶寬性能，已經(jīng)提出了許多種快速同步方法。其中最有效的方法是使用重復(fù)抽樣技術(shù)（Oversampling）。 　　該方法用一個非常短的前置段（3bit）來恢復(fù)時鐘相位，通過把這3bit插入到每個ATM信元的開銷比特中來恢復(fù)正確時鐘相位，精度在±1bit之內(nèi)。

   1.3.3 光功率平衡

   由于ONU與OLT路徑不同，造成光功率的損失也不同，這就要求接收機(jī)必須有一個大的動態(tài)范圍，能夠設(shè)置能分辨出的閾值功率。在APON系統(tǒng)中，每個 發(fā)射節(jié)點(diǎn)的輸出功率可以根據(jù)特定節(jié)點(diǎn)的光路損失而動態(tài)改變。為了滿足反射端光功率平衡和接收端光功率閾值的設(shè)定，在每個上行ATM信元中加入了3個開銷比特。

   2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

   所謂拓?fù)淇梢岳斫鉃闄C(jī)線設(shè)備的幾何排列形狀，反映了物理上的連接性。用戶網(wǎng)的成本和性能，特別是硬件的實現(xiàn)在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

   我們知道，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型、星型、環(huán)形等。由于用無源器件很難實現(xiàn)一個環(huán)以及從環(huán)上獲取或發(fā)送信息都很困難，所以不用環(huán)形�？偩�型在光功 率分配的比例上有困難，而且信息一開始就很集中，使得線路很易處于飽和狀態(tài)。樹型以及星型（主要是無源雙星，DSP）因為其特點(diǎn)最適合接入網(wǎng)的特性及物理 上分布的特點(diǎn)，所以被使用為PON的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前樹型和無源雙星結(jié)構(gòu)都有廣泛的應(yīng)用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

   3 技術(shù)難點(diǎn)及對策

   3.1 經(jīng)濟(jì)性

   APON是接入網(wǎng)，這就決定了它的主要客戶對價格因素比較敏感。所以接入網(wǎng)要取得大的發(fā)展就必須降低接入費(fèi)用。目前，由于光纖制造技術(shù)的發(fā)展已使光纜 的價格大大的降低了；由于使用了集成技術(shù)，商用和家用的ONU價格也在降低。如果APON能夠大規(guī)模實施，其每戶價格將降低到＄1500，并將在2000 年之前進(jìn)一步降到＄1000左右。

   3.2 安全性

   從本質(zhì)上來說，PON是共享媒體的網(wǎng)絡(luò)，因此它要求MAC（媒體接入控制）協(xié)議能夠允許一些用戶傳輸，而不對另外的用戶造成影響。在下行方向，因為所 有的信元都是從OLT以廣播方式傳送出來的，只有符合目的地址的用戶（由信元中的一個“標(biāo)簽”地址決定）能夠讀這個信元，這就是目前APON的處理方式。 然而這也可能引起安全和隱私的問題。假如有一名惡意的用戶或一個小小的錯誤，就有可能使一個用戶得到其它用戶的信息（特別是共享一個ONU的用戶）。為了 解決這個問題，筆者認(rèn)為可采用加密技術(shù)來防止此類情況發(fā)生。

   3.3 MAC協(xié)議

   APON是共享媒體的網(wǎng)絡(luò)，它要求網(wǎng)絡(luò)有一個功能強(qiáng)大的MAC協(xié)議。MAC協(xié)議的選取對于網(wǎng)絡(luò)的性能有著很大的影響，許多的因素必須考慮。例如請求／ 允許（Requests／Permits）算法、帶寬的動態(tài)分配機(jī)制等。目前在此方面雖然有不少研究，但如何進(jìn)一步增強(qiáng)MAC協(xié)議功能，簡化MAC協(xié)議復(fù) 雜性仍是一個有待解決的問題。

   4 APON試驗系統(tǒng)

   在過去幾年中，對APON作了許多試驗系統(tǒng)。下面主要介紹1995年英國BT公司在Colchester和IPswich所用的試驗系統(tǒng)。這個迄今為 止最大的交互式多媒體業(yè)務(wù)是采用APON（包括部分xDSL）提供的，是為了給2500個家庭用戶提供VOD和其它（如網(wǎng)上購物、交互游戲等）多媒體業(yè) 務(wù)。因為這個試驗是跨越兩個城市的，所以通過一個2.5Gb／s的SDH環(huán)網(wǎng)互聯(lián)。

   該試驗系統(tǒng)于1995年末開始向用戶提供服務(wù)，試驗系統(tǒng)如圖3所示。

   該系統(tǒng)中，一個OLT能支持32個ONU（在10km以內(nèi)）并最多達(dá)81個家庭。其它主要指標(biāo)見表1。

   5 APON的未來

   通常情況下，寬帶APON中，無源光分路器的分路因子小于32，范圍也只有10km左右，傳送速率一般為622.82Mb／s或 155.52Mb／s，然而這主要是為了限制可供用戶共享的帶寬和可得到的光功率。由于骨干網(wǎng)的傳輸速率越來越快，相應(yīng)地要求接入網(wǎng)也作一些適應(yīng)性的變 化。未來的APON接入網(wǎng)（也有人稱為Super PON，SPON）跨度將達(dá)100km左右，在一個OLT上將可以接入多達(dá)2000個用戶。

   目前，一種可能達(dá)到這種大跨度、高分路數(shù)的方法是采用級聯(lián)的無源光分路器，這樣將引起網(wǎng)絡(luò)中光功率的下降，但可以通過加入光放大器來解決。

   當(dāng)然SPON的發(fā)展并不會一帆風(fēng)順，目前，它也遇到一系列問題，如光信號的再生、復(fù)用／解復(fù)用、容量限制、以及MAC協(xié)議的制定。但是可以相信，隨著電信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些問題將會逐步得到解決。

   (編輯:xiaoyao)