下一代无源光网络技术

标签：WDM/TDM PON

0 引言

PON技术是一种典型的电到多点接入技术，由局侧光线路终端(OLT)、用户侧光网络单元(ONU)以及光分配网络(ODN)组成。“无源”是指ODN中不含有任何有源电子器件及电源，全部由光纤和光分/合路器(Splitter)等无源光器件组成。

TDM-PON技术已经逐渐走向成熟化、商业化，BPON、EPON已经在很大的范围内被采用，GPON也已在2007年开始部署。于是，很自然的出现了一个问题：如何定位下一代PON技术的发展方向。

传统上谨慎的做法是构建一种可满足未来网络拓展需求，以更低的单用户价格连接大量的终端用户，按需求传送可灵活调整带宽的可扩展PON，它将无需对外部构件进行改进就可升级，朝着这个方向，下一代PON的主要发展趋势有以下几个方面：WDM-PON、WDM/TDM混合PON、10G　EPON、PON/ROF汇聚、Long-Reach PON。

1 WDM-PON

一种直接升级TDM-PON的途径是在OLT与ONU之间采用独立的波长信道，这种方式通过物理上点对多点的PON结构在OLT和每个ONU间形成了点对点的连接，被称为WDM-PON。

相比TDM-PON，WDM-PON有许多优势，例如高带宽，协议透明性，安全性更高，灵活的可扩展性，影响WDM-PON大规模应用的最大问题在于基于不同波长的使用导致ONU的成本高。因此WDM-PON核心技术的发展都与如何为ONU构建一个便宜和稳定的光发射机相关。为了降低WDM-PON技术运行成本和提高其与原有资源的兼容性，系统设计者和设备供应商已经联手共同开发一种无色ONU技术，其中最简单的方法是使用可调谐激光器作为光发射器，但这类激光器价格十分昂贵，不适合用于接入网;另一种是宽光源和频率切割技术，超辐射发光二极管(SLD)可发射出高输出功率，可以选择它的中心波长与带宽，同时它是十分成熟、廉价的光设备。而目前新的有效的WDM-PON技术的实现方案大体上可以分为两部分：第一部分是从OLT端到ONU端，这一部分采用了WDM技术;第二部分是从ONU端到网络终端(NT)，这一部分采用了TDM技术。

2 WDM/TDM混合PON

WDM/TDM PON将是未来PON的发展趋势。由于现阶段实现WDM-PON存在不小的难度，因此较为合理的网络升级策略是从TDM-PON向WDM-PON逐步过渡，而在过渡的过程中，两者的共存阶段是必须要经历的，将出现被称为WDM/TDM混合PON的多种融合形式。WDM和TDM混合模式的PON结构具有容量大、高可靠、节约城域光纤资源等突出优势，在将来的接入网络改造和升级中将发挥巨大作用。基于WDM技术的PON网络架构可以兼容现有的1 G/2.5 G/10 G EPON、GPON和P2P等多种光纤接入技术。通过波长规划可以直接承载1310 nm波长的有线电视(CATV)业务，实现“三网融合”;在线路中引入光链路监控信号，实现ODN网络的光链路检测功能。另外通过WDM-TDM PON可以构建一个具有更大接入容量、更高传输速率、面向全业务运营的具有中国特色的全新光接入网。

目前最自然的TDM-PON和WDM-PON融合技术是级联。在一个WDM/TDM混合PON中，如果每个波长信道间独自工作，除了源TDM-PON的MAC协议，网络中无需一种额外的MAC控制协议。然而这种方案可能无法有效的利用带宽，尤其是当一些波长过载而另外的波长轻负载的情况。如果在所有ONU间共享这些波长，那么系统总吞吐量将会得到显著的提高。基于这个原因，需要一种被称为动态波长分配(DWA)算法的波长调度方案，来通过控制可调谐激光器(LD)和WDM过滤器使得波长信道动态化。一种不仅分配时隙， 还为ONU分配波长的DWA/DBA算法的融合， 是WDM/TDM 混合PON发展的一个重要研究领域。

在WDM-PON中提供广播业务是困难的，为了解决这个问题，WDM/TDM PON的融合结构正在向PON中添加广播波长的核心技术方向上进行发展。

3 10G EPON

普通EPON的自然升级是10G EPON，促进10G EPON发展的主导驱动力是市场需求。为了满足市场需求，IEEE802.3av 10G EPON工作组在2006年9月成立，它们的任务是在2009年完成IEEE 802.3av 10 G EPON标准制定的工作。10 G EPON在系统组成上与1G EPON相同，但需采用支持10 G速率的OLT、ONU和ODN。10 G EPON在系统结构上仍然延续1 G EPON的典型形拓扑结构。

10 G EPON分为两个类型：其一是非对称方式，即采用10 G速率下行，但上行速率与EPON相同仍然为1 G;其二是对称方式，即上下行速率均为10 G的EPON系统。相比来说，由于PON系统的上行传输技术难度较大，因此1 G上行10 G下行方式的10 G EPON系统较为容易实现，目前芯片厂家已经可以提供原型系统。但由于该类系统上下行带宽比达到1:10，因此能否与实际用户业务需求的带宽模型相匹配存在疑问。

目前10 G下行将采用1 574～1 580 nm，其与波长范围在1 480～1 500 nm间的1 G下行共存，保留了1 540～1 560 nm用于处理视频过载。10 G EPON下行采用10 G的传输速率进行广播已经没有异议，但上行采用1G的传输速率还是10 G的传输速率，是采用TDMA还是WDMA则还要考虑。

采用TDMA技术的10 G EPON在成本上无疑较采用WDMA技术的10 G EPON要低得多，而且和目前的802.3ah EPON相比成本也不是特别高。但是采用TDMA技术的ONU的数据在上传前必须等待自己的允许周期，不同ONU的上行数据中间还有保护时间，更重要的以太网帧是变长的，如果正在等待的ONU发送之前PON上下行链路均在发送长包，则该ONU可能等待的时间更长，这些因素都导致了采用TDMA的10 G EPON上行方向时延将较大，这对于对时延特别敏感的业务(如VOIP)十分不利。另外采用TDMA技术的10 G EPON其上行平均带宽较小(相当于所有ONU共享1 G或10 G的带宽)。相比之下采用WDMA的10 G EPON每个ONU独享1 G或10 G上行带宽，另外上行方向使用的是真正的点对点(P2P)网络，发送时无需等待，延时极低。然后不幸的是该方案优越的性能需要高昂的成本代价，因此采用WDMA技术的10G EPON不太可能普及到用户家里，即不适合FTTH应用，但作为FTTB和FTTC还是大有前途的，也可以用于级联现有的GEPON。采用TDMA技术的10G EPON，如果能够解决上行时延过大的问题，在FTTH应用特别是高清IPTV接入领域中将大有作为。

4 PON/ROF汇聚