光传输与铜缆接入宽带网的技术比较

admin

近几年来，随着光通信技术和计算机网络技术的发展，一方面，作为因特网（Internet）核心的骨干网发生了翻天覆地的变化，宽带IP光传输网成为主流，骨干网带宽已从先前的100Mps级上升到10Gbps级甚至是Tbps级。  
另一方面，因特网用户的接入网却仍然停留以铜缆技术为主的低速率水平上（几十Kbps到几百Kbps）。两者在技术的巨大反差表明接入网已成为制约全网进一步发展的瓶颈，目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈的技术手段，诸如双绞线上的xDSL系统、有线电视HFC网上的CableModem和宽带无线接入系统等，但都是一些过渡性的解决方案，唯一能从根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网。
光接入网，从广义上讲包括光数字环路载波系统（ODLC）和无源光网络（PON――Passive Optical Network）两类。ODLC本质上仍属窄带技术，支持的业务也很有限。而且，作为有源设备仍然无法完全摆脱电磁干扰和雷电影响，以及有源设备固有的维护问题，所以ODLC不是光接入网长远的解决方案。PON作为一种纯介质网络，它有效地避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时降低了维护成本，是一种很有前景的光接入网技术。
在PON的发展过程中，PON与ATM结合诞生了一种了宽带光接入网技术――APON（ATM Passive Optical Network），传输速率可达155/622Mbps，接入带宽得到显著提高。但是由于APON技术复杂、成本较高，并且带宽仍然有限，APON系统并未如预期的那样发展起来。为了更彻底地解决问题，人们开始将注意力转向速率扩展能力强、成本低廉和应用普及的以太网技术上，提出了以以太网为基础的思路，在保留APON精华部分――PON的基础上，用以太网（Ethernet）取代ATM作为链路层协议，从而构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新一代光接入网技术――EPON（Ethernet Passive Optical Network）。基于EPON的上述优点，它得到了大家的广泛重视。2000年11月，IEEE成立了802.3EFM（EFM――Ethernet in the First Mile,第一英理以太网即以太网接入网）工作组，开始了EPON的技术标准化工作，有包括3COM、Alloptic、Cisco system、Intel、WordCom等在内的69家公司参与这一领域的工作。
一、异步传输模式无源光网络（APON）
APON是在20世纪90 年代中期由全业务接入网络组织（FSAN――Full-Services Access Network）最初运作开发的。FSAN是一个由20 个大型电信公司组成的集团，它们共同合作，研究和开发一种新型的支持数据、视频和语音信息的宽带接入系统。当时，ATM是人们公认的最佳链路层协议，PON是人们公认的最佳的物理层协议，两者理所当然的结合产生了APON技术。FSAN和ITU均已发布了APON的技术规范（APON所用的技术规范已被接受为国际电联（ITU）的标准（ITU－T Rec. G.983）。目前，在日本、英国和德国等国家已有成熟的APON系统投入使用。
1．APON的工作原理
APON综合了ATM技术和无源光网络技术，可以提供现有的从窄带到宽带等各种业务。APON由OLT（Optical Line Terminal,光线路终端）、ONT（Optical Network Terminal，光网络终端）和POS（Passive Optical Splitter,无源光分路器/耦合器）组成。其结构如图1所示。图中，POS是无源光分路器/耦合器，它根据光的发送方向，将进来的光信号分路并分配到多条光纤上，或是组合到一条光纤上。ONT主要完成业务的收集、接口适配、复用和传输功能；OLT主要完成接口适配、复用和传输功能。此外，OLT还向网元管理系统提供网管接口。
APON 是一种采用两种传输波长的点到多点的传输系统，即一个是下行传输波长，另一个是上行传输波长，这两种传输波长在中央局光线路终端(OLT)和每个最终用户台的光网络终端(ONT)之间传送信息。OLT对每个ONT( 下行 和上行) 分配一个时隙和一定数量的带宽。APON网络拓扑结构是星形，双向传输方式一般采用双纤空分复用（SDM）方式，也有基于单纤波分复用（WDM）方式。点到多点传播采用下行时分复用（TDM）、上行时分多址（TDMA）方式。现有产品的典型线路速率是下行622Mb/s、上行155Mb/s。
在下行方向，OLT通过一条光纤发射一个波长，采用ATM 信元对ONT 广播信息。这条光纤在无源分光器上被分隔开， 可以连接多达32个ONT。
在向下行方向发送每个信元包的同时，还有一个ID字段，以识别目的地址。从技术上看，所有的信息都被传送到ONT，但是ONT只接受地址正确的信息。
从物理性能上看，OLT总是广播下行信息，但一次只有一个ONT能根据密码将此信息解码。从结构上看，它类似于各种打印机的打印服务器设置，打印机只打印标有自己地址的信息。
在上行方向，ONT等待指定的时隙，采用通过同一条光纤传送的第二个波长， 对OLT回送控制信息。
APON的上行和下行数据率都可达到155Mbps，非对称应用下行方向的数据率可达到622Mbps，用户的接入速率可以从64Kbps到155Mbps间灵活分配。APON给与最终用户的最明显的利益是大大增加了家庭使用的带宽量。这一优点将对视频点播这类应用开辟新途径，并消除了网上冲浪的任何时间等待。例如点播视频应用，许多用户都能预订6Mbps的电影。当电影开始时，其所需带宽可以增加，当电影结束后，则可以将用户业务所需的带宽量恢复到正常水平。尽管APON提供服务所需的带宽较高，但并不会增加用户的费用。在有些情况下，如供居住区的小型家庭办公室(SOHO)使用，APON还能有效降低每比特的使用成本。
像ADSL一样，APON为最终用户提供比线缆调制解调器的服务更加安全的环境。APON采用所谓"搅拌(churning)"的安全机制给数据加密。在这种环境中，ONT对OLT生成和发送上行密钥，用以控制数据，并回送下行数据。这些密钥动态变化，使其很难被破译。
2．APON的关键技术
APON的关键技术主要有：时分多址接入的控制、快速比特同步和突发信号的接收等。
时分多址接入的控制
APON系统在下行方向采用时分复用的广播方式，帧由连续的时隙组成，每个时隙填充一个53字节的ATM信元。由于下行方向是广播模式，各个ONU将收到所有的帧，并自主地从相应时隙中取出属于自己的信元，所以在下行方向上不需要OLT进行控制。
在上行方向上，由于PON的ODN实际上是共享传输媒质，需要适当的接入控制才能保证各个ONU的上行信号完整地到达OLT。G.983建议采用TDMA的上行接入控制。这样，由于ATM-PON的接入复用是在时域实现的，OLT到ONU的距离里无冲突的、有效的上行接入是着重需要考虑的方面。不同的距离造成延时的不同，因此为了不使上行信号发生冲突，OLT必须测量到各个ONU的距离，并将指定的延时告知ONU；各个ONU在发送上行信号时根据指定的延时相互协调，将各自的ATM信元复用到上行帧里。
测距过程通过使用上行/下行信元（PLOAM信元）携带的带内信令数据实现，即PLOAM信元携带的测距允许信号、PLOAN允许、数据允许、ONU序列号、PON?ID以及测距时间消息来实现。当多个ONU同时连到线上时，OLT根据ONU序列号使用二叉树的排除机制先对其中一个进行测距。测距的大致过程为：OLT打开测距窗口，测量来自ONU的上行信元延时；OLT将等效延时告知ONU；ONU调节发送延时。
快速比特同步
在采用的测距机制控制ONU的上行发送后，上行信号还是有一定的相位漂移的。在上行帧的每个时隙里有3字节开销，防卫时间用于防止微小的相位漂移损害信号，前置比特图案则用于同步获取。OLT在接收上行帧时，搜索同步图案，并以此快速获取码流的相位信息，达到比特同步；然后根据定界图案确定ATM信元的边界，完成字节同步。OLT必须在收到ONU上行突发的前几个比特内实现比特同步，才能恢复ONU的信号。同步获取可以通过将收到的码流与特定的比特图案进行相关运算来实现。然而一般的滑动搜索方法延时太大，不适用于快速比特同步，因而可以采用并行的滑动相关搜索方法，将收到的信号用不同相位的时钟进行采样，采用结果同时（并行）与同步图案进行相关运算，比较运算结果，在相关系数大于某个门限时将最大值对应的取样信号作为输出，并把该相位的时钟作为最佳时钟源；如果若干相关值相等，则可以取相位居中的信号和时钟。这实际上是以电路的复杂为代价来换取时间上的收益。
突发信号的收发
在采用TDMA的上行接入中，各个ONU必须在指定的时间区间内完成光信号的发送，以免与其他信号发生冲突。为了实现突发模式，在收发端都要采用特别的技术。光突发发送电路要求能够非常快速地开启和关断，迅速建立信号，因而传统的电光转换模块中采用的加反馈自动功率控制将不适用，并且需要使用响应速度很快的激光器。而在接收端，由于来自各个用户的信号光功率是不同的且是变化的，所以突发接收电路必须在每次收到新的信号时调整接收电平（门限）。调整通过ATM?PON系统中时隙的前置比特实现，突发模式前置放大器的阈值调整电路可以在几个比特内迅速建立起阈值，接收电路根据这个门限正确恢复数据。
二、以太网无源光网络（EPON）
EPON是在APON之后出现的一种一点对多点的光接入网络技术，它为在网络中心交换局（CO――Central Office）和用户现场之间配置光接入线路提供了一种低成本、高性能的途径。它建立在国际电联（ITU）关于APON的标准G.983之上，寻求构建能够在单一的光接入系统上传输汇聚的数据、视频和语音信息的全业务接入网络。