無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)綜述

訊石光通訊網(wǎng) 2008/12/23 13:23:22

    第一代的PON采用TDM信號,例如DS1/E1信號等。其下行幀(downstream frame)是一個TDM幀,其時間槽是被指派給每一ONT之?dāng)?shù)據(jù)資料。對任何TDMA協(xié)定來說,上傳的數(shù)據(jù)資料必需被分割成幾個區(qū)塊,以脈沖的方式傳輸。這些早期的PON從它們的上傳TDM時間槽收集數(shù)據(jù)資料,并在所指定的上傳脈沖時間槽中以較高的速度傳送。對語音信號來說,這樣可反應(yīng)出許多語音樣品。對封包數(shù)據(jù)資料來說,在一個對應(yīng)的點對點信號中,就只是包在幀里要傳輸?shù)囊欢逊獍止?jié)。

    第二代的PON采用ATM,在將上傳資料分割成區(qū)塊做上傳脈沖時提供了一個方便的協(xié)議。ATM則提供一個運載TDM流量和封包的機制來支持QoS。此時的ATM被認為是下一代網(wǎng)路的基礎(chǔ),并已經(jīng)被用在DSL系統(tǒng)中的寬帶接入。由OLT分配給ONT的上傳脈沖時間槽主要是所允許傳送的ATM信元數(shù)目。ITU-T G.983 Broadband PON (B-PON) 系列定義了一個由Full-Service Access Network (FSAN) 聯(lián)盟所發(fā)展出的ATM PON (APON) 系統(tǒng)和協(xié)定。

  由於IP封包包括更多的用戶數(shù)據(jù)資料,同時IP封包一般都是在以太網(wǎng)幀中,因此在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)就采用了以太網(wǎng)幀。兩個主要的高速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)。

  一、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專案,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、上行和下行幀率及格式、TDMA上行接入?yún)f(xié)議、實體接口、ONT管理以及控制接口、存活度之強化、以及DBA。表一是B-PON功能特性之摘要。

  下行傳輸是一串ATM信元的傳輸,對于155Mbit/s的下行速率,一個下行幀包含56個單元槽,每個單元槽發(fā)送53個字節(jié);對于622 Mbit/s的下行速率,下行幀含有4 x 56=224個單元槽。每28個單元槽中有一個物理層OAM(PLOAM)信元。PLOAM包含一個幀定位比特(framing bit)以找出PLOAM 信元。此外,PLOAM信元是可程控的,并包括一些資訊,例如上行帶寬以及OAM消息。這些ONT使用ATM VPI/VCI地址在下行信號中找出它們的數(shù)據(jù)資料。

  上行幀包含53個時間槽,每個時間槽發(fā)送56個字節(jié)。每一個時間槽包含一個ATM/PLOAM信元和24比特(3字節(jié))的其他用量。該用量包括了防護時間(guard time)、一個前導(dǎo)碼(preamble)好讓OLT來復(fù)原計時以及信號水平,還有一個分隔符號來指示此資料的終點。該資料群之長度及內(nèi)容可由OLT來程控。ONT會根據(jù)OLT的要求定時傳送PLOAM信元。

  從OLT分配的帶寬資料會告知每一ONT會使用哪一個上行時間槽(upstream time slots)來傳送它的上行資料。B-PON DBA 協(xié)定可讓OLT知道ONT帶寬的需求,方式是經(jīng)由ONT明確的報告或觀察ONT傳送出來的ATM 空閑信元數(shù)目。在ONT傳送空閑信元時OLT會減少其分配帶寬,在ONT的上行時間槽中充滿了數(shù)據(jù)資料時,OLT則會增加其帶寬。

  OLT會定期中止上傳,因此可以請任何新的ONT來宣告自己。新的ONT在此期間傳來一個反應(yīng),如果有多個新ONT時,會使用隨機時間延遲以降低碰撞的風(fēng)險。該OLT會給新的ONT發(fā)送一個范圍的訊息并測量接到此反應(yīng)之時間,來確定至每一新ONT的距離。然后該OLT會發(fā)送給該ONT一個等化的延遲時間值,讓每一個 ONT都會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時間到達OLT。

  表1 – B-PON、GPON和EPON之特性比較

  二、EPON

  IEEE 802.3ah EPON的發(fā)展原先是為了發(fā)揮以太網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢使其成為下一個主要可標(biāo)準(zhǔn)化的TDMA PON協(xié)議。表一為EPON特性摘要。

  下行傳輸是一串以太網(wǎng)絡(luò)幀。在點對點的Gigabit以太網(wǎng)連接中,這些幀都是相同的, 只有前導(dǎo)碼和分隔符號是被修改過的,這樣便于搭載邏輯鏈路標(biāo)示(logical_link_id field, LLID), 而只有LLID才能識別ONU對應(yīng)的MAC。在上傳的方向中,ONU會在OLT所分配的時間槽中傳送以太網(wǎng)絡(luò)幀的脈沖。

  多點控制協(xié)議(Multi-Point Control Protocol PDUs, MPCPDUs)是基本的802.3 MAC控制幀,由ONU發(fā)送Report消息來請求帶寬,OLT則發(fā)送Gate消息分配帶寬。OLT會定期傳送Gate訊息至ONU讓它們有機會報告它們的帶寬需求。這些ONU亦可將它們的Reports和一個上傳數(shù)據(jù)資料一起傳送。Gate訊息中包括ONU所需的傳送開始時間和期間。帶寬請求和分配包括幀間間隔(inter-frame gap)和前向糾(Forward Error Correction)所需的任何帶寬。EPON亦可執(zhí)行DBA。

  EPON之上傳時間槽和范圍協(xié)定和B-PON與GPON不同,因為它沒有一個正規(guī)的下行和上行幀架構(gòu)。OLT和各ONU分別有自己的計數(shù)器,每16 ns計數(shù)一次。每一MPCPDU搭載一個時間戳(timestamp),它是發(fā)送者計數(shù)器之值。而ONU會將其計數(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數(shù)器值以決定來回之延遲。當(dāng)OLT指派ONU上傳開始時間會將此來回延遲列入考慮。

  關(guān)於ranging和 activation則和B-PON類似,只是當(dāng)?shù)赜嫈?shù)器會幫助OLT不需要將等化延遲時間傳送至ONU。

  三、GPON

  第二個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)驗所建構(gòu)的。如同EPON一般,GPON被最優(yōu)化以搭載以太網(wǎng)幀。表一為GPON特性摘要。

  雖然GPON支援ATM 負載,它亦引入一個新的負載機制,稱之為GPON Encapsulation Method (GEM),同時被最優(yōu)化以便搭載以太網(wǎng)幀。GEM是采用G.7041 通用成幀規(guī)程(Generic Framing Procedure, GFP), 不同處是GEM為PON的應(yīng)用作了幀開銷(Frame Overhead)的最佳化,讓映射片段(mapping fragments)和整個以太網(wǎng)幀進入GEM 負載,并支持TDM映射。

  GPON 上行和下行均采用一個125 μs GPON Transmission Conversion (GTC) frame 架構(gòu)。下行幀開始時有一個PLOAM開銷域,之后有一個負載域,包括GEM幀和/或ATM信元。PLOAM包括幀資訊和下一個上行幀ONT傳輸分配的帶寬映射。

  上行幀包括從ONT來的上傳脈沖,每一脈沖都從物理層負載開始,在功能上和B-PON一樣,但同時還包括一個ONT帶寬請求的摘要資料。如果OLT有要求,在上傳脈沖中還會含有額外的PLOAM域和更多的帶寬細節(jié)。OLT會指派每一ONT之上傳時間,和下一個上傳GTC域相對應(yīng)的傳輸開始和停止時間。

  其中125 μs GTC幀的架構(gòu)可以搭載TDM信號,例如DS1/E1或語音,只要在每一GTC幀期間簡單的映射信號的適當(dāng)字節(jié)數(shù)目到一個GEM幀。

  此GPON activation和ranging協(xié)議和B-PON與EPON類似,只有送至每一ONT的等化延遲值是收到下行幀和發(fā)送上行幀之間的offset。

  四、IEEE 10 Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av)

  IEEE 802.3 近日已核準(zhǔn)一個專案來開發(fā)一個10 Gbit/s 速率的EPON標(biāo)準(zhǔn)。最近的測試顯示其技術(shù)已經(jīng)可以執(zhí)行此PON。

  可能推動10 Gbit/s PON 系統(tǒng)的一個市場推動力是數(shù)字視頻傳輸。此帶寬可以傳輸多重高畫質(zhì)IP封包的視頻流至每一個ONT,甚至在OLT/ONT分路比例為1:64或更高時也可使用。相對的,如果我們假設(shè)以20 Mbit/s應(yīng)用在一個高畫質(zhì)IP視頻流,那么一個具備622 Mbit/s下行速率的B-PON系統(tǒng)僅可以傳送一個1:32 分路比的VoD頻道至每一個ONT,而GPON可以以1:64 分路比傳送最多兩個VoD之頻道至每一ONT。

  五、WDM PON

  WDM PON 采用波長分割多路復(fù)用器,而不用TDMA。OLT則采一個分離的波長來和每一ONU以點對點的方式做通訊。每一ONU有一光學(xué)濾波器來選擇所接收數(shù)據(jù)資料的波長,而OLT有一組濾波器,每一個ONU對應(yīng)一個濾波器。WDM PON之主要優(yōu)點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), 而與信號速率和其他用戶的格式無關(guān)。

  WDM PON之主要缺點是生產(chǎn)過濾不同波長之光學(xué)元件的成本比較高。目前已經(jīng)探索出產(chǎn)品不同ONU波長的方式,包括以下各項:

  · 可現(xiàn)場安裝的光學(xué)模組,用來選擇ONU波長。此方法的缺點是缺乏彈性,模組庫存和追蹤的成本高。

  · 在ONU安裝可調(diào)式激光。雖然很有彈性,但可調(diào)式激光還不具備成本效益。

  · 分路頻譜,在ONU采用一個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。

  · 被動的方式,其中OLT提供光學(xué)載波信號給ONU。每一ONU模組以某種方式來調(diào)制載波,并反射回 OLT。

  · 利用下行信號來控制ONU激光的輸出波長。例如,插入某些下行信號至一個面射型激光二極體(VCEL)已經(jīng)被證明會使得VCEL的輸出鎖住和下行信傳號一樣的波長。此技術(shù)被稱為光學(xué)注入鎖定(optical injection locking)。

  圖1為陣列波導(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AWG是一個被動式裝置,可被使用在廠外之環(huán)境。它們可以采用應(yīng)用于其他光學(xué)積體電路的硅基二氧化硅(silica-on-silicon)技術(shù),因此有潛力成為具成本效益之技術(shù)。

  目前配置最多WDM PON 的國家是韓國。此技術(shù)采用AWG接收器濾波方式,在ONU分路頻譜。頻譜的分路是在可調(diào)聲光濾波器(acousto-optic tunable filters, AOTFs)進行。在 AOTF中使用一個聲波來形成一個長期間的衍射光柵,當(dāng)作一個所需波長的陷波濾波器。

  雖然WDM PON具備某些彈性優(yōu)勢,它可以搭載不同的客戶信號以及提供每一用戶更高的數(shù)據(jù)資料傳輸率,但其光學(xué)元件的數(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,或和使用介質(zhì)轉(zhuǎn)換器的點對點濾波器連接相比較,其成本效益較差。WDM也可結(jié)合TDMA PON協(xié)定以升級其容量。

  六、CDMA PON

  碼分多址(Code-division multiple access, CDMA) 技術(shù)亦可被應(yīng)用於PON中。如同WDM PON一般,CDMA PON可讓每一ONU使用一個不同的信號傳輸率和格式,對應(yīng)到用戶的原始客戶信號。光學(xué)CDMA亦可和WDM一起使用,以增加帶寬。此處將敘述一個典型的做法,如圖2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。信號的加碼方式可由解碼器辨識。最可行的技術(shù)是直接序列擴展頻譜(direct sequence spread spectrum),每一客戶信號的符號(例如0和1)都是運用較高的速率以更長串的符號來加碼。每一ONU使用一個不同的值串給相關(guān)的符號。

  幸運的是,光學(xué)直接序列 CDMA可以采用被動衍射濾波器來執(zhí)行其動作。典型的執(zhí)行動作是采用Bragg衍射光柵(diffraction grating),其架構(gòu)是采用標(biāo)準(zhǔn)單模式濾波器通過一個所要圖案的光罩來進行UV曝光,也可以使用其他的光柵(grating)型態(tài)。

  如上圖所示,加碼和解碼器可用相同的執(zhí)行方式。信號被送至濾波器的一端。當(dāng)信號在濾波器中行進時,柵格規(guī)律會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的幅度和相位會被調(diào)制,在通過濾波器時會以行進時間的函數(shù)做符號變化。在接收器端,反向操作的動作會將接收到的散播頻譜符號轉(zhuǎn)回原來的符號。

  由於Bragg濾波器的線性特性,擴展頻譜帶寬 (spread spectrum bandwidth)是和ONU之?dāng)?shù)目成正比的。OLT會將接收到的光學(xué)信號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。在一個典型的光學(xué)CDMA執(zhí)行動作中,發(fā)射機和接收機都使用相同的光纖光柵(Bragg gratings)。更復(fù)雜的接收器會在發(fā)射器和接收器使用不同的光柵,并結(jié)合光學(xué)和電機方式做處理。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計光柵規(guī)律會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,因為濾波器的實體擴張或收縮會變更規(guī)律之有效性。不過??梢赃M一步運用此特性做成可調(diào)式濾波器(還有其他的調(diào)整機制) 。不過,頻率的穩(wěn)定度對于光學(xué)CDMA系統(tǒng)中的激光并不是必需的。

  光學(xué)CDMA PON的一個主要缺點是一般光學(xué)放大器都需要達到一個適當(dāng)?shù)男盘栯s音比。由于增加的接收器樹型分路(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只有2:1至8:1的范圍,接收器的設(shè)計也是比較復(fù)雜。因此,和其他方式來比,它們的成本效益較差。

新聞來源:通信產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

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