無源光網絡光網絡

PON是在所謂的"最后一公里"中缺少帶寬時的解決方案。家庭用戶為了獲得快速因特網接入，可以選擇的方法極其有限(電話或電纜系統(tǒng))。同樣，企業(yè)也局限于T1和T3載波提供的性能。PON提供了城域中的另一種解決方案。它主要用于解決寬帶最終用戶接入終端局的問題，由于這種接入技術使得接入網的局端(OLT)與用戶(ONU)之間只需光纖、光分路器等光無源器件，不需租用機房和配備電源，因此被稱為無源光網絡。它用于FTTH(光纖到家庭)?；旌螾ON系統(tǒng)將光纜延伸到通信公司的遠程終端，然后利用銅線DSL業(yè)務進入家庭。

在PON的架構中，一個光纖終端(OLT)下可以有多個無源光網絡(PON)的單元。每一個單元均可形成一個獨立的PON網，藉由并不昂貴的分波器和光纖分布連接多種不同類型的ONT。對于接入網絡的無源性設計，減少了對電子元件的需求，如此一來便可以降低維修成本的支出。

無源光網絡是"復興的"光纜技術，它最初是為有線電視網絡設計的，它作為一種能在城域提供高速接入的體系結構而得到關注。PON是ITU規(guī)范。

通過PON，單根光纖從服務提供商的設備延伸到靠近居民區(qū)或商務中心的位置。"無源"是指該系統(tǒng)在服務提供商和客戶之間不需要電源和有源的電子組件。它僅由光纖、分路器、接頭和連接器組成。一根光纖可為多個客戶提供服務，而此前的系統(tǒng)要求每個客戶都有獨立的光纖。PON可遠距離使用，它是農村地區(qū)的理想選擇。

無源光網絡(PON)是一種純介質網絡，避免了外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，提高了系統(tǒng)可靠性，同時節(jié)省了維護成本，是電信維護部門長期期待的技術。無源光接入網的優(yōu)勢具體體現在以下幾方面:

(1)無源光網體積小，設備簡單，安裝維護費用低，投資相對也較小。

(2)無源光設備組網靈活，拓撲結構可支持樹型、星型、總線型、混合型、冗余型等網絡拓撲結構。

(3)安裝方便，它有室內型和室外型。其室外型可直接掛在墻上，或放置于"H"桿上，無須租用或建造機房。而有源系統(tǒng)需進行光電、電光轉換，設備制造費用高，要使用專門的場地和機房，遠端供電問題不好解決，日常維護工作量大。

(4)無源光網絡適用于點對多點通信，僅利用無源分光器實現光功率的分配。

(5)無源光網絡是純介質網絡，徹底避免了電磁干擾和雷電影響，極適合在自然條件惡劣的地區(qū)使用。

(6)從技術發(fā)展角度看，無源光網絡擴容比較簡單，不涉及設備改造，只需設備軟件升級，硬件設備一次購買，長期使用，為光纖入戶奠定了基礎，使用戶投資得到保證。

在各種寬帶接入技術中，無源光網絡以其容量大、傳輸距離長、較低成本、全業(yè)務支持等優(yōu)勢成為熱門技術。之前已經逐步商用化的無源光網絡主要有TDM-PON(APON、EPON、GPON)和WDM-PON，它們的共同特點是:

·可升級性好、低成本，接入網中去掉了有源設備，從而避免了電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，降低了相應的運維成本;

·業(yè)務透明性較好，高帶寬，可適用于任何制式和速率的信號，能比較經濟地支持模擬廣播電視業(yè)務，支持三重播放(Triple play，語音、視頻、數據)業(yè)務;

·高可靠性，提供不同業(yè)務優(yōu)先級的QoS保證，適應寬帶接入市場IP化的發(fā)展潮流，適于大規(guī)模應用。

如圖1，PON(無源光網絡)中最主要的三部分包括位于局端的OLT(Optical Line Terminal，光線路終端)、終端ONU(Optical Network Unit，光網絡單元)、以及ODN(Optical Distribution Network，光配線網)。PON"無源"是指ODN全部由光分路器(Splitter)等無源器件組成，不含有任何電子器件及電源。

接入網是用戶進入城域網/骨干網的橋梁，是信息傳送通道的"最后一公里"。過去幾年，網絡的核心部分發(fā)生了翻天覆地的變化，無論是交換、還是傳輸都己更新?lián)Q代，而接入網由于經濟性問題如用戶的業(yè)務需求、用戶密度、用戶的經濟承受能力等多方面原因發(fā)展緩慢，成為制約網絡向寬帶化、全業(yè)務化發(fā)展的瓶頸。隨著我國經濟的迅速發(fā)展，高帶寬的消耗業(yè)務逐步涌現，帶寬提速成為迫切需求。為了滿足用戶的需求，各種新技術不斷涌現，接入網技術己成為設備制造商、運營商和電信研究部門關注的焦點和投資的熱點。

我國之前主流的有線接入技術包括ADSL、LAN、HFC、PLC和FTTH，其中部分LAN采用了PON+LAN的方式，而無線接入技術中又有WLAN、WiMAX、WiFi、Bluetooth、3G等技術。之前寬帶接入網有兩個主要的研究目標，第一是向高速、安全、智能化方向發(fā)展，要求網絡更靈活、面向用戶更多和成本更低，這方面FTTH是有線接入領域的杰出代表。另一個則是多業(yè)務的融合，即在同一個平臺上靈活提供IPTV、有線電視視頻、傳統(tǒng)語音、數據業(yè)務的接入。

目前PON是解決接入網"最后一公里"、實現FTTx的最具吸引力的技術。所謂"無源"，是指ODN中不含有任何有源電子器件及電源，全部由光分路器(Splitter)等無源器件組成，因此其管理維護的成本較低，這是PON在接入網發(fā)展中最具優(yōu)勢的一面。

PON按信號分配方式可以分為PSPON(功率分割型無源光網絡)和WDMPON(波分復用型無源光網絡)。APON、BPON、EPON和GPON均屬于PSPON，PSPON采用星型耦合器分路，上/下行傳送采用TDMA/TDM方式實現信道帶寬共享，分路器通過功率分配將OLT發(fā)出的信號分配到各個ONU上。WDMPON技術則是將波分復用技術運用在PON中，光分路器通過識別OLT發(fā)出的各種波長，將信號分配到各路ONU。雖然PSPON較為成熟，特別是E-PON、GPON，在北美、日本已經有較大規(guī)模的部署，但是PSPON仍然存在一些問題需要解決，例如快速比特同步、動態(tài)帶寬分配、基線漂移、ONU的測距與延時補償、突發(fā)模式光收發(fā)模塊的設計等。部分問題雖然得到了解決，但是成本較大。例如，在上行的TDMA復用測距方面，光纜中信號每米傳輸時間大約為5 ns，而STM-1、STM-16、GE系統(tǒng)的比特周期分別只有6.4 ns、0.4 ns和0.8 ns?？梢?，隨著速率的提高，測距和上行成幀的難度將會大幅度增加。基于波分復用技術的WDMPON采用波長作為用戶端ONU標識，利用波分復用技術實現上行接入，能夠提供較高的工作帶寬，可以實現真正意義上的對稱寬帶接入。同時，它還可以避免TDMA技術中ONU的測距、快速比特同步等諸多技術難點，并且在網絡管理以及系統(tǒng)升級性能方面都有著明顯的優(yōu)勢。隨著技術的進步，波分復用光器件的成本，尤其是無源光器件成本大幅度下降，質優(yōu)價廉的WDM器件不斷出現，WDMPON技術將是接入網一個可以預見的發(fā)展趨勢。下面對WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技術問題進行分析。

目前有多種方法構造多波長光源。一種方法是選擇一組波長接近的、離散的、可調諧的DFB激光器(DFB激光器陣列)，利用溫度調諧產生多波長的下行信號。由于DFB激光器陣列輸出光譜可以通過控制溫度統(tǒng)一調諧，容易實現波長監(jiān)控，但由于DFB激光器輸出波長隨波導有效折射率變化，很難精確控制輸出光譜與波長路由器信道間隔的匹配。第二種方法是采用MFL(多頻激光器)。MFL是一種基于集成半導體放大器和WGR(Waveguide Grating Router，波導光柵路由器)技術的新型WDM激光器。MFL包含N個光放大器和一個1×N的陣列波導光柵，陣列波導光柵的每個輸入端集成一個光放大器。在光放大器和陣列波導光柵輸出端之間形成一個光學腔，如果放大器的增益克服腔內的損耗，則有激光輸出，輸出波長由陣列波導光柵的濾波特性決定。通過直接調制各個放大器的偏置電流，就可以產生多波長的下行信號。MFL的波長間隔由陣列波導光柵中的波導長度差決定，可以精確控制，各波長可以通過控制同一個溫度統(tǒng)一調節(jié)，便于波長監(jiān)控。已經開發(fā)出16信道間隔為200 GHz和20信道間隔為400 GHz的MFL產品，直接調制速率為622 Mbit/s。第三種方法是比特交錯光源。它使用了一個飛秒級(10-15，)光纖激光器來產生一個1.5μm附近70 nm譜寬的脈沖，這一脈沖被22 km長的標準單模光纖啁啾。隨著脈沖的傳輸，數據可在高速調制器中以比特交錯的方式被編碼。

在WDMPON系統(tǒng)中，波分復用器通常被稱為波長分路器，它解復用下行信號，并分配給指定的ONU，同時把上行信號復用到一根光纖，傳輸到OLT。波長分路器主要由AWG構成。在波長分路器實現當中需要關注的問題有串擾問題、溫度穩(wěn)定性問題和色散效應。

由于AWG器件隔離度的不理想和非線性光學效應的影響，其他光通道的信號會泄露到傳輸通道形成噪聲，從而對系統(tǒng)性能造成影響。AWG由輸入輸出波導、平板波導和波導陣列組成。聚焦模場和輸出波導的場分布不是矩形結構，這是串擾的最直接來源。已經有三種方法來抑制串擾:激光束逐點掃描法、變跡相位模板法、均勻相位模板法。

在WDMPON系統(tǒng)中，AWG器件一般都放在野外，環(huán)境溫度變化比較大，由于AWG主要材料是石英，而石英的折射率隨溫度變化而變化，因此AWG復用的信道波長容易受溫度的影響。因此當溫度變化時，如何保證信道波長的穩(wěn)定性是一個值得研究的問題。人們已研究出多種方法增強AWG的溫度穩(wěn)定性。其中，有利用折射率隨溫度作反方向變化的波導或在陣列波導之間刻蝕不同長度的凹槽的方法來實現溫度控制，這些方法可以讓AWG的光譜響應在-20~80 oC幾乎沒有變化。另外，也有利用聚合物材料制造陣列波導光柵，如丙稀鹽酸和聚硅樹脂，這些材料減少了熱膨脹系數，使折射率得到控制。

隨著WDMPON系統(tǒng)接入距離的增加，光纖和陣列波導的色散效應會導致系統(tǒng)誤碼率增加。解決色散效應比較好的方法是色散補償光纖光柵，通過在AWG中加入補償光纖光柵改善色散特性。色散補償是對頻率的二次相移所造成的脈沖展寬進行壓縮補償。如果波導光柵輸出的響應頻率的二次相移特性比較平坦，頻帶較寬且幅度滿足要求，則認為此波導光柵的色散補償特性較好。

ONU光源的選擇原則是易于安裝維護、成本低、光譜應工作于WDMPON的整個波長范圍內。目前有4種ONU光源。

(1)單頻激光器

寬調諧單模DFB激光器陣列可以滿足要求，但由于價格昂貴，仍處于實驗階段，距市場化應用還有一定距離。

(2)光環(huán)回

光環(huán)回技術是利用OLT發(fā)出的一部分下行光信號作為載波，在ONU中調制上行信號，再發(fā)送到OLT。光環(huán)回技術避免了使用ONU光源，但也存在一些缺點。它要求OLT光源輸出功率很大，以支持上下行傳輸。如果沒有高功率的OLT光，替代方法是放大上行信號。為了在OLT和ONU間保持無源設備，放大器必須放在ONU內，這樣就導致了ONU成本的增加。光環(huán)回的另一個缺點是，為了避免瑞利后向散射造成的較大干擾，必須將上下行信號分離在不同的光纖里進行傳輸，這樣導致了光纖和路由器端口數量成倍增加，設備安裝維護的復雜度提高。

(3)光譜分割

光譜分割的原理是:WDMPON利用寬帶光源作為ONU的光源，發(fā)射光通過AWG后，輸出信號的頻譜是原來寬帶信號的一部分，其波長取決于與ONU相連的復用器端口，輸出信號復用到一根光纖上，在OLT通過解復用器到達目的接收機。WDMPON系統(tǒng)中普遍采用窄帶光濾波器對寬頻譜的光源進行頻譜分割，使每個WDM信道獲得惟一光波作為上行光源。頻譜分割WDMPON系統(tǒng)采用寬帶光源(如LED)，與可調諧單頻激光器相比，寬帶光源具有設備簡單、成本低的優(yōu)點，因此對成本敏感的接入網很有吸引力。光譜分割的主要缺點是頻譜分割導致光功率損耗很大(18 dB)，而LED的入纖功率一般只有-10 dBm，造成功率預算緊張;引起信道間的串擾，限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍;多?；驅拵Ч庠垂逃械膸追N噪聲(模分散噪聲、強度噪聲、光差拍噪聲)的存在，使調制速率受限。

(4)波長鎖定FP激光器

基于波長鎖定FP激光器的WDMPON系統(tǒng)被采納并開始商用，該系統(tǒng)把FP激光器作為OLT和ONU的信號發(fā)射器。工作原理是:摻鉺光纖放大器產生光譜放大自發(fā)輻射(ASE)信號，ASE信號通過OLT到達AWG，被AWG進行光譜分割后產生多個窄帶信號，這些信號被注入不同的ONU的同一類型FP激光器中，迫使FP激光器產生單波長模式，抑制了多波長模式的產生。最新的產品可支持16個WDM信道，信道間隔為200 GHz，每信道速率為1.25 Gbit/s，可支持大約21 dB的ODN鏈路預算。

PON自出現以來，經過多年發(fā)展，形成了APON、EPON、GPON、WDMPON等一系列技術，而WDMPON結合了WDM技術和PON拓撲結構的優(yōu)點，日益成為一種高性能的接入方式。目前WDMPON系統(tǒng)面臨的最大困難在于器件成本過高，多數研究仍處于實驗室的理論研究階段。在光接入網方面表現突出的韓國，開始測試并小規(guī)模試商用WDMPON系統(tǒng)，其最大運營商KT與一家新興器件公司Novera，于2005年開始合作進行5萬戶、16波的WDMPON實驗。Novera的突破在于使局端設備不需要多個激光器從而降低了系統(tǒng)成本，并且使用了波長鎖定和溫度穩(wěn)定AWG技術。該公司預測:利用特殊的光學技術，有可能將每用戶成本降低到EPON每用戶成本的2倍以下，隨著使用量的增長價格還會降低。雖然WDMPON技術還不穩(wěn)定，但相關器件技術的成熟和用戶帶寬需求的增長，必將推動業(yè)界和市場對WDMPON技術的持續(xù)關注。

由于PON拓撲在許多方面與傳統(tǒng)網絡不同，當使用OTDR測試鏈路特性時就出現新的挑戰(zhàn)。根據網絡部署的不同階段(也就是建設階段和維護階段)，選擇正確的OTDR非常重要。能夠對PON網絡測試的OTDR的特征包括能夠利用相對短的脈沖、靈敏的光學檢測電路和優(yōu)化的軟件分析提供足夠大的動態(tài)范圍。

該方法允許執(zhí)行端到端鏈路鑒定，甚至可以通過分路器進行。為了測試每段引入光纖或配線光纖，技術人員必須在配線終端或ONT位置連接OTDR，并在上行方向測試光纖。

即使有足夠高的動態(tài)范圍，標準OTDR也無法通過分路器進行測試。由于分路器引起較高損耗，檢測器的恢復速度不足以讀取光纖的背向散射水平。所以，它無法測量這段光纖區(qū)域的衰減和事件損耗。一些OTDR甚至不會在分路器后顯示光纖區(qū)域。相反，OTDR會顯示噪音，這可能會令技術人員認為是光纖或分路器有缺陷，或熔接不良。

EXFO FTB-7000D OTDR一代的產品，其設計允許使用相對短的脈沖(275ns到1μs)通過分路器進行測試，脈沖長短取決于光纖分布集線器(FDH)處的分光比。PON優(yōu)化的光學檢測電路可以容忍分路器的高的損耗，并且仍能夠恢復和測量后面的光纖區(qū)域(光纖配線)的背向散射水平。

新一代OTDR可用作FTB-200和FTB-400主機的插件模塊，這些主機可兼容其它很多光學、傳輸和數據通信測試模塊。

很多故障排除測試方案都不需要穿通分路器。例如，在故障排除期間，用戶可能想只測試FDH和客戶之間的分布光纖或配線光纖。這可使用手持式OTDR(如AXS-100)。這種OTDR并不是為了對分路器進行測試而設計，但卻提供了足夠的動態(tài)范圍，可以完整鑒定PON網絡的任意區(qū)域，包括CO和FDH位置之間的饋線。

在很多故障排除情況下，PON網絡會保持活動狀態(tài)，并繼續(xù)為客戶提供服務，承載1490和1550nm的下行傳輸。如果使用OTDR精確查找問題，用戶必須在測試前確保光纖是暗光纖。為此，必須連接FDH，以便可以斷開被測光纖。如果網絡只包含熔接或如果問題出在分路器級別，則不可能使用工作于1310、1490或1550nm的"帶內"OTDR，因為可能會損壞OTDR或傳輸設備。

針對上述情況，EXFO開發(fā)了工作于1625或1650nm的"帶外"OTDR。這些高級OTDR不會干擾傳輸。使用集成濾波器，OTDR可以隔離發(fā)射機信號并對被測光纖進行檢測。

無源光網絡(PassiveOpticalNetwork;PON)包括一個安裝于中央控制站(CO)的光纖終端(OLT)，以及安裝于客戶端的光纖網絡單元(ONTs)。在OLT與ONT之間的光纖分布網絡(ODN)包含了光纖以及無光源分波器或耦合器(見圖一)。在PON的架構中，一個光纖終端(OLT)下可以有多個無源光網絡(PON)的單元。每一個單元均可形成一個獨立的PON網，藉由并不昂貴的分波器和光纖分布連接多種不同類型的ONT。對于接入網絡的無源性設計，減少了對電子元件的需求，如此一來便可以降低維修成本的支出。

GPON的網絡中上行的傳輸速率為1.244Gbs，下行傳輸速率可達2.488Gbs。除了上下行的傳輸速率不同外，兩者的傳輸原理也不相同。數據的下行傳輸是利用廣播的原理將從OLT發(fā)送到每個ONT，被傳送的封包頭上攜帶了目的地的住址，經由地址的比對可將數據流量準確地傳達。

上行傳輸的情況則要復雜得多，因為光纖分布網絡(ODN)具有媒介(media)共用的特性，所以必需協(xié)調每個ONT到OLT的數據傳輸，以避免ONT之間的網絡擁塞。上行數據的傳輸是透過OLT所控制，利用TDMA(分時多任務)協(xié)定，分配給每個獨立的ONT傳輸時槽。由于時槽是同步的，所以不同ONT所生成的數據流量互相是不會沖突的。

PON技術發(fā)展歷程

·上世紀90年代初提出PON概念

·1995年成立FSAN(Full Service Access Networks)組織

·1996年ITU-T頒布G.982 (PON標準建議)

·1998年ITU-T 頒布G.983(APON標準建議)

·2000年12月成立IEEE 802.3ah工作組，制定EPON標準建議

·2003年3月ITU-T頒布G.984(GPON標準建議)

·上世紀90年代末APON開始商用

·2003年6月 美國三大運營商開始APON招標

·2003年8月日本NTT開始EPON招標

·2005年中國電信開始測試并部署EPON試驗網

·2010年8月3日，中國電信和中國移動已與阿爾卡特朗訊簽署框架協(xié)議,正式使用其無源光網絡(PON)解決方案作為下一代寬帶網的關鍵技術,并于年內開始在上海、江蘇、山東等多個省市展開項目建設,以改進提升目前的寬帶網絡。