WDM-PON系统分析及其在接入网中的应用

本次作业共分两部分，第一部分为专题论文“WDM-PON系统分析及其在接入网中的应用”；第二部分为检索工具使用过程详细列表第一部分：专题论文WDM-PON系统分析及其在接入网中的应用电子与通信工程2010级郭丽萍学号：10G0231摘要：本文从WDM—PON的工作原理谈起，介绍了WDM—PON的系统结构，比较分析了WDM—PON的技术优势，最后介绍了目前几种主流的WDM—PON系统应用技术及其发展现状。关键字：无源光网络，基于波分复用系统的无源光网络，无色光网络单元，KeyWords:PON,WDM-PON,ONU1.引言现有的光通信网络中，接入网已经成为整个通信网络的“瓶颈”。如何解决这个“瓶颈”问题已经成为专家学者们以及各大设备商和运营商的关注焦点。在这种情况下，无源光网络（PON）技术开始浮出水面，并以其优势给人们解决这一问题带来了很高的期望。目前的PON技术主要分为两大类：基于时分复用无源光网络（TDM-PON）和基于波分复用无源光网络（WDM-PON），其中，TDM-PON的带宽为用户共享，实质上限制了每个用户的可用带宽。WDM-PON技术实际是虚拟的点对点的通信，能充分利用光纤巨大的带宽资源。WDM-PON的技术构想最先是由贝尔实验室在1994年的RiteNet项目中提出的，但是由于当时光纤和光器件的成本原因而没有获得推广。近年来，由于WDM器件价格的不断下降，WDM-PON技术本身的不断完善，WDM-PON作为接入网应用到通信网络中已成为可能。相信，随着WDM器件价格的进一步下降，WDM-PON技术更加完善，把WDM技术引入接入网将是下一代接入网发展必然趋势。2.WDM—PON系统技术无源光网络(PON)作为一种点到多点光接入技术，其在远端节点不需要有源的节点设备，只需要安装一个无源的光分支器即可，具有成本低、便于维护、对各种业务透明等优点，同时PON能够平滑地过渡到FTTH，具有美好的发展前景，是光接入网的发展方向。WDM—PON是基于WDM(波分复用)方式实现的点到多点无源光网络，即采用波长作为用户端ONU的标识，利用波分复用技术实现多址接入，能够充分利用光纤的巨大传输带宽。WDM一PON大致可以分为三个部分，光线路终端OLT、光网络单元ONU和光分配网ODN。OLT连接业务侧，ONU连接用户侧，其具体结构见图1。OLT一方面将承载各种业务的信号在局端汇聚，按照一定的信号格式送入接入网络以便向终端用户传输，另一方面将来自终端用户的信号按照业务类型分别送入各种业务网中。OLT主要由光源、接收机和波分复用/解复用器组成。ODN为OLT和ONU的物理连接提供光传输媒介，复用器/解复用器是波分复用光传输系统的关键器件。ONU的作用是对相应用户的不同业务进行复用和解复用，以便在上行方向将各种不同的家庭终端的不同业务信号复用起来在同一传输媒体中传输;而在下行方向将不同的业务解复用，通过不同的接口送到相应的终端。ONU主要由支持WDM的光收发机组成。2.1WDM—PON系统结构WDM-PON由光线路终端（OLT）、远端节点（RN）和光网络单元（ONU）组成，如图1所示。下行传输时，OLT使用多波长光源，将数据加载到载波上，发送到ONU。通过WDM将多波长信号复合到一根光纤上传输，在RN处解复用，并根据波长把信号分配给目的ONU。上传数据时，每个ONU使用一个特定的波长，各ONU可以随机接入。上传信号在RN处复用到一根光纤上，传到OLT接收端，经WDM解复用器分路，由接收机阵列接收。由于每个ONU通过多波长与OLT进行通信，因此称ONU与OLT之间是虚拟的点对点双向传输链路。图1WDM-PON系统结构2.2WDM—PON系统技术优势根据实现方式，无源光网络可分为基于TDM方式实现的点到多点无源光网络和基于WDM方式实现的点到多点无源光网络。APON、EPON和GPON均是以TDM方式实现的点到多点无源光网络。虽然TDM一PON在相当长的时间内仍然可以满足业务需求，但是其传输带宽仍受到一定限制，不能更好地适应未来高质量视频等高带宽、实时性业务。见表1-1，与传统的TDM—PON相比，WDM—PON的特点和优势主要有以下几点：l)带宽：在TDM—PON中，用户共享带宽，虽然带宽可以动态分配，带宽的使用也能灵活有效的分配，但是对算法的要求较高，并要考虑具体的情况，增加用户就会影响其他用户带宽的使用，而且OLT和ONU及其相关的器件都要工作在线速率下。而在WDM—PON中，用户独享带宽，每个用户都有连接到OLT的点到点的光通道，因此不需要动态带宽分配，WDM—PON能够在相对低的速率下为每个用户提供高带宽，器件工作在相应的速率上，还可减少PON中用户数引起的附加损耗，这种方式也可降低ONU的成本。2)功率预算:在TDM—PON中，随着ONU数量的增加，由于分路器的原因信号的光功率损耗也随着增加。而WDM—PON用的是高效的复用/解复用器(如薄膜干涉滤光片、声光滤波器、光纤光栅、阵列波导光栅等)，WDM—PON的插入损耗比TDM—PON的分路损耗小，并且WDM—PON接收机工作在较低的比特率，因此具有极高的灵敏度。在激光器输出功率相等的情况下，WDM—PON传输距离更远，网络覆盖范围更大。3)透明性：TDM—PON中数据分组由TDM复用器的处理，过程复杂。而WDM—PON系统将数据分组直接映射至波长信道，使得对各种协议和速率透明，这将使网管、保护等任务相对简单，可以提供更强大的OAM&P功能。4)高效性：TDM—PON系统在上行方向上，各ONU必须采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)协议，才能完成共享传输通道信息访问。速率和帧结构的任何改变都会使MAC层协议及整个网络设备发生改变。而WDM—PON在上行传输时，每个ONU使用一个特定的波长，因此不需要专门的MAC协议，降低了系统复杂度，提高了传输效率。5)安全性：在TDM—PON中，由于下行信号采用广播方式，所有ONU都可接收全部的下行数据，安全性无法保证，必须采用加密技术。在WDM—PON中，去往不同ONU的信号通过波长选路，也就是说WDM—PON中用户之间是不相联系的，安全性更有保障。6)易升级：TDM—PON升级困难，而WDM—PON不需对底层结构进行重大改变就能充分利用光纤的巨大容量。并且它的升级和点对点网络一样容易。7)业务特性：而在业务层面上，将来网络必须具有通用性以适应各种增值业务，如VoIP、HDTV、IPTV等，QoS的保征成为关键。而不同用户及其不同业务对吞吐量、时延、时延偏差、误比特率等有不同要求，难以对QoS作统一要求。WDM技术分配不同波长信道，即专用的点到点连接，有助于这些难题的解决。3.WDM—PON应用技术研究3.1ONU波长固定波长固定WDM-PON是一种点对多点（PTM）系统，下行复用采用WDM方式，上行接入采用WDMA技术。它与功率分配PON（PS-PON）的根本区别在于，在ODN中用无源波长路由器取代了无源分路器，从而解除了ONU进行时域或频域解复用的负担。常见的WDM-PON结构如图2所示。它既支持单纤传输，也支持双纤传输。图2波长固定WDM—PON在这种WDM-PON接入网中，OLT中有多个不同波长的光源，每个ONU也使用特定波长的光源，各点对点连接都按预先设计的波长进行配置和工作，多个不同波长同时工作，如图2所示。在这种接入网中，每个用户的发送和接收信道分别使用单独的波长，因而不需要定时和网络同步。在TDM-PON中担当光功率分配的PON，在WDM-PON中，已由波长路由器WGR（波分复用/解复用器）替代；在OLT中，为了实现DWDM的功能，采用了能够产生多个波长输出的光发射机和接收机阵列。产生多波长输出的光发射机阵列是一个单片集成器件，DFB或DBR激光器阵列可与功分器集成在一起。另一种发射机阵列是多频激光器，它是在有源InP材料上集成了1×N的WGR、N个独立调制的后向SOA，以及置于输出端的公用SOA。这种器件的频率间距很精确，也不需要使用功分器。但是，这种WDM-PON网络，如果波长数越多，需要的光源种类也越多，需要价格昂贵而且数目众多的光器件，这对ONU尤其突出，初期建设投资非常大，因此，固定光源的解决方案难以应用于商用WDM-PON系统，它的应用要等到集成光学器件成熟并且成本降下来以后才有前景。波长路由器最好采用波导光栅路由器（WGR），也称作阵列波导光栅（AWG）。虽然共享馈线的单纤结构可以通过把DWDM的光谱均分成上行和下行两个部分来实现，但每个ONU需承担分别位于OLT和ONU的两个波长控制光源的成本。双纤波长固定WDM-PON在OLT有N个分立的激光器输出N个不同的波长光，复用后进入馈线光纤，而各ONU的激光器则有唯一的上行波长。3.2ONU波长可调ONU波长可调WDM-PON，其下行传输与固定波长方案相同，但上行方案不同，它是根据需要为ONU动态分配波长，各ONU能够波长共享，网络具有可重构性。上行传输时，ONU先使用控制信道向OLT发送传输申请，OLT调度为ONU分配波长和时隙，并在下行帧中通知ONU，ONU收到分配信息后，调谐到分配给的波长上，在给定的时隙发送数据。在这种方案中，ONU需要配置一个用于控制信道的固定发射机和一个用于发送数据的可调波长发射机。其优点是上行波长动态分配，能够支持更多的ONU，提高了波长信道的利用率。图3表示ONU采用波长可调LD的WDM-PON系统结构，为了清晰起见，图中只给出了信号的上行部分。波长可调LD使ONU工作在不同的波长，可调激光器工作在特定波长，但可通过电调谐、温度调谐图3ONU波长可调LDWDM—PON上行部分或机械调谐使其改变波长。如果网络中的分路器只是WDM器件，例如AWG，WDM器件的通道间隔和LD的调谐范围将决定系统可支持的ONU数量。如果在分配节点中采用宽带分路器/合路器，在OLT中心局采用更多波长选择的滤波器，则可以有比较多的接入通道，但是必须考虑可能的功率预算。另外，可调激光器系统比传统PON系统更复杂，价格也较为高昂，因此在目前的WDM-PON系统中一般不采用。3.3ONU无色基于无色ONU的技术方案是WDM-PON系统的主流，根据使用器件的不同，可分为宽谱光源ONU和无光源ONU。图4（a）表示ONU中采用宽谱光源的WDM-PON系统。在这种系统中，ONU内有一个宽谱光源，例如超发光二极管（SLED），它发出的光进入WDM器件（薄膜滤波器或者AWG）的一个端口，该器件对信号进行谱分割，只允许特定波长的光信号通过并传输到位于中心局的OLT。尽管所有ONU都采用同一个光源，但由于它们接在AWGWDM合波器的不同端口上，所以每个ONU分切到的是同一个光源的不同光谱，即每个通道（ONU）得到的是不同的波长信号。宽谱光源可采用SLED、ASE-EDFA和ASE-RSOA（自发辐射反射半导体光放大器）等。图4ONU宽谱光源宽谱分隔WDM—PON系统图4（b）表示一个双纤的ODN。如果采用普通的定向复用器，在单纤系统上亦能实现频谱分割，例如下行使用1550nm频带的DWDM和上行使用1310nm频带的频谱分割。由于使用相对便宜的LED作为宽谱光源，频谱分割技术非常吸引人。如果波长路由器是一只WGR，它的周期特性可以放宽对光源中心波长的要求。在采用宽谱光源的WDM-PON系统中，宽谱光源发出的光中只有很窄的一部分谱线被用作承载上行信号上，而其他大量的能量都被浪费了。因此，这种光谱分割的损耗非常大，甚至比1/N分路器的损耗还要大，特别是在未完全调准时，路由器和OLT接收机中的波长解复用器会造成联合通带滤波效应。如果系统要达到较高的比特率，传统的LED提供的功率是不够的，所以要采用昂贵的大功率LED或者在ONU使用光放大，使光源提供足够强的光功率。此外，频谱分割会引起较大的线性串扰，限制了系统的动态范围，因为每个ONU光源都覆盖了整个复用/解复用路由器的光谱范围，光串扰将成为光谱分割WDMA方案的一个严重问题。这个问题只有通过采