无源光网络分析.pdf

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1、无源光网络 浏览次数：约 272 次 无源光网络（ PON ）技术是为了支持点到多点应用而发展起来的光接入技术。 由于采用 光纤作为传输媒质，并使用无源光分配网，PON 避免了外部设备的电磁干 扰和环境影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节约了维 护成本。窄带PON 几乎没有怎么实际应用就被宽带PON（BPON ）取代了， BPON 目 前出现了APON 、 EPON 和 GPON 这3种技术。 目录 无源光网络优势与核心构成 无源光网络原理 无源光网络（ PON ）需要 FPGA 设计的支持 无源光网络发展趋势 无源光网络优势与核心构成 目前，作为新一代接人技术的PO

2、N 已经成为当前实现丌Tx 的首选方案， 下属 BPON 、 EPON 、GPON 和 WPON 等多种技术， 其应用范围也包含了宽带接人、TDM 专线和基站回 传等多个领域。与传统的网络结构相比，PON 技术具有以下优点： (1)PON是无源的，因此会节省更多的网络建设费和网络运营维护费。 (2)PON可以实现多用户分担成本。PON 协议所固有的安全性和带宽共享机制，可以 确保用户共用线路的安全和透明。 (3) 为相同数量客户提供业务的PON 设备的体积更小，占用中心局的空间更少。 (4)PON同时支持传统语音业务和宽带业务，具备良好的业务扩展性，能平地滑向NGN 网络演进，还能轻松加载各种

3、增值业务。 (5)PON支持所有住宅用户和许多商业用户共享一个接入网( 包括物理层和协议层) ， 因 而减少了分散的接入网的数量。 PON 中最主要的三个部分， 包括位于局端的OLT(OpticalLineTerminal， 光线路终端 )、 终 端ONU(OpticalNetwork Unit ， 光 网 络 单 元 ) 以 及ODN(Optical Distribution Network，光配线网 )。PON “ 无源 ” 是指 ODN 全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成， 不含有任何电子器件及电源。如图1所示。 图1 基于 PON 的宽带接入方式 面对未来运营商的多种需求

4、，PON 技术以其高带宽、高可靠性以及强大的全业务接入 能力已成为兀Tx 的主流技术， 并配合 “ 光进铜退 ” 的发展战略， 在 光通信 市场占据领先地位。 无源光网络原理 PON是在所谓的 “ 最后一公里 ” 中缺少带宽时的解决方案。家庭用户为了获得快速因特 网接入 ,可以选择的方法极其有限(电话或电缆系统) 。同样 ,企业也局限于T1和 T3 载波提供 的性能 ,虽然目前的无线、光纤和卫星业务都已更加成熟。PON 提供了城域中的另一种解决 方案。它主要用于解决宽带最终用户接入终端局的问题，由于这种接入技术使得接入网的局 端(OLT) 与用户 (ONU) 之间只需光纤、光分路器等光无源器件

5、，不需租用机房和配备电源， 因此被称为无源光网络。它用于FITH( 光纤到家庭 )。混合PON 系统将光缆延伸到通信公 司的远程终端 ,然后利用铜线DSL 业务进入家庭。 在 PON 的架构中，一个光纤终端（OLT ）下可以有多个无源光网络（PON ）的单元。 每一个单元均可形成一个独立的PON 网，藉由并不昂贵的分波器和光纤分布连接多种不同 类型的ONT 。对于接入网络的无源性设计，减少了对电子元件的需求，如此一来便可以降 低维修成本的支出。 无源光网络是“ 复兴的 ” 光缆技术 ,它最初是为有线电视网络设计的。最近以来,它作为一 种能在城域提供高速接入的体系结构而得到关注。PON 现在是

6、ITU 规范。 通过 PON ， 单根光纤从服务提供商的设备延伸到靠近居民区或商务中心的位置。“ 无源 ” 是指该系统在服务提供商和客户之间不需要电源和有源的电子组件。它仅由光纤、分路器、 接头和连接器组成。一根光纤可为多个客户提供服务,而此前的系统要求每个客户都有独立 的光纤。 PON 可远距离使用,它是农村地区的理想选择。 在图中描述了基本的PON 体系结构。其概念是将光纤中继线从服务提供商的头端辐射 到用户。此系统具有以下组件: OLT ( 光线路终端 ) PON光纤在服务提供商设施处的终端。 ONT( 光网络终端 ) 在用户位置的终端。 OAS( 光接人交换机 ) 位于服务提供商处的交

7、换机,它聚合来自所有用户的信元/数据分 组并提供向因特网和PSTN 的连接。 POS( 无源光分路器) 或“ 分路器 ” 在沿着进入多点树状拓扑的路径的任意点分离中继线 和光信号。 ONU( 光网络单元 ) 提供对用户的扇出连接。每条PON 中继线最多可支持32 次分路和 64 个0NU 。用户与ONU 的连接可以使用同轴电缆、双绞线、光缆,甚至是无线连接。 I0T( 智能光终端 ) 主要指设计用于商业连接的0NU 。它为企业提供多种话音和数据业 务,与综合接入设备非常类似。 PON 中继线的带宽范围从l55Mbit/s到622Mbit/s。 每一次分路都会减少带宽,因此用 户可用的带宽取决于

8、在他和头端设备之间的分路次数。例如 ,对622Mbit/s的中继线 ,如果对 其分路以支持 32 个0NU, 则与 0NU 相连的用户最多可获得19.5Mbit/s的带宽。 该带宽由所 有用户分享。为了组织此缆路上的通信,可以采用许多技术,包括 ATM 、以太网、 FDM( 频分 复用 )以及 WDM( 波分复用 )。 FSAN ( 全业务接入网络) 联盟对ATM PON(APON)作出了决定,APON变成ITU G.983 标准。APON 使用众所周知的技术,并提供有保障的QoS( 因为 ATM 信元有固定的大 小以及 ATM 专用的 QoS 协议功能 )。APON 是一种基于ATM 信元的

9、 TDM TDMA 技术， 由于 ATM 在实现不同业务的复用以及适应不同带宽方面的灵活性，使 APON 成为一种结合 ATM多业务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能力的比较理想的长远解决方 案，是未来宽带接入技术的发展方向，其标准遵循ITU TG.983建议，最高速率为 622Mbit/s。因为 APON 二层采用的是ATM 封装和传送技术，因此存在带宽不足、技术复 杂、价格高、承载 IP 业务效率低等问题。 为更好适应IP 业务，第一英里以太网联盟 （EFMA ） 在2001 年初， IEEE802.3ah工作小组对其进行了标准化，由 Cisco 和 Corning牵头的 数家公司

10、正在促进以太网PON 的使用。他们称以太网比ATM 更有理由成为PON 的选择 , 因为大多数企业都使用以太网连接，所以提出了在二层用以太网取代ATM 的 EPON 技术。 IEEE 组成了 “ Ethernet in the First Mile Study Group(第一英里以太网研究组) ” 对以太 网 PON 以及其他接入技术进行评估。EPON 可以支持 1.25Gbit/s对称速率，将来速率还 能升级到 10Gbit/s，EPON 产品得到了更大程度的商用。 无源光网络（ PON）需要 FPGA 设计的支持 FPGA 技术、低成本光学器件以及无源架构都为无源光网络(PON) 以及这

11、些网络的演进 做出了巨大贡献。系统级OEM 厂商不断发现，FPGA 能够提供技术性设计和经济方面的优 势，特别是在网络侧的中心局(CO) 基础设施端。 2002 年之前， 低性能的FPGA 主要用于原型创建工具。而如今的 FPGA 具有强大的性 能和丰富的功能，能更好地满足日益提高的PON 设计需求。另外，更低设计成本、灵活和 可扩展的 FPGA 对于竞争激烈的无源光网络市场来说也是关键。 PON是点到多点 (P2MP) 光纤到驻地 (FTTP) 的网络拓扑技术，也常被定义为光纤到路 边(FTTC) 和光纤到家庭(FTTH) 。在 PON 定义中采用了FTTP 或 CPE( 用户驻地设备 )。

12、通 过无需供电或无源的光分离器，单路光纤可以服务于多个驻地。分离器通常为32 路，不过 有时会多达 64 路。 一个 PON 网络包括一个位于业务提供商中心局的光线路终端(OLT) 和众 多的光网络终端(ONT) ，后者也被称为进入驻地的光网络单元(ONU) 。 下行的 OLT 信号以广播方式送到共享一根光纤的各个ONT 。目前的PON 标准规定下 行的数据率高达2.5Gb/s(Gbps)。上行信号则利用时分多路(TDM) 技术组合在一起。与数 字用户线 (DSL) 或电缆相比， PON具有无可比拟的带宽优势，可以提供高速三重播放业务 ( 语音，视频和数据) 。 根据 Infonetics的预

13、测，到 2010 年，北美和亚太地区PON 用户的年度复合增长率可 高达 150% 。吉比特PON(GPON)在北美正在取得强劲的增长，而以太网PON (EPON)主 要用在日本。日本政府的津贴政策正在推动PON市场的逐年增长，而中国正在仔细权衡 EPON 和 GPON 的优劣。 宽带 PON(BPON)或者国际通信联盟(ITU-T) G.983x是流行的美国PON 标准。其最 大下行数据速率为622Mb(Mbps)，上行数据率为155 Mbps。安装在光纤链路中的无源分 离器允许一根光纤最多连接64 个家庭。今年，GPON 或 ITU-T G.984 ，即 BPON 的演进 版本，有望进入更

14、多的美国家庭。它支持TDM 和分组数据，下行和上行数据率最高分别可 达2.5 Gbps 和1.24Gbps。GPON 的关键优点是无需增加IP 就能支持交换式数字视频和 原有的 TDM 语音。 成本敏感性 不管哪种标准， 用于提供宽带接入的PON 系统具有高度的成本敏感度。DSL 是目前使 用最为广泛的宽带接入技术。由于具有庞大的用户数量，DSL为每端口设置了极低的成本 标杆。因此， DSL 对 PON 提出了强大的挑战。不过PON 系统在过去两年里在降低成本和 增强功能方面也取得了长足的发展。 随着 PON 市场的发展，系统级OEM 厂商和运营商正密切关注其成本的降低，尤其是 OLT 的成本

15、。在ONT 侧，数量有望增加到百万台，因为PON 将为数以百万计的驻地提供 服务。许多ASIC和 ASSP 供应商盯上了ONT ，并提供各种芯片产品。由于ONT 是一个 量很大的市场，ASIC 和 ASSP 芯片厂商能够帮助降低成本，从而帮助系统级OEM 和运营 商提供较低的价格。 另一方面， OLT 系统数量为数万台而非数百万台，故成本较高。例如，PON 家用调制 解调器的成本为100 到300 美金，而 PON 网络中 OLT 系统的成本则高达10000 美金。实际 上， OLT 的成本对运营商来说极为关键，因此大都集成了多端口线路卡，可以处理越来越 多的驻地数量。 OLT 线路卡的期望数

16、量在可预见的未来将保持在中等到较低的水平，这有两个原因。 首先， 64 个 ONT 只需要一个OLT，其次，每个OLT 线路卡可以支持4到8个 OLT 端口。 于是， OLT 线路卡的数量和所用的元器件要远远少于大批量的ONT 设备。 设计复杂性使成本问题更加严重。PON OLT 和 ONT 拓扑结构是一个共享的媒体架构， 这为系统OEM 设计师提出了挑战。由于PON 标准中采用了TDM 技术，因此OLT 和各个 ONT 之间的交互非常复杂。TDM 用来共享不同驻地间的容量。早期的PON 标准使用静态 TDM ，因此每个驻地接收相同的容量。 但是，最新的PON 标准要求能够根据驻地的需求变化，

17、为不同的驻地动态分配容量。 这种动态带宽分配(DBA) 功能需要利用ONT 和 OLT 之间传送的信令通知OLT 每个 ONT 所需的容量。 OLT 也需要将分配的容量通知给每个ONT 。该协议基于从ONT 到 OLT 的请 求消息。 OLT 确定最佳的容量分配，并用确认消息予以响应。 另外，与较简单的点对点以太网端口不同的是，由于存在动态TDM 要求， PON 端口 是一种更复杂的P2MP 。 因此 OLT 端口必须在多个ONT 驻地之间进行连续切换。每个 ONT 分配得到 32 或64 个可用时隙中的一个与OLT 进行交互通信。 OLT 必须快速且连续地依次锁 定到每个ONT 数据流上，用

18、的是众所周知的突发模式。为了支持这一极快的锁定方案，需 要一个高度专用的媒体访问控制器(MAC) 、串行 / 解串器 (SerDes)以及时钟和数据恢复 (CDR) 功能。为了协调对每个ONT 的访问， PON MAC尤其重要。 图1： DSL 和 PON 拓扑共存。 基于 FPGA 的设计 针对上述背景，系统级OEM 厂商在实现低成本和高效的OLT 设计方面可选择性很少。 一种方法是选用ASIC 技术。但这种方法的投资成本极高。由于一些原因，ASSP 也无法较 好地实现。 ASSP 在支持 PON 演进需求方面的灵活性有限，缺乏设计可扩展性，并且功耗 随着时钟速率的升高而升高。ASSP 在提

19、供可竞争的差异化产品方面的能力也很有限，还面 临着器件停产的风险。另外，拥有成本也越来越高，上市时间较长。 然而， FPGA 却能为OLT 的设计提供低成本高效率的开发平台。当设计无缝移植到结 构化ASIC进行大批量生产时成本还能进一步降低。这种方法由于省去了大型且耗时的 ASIC 开发，系统OEM 厂商可以省去较大的成本，并缩短上市时间。 图2：OLT 线路卡采用的分布式与集中式架构的比较 像 STratix这类 FPGA 器件，能够为实现和集成主要的OLT 线路卡功能 ( 见图 2) 提供所 需的高性能逻辑。 而且， FPGA 也是用于实现CO OLT 或者 ONT 用户驻地端EPON 和

20、 GPON MAC 的可选技术。另外，可以在一片FPGA 中集成 PHY 和 MAC ，从而在一个芯片上实现 虚拟线路卡。 FPGA 中先进的高效率内核矩阵基于的是被称为自适应逻辑模块(ALM) 的创新 逻辑单元。 无源光网络发展趋势 当今，光通信技术正在往单波长的大容量以及密集波分复用的方向发展，作为下一代接 入网中首选的PON 技术也有向这两个方向发展的趋势。从长远的角度来看，1 Gbit s 的 传输速率远远不能满足下一代光接入网、用户终端对业务和服务的需求，随着互联网持续、 快速发展的需要，如视频会议、 实时游戏和If ，Iv 等高带宽应用不断涌现，尤其是 HDTV 、 网真等视频业务

21、对网络接入带宽提出了更高的要求，也推动着新的PON 技术层出不穷。 新 生 的 无 源 光 网 络 技 术 的 代 表 ： WDM PON 、 OCDMA PON和wDM TDMHPON等，从目前国际研究的现状来看，这些新技术集中地表现在三个方面：一是高 带宽、高利用率，包括提供超过100 km长距离传输，多于1000 用户的大用户量的接人， 以及每户大于 50 Mbps 的带宽；第二是新的网络结构和新的应用；例如把PON 和 LAN 、 OFDM 、WiMAX等技术相结合， 体现了网络与业务的融合；第三是新材料、 新器件的使用； 例如基于硬金属塑料光纤hardplasticclad fiber(HPCF)一 PON 应用于WDM PON 中，可以实现均匀光分路比和低插入损耗。