前言
随着通信技术的发展，电信业务已由以语音为主的窄带业务向话音、DATA、VIDEO等多媒体宽带业务方向发展。为了实现多媒体通信，公用电信网络必须具有宽带的交互接入能力。目前，实现宽带交互接入的技术方案主要有：铜双绞线xDSL、铜缆HFC、有线光纤宽带接入、无线宽带接入等。特别是基于光纤宽带接入的无源光网络（PON）技术，以其经济有效的特点正在获得广泛的应用。
FTTC、FTTB、FTTZ等技术是经过光纤组网到用户附近、再由铜双绞线连接至用户，实现用户侧窄带业务的接入，再结合Cable Modem等技术，可经济地实现用户侧宽带业务的接入，这是目前商用化的用户宽带业务接入技术之一（即FTTC+HFC）。用户宽带业务接入技术以实现光纤到家（FTTH）为目标，结合无源光网络（PON）的组网技术和ATM、副载波复用（SCM）、密集波分复用（DWDM）等传输技术，开发出经济、高效的宽带业务接入系统。
宽带光纤接入技术方案特点与发展现状
宽带光纤接入技术主要有：FTTC+HFC、ATM-PON、SCM-PON、DWDM-PON、超级PON（S-PON）等。
FTTC+HFC技术方案
用光纤作为CATV网络的干线，并在原有的传输单向下行模拟电视信号的基础上增加回传信道，实现PSTN、DATA和CATV三网合一，这就是所谓的混合光纤同轴电缆网（HFC）技术。由于HFC是以树形结构组网，其存在传输的可靠性、噪声、回传信道拥挤等问题。随着电信业务和CATV的数字化，结合交互数字传输的FTTC技术是HFC的发展方向。HFC结合Cable modem技术实现宽带业务接入，也是目前宽带接入网络方案之一。
FTTC+HFC又叫共缆分纤传输技术，它利用FTTC向用户传送交互式窄带数字业务（将来可以升级为宽带数字业务），利用HFC传输模拟CATV及其他宽带信号，两者利用共缆不同光纤进行传输。CATV的前端（HE）一般配置在中心局，HFC的光及结点（FN）与FTTC的光网络单元（ONU）或远端模块配置在一起，通过同轴电缆给ONU供电。通过同轴电缆将宽带模拟信号连接至用户的TV设备，通过双绞线将交互式数字信号用户的终端设备。由于数字宽带技术的标准还未成熟，现阶段FTTC主要用于传输交互式窄带数字业务。FTTC网络具备向宽带化升级的能力，即可以升级为以ATM为基础的数字宽带接入网。
ATM-PON技术（如图1）
采用无源光网络（PON）可以降低光纤接入成本、提高接入性能、利于宽带业务接入。以ATM传输技术为基础的PON简称为ATM-PON，它基于时分复用技术，并且被认为是目前能够较好地解决宽带接入的方案之一。
ATM-PON为用户提供的宽带接入较为灵活，其下行速率可以是622Mbit/s或155Mbit/s，上行速率为155Mbit/s。一个无源光分路器（OLT）能够连接16至32个ONU，一个ONU能够连接几十个用户单元设备（CPE），通过将ATM交叉连接模块配置在OLT中、将ATM的业务模块配置在各个ONU中，为用户提供交互式宽带业务。其下行方向采用基于ATM信元的复用技术，上行方向则采用TDMA控制协议控制用户入网。上、下行方向的ATM信元均被封装成ATM-PON分组信元结构，即在每个分组信元的头部附加一个字节的信头，以提供网络同步及与传输相关的功能，如上行TDMA协议的ONU标识等。网络的运行和维护功能（OAM）则通过物理层信元（PLOAM）传送。
图1 ATM-PON方案原理
为了实现TDMA控制技术，需要解决光功率动态调整、测距延时、突发同步等问题。
1） 光功率的动态调整问题：ATM-PON系统组网一般采用树形拓扑结构，各个ONU至OLT的光纤路经长度不同，光信号受到的传输衰耗不同。要求OLT的光接收器具有较大的光功率动态范围，并能够根据接收到的光功率大小，快速设置信号判决门限；而每个ONU的激光器应该能够根据与OLT之间不同的传输衰耗，动态进行输出光功率的调整，以降低对OLT接收动态范围的要求。实际上，ATM-PON依据分组信元头部字节的3个bit位传输的信息，进行ONU的光发功率调整及OLT光收门限设置。
2） 测距延时问题：各个ONU传送分组信元至OLT的路经不同，为了避免OLT接收端各个ONU传送来的分组信元发生碰撞，必须使各个ONU至OLT的有效连接距离相等。ATM-PON技术通过测距软件，自动测试各个ONU至OLT的有效连接距离，并依据有效连接距离自动确定各个ONU发送分组信元之前的时延量，以保证有效连接距离相等。
3） 突发同步问题：测距软件的精度是有限的，当某ONU需要连续突发传输分组信元时为了避免同其他ONU的分组信元发生碰撞，必须在连续突发传输的分组信元之间预留一个保护时间（一般是2bit±1bit），从而使各个突发分组信元的首bit将落在±1bit的保护时间内，也就要求OLT接收器在极短时间内迅速恢复突发信号中的正确时钟。ATM-PON采用附加抽样技术（利用分组信元头部字节的3bit）进行时钟的相位校准，实现突发同步。
ATM-PON+xDSL技术
ATM-PON+xDSL是一种经济使用的ATM-PON方案，他将用户测的ONU配置在用户大楼的电缆分配箱附近，以降低ATM-PON方案的成本。而ONU到用户之间通过铜缆或铜双绞线，采用xDSL方式互连，各个ONU需要负责xDSL信息结构与ATM-PON分组信元结构之间的转换，包括低速、高速信息流之间的复用/解复用，其余同上述的ATM-PON方案一样。XDSL传输方式的特点是传输速率能够依据用户需要动态分配。用户需要超高数据传输时，可采用VDSL方式。VDSL的下行速率为12~51Mbit/s，上行速率为1.6~26Mbit/s，支持的传输距离300m~1.5km。多个需要宽带接入的用户共享一个ONU，这种方式可以降低接入成本。现阶段是宽带接入的初期，采用ADSL方式已经能够满足用户现时的宽带接入所需。ADSL的下行速率为2~8Mbit/s，上行速率为640Kbit/s，支持的传输距离3.7km。
SCM-PON技术（如图2、3）
付载波技术是一种成熟的电信号频率复用技术，通过对激光器的幅度调制，使激光信号既能够携带模拟信息，也可以携带数字信息。SCM与PON技术的结合，可以方便地接入窄带业务或宽带业务，以及方便于业务扩容。
图2 SCM-PON方案原理
下行信号频带结构（使用光波长为：1550nm）：STM-1 16 BB chennal
上行信号频带结构（使用光波长为：1310nm）：16NB chennal 16 BB chennal
图3 SCM-PON信号频带结构
在SCM-PON技术中，上、下行信号采用不同的光波长传输（即使用到WDM技术）。OLT至ONU的下行方向传输STM-N速率的广播型基带信号，每个ONU可接收一个STM-1速率的信号。每个ONU采用付载波多址技术（SCMA）处理多点对点的传输问题；OLT则通过滤波方式选择各个ONU传来的付载波信息。ONU在付载波中可以携带的上行速率为：9.72Mbit/s~51Mbit/s。在TDM基础上可以进一步接入宽带付载波信号，宽带付载波可以加入任一ONU中。由于各个ONU分别采用不同的付载波传输信息，不存在同一路由的测距和突发同步问题。SCM-POM技术可以为用户提供不同的路由保护，当用户需要对其业务提供保护路由，并且由于某种原因发生保护倒换时，TDMA的测距和保护倒换后的快速同步就成为主要解决的问题。每个付载波的宽带信息都采用ATM复用技术，即以ATM信元结构传送信息。
在SCMA技术中，OLT的光接收机同时受到n个ONU传来的光信号的照射，某个单一信道的噪声电平将受所有ONU激光器相关强度噪声（RIN）的影响。当OLT接收机的RIN电平过高时，会影响系统的接收信号的性能，特别是bit误码率（BER，传输要求≤10E-10）。为了减小RIN电平，需要制定一个密集付载波频率分配方案，并要求ONU的光发送功率能够在线性的动态范围内自动调节，以限制系统的总传输带宽，避免付载波信道之间的相互干扰。SCMA技术的另一个问题是光拍频噪声，当两个以上的激光信号的光谱叠加后，照射到OLT的光接收机时，就会产生光拍频噪声，它随时间和温度波动，引起系统的瞬间BER变化而有可能超出技术要求。光拍频噪声的存在会降低系统的光信号传输特性，光拍频噪声电平大小主要与ONU激光器的光波长配置有关。目前的窄带SCM-PON系统试验中，采用软件技术，在OLT侧监测光拍频噪声电平，若光拍频噪声电平增加，则控制ONU激光器的光波长进行适当的调整，以降低光拍频噪声电平，确保信息接收质量。
DWDM-PON技术（如图4）
光信号的密集波分复用技术（DWDM）近几年日趋成熟，主要用于大规模扩展光纤的传输容量。DWDM与PON的结合将给用户宽带业务接入网带来广阔的前景。前面所述的PON技术中已经用到了1310nm与1550nm波长的波分复用，各个ONU与OLT都是使用相同的1310nm（上行）与1550nm（下行）波长。DWDM-PON技术容许每个ONU具有独自的收发光波长，还可以为某个特殊的宽带业务分配一个光波长。DWDM-PON技术下的扩容问题只需增配一个光波长就可获得解决，特别适合于窄带系统向宽带系统升级或FTTC系统向FTTH系统升级。
图4 DWDM-PON方案原理
DWDM-PON使用多波束传输下行信号，不同波束对应与不同的ONU传输；上行信号可用TDMA传输技术实现，或使用多波束传输上行信号。当使用多波束传输上行信号时，不同波束也对应与不同的ONU，要求各个ONU配置有光波长可调的DFB激光器，系统成本较高。DWDM-PON对系统的光器件要求很高，目前成本也很高。随着光栅技术、光集成技术的应用、激光器阵列及光滤波器件的研发、稳定和批量生产，将会大大降低系统的成本，其推广应用也为期不远。
S-PON技术（如图5）
由于普通的无源光网络（PON）的光分路比为16~32，有效传输距离约20km，支持速率为STM-1或STM-4。随着电信业的发展，接入网的覆盖范围将逐渐扩大，传输距离也将超百公里，为降低系统投资成本，同时将要求网络的光分路比更大。通过级联使用无源光分路器来代替旁路交换机的超级无源光网络（S-PON）也将应用而生。
通过级联使用无源光分路器，S-PON支持的有效传输距离为100km（含90km主传输光纤，10km分支线路），系统总分路比可达2048，支持下行信号速率为2.5Gbit/s，上行速率为311Mbit/s。通过动态带宽分配技术，可支持15000个用户的窄/宽带业务、交互业务的接入。
S-PON的主光纤段采用有源光放大器件（EDFA）作为光中继器，以延长接入系统的传输距离，分支线路适合于使用单纤双向的DWDM传输方案。光中继器（ORU）中的光网络单元实现对光中继器的运行、维护管理以及突发控制等。
图5 S-PON方案原理
结束语
目前，虽然ATM技术存在网络管理、信息阻塞与流量控制等方面的不完善问题，但在综合宽带业务应用方面，具有较强的灵活性、可应用性和可靠性。PON技术以其灵活的接入组网方式，便于低成本、高效益地实现大量用户的宽带业务接入等等特点，决定了它在宽带接入系统中的地位。ATM-PON技术方案是现阶段接入网技术较好的方案，并以ATM-PON+xDSL作为过渡方案。接入网技术的发展最终将以实现FTTH为目标。
摘自《计算机网络世界》2002.1
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