陈强,杨扬
1引言
接入网(AN)是泛指用户网络接口(UNI)与业务节点接口(SNI)间实现传送承载功能的实体网络,其目标是建立一种标准化的接口方式,以一个可监控的接入网络,使用户能够获得话音、租用线业务、数据多媒体、有线电视等综合业务。接入网连接本地交换局和用户,是用户和骨干网之间的界面。
宽带应用的不断发展造成了宽带骨干网与接入网之间的瓶颈。近几年,为了适应市场发展需求,加之网络经济的泡沫和电信运营商的大量投入,网络容量一再扩容,网络带宽一再提高,宽带骨干网已经出现网络容量大大超过业务需求的现象,因此只有实现宽带接入才是出路。
2传统的接入方式
拨号接入技术与交换设备和用户终端设备相比,自Alexander Graham Bell起就没什么大的变化。本地交换自引入自动交换和路由技术以来变得越来越快,也越来越可靠,交换设备的发展也正好迎合了用户终端设备的发展。PC的运行速度由5年前的100 MHz飞速发展到现在的2 GHz,1 GHz的以太网卡现在也已商用。随着网络终端速率的快速增长和大量LAN的增加,拨号接入技术由于受到固有的56 kbit/s的限制,已经越来越不能满足人们接入的需要。
为了解决接入网的瓶颈问题,提高用户的接入带宽,引入了不对称数字用户线(ADSL)。ADSL的一个最大优点就是不需要改变接入网中现有的设备,只需在线路两侧安装ADSL调制解调器即可。ADSL利用4 kHz以上的非语音频率作为传输数据信号的专用通道。ADSL的上行速率和下行速率是不对称的,数据通道中,下行带宽占绝大部分。在普通电话双绞线上,ADSL典型的上行速率为16~640 kbit/s,下行速率为1.544~8.192 Mbit/s,传输距离为3~6 km。尽管ADSL的速率比拨号接入有了很大的提高,但它还是不能提供像视频点播等需要大带宽的服务。
超高速数字用户环路(VDSL)作为下一代铜线接入技术,其国际标准正在制定。在一对普通电话双绞线上VDSL提供的典型速率为上行1.6~2.3 Mbit/s,下行12.96~55.2 Mbit/s(目前最高达到155 Mbit/s),速率比ADSL高约10倍,但传输距离比ADSL低得多,典型的传输距离为0.3~1.5 km。通过采用光纤到路边,再通过铜线接入到用户的方式可以克服距离限制。VDSL可同时传送多种宽带业务,如高清晰度电视(HDTV)、高清晰度图像通信以及可视化计算等,但VDSL并没有继承ADSL的优点,需要对现有网络设备进行较大的改造。
3无源光网络
相对于VDSL,另一个理想的接入网就是无源光网络(PON)。PON从本地交换局到用户形成一个树型结构,两者之间只包括无源器件,像无源耦合器(见图1)。在本地交换局,光链路终端(OLT)发送数据到用户终端或光网络单元(ONU),OLT也接收从ONU发回的数据。PON相对于VDSL的最大优点就是在本地交换局和用户之间不需要任何的有源器件,就像ADSL一样。
PON是未来接入网发展的方向。目前PON中的用户平均可以获得20 Mbit/s的速率,在需要的情况下可以达到更高。而且,PON的升级非常方便,只需要更新交换局和用户的终端设备即可,不需要对光纤本地环线进行改造。
3.1下行技术
如前所述,PON系统中,由一个OLT和多个ONU构成一个树型结构。下行方向,PON以广播的方式进行,信号由OLT发出,经过光纤到达无源光分路器,然后被平均分成N份发送到各个支路。因为多个ONU共享OLT发出的信号,所以ONU接收到的光信号只是OLT发出光信号的一部分。
3.2上行技术
PON的上行技术相对较复杂。由于从OLT到各个ONU之间的光纤长短不一,每路上行光信号的时延和衰减都不一样,为了避免信号碰撞,引入了测距协议。测距主要是使OLT测出到每个ONU的延时时间。在OLT上电工作的时候,发送一个信号到各个ONU,然后ONU发回一个响应,OLT发送数据和接收数据的时差就是每个ONU的延时,将它作为ONU发送数据的偏移时间,来避免上行数据的碰撞。
上行技术的另一个问题就是噪声漏斗效应,每个ONU产生的噪声通过光耦合器发送到OLT,在OLT汇聚形成强大的噪声干扰,降低了接收机的灵敏度,所以需要一种有效的机制来降低这种噪声干扰。目前的解决方案是在ONU不发送数据的时候关闭激光器,但是由于激光器的动态特性,当传输速率非常高的时候,激光器的预偏置时间将变得非常小,而这在实际应用中很难实现。
4FSAN
为了形成一种统一的接入网标准,1995年7家电信公司成立了后来名为全服务接入网(FSAN)的G7(Group 7)。FSAN的目标就是促成制定一种全球接入网设备的标准,以便降低设备的费用。FSAN下设两个委员会,其中一个重点研究PON技术,通过ITU发布了Broadband PON(BPON)的7项标准建议(G.983)。另一个承担VDSL的研究。
4.1BPON
Broadband PON是目前全球无源光网络的标准,它由ATM PON(APON)发展而来。BPON提供155 Mbit/s和622 Mbit/s的对称和非对称的传输速率,在这些速率下最大可接32个ONU,最远传输距离20 km。在下行方向,采用广播方式将数据传送到所有ONU。在上行方向,为了解决数据碰撞,采用了带测距的时分复用(TDMA)协议。OLT是系统的主要部分,所有的ONU只有在得到OLT的授权后才可以发送数据。动态带宽分配和波分复用是未来解决上行问题的发展方向。
BPON放弃了32个ONU的限制,通过在不发送数据的时候关闭激光器来解决噪声漏斗效应。
4.2GPON
FSAN同时也在制定下一代PON的规范,就是GPON,它的下行速率可以达到1.244 Gbit/s和2.488 Gbit/s,同时上行速率也可以达到155 Mbit/s,622 Mbit/s或者更高。通过采用前向纠错(FEC)获得2~3 dB的额外增益,传输距离可以达到60 km,可连接64个ONU。GPON采用与BPON不同的关闭激光器技术,GPON分配给激光器的预偏置时间是16 ns。这样FSAN将预偏置时间从155 Mbit/s的13 ns和622 Mbit/s的3.22 ns提高到了16 ns。同时,通过提高OLT发射器的发射功率,将ONU的接收灵敏度从BPON的-33 dB降到了-22 dB,这样虽然提高了OLT设备的费用,但同时降低了所有ONU设备的费用,也就降低了总的设备费用。
5最新的研究SuperPON
目前最新的PON研究方向是SuperPON。SuperPON分支比可达2 048,使用两级光放大器(位于交换局和馈线与配线之间即分支点)使距离达到100 km,为了保证用户有足够的带宽,比特率也相应提高,下行2.5 Gbit/s,上行311 Mbit/s。下行方向采用EDFA光纤放大器,比较简单,上行方向则不同,位于馈线与配线之间即分支点处的上行放大器接入来自多个ONU的输入,是漏斗噪声的汇合点,但由于上行方向为突发工作模式,可以安排上行放大器在有TDMA分组通过时才工作,以减小漏斗噪声的影响。EDFA时间常数太长不适合这种运用,而且上行1 310 nm波长也不是EDFA能胜任的,SOA(半导体光放大器)开关时间为ns量级堪当此用,但在PON中SOA需要有足够增益,这有赖于高驱动电流控制。SOA工作状态的切换由OAM根据ONU-ID(ONU识别符)控制。突发传输的直流电平波动问题因加入放大器而变得更严重,另外需要对大量ONU高效快速轮询,这些都是SuperPON需要解决的。
6结束语
本文给出了接入网的概要,介绍了PON系统的工作原理和FSAN的一些工作,也描述了目前(BPON)和将来(GPON)的PON标准和规范。
摘自 《中国有线电视》
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