无源光接入网（PON）及其关键技术

一、 引言

从电信网的演变与发展来看，目前电信网的交换网、传输网不论在自动化、数字化和智能化方面都达到了很高的水平，然而用户环路的发展则显得较为缓慢，基本上还是以铜线为媒体的窄带传输网。进入90年代随着通信的发展，用户对业务多样化的需求，电信运营者不仅要提供基本的电话业务，还要满足用户对通信的要求，即从窄带电话、传真、数据和图像业务逐渐向可视电话、视频点播（VOD）、图文检索和高速数据等宽带业务领域延伸。因此，世界各国尤其是发达国家的电信经营者和其他与电信部门竞争的部门，纷纷把建立以数字化和宽带化网络为核心的用户接入网提到议事日程上来。有人甚至把21世纪称为“光纤的世纪”。

所谓接入网（AN）是指从交换机到用户部分的信息传输和分配网络，目前发展的接入网技术主要有以下几种：金属线传输技术、无线接入网技术、混合接入网技术、光纤接入网技术。而光纤接入则因其巨大的带宽资源、高的传输质量而倍受青睐。光接入网（OAN）的实现从形式上可分为两种：有源光纤接入网（AON）和无源光纤接入网（PON）。其主要区别在于其分配结点是否有源。其中无源光接入网（PON）因为具有不采用有源节点、成本共享、对业务透明、易于升级和运行维护费用低等优点而得到多数国家和国际电联（ITU-T）重视。

二、 PON的参考配置与基本结构

G.982给出的PON的参考配置如图1所示。图中主要功能块的作用为：

OLT（光线路终端）：具有与交换机的接口功能，完成各种光电信号的转换、分配和控制各信道的连接，对各种光电接口实施监控，提供操作、维护及管理等功能。

ODN（光配线网）：为OLT与ONU之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分配。ODN是由无源光元件组成的纯无源的光配线网。

ONU（光网络单元）：作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，需要有光/电和电/光转换功能，还要完成对语声信号的数/模和模/数转换、复用、信令处理和维护管理功能。 图1 光接入网功能参考配置示例

PON的基本结构如图2所示，它是基于资源共享而设计的，采用一点对多点的分布结构，多种业务信号通过光纤传送到本地网，然后被无源地分配到靠近用户的ONU单元，经过ONU的光电转换和信号处理后，为用户提供服务。根据ONU所处的位置不同，OAN可分为：光纤到路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）、光纤到家（FTTH）。FTTH是光接入网发展的最终目标，但目前因其成本昂贵而暂时没有发展。图2 PON的基本结构

三、 PON中的多路复用与多址技术

多路复用和多址技术是实现PON的关键技术之一，PON中的多路复用和多址技术主要有以下三种：

1． 时分复用/时分多址接入（TDM/TDMA）

这种技术将通信时间分成相等的时隙，每一时隙只传输特定信道。各信道按时间顺序轮流传输。在下行方向光线路终端（OLT）将时分复用的多路比特流发射到一根馈线光纤里，经光分路器进行功率分配，广播至所有的光网络单元（ONU），每个ONU根据下行比特流的同步时钟信号，接收传给本ONU的特定时隙的信息。在上行方向，各ONU根据OLT规定的时间以特定的功率发送与下行比特宽度一致的上行比特流。这种技术最重要的就是OLT控制每个ONU的发送时间、发射功率及ONU同步信号的提取。

2． 副载波复用/副载波多址（SCM/SCMA）

在下行方向，OLT以一定的调制技术将各基带信号调到各自对应的射频段（较窄），然后合成一个较宽频段的射频波信号，以此调制激光器产生的模拟光信号，送入一条馈线光纤中，到分路器进行功率分配并广播至所有的ONU。各ONU将接收的光信号恢复成宽带发射信号，经特定的滤波器和鉴频器挑出属于本ONU的信号。在上行方向，每个ONU将上行信号调制成特定频段的射频信号，依次调制激光器。各光信号至分路点耦合到馈线光纤中，到OLT再由与下行一样的过程恢复各基带信号。SCMA不需要复杂的同步技术，不过，OLT接收的各个ONU的功率差别较大，会引起一些难以解决的问题。

3． 码分复用/码分多址（CDM/CDMA）

CDM以不同的码区分不同的信号，各用户可共用一个频段（通常较宽），每个用户采用不同于其它用户编码信号的独特码。CDM/CDMA的优点是，用户地址分配灵活，增加用户时不易出故障，抗干扰能力强，CDMA允许用户随机接入，不需要与别的用户同步。故系统的全部带宽随时可用，同时还能有效防止非法用户进入。CDMA在无线领域已取得了较大进展，在光领域的研究尚处于实验室阶段。

四、 基于TDM/TDMA方式的PON的关键技术

目前，运用TDM/TDMA方式的PON系统较为普遍且已经进入商用。TDM/TDMA方式主要有以下三个难点：1）突发模式同步技术；2）测距技术；3）光功率控制技术。

1． 突发模式同步技术

在TDM的下行广播式方向，ONU接收到下行帧信号后从中提取OLT传输给自己的那一部分有用信号，下行方向传输的是连续数字信号，故在ONU的接收部分只需对光电检测器检测出的电信号进行写进提取和判决即可完成定时再生，系统通过下行帧同步的同步前置码来实现帧同步，其中定时提取可以通过锁相环（PLL）或声表面波（SAW）滤波法。在ONU到OLT的上行传输方向上，各ONU的上行传输的信息以分组的形式通过时分多址（TDMA）方式传送，由于各ONU的从时钟是从OLT传输来的下行信号中提取的，而且ONU在OLT规定的时隙内传送上行分组信号，所以在OLT端接收到来自不同分组信号的频率是基本相同的，但是各ONU与OLT的距离不同，因此各分组信号的比特相位是不相同的，故在接收组成上行帧的每一分组信号，这样就要求系统能够较快地实现比特同步，这个过程通常要求在几个比特时隙内完成，通过发送较长的专用的同步码实现帧同步的传统方式必然严重地影响上行信道的利用率，特别是在高速PON系统中，必须采用快速比特同步。

PON上行同步不仅要实现位同步，还要实现帧同步。为此可采用关键字相关检测算法。在每个ONU发送的分组信号首部加上几个比特构成的关键字作为同步前置码，采用频率相同、初始相位不同的若干个时钟源对输入信号前置码进行取样，哪一路取样结果与设定的关键字相匹配，则那一路时钟为最佳时钟，这样就可以利用同步前置码实现快速比特同步，并由于同步前置码在分组信号中位置固定，系统同时也实现了上行帧中每一分组的同步。基本原理如图3所示。

图3 快速同步的基本原理电路

2．测距技术

采用时分多址接入（TDMA）的无源光网络（PON）具有独特的无源分支结构，不同的光网络单元（ONU）到光线路终端（OLT）的光纤传输延时是不同的。在上行方向，为了避免与OLT距离不同的ONU所发上行信号的OLT处发生冲突，必须对各ONU发送信息的时间作出精确的规定。要实现这一点，系统必须能对OLT到ONU之间的环路传输距离（或传输延时）实行精确的测定。同时，数字设备和光纤线路的实际延时随环境而不断变化，导致总的信号传输延时发生改变，如果不加以控制，这种延时变化也会导致不同ONU间信息发生碰撞，因此，系统必须对延时进行动态控制。测距的方法各有不同，但总的原则都是要确定各ONU与OLT的精确延时，并把它与系统设定在固定环路延时的差值作为各ONU的控制延时，各ONU据此调整发送时间，以避免信号碰撞。

3．光功率控制技术

在采用TDM/TDMA方式进行传输的PON系统中，由于PON系统具体的网络结构因具体的应用环境不同而异，各ONU至OLT的距离是不确定的，所以在OLT接收到的来自不同ONU的信号在传输过程中的光功率损失是不同的，因此必须采用光功率控制技术。在传统的点到点光纤通信系统中，接收机的判决门限为固定值，但在PON系统中，如果OLT端的光接收机也采用固定的门限，则当该判决门限取值较小时能正确判决幅度较小的信号，那么在判决接收到的幅度较大的信号时必然会产生脉宽失真；反之如果该判决门限取值较大时能正确判决幅度较大的信号，那么在判决接收到的幅度较小的信号时必然会产生大量的误码，故PON系统中OLT端应采用可变门限的突发模式使接收机来适应不同ONU信号的光功率变化。另外，也可采用发射端光功率根据特定节点的光路损失不同而动态改变的方法。

五、 接入网向宽带方向的发展

目前，无论是电话网的核心网部分还是CATV网的骨干网部分都正向高速、SDH兼容的网络方向发展，业务种类将会越来越多，所需带宽也越来越宽（例如HDTV），交互性越来越强。因此，作为整个网络的瓶颈部分——接入网也将向着更高带宽、SDH兼容和增加双向通信能力的方向发展，否则电信网的现代化和宽带化将是一句空话。

多数人认为，从当前接入网中的两种最主要的技术方案——FTTC和HFC来看，无论那一种，其共同的趋势都是逐渐从较大的节点向较小的节点发展，然后逐渐将光纤推进至分支点（FTTH）甚至实现FTTH。其最终发展目标都是以FTTH为基础的宽带接入网。那么究竟什么是推动力量？一般认为宽带业务需求是发展以FTTH为基础的宽带接入网的主要推动力，然而某些其他因素（诸如供电），功耗远大于传送窄带业务的ONU，采用FTTH直接由用户住宅本地供电的成本要比网络供电的成本低75%至90%。另外，在FTTH方案中，ONU安装在室内，不必经历室外的恶劣环境条件，可以采用低成本元器件。最后，FTTH还消除了FTTC中金属引入线和HFC的同轴电缆，避免了金属缆的腐蚀问题。对HFC而言，当光纤节点服务区的用户数少于100时，可以无需线路扩展放大器，成为无源引入线。这不但能够减少故障率和维护工作量，而且可以简化由HFC更新升级至更高带宽的工作。

由FTTC更新至FTTH可以有多种方式，例如波分复用（WDM）和时分多址接入（TDMA）。采用WDM时，设在路边的有源机柜可以由很小的无源小盒子代替，TDMA在高比特率下也很好工作。

B-ISDN是公认的理想的宽带网体制，而异步传输模式（ATM）是标准信息传递模式。从中近期看，对光纤接入网而言，SDH和ATM仅适用于主干电缆段、交换接口和数字局端机接口。以后，随着业务发展，SDH接口将进一步扩展至路边，再经双绞线或同轴电缆引入线将分用后的各种业务信号送给用户。从长远来看，随着光纤到家，SDH和ATM也会最终进入家庭，真正实现宽带光纤接入。届时，全网的瓶颈才能真正消除，实现统一的宽带网结构，电信网将真正成为下一世纪信息高速公路的坚实网络基础。