WDM無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

1　引言

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）提供光線路終端（OLT）和多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的連接，共享OLT到遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)（RN）之間的光纖媒質(zhì)，具有成本低、便于維護(hù)、對(duì)各種業(yè)務(wù)透明等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)PON能夠平滑地過(guò)渡到FTTH，因而具有美好的發(fā)展前景。PON可以分為功率分割型無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PSPON）和波分復(fù)用型無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（WDMPON）。PSPON采用星型耦合器分路，上/下行傳送采用TDMA/TDM方式實(shí)現(xiàn)共享信道帶寬，加上功率分路，從而限制了ONU數(shù)量。WDM技術(shù)使用多個(gè)波長(zhǎng)信道增加系統(tǒng)容量，具有支持大量ONU的能力。同時(shí)考慮到接入網(wǎng)作為國(guó)家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，WDM技術(shù)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的生命力，并且質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的WDM器件將不斷出現(xiàn)，因此，把WDM技術(shù)引入接入網(wǎng)是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

2WDM-PON的原理

在PON中引入WDM技術(shù)有兩種方案，一種是為每個(gè)ONU分配一對(duì)波長(zhǎng)，分別用于上行和下行傳輸，這樣就提供了OLT到各ONU固定的虛擬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向連接。另一種是根據(jù)需要為ONU動(dòng)態(tài)分配波長(zhǎng)，各ONU能夠波長(zhǎng)共享，網(wǎng)絡(luò)具有可重構(gòu)性。

OLT 中使用多波長(zhǎng)光源，下傳給ONU1、ONU2……ONUn的數(shù)據(jù)以直接調(diào)制或外調(diào)制方式，加到波長(zhǎng)為λ1、λ2、……λn的光載波上發(fā)送，通過(guò)波長(zhǎng)路由把信號(hào)分配給目的ONU，完成下行傳輸。上行傳輸時(shí)，ONU間采用WDMA解決信道爭(zhēng)用問(wèn)題，每個(gè)ONU使用一個(gè)特定的波長(zhǎng)，因而不需要定時(shí)和網(wǎng)絡(luò)同步。上行信號(hào)通過(guò)波長(zhǎng)路由器復(fù)用到一跟光纖上，傳到OLT接收端，由WDM接收機(jī)接收。

另一種方案稱為可重構(gòu)WDM- PON，其下行傳輸與第一種方案相同，上行傳輸時(shí)，ONU先使用控制信道向OLT發(fā)送傳輸申請(qǐng)，OLT調(diào)度申請(qǐng)為ONU分配波長(zhǎng)和時(shí)隙，并在下行幀中通知 ONU，ONU收到分配信息后，調(diào)諧到分配到波長(zhǎng)上，在給定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種方案中，ONU需要配置一個(gè)固定發(fā)射機(jī)（控制信道）和一個(gè)可調(diào)發(fā)射機(jī)（數(shù)據(jù)信道），其優(yōu)點(diǎn)是上行波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分配，能夠支持更多的ONU，提高了波長(zhǎng)信道的利用率。
　　
　　3WDM-PON的關(guān)鍵技術(shù)

3.1多波長(zhǎng)光源

目前有多種方法構(gòu)造多波長(zhǎng)光源。一種方法是選擇一組波長(zhǎng)接近的、離散的、可調(diào)諧的DFB激光器，利用溫度調(diào)諧產(chǎn)生多波長(zhǎng)的下行信號(hào)。由于各個(gè)波長(zhǎng)獨(dú)立調(diào)節(jié)，需要監(jiān)控每個(gè)波長(zhǎng)，系統(tǒng)變的非常復(fù)雜。集成DFB激光器陣列輸出光譜可以通過(guò)控制溫度統(tǒng)一調(diào)諧，易于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)監(jiān)控。但由于DFB激光器輸出波長(zhǎng)隨波導(dǎo)有效折射率變化，精確控制輸出光譜與波長(zhǎng)路由器信道間隔相當(dāng)匹配困難。

第二種方法是采用多頻激光器（MFL）。MFL包含N個(gè)光放大器和一個(gè)1''''N的陣列波導(dǎo)光柵，陣列波導(dǎo)光柵的每個(gè)輸入端集成一個(gè)光放大器。在光放大器和陣列波導(dǎo)光柵輸出端之間形成一個(gè)光學(xué)腔，如果放大器提供足夠的增益克服腔內(nèi)的損耗，則有激光輸出，輸出波長(zhǎng)由陣列波導(dǎo)光柵的濾波特性決定。通過(guò)直接調(diào)制各個(gè)放大器的偏置電流，就可以產(chǎn)生多波長(zhǎng)的下行信號(hào)。MFL的波長(zhǎng)間隔由陣列波導(dǎo)光柵中的波導(dǎo)長(zhǎng)度差決定，可以精確控制，各波長(zhǎng)可以通過(guò)控制同一個(gè)溫度統(tǒng)一調(diào)節(jié)，便于波長(zhǎng)監(jiān)控，是理想的OLT光源。16信道間隔為200GHz和20信道間隔為 400GHz的MFL已有報(bào)道，直接調(diào)制速率為622Mbit/s。

3.2波分復(fù)用器

在WDM -PON中，波分復(fù)用器通常稱為波長(zhǎng)路由器，它解復(fù)用下行信號(hào)，并分配給指定的OUN，同時(shí)把上行信號(hào)復(fù)用到一根光纖，傳輸?shù)絆LT。它的主要指標(biāo)有插入損耗、串音、信道間距、偏振依賴性和溫度敏感性等。目前已有多種結(jié)構(gòu)的器件，如薄膜干涉濾光片、聲光濾波器、光纖光柵、陣列波導(dǎo)柵等。最近幾年發(fā)展的陣列波導(dǎo)光柵具有尺寸小、易于集成、通道間距窄、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了WDM-PON的發(fā)展。由于石英玻璃的折射率隨溫度變化而發(fā)生變化，陣列波導(dǎo)光柵的信道波長(zhǎng)受溫度影響。為解決這一問(wèn)題，已報(bào)道了幾種對(duì)溫度不敏感的波導(dǎo)型復(fù)用器，其中采用溫度補(bǔ)償方法的復(fù)用器對(duì)0-85℃范圍內(nèi)的溫度變化不敏感，具有良好的性能，有望得廣泛應(yīng)用。

3.3WDM接收機(jī)

WDM接收機(jī)由解復(fù)用器和接收機(jī)陣列組成。在WDM接收機(jī)中，需考慮解復(fù)用器處的線性串音。

3.4波長(zhǎng)監(jiān)控

由于WDM-PON中采用多個(gè)波長(zhǎng)，而且由于波長(zhǎng)路由器一般放在露天，并且沒(méi)有溫度控制，因此，溫度對(duì)于波長(zhǎng)路由器通帶變化的影響非常重要。一般說(shuō)來(lái)，波長(zhǎng)路由器的溫差范圍為-40--85℃，通帶偏移率為0.011nm/℃。因此，在這樣的溫差下，波長(zhǎng)將有1.4nm的偏移。這樣的偏移將與WDM的波長(zhǎng)間隔同數(shù)量級(jí)（100GHz-200GHz），將嚴(yán)重影響WDM-PON的工作。因此，需要OLT中進(jìn)行波長(zhǎng)的檢測(cè)與調(diào)諧工作?；蛘呖梢圆捎肧et- and -forget的方法，讓各復(fù)用波長(zhǎng)之間的間隔足夠大（400GHz-500GHz），這樣可以不對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整而使溫度變化導(dǎo)致的通帶偏移在允許范圍內(nèi)而不對(duì)系統(tǒng)性能發(fā)生不良影響。但是占用的寬光譜不僅僅使資源浪費(fèi)，而且會(huì)使光譜大于正常EDFA的放大范圍。另一種方法是采用對(duì)溫度不敏感的波長(zhǎng)路由器，可以不需要或簡(jiǎn)化波長(zhǎng)監(jiān)控。[!--empirenews.page--]

波長(zhǎng)監(jiān)控采用差分算法，比較一個(gè)信道的發(fā)送功率與通過(guò)波長(zhǎng)路由器的功率，得到差值信號(hào)，如果小于上一時(shí)刻的差值信號(hào)，溫度按當(dāng)前的方向改變?chǔ)，反之說(shuō)明信道失配增加，溫度以反方向改變?chǔ)。該方向要適當(dāng)選取溫度調(diào)節(jié)的速率和步距ΔT。

波長(zhǎng)監(jiān)控可采用監(jiān)測(cè)下行信道功率和監(jiān)測(cè)上行信道功率實(shí)現(xiàn)。對(duì)于只在下行采用WDM的復(fù)合PON，只能監(jiān)測(cè)下行信道功率，這種方法需要附加的環(huán)回光纖，或一個(gè)監(jiān)控信道和光纖光柵。對(duì)于上行采用頻譜分割的WDM-PON，可以通過(guò)在OLT比較解復(fù)用前后的上行信號(hào)功率，進(jìn)行波長(zhǎng)監(jiān)失只需增加耦合器，不需要附加的信道。

3.5ONU光源

在ONU 的設(shè)計(jì)中，雖然各個(gè)ONU要產(chǎn)生不同的上行波長(zhǎng)，為了安裝和維護(hù)方便，要求各個(gè)ONU一模一樣。ONU中產(chǎn)生的上行激光要功率足夠大，能容忍或調(diào)整由于溫度變化（-40-85℃）造成的波長(zhǎng)偏移。寬調(diào)諧單模DFB激光器或DFB激光器陣列可以滿足要求，但目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，同時(shí)造價(jià)昂貴，距實(shí)用化還很遙遠(yuǎn)。光環(huán)回技術(shù)和頻譜分割光源是兩種可行方案。

光環(huán)回技術(shù)是利用一部分下行光信號(hào)作為載波，在ONU中調(diào)制中，再發(fā)送到OLT。光環(huán)回技術(shù)避免了使用ONU光源，但也存在一些缺點(diǎn)。它要求OLT光源輸出功率很大，以支持下行和上行傳輸，而且因?yàn)橛衼?lái)回兩程，接收到的上行信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍是一般動(dòng)態(tài)范圍的2倍。同時(shí)幀結(jié)構(gòu)需要分成下行和上行兩部分，假設(shè)平均分配，則上、下行的線速率加倍，接收機(jī)的靈敏度降低，增加了功率代價(jià)。對(duì)于單纖雙向傳輸，還需考慮瑞利散射的影響。解決的辦法是采用高功率OLT光源或在ONU中使用集成半導(dǎo)體光放大器的調(diào)制器。上行和下行信號(hào)要通過(guò)雙纖傳輸，以避免瑞利散射產(chǎn)生的干擾。

頻譜分割是采用寬帶光源，如LED，發(fā)射光通過(guò)復(fù)用器后，輸出信號(hào)譜都是原來(lái)寬帶信號(hào)的一部分，輸出信號(hào)的波長(zhǎng)取決于跟LED相連的復(fù)用器端口。這里的光復(fù)用器相當(dāng)于中心頻率互不相同的一組光濾波器。與寬調(diào)諧單頻激光器相比，寬帶光源簡(jiǎn)單，成本低，因此頻譜分割技術(shù)在WDM-PON中具有吸引力。但是復(fù)用器和解復(fù)用器的頻譜響應(yīng)引起的頻譜分割損耗很大（18dB），而且LED的入纖功率一般只有-10dBm，造成了功率預(yù)算問(wèn)題，另我鉗制的F-P激光器或集成放大器的LED等寬帶光源技術(shù)逐漸成熟將有望提供定喧光源。頻譜分割會(huì)引起較大的線性串?dāng)_，限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，需要適當(dāng)?shù)倪x擇復(fù)用器和解復(fù)用器的通帶譜寬以及信道間隔。

3.6媒質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議
 
　　在接入網(wǎng)中，用戶數(shù)多于波長(zhǎng)數(shù)，因此需要一種接入機(jī)制提供波長(zhǎng)共享。許多用于廣播-選擇星型網(wǎng)的WDM MAC協(xié)議已經(jīng)提出，但這些協(xié)議已經(jīng)提出，但這些協(xié)議都是針對(duì)傳輸時(shí)延小、固定分組長(zhǎng)度的局域網(wǎng)，在傳輸時(shí)延相當(dāng)大的接入網(wǎng)中執(zhí)行效率不高。另外，接入網(wǎng)中除數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)外，還有語(yǔ)音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，需要對(duì)不同的業(yè)務(wù)采用不同的調(diào)度策略，以提供QoS保證。
　 　
　　ONU位于系統(tǒng)的用戶側(cè)，提供接入網(wǎng)和用戶網(wǎng)的線路終端功能，OLT位于網(wǎng)絡(luò)側(cè)，負(fù)責(zé)上行數(shù)據(jù)幀的調(diào)度和波長(zhǎng)信道分配，并提供與寬帶公用網(wǎng)的接口。 ONU通過(guò)控制信道λc向OLT發(fā)送傳輸請(qǐng)求，請(qǐng)求內(nèi)容為該ONU的地址以及待發(fā)送幀的長(zhǎng)度。OLT收到傳輸請(qǐng)求后，根據(jù)ONU的地址將待發(fā)送幀的長(zhǎng)度寫(xiě)入相應(yīng)的請(qǐng)求隊(duì)列，通過(guò)分組調(diào)度算法決定ONU的發(fā)送次序，然后通過(guò)信道分配算法為ONU分配信道，并將發(fā)送信息通過(guò)下行信道廣播給ONU，ONU根據(jù)發(fā)送信息在分配的信道和時(shí)隙上安排數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，這樣便從邏輯上解決了共享信道的問(wèn)題。另外，OLT通過(guò)測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量各ONU的位置并通知ONU，ONU引入時(shí)延補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)各信道時(shí)隙同步。

4結(jié)論

與其它寬帶接入相比，WDM-PON初期投資大。此外，WDM-PON所需的各種光電器件還不成熟，如多頻激光器、寬調(diào)諧單頻激光器及集成放大器的LED等還沒(méi)有進(jìn)入大規(guī)模商用化段。對(duì)于上行傳輸，光環(huán)回技術(shù)或頻譜分割都存在技術(shù)問(wèn)題需要解決。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，一方面由于WDM技術(shù)在骨干網(wǎng)及城域網(wǎng)中的應(yīng)用，促進(jìn)WDM器件成熟和價(jià)格下降；另一方面，用戶需求寬帶業(yè)務(wù)是必然的趨勢(shì)，密集波分復(fù)用技術(shù)會(huì)成為寬帶接入的選擇方案。