wdmpon密集波分复用接入技术的Word文档格式.docx

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由于各国经济状况的不同，FTTx在日本覆盖率已很高，将逐渐进入饱和期，其他国家还仍然处在发展期。

现有的光通信网络中，接入网已经成为整个通信网络的“瓶颈”。

如何解决这个"

瓶颈"

问题已经成为专学者们以及各大设备商和运营商的关注焦点。

在这种情况下，无源光网络（PON）技术开始浮出水面，并以其优势给人们解决这一问题带来了很高的期望。

目前的PON技术主要分为两大类：

基于时分复用无源光网络（TDM-PON）和基于波分复用无源光网络（WDM-PON），其中，TDM-PON的带宽为用户共享，实质上限制了每个用户的可用带宽。

WDM-PON技术实际是虚拟的点对点的通信，能充分利用光纤巨大的带宽资源。

WDM-PON的技术构想最先是由贝尔实验室在1994年的RiteNet项目中提出的，但是由于当时光纤和光器件的成本原因而没有获得推广。

近年来，由于WDM器件价格的不断下降，WDM-PON技术本身的不断完善，WDM-PON作为接入网应用到通信网络中已成为可能。

相信，随着WDM器件价格的进一步下降，WDM-PON技术更加完善，把WDM技术引入接入网将是下一代接入网发展必然趋势[1]。

2．WDM-PON基本原理及主要特点

2.1WDM-PON基本原理

WDMPON是一种采用波分复用技术的、点对点的无源光网络。

即在同一根光纤中，双向采用的波长数目大于3个以上，利用波分复用技术实现上行接入，能够以较低的成本提供较大的工作带宽，是光纤接入未来重要的发展方向。

典型的WDM-PON系统由三部分组成：

光线路终端（OLT：

OpticalLineTermination）、光波长分配网络（OWDN：

OpticalWavelengthDistributionNetwork）和光网络单元（ONU：

OpitcalNetworkUnit），见图1。

OLT是局端设备，包括光波分复用器/解复用器（OM/OD）。

一般具有控制、交换、管理等功能。

局端的OM/OD在物理上与OLT设备可以是分立的。

OWDN是指在位于OLT与ONU之间，实现从OLT到ONU或者从ONU到OLT的按波长分配的光网络。

物理链路上包括馈线光纤和无源远端节点（PRN：

PassiveRemoteNode）。

PRN主要包括热不敏感的阵列波导光栅（AAWG：

AthermalArrayedWaveguideGrating），AAWG是波长敏感无源光器件，完成光波长复用、解复用功能。

ONU放置在用户终端，是用户侧的光终端设备[2]。

un可工作在相同波段，也可工作在不同波段。

λdn和上行波长λun到OWDN中，在OWDN的PRN处合波，然后传送到OLT。

完成光信号的上下行传送。

其中，下行波长λu1……λdn在局端OM/OD合波后传送到OWDN，按照不同波长分配到各个ONU中。

上行方向，不同用户ONU发射不同的光波长λd1……λ下行方向，多个不同的波长[3]。

图1典型的WDM-PON框图

2.2WDM-PON的主要特点

采用波分复用技术的PON技术主要特点有：

（1）更长的传输距离。

由于WDM-PON中AAWG的插入损耗比传统的TDM-PON系统中光功率分路器的插入损耗要小，因此在OLT或ONU激光器输出功率相等的情况下，WDM-PON传输距离更远，网络覆盖范围更大。

（2）更高的传输效率。

在WDM-PON中上行传输时，每个ONU均使用独立的、不同的波长通道，不需要专门的MAC协议，故系统的复杂度有很大的降低，传输效率也得到了大幅提高。

（3）更高的带宽。

WDM-PON是典型的点对点的网络架构，每个用户独享一个波长通道的带宽，不需要带宽的动态分配，其能够在相对低的速率下为每个用户提供更高的带宽。

（4）更具安全性。

每个ONU独享各自的波长通道带宽，所有ONU在物理层面上是隔离的，不会相互产生影响，因此更具安全性。

（5）对业务、速率完全透明。

由于电信号在物理层光路不做任何处理，无需任何封装协议。

（6）成本更低。

由于WDM-PON中光源无色技术的应用，使得ONU所用光模块完全相同，解决了器件的存储问题的同时，也降低了OPEX和CAPEX。

且单纤32波~40波，可扩展至80波，节约主干光纤和OSP费用。

（7）更易维护。

避免OTDR由于高插入损耗对光纤线路等测量限制。

另外，无色光源技术的应用，使得维护更方便。

3．WDM-PON的关键技术

WDM-PON昂贵的器件阻碍其实用化的进程，WDM-PON的关键技术主要集中在光器件方面，如下行光源（OLT至ONU方向光源）、上行光源（ONU至OLT方向光源）、波分复用器等[4]。

3.1下行光源

WDM-PON系统为每个ONU分配一个下行波长，所以下行的多波长光源是WDM-PON系统的关键技术之一。

性能优良的多波长光源应具有如下特点：

波长稳定精确、可靠，体积小，成本低，具有波长监测和稳定技术。

目前国内外可以采用的光源主要有分布反馈（DFB）激光器、DFB激光器阵列、法布里—珀罗激光二极管（FP-LD）、多频激光器（MFL）、垂直谐振表面发射激光器（VCSEL）等[5]。

（1）DFB激光器光源需要

多个独立的DFB激光器对每个信道进行单独调制以产生多路数据流，还需要独立的温度调节电路以保证系统的信道间隔要求，所以成本较昂贵，目前无法在光接入网中普及。

（2）DFB激光器阵列是在同一片基底上制造多个形式相同的多量子阱波导激光器，但需要通过温度精确控制多路输出波长，所以在工艺上难以实现。

（3）FP-LD是将OLT中的一个无调谐宽带光源产生的光信号注入至AWG，AWG可以将这束光分成几束不同波长的窄带光，并使每束光分别进入相应的FP-LD，于是发射出多束波长均匀的单波长激光。

采用FP-LD代替造价昂贵的DFB激光器，避免了OLT必须具有波长可选的功能，降低了成本。

（4）MFL包含一个1×

N的AWG和N个光放大器，AWG的每个输入端口均有一个光放大器。

这样就在光放大器与AWG输出端之间形成一个光学腔，如果放大器的增益足够克服腔内的损耗，就会发出激光，输出的波长由AWG的滤波特性决定。

通过直接调制各个放大器的偏置电流，就可以产生多波长的光信号[6]。

（5）VCSEL具有模式好、阈值低、稳定性好、调制速率高、集成度高、耦合效率高等特性，便于制成二维阵列，实现大规模光电集成电路。

VCSEL具有很低的波长漂移和电流阈值，在输出相同功率时效率比DFB激光器的更高，且没有DFB激光器的啁啾高。

3.2上行光源

WDM-PON系统中的每个ONU需要不同的波长用于上行传输，由于有许多ONU终端，为降低成本及使得安装维护简单，需要采用相同的ONU设计。

ONU光源一般采用可调谐激光器或DFB激光器阵列，但其造价非常昂贵。

目前可使用的上行光源有波长锁定FP激光器、宽频谱分割光源、光环回激光器[7]。

（1）波长锁定FP激光器。

波长锁定FP激光器的工作原理是掺铒光纤放大器产生光谱放大自发辐射（ASE）信号，ASE通过OLT到达AWG，被AWG进行光谱分割，产生多个窄带信号。

这些信号被注入到不同ONU的同一类型的FP激光器中，使FP激光器产生单波长模式，抑制多波长模式的发生。

（2）宽频谱分割光源。

宽频谱分割技术是指：

一个宽带光源或多模光源被滤波器分割，每个滤波器输出端口的波长是原来宽频谱的一部分。

在上行方向上，每个OUN用一个宽带光源，输出至AWG，只有该端口的波长通带内的频谱分量才被传输至中心局。

宽带光源（LED光源、ASE光源等）分割后的功率取决于分割宽度，分割宽度越大，接收功率就越大，这会增加色散问题且减少信道数目。

宽频谱分割技术具有成本低、实现简单的特点，在WDM-PON中具有很强的吸引力，但由于其频谱分割损耗大而造成功率预算紧张，而且大的线性串扰限制了系统的动态范围。

（3）光环回激光器。

光环回与再调制技术是利用一部分下行光信号作为上行信号的载波，经过ONU调制后再发送至OLT[8]。

该技术需克服三个困难：

1.光功率的往返损耗较大；

2.ONU中的光调制器对偏振敏感，导致上行功率不稳；

3.采用外调制器，系统复杂，价格偏高。

目前，克服方法是在ONU中采用反射式半导体光放大器（RSOA）。

而且在单纤双向信号的传输中还会存在瑞利反向散射的影响，在ONU中采用RSOA作为调制器并采用相应技术可抑制瑞利反向散射的影响。

RSOA的作用是放大和反射下行光波，使其能作为上行光波使用，于是在ONU中避免使用光源，节省成本。

其原理框图如图2所示。

图2采用RSOA的光环回与再调制WDM-PON系统

3.3波分复用器

在WDM-PON系统中，波分复用器是将上行信号复用至分布光纤中传至OLT。

其主要指标有：

中心波长、插入损耗、串扰和温度敏感性等。

目前，常用的波分复用器主要有薄膜干涉滤光片、声光滤波器、光纤光栅、交错滤波器、阵列波导光栅等。

薄膜干涉滤光片和光纤光栅是在信道数不多情况下较好的一种选择，而AWG适合于多信道WDM系统。

并且，阵列波导光栅尺寸小、易于集成、通道间距窄、性能稳定等优点。

WDM-PON系统中的AWG器件一般都放置在野外，环境温度变化较大，而构成AWG的石英材料具有温度敏感性。

目前，采用折射率随温度作反方向变化的波导或在阵列波导之间刻蚀不同长度凹槽的方法来实现对温度的控制。

最新已经开发出几种温度不敏感的AWG，使AWG得到广泛应用。

另外，在AWG中加入补偿光纤光栅改善色散特性，以解决WDM-PON系统由于接入距离增加而引起的光纤色散和阵列波导色散效应所导致的系统误码率增加问题[9]。

WDM-PON系统的优点使得其必将成为下一代PON的最佳选择方案，但在近期还很难有大规模的应用，理由是缺乏国际标准，设备商投入较少，各种器件（芯片、光模块等）不够成熟，成本偏高，可提供商用WDM-PON系统的设备制造商还很少。

随着WDM-PON相关研究的逐渐深入，国际标准化组织在开始考虑WDM-PON的标准化工作。

随着三网融合的推进和WDM-PON的逐渐成熟，在WDM-PON中如何承载B-TV等广播业务是目前研究的热点。

综合考虑系统的性能、成本及容量等情况，构造一个兼容广播业务的WDM-PON系统架构，已成为下一代光接入网的关键问题。

4.WDM-PON技术研究

目前的PON技术主要有APON、EPON和GPON，它们都是TDM-PON。

APON承载效率低，在ATM层上适配和提供业务复杂。

EPON存在两大致命的缺陷，即带宽利用率低和难以支持以太网之外的业务，特别是承载话音/TDM业务时会引起QoS问题。

GPON虽然能克服上述的缺点，但上下行均工作在单一波长，各用户通过时分的方式进行数据传输。

这种在单一波长上为每用户分配时间片的机制，既限制了每用户的可用带宽，又大大浪费了光纤自身的可用带宽，不能满足不断出现的宽带网络应用业务的需求。

在这种背景下，人们就提出了WDM-PON的技术构想。

WDM-PON能克服上面所述的各种PON缺点。

近年来，由于WDM器件价格的不断下降，WDM-PON技术本身的不断完善，WDM-PON接入网应用到通信网络中已成为可能。

相信，随着时间的推移，把WDM技术引入接入网将是下一代接入网发展的必然趋势。

WDM-PON有三种方案：

第一种是每个ONU分配一对波长，分别用于上行和下行传输，从而提供了OLT到各ONU固定的虚拟点对点双向连接；

第二种是ONU采用可调谐激光器，根据需要为ONU动态分配波长，各ONU能够共享波长，网络具有可重构性；

第三种是采用无色ONU（colorlessONU）即ONU与波长无关方案。

还有一种是下行使用WDM-PON，上行使用TDM-PON的混合PON[10]。

4.1无色ONU技术

WDMPON技术的规模商用首先需要解决光模块的互换性，尤其是ONU侧光模块。

固定波长光源的方案难以应用于商用的WDM-PON中，因此“无色”光源技术是WDM-PON系统攻关的关键技术。

目前，无色ONU方案包括但不限于此三种：

可调激光器、注入锁定FP-LD和波长重用RSOA方式，其技术特点分析如下。

可调激光器作为无色ONU的方案，即可调激光器工作在特定波长，可通过辅助手段对波长进行调谐，使用激光器发射不同的波长。

采用此种方案的系统不需要种子光源，且可调激光器的调谐范围较宽，可达50nm。

采用直接调制可以实现2.5Gb/s以上的传输速率，若采用外调制技术可实现10Gb/s的传输速率，且传输距离大于20km，整个网络扩展性好。

但不足之处在于，系统需要网络协议控制，需要对ONU波长控制，增加了ONU设计的复杂度，且目前成本较高[11]。

注入锁定FP-LD方式作为无色ONU的方案，如图3，即FP-LD在自由运行时为多纵模输出，当有适当的外部种子光注入时，被激发锁模输出与种子光波长相一致的光信号，FP-LD锁定输出的工作波长与种子光源和波分复用/解复用的通道波长相对应。

采用此方案的系统无需制冷控制，网络架构简单。

不足之处在于受限于传输速率和传输距离，且成本较高。

由于锁模器件FP-LD调制速率低，理论带宽为0.2Ghz-4Ghz，且器件模间噪声大，不宜于高速率的传输系统。

另外，系统中需要两个种子光源，若用在混合PON中，上行信号对种作为下行方向的信号光，又作为上行方向信号的种子光。

当作为上行方向的种子光时，激发ONU内RSOA输出与种子光波长一致的光信号。

采用此方案系统无需制冷控制，且网络架构简单。

不足之处在于传输距离受限。

系统中需要种子光源，具有较强的后向反射，系统以易于扩展，且价格较高。

图3基于F-P激光器的无色ONU结构

4.2WDM/TDM-PON混合型结构

WDM/TDM混合型无源光网络结合了时分无源光网络和波分无源光网络的优点，非常适合于从时分无源光网络到波分无源光网络的过渡阶段部署。

WDM/TDM-PON有多种结构形式，其中一种结构如图4。

OLT与RN的无源光分支器（PS）间建立TDM通道，在RN中，PS与AWG建立多个WDM通道。

工作原理是：

在OLT中，AWG将光发送模块阵列产生的n个波长的光信号传送到主干光纤中；

RN中，PS将多个波长的光信号采用功率分配的方式传送到其m个输出端口，AWG将n个不同的波长进行解复用，然后传送到与之连接的对应ONU用户端。

在这种网络架构下，多个WDM-PON系统通过一个TDM-PON系统汇聚到OLT形成WDM/TDM混合型无源光网络[12]。

图4先TDM后WDM结构

另外的一种结构如图5所示，包含两个无源元器件：

PS和AWG。

PS可以处理E-PON标准的波长：

1310nm、1490nm、1520nm和1610nm。

其中1310nm设计为上行波长λU，在ONU中多个用户使用这个波长。

1490nm可以设计为OLT到ONUs的CATV服务使用的波长（当前该波长用于下行数据传输）。

1520nm或者1530nm可以用于下行数据传输波长λD，以满足低需求量的ONUs用户。

1610nm或者1610nm以上的波长可以考虑用于公共接入网的监测信道。

AWG用于WDM的双向服务，其波长为1550nm的范围。

WDM信道可为用户提供高数据率的服务。

该方案中的RN可以同时为E-PON和WDM-PON两种技术提供指定的业务数据[13]。

图5同步WDM/TDM-PON结构

5．WDM-PON技术实现方案

结合无色ONU和TDM/WDM混合型结构的技术优势，提出了一种新的有效的WDM-PON实现方案。

如图6所示，本方案大体上可以分为两部分，第一部分是从OLT端到ONU端，这一部分采用的是WDM技术；

第二部分是从ONU端到网络终端（NT），这一部分采用的是TDM技术[14]。

图6结合无色ONU和WDM/TDM混合型技术的实现方案

5.1基于RSOA无色ONU技术

第一部分的关键技术是实现了无色ONU。

本方案采用的是基于反射式半导体放大（RSOA）的无色ONU技术，基于RSOA的无色ONU的原理是：

在ONU中采用RSOA代替光源，整个系统的光信号源仅由OLT提供，下行方向上未调制的光信号经ONU侧的调制器时加载自己的信号，再送回到OLT，这样就完成了双向通信。

RSOA在系统中既作为调制器，又作为系统的光发射器。

RSOA用作调制器可产生额外增益以克服设备和传输产生的损耗，而且工作在增益饱和状态下的RSOA还可减小光信号的强度噪声。

在工作电流60mA的条件下，RSOA模块输入饱和功率低于13dBm，对任意偏振态，在C带内的饱和增益超过13dB。

RSOA作为光发射器，光载波由RSOA注入并调制的，该光载波为RSOA提供上行和下行的传输。

光载波通过掺铒光纤放大器（EDFA）进行放大。

在该方案中，上行和下行传输方向同步使用AWG和光纤，在ONU中要求RSOA具有非偏振特性，或者注入光是非偏振性的，因为在接入网中编振光不易于控制。

本方案中，注入RSOA的激光是垂直偏振的，以避免光功率增益造成的编振[15]。

5.2E/WDM-PON技术

第二部分从ONU到NT，RN连接ONU并分配一个波长ONU，每个ONU与多个NT相连接，而每个NT可以为一个或多个用户提供服务，ONU到NT采用的是TDM技术中的EPON标准：

IEEE802.3ah。

在该标准中将以太网和PON技术相结合，在无源光网络体系架构的基础上，定义了一种应用于EPON系统的物理层（主要是光接口）规范和扩展的以太网数据链路层协议，以实现在点到多点的PON中以太网帧的TDM接入。

这部分中组成的单个PON中使用的标准，可以与标准无缝结合。

这种方式具有很高的灵活性，能够在完全不改变已有TDM-PON系统架构的情况下向WDM-PON系统进行扩容升级。

它可以在同一根光纤上增加新的用户，同时保证原有用户带宽，充分利用了光纤的巨大带宽资源[16]。

5.3方案应用

该方案充分结合了无色ONU与WDM/TDM混合结构的技术特点，采用RSOA作为发射机，产生的光功率均在该信道的频谱范围内而没有浪费。

还可以通过增益饱和效应减小由分割宽带光源频谱而产生的剩余强度噪声。

整个系统中每个波长只需要在OLT端设置一个发射机，简化了网络的维护和管理。

本方案可应用于小区接入中、商务街区接入中和农村接入中。

在小区接入中，ONU可设置在用户端或楼道，在商务街区接入中，ONU可设置在公司，而在农村接入中，ONU可设置在村路口。

这种接入网方案，大量减少波长数目的需要，充分利用EPON已经十分成熟的技术和低价的器件，并且降低整个系统的成本[17]。

WDM-PON作为下一代PON技术，能充分利用光纤巨大的带宽资源，能满足不断出现的高带宽网络应用业务的需求，但是，昂贵的光器件是WDM-PON发展的“瓶颈”之一，本文研究了WDM-PON的关键技术：

无色ONU和WDM/TDM混合型结构，并综合这两种技术，提出了一新的WDM-PON的实现方案，旨在降低系统的构建成本和简化系统的管理与维护，为WDM-PON最终成为接入网提供了参考。

一方面，随着关键技术的突破，WDM-PON系统的成本必将进一步降低；

另一方面，随着用户宽带业务的不断增加，WDM-PON将会成为宽带接入网的最终解决方案。

6.展望

已经商业化的PON技术均需要采用光分路器来分配光信号，从而引入了很大的光信号衰减，限制了PON的传输距离与分路比。

同时，该技术在下行方向采用了广播技术来实现共享带宽，因此限制了用户接入的平均带宽，不能很好地适应高质量视频等高带宽、实时性业务。

为了解决现有PON传输距离短、分路比低等问题，满足不断增长的带宽需求，比较理想的办法是采用WDM-PON技术。

WDM-PON技术将成为提供HDTV、高清视频点播和交互式电视等宽带业务需求的最佳光接入方案。

当前，在我国全业务运营和网络融合的背景下，高带宽应用如视频会议、实时游戏、IPTV等正不断涌现，尤其是HDTV、网真等视频业务，对网络接入带宽提出了更高的要求，也推动着新的FTTx技术层出不穷。

此外，“三网融合”的逐步推进、物联网的逐渐普及、云计算、移动互联网的发展以及固定和移动融合（FMC）等也将有力推动高带宽业务的应用和相应网络的快速发展。

因此，未来光纤接入技术将向更高速率、更多传输波长、更广覆盖范围（包括长距离、大分路比）的方向发展[18]。

为了适应未来光接入网络的发展需求，我国“十一五”863计划及时启动了“低成本的多波长以太网综合接入系统（λ-EMD）”重大课题的研究；

欧盟FP7计划也将WDM-PON的研究列为重点攻关的项目。

基于WDM-PON和WDM-TDMPON技术的λ-EMD系统具有光纤资源利用充分、对速率和业务完全透明、安全性高、易管理维护、传输距离长、扩展性好等特点，能够极大的节约主干光纤和其他光分配网络建设及维护费用，扩大用户覆盖范围和增加用户接入数量，为运营商构建具有更大接入容量、更高传输速率、面向全业务运营的全新光接入网提供了理想的解决方案。

参考文献

[1]KIMKS.OntheevolutionofPON-basedFTTHsolutions[J].Proceedingsofthe6thJointConferenceonInformationSciences.2002.6:

1402-1405.

[2]GROBEK,ELBERSJ-P.PONinadolescence:

FromTDMAtoWDM-PON[J].IEEECommunicationsMagazine,2008,46

（1）:

26-34.

[3]张向荣，张岩，李耀民.宽带接入网技术及发展前景.中国数据通信，2005，7（1