WDM無源光網(wǎng)絡關鍵技術研究

1　引言

無源光網(wǎng)絡（PON）提供光線路終端（OLT）和多個光網(wǎng)絡單元（ONU）的連接，共享OLT到遠端節(jié)點（RN）之間的光纖媒質，具有成本低、便于維護、對各種業(yè)務透明等優(yōu)點，同時PON能夠平滑地過渡到FTTH，因而具有美好的發(fā)展前景。PON可以分為功率分割型無源光網(wǎng)絡（PSPON）和波分復用型無源光網(wǎng)絡（WDMPON）。PSPON采用星型耦合器分路，上/下行傳送采用TDMA/TDM方式實現(xiàn)共享信道帶寬，加上功率分路，從而限制了ONU數(shù)量。WDM技術使用多個波長信道增加系統(tǒng)容量，具有支持大量ONU的能力。同時考慮到接入網(wǎng)作為國家信息基礎結構的重要組成部分，WDM技術具有長遠的生命力，并且質優(yōu)價廉的WDM器件將不斷出現(xiàn)，因此，把WDM技術引入接入網(wǎng)是一個發(fā)展趨勢。

2WDM-PON的原理

在PON中引入WDM技術有兩種方案，一種是為每個ONU分配一對波長，分別用于上行和下行傳輸，這樣就提供了OLT到各ONU固定的虛擬點對點雙向連接。另一種是根據(jù)需要為ONU動態(tài)分配波長，各ONU能夠波長共享，網(wǎng)絡具有可重構性。

OLT 中使用多波長光源，下傳給ONU1、ONU2……ONUn的數(shù)據(jù)以直接調制或外調制方式，加到波長為λ1、λ2、……λn的光載波上發(fā)送，通過波長路由把信號分配給目的ONU，完成下行傳輸。上行傳輸時，ONU間采用WDMA解決信道爭用問題，每個ONU使用一個特定的波長，因而不需要定時和網(wǎng)絡同步。上行信號通過波長路由器復用到一跟光纖上，傳到OLT接收端，由WDM接收機接收。

另一種方案稱為可重構WDM- PON，其下行傳輸與第一種方案相同，上行傳輸時，ONU先使用控制信道向OLT發(fā)送傳輸申請，OLT調度申請為ONU分配波長和時隙，并在下行幀中通知 ONU，ONU收到分配信息后，調諧到分配到波長上，在給定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種方案中，ONU需要配置一個固定發(fā)射機（控制信道）和一個可調發(fā)射機（數(shù)據(jù)信道），其優(yōu)點是上行波長動態(tài)分配，能夠支持更多的ONU，提高了波長信道的利用率。
　　
　　3WDM-PON的關鍵技術

3.1多波長光源

目前有多種方法構造多波長光源。一種方法是選擇一組波長接近的、離散的、可調諧的DFB激光器，利用溫度調諧產生多波長的下行信號。由于各個波長獨立調節(jié)，需要監(jiān)控每個波長，系統(tǒng)變的非常復雜。集成DFB激光器陣列輸出光譜可以通過控制溫度統(tǒng)一調諧，易于實現(xiàn)波長監(jiān)控。但由于DFB激光器輸出波長隨波導有效折射率變化，精確控制輸出光譜與波長路由器信道間隔相當匹配困難。

第二種方法是采用多頻激光器（MFL）。MFL包含N個光放大器和一個1''''N的陣列波導光柵，陣列波導光柵的每個輸入端集成一個光放大器。在光放大器和陣列波導光柵輸出端之間形成一個光學腔，如果放大器提供足夠的增益克服腔內的損耗，則有激光輸出，輸出波長由陣列波導光柵的濾波特性決定。通過直接調制各個放大器的偏置電流，就可以產生多波長的下行信號。MFL的波長間隔由陣列波導光柵中的波導長度差決定，可以精確控制，各波長可以通過控制同一個溫度統(tǒng)一調節(jié)，便于波長監(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已有報道，直接調制速率為622Mbit/s。

3.2波分復用器

在WDM -PON中，波分復用器通常稱為波長路由器，它解復用下行信號，并分配給指定的OUN，同時把上行信號復用到一根光纖，傳輸?shù)絆LT。它的主要指標有插入損耗、串音、信道間距、偏振依賴性和溫度敏感性等。目前已有多種結構的器件，如薄膜干涉濾光片、聲光濾波器、光纖光柵、陣列波導柵等。最近幾年發(fā)展的陣列波導光柵具有尺寸小、易于集成、通道間距窄、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，促進了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，陣列波導光柵的信道波長受溫度影響。為解決這一問題，已報道了幾種對溫度不敏感的波導型復用器，其中采用溫度補償方法的復用器對0-85℃范圍內的溫度變化不敏感，具有良好的性能，有望得廣泛應用。

3.3WDM接收機

WDM接收機由解復用器和接收機陣列組成。在WDM接收機中，需考慮解復用器處的線性串音。

3.4波長監(jiān)控

由于WDM-PON中采用多個波長，而且由于波長路由器一般放在露天，并且沒有溫度控制，因此，溫度對于波長路由器通帶變化的影響非常重要。一般說來，波長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，波長將有1.4nm的偏移。這樣的偏移將與WDM的波長間隔同數(shù)量級（100GHz-200GHz），將嚴重影響WDM-PON的工作。因此，需要OLT中進行波長的檢測與調諧工作?；蛘呖梢圆捎肧et- and -forget的方法，讓各復用波長之間的間隔足夠大（400GHz-500GHz），這樣可以不對波長進行調整而使溫度變化導致的通帶偏移在允許范圍內而不對系統(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，而且會使光譜大于正常EDFA的放大范圍。另一種方法是采用對溫度不敏感的波長路由器，可以不需要或簡化波長監(jiān)控。[!--empirenews.page--]

波長監(jiān)控采用差分算法，比較一個信道的發(fā)送功率與通過波長路由器的功率，得到差值信號，如果小于上一時刻的差值信號，溫度按當前的方向改變ΔT，反之說明信道失配增加，溫度以反方向改變ΔT。該方向要適當選取溫度調節(jié)的速率和步距ΔT。

波長監(jiān)控可采用監(jiān)測下行信道功率和監(jiān)測上行信道功率實現(xiàn)。對于只在下行采用WDM的復合PON，只能監(jiān)測下行信道功率，這種方法需要附加的環(huán)回光纖，或一個監(jiān)控信道和光纖光柵。對于上行采用頻譜分割的WDM-PON，可以通過在OLT比較解復用前后的上行信號功率，進行波長監(jiān)失只需增加耦合器，不需要附加的信道。

3.5ONU光源

在ONU 的設計中，雖然各個ONU要產生不同的上行波長，為了安裝和維護方便，要求各個ONU一模一樣。ONU中產生的上行激光要功率足夠大，能容忍或調整由于溫度變化（-40-85℃）造成的波長偏移。寬調諧單模DFB激光器或DFB激光器陣列可以滿足要求，但目前還處于實驗階段，同時造價昂貴，距實用化還很遙遠。光環(huán)回技術和頻譜分割光源是兩種可行方案。

光環(huán)回技術是利用一部分下行光信號作為載波，在ONU中調制中，再發(fā)送到OLT。光環(huán)回技術避免了使用ONU光源，但也存在一些缺點。它要求OLT光源輸出功率很大，以支持下行和上行傳輸，而且因為有來回兩程，接收到的上行信號動態(tài)范圍是一般動態(tài)范圍的2倍。同時幀結構需要分成下行和上行兩部分，假設平均分配，則上、下行的線速率加倍，接收機的靈敏度降低，增加了功率代價。對于單纖雙向傳輸，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中使用集成半導體光放大器的調制器。上行和下行信號要通過雙纖傳輸，以避免瑞利散射產生的干擾。

頻譜分割是采用寬帶光源，如LED，發(fā)射光通過復用器后，輸出信號譜都是原來寬帶信號的一部分，輸出信號的波長取決于跟LED相連的復用器端口。這里的光復用器相當于中心頻率互不相同的一組光濾波器。與寬調諧單頻激光器相比，寬帶光源簡單，成本低，因此頻譜分割技術在WDM-PON中具有吸引力。但是復用器和解復用器的頻譜響應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，造成了功率預算問題，另我鉗制的F-P激光器或集成放大器的LED等寬帶光源技術逐漸成熟將有望提供定喧光源。頻譜分割會引起較大的線性串擾，限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，需要適當?shù)倪x擇復用器和解復用器的通帶譜寬以及信道間隔。

3.6媒質訪問控制（MAC）協(xié)議
 
　　在接入網(wǎng)中，用戶數(shù)多于波長數(shù)，因此需要一種接入機制提供波長共享。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)議都是針對傳輸時延小、固定分組長度的局域網(wǎng)，在傳輸時延相當大的接入網(wǎng)中執(zhí)行效率不高。另外，接入網(wǎng)中除數(shù)據(jù)業(yè)務外，還有語音、視頻等實時業(yè)務，需要對不同的業(yè)務采用不同的調度策略，以提供QoS保證。
　 　
　　ONU位于系統(tǒng)的用戶側，提供接入網(wǎng)和用戶網(wǎng)的線路終端功能，OLT位于網(wǎng)絡側，負責上行數(shù)據(jù)幀的調度和波長信道分配，并提供與寬帶公用網(wǎng)的接口。 ONU通過控制信道λc向OLT發(fā)送傳輸請求，請求內容為該ONU的地址以及待發(fā)送幀的長度。OLT收到傳輸請求后，根據(jù)ONU的地址將待發(fā)送幀的長度寫入相應的請求隊列，通過分組調度算法決定ONU的發(fā)送次序，然后通過信道分配算法為ONU分配信道，并將發(fā)送信息通過下行信道廣播給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題。另外，OLT通過測距系統(tǒng)測量各ONU的位置并通知ONU，ONU引入時延補償，實現(xiàn)各信道時隙同步。

4結論

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、寬調諧單頻激光器及集成放大器的LED等還沒有進入大規(guī)模商用化段。對于上行傳輸，光環(huán)回技術或頻譜分割都存在技術問題需要解決。但從長遠看，一方面由于WDM技術在骨干網(wǎng)及城域網(wǎng)中的應用，促進WDM器件成熟和價格下降；另一方面，用戶需求寬帶業(yè)務是必然的趨勢，密集波分復用技術會成為寬帶接入的選擇方案。