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无源光网络技术(无源光网络原理)

    百川东到海,何时复西归?少壮不努力,老大徒伤悲。—《乐府诗集》

一、下行复用技术——时分复用或WDM

        PON的所有下行信号流都复用到馈线光纤中,并通过ODN广播传输到所有的ONU。下行复用可以采用电复用和光复用。最简单经济的电复用是OLT采用时分复用(TDM),将分配给各个ONU的信号按一定的规律插入时隙中。在接收端,ONU把给自己的有效载荷从集合信号中再分解出来。
无源光网络技术(无源光网络原理)(图1)
       对于光复用,可以采用密集波分复用(DWDM),给每个ONU分配一个下行波长,将分配给各个ONU的信号直接由该波长载送。在接收端,ONU使用光滤波器再从WDM信号中分解出自己的信号波长,因此每个ONU都要配备相当昂贵的特定波长接收机。虽然DWDM下行复用大大增加了功率分配PON(PS-PON)的容量,但是也增加了每个用户的成本和系统的复杂性。

二、上行接入技术——TDMA突发模式接入

       在PON接入系统中,信道复用是为了充分利用光纤的传输带宽,把多个低容量信道以及开锁信息,复用到一个大容量传输信道的过程。在电域内,信号复用可分为时分复用、频分复用和码分复用。
       在点对点的系统中,信道的接入称为复用,而在接入网中则称为多址接入。所以对应的频分复用称为频分多址接入,对应的时分复用称为时分多址接入,对应的码分复用则称为码分多址接入,在光域内的频分多址则称为波分多址,如图11.3.1所示。也可以综合使用几种接入方法。
       对于使用OFDM的4G/5G移动前传(MFH),也可以使用TDM-PON。
三种基本的多址接入技术
图11.3.1三种基本的多址接入技术
a) 正交频分多址(OFDMA)或波分多址(WDMA)b)时分多址(TDMA)c)码分多址(CDMA)

1. 时分多址(TDMA)接入

       时分多址接入是把传输带宽划分成一列连续的时隙,根据传送模式的不同,预先分配或者根据用户需要分配这些时隙给用户。通常有同步传送模式(STM)和异步传送模式。
       STM分配固定时隙给用户,因此可保证每个用户有固定的可用带宽。时隙可以静态分配,也可以根据呼叫动态分配。不管是哪种情况,分配给某个用户的时隙只能由该用户使用,其他用户不能使用。
       相反,ATM根据数据传输的实际需要分配时隙给用户,因此可以更有效地使用总带宽。与STM相比,ATM要求更多的有关业务的类型和流量特性,以确保每个用户公平地使用带宽。
       图11.3.2表示一个树形PON的TDMA系统,该系统允许每个用户在指定的时隙发送上行数据到OLT。OLT可以根据每个时隙位置或时隙本身发送的信息,取出属于每个ONU的时隙数据。在下行方向,OLT采用TDM技术,在规定的时隙传送数据给每个ONU。
PON系统各ONU采用TDMA突发模式接入
图11.3.2  PON系统各ONU采用TDMA突发模式接入
       在使用TDMA技术的树形PON中,上行接入采用突发模式,一个重要特点是必须保证ONU上行时隙的同步,所以必须采用测距技术,以便控制每个ONU的发送时间,确保各ONU发送的时隙插入指定的位置,避免在组成上行传输帧时发生碰撞。为防止各ONU时隙发生碰撞,要求时隙间留有保护间隙Tgap。测距精度通常为1~2bit,所以各ONU信元在组成上行帧时的间隙Tgap有几个比特,因此到达OLT的信元几乎是连续的比特流。ONU占据多少时隙由媒质接入控制协议(MAC)完成,ONU何时发送数据时隙(即在收到数据发送授权后延迟多长时间),由OLT根据测距(测量ONU到OLT的距离)结果通知ONU。
       在突发模式接收的TDMA系统中,除要求OLT测量每个ONU到OLT的距离外,还要求OLT利用上行突发数据时隙开始的前几个比特尽快地恢复出采样时钟,并利用该时钟进行该时隙数据的恢复。也就是说同步电路必须能够确定突发时隙信号到达OLT的相位和开始时间,同时还要为测距计数器提供开始计数和计数终了的时刻。
        在使用TDMA技术的树形PON中,OLT突发模式接收机接收从不同距离的ONU发送来的数据包,并恢复它们的幅度,正确判决它们是“1”还是“0”码。由于每个ONU的LD发射功率都相同,但它们到达OLT的距离互不相同,所以它们的数据包到达OLT时的功率变化很大。OLT突发模式接收机必须能够应付这些功率的变化,正确恢复出数据,不管它们离OLT多远。

2. 波分多址接入(WDMA)

       由于光纤的传输带宽很宽,所以可以采用波分复用(WDM)技术实现多个ONU的上行接入。图11.3.3表示波分多址接入树形PON的系统结构,每个ONU用一个特定的波长发送自己的数据给OLT,各个波长的光信号进入光分路器后复用在一起,OLT使用滤波器或光栅解复用器将它们分开,然后送入各自的接收机将光信号变为电信号。OLT也可以使用WDM技术或一个波长的TDM技术把下行业务传送给ONU。WDM技术虽然简化了电子电路的设计,但是是以使用贵重的光学器件为代价的。
波分多址接入树形PON系统结构
图11.3.3波分多址接入树形PON系统结构