一、引言

近幾年來，隨著光通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，一方面，作為因特網(wǎng)（Internet）核心的骨干網(wǎng)發(fā)生了翻天覆地的變化，寬帶IP光傳輸網(wǎng)成為主流，骨干網(wǎng)帶寬已從先前的100Mps級(jí)上升到10Gbps級(jí)甚至是Tbps級(jí)。 

另一方面，因特網(wǎng)用戶的接入網(wǎng)卻仍然停留以銅纜技術(shù)為主的低速率水平上（幾十Kbps到幾百Kbps）。兩者在技術(shù)的巨大反差表明接入網(wǎng)已成為制約全網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，目前盡管出現(xiàn)了一系列解決這一瓶頸的技術(shù)手段，諸如雙絞線上的xDSL系統(tǒng)、有線電視HFC網(wǎng)上的CableModem和寬帶無線接入系統(tǒng)等，但都是一些過渡性的解決方案，唯一能從根本上徹底解決這一瓶頸問題的長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)手段是光接入網(wǎng)。

光接入網(wǎng)，從廣義上講包括光數(shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)（ODLC）和無源光網(wǎng)絡(luò)（PON――Passive Optical Network）兩類。ODLC本質(zhì)上仍屬窄帶技術(shù)，支持的業(yè)務(wù)也很有限。而且，作為有源設(shè)備仍然無法完全擺脫電磁干擾和雷電影響，以及有源設(shè)備固有的維護(hù)問題，所以O(shè)DLC不是光接入網(wǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的解決方案。PON作為一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，它有效地避免了外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設(shè)備的故障率，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)降低了維護(hù)成本，是一種很有前景的光接入網(wǎng)技術(shù)。

在PON的發(fā)展過程中，PON與ATM結(jié)合誕生了一種了寬帶光接入網(wǎng)技術(shù)――APON（ATM Passive Optical Network），傳輸速率可達(dá)155/622Mbps，接入帶寬得到顯著提高。但是由于APON技術(shù)復(fù)雜、成本較高，并且?guī)�寬仍然有限，APON系統(tǒng)并未如預(yù)期的那樣發(fā)展起來。為了更徹底地解決問題，人們開始將注意力轉(zhuǎn)向速率擴(kuò)展能力強(qiáng)、成本低廉和應(yīng)用普及的以太網(wǎng)技術(shù)上，提出了以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的思路，在保留APON精華部分――PON的基礎(chǔ)上，用以太網(wǎng)（Ethernet）取代ATM作為鏈路層協(xié)議，從而構(gòu)成一個(gè)可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業(yè)務(wù)能力的新一代光接入網(wǎng)技術(shù)――EPON（Ethernet Passive Optical Network）。基于EPON的上述優(yōu)點(diǎn)，它得到了大家的廣泛重視。2000年11月，IEEE成立了802.3EFM（EFM――Ethernet in the First Mile,第一英理以太網(wǎng)即以太網(wǎng)接入網(wǎng)）工作組，開始了EPON的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，有包括3COM、Alloptic、Cisco system、Intel、WordCom等在內(nèi)的69家公司參與這一領(lǐng)域的工作。

二、異步傳輸模式無源光網(wǎng)絡(luò)（APON）

APON是在20世紀(jì)90 年代中期由全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)組織（FSAN――Full-Services Access Network）最初運(yùn)作開發(fā)的。FSAN是一個(gè)由20 個(gè)大型電信公司組成的集團(tuán)，它們共同合作，研究和開發(fā)一種新型的支持?jǐn)?shù)據(jù)、視頻和語音信息的寬帶接入系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，ATM是人們公認(rèn)的最佳鏈路層協(xié)議，PON是人們公認(rèn)的最佳的物理層協(xié)議，兩者理所當(dāng)然的結(jié)合產(chǎn)生了APON技術(shù)。FSAN和ITU均已發(fā)布了APON的技術(shù)規(guī)范（APON所用的技術(shù)規(guī)范已被接受為國(guó)際電聯(lián)（ITU）的標(biāo)準(zhǔn)（ITU－T Rec. G.983）。目前，在日本、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家已有成熟的APON系統(tǒng)投入使用。

1．APON的工作原理

APON綜合了ATM技術(shù)和無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以提供現(xiàn)有的從窄帶到寬帶等各種業(yè)務(wù)。APON由OLT（Optical Line Terminal,光線路終端）、ONT（Optical Network Terminal，光網(wǎng)絡(luò)終端）和POS（Passive Optical Splitter,無源光分路器/耦合器）組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，POS是無源光分路器/耦合器，它根據(jù)光的發(fā)送方向，將進(jìn)來的光信號(hào)分路并分配到多條光纖上，或是組合到一條光纖上。ONT主要完成業(yè)務(wù)的收集、接口適配、復(fù)用和傳輸功能；OLT主要完成接口適配、復(fù)用和傳輸功能。此外，OLT還向網(wǎng)元管理系統(tǒng)提供網(wǎng)管接口。

APON 是一種采用兩種傳輸波長(zhǎng)的點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)，即一個(gè)是下行傳輸波長(zhǎng)，另一個(gè)是上行傳輸波長(zhǎng)，這兩種傳輸波長(zhǎng)在中央局光線路終端(OLT)和每個(gè)最終用戶臺(tái)的光網(wǎng)絡(luò)終端(ONT)之間傳送信息。OLT對(duì)每個(gè)ONT( 下行 和上行) 分配一個(gè)時(shí)隙和一定數(shù)量的帶寬。APON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星形，雙向傳輸方式一般采用雙纖空分復(fù)用（SDM）方式，也有基于單纖波分復(fù)用（WDM）方式。點(diǎn)到多點(diǎn)傳播采用下行時(shí)分復(fù)用（TDM）、上行時(shí)分多址（TDMA）方式。現(xiàn)有產(chǎn)品的典型線路速率是下行622Mb/s、上行155Mb/s。

在下行方向，OLT通過一條光纖發(fā)射一個(gè)波長(zhǎng)，采用ATM 信元對(duì)ONT 廣播信息。這條光纖在無源分光器上被分隔開， 可以連接多達(dá)32個(gè)ONT。

在向下行方向發(fā)送每個(gè)信元包的同時(shí)，還有一個(gè)ID字段，以識(shí)別目的地址。從技術(shù)上看，所有的信息都被傳送到ONT，但是ONT只接受地址正確的信息。

從物理性能上看，OLT總是廣播下行信息，但一次只有一個(gè)ONT能根據(jù)密碼將此信息解碼。從結(jié)構(gòu)上看，它類似于各種打印機(jī)的打印服務(wù)器設(shè)置，打印機(jī)只打印標(biāo)有自己地址的信息。

在上行方向，ONT等待指定的時(shí)隙，采用通過同一條光纖傳送的第二個(gè)波長(zhǎng)， 對(duì)OLT回送控制信息。

APON的上行和下行數(shù)據(jù)率都可達(dá)到155Mbps，非對(duì)稱應(yīng)用下行方向的數(shù)據(jù)率可達(dá)到622Mbps，用戶的接入速率可以從64Kbps到155Mbps間靈活分配。APON給與最終用戶的最明顯的利益是大大增加了家庭使用的帶寬量。這一優(yōu)點(diǎn)將對(duì)視頻點(diǎn)播這類應(yīng)用開辟新途徑，并消除了網(wǎng)上沖浪的任何時(shí)間等待。例如點(diǎn)播視頻應(yīng)用，許多用戶都能預(yù)訂6Mbps的電影。當(dāng)電影開始時(shí)，其所需帶寬可以增加，當(dāng)電影結(jié)束后，則可以將用戶業(yè)務(wù)所需的帶寬量恢復(fù)到正常水平。盡管APON提供服務(wù)所需的帶寬較高，但并不會(huì)增加用戶的費(fèi)用。在有些情況下，如供居住區(qū)的小型家庭辦公室(SOHO)使用，APON還能有效降低每比特的使用成本。

像ADSL一樣，APON為最終用戶提供比線纜調(diào)制解調(diào)器的服務(wù)更加安全的環(huán)境。APON采用所謂"攪拌(churning)"的安全機(jī)制給數(shù)據(jù)加密。在這種環(huán)境中，ONT對(duì)OLT生成和發(fā)送上行密鑰，用以控制數(shù)據(jù)，并回送下行數(shù)據(jù)。這些密鑰動(dòng)態(tài)變化，使其很難被破譯。

2．APON的關(guān)鍵技術(shù)

APON的關(guān)鍵技術(shù)主要有：時(shí)分多址接入的控制、快速比特同步和突發(fā)信號(hào)的接收等。

時(shí)分多址接入的控制

APON系統(tǒng)在下行方向采用時(shí)分復(fù)用的廣播方式，幀由連續(xù)的時(shí)隙組成，每個(gè)時(shí)隙填充一個(gè)53字節(jié)的ATM信元。由于下行方向是廣播模式，各個(gè)ONU將收到所有的幀，并自主地從相應(yīng)時(shí)隙中取出屬于自己的信元，所以在下行方向上不需要OLT進(jìn)行控制。

在上行方向上，由于PON的ODN實(shí)際上是共享傳輸媒質(zhì)，需要適當(dāng)?shù)慕尤肟刂撇拍鼙ＷC各個(gè)ONU的上行信號(hào)完整地到達(dá)OLT。G.983建議采用TDMA的上行接入控制。這樣，由于ATM-PON的接入復(fù)用是在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)的，OLT到ONU的距離里無沖突的、有效的上行接入是著重需要考慮的方面。不同的距離造成延時(shí)的不同，因此為了不使上行信號(hào)發(fā)生沖突，OLT必須測(cè)量到各個(gè)ONU的距離，并將指定的延時(shí)告知ONU；各個(gè)ONU在發(fā)送上行信號(hào)時(shí)根據(jù)指定的延時(shí)相互協(xié)調(diào)，將各自的ATM信元復(fù)用到上行幀里。

測(cè)距過程通過使用上行/下行信元（PLOAM信元）攜帶的帶內(nèi)信令數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，即PLOAM信元攜帶的測(cè)距允許信號(hào)、PLOAN允許、數(shù)據(jù)允許、ONU序列號(hào)、PON?ID以及測(cè)距時(shí)間消息來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)多個(gè)ONU同時(shí)連到線上時(shí)，OLT根據(jù)ONU序列號(hào)使用二叉樹的排除機(jī)制先對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行測(cè)距。測(cè)距的大致過程為：OLT打開測(cè)距窗口，測(cè)量來自O(shè)NU的上行信元延時(shí)；OLT將等效延時(shí)告知ONU；ONU調(diào)節(jié)發(fā)送延時(shí)。

快速比特同步

在采用的測(cè)距機(jī)制控制ONU的上行發(fā)送后，上行信號(hào)還是有一定的相位漂移的。在上行幀的每個(gè)時(shí)隙里有3字節(jié)開銷，防衛(wèi)時(shí)間用于防止微小的相位漂移損害信號(hào)，前置比特圖案則用于同步獲取。OLT在接收上行幀時(shí)，搜索同步圖案，并以此快速獲取碼流的相位信息，達(dá)到比特同步；然后根據(jù)定界圖案確定ATM信元的邊界，完成字節(jié)同步。OLT必須在收到ONU上行突發(fā)的前幾個(gè)比特內(nèi)實(shí)現(xiàn)比特同步，才能恢復(fù)ONU的信號(hào)。同步獲取可以通過將收到的碼流與特定的比特圖案進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。然而一般的滑動(dòng)搜索方法延時(shí)太大，不適用于快速比特同步，因而可以采用并行的滑動(dòng)相關(guān)搜索方法，將收到的信號(hào)用不同相位的時(shí)鐘進(jìn)行采樣，采用結(jié)果同時(shí)（并行）與同步圖案進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，比較運(yùn)算結(jié)果，在相關(guān)系數(shù)大于某個(gè)門限時(shí)將最大值對(duì)應(yīng)的取樣信號(hào)作為輸出，并把該相位的時(shí)鐘作為最佳時(shí)鐘源；如果若干相關(guān)值相等，則可以取相位居中的信號(hào)和時(shí)鐘。這實(shí)際上是以電路的復(fù)雜為代價(jià)來換取時(shí)間上的收益。

突發(fā)信號(hào)的收發(fā)

在采用TDMA的上行接入中，各個(gè)ONU必須在指定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成光信號(hào)的發(fā)送，以免與其他信號(hào)發(fā)生沖突。為了實(shí)現(xiàn)突發(fā)模式，在收發(fā)端都要采用特別的技術(shù)。光突發(fā)發(fā)送電路要求能夠非�？焖俚亻_啟和關(guān)斷，迅速建立信號(hào)，因而傳統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換模塊中采用的加反饋?zhàn)詣?dòng)功率控制將不適用，并且需要使用響應(yīng)速度很快的激光器。而在接收端，由于來自各個(gè)用戶的信號(hào)光功率是不同的且是變化的，所以突發(fā)接收電路必須在每次收到新的信號(hào)時(shí)調(diào)整接收電平（門限）。調(diào)整通過ATM?PON系統(tǒng)中時(shí)隙的前置比特實(shí)現(xiàn)，突發(fā)模式前置放大器的閾值調(diào)整電路可以在幾個(gè)比特內(nèi)迅速建立起閾值，接收電路根據(jù)這個(gè)門限正確恢復(fù)數(shù)據(jù)。

三、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）

EPON是在APON之后出現(xiàn)的一種一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的光接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它為在網(wǎng)絡(luò)中心交換局（CO――Central Office）和用戶現(xiàn)場(chǎng)之間配置光接入線路提供了一種低成本、高性能的途徑。它建立在國(guó)際電聯(lián)（ITU）關(guān)于APON的標(biāo)準(zhǔn)G.983之上，尋求構(gòu)建能夠在單一的光接入系統(tǒng)上傳輸匯聚的數(shù)據(jù)、視頻和語音信息的全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)。

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