無源光網絡（PON）技術綜述

    第一代的PON采用TDM信號，例如DS1/E1信號等。其下行幀(downstream frame)是一個TDM幀，其時間槽是被指派給每一ONT之數據資料。對任何TDMA協定來說，上傳的數據資料必需被分割成幾個區(qū)塊，以脈沖的方式傳輸。這些早期的PON從它們的上傳TDM時間槽收集數據資料，并在所指定的上傳脈沖時間槽中以較高的速度傳送。對語音信號來說，這樣可反應出許多語音樣品。對封包數據資料來說，在一個對應的點對點信號中，就只是包在幀里要傳輸的一堆封包字節(jié)。

    第二代的PON采用ATM，在將上傳資料分割成區(qū)塊做上傳脈沖時提供了一個方便的協議。ATM則提供一個運載TDM流量和封包的機制來支持QoS。此時的ATM被認為是下一代網路的基礎，并已經被用在DSL系統(tǒng)中的寬帶接入。由OLT分配給ONT的上傳脈沖時間槽主要是所允許傳送的ATM信元數目。ITU-T G.983 Broadband PON (B-PON) 系列定義了一個由Full-Service Access Network (FSAN) 聯盟所發(fā)展出的ATM PON (APON) 系統(tǒng)和協定。

　　由於IP封包包括更多的用戶數據資料，同時IP封包一般都是在以太網幀中，因此在路由的過程中采用封包技術是有道理的。所以為了避免復雜性以及和ATM相關的高帶寬用量，第三代的PON系統(tǒng)就采用了以太網幀。兩個主要的高速PON標準包括了ITU-T(G.984 系列)的Gigabit PON(GPON)和 IEEE(802.3ah)的Ethernet PON (EPON)。

　　一、B-PON

　　目前大部份在北美和歐洲所采用的PON系統(tǒng)包括了Verizon的雄心勃勃的FiOS專案，它采用ITU-T G.983系列的B-PON。此G.983系列包括ONT和OLT功能區(qū)塊的規(guī)格、上行和下行幀率及格式、TDMA上行接入協議、實體接口、ONT管理以及控制接口、存活度之強化、以及DBA。表一是B-PON功能特性之摘要。

　　下行傳輸是一串ATM信元的傳輸，對于155Mbit/s的下行速率，一個下行幀包含56個單元槽，每個單元槽發(fā)送53個字節(jié);對于622 Mbit/s的下行速率，下行幀含有4 x 56=224個單元槽。每28個單元槽中有一個物理層OAM(PLOAM)信元。PLOAM包含一個幀定位比特(framing bit)以找出PLOAM 信元。此外，PLOAM信元是可程控的，并包括一些資訊，例如上行帶寬以及OAM消息。這些ONT使用ATM VPI/VCI地址在下行信號中找出它們的數據資料。

　　上行幀包含53個時間槽，每個時間槽發(fā)送56個字節(jié)。每一個時間槽包含一個ATM/PLOAM信元和24比特(3字節(jié))的其他用量。該用量包括了防護時間(guard time)、一個前導碼(preamble)好讓OLT來復原計時以及信號水平，還有一個分隔符號來指示此資料的終點。該資料群之長度及內容可由OLT來程控。ONT會根據OLT的要求定時傳送PLOAM信元。

　　從OLT分配的帶寬資料會告知每一ONT會使用哪一個上行時間槽(upstream time slots)來傳送它的上行資料。B-PON DBA 協定可讓OLT知道ONT帶寬的需求，方式是經由ONT明確的報告或觀察ONT傳送出來的ATM 空閑信元數目。在ONT傳送空閑信元時OLT會減少其分配帶寬，在ONT的上行時間槽中充滿了數據資料時，OLT則會增加其帶寬。

　　OLT會定期中止上傳，因此可以請任何新的ONT來宣告自己。新的ONT在此期間傳來一個反應，如果有多個新ONT時，會使用隨機時間延遲以降低碰撞的風險。該OLT會給新的ONT發(fā)送一個范圍的訊息并測量接到此反應之時間，來確定至每一新ONT的距離。然后該OLT會發(fā)送給該ONT一個等化的延遲時間值，讓每一個 ONT都會有相同的來回和等化延遲。如此可使從各ONT出來的上行傳輸譯最小的防護時間到達OLT。

　　表1 – B-PON、GPON和EPON之特性比較

　　二、EPON

　　IEEE 802.3ah EPON的發(fā)展原先是為了發(fā)揮以太網技術優(yōu)勢使其成為下一個主要可標準化的TDMA PON協議。表一為EPON特性摘要。

　　下行傳輸是一串以太網絡幀。在點對點的Gigabit以太網連接中，這些幀都是相同的， 只有前導碼和分隔符號是被修改過的，這樣便于搭載邏輯鏈路標示(logical_link_id field, LLID)， 而只有LLID才能識別ONU對應的MAC。在上傳的方向中，ONU會在OLT所分配的時間槽中傳送以太網絡幀的脈沖。

　　多點控制協議(Multi-Point Control Protocol PDUs, MPCPDUs)是基本的802.3 MAC控制幀，由ONU發(fā)送Report消息來請求帶寬，OLT則發(fā)送Gate消息分配帶寬。OLT會定期傳送Gate訊息至ONU讓它們有機會報告它們的帶寬需求。這些ONU亦可將它們的Reports和一個上傳數據資料一起傳送。Gate訊息中包括ONU所需的傳送開始時間和期間。帶寬請求和分配包括幀間間隔(inter-frame gap)和前向糾(Forward Error Correction)所需的任何帶寬。EPON亦可執(zhí)行DBA。

　　EPON之上傳時間槽和范圍協定和B-PON與GPON不同，因為它沒有一個正規(guī)的下行和上行幀架構。OLT和各ONU分別有自己的計數器，每16 ns計數一次。每一MPCPDU搭載一個時間戳(timestamp)，它是發(fā)送者計數器之值。而ONU會將其計數器設至接收到的timestamp值。OLT通過比較接收到的值和自己的計數器值以決定來回之延遲。當OLT指派ONU上傳開始時間會將此來回延遲列入考慮。

　　關於ranging和 activation則和B-PON類似，只是當地計數器會幫助OLT不需要將等化延遲時間傳送至ONU。

　　三、GPON

　　第二個FSAN TDMA PON協定是ITU-T G.984系列GPON，是根據B-PON和EPON的經驗所建構的。如同EPON一般，GPON被最優(yōu)化以搭載以太網幀。表一為GPON特性摘要。

　　雖然GPON支援ATM 負載，它亦引入一個新的負載機制，稱之為GPON Encapsulation Method (GEM)，同時被最優(yōu)化以便搭載以太網幀。GEM是采用G.7041 通用成幀規(guī)程(Generic Framing Procedure, GFP)， 不同處是GEM為PON的應用作了幀開銷(Frame Overhead)的最佳化，讓映射片段(mapping fragments)和整個以太網幀進入GEM 負載，并支持TDM映射。

　　GPON 上行和下行均采用一個125 μs GPON Transmission Conversion (GTC) frame 架構。下行幀開始時有一個PLOAM開銷域，之后有一個負載域，包括GEM幀和/或ATM信元。PLOAM包括幀資訊和下一個上行幀ONT傳輸分配的帶寬映射。

　　上行幀包括從ONT來的上傳脈沖，每一脈沖都從物理層負載開始，在功能上和B-PON一樣，但同時還包括一個ONT帶寬請求的摘要資料。如果OLT有要求，在上傳脈沖中還會含有額外的PLOAM域和更多的帶寬細節(jié)。OLT會指派每一ONT之上傳時間，和下一個上傳GTC域相對應的傳輸開始和停止時間。

　　其中125 μs GTC幀的架構可以搭載TDM信號，例如DS1/E1或語音，只要在每一GTC幀期間簡單的映射信號的適當字節(jié)數目到一個GEM幀。

　　此GPON activation和ranging協議和B-PON與EPON類似，只有送至每一ONT的等化延遲值是收到下行幀和發(fā)送上行幀之間的offset。

　　四、IEEE 10 Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av)

　　IEEE 802.3 近日已核準一個專案來開發(fā)一個10 Gbit/s 速率的EPON標準。最近的測試顯示其技術已經可以執(zhí)行此PON。

　　可能推動10 Gbit/s PON 系統(tǒng)的一個市場推動力是數字視頻傳輸。此帶寬可以傳輸多重高畫質IP封包的視頻流至每一個ONT，甚至在OLT/ONT分路比例為1:64或更高時也可使用。相對的，如果我們假設以20 Mbit/s應用在一個高畫質IP視頻流，那么一個具備622 Mbit/s下行速率的B-PON系統(tǒng)僅可以傳送一個1:32 分路比的VoD頻道至每一個ONT，而GPON可以以1:64 分路比傳送最多兩個VoD之頻道至每一ONT。

　　五、WDM PON

　　WDM PON 采用波長分割多路復用器，而不用TDMA。OLT則采一個分離的波長來和每一ONU以點對點的方式做通訊。每一ONU有一光學濾波器來選擇所接收數據資料的波長，而OLT有一組濾波器，每一個ONU對應一個濾波器。WDM PON之主要優(yōu)點是和每一用戶的通訊都可采用較好的原始數據傳輸率(例如 DS1/DS3、10/100/1000Base Ethernet, 等等)， 而與信號速率和其他用戶的格式無關。

　　WDM PON之主要缺點是生產過濾不同波長之光學元件的成本比較高。目前已經探索出產品不同ONU波長的方式，包括以下各項：

　　· 可現場安裝的光學模組，用來選擇ONU波長。此方法的缺點是缺乏彈性，模組庫存和追蹤的成本高。

　　· 在ONU安裝可調式激光。雖然很有彈性，但可調式激光還不具備成本效益。

　　· 分路頻譜，在ONU采用一個具有合理寬光譜的光源，此處使用濾波器來選擇ONU的傳輸載波波長。

　　· 被動的方式，其中OLT提供光學載波信號給ONU。每一ONU模組以某種方式來調制載波，并反射回 OLT。

　　· 利用下行信號來控制ONU激光的輸出波長。例如，插入某些下行信號至一個面射型激光二極體(VCEL)已經被證明會使得VCEL的輸出鎖住和下行信傳號一樣的波長。此技術被稱為光學注入鎖定(optical injection locking)。

　　圖1為陣列波導光柵Athermal Arrayed Waveguide Gratings (AWGs)，似乎是最可行的接收器濾波技術。一個AWG是一個被動式裝置，可被使用在廠外之環(huán)境。它們可以采用應用于其他光學積體電路的硅基二氧化硅(silica-on-silicon)技術，因此有潛力成為具成本效益之技術。

　　目前配置最多WDM PON 的國家是韓國。此技術采用AWG接收器濾波方式，在ONU分路頻譜。頻譜的分路是在可調聲光濾波器(acousto-optic tunable filters, AOTFs)進行。在 AOTF中使用一個聲波來形成一個長期間的衍射光柵，當作一個所需波長的陷波濾波器。

　　雖然WDM PON具備某些彈性優(yōu)勢，它可以搭載不同的客戶信號以及提供每一用戶更高的數據資料傳輸率，但其光學元件的數量很多，又較復雜，因此和TDMA為基礎的 PON系統(tǒng) ，例如EPON和GPON，或和使用介質轉換器的點對點濾波器連接相比較，其成本效益較差。WDM也可結合TDMA PON協定以升級其容量。

　　六、CDMA PON

　　碼分多址(Code-division multiple access, CDMA) 技術亦可被應用於PON中。如同WDM PON一般，CDMA PON可讓每一ONU使用一個不同的信號傳輸率和格式，對應到用戶的原始客戶信號。光學CDMA亦可和WDM一起使用，以增加帶寬。此處將敘述一個典型的做法，如圖2所示。

　　CDMA的理論是以同樣頻道的傳輸頻譜來搭載多重客戶信號。信號的加碼方式可由解碼器辨識。最可行的技術是直接序列擴展頻譜(direct sequence spread spectrum)，每一客戶信號的符號(例如0和1)都是運用較高的速率以更長串的符號來加碼。每一ONU使用一個不同的值串給相關的符號。

　　幸運的是，光學直接序列 CDMA可以采用被動衍射濾波器來執(zhí)行其動作。典型的執(zhí)行動作是采用Bragg衍射光柵(diffraction grating)，其架構是采用標準單模式濾波器通過一個所要圖案的光罩來進行UV曝光，也可以使用其他的光柵(grating)型態(tài)。

　　如上圖所示，加碼和解碼器可用相同的執(zhí)行方式。信號被送至濾波器的一端。當信號在濾波器中行進時，柵格規(guī)律會以光線反射的作用產生干擾規(guī)律。從濾波器反射回來的信號的幅度和相位會被調制，在通過濾波器時會以行進時間的函數做符號變化。在接收器端，反向操作的動作會將接收到的散播頻譜符號轉回原來的符號。

　　由於Bragg濾波器的線性特性，擴展頻譜帶寬 (spread spectrum bandwidth)是和ONU之數目成正比的。OLT會將接收到的光學信號分割至多重衍射濾波器，以便從不同的ONU恢復數據資料。在一個典型的光學CDMA執(zhí)行動作中，發(fā)射機和接收機都使用相同的光纖光柵(Bragg gratings)。更復雜的接收器會在發(fā)射器和接收器使用不同的光柵，并結合光學和電機方式做處理。適當的設計光柵規(guī)律會去除接收器的通話交叉干擾。

　　光柵的溫度控制是非常重要的，因為濾波器的實體擴張或收縮會變更規(guī)律之有效性。不過。可以進一步運用此特性做成可調式濾波器(還有其他的調整機制) 。不過，頻率的穩(wěn)定度對于光學CDMA系統(tǒng)中的激光并不是必需的。

　　光學CDMA PON的一個主要缺點是一般光學放大器都需要達到一個適當的信號雜音比。由于增加的接收器樹型分路(splitter tree)、循環(huán)器和濾波器所造成的損失，ONU/OLT分割器比例在沒有放大器時只有2:1至8:1的范圍，接收器的設計也是比較復雜。因此，和其他方式來比，它們的成本效益較差。