（通信与信息系统专业论文）10gbs+wdmpon系统色散补偿性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 在当今社会应用十分广泛的光纤通信系统中，其传输容量的扩大、传输速度 的提高、传输距离的延长均都与光纤的损耗、非线性效应、色散效应紧密相关。 随着无源光网络( p o n ) 和波分复用( w d m ) 技术的发展，光纤色散和非线性效应 就成了目前光纤通信系统中限制光脉冲信号传输速率和传输距离的主要因素。由 于光纤色散能够有效地抑制四波混频等非线性效应，因此对光纤通信系统进行升 级扩容的关键将主要集中在色散问题上，而在高速率、多信道的大容量光纤通信 系统当中，也只有进行有效的色散补偿才能满足通信系统进一步传输的要求。 本文重点研究了色散补偿光纤在光纤通信系统色散补偿中的应用，其间主要 工作如下：首先，无源光网络基本原理介绍，分析了高速w d m - p o n 光纤通信系统 中各器件的现状；其次，分析了色散补偿光纤法。相对而言，色散补偿光纤法有 很多优势。是针对高速率、超长距离大容量光纤通信系统进行色散补偿最具有前 途的一种技术方案；最后，通过仿真软件，模拟仿真了在l o g b sw d m - p o n 系统中 接入色散补偿光纤传输的系统性能，得到了很好的效果。模拟研究结果表明，d c f 长度1 公里时，系统传输3 0 7 0 公里不同的距离，误码率一定大小，传输效果甚好， 而后增加色散光纤长度为2 公里时，传输距离可以进一步增加，传输效果较好， 从而可以满足一定区域内不同距离用户的需求。 关键词：无源光网络，波分复用，波分复用无源光网络，色散补偿，色散补偿 光纤， 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ee n l a r g e m e n to ft r a n s m i s s i o nc a p a c i t y ，t h e i m p r o v e m e n to ft r a n s m i s s i o nr a t e ，t h ee x t e n s i o no ft r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei sa l lc l o s e l y l i n k e dw i t hn o n l i n e a re f f e c ta n dd i s p e r s i o ne f f e c t w i t ht h ew i d e n e da p p l i c a t i o no f p a s s i v e - o p t i c a l n e t w o r k ( p o n ) a n d w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) ，t h e w e a k n e s si nf i b e rl o s si sm o s t l yc o n t r o l l e d t h e r e f o r e ，t h ef i b e rd i s p e r s i o ne f f e c ta n d n o n - l i n e a re f f e c tb e c o m et h er e m a i n i n gs i g n i f i c a n tf a c t o r st h er e s t r i c tt h er a t ea n d d i s t a n c eo ft r a n s m i s s i o no fo p t i c a ls i g n a l b e c a u s ed i s p e r s i o nc a ne n l a r g ee f f i c i e n c y r e s t r a i nt h ee f f e c to fn o n l i n e a rs ot h a t ，r e g a r d i n gt h ek e yt ou p d a t ea n de n l a r g eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，m o s t l yt h ed i s p e r s i o no nt h el e f tm a j o rp r o b l e m s a n di to n l y a p p l i c a b l et os a t i s f yf u r t h e rr e q u i r e m e n to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb yc o m p e n s a t i o n d i s p e r s i o no nt h eo p t i c a ls y s t e mo fh i g h e rs p e e da n dl o n g e rd i s t a n c e t h em a i nw o r ko f m i n ei sa sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h ep r i n c i p l eo fp a s s i v e - o p t i c a l n e t w o r k ( p o n ) ，w e a n a l y z e dt h e p r i n c i p l eo fc o m p o n e n ti nh i 班b i tr a t es y s t e m so fw d m - p o no p t i c a lt r a n s m i s s i o n s s e c o n d l y , o n ea u t h o r i t ym a d ea n a l y s e so nt e c h n o l o g yo fc o m p e n s a t i n gd i s p e r s i o n i l ll l i g hb i tr a t eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n di n v e s t i g a t et h em e c h a n i s ma n d c h a r a c t e r i s t i ci ni t ，a n dc o m p a r e dw e a k n e s sa n ds t r e n g t hf r o mt h ep o i n to fs y s t e m p e r f o r m a n c e a n dt h ei n v e s t i g a t i o nf o c u so nd c f 。 h o w e v e r ，t h ed c fk e e p si t sc o m p e t i t i v ee d g e ，c o m p a r e dw i t ho t h e rt e c h n o l o g i e s s of a r , d c fi st h em o s tp r o m i s i n gp r o j e c td e s i g n e df o rt h eh i g hb i t - r a t e ，l a r g ec a p a c i t y ， a n dl o n g e rt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ev i ac o m p e n s a t i n gd i s p e r s i o n f i n a l l y ，b a s e do ns o f t w a r e ，w es i m u l a t e dt h ep e r f o r m a n c eo f10g b ss y s t e m o p t i c a lt r a n s m i s s i o n so r d e rt oc o m p e n s a t ed i s p e r s i o nw i t hd c f s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ，d c fl e n g t ho f1k m ，t h es y s t e mt r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo f3 0 7 0k ma d i f f e r e n tb i te r r o rr a t eo fac e r t a i ns i z e ，t h et r a n s m i s s i o ne f f e c ti sv e r yg o o d ，a n dt h e n i n c r e a s et h ed i s p e r s i o nf i b e rl e n g t ho f2k m ，t h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ec a nb ef u r t h e r i n c r e a s e d ，t h et r a n s m i s s i o ne f f e c tb e t t e rt om e e tt h ed e m a n d sw i t h i nac e r t a i nr e g i o na t d i f f e r e n td i s t a n c e su s e r s k e yw o r d s ：p o n ，w d m ，w d m p o n ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，d c f 3 山东大学硕士学位论文 p o n a p o n e p o n g p o n t d m f d m c d m w d m 缩略语 p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 无源光网络 a t mp o n 异步转移无源光网络 e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 以太网无源光网络 g i g a b i tp o n 吉比特无源光网络 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 时分复用 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 频分复用 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 码分复用 w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 波分复用 d w d md e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 密集波分复用 o l t o n u o d n e d f a n i 屹 s o a d c f k 鼬g s p m b e r l d l e d p i n a p d o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n o p t i c a ln e t w o r ku n i t o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r n o nr e t u r nt oz e r o s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i n gf i b e r a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g s e l fp h a s em o d u l a t i o n b i t e r r o rr a t i o l a s e rd i o d e l i g h te m i t t i n gd i o d e s p o s i t i v ei n t r i n s i cn e g a t i v e a v a l a n c h ep h o t od i o d e 光线路终端 光网络单元 光分配网络 掺铒光纤放大器 非归零码 半导体光学放大器 色散补偿光纤 阵列波导光栅 自相位调制 误码率 半导体激光器 半导体发光二极管 光电检测二极管 雪崩光电二极管 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期：半 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论? ：哗新繇纽 山东大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 接入网是用户进入城域网或骨干网的桥梁，是信息传送通道的“最后一公里。 过去几年中，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换、还是传输都 己更新换代，而接入网由于经济性问题如用户的业务需求、用户的密度、用户的 经济承受能力等多方面原因发展之缓慢，成为制约网络向宽带化、全业务化发展 的瓶颈。随着我国经济的飞速发展，高带宽的消耗业务逐步涌现，带宽提速已成 为迫切需求。为了满足广大用户的需求，各类新技术不断的涌现，接入网技术己 经成为设备制造商、运营商和电信研究部门关注的焦点与投资的热点n 3 。 1 2 研究背景 1 9 8 7 年，英国电信公司的某研究人员在研究时发现为了满足用户对网络灵活 性的要求可以将有源光网络传输过程中的有源器件更换为无源的特性，由此产 生了无源光网络的概念，由于无源光网络中不涉及有源器件，所以整个系统价格 低，安装与维护方便，成为当前光纤接入网技术中的热点，并且无源光网络发展 极其迅速无论是电信运营商还是设备制造商不断开发出了多种协议和技术来支 撑无源光网络技术的发展，同时为市场需求提供了更好的光纤接入网技术 归纳来讲，无源光网络的发展经历了从a p o n 到e p o n ，再到g p o n 等几个主要 发展阶段最早的p o n 标准是i t u - t g 9 8 3 1 9 9 8 ，即基于a t m 的a p o n ，主要目 的是使接入网部分p o n 和核心网的a t m 化相兼容它采用a t m 作为传输协议，支 持对称和非对称速率但是a p o n 技术复杂、成本高、速率低在2 0 0 0 年底，e f m a 提出了e p o n ，即在p o n 上传输以太网帧随着以太接入网的飞速发展，e p o n 最终 纳入到了以太接入网i e e e 8 0 2 3 a h - - 2 0 0 4 标准对于以太网承载的数据业务，e p o n 免去了i p 数据传输的协议和格式的转换，传输速率可达1 2 5 g b s ，但是对话音 和视频等实时业务不能提供服务质量保证因此，差不多e f m a 提出e p o n 的同时， f s a n ( f u l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ，全业务接入网) 组织考虑到a p o n 的低效率 7 山东大学硕士学位论文 和e p o n 存在的不足，于是在2 0 0 2 年提出了g p o n ，并在2 0 0 3 年通过了g p o n 系列 标准：i t u t g 9 8 4 2 、g 9 8 4 2 、g 9 8 4 3 。g p o n 传输速率高达2 4g b s ， 对任意一种业务都可以实现较高的带宽利用率，支持多种业务透明传输，能够提 供明确的服务质量保证和服务级别，网络监测和业务管理能力达到了电信级位1 波分复用技术的研究、开发与应用十分活跃。在国际上，主要体现在电信装 备公司投巨额资金竞相研究、开发、宣传展示产品，甚至还出现了各大公司之间 联合、兼并，以增强在w d m 技术领域里的竞争能力。而在国内，波分复用技术 的研究与开发不仅活跃，而且进展也非常迅速。清华大学、北京大学、武汉邮电 科学研究院、邮电部五所等先后进行了传输性实验或建设性试验的工程。例如： 在1 9 9 7 年1 0 月武汉邮电科学研究院成功地进行了1 6 2 5 g b i f f s 6 0 0 k m 单向传输 系统，在1 9 9 8 年l o 月北京9 8 国际通信展览会上展示了3 2 2 5 g b i t s 的w d m 传输系统，并且容量为4 0 l o g b i t s 的w d m 系统也进行了传输性的实验，更高 技术水平的波分复用系统正在实验当中。就目前波分复用系统传输容量的试验水 平来看，北电等公司的1 6 t b i t s ( 1 6 0 1 0 g b i t s ) w d m 系统已经成功。在后来的展 览上，北电推出8 0 x8 0 g b i t s 的w d m 系统，总容量为6 4 t b i t s 。此外，朗讯公司 采用8 0 n m 谱宽的光放大器创造了波长数高达1 0 2 2 的世界记录【3 】。 1 3 研究的目的和意义 随着全球互联网的迅速发展，以因特网技术为主的数据通信在通信业务总量 中的比例迅速攀升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为 激烈的主要领域。同时，无论是从数据传输的用户数量还是从单个用户需要的带 宽来讲，都比以往大很多。尤其是单个用户所需要的带宽，它的增长将直接地需 要系统带宽以数量级模式增长。因此当前大家关心的焦点问题就是如何提高通信 系统的性能，增加系统的带宽，以满足不断增长的业务需求“1 。 面对市场需求的增长，当前通信网络的传输能力不足的问题，需要从多种可 供选择的方案中寻找出低成本的解决办法。缓和光纤数量不足的一种途径是继续 敷设更多的光纤，这对那些在光纤安装方面耗资少的网络来说，不失为一种解决 方案。但是这种方案不仅受到诸多物理条件的限制，也不能合理有效的利用光纤 8 山东大学硕士学位论文 带宽。第二种方案是采用时分复用( t d m ) 方法提高比特率，但是单根光纤的传输 容量仍然还是有限的，更何况传输比特率的提高受到电子电路物理极限所限制。 第三种方案是波分复用( w d m ) 技术，w d m 系统可以充分利用已经敷设好的光纤， 使单根光纤的传输容量能够在高速率时分复用的基础上成几倍地增加。由于w d m 能够很好利用光纤的带宽，来解决通信网络传输能力不足的问题，所以具有十分 广阔的发展前景h 1 。 1 4w d m p o n 的发展 随着2 1 世纪的到来，我国电信市场的开放及宽带新业务的不断出现，已逐步 形成了电信网、c a t v 网和计算机网三大网络并存的局面，而如何能既经济又高效 地构建满足众多用户需要的光接入网络更是成为竞争的焦点。随着v o l p 、i p t v 、 h d t v 电视会议与视频点播等全新多媒体业务的不断出现，现有的带宽将无法满足 众多业务需求。另外，近年来因为接入方式的限制，很多多煤体应用无法顺利的 开展。在这种状况之下，光接入网技术尤其是无源光网络技术凭借灵活的接入方 式和高容量的带宽性能获得了飞速发展。在当前这样一个非常复杂的局面下，业 务需求是很难准确预测的。这里我们不妨通过例子来看一下，一般来讲未来五年 的时间里，一个典型的中国城市家庭对于业务的需求可大致为：一路高清数字电视 ( h d t v ) ，约占6 1 0m b i t s ；两路标准数字电视( s d t ，约占4 6m b i t s ；上网业务， 约占2 6m b i t s ；两路v o l p 约占2 0 0k b i t s ，一路网络游戏，约占3 0 0 - - - 8 0 0k b i t s ；视 频通信，约占1 2m b i t s ，考虑必要的开销并保留有一定余量之后，业务总带宽至少 需要2 0 - - 3 0m b i t s 。随着时间的推移和各类高质量宽带新业务需求的不断涌现，带 宽的需求会进一步扩展至1 0 0m b i t s 。这样e p o n 和g p o n 使用的t d m 方式将无法 满足业务的长期需求，p o n 系统最终将演进至w d m p o n 。目前，国外p o n 系统作 为宽带接入系统已经开始大量使用，w d m p o n 系统主要器件的研究也取得了长足 发展。例如：l e d 、l d 、 s l d 、 e d f a 、s o a 、a w g 复用解复用器等发展迅 猛，价格也迅速下降，这就意味着w d m p o n 系统的应用要比原先预计的更早一些。 从长远发展来看，一方面波分复用、密集波分复用技术在城域网和骨干网中得到 广泛的应用，势必将促进波分复用器件的成熟，造成器件价格的快速下降；另一 9 山东大学硕士学位论文 方面，宽带业务的需求是必然趋势，波分复用无源光网络技术将成为最终的宽带 光接入网的最佳解决方案。在国际上，美国、日本、韩国和欧洲都加大力度的致 力于波分复用无源光网络技术的研究，韩国最大的通讯运营商k t 则是运营商的先 行者，在2 0 0 4 年就开通了试验网，已在2 0 0 5 年1 月1 0 日于韩国光州市开始提供以“波 分复用无源光网络为基础的f t t h 示范服务( 5 0 0 0 0 户、1 6 波的w d m p o n ) k t 也因 此成为全球第一家提供w d m p o nf t t h 的运营商。并且k t 为中小企业提供了很 多新机会，从2 0 0 6 年至u 2 0 1 0 年，每年投资1 3 亿美元，合计总额高达7 0 亿美元用于 开发b c n ，其中s o f t s w i t c h 、w d m p o n 为b e n 的核心技术【5 】。 w d m p o n 系统能够为每个用户分配一个单独波长，这样每个用户，或每个 光网络单元( o n u ) 就能够传送1 0 0 m b i t s 或更高速率的独享带宽业务。而且 w d m p o n 的传送通路与协议和比特率无关，因此能够支持任何业务乃至混合业务 的传输，包括任意速率的g e e s c o n f i c o n 、光纤信道、s t m a t m 和f d d i 等。 w d m p o n 的独到之处，就是可以在不改变物理基础设备的情况下将带宽升级。鉴 于目前这种发展趋势，大家来研究w d m p o n 光接入系统实现全业务的传输具有十 分重要的理论价值和现实意义，这也是作者选题的一个重要的背剽5 1 。 1 5 本文的主要工作 本文重点研究了色散补偿光纤在光纤通信系统色散补偿中的应用，其间主要 工作如下：首先，分析了色散补偿光纤法。相对而言，色散补偿光纤法有很多优 势。是针对高速率、超长距离大容量光纤通信系统进行色散补偿最具有前途的一 种技术方案；然后，通过系统仿真软件，模拟仿真了在速率为1 0 g b sw d m p o n 系 统中接入色散补偿光纤之后传输的基本性能，得到了很好的效果。模拟研究结果 表明，色散补偿光纤的长度为1 公里时，该系统传输了3 0 7 0 公里不同的距离之后， 误码率和q 值一定大小，传输效果甚好，而后将色散补偿光纤的长度增加至2 公 里时，传输距离可以进一步增加，并且传输效果较好，从而可以满足一定区域内 不同距离用户的需求。 本论文共分章节： 第一章介绍本文研究的背景， 1 0 山东大学硕士学位论文 介绍本文研究的目的和意义， 介绍w d m p o n 的发展状况。 第二章介绍无源光网络技术 分析无源光网络基本原理 第三章介绍w d m - p o n 无源光网络技术 介绍w d m - p o n 光纤通信系统中各器件的现状及面临的问题 第四章通过光纤通信系统仿真，分析采用色散补偿光纤进行色散补偿的性能。 第五章本论文的工作总结及展望 山东大学硕士学位论文 2 1 无源光网络 2 1 1 无源光网络简介 第二章无源光网络技术 无源光网络技术是当前光接入网的主流技术之一。它是在o l t ( 光线路终端) 与o n u ( 光网络单元) 之间的光分配网络( o d n ) q b 没有接入任何有源电子设备。这种 光接入网的方式有很多优点。顾名思义，无源光网络的最大特征便是“被动”，即 无源：在o l t 和o n u 之间的o d n 不含有源器件，完全由被动的无源器件构成。无 源光网络的“无源”特点，使其具有能经济有效和透明地传输高速数据等优点而 被作为光接入网的首选方案。图2 1 所示。 光网 络单 lp o nl 兀 il o n u 。 光线 路终 端 o l t 图2 1p o n 的系统结构 无源光网络的优势主要表现在以下七个方面：首先，由于o d n 不含有源器件， 则体积小，设备简单，安装与维护费用低，网络投资小。其次，无源光网络的组 网方式灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总线型及混合型、冗余型等网络拓扑 结构。第三，安装方便，室外设备可以直接挂在墙上，无需租用或建造机房。相 比较而言，有源系统需要经过光电和电光转换，设备制造费用相对较高，要使用 专门的场地和机房，远端的供电问题也不好解决，日常维护工作量大。第四，无 源光网络适用于点对多点通信，仅仅用简单的无源光分路器就可实现。第五，无 源光网络是纯介质网，彻底避免了电磁干扰和雷电的影响，非常适合自然环境恶 劣的野外地区使用。第六，从技术发展方面看，无源光网络对各种业务透明，扩 容升级极为容易。第七，在接入领域上，采用无源光网络可以说是一种理想的接 入手段，各运营商长期以来追求的目标也是无源光网络。但由于成本和价格等诸 1 3 山东大学硕士学位论文 多方面原因，除了少数发达国家外，目前无源光网络系统在接入网领域还未得到 大规模地应用【2 1 。 2 2p o n 的传输原理 无源光网络系统中，o l t 和o n u 之间的通信，一般可以分成上行链路和下行 链路两个方向。由于是共享信道，下行链路方向是o l t 和多个o n u 之间的通信， 需要采用某种复用方式；上行链路是多个o n u 和o l t 之间的通信，也需要采用某 种多址接入方式。也就是上行信道、下行信道的多址复用方式，在理论上可有多 种技术进行选择。 l 、时分复用时分多址接入( t d m t d m a ) 下行链路，o l t 采用时分复用( t d m ) 方式和多个o n u 进行通信；上行链路， o n u 采用时分多址接入技术( t d m a ) ，接入共享信道与o l t 进行通信，这种传输方 式的p o n ，称为t d m p o n 。 上行链路的t d m a 方式中，有可能同时出现多个o n u 竞争都想占用上行信道， 来发送自己的信息。这就需要有一种仲裁机制来解决竞争问题，给各个o n u 来分 配时隙。一般情况下，可采用集中式仲裁机制，由o l t 来给o n u 分配时隙带宽。 t d m t d m a 的复用多址方式在实现方面，所用的器件( 采用光分路耦合器) 相 对简单，技术上也相对成熟，但由于各个o n u 和o l t 之间的距离不尽相同，因此 在上行链路传输时，有两个关键问题需要考虑和解决。第一个问题是相位问题。 上行链路传输时，各个o n u 都要严格按照事先规定的顺序，在自己所分配的时隙 内传送信息。为了避免在光分路耦合器处发生碰撞，必须测定在o l t 和o n u 相 对距离的基础上( 称为测距) ，对o n u 进行严格的发送定时。同时，由于传输距离不 同，各个o n u 的上行链路信号到达o l t 的相位也不一定相同，所以要求o l t 必须 具有快速比特同步电路，在每个o n u 按规定时隙发送上行链路信号的开始几个比 特时间内就要快速建立比特同步。第二个问题是幅度问题。上行链路各个o n u 到 o l t 的传输环境条件不尽相同，它们各自的上行链路信号到达o l t 时，幅度上会出 现差异，这样在o l t 端就不能采用常规的光接收机，也就是不能采用固定门限进 行判决，而只能采用突发模式的光接收机，即依据每个o n u 上行链路信号开始几 1 4 山东大学硕士学位论文 个比特信号幅度大小快速建立合理的判决门限，以便能够正确接收该o n u 的上行 链路信号。 此外，采用t d m t d m a 传输方式，还存在着上行链路的动态带宽分配、系统 加密和安全等诸多问题。需要指出的是，t d m t d m a 是p o n 系统中最常用的传输 方式，目前通信业界已经制定p o n 标准规范都是采用t d m t d m a 方式的p o n 。 2 、频分复用频分多址接入( f d m f d m a ) 频分复用频分多址接入，即对上下行链路信号进行调制，安排至不同的频谱 位置；在接收端，则通过不同频段的滤波器取出需要频段的信号。目前，一种具 体可行的f d m f d m a 方式，是副载波复用副载波多址接入( s c m s c m a ) 技术。 上行链路，s c m a 是以射频波或微波作为副载波( 频率一般为几百兆到十几吉赫兹 范围) ，将各个o n u 信号调制在其副载波上，再用副载波去分别调制各个o n u 的光 发射机( 波长相同) 。下行链路，o l t 端将复用信号调制到另一个副载波上，再 用其去调制o l t 的光发射机。其特点是可利用成熟的射频或微波技术，信道彼此 独立，不需要复杂的同步技术，光器件较少，增减o n u 数量较为方便。但由于距 离的原因，接收到的上行链路信号功率相差较大，势必会引起较为严重的相邻信 道干扰，进而影响系统性能，因此目前尚未实际应用。 3 、码分复用码分多址接入( c d m c d m a ) 码分复用码分多址接入，通过给每个o n u 分配各自特定的地址多址码，利用 共享信道来传输信息。地址码相互具有准正交性，以此区别地址，而在频域和时 域上可能重叠。接收端采用与发射端相同码型的相干检测，以恢复出原始信息。 c d m c d m a 方式主要特点是用户地址分配灵活，抗干扰能力强，保密性能好，各 o n u 可灵活接入。但是其在实现方面较复杂，成本较高，所以目前也未实际应用。 4 、波分复用波分多址接x ( w d m w d m a ) 波分复用波分多址接入方式，其特点就是在一条光纤里可以同时利用多个波 长通道进行通信，这种类型的p o n 被称为w d m p o n 。下行链路，o l t 通过多个波 长通道和各个o n u 进行通信，o n u 端采用某种滤波器件，分离出自己所分配波长 通道的信号。上行链路，o n u 也通过多个波长通道和o l t 进行通信，这些不同波 长的上行链路信号经过光复用器复用到一根光纤后传送至o l t 端，再由o l t 端的光 解复用器分离出各个波长通道信号。w d m w d m a 方式，可以充分利用光纤的巨 1 5 山东大学硕士学位论文 大潜在带宽，来提供高容量的宽带接入。但是，其实现成本较高，仅适合于对带 宽要求较大的高端用户。采用w d m w d m a 方式的p o n ，其主要问题有：动态带 宽分配( 包括动态波长分配) 、上下行配合、光源波长稳定度的低成本解决方法、上 行通道数量受限、不能共享o l t 端光源设备以及最为人所关注的网络成本问题等 等。采用这种传输方式，是未来p o n 发展的方向，目前对w d m p o n 技术的研究还 处于初期阶段，并且没有国际组织针对w d m p o n 进行技术标准化工作【6 。8 】。 2 3p o n 技术的应用 从企事业或商业用户与居民用户来分析p o n 的应用技术方案 1 企事业商业用户 企事业或商业用户主要包括大客户集团客户与中小企业用户。所谓大客户是 业务量较大的集团客户，包括具有层级结构的集团客户、大型企业商务客户等， 如政府、银行、保险公司等，这些公司的业务需求主要以租用专线为主，这是因 为他们的业务和管理不仅需要将所有的业务点构成一个专用网络，而且对业务信 息的安全性要求很高，一般都使用实电路网络组成自己的专用网络，这种组网模 式的o n u 直接放置在用户处，光分路器放置在路边的光交接箱或者楼层管井，从 光分路器到用户之间的光纤通过在楼内的垂直布线直接置放到用户驻地，o l t 可 以放入运营商城域网的局端机房，也可以放入楼群当地的设备间里，具体位置可 依据用户的实际规模与覆盖半径灵活部署。中小企业用户是运营商的十分重要客 户群体，中小企业用户带宽要求一般处在几兆比特每秒左右，可以采用光纤到商 业楼技术方案，这种组网模式中的o n u 放置在大楼的设备间里，分路器放置在路 边的光交接箱中，o l t 一般放置在运营商的城域网局端机房，特别适合于用户规 模与业务均较小时，通过共享光纤和带宽，使单个p o n 系统覆盖更多的用户。一 方面可以降低工程成本与运行维护费用，另一方面可以尽量的提高运营收入，缩 短投资回报期和增加收益。 2 居民用户 在接入网初期阶段，居民宽带用户的数量、用户的密度及业务量都很小，为 了节省成本，避免一次性投资过大，短期内难以收回投资并获得收益，可考虑阶 1 6 山东大学硕士学位论文 段性实施方案，例如：充分挖掘接入网主干段的富余光缆资源暂不需大量铺设入 户光缆，仅仅实现光纤n d , 区，并且在小区内放置一个或几个o n u ，在o n u 与用户 之间，可以根据运营商在用户接入段的资源状况而选择不同的方式。 在光接入网发展到成熟期，居民宽带用户的数量、用户的密度及业务量都很 大，在这种情况下，可以将o n u 直接放置在家中，每个用户可以独享一个o n u ，o l t 位于运营商城域网的局端机房，或者小区机房里，光分路器放置在小区接入光缆 的楼内分线盒中，。 2 4 本章小结 从无源光网络的基本概念，到无源光网络的优势，无源光网络的基本传输， 最后介绍了企业、商业、和用户对无源光网络的应用方案，不难看出各种各样的 p o n 技术都需要使用光分路器来分配光信号，从而引入了较大的光信号衰减，进而 限制了传统p o n 技术的传输距离和分路比，针对这一缺陷，有很多种解决方案， 而比较理想的解决方案之一就是w d m - p o n 技术。 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章w d m p o n 系统技术 3 1w d m p o n 系统工作原理及优势 与其它p o n 系统一样，w d m - p o n 系统是由光线路终端( o l t ) 、光网络单元( o n u ) 和光分配网络( o d n ) 三部分组成。其上行与下行业务在不同波长窗口进行传输， 远端节点( r n ) 采用波分复用解复用器，使每一个o n u 都只能接收一个波长通道 的信号。o n u 端上传数据时分别占用某个波长，并通过w d m 将多波长信号合路到一 根光纤传到o l t 接收端，由接收机阵列最后完成接收。而o l t 端在下传数据时发 射多波长信号，当信号到达w d m 解复用器时进行分路，最后每个波长被相应的o n u 接收端接收n 州。 图3 1 简单的w d m 示意图 光接入技术中以a p o n 、e p o n 、g p o n 为代表t d m p o n 技术的共同特点是o l t 与 o n u 之间通过光分路器分配光信号，上行和下行分别采用t d m a t d m 技术，并且分 别使用不同的固定波长进行数据传输。由于系统中引入了光分路器，必然带来较 大的光损耗，所以在传输距离和分路比方面都受到很大限制，此外由于共享上行 带宽，因此各o n u 获得的上行带宽有限，很难满足h d t v 等高宽带业务的需求。相 比较而言，w d m p o n 系统采用o n u 独享上行下行波长的方式来传输数据信息，并 且结合w d m 波长共享与p o n 树形结构的特点，再加上w d m 技术的特点：一、充分 利用光纤的巨大带宽资源；二、同时传输多种不同类型的信号；三、节省线路投 资；四、降低器件的超高速要求；五、高度的组网灵活性、经济性和可靠性n 刃。 使其在传输带宽、用户管理和信息安全、系统的可靠性与可扩容性等方面都具有 很大的优势。在w d m - p o n 系统中，每个o n u 分配一个波长，不同用户之间不共享 信息，因而不需要对底层结构进行很大的改变就能充分利用光纤的巨大容量，还 1 9 山东大学硕士学位论文 能够为每个用户提供点对点的虚连接，其数据分组可直接映射到波长信道，而无 需t d m 处理，使之能透明传输各种协议的所有业务流。此外，w d m p o n 系统不仅可 以保护运营商在传统e p o n 和g p o n 网络中已有的投资，而且还不需要改变物理设 备就可以进行带宽升级，设备的使用周期也更长，并且能适应未来很长时间的带 宽需求。因此，w d m p o n 系统的优势使得其必将成为宽带接入的最佳选择方案 【1 3 】 o 3 2w d m p o n 系统关键技术 下面对w d m p o n 系统的几项关键技术：发射机光源、接收机、光放大器、 波分复用解复用器、传输介质进行阐述。 1 发射机光源 光源的作用是产生激光，是组成光纤通信系统的重要器件。根据波长产生的 方式不同，光源可以分为指定波长光源、多波长光源、自选波长光源、共享光源 四类，其中多波长光源仅适用于o l t ，共享光源仅适用于o n u ，其余两种o l t 和o n u 都可以应用。 由于w d m p o n 中o l t 的波长特点，需要很多波长的光源，则在o l t 中使 用指定波长光源就显得不是很方便。假如一个器件能够同时发出多个波长，对于 o l t 会很实用的，集成在小尺寸装置的多个w d m 信道就可以同时调谐。这种多 波长光源可以分为：多频激光器m f l 1 4 彤】、增益耦合d f b l d 阵列【1 6 】和啁啾脉冲 w d m 光源【1 7 】三种。 自选波长光源的波长不是自身决定，而是外界因素决定，例如：滤波器或者 注频信号。自选波长光源可以分为频谱分割光源【1 8 1 和注入锁频激光裂1 9 1 两种。 共享光源，如果一个o n u 的波长发生了偏离，那么偏离的信道不仅影响它自 身，而且会使邻近信道劣化，解决的方法就是共享光源，即不在o n u 设置光源， 利用一部分下行光信号来作为载波信号，在o n u 中调制以后，发送到o l t 。o n u 通常使用外部调制器【2 0 1 和半导体光放大器两种【2 2 1 。 2 接收机 接收机调制器是由光电检测器p d 与信号恢复的伴随电路两部分组成。普通的 山东大学硕士学位论文 p d 有p i n 光电二极管和雪崩光电二极管a p d ，根据所需的灵敏度来决定不同的应 用。信号恢复的伴随电路一般是由前置放大器、主放大器与时钟、数据恢复电路 组成，每个波长根据协议来使用，w d m - p o n 系统中的每个波长能独立工作，每个接 收机也能有不同的配置【2 2 1 。 ( 1 ) p i n 光电二极管 p i n 光电二极管是一种半导体器件，由于p n 结耗尽层只有几微米，大部分的 入射光被中性区吸收，所以光电转换率较低，响应速度慢。为了改善器件的这种 特性，在p 型与n 型之间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体区域。在这个半导 体器件反向偏置时，表现出几乎是无穷大的内部阻抗( 就像开路一样) ，输出电流 正比于输入光功率。p i n 光二极管的价格低，使用简单，但响应慢【1 2 】。 ( 2 ) 雪崩光电二极管( a p d ) 在长途光纤通信系统中，只有毫瓦级的光功率从光发射机输出后，经光纤的 长途传输衰减，到达光接收机时的光信号相当微弱，一般情况下仅有几个纳瓦。 在接收端如果采用p i n 光电二极管检测，那么输出的光电流仅有几个纳安，为了 使光接收机的判决电路能够正常工作，必须对这个电流进行多级放大来提升信号 的电平。由于在放大信号的过程中不可避免地会引入各种电路噪声，从而使光接 收机的信噪比降低，灵敏度下降。为了克服p i n 光电二极管的上述缺点，在光纤 通信系统采用了一种具有内部电流放大作用的光电二极管，即雪崩二极管( a p d ) 。 雪崩二极管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，进而产生光电流的倍 增作用。雪崩二极管的增益和响应速度都要优于p i n 发光二极管，但其噪声特性 较差【2 3 1 。 3 光放大器 光放大器的工作不需要进行光信号转换到电信号，然后再电信号转回光信号。 这个特性导致光放大器与再生器相比有两大优势。第一，光放大器支持任何比特 率与信号格式，因为光放大器能够简单地放大所接收到的信号，这种属性通常被 描述为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的；第二，光放大器不仅能够支 持单个信号波长放大，而且能够支持一定波长范围的光信号放大。并且，只有光 放大器才能支持任何比特率、各种调制格式和不同波长的时分复用与波分复用网 络。由于e d f a 的工作波长与光纤网络通信波长窗口( 1 5 5 0 n m ) 相一致，并且增 2 l 山东大学硕士学位论文 益高、频带宽、易于与光纤耦合、温度、偏振稳定性好，其技术已经成熟。所以 实际上，只有光放大器特别是e d f a 的出现，w d m 技术才真正在光纤通信系统 中扮演了重要角色。e d f a 是目前最流行的光放大器，它的出现把波分复用和全 光波网络的理论变成现实【2 4 1 。 4 光复用器和光解复用器 在w d m - - p o n 系统中，光复用器和光解复用器是对光的波长进行合成与分 离的光