（光学工程专业论文）多波长epon系统中数据链路层相关技术的研究.pdf

南京邮l u 人学硕i j 研究生学位论文摘要 摘要 以e p o n 为代表的t d m p o n 作为f t t h 的解决方案得到了些运营商的部署。随着 i p t v 、h d t v 、会议电视等全新多媒体业务的出现和发展，对下代接入网的带宽和服务 质量都提出了更高的要求，而传统的t d m p o n 将很难满足这些需求。 w d m p o n 被认为是下一代接入网的最终解决方案，它在接入能力、安全性等方面具 有无可比拟的优势，只是它在标准化、关键器件的成熟度等方面仍有所欠缺。在此背景下， w d m t d m 混合p o n t 就成了一种理想的过渡方案。论文所提出的多波长e p o n ( m x e p o n ) 系统就是在e p o n 的基础上引入c w d m 技术的产物，它是e p o n 向w d m p o n 平滑升级 的理想形式。 论文首先介绍了现有的几种p o n 技术以及w d m p o n 的发展概况和技术特点。概括 性地描述了e p o n 的基本原理和e p o n 数据链路层的几种关键技术。对所提出的多波长 e p o n 系统的总体结构和关键器件，进行了重点分析。论文的主要工作集中在多波长e p o n 的数据链路层。以i e e e8 0 2 3 a h 标准为参考，分析了引入c w d m 技术对多波长e p o n 数 据链路层的影响，提出了m l m p c p 作为多波长e p o n 数据链路层的m a c 控制子层，负 责m a c 子层操作的实时控制和处理。对m l - m p c p 的“j 下常工作”和“自动发现”两种工作模 式进行了分析和设计，以支持系统中不同种类的o n u 的注册和正常运作。 通过对m p c pp d u 的继承和改进，本文对提出的m x m p c p 的各种控制帧进行了设计 和定义，通过这些控制帧使系统能对波长资源和时隙资源实现统一的管理和分配。但 m 九- m p c p 作为一个工作框架，并不涉及特定的资源分配算法。本文随后提出了运行于 m l m p c p 下的f w d t 和d w d t 两类动态资源分酉g ( d r a ) 机制，并以s i p a c t 为d w d t 的代表算法，进行了详细的分析。结合目前业务的特性j 对s i p a c t 进行了改进，形成了 is i p a c t 算法。本文最后在o p n e t 软件平台上搭建了多波长e p o n 系统，实现了多波长 e p o n 各种o n u 的注册和正常工作，通过仿真验证了m x m p c p 的可行性。 关键词：多波长e p o n 波分复用 多波长多点控制协议动态资源分配算法 南京| f | | j i 乜人学顾l j 研究生学位论义a b s t r a c t a b s t r a c t e p o na st h er e p r e s e n t a t i v et ot h et d m - p o na sf t t hs o l u t i o nw a sd e p l o y e db ys o m ei s p s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e wm u t i l m e d i as e r v i c e ss u c ha si p t v , h d t va n dt h et e l e v i s i o n c o n f e r e n c e ，t h eq o sa n db a n d w i d t ho ft h en e x tg e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r kh a v e b e e np u tf o r w a r d h i g h e rr e g q u i r e m e n t s ，b u tt h et r a d i t i o n a lt d m p o nw i l lb ed i f f i c u l tt om e e tt h e s en e e d s w d m p o ni sc o n s i d e r e dt h eu l t i m a t en e x tg e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r ks o l u t i o n ，i t sa b i l i t yt o a c c e s s ，s e c u r i t y ，h a sa nu n p a r a l l e l e da d v a n t a g e b u ti ti ss t i l li nt h el a c ko fs t a n d a r d i z a t i o na n dt h e m a t u r i t yo fk e yc o m p o n e n t s a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，w d m t d mh y b r i dp o n w i l lb ea ni d e a l t r a n s i t i o np r o g r a m m e 。w ep r o p o s e dam u l t i - w a v e l e n g t he p o n ( m l - e p o n ) s y s t e m ，w h i c hi sa n i d e a ls m o o t hu p g r a d i n gf o r mf r o me p o nt ow d m p o n i nt h i sp a p e r , t h et e c h n i c a lf e a t u r e so fs e v e r a lo fe x i s t i n gp o na n dt h ed e v e l o p m e n to f w d m p o nw a si n t r o d u c e d w ed e s c r i b e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fe p o na n dt h ek e yt e c h n o l o g y o ft h ed a t al i n kl a y e r w ef o c u so nt h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dk e yd e v i c e so fm k - e p o ns y s t e m t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h ed a t al i n kl a y e r w ea n a l y s e dt h ec w d m t e c h n o l o g yo nt h ei m p a c to ft h ed a t al i n kl a y e r w ep r o p o s em l m p c pa st h em a c c o n t r o ll a y e r o ft h ed a t al i n kl a y e ro fm 九一e p o n i ti sr e s p o n s i b l ef o rt h eo p e r a t i o no ft h ec o n t r o la n dr e a l t i m e p r o c e s s i n go fm a cs u b l a y e r w ed e s i g n e dt h en o r m a lw o r ka n d a u t od i s c o v e r ym e c h n i s i mo ft h e m k m p c p w ed e s i g n e dt h em k m p c pc o n t r o lf r a m e so nt h eb a s eo fm p c pp d u t h ew a v e l e n g t ha n d t h et i m e s l o tw i l lb em a n a g e da n dd i s t r i b u t e db yt h e s ef r a m e s a sab a s i cf r a m e w o r k m 九一m p c p d o e sn o ti n v o l v eas p e c i f i cr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m n l i sp a p e rp r o p o s et w od r as c h e m e s ： f w d ta n dd w d t t h e nw ep r o p o s e di s i p a c to nt h eb a s eo fs i p a c t f i n a l l y , i no p n e t s o f t w a r ep l a t f o r mw eb u i l to nam k - e p o ns y s t e m ，a n dr e g i s t r a t i o na n dn o r m a lw o r ko ft h e m 九一e p o ns y s t e mo n u sw e r ea c h i e v e d 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h e m l m p cp - k e y w o r d s ： m u l t i w a v e l e n g t h e t h e m e t p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k ( m 九一e p o n ) ， w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) ，m u l t i w a v e l e n g t hm u l t i p o i n t c o n t r o lp r o t o c o l ( m k m p c p ) ，d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n ( d r a ) 南京邮l u 人学颂 ：研究生学位论文 缩略语 a t m b p o n c b r c o c r c c w c c w d m d b a d b r d f b d r a d w d m d w d t e p o n f w d t g m i i g p o n h d t v i p a c t is i p a c t l g i d l l c l l i d i e m a c m f l m 九一e p o n 缩略语 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 b r o a d b a n dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 宽带无源光网络 c o n s t a n tb i t r a t e 固定比特速率 c e n t r a lo f f i c e 中心局 c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k循环冗余校验 c o m b i n e dw a v e l e n g t hc o u p l e r 组合波长耦合器 c o r s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 粗波分复用 d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n动态带宽分配 d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t i o n 分布布拉格反射 d i s t r i b u t e df e e db a c k 分布反馈 d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n 动态资源分配 d e n s ew a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g密集波分复用 d y n a m i cw a v e l e n g t hd y n a m i ct i m e 波长动态时隙动态机制 e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k基于以太网的无源光网络 f i x e dw a v e l e n g t hd y n a m i ct i m e 波长固定时隙动态机制 g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e 媒质无关接口 g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 吉比特无源光网络 h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n 高清电视 i n t e r l e a v e dp o l l i n gw i t ha d a p t i v ec y c l et i m e 自适应周期交织轮训 i m p r o v e d s i p a c t 改进的自适应周期同步交织轮 j l o g i c a lg r o u pi d e n t i f i e r 逻辑组标识 l o g i c a ll i n kc o n t r o l 逻辑链路控制 l o g i c a ll i n k si d e n t i f i e r 逻辑链路标识 l o g i c a lt o p o l o g ye m u l a t i o n 逻辑拓扑仿真 m e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒质接入控制 m u l t if r e q u e n c yl a s e r多频激光器 m u l t i w a v e l e n g t he p o n 多波长以太网无源光网络 南京邮i 【1 人学颂f j j ) l = 究生学位论义 缩略语 m 九m p c p m p c p 0 d n o l t o n u p d u p h y p m a p m d p o n p 2 p e q o s r n r s r t t s i p a c t s l a s m e s t p t d m v c s e l w d m m u l t i w a v e l e n g t hm p c p 多波长多点控制协议 m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l 多点控制协议 o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k 光分配网 o p t i c a ll i n et e r m i n a l 光线路终端 o p t i c a ln e t w o r ku n i t 光网络单元 p r o t o c o ld a t au n i t 协议数据单元 p h y s i c a ll a y e r物理层 p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n ts u b l a y e r物理媒质附加子层 p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n ts u b l a y e r物理媒质相关子层 p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 无源光网络 l o g i c a lt o p o l o g ye m u l a t i o n p o i n t t o p o i n t 点对点逻辑拓扑仿真 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r e m o t en o d e远端节点 r e c o n c i l i a t i o ns u b l a y e r调谐子层 r o u n d t r i pt i m e 环回时间 s t i m u t a n e o u si p a c t 自适应周期同步交织轮 j s e r v i c el e v e la g r e e m e n t 服务水平协定 l o g i c a lt o p o l o g ye m u l a t i o n s h a r e d m e d i u m共享媒质逻辑拓扑仿真 s p a n n i n gt r e ep r o t o c o l 生成树协议 t i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g时分复用 v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t c i n gl a s e r 垂直腔表面发射激光器 w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g波分复用 i v 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意o 研究生签名：垃日期：凌2 生塑竖西 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：蛐导师签名： _ 嘲z日期：1 础务t 哂、忪 卜一 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 , 1 接入网概况 第一章绪论 随着因特网的迅猛发展和快速普及，图像、视频等多媒体和交互式的实时性很强的业 务越来越多。目前，城域网的数据传送速率已高达g 甚至几十g ，用户本地网的数据传送 速率也已高达几十兆甚至几百兆，但位于用户本地网和城域网之间的接入网，数据的传送 速率大部分低于l 兆，因此接入网现有的解决方案无法满足用户的巨大需求，已经成为信 息高速公路的“瓶颈”。目前使用的最普遍的“宽带”方案是数字用户线( d s l ) 和电缆调制 器( c m ) 网络，尽管它们相对于过去有了一些改善，但是它们不能满足新出现的一些业务： 如视频点播、i p 电话、i p 电视视频会议等。 在美国，有线电视公司通过在它们的同轴电缆网络上集成数据业务来应对因特网业务 需求，即其原有的c a t v 系统的干线( 前端到小区) 使用光缆，小区到用户使用电缆传输的 网络叫光纤同轴电缆混合网( h f c ) 【l 】【2 1 。利用光纤损耗小、抗干扰能力强、带宽高的特点进 行数据传输。h f c 适用于广播业务，对于开放双向的交互式业务却存在严重的缺陷。在中 国，电信公司为了有效利用现有电话线资源，提高接入网的速度和带宽，满足用户对高速 数据和宽带业务的需求，以便于数据公司和广播电视部门争夺用户，所以开发了数字用户 线( x d s l ) 技术l 引。 目前，我国大量采用的是a d s l ，它虽然是近、中期的一种有效接入方式，但从发展 趋势看，a d s l 始终是一个过渡性方案，它不能满足将来用户的需要。无源光网络( p o n ) 技术是上世纪9 0 年代中期由f s a n 发起，在一个通用、快捷的宽带接入系统上同时提供 宽带和窄带服务，如数据、视频和语音业务，通过光线传送。如图1 1 所示，p o ne h - - 部 分组成：光线路终端( o l t ，o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) ，光网络单元( 0 n u ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 和光配线网( o d n ，o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 。 。 南京邮屯大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 图1 1p o n 结构组成 o l t 的作用是提供网络侧与本地交换机之间的接口并经一个或多个光配线网( o d n ) 与 用户侧的光网络单元( o n u ) 通信。o n u 的作用是为光接入网提供直接或远端的用户侧接 口。它的主要功能是终结来自o d n 的光纤、处理光信号并为多个用户提供业务接口。其 位置有很大的灵活性，可以设置在用户住宅处，可以设置在路边的分线盒处。o d n 为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，主要功能是完成光信号功率的分配。o d n 是由无源光器件 ( 光连接器、光分路器) 组成的纯无源的配线网。 p o n 自从在2 0 世纪9 0 年代被采用至今，主要有a p o n b p o n ，e p o n ，g p o n 三种 基本类型川。这些都是时分复用无源光网络的代表。 1 2t d m p o n 技术概况 a p o n b p o n a p o n 是a t m 技术和p o n 技术相结合的光接入网技术5 1 。a p o n b p o n 的帧结构是 基于a t m 格式的封装。一个a t m 化的无源光网络( a p o n b p o n ) 可以利用a t m 的集中和 统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使性能价格比有重要改进， 目前在美国和同本等国已经开始商用。然而，目前实际a p o n b p o n 的业务适配提供很复 杂，业务提供能力有限，数据传送速率和效率不高，成本较高，其市场前景由于a t m 的 衰落而黯淡。最后，从长远的业务发展趋势看，a p o n 的可用带宽仍然不够。以f t t c 为 例，尽管典型主干下行速率可达6 2 2 m b s ，但由于分路后，实际可分到每个用户的带宽将 大大减小。按3 2 路计算，每一个分支的可用带宽仅剩1 9 5 m b s ，再按1 0 个用户共享，则 每个用户仅能分得约2 m b s 的带宽而已。显然，这样的性能价格比是无法满足网络和业务 的长远发展需要的。 g p o n 2 0 0 1 年，在i e e e 积极制定e p o n 标准的同时，f s a n 组织开始发起制定速率超过1 g b s 2 南京邮电人学颀上研究生学位论文 第一章绪论 的p o n 网络标准千兆以太网无源光网络( g p o n ) 引。随后，i t u t 也介入了这一新标 准的制定工作并于2 0 0 3 年1 月通过两个有关g p o n 的新的标准g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 ( 速率提 高到2 5 g b s ) 。按照这一最新标准的规定，g p o n 可以提供1 2 4 4 g b s 和2 4 8 8 g b s 的下行 速率和所有标准的上行速率，传输距离至少达2 0 公里，具有高速高效传输的特点。而且， g p o n 采用了两种封装方式，除了传统的a t m 外，还在传输汇聚层采用了一个全新的基 于s d h 的标准通用组帧程序g f p ，这是一种可以透明地高效地将各种数据信号封装进现 有s d h 网络的通用标准信号适配映射技术，可以适应任何用户信号格式和任何传输网络 制式，即可以按固有格式传送语音、数据和视频信号，无需附加a t m 或i p 封装层，全面 体现了业务提供商对业务提供的灵活要求，而a p o n b p o n 和e p o n g e p o n 对每种特定 业务都需要提供特定的适配方法。由于采用g f p 映射，g p o n 的传输汇聚层本质上是同步 的，使g p o n 可以支持端到端的定时和其他准同步业务，特别是可以直接高质量地灵活地 支持t d m 业务。 e p o n 随着i p 的崛起和发展，有人提出了e p o n 的概念，即在与a p o n 和b p o n 类似的结 构和g 9 8 3 的基础上，设法保留其精华部分物理层p o n ，而以以太网代替a t m 作为 链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体 e p o n 。2 0 0 1 年1 1 月，i e e e 8 0 2 3 通过成立第一英早以太网( e f m ) 研究组，致力于e p o n 体系规约的标准化，在现有的i e e e 8 0 2 3 协议的基础上，引入一些新的以太网接入技术标 准，通过较小的修改实现在用户接入网络上传输以太网帧 7 1 。i e e e 8 0 2 3 a h 协议于2 0 0 4 年 7 月正式完成。以太无源光网络( 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 ，e p o n ) 代表低成本以太 网络设备和低成本的光纤基础设施的结合，已经成为能够满足上述要求的下一代接入网的 最佳候选技术之一。与e t h e m e t 技术结合的e p o n 有了它巨大的优势和潜力。与其他系统 相比，e p o n 系统有非常突出的优点，主要表现在： 1 ) 基于i p 及以太网技术：e p o n 是对迄今为止最成功、最成熟、应用最广泛的以太 网技术等有关协议的补充，这样一来可以节省大量的投资，可以说这是它作为接a n 技术 的最大优势，未来的网络必定是基于i p 或以太网的，经由e p o n 传输i p 包是最好的方案。 2 ) 提供非常高的带宽：e p o n 目前可以提供下行传输带宽为1 2 5 g b s ( 上行带宽为 1 2 5 m b s ) ，并且随着以太技术的发展可以升级到1 0 g b s 。 3 ) 低建设成本：e p o n 系统显著减少了光纤、光收发模块、中心局设备的数量。另外， 由于光电子器件的成本不断降低，e p o n 的每线设备接入成本己可与a d s l 、c a b l e m o d e m 南京邮l 乜火学顾十研究生学位论文 第一章绪论 相比，特别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件成为f t t h 发展的基础。 4 ) 低运营维护成本：局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间仅有光纤、光分路器等光无源器件， 无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此可有效节省运营维护成本。 5 ) 解决远端用户的接入问题：e p o n 可以达到2 0 k m 的传输距离，避免了传统传输介 质( 如双绞线、五类线、c a b l e 等) 的距离瓶颈问题。 6 ) 支持多种业务：由于e p o n 系统建立在i p 技术上，因此e p o n 系统支持各种以i p 技术为基础的网络服务，使电视网、电信网、互联网( 三网) 的融合也成为现实。 1 3w i ) m p o n 技术概况 1 3 1w d m p o n 基本结构 w d m p o n 是基于波分复用方式实现的点到多点无源光网络，即采用波长作为用户端 o n u 的标识，利用波分复用技术实现多址接入，能够充分利用光纤的巨大传输带宽。 w d m p o n 大致可以分为三个部分，光线路终端o l t 、光网络单元0 n u 和光分配网o d n 阳3 。 o l t 连接业务侧，o n u 连接用户侧，其具体结构见图1 2 。 o l t 一方面将承载各种业务的信号在局端汇聚，按照一定的信号格式送入接入网络以 便向终端用户传输，另一方面将来自终端用户的信号按照业务类型分别送入各种业务网 中。o l t 主要由光源、接收机和波分复用解复用器组成。o d n 为o l t 和o n u 的物理连 接提供光传输媒介，复用器解复用器是波分复用光传输系统的关键器件。o n u 的作用是 对相应用户的不同业务进行复用和解复用，以便在上行方向将各种不同的家庭终端的不同 业务信号复用起来在同一传输媒体中传输；而在下行方向将不同的业务解复用，通过不同 的接口送到相应的终端。 o n u 主要由支持w d m 的光收发机组成。o l t 中可使用多波长光源，下传给o n u l 、 o n u 2 、o n u n 的数据以直接调制或外调制方式，加到波长为九l 、也、h 的光载波 上发送，通过波分复用器把信号分配给目的o n u ，完成下行传输。上行信号通过波分复用 器复用到一根光纤上，传送到o l t 。 4 南京邮电人学顾上研究生学位论文 第一章绪论 0 l t o n u l 卜l 剧 k l 刊 w d mt r x 詈薹 - z 1 ，k n 鬲王 n 面订 z 岂 九l ，k nl l 星 ， r e c e i v e r l 等爿洲ni 图1 2w d m p o n 结构 1 3 2w d m p o n 应用特点分析 根据实现方式，无源光网络可分为基于t d m 方式实现的点到多点无源光网络和基于 w d m 方式实现的点到多点无源光网络。a p o n 、e p o n 和g p o n 均是以t d m 方式实现的 点到多点无源光网络。虽然t d m p o n 在相当长的时间内仍然可以满足业务需求，但是其 传输带宽仍受到一定限制，不能更好地适应未来高质量视频等高带宽、实时性业务。 与传统的t d m p o n 相比，w d m p o n 的特点和优势主要有以下几点： 带宽：在t d m p o n 中，用户共享带宽，虽然带宽可以动态分配，带宽的使用也 能灵活有效的分配，但是对算法的要求较高，并要考虑具体的情况，增加用户就会影响其 他用户带宽的使用，而且o l t 和o n u 及其相关的器件都要工作在线速率下。而在 w d m p o n 中，用户独享带宽，每个用户都有连接到o l t 的点到点的光通道，因此不需 要动态带宽分配，w d m p o n 能够在相对低的速率下为每个用户提供高带宽，器件工作在 相应的速率上，还可减少p o n 中用户数引起的附加损耗，这种方式也可降低o n u 的成本a 功率预算：在t d m 。p o n 中，随着o n u 数量的增加，由于分路器的原因信号的光 功率损耗也随着增加。而w d m p o n 用的是高效的复用解复用器( 如薄膜干涉滤光片、 声光滤波器、光纤光栅、阵列波导光栅等) ，w d m p o n 的o d n 插入损耗比t d m - p o n 的 分路损耗小，并且w d m p o n 接收机工作在较低的比特率，因此具有极高的灵敏度。在激 光器输出功率相等的情况下，w d m p o n 传输距离更远，网络覆盖范围更大。 透明性：t d m p o n 中数据分组由t d m 复用器的处理，过程复杂。而w d m - p o n 系统将数据分组直接映射至波长信道，使得对各种协议和速率透明，这将使网管、保护等 任务相对简单，可以提供更强大的o a m & p 功能。 高效性：t d m p o n 系统在上行方向上，各o n u 必须采用t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 协议，才能完成共享传输通道信息访。速率和帧结构的任何改变都会使 南京邮u 人学硕i ：研究生学位论文 第一章绪论 m a c 层协议及整个网络设备发生改变。而w d m p o n 在上行传输时，每个o n u 使用一 个特定的波长，因此不需要专门的m a c 协议，降低了系统复杂度，提高了传输效率。 安全性：在t d m p o n 中，由于下行信号采用广播方式，所有o n u 都可接收全部 的下行数据，安全性无法保证，必须采用加密技术。在w d m p o n 中，去往不同o n u 的 信号通过波长选路，也就是说w d m p o n 中用户之间是不相联系的，安全性更有保障。 易升级：t d m p o n 升级困难，而w d m p o n 不需对底层结构进行重大改变就能 充分利用光纤的巨大容量。并且它的升级和点对点网络一样容易。 业务特性：在业务层面上，将来网络必须具有通用性以适应各种增值业务，如v o l p 、 h d t v 、i p t v 等，q o s 的保征成为关键。而不同用户及其不同业务对吞吐量、时延、时延 偏差、误比特率等有不同要求，难以对q o s 作统一要求。w d m 技术分配不同波长信道， 即专用的点到点连接，有助于这些难题的解决。表1 1 给出了t d m p o n 与w d m p o n 在 多个方面的一个简单比较。 表1 1t d m p o n 与w d m p o n 的比较 t d m p o nw d m p o n 保证带宽线速率n 宰线速率 突发模式位置 o l l 和o n u 无 定时控制必须 无 波长控制不需要需要 q o s优先权管理有保证 分路损耗( d b ) 10 1 0 9 n + c t 木+ w d m 损耗( 3 - 5d b ) o n u 不独立独立 o l t 突发模式接收机 w d mm u x d e m u x 业务升级 i i 4 难容易 成本低高 协议是否透明 1 否 是 注：+ n 为川户数，a 为额外用户数 1 3 3w d m p o n 关键技术 w d m p o n 系统，国际上许多实验室都建立了自己的w d m p o n 系统，韩国k t 公司 则早在2 0 0 5 年就己经把w d m p o n 投入到实际应用中。下面将对w d m p o n 系统的几项 关键技术：发射机光源、波分复用器、w d m 接收机、波长监控和业务分离进行研究。 6 南京邮电大学硕：i ：研究生学位论文 第一章绪论 发射机光源 根据产生波长的方式，光源可以分为四类，分别为：指定波长光源、多波长光源、自 由选择波长光源、共享光源。其中多波长光源只适用于o l t ，共享光源适用于o n u ，另 外两种则o l t 、o n u 皆可用。指定波长光源由每个元件发出固定的波长。每个元件通常 都需要波长监控电路和控制器来调整所需要的波长。分布反馈激光器( d f b ：d i s t r i b u t e d f e e db a c k ) 、分布布拉格反射激光器( d b r ：d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t i o n ) 、垂直腔表面发射激 光器( v c s e l ：v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gl a s e r ) 矛l ：l 可调谐激光器都属于此种类型的光 源。 因为w d m p o n 中o l t 的波长特点，其需要很多的光源，那么在o l t 中使用指定波 长光源就不太方便。如果一个元件可以同时发出多个波长，对于o l t 将很实用，而集成在 小尺寸装置里的多个w d m 信道就可以同时调谐。这种多波长光源可以分为三类：多频激 光器( m f l ：m u l t if r e q u e n c yl a s e r ) 、d f b l d 阵列和啁啾脉冲w d m 光源。 波分复用器 在w d m p o n 中，波分复用器通常称为波长路由器，它解复用下行信号，并分配给指 定的o n u ，同时把上行信号复用到一根光纤，传输到o l t 。它的主要指标有插入损耗、 串音、信道间距、偏振依赖性和温度敏感性等。目前已有多种结构的器件，如薄膜干涉滤 光片、声光滤波器、光纤光栅、阵列波导光栅等。 在通道数不多的情况下薄膜干涉滤光片和光纤光栅是比较好的一种选择，对于1 6 路 以上的w d m 系统，复用解复用器大多选用阵列波导光栅，这主要是由于该类型的复用器 的损减和通路数无关。最近几年发展的阵列波导光栅具有尺寸小、易于集成、通道间距窄、 性能稳定等优点，促进了w d m p o n 的发展。由于石英玻璃的折射率随温度变化而发生变 化，阵列波导光栅的信道波长受温度影响。为解决这一问题，已报道了几种对温度不敏感 的波导型复用器，其中采用温度补偿方法的复用器对0 - 8 5 摄氏度范围内的温度变化不敏 感，具有良好的性能，有望得到广泛应用。 w d m 接收机 接收机调制器包括光电探测器( p d ) 和信号恢复的伴随电路( 数字光接收机) 。常用的 p d 有p i n 光电二极管和雪崩光电二极管( a p d ) ，根据所需的敏感度有不同的应用。数字光 接收机通常由前置放大器、主放大器和时钟数据恢复电路( c d r ) 宝h 成。因为w d m p o n 中 每个波长独立工作，每个接收机可以有不同的配置。 w d m 接收机由解复用器和接收机阵列组成。在w d m 接收机中，需考虑解复用器处 南京邮电火学顾：j ：研究生学位论文 第一章绪论 的线性串音。根据闭合眼图模型，由线性串音引起的功率代价为【9 】： 尸= 一10i g ( 1 一击) ( 1 1 ) s i r 是信号串音比，单位为d b 。在上式中，当s i r 劣于7 d b 时，功率代价迅速增加， 考虑到系统的光动态范围，s i r 需达到2 9 d b 。控制串音的的方法有对来自各o n u 的功率 均衡，对接收信号进行双重滤波等。 波长监控 由于w d m p o n 中采用多个波长，而且由于波长路由器一般放在露天，并且没有温度 控制，因此，温度对于波长路由器通带变化的影响非常重要。般说来，波长路由器的温 差范围为一4 0 8 5 c ，通带偏移率为0 0 1 1 n m c 。因此，在这样的温差下，波长将有1 4 n m 的偏移。这样的偏移将与w d m 的波长间隔同数量级( 1 0 0 g h z 2 0 0 g h z ) ，将严重影响 w d m p o n 的工作。因此，需要在o l t 中进行波长的检测与调谐工作。或者可以采用 s e t - a n d - f o r g e t 的方法，让各复用波长之间的间隔足够大( 4 0 0 g h z 8 0 0 g h z ) ，这样可以不对 波长进行调整而使温度变化导致的通带偏移在允许范围内而不对系统性能发生不良影响。 但是占用的宽光谱不仅仅使资源浪费，而且会使光谱大于正常e d f a 的放大范围。 另一种方法是采用对温度不敏感的波长路由器，可以不需要或简化波长监控。波长监 控采用差分算法，比较一个信道的发送功率与通过波长路由器的功率，得到差值信号，如 果小于上一时刻的差值信号，温度按当前的方向改变t ，反之说明信道失配增加，温度 以反方向改变t 。该方法要适当选取温度调节的速率和步距t 。 波长监控可采用监测下行信道功率和监测上行信道功率实现。对于只在下行采用 w d m 的复合p o n ，只能监测下行信道功率，这种方法需要附加的环回光纤，或一个监控 信道和光纤光栅。对于上行采用频谱分割的w d m p o n ，可以通过在o l t 比较解复用前 后的上行信号功率，进行波长监控只需增加藕合器，不需要附加的信道。 业务分离 w d m p o n 可以通过给一组相似q o s 需求和信号特征的业务分配一个( 或一组) 波长， 使业务依靠波长分离开来。例如双向多媒体业务在时延和带宽方面有特殊需求，把这些业 务集合在一个或多个专用路由的特定波长信道内则可有助于支持这些需求。在点对多点的 结构中，对高带宽需求的业务可用波长路由实现低分路因子，其它业务则为高分路因子。 这种把业务按照需求不同( 如吞吐量、时延、时延偏差、误比特率等) 来分配波长信 道的方法，可以比较方便的传输各种业务，不需要再为q o s 保证烦恼。但在接入网中，用 户数远多于波长数，因而波长资源非常宝贵。带宽与用户需求的矛盾仍未解决，成本也是 r 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 系统重要的考量依据。所以把电域的多通道技术与光域的w d m 技术结合将非常有意义【1 0 1 。 1 3 4w d m p o n 波长方式分析 美国、日本、韩国和欧洲都大力的致力于w d m p o n 的研究，但d w d m p o n 在波 长控制等方面有一些问题需要解决，并且应用在接入网中成本也太过昂贵，而c w d m 对 波长精度要求不高、成本低，相对于现在的光接入网，基于c w d m 的w d m p o n 完全可 以满足其业务需求。 基于d w d m 的w d m p o n d w d m ( d 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 ) 技术作为目前广泛使用的传输技术， 也是w d m p o n 的主要选择1 。i t u t 己在g 6 9 4 建议中对其波长间隔栅格为2 5 g h z 、 5 0 g h z 、1 0 0 g h z 及以上的标称频率进行了标准化，为了提高频率的使用效率，建议g 6 9 4 1 不仅将d w d m 系统的波长区域扩展到l 波段，而且将d w d m 系统的频谱栅格细分到 12