WDM-PON与TDM-PON.doc

关于WDM-PON系统及应用的网络运营前景1. 研究背景 高带宽业务的需求继续增长，为了满足这种增长，运营商把光纤延伸的更深，例如光纤到路边或光纤到大楼，甚至是光纤到户。典型的光纤到户网络基于无源光网络拓扑，当前IEEE的EPON和ITU-T的GPON系统是最广泛的PON技术，两者都开发TDMA协议来分享可利用的带宽资源。最近10GPON推出，运营商希望升级现有的网络而不用破坏已存在用户的服务。就ITU-T PON而言，系统的升级依靠波长覆盖来实现，也就是2.5Gbps和10Gbps的下行速率相互兼容。这个波长覆盖如图1说明：波长(nm)图1. 支持ITU-T PONs 共存性的波长规划 关于10Gbps以外的光接入标准，FSAN论坛当前正在定义运营商对于NG-PON2的需求，WDM-PON是主要考虑的技术。预计NG-PON2的标准将于2013年完成，相应的系统将于2015年部署好。在本论文中，WDM-PON一些典型的实现特征将被描述，并且与运营商对NG-PON系统的需求相比较。潜在的应用也将被说明。2. WDM-PON综述 除了在分路技术上的变化，WDM-PON和TDM-PON在拓扑上有很大的相似。在TDM-PON使用功率分配器的地方，WDM-PON系统使用波长分离器，并且这些基于阵列波导光栅多达40路端口。WDM-PON体系上层的观察在图2中说明： WDM-PON体系概括的分为两种不同类型：分别在光网络单元（1）使用反馈调制（2）使用可调谐激光器。运营商的关键需求是支持无色散的ONU，所以使用固定激光器的WDM-PON在本论文中不作考虑。这样的ONUs能被放置在PON中的任何用户终端上，所以减少了网络运营商的运营问题及降低了运营费用。 反射WDM-PON体系在OLT上利用宽带光源提供上行光，上行光被OUN的反射调制器所调制。ONU的反射调制器通常由法布里-珀罗激光器或反射半导体光放大器组成。在这样一个系统中的光器件是低成本并且适和于FTTP应用。然而，系统的功率分配被一些因素所影响，例如BBS的低光功率谱密度，相对强度噪声，相干干扰等。这样以1Gbps运行的商业系统可达到的连接长度是10-20km。20km的被动范围是运营商的最小需求，为了促进将来中心局的巩固。 带有使用可调谐激光器的ONUs的WDM-PON比相应的反射型ONU更简单。连接的预算和亏损同传统的点到点DWDM系统相似，并且超过40km的系统范围应该是可达到的。因此，反射WDM-PON系统看到了商业部署，基于WDM-PON系统的可调谐激光器不得不见证了意义重大的商用行动。图2. WDM-PON的高层综述3. WDM-PON应用 考虑到TDM-PON系统在一些地区正在除去，人们认为在一段时间内FTTH的部署不会对WDM-PON有重大的需求。这儿似乎有很少的需求，并且克服成本降低的挑战，用以对抗GPON和EPON的竞争。然而，目前有些不涉及FTTP的短期应用。WDM-PON系统提供一个虚拟的点对点的连接从OLT到ONU，并且同专用的点对点的光纤连接相比，充分有效利用了光纤。当前WDM-PON系统提供了高达1Gbps的以太网服务，并且原则上10Gbps是可行的。这样的服务被广泛的部署在今天的网络中，并且在将来能够用WDM-PON提供。 WDM-PON的应用包括铜轴电缆宽带服务，例如VDSL从有源设备到外部网络的用户终端。网络中的这些有源节点被现在传统的点对到以太网系统所供给。类似的，FTTB也许使用带有被安装在大楼基层的ONT的WDM-PON，并且连接到住户单元，通过使用先前存在的大楼接线和VDSL或以太网。 由于智能手机，移动数据需求成指数级增长。这驱使对于有能力支持数据应用的可移动回程线路的需求的增长。典型的TDM连接有着100Mbps或者1Gbps的以太网来承载数据流量。在将来，LTE网络将推动更进一步的需求，我们将看到在城市地区单元尺寸的缩小去支持终端用户服务提供。这样，能够良好的适应WDM-PON点到多点拓扑，从中心局到移动基站。相似的，WDM-PON能被用于城市Wi-Fi网络或者相似的无线宽带应用。大型商务楼，企业或校园网络是WDM-PON的另一个机遇。WDM-PON提供了多种选择给当前的以太网专线，通过使用波长范畴的虚拟点对点服务。安全性被确保，每个用户只收到他们自己的流量，相比于TDMA PON的下行流信号被广播。4. 运营商的关键问题 WDM-PON仍然是一个包含了各种各样技术选择的通用术语。全世界主要的网络运营商支持光接入体系的全球标准化行动方案，为了节约成本。为了广泛被采用，WDM-PON的解决方案需要标准化。 从技术方面来说，运营商需要用于WDM-PON应用的阵列波导光栅技术成熟，阵列波导光栅要支持高端口数容量，比如超过40个端口。这可以使阵列波导光栅安装在已经使用功率分配器的车间房屋的外边。AWG型号的缩小有益于已经使用功率分配器的车间的再利用。因为ONT也被安置在户外，需要在极端温度条件下运行的能力，这需要在可调谐激光器或反射调制器技术方面有所提高。通常，运营商希望在光接入上非制冷型运行，因为制冷器往往增加很大的成本和收发能量功耗。 运营商在光接入上要求单独的光纤操作，因为这将有效利用光纤基础设施和简化安装过程。至于多种技术和建筑上的原因，这不可能同在今天市场上所有WDM-PON解决方案。再者，WDM-PON系统的端口密度需要相当的改善以减少中心局的空间需求，从一个单独的OLT进入更多的用户。这将需要光电子集成电路的进步以使在更小的空间上容纳更多的器件。重新使用已存在的光纤基础设施和全面开发已经做出的投资，这是令网络运营商非常满意的。为了这个目的，能够与现有的PON系统（例如GPON）共存并且能够在每个用户现有基础上进行系统升级，WDM-PON是非常吸引人的。这将不会破坏已存在的光分配网络，或者至少以最小的损坏。5. 未来展望在运营商网络中，WDM-PON是有许多潜在应用的一种有前景的技术。然而，在市场上有很多种解决方案，集中开发、推动组件的版本、降低成本，这些都需要制定标准。考虑到当前的状况，WDM-PON系统不适合今天FTTP的应用，也许会更适合于回程和商业业务。未来的带宽需求支持TDM PON，不是WDM-PON1. 研究背景 自从20世纪90年代，WDM就已经被研究，并被认为是在FTTH网络上TDM PON的继承者。主要的原理是为了满足未来用户带宽需求，需要的TDM PON比特速率变得如此高以至于更低速度的专用波长将变得更划算。 在本论文中，我们考察了被TDM PON系统提供的带宽的历史趋势，并预测住宅的带宽需求，为了回答有关大规模住宅FTTH部署的一些问题：在不久的将来，当前的TDM PON系统是否处在带宽耗尽的危险之中？10G（TDM）PON就满足带宽需要多久，什么技术能够继承它？我们也将考察带宽需求的性质去回答：像TDM PON这样的共享带宽系统还是像WDM PON这样的专用带宽系统更适合未来超高速业务。2. TDM PON带宽每两年翻倍 为了追踪技术的目的，我们限制了我们对于TDM PON的注意，TDM PON已经被设计去满足FTTH的目标成本，并且被商业部署（在试验领域之外）。表1 是TDM PON演变过程中的主要阶段的一些重要商业部署以及它们的下行和上行速率，包括10G PON的商业部署。下行数据被标绘在图1中，表明每年大约40%的增长趋势。在差不多20年中，TDM PON下行速率每两年翻倍。因此，40G（TDM）PON将被预测在2016年。我们将看看下面这样的事情是否会被需要。表1. TDM PON的商业部署图1. TDM PON 下行流速率的演变3. 流媒体带宽需求和突发性业务动态余量 在三合一接入网中，最大的带宽需求来源是流媒体，它通过IPTV业务传送，并且越来越多的经由互联网传送。尽管很难找到可利用的数据去确定和预测这个需求，但是我们能创造一个上限界。第一步我们要估计IPTV运营商传递的流媒体需要的当前最大带宽。我们将以AT&T作为我们的例子，它提供TV业务以它著名的24Mb/s下行速率的U-verse供应。与现在的电缆和卫星供应商相比，U-verse在用户满意度中排名很高，占有市场份额。它服务美国市场，美国是全球的TV和HD TV占有量的领头羊。换句话说，在2010年，24Mb/s是一个可行的带宽对于提供成功的数字视频业务。 为了预测需求，下一步是为视频消费的增长速率选择一个上限界。视频消费增长的主要动因是视频要满足更高信息速率的趋势，并且在家中视频调谐器（TVs，DVRs，and PCs）数量的增长。我们计划每年20%的增长率或者每4年翻一倍，正如图2所示。能支持那种增长的一个混合流演变的例子如表2所示，在表中用户以3个HD流和一个SD流开始，到2011年把家中所有的屏幕升级到HD，到2013年全都以3D屏幕替代。在那点之后，支持每年20%的增长需要增加越来越多的3D屏幕或者升级到后3D视频标准，到2015年在消费型电子产品中应该可用。而且，为了设定一个上界限的利益，在表2中我们忽视了视频压缩技术的进步，我们忽视了视频中可能的下跌趋势，因为记录广播内容的DVR的需求将会受到侵蚀，被营运商或互联网中高速缓冲存储器储存的浏览内容的增长。总的来说，目前没有表明假定的每年20%的增长率将会低估对流媒体未来的需求，因此图2中的曲线应该提供一个上限界。图2. 流媒体带宽需求的上限界表2. 填满上限界的流组合4. TDM PON能满足当前和未来的带宽需求吗？ 首先，在未来的几年GPON将能够满足流媒体的带宽需求。其次，由于TDM PON的带宽供应正在增长以至少两倍于流媒体带宽需求的速度，用于突发性业务的动态余量将继续增长。如果我们延长需求曲线，我们将会看到10G PON对于突发性业务维持1Gbps的带宽余量直到2023年。所以，尽管TDM PON带宽每两年翻倍的趋势预计商用40G PON将在2016年使用，但实际上工业有更多的时间去处理。 看待这个预测的另一种方式是，在2016年接受者将需要72Mb/s的流媒体。因此，在有32个用户的10G PON上，仍会有大约7.5Gbps下行带宽余量可用于突发性高速数据传输。这是专用1Gbps波长所提供的余量的8倍多。专用的带宽对于突发性业务的传递无效。作为一种聚合带宽的方法，TDM PON支持突发性流量。5. 上行带宽提供和需求 至今为止下行带宽供应和需求已经被考虑。早前的系统传输对称窄带业务（POTS和ISDN），被ITU-T和IEEE标准化的PON系统被传统的比特速率抑制。无论如何，工业界共识似乎是10:1太不对称而对称的1:1又不需要。 多少上行带宽被需要呢？考虑一种最糟糕的情况，一个家庭同时拨打若干部视频电话和开启一些监视摄像机。假定这些将以更低的分辨率被编码并且有更高的压缩率比下行视频娱乐。在PON上32个这样家庭消耗的总和不可能多于几百Mb/s。1Gbps的TDM PON或者更多的上行带宽对于超高速上行数据传输有很大的余量。很难想象这个如何会被耗尽。6. 未来展望 在本论文中，我们考察了TDM PON带宽提供的趋势，并预测住户视频带宽需求的上界。我们得出结论，当前GPON在未来的几年还有足够的带宽，而10G PON满足的带宽需求超出了可以预见的将来的范围。我们也得出结论能够填满巨大的FTTH通道的业务类型是将来的超高速文件传输，共享带宽的TDM PON比专用带宽的WDM PON更有效地掌控突发性流量。因此，每波长比特速率的WMD PON需要在本质上等于集合TDM PON比特率，另外TDM PON解决方案能提供更高的突发速率。例如，同10G PON竞争的WDM PON 应该提供每波长10G。考虑TDM PON的能力超过了带宽需求，WDM P