第7章WDM-PON接入技术

1、宽带光接入技术 原荣 编著1 第第 7 章章 WDM-PON接入技术接入技术 ONU波长固定波长固定WDM-PON ONU波长可调波长可调 WDM-PON ONU 无色无色WDM-PON WDM/TDM混合无源光网络混合无源光网络 WDM-PON与与PS-PON的技术比较的技术比较 宽带光接入技术 原荣 编著2 WDM-PON和和TDM-PON 目前的目前的PON技术主要有技术主要有APON、EPON和和GPON，它们都，它们都 是是TDM-PON。 APON承载效率低，在承载效率低，在ATM层上适配和提供业务复杂。层上适配和提供业务复杂。 EPON存在两大致命的缺陷，即带宽利用率低和难以支持

2、存在两大致命的缺陷，即带宽利用率低和难以支持 以太网之外的业务，特别是承载话音以太网之外的业务，特别是承载话音/TDM业务时会引起业务时会引起 QoS问题。问题。 GPON虽然能克服上述的缺点，但上下行均工作在单一波虽然能克服上述的缺点，但上下行均工作在单一波 长，各用户通过时分的方式进行数据传输。这种在单一波长，各用户通过时分的方式进行数据传输。这种在单一波 长上为每用户分配时间片的机制，既限制了每用户的可用长上为每用户分配时间片的机制，既限制了每用户的可用 带宽，又大大浪费了光纤自身的可用带宽，不能满足不断带宽，又大大浪费了光纤自身的可用带宽，不能满足不断 出现的宽带网络应用业务的需求。出

3、现的宽带网络应用业务的需求。 在这种背景下，人们就提出了在这种背景下，人们就提出了WDM-PON的技术构想。的技术构想。 WDM-PON能克服上面所述的各种能克服上面所述的各种PON缺点。缺点。 宽带光接入技术 原荣 编著3 WDM-PON的分类的分类 WDM-PON有三种方案：有三种方案： 第一种是每个第一种是每个ONU分配一对波长，分别用于上行分配一对波长，分别用于上行 和下行传输，从而提供了和下行传输，从而提供了OLT到各到各ONU固定的虚固定的虚 拟点对点双向连接；拟点对点双向连接； 第二种是第二种是ONU采用可调谐激光器，根据需要为采用可调谐激光器，根据需要为 ONU动态分配波长，各

4、动态分配波长，各ONU能够共享波长，网络能够共享波长，网络 具有可重构性；具有可重构性； 第三种是采用无色第三种是采用无色ONU（colorless ONU），即），即 ONU与波长无关方案。本章将介绍与波长无关方案。本章将介绍WDM-PON的的 有关技术问题。有关技术问题。 宽带光接入技术 原荣 编著4 7.1 ONU 波长固定波长固定 WDM-PON 7.1.1 波长固定 WDM-PON系统结构 7.1.2 WGR 温度漂移的解决办法 宽带光接入技术 原荣 编著5 波长固定波长固定WDM-PON 波长固定波长固定WDM-PON是一种点对多点（是一种点对多点（PTM）系）系 统，下行复用采用

5、统，下行复用采用WDM方式，上行接入采用方式，上行接入采用 WDMA技术。技术。 它与功率分配它与功率分配 PON (PS-PON) 的根本区别在于，的根本区别在于， 在在ODN中用无源波长路由器取代了无源分路器，中用无源波长路由器取代了无源分路器， 从而解除了从而解除了ONU进行时域或频域解复用的负担。进行时域或频域解复用的负担。 结果是既获得了结果是既获得了PTM拓扑的光纤增益，又通过拓扑的光纤增益，又通过 OLT和和ONU之间专用波长连接得到了之间专用波长连接得到了PTP系统结系统结 构的优点。构的优点。 因此，因此，WDM-PON有可能胜过有可能胜过PON和和PTP结构。结构。 宽带光

6、接入技术 原荣 编著6 7.1.1 波长固定波长固定WDM-PON系统结构系统结构 (a) 波长固定单纤波长固定单纤WDM-PON 图图7.1.1 波长固定波长固定WDM-PON OLT中有中有 多个不同多个不同 波长的光波长的光 源，每个源，每个 ONU也使也使 用特定波用特定波 长的光源，长的光源， 各点对点各点对点 连接都按连接都按 预先设计预先设计 的波长进的波长进 行配置和行配置和 工作，多工作，多 个不同波个不同波 长同时工长同时工 作作 接收机 多波长 光 源 WDM 接 收 阵 列 解 复 用 1216 1 光接收 光发射 光接收 光发射 ONU 1 ONU 16 17 16

7、32 18 32 17 OLT . . . . . WGR 宽带光接入技术 原荣 编著7 双纤波长固双纤波长固 定定WDM- PON在在 OLT有有N个个 分立的激光分立的激光 器输出器输出N个个 不同的波长不同的波长 光，复用后光，复用后 进入馈线光进入馈线光 纤，而各纤，而各 ONU的激的激 光器则有唯光器则有唯 一的上行波一的上行波 长长 (b) 波长固定双纤波长固定双纤WDM-PON 发射机 解 复 用 器 复 用 器 接收机 接收机 接收机 接收机 复 用 器 发射机 发射机 发射机 解 复 用 器 i j 1.N i j . N+1 N 2 OLTONU WGR WGR WGR 宽

8、带光接入技术 原荣 编著8 7.1.2 WGR温度漂移的解决办法温度漂移的解决办法 1. 波长跟踪波长跟踪 波长跟踪是调谐所有光源和波长跟踪是调谐所有光源和OLT接收机中的接收机中的 WGR解复用器来保证它们与远端解复用器来保证它们与远端WGR的高斯通的高斯通 带中心对准。带中心对准。 2. 设定后不管设定后不管 如果信道间距足够宽，比如如果信道间距足够宽，比如400 GHz，并将光源，并将光源 调至调至WGR温度范围的中央，就无需波长跟踪。温度范围的中央，就无需波长跟踪。 3. 温度不敏感路由器温度不敏感路由器 现在已有利用无源技术降低温度敏感度的先进现在已有利用无源技术降低温度敏感度的先进

9、 WGR设计方案，但相对于传统的无补偿路由器，设计方案，但相对于传统的无补偿路由器， 这一功能的实现增加了额外的成本。这一功能的实现增加了额外的成本。 宽带光接入技术 原荣 编著9 7.2 ONU 波长可调波长可调 WDM-PON ONU波长可调波长可调WDM-PON，其下行传输与固定波，其下行传输与固定波 长方案相同，但上行方案不同，它是根据需要为长方案相同，但上行方案不同，它是根据需要为 ONU动态分配波长，各动态分配波长，各ONU能够波长共享，网络能够波长共享，网络 具有可重构性。具有可重构性。 上行传输时，上行传输时，ONU先使用控制信道向先使用控制信道向OLT发送传发送传 输申请，输

10、申请，OLT调度为调度为ONU分配波长和时隙，并在分配波长和时隙，并在 下行帧中通知下行帧中通知ONU，ONU收到分配信息后，调谐收到分配信息后，调谐 到分配给的波长上，在给定的时隙发送数据。到分配给的波长上，在给定的时隙发送数据。 在这种方案中，在这种方案中，ONU需要配置一个用于控制信道需要配置一个用于控制信道 的固定发射机和一个用于发送数据的可调波长发的固定发射机和一个用于发送数据的可调波长发 射机。其优点是上行波长动态分配，能够支持更射机。其优点是上行波长动态分配，能够支持更 多的多的ONU，提高了波长信道的利用率。，提高了波长信道的利用率。 宽带光接入技术 原荣 编著10 图图7.2

11、.1 ONU波长可调波长可调LD WDM-PON 上行部分上行部分 可调谐激光器工作在特定波长，但可通过电调谐、温度调可调谐激光器工作在特定波长，但可通过电调谐、温度调 谐或机械调谐使其改变波长。如果网络中的分路器只是谐或机械调谐使其改变波长。如果网络中的分路器只是 WDM器件，例如器件，例如AWG， WDM器件的通道间隔和器件的通道间隔和LD的的 调谐范围将决定系统可支持的调谐范围将决定系统可支持的ONU数量。数量。 接收机阵列 光解复用器 接收机WDM 中心局OLT AWG 数据 输出 光接 收机 A 上行频谱 A 光分配器 ONU B C D 数据输入 AWG A A 路 光谱 光调 制

12、器 调谐 LD 宽带光接入技术 原荣 编著11 7.3 ONU无色无色WDM-PON 7.3.1 ONU采用宽谱光源采用宽谱光源WDM-PON 7.3.2 ONU无光源无光源WDM-PON 宽带光接入技术 原荣 编著12 7.3.1 ONU采用宽谱光源采用宽谱光源 WDM-PON (a) ONU宽谱光源宽谱光源WDM-PON 系统的上行部分系统的上行部分 图图7.3.1 ONU宽谱光源光谱分割宽谱光源光谱分割WDM - PON 系统系统 尽管所有尽管所有 ONU都采用都采用 同一个光源，同一个光源， 但由于它们但由于它们 接在接在AWG WDM合波合波 器的不同端器的不同端 口上，所以口上，所

13、以 每个每个ONU分分 切到的是同切到的是同 一个光源的一个光源的 不同光谱，不同光谱， 即每个通道即每个通道 （ONU）得）得 到的是不同到的是不同 的波长信号。的波长信号。 宽谱光源可宽谱光源可 采用采用SLED、 ASE-EDFA 和和ASE- RSOA（自（自 发辐射反射发辐射反射 半导体光放半导体光放 大器）等。大器）等。 中心局 接收机 OLT AWG 数据 输出 光接 收机 A 输 入 上行频谱 DCBA 10nm AWG B C D A ONU 宽谱 光源 光源光谱 宽带光接入技术 原荣 编著13 (b) 双纤（分别用于上行和下行）双纤（分别用于上行和下行） 光谱分割光谱分割W

14、DMA-PON 由于使用相对便宜的由于使用相对便宜的LED作为宽谱光源，频谱分割作为宽谱光源，频谱分割 技术非常吸引人。如果波长路由器是一只技术非常吸引人。如果波长路由器是一只WGR，它，它 的周期特性可以放宽对光源中心波长的要求。的周期特性可以放宽对光源中心波长的要求。 发射机 1.N i j OLTONU 宽谱 发射机 接收机 接收机 AWG AWG 宽带光接入技术 原荣 编著14 宽谱光源宽谱光源WDM-PON存在的问题存在的问题 宽谱光源发出的光中只有很窄的一部分谱线被用宽谱光源发出的光中只有很窄的一部分谱线被用 作承载上行信号上，而其他大量的能量都被浪费作承载上行信号上，而其他大量的

15、能量都被浪费 了。因此，这种光谱分割的损耗非常大，甚至比了。因此，这种光谱分割的损耗非常大，甚至比 1/N分路器的损耗还要大。如果系统要达到较高的分路器的损耗还要大。如果系统要达到较高的 比特率，传统的比特率，传统的LED提供的功率是不够的，所以提供的功率是不够的，所以 要采用昂贵的大功率要采用昂贵的大功率LED或者在或者在ONU使用光放大，使用光放大， 使光源提供足够强的光功率。使光源提供足够强的光功率。 频谱分割会引起较大的线性串扰，限制了系统的频谱分割会引起较大的线性串扰，限制了系统的 动态范围动态范围 。 宽带光接入技术 原荣 编著15 7.3.2 ONU无光源无光源WDM-PON W

16、DM-PON另一种方案是在另一种方案是在ONU处无光源，系统处无光源，系统 中所有的中所有的ONU共用的宽谱光源置于共用的宽谱光源置于OLT处，并通处，并通 过过WGR进行光谱分割，然后向每个进行光谱分割，然后向每个ONU提供波提供波 长互不相同的光信号，而长互不相同的光信号，而ONU直接对此光信号进直接对此光信号进 行调制，以产生上行信号，如图行调制，以产生上行信号，如图7.3.2 (a) 所示。所示。 根据上行光信号的路径，该方案也叫基于反射的根据上行光信号的路径，该方案也叫基于反射的 无色无色ONU。在这种方案中，。在这种方案中，OLT宽谱光源发出的宽谱光源发出的 光经光经WGR分波后提

17、供给不同的分波后提供给不同的ONU作为上行光作为上行光 源，因此没有光信号的浪费。宽谱光源仍可选用源，因此没有光信号的浪费。宽谱光源仍可选用 SLED、ASE-EDFA和和ASE-RSOA等，被称作种等，被称作种 子光源。子光源。 宽带光接入技术 原荣 编著16 图图7.3.2 ONU中无光源中无光源WDM- PON ONU处无光源，系统中所有的处无光源，系统中所有的ONU共用的宽谱光共用的宽谱光 源置于源置于OLT处，并通过处，并通过WGR进行光谱分割，然进行光谱分割，然 后向每个后向每个ONU提供波长互不相同的光信号，而提供波长互不相同的光信号，而 ONU直接对此光信号进行调制，以产生上行

18、信号直接对此光信号进行调制，以产生上行信号 中心局 接收机 OLT AWG 数据 输出 光接 收机 A 种子光 源光谱 上行频谱 A B C D AWG A A 反射 光谱 输 入 ONU 反射 器件 宽谱 光源 环形器 宽带光接入技术 原荣 编著17 在在ONU接收机的前端分离出部分下行光，用上行数据对接收机的前端分离出部分下行光，用上行数据对 其调制，然后环回到上行通道中。这样波长控制和其调制，然后环回到上行通道中。这样波长控制和ONU 光源都可以省掉光源都可以省掉 。 (b) 双双 纤光纤光 环回环回 系统系统 图图7.3.2 ONU中无光源中无光源WDM- PON 发射机 接收机 1.

19、N 1.N i j 接收机 i+N i 1 2N OLTONU 发射 电信号 光调 制器 WGR 宽带光接入技术 原荣 编著18 图图7.3.3 ONU反射光反射光WDM- PON 系统系统 图图7.3.3表示表示ONU反射光反射光WDM- PON 系统，该图中，系统，该图中，ONU有有 一个反射光的调制器，图中除表示出系统的上行结构外，也一个反射光的调制器，图中除表示出系统的上行结构外，也 画出系统的下行结构。画出系统的下行结构。 中心局OLT ONU B AWG A 上行频谱 种子光源光谱 接收机阵列 光解复用器 接收机WDM AWG 光接 收机 A A A 反射 光谱 供上行信号 共用宽

20、谱光源 光环 形器 下行信号 数据输入 反射 器件 光接 收机 数据输出A WDM 宽带光接入技术 原荣 编著19 光环回存在的问题光环回存在的问题 光环回的最大缺点是增加了下行光源的负担，因为现在下光环回的最大缺点是增加了下行光源的负担，因为现在下 行光源不仅要提供足够的功率驱动下行路径传输，而且还行光源不仅要提供足够的功率驱动下行路径传输，而且还 要提供足够强的功率驱动上行环回路径传输。要提供足够强的功率驱动上行环回路径传输。 其次，光环回需要采用某种时间压缩复用（其次，光环回需要采用某种时间压缩复用（TCM）机制，）机制， 把下行光分为下行及上行两部分；或者采用某种叠加调制把下行光分为下

21、行及上行两部分；或者采用某种叠加调制 技术，但这会带来其他的代价；或者提供一个独立的下行技术，但这会带来其他的代价；或者提供一个独立的下行 波长专门用于上行调制，但这会使波长数目又成倍增加。波长专门用于上行调制，但这会使波长数目又成倍增加。 总而言之，如果在总而言之，如果在OLT及及ONU处没有光放大器的话，在处没有光放大器的话，在 OLT处便不能得到维持较高比特率所必需的功率。处便不能得到维持较高比特率所必需的功率。 这个方案的另一个缺点是上行和下行采用了相同的梳状波，这个方案的另一个缺点是上行和下行采用了相同的梳状波， 除非除非OLT的光源是非相干的，否则便要使用不同的上行和的光源是非相干

22、的，否则便要使用不同的上行和 下行光纤，以避免由相干瑞利反向散射所带来的不可接收下行光纤，以避免由相干瑞利反向散射所带来的不可接收 的干扰。的干扰。 宽带光接入技术 原荣 编著20 7.4 WDM/TDM混合无源光网络混合无源光网络 即使解决了无色即使解决了无色ONU的波长控制问题，但是由于的波长控制问题，但是由于 WDM-PON的高损耗及串扰，光环回和光谱分割的高损耗及串扰，光环回和光谱分割 WDMA技术仍然受到很大的使用限制。技术仍然受到很大的使用限制。 克服这些限制的唯一办法就是采用先进的光器件。克服这些限制的唯一办法就是采用先进的光器件。 在在WDM-PON和和PS-PON之间有一种折

23、衷的方案，之间有一种折衷的方案， 那就是下行传输采用那就是下行传输采用WDM-PON，上行传输采用，上行传输采用 功率分配（功率分配（PS）的）的TDMA-PON，如图，如图7.4.1所示。所示。 这种方案称为混合无源光网络这种方案称为混合无源光网络 (CPON)。 WDM/TDM光网络结合了波分无源光网络和时分光网络结合了波分无源光网络和时分 无源光网络的优点，非常适合从时分无源光网络无源光网络的优点，非常适合从时分无源光网络 到波分无源光网络过渡的部署。到波分无源光网络过渡的部署。 宽带光接入技术 原荣 编著21 图图7.4.1 复合复合WDM-PON 图图7.4.1是一种双纤的结构，下行

24、采用是一种双纤的结构，下行采用1 550 nm的的 DWDM，用，用AWG波长路由器（波长路由器（WGR）对各个用户波）对各个用户波 长解复用，然后分别馈送各波长信号到相应的长解复用，然后分别馈送各波长信号到相应的ONU。 上行采用上行采用1 310 nm的的TDMA，所以，所以OLT接收机要采用接收机要采用 突发式光接收机。突发式光接收机。 CPON特别适特别适 用于满足住用于满足住 宅区典型的宅区典型的 非对称带宽非对称带宽 要求。要求。 另外，在下另外，在下 行使用波长行使用波长 路由，不仅路由，不仅 解决了解决了PS- PON的私密的私密 问题，而且问题，而且 还可以采用还可以采用 波

25、长可选波长可选 OTDR来远程来远程 定位分支光定位分支光 纤的故障状纤的故障状 况况 在在OLT侧，侧， 用一个突发用一个突发 模式接收机模式接收机 取代了波分取代了波分 解复用器和解复用器和 接收机阵列。接收机阵列。 多波长 发射机 1.N i j OLTONU 发射机 突发式 接收机 接收机 WGR 功率 合路器 WDM-PON PS-PON 宽带光接入技术 原荣 编著22 图图7.4.2 由由RSOA构成无色构成无色ONU的的 WDM/TDMA混合无源光网络混合无源光网络 CW1 CW2 CW32 Txa Txb Txz 复 用 器 DWDM 光环 形器 DWDM 复 用 器 复用 /

26、解 复用 器 AWG WDM 10 km DWDM Rx Rx Rx1 32 2 1a, 2b, 32z , RSOA Rx WDM RSOA Rx WDM 1:N ONUN ONU1 BB AA B AB A B AB A SOA EAM 高反射 界面 电吸收 调制器 半导体 光放大器 反射式ONU 一种可能的 数据 宽带光接入技术 原荣 编著23 RSOA构成的无色构成的无色ONU WDM/TDMA混合无源光网络混合无源光网络 该网络该网络OLT使用使用1.25 Gb/s商用器件作为突发模式接收机，商用器件作为突发模式接收机， ONU使用中心波长使用中心波长1550 nm、带宽、带宽40

27、nm的的RSOA作为无作为无 色色ONU的光发射机。的光发射机。RSOA的最大增益的最大增益19 dB，噪声指数，噪声指数 为为9 dB。RSOA光放大器调制并反射从光放大器调制并反射从OLT 分布反馈激光分布反馈激光 器（器（DFB）发送来的连续光波。）发送来的连续光波。 在在PON的馈线上距的馈线上距OLT 20 km处使用一个处使用一个32信道的阵列波信道的阵列波 导光栅（导光栅（AWG），用来对），用来对OLT的的 WDM信号解复用，解信号解复用，解 复用后的单波长信号又经一个复用后的单波长信号又经一个1:N分路器分光，送给各个分路器分光，送给各个 ONU。 在上行方向，在上行方向，1:N分路器使用分路器使用TDMA技术复用技术复用N个个ONU的的 突发信号。该突发信号。该AWG的频率间距为的频率间距为0.8 nm，插入损耗为，插入损耗为4 dB。在实验中使用粗波分复用器对上行和下行信号分开。在实验中使用粗波分复用器对上行和下行信号分开。 宽带光接入技术 原荣 编著24 7.5 WDM-PON与与PS-PON的的 技术比较技术比较 第一，第一，WDM-PON系统的信息安全性好，在系统的信