无源光网络测距技术分析

1、无源光网络测距技术分析铁通兰州分公司传输室 张岩冰摘 要： 关键词：PON 冲突 延时 测距 SFR DFR基于TDMA技术的无源光网络（PON）能够为用户提供透明宽带的传输，可以使多个用户共享一套设备，共同使用同一条光缆和无源分光器，相对于有缘光接入网具有开通、维护成本低，系统运行稳定、可靠等优点，因此近年来得到了大量的应用。一、PON系统测距的必要性在实际的PON系统应用中，组网形式多为树型结构，其下行帧同步是通过下行PLOAM（物理层操作管理与维护）信元中的帧头信息获得，上/下行信元同步采用信元定界实现，因为下行方向信息流是连续的，所以下行比特同步可以使用传统的锁相环实现。但是PON网络

2、上行方向传输采用TDMA技术，即不同位置ONU的信元采用间插的方式汇集在同一根光纤上。此时，传输是突发模式，必须采用测距技术控制每个ONU的发送时间，以便确保ONU发送的信元在组成上行传输帧时不会发生碰撞。测距是使处于不同位置的ONU在发送上行信元前，产生适当的时间延迟，从而解决各ONU发送信元通过光分配器符复合后产生的信元冲突问题。要了解PON的测距技术，首先应了解上行帧的组成过程。图1表示使用TDMA技术的PON系统如何将多个ONU的上行信元组织成一个TDMA信息流的过程 。保护时隙n-1nn-1n分光器1OLT一个帧长221碰撞部分ONUn-1ONUnONU1ONU2 图1 PON网络上

3、行传输时信元碰撞过程数据流以帧的形式存在，每帧又分割成长度固定的时隙，每个时隙分配给一个ONU用于ONU发送上行数据给OLT，如图2所示。1图2 PON上行传输时的帧结构1N22N1N211N22N1N2111222NNN一个帧长ONU1ONU2ONUn复合信号（帧）比特脉冲二、测距技术原理实际上，由于每个ONU到OLT的距离是不同的，所以每个ONU的信元经过不同距离的光纤传输后，会产生不同的时延，当这些信元进入光分配器的共用光纤时，就有可能发生碰撞和重叠， 如图1中的ONUn1 和ONUn的信元就发生了碰撞。这些发生碰撞的信元继续向上传输到达OLT，OLT接收时就不能够正确地分辨出碰撞(重叠

4、)信元的那部分比特，引起大量比特误码，甚至使信元丢失。而且，由于环境温度的变化和器件的老化，传输时延也会不断地变化。为了实现TDMA接入，保证每一个ONU的上行信号在共用光纤汇合后，插入指定的时隙，彼此间既不发生碰撞，也不要间隙太大，OLT必须不断地对每一个ONU与OLT的距离进行精确测定，以便控制每个ONU发送上行信号的时刻。每个ONU有一个延时控制器，在OLT的指挥下，控制上行数据包的发送时刻，使其复合时正好占据分配给它的指定时隙，以避免复合时相互间发生碰撞和冲突。在实际应用的PON组网中，每个ONU与局端OLT之间的距离互不相同，按照G .983.1的规定最长的是20km，最短的是0 k

5、m。光在光纤中的传输时延是5 s/km，所以光在20km长线路上传输一个来回40km产生的时延为200s，即最长距离延迟为200s，而最短距离延迟为0km情况下的0s。OLT发送的下行连续信息流由多个信元组成，其数量和PON的分光比相同。每个信元包含一个ONU地址码的信头，经PON以广播方式传送给网络中的每个ONU，ONU根据信元的地址码取出属于自己的信元。对于上行传输，必须避免信元间的碰撞，OLT和ONU都要有必要的硬件设备，TDMA系统也需要一定的控制协议。我们可以把所有的ONU放置在一个虚拟的距离上，以此认为所有的ONU到OLT的距离都相等，从而测量出每个ONU实际位置和虚拟位置之间的距

6、离差，即补偿距离，测量这一补偿距离的过程就叫做测距。如图3所示。注： 为ONU实际位置 为ONU虚拟位置 （所有ONU的虚拟位置相同）LC3=0OLT2×LCN2×LC22×LC1=40km2×LC4图3 测量补偿距离（补偿延时）ONU1ONU2ONU3ONU4ONUn测距过程分为粗测距、静态精测距和动态精测距三个阶段。要求测距后信元到达OLT偏离其指定的时隙为±1比特时间。测距要求知道每个ONU和OLT之间的传输延迟。PON系统的粗测距是对低频、低电平正弦波的模拟相位进行测量, 这种测距技术称为带外低频、低电平测距。ONU用这种正弦波调制LD

7、的光强，然后发送给OLT。OLT在测量完正弦波的相位后，用20km的最大虚拟距离就得到了OLT到该ONU的来回补偿距离延时。当粗测距的精度为一半信元时间时，静态精测距和动态精测距的精度是±1比特时间。粗测距和静态精测距都称为静态测距，因为测距时OLT不发送信息给ONU。静态测距可以用于系统开通、ONU网元扩容、ONU发生故障和ONU掉电重启。动态测距用于克服由于环境温度变化引起的光纤延迟和光电器件延时变化的影响。由于最大来回距离是40km，总延迟为200s，所以对上下行速率均为155M/s的PON系统，用比特表示的总延时约为32 000bit，对622M/s的PON系统约为124 4

8、16bit。这些比特数是在40km光纤上200s时间内传输的比特数，也包括因碰撞丢失的比特数，因此测距必须可靠而精确。一般来讲，开始测距前我们并不知道待测ONU与OLT的距离，因此第一步要进行粗测距。通常有两种粗测距的方法，一种是在所有ONU不发送上行数据流的静默期只对一个信元测距，另一种是在所有已安装ONU在发送上行数据流时，使用低电平信号测距。在静默期测距最简单，此时所有ONU都停止发送正常的上行数据流，在OLT的授权下，任一待测ONUi发送专用测距脉冲给OLT，OLT测量并计算出ONUi的传输延时补偿值为Tdi，并把该延时补偿通知ONUi，ONUi就在每次发送上行信元时延时Tdi。这种技

9、术的缺点是，在对一个信元测距时，所有其他信元的数据都中断可发送，因此ONU必须把这些数据现缓存起来，因为测量一次来回时间为200s，所以要求缓存器的容量很大，并且在这么长的时间里，信元常熟延时和延时变化可能已经改变。低电平静态测距方法基于频谱展宽技术，这种技术利用伪随机码测量ONU和OLT 间的距离，由相关测量系统完成。这种技术在对某个ONU测距时，不影响其他网元继续发送信元给OLT。但是，它对电子设备的要求比较复杂，另外测距精度也不高。在完成粗测距后，下一步就要进行静态精测距，同样要求较大的空闲时隙，所以最好的方法时进行动态精测距。三、测距过程分析 下面对测距过程进行较为详细的分析。1 粗测

10、距粗测距是测距过程的第一步。首先OLT发送一个包含粗测距命令的OAM（操作管理维护）信元给待测距ONU，该ONU接收到命令后就发送低电平、低频正弦波测距信号给OLT，OLT精确地测量其相位，从而完成测距。测距信号的频率由传输的距离决定，例如OLT和ONU之间的距离最大为20km，信号从OLT传输到ONU，又从ONU传回OLT所需时间为200s，所以粗测距信号的频率应小于20kHz。粗测距命令只占用1个比特，包含在OAM信元的前导码中，在ONU中该命令用于触发粗测距数字信号发生器，发送一个开始相位确定的低电平、低频正弦波，其幅度要比数据驱动电流小得多，并与激光器偏流叠加，所以OLT接收的上行光信

11、号是由低频粗测距信号和正常工作的ONU发送的高频数据包信号组成的复合信号。该复合信号在OLT侧被还原成原来的信号，并且在数据包间隙对粗测距信号取样，从而避免了突发输入信元的影响，见图4。信元间隙it突发信元低频粗测距信号图4 粗测距时OLT接收到的 上行光信号的组成取样时刻由上图可见，这样处理后，就消除了突发脉冲对粗测距信号的干扰，此时只有接收噪声会对粗测距信号产生影响。在OLT上利用数字处理技术可以很精确地测量粗测距信号的相位。相位测量的参考值是OLT发送OAM命令的时刻，如图5所示，测量出ONUi的来回时间Tdi后，通知ONUi在下次发送信元给OLT时，延时（Tvd - Ti）即可。由于已

12、知虚拟ONUv的位置，所以Tvd是已知的。OLT任一ONUi虚拟ONUv1/2 Tvd1/2 Tvd1/2 (Tvd-Tdi)1/2 (Tvd-Tdi)1/2 Tdi20km图5 粗测距过程为了使数据信号不受干扰，在突发接收电路中，已将粗测距信号电平从复合信号中去掉。粗测距过程的精度是ATM信元的一半时间。2 静态精测距在完成粗测距后，要进行基于数字测量技术的静态精测距SFR（Static Fine Ranging）。为此，分配一个时隙给待测距的ONU，以便用它发送专用的静态精测距信元。在PON系统中，它是一个只包括9个比特的前导码信元，置于待测ONU时隙的中间。静态精测距过程有两个阶段，调整

13、阶段和验证阶段。在调整阶段，OLT首先发送一个下行OAM信元给待测距的ONU，该信元包括从粗测距过程中得到的待测距ONU 的延时补偿值Td=Tvd-Tdi。该ONU收到这个OAM信元后，启动静态精测距程序，将SFR信元延时T后发送给OLT。一旦OLT接收到SFR信元后，使用数字计数技术，该ONU相对于分配给它的时隙位置就被测量出来。OLT把SFR线路出的延时补偿值再次通知ONU，以便它在下次发送信元时用这个新的延时取代旧的值。SFR的测量精度是1比特，对于155M/s速率相当于6.4ns，对于622M/s速率是1.6ns。在验证阶段，要检查SFR信元是否确实在分配时隙的中间。当验证成功后。就可

14、以进行正常信元的发送。3动态精测距动态精测距DFR（Dynamic Fine Ranging）用于补偿因温度变化和老化引起的光通道和电子电路延迟的变化。DFR连续对进入OLT的每个信元进行测距。动态精测距是在静态精测距完成后进行的。动态测距过程一般是这样的，首先OLT发出一个测距授权（包含在PLOAM信元中）给待测ONUi，该授权经过OLT每的电子电路和光电转换延时后光信号进入光纤传输并产生延时，然后到达ONUi，经过ONUi内的光电转换和电子电路延时后，又发送光信号到光纤并再次产生延时，最后到达OLT，OLT把收到的传输延时信号和它发出去的信号相位进行比较，从而获得传输延时值。OLT以离自己

15、最近的ONU的延时为基准，可以算出每个ONU的延时补偿值Td，如图5所示，并通知ONUi。ONUi在收到OLT允许它发送信元的授权后，将待发送信元延时Td后再发送出去，这样各个ONU采用不同的Td补偿延时进行调整自己的发送时刻，以便使所有ONU到达OLT的时间都相同。如果PLOAM信元被ONU正确接收，OLT就可以发送正常的数据信元。为了使OLT及时地知道传输延时的变化，需要进行定时测距。如果一个ONU发送信息的速度很慢，就强迫它发送PLOAM信元。DFR测量信元前导码（也称关键字）在一定窗口的位置以及与期望位置的偏差。当测量出偏差后，由动态精测距进行校正，即调整ONU的延时补偿值，确保分配给信元在时隙中的位置不变。这样一来，就可以保持两个连续信元间的正常时隙不变。若是一个信元前导码的探测失败，信元碰撞就有可能发生，从而引起更多信元发生碰撞，导致一些ONU的数据流堵塞，因此，倘若关键字探测失败，就必须通过下行PLOAM信道由硬件快速地关闭相关的ONU。四、结束语以上对测量ONU至OLT的补偿距离，即补偿延时的原理和方法进行了初步的分析。目前，随着ATM技术及以太网技术的发展，无源光网络正逐渐与ATM和以太网技术融合，出现了ATM无源光网络（ATM-PON）和以太网PON（Ethernet-PON）,两种接入方式传输均