突发模式GEPON系统物理层使能技术

05/08/2005，Charpen.zhang,Zachary.lu,Peter.tang，Fiberxon.Inc
1．引言
    基于千兆以太网的无源光网络（GEPON） 代表了宽带接入网的最新发展趋势, 其作为解决最后一公里的接入方式，一直是接入网技术研究的热点。2004年5月，IEEE802.3ah标准正式通过；同时日本SoftBank开始在日本大规模铺设GEPON系统，这就使得GEPON成为众多设备制造商新的发展目标。目前，日本已在大规模地进行GEPON系统建设，中国和北美也开始了GEPON系统的试点。
    GEPON系统具有巨大发展潜力的背景是因为目前用户终端设备绝大部分是具有较高性价比的以太网设备。由于GEPON系统除了具有千兆以太网的特点外，还需要支持高速率下的突发工作模式，因此在GEPON系统物理层设计中，就对支持突发模式的GEPON光收发器件提出较高的要求。本文针对GEPON系统的技术特点和IEEE标准,阐述了GEPON光收发器件的实现方式，指标要求和这些指标对系统的影响。
2．GEPON系统的概要
    根据IEEE 802.3ah-2004标准，GEPON系统的框架结构如图1 所示，其主要组成部分包括：光分配网络(ODN )，使用无源光分路器（Splitter）进行光分路(1∶16 或1∶32)；光链路终端设备（OLT）；光网络单元设备（ONU）[1]。 
    GEPON系统从OLT到ONU称为下行方向，下行传输时，OLT采用广播方式，通过1490nmDFB激光器将IEEE 802.3以太网帧传送至所有ONU,下行传输支持连续工作模式；从ONU到OLT称为上行方向, 各个ONU向OLT请求相应的上行传输带宽,OLT在此基础上协调安排各个ONU的发送时序，通过1310nm DFB或者FP激光器由ONU向OLT传送信号，上行传输支持突发工作模式。在上下行传输模式下，通过单纤双向技术(1310nm/ 1490nm)可实现全双工的工作方式。从整个系统设计的角度而言，在下行方向，只有OLT一个信号源，ONU接收广播帧。对于某一个特定的ONU来讲,接收路径不变,其接收信号电平和相位特性是相对稳定的,因此不会存在突发接收问题。但在上行方向,对于OLT来讲,存在多个信号源(ONU)；ONU与OLT之间的不同距离以及链路特性上的差异, 会造成各ONU的发送功率相同, OLT接收时却各不相同, 这就需要OLT端的接收机支持突发接收；同时从整个系统优化的角度而言，要求ONU在没有传送信号时处于关断状态，而在传送信号时要求很快打开，这就需要ONU支持突发发射的工作模式。因此上行接入是GEPON系统设计的关键，而支持突发模式的光收发器件也成为整个GEPON系统的重点和难点。
    IEEE802.3ah-2004对于GEPON系统1:16分路比条件下10km （Px10）和20km（Px20）应用的物理层特性做了详细规范，但是目前实际铺设的GEPON系统都要求支持1：32甚至1：64分路比条件下10km和20km传输。表一列出GEPON系统在不同分路比条件下10km和20km传输的链路特性。由表可见，GEPON系统对光收发器件的工作参数提出较高要求，尤其在上行链路状态，要求光收发器件在动态工作状态下支持高达26dB(1：16）和29.5dB(1:32)的链路预算。因此支持高链路预算、动态工作模式的GEPON光收发器件是整个GEPON系统设计的技术难点和重点。

图1 GEPON系统结构图

 

图2 FP激光器谱宽和模式色散（MPN）受限传输的关系

             
（1）Burst-on                     (2)Burst-off
图 3 突发工作条件下Burst-on/Burst-off测试结果[7]
3．GEPON系统ONU端突发发射关键技术
    GEPON系统ONU端光收发器件支持1.25Gbit/s的工作速率，同时在接收到OLT允许发送数据的指令后，采用突发模式发送数据到上行帧的指定时隙，因此ONU端光收发器件除具有千兆以太网光收发器件的要求外，还必须支持突发发射模式。
    对于ONU光收发器件而言，其连续接收一般采用PIN接收机，突发发射可采用FP激光器或者DFB激光器，FP激光器与DFB激光器最大的差别就是FP激光器是多纵模发射，而DFB激光器是单纵模发射，因此FP激光器存在较大的模式色散效应，该效应引入较大的通道代价。图2 给出了FP 激光器的模式色散受限传输距离与激光器谱宽之间的关系, 从图中可以看出，激光器谱宽越窄，其模式色散对传输距离的影响越小。而DFB 激光器与FP 激光器相比，不存在模式色散,因而通道代价较小。
    为了满足较短突发时序的工作要求，支持突发发射的激光驱动器采用了 具有保持功能的自动功率控制回路（APC）[2,3]。该自动功率控制回路可以保持上一个突发时序的自动功率控制回路的直流偏置值，这样在下一个突发时序出现时，可以较快的建立一个稳定的APC回路。图3显示了一个典型的突发时序测试结果，其突发控制模式为负电平有效，突发Turn-on时间为38ns，突发Turn-off时间为26ns。
 
图 4 OLT端突发接收模式示意图

      
(a) 跨阻放大器示意图                      (b)自动阈值电平调整示意图
图 5 无Reset功能的OLT突发接收示意图
 
      
(a) 跨阻放大器示意图             (b)自动阈值电平调整示意图
图 6 具有Reset功能的OLT突发接收示意图[5]
3．GEPON系统OLT端突发接收关键技术
    GEPON系统OLT端发送1.25Gbit/s的连续广播信号，同时根据系统时序在1.25Gbit/s 速率下接收不同ONU的信号。这可采用两种方式解决信号接收问题，一个方法是调整ONU 的发送功率,使得OLT接收到的各ONU信号功率电平相等。但这种方法将使得ONU端发送机的设计变得更为复杂, 发送功率调整后还可能对信号抗干扰性能有负面的影响, 同时也使得OLT和ONU之间的控制协议复杂化, 对系统的整体性能带来较大的影响。另一种方法是在OLT端使用突发接收机, 采用各种突发接收技术来接收突发信号,如直流耦合、交流耦合，目前的OLT端光收发器件基本采用这种方法。
    由于突发信号的不确定性和在整个上行信道上的不均衡性以及每个ONU到OLT之间的不同传输距离等各种因素造成OLT接收到的各个ONU的信号强度各不相同。为了支持GEPON系统的灵活配置和网络设计，OLT光收发器件必须支持突发模式、10－12误码率条件下正确接收不同ONU发来的、信号光强度差别高达20dB左右的光信号，同时保证来自不同ONU的突发信号可在最大400ns的间隔内正确接收，如图4所示[1]。
    现有的突发模式接收机分为直接耦合方式和交流耦合两大类，直流耦合模式的基本构思是依据接收的突发信号通过测量其光功率而做出相应的调节。根据反馈方式不同又可以分为自动增益控制（AGC）和自动门限控制（ATC）两种方式。直流耦合模式接收机在整个信元时间内动态调整判决电平，如果为了提高传输效率而减小自适应阀值控制电路放电时间，但这样会使误码性能下降，因此会引入传输容量代价。而且在一个信元时间内阈值的抖动也会引入灵敏度代价。如果通过在信头插入一定的比特位来确定判决阈值，则引入了传输容量代价，并且噪声对阈值的影响会引入灵敏度代价。交流耦合模式采用一个高通滤波器滤除低频信号就可以完成判决门限恢复，经过交流耦合的信号即转换成可以用0电平作为门限电压的信号[4,5,6]。
    从外部接口和突发模式下跨阻放大器阈值电平调整方式的不同，支持突发模式的OLT光收发器件又可分为不带Reset功能（Resetless）的OLT光收发器件和具有Reset功能的OLT光收发器件，其电路示意图与阈值电平控制示意图如图5、6所示[5,7]。
4.GEPON系统对光收发器件的要求
    从GEPON系统设计的角度而言，由于ONU端系统主要面向最终用户，必须考虑其成本问题，因此目前适合实际系统应用的ONU端光收发器件主要采用FP激光器的解决方案，并且从系统链路预算考虑，ONU端光收发器件必须具有较高的灵敏度（优于-26dBm）。
    OLT端光收发器件在整个系统物理层设计上是一个关键器件，也是一个难点。适合实际系统设计需要的OLT光收发器件必须在较高灵敏度条件下支持大于20dB的系统动态工作范围（对于支持20km传输的系统，其灵敏度必须优于-30dBm），并且在整个动态工作范围内要满足小于400ns的动态阈值电平调整时隙要求。采用Resetless功能的OLT光收发器件可以简化系统设计要求，同时也可满足IEEE 802.3ah标准对OLT端光收发器件突发工作时序的要求（<400ns）。因此性能优良的OLT光收发器件采用Resetless方式。
5．结论
    本文综述了突发模式GEPON光收发器件的关键技术和实现方式，并对实际应用中的一些问题进行讨论。GEPON系统是未来光接入领域最有前途的技术，解决GEPON光收发器件突发模式下的接收和发射实现技术及GEPON光收发器件的产业化，是当前光器件发展的重点。