WDM PON关键技术及应用

10/9/2010，光纤接入技术发展趋势

   随着人们对通信需求的增长，光纤接入（FTTx）得到了快速发展。以无源光网络（PON：Passive Optical Network）技术为主的光纤接入技术已经以多种形态在全球得到了广泛应用。全球FTTx用户数2009年底已超过6000万，比2008年增长35%。其中，亚洲约占81%，北美约占11%，欧洲约占8%。2009年中国已成为FTTx用户数最大的国家，其次是日本和韩国。由于各国经济状况的不同，FTTx在日本覆盖率已很高，将逐渐进入饱和期，其他国家还仍然处在发展期。

   当前，在我国全业务运营和网络融合的背景下，高带宽应用如视频会议、实时游戏、IPTV等正不断涌现，尤其是HDTV、网真等视频业务，对网络接入带宽提出了更高的要求，也推动着新的FTTx技术层出不穷。此外，“三网融合”的逐步推进、物联网的逐渐普及、云计算、移动互联网的发展以及固定和移动融合（FMC）等也将有力推动高带宽业务的应用和相应网络的快速发展。因此，未来光纤接入技术将向更高速率、更多传输波长、更广覆盖范围（包括长距离、大分路比）的方向发展。

   为了适应未来光接入网络的发展需求，我国“十一五”863计划及时启动了“低成本的多波长以太网综合接入系统（λ-EMD）”重大课题的研究；欧盟FP7计划也将WDM PON的研究列为重点攻关的项目。基于WDM PON和WDM-TDM PON技术的λ-EMD系统具有光纤资源利用充分、对速率和业务完全透明、安全性高、易管理维护、传输距离长、扩展性好等特点，能够极大的节约主干光纤和其他光分配网络建设及维护费用，扩大用户覆盖范围和增加用户接入数量，为运营商构建具有更大接入容量、更高传输速率、面向全业务运营的全新光接入网提供了理想的解决方案。

   一、WDM PON基本原理及主要特点

   1. WDM PON基本原理

   WDM PON是一种采用波分复用技术的、点对点的无源光网络。即在同一根光纤中，双向采用的波长数目大于3个以上，利用波分复用技术实现上行接入，能够以较低的成本提供较大的工作带宽，是光纤接入未来重要的发展方向。典型的WDM PON系统由三部分组成：光线路终端（OLT：Optical Line Termination）、光波长分配网络（OWDN：Optical Wavelength Distribution Network）和光网络单元（ONU：Opitcal Network Unit），见图1。OLT是局端设备，包括光波分复用器/解复用器（OM/OD）。一般具有控制、交换、管理等功能。局端的OM/OD在物理上与OLT设备可以是分立的。OWDN是指在位于OLT与ONU之间，实现从OLT到ONU或者从ONU到OLT的按波长分配的光网络。物理链路上包括馈线光纤和无源远端节点（PRN：Passive Remote Node）。PRN主要包括热不敏感的阵列波导光栅（AAWG：Athermal Arrayed Waveguide Grating），AAWG是波长敏感无源光器件，完成光波长复用、解复用功能。ONU放置在用户终端，是用户侧的光终端设备。

   下行方向，多个不同的波长ld1……ldn在局端OM/OD合波后传送到OWDN，按照不同波长分配到各个ONU中。上行方向，不同用户ONU发射不同的光波长lu1……lun到OWDN中，在OWDN的PRN处合波，然后传送到OLT。完成光信号的上下行传送。其中，下行波长ldn和上行波长lun可工作在相同波段，也可工作在不同波段。


图1、典型的WDM-PON框图[center]

   2.WDM PON的主要特点 

   采用波分复用技术的PON技术主要特点有：

   1)更长的传输距离。由于WDM PON中AAWG的插入损耗比传统的TDM PON系统中光功率分路器的插入损耗要小，因此在OLT或ONU激光器输出功率相等的情况下，WDM PON传输距离更远，网络覆盖范围更大。

   2)更高的传输效率。在WDM PON中上行传输时，每个ONU均使用独立的、不同的波长通道，不需要专门的MAC协议，故系统的复杂度有很大的降低，传输效率也得到了大幅提高。

   3)更高的带宽。WDM PON是典型的点对点的网络架构，每个用户独享一个波长通道的带宽，不需要带宽的动态分配，其能够在相对低的速率下为每个用户提供更高的带宽。

   4)更具安全性。每个ONU独享各自的波长通道带宽，所有ONU在物理层面上是隔离的，不会相互产生影响，因此更具安全性。

   5)对业务、速率完全透明。由于电信号在物理层光路不做任何处理，无需任何封装协议。

   6)成本更低。由于WDM PON中光源无色技术的应用，使得ONU所用光模块完全相同，解决了器件的存储问题的同时，也降低了OPEX和CAPEX。且单纤32波~40波，可扩展至80波，节约主干光纤和OSP费用。

   7)更易维护。避免OTDR由于高插入损耗对光纤线路等测量限制。另外，无色光源技术的应用，使得维护更方便。

   二、WDM PON关键技术

   WDM PON技术的规模商用首先需要解决光模块的互换性，尤其是ONU侧光模块。固定波长光源的方案难以应用于商用的WDM PON中，因此“无色”光源技术是WDM PON系统攻关的关键技术。

   目前，无色ONU方案包括但不限于此三种：可调激光器、注入锁定FP-LD和波长重用RSOA方式，其技术特点分析如下。

   可调激光器作为无色ONU的方案，即可调激光器工作在特定波长，可通过辅助手段对波长进行调谐，使用激光器发射不同的波长。采用此种方案的系统不需要种子光源，且可调激光器的调谐范围较宽，可达50nm。采用直接调制可以实现2.5Gb/s以上的传输速率，若采用外调制技术可实现10Gb/s的传输速率，且传输距离大于20km，整个网络扩展性好。但不足之处在于，系统需要网络协议控制，需要对ONU波长控制，增加了ONU设计的复杂度，且目前成本较高。

   注入锁定FP-LD方式作为无色ONU的方案，即FP-LD在自由运行时为多纵模输出，当有适当的外部种子光注入时，被激发锁模输出与种子光波长相一致的光信号，FP-LD锁定输出的工作波长与种子光源和波分复用/解复用的通道波长相对应。采用此方案的系统无需制冷控制，网络架构简单。不足之处在于受限于传输速率和传输距离，且成本较高。由于锁模器件FP-LD调制速率低，理论带宽为0.2Ghz-4Ghz，且器件模间噪声大，不宜于高速率的传输系统。另外，系统中需要两个种子光源，若用在混合PON中，上行信号对种子光源的要求更高，高功率的种子光源存在安全问题。由于种子光源的问题，使得传输距离受限于20km，且系统不宜于扩展。

   波长重用RSOA方式作为无色ONU的方案，即种子光源经过频谱分割后注入到局端RSOA内，激发RSOA输出与种子光波长相一致的光信号。此光信号具有两个用途，既作为下行方向的信号光，又作为上行方向信号的种子光。当作为上行方向的种子光时，激发ONU内RSOA输出与种子光波长一致的光信号。采用此方案系统无需制冷控制，且网络架构简单。不足之处在于传输距离受限。系统中需要种子光源，具有较强的后向反射，系统以易于扩展，且价格较高。

   三、WDM PON应用

WDM PON是逻辑层面点到点，物理层面点到多点的连接，具有对协议和速率透明的特性，具有良好的可扩展性，因此应用也非常灵活。目前，WDM-PON可应用于以下多种场合。

   1.WDM-PON直接用于FTTx

   WDM PON可作为FTTH、FTTB、FTTC的实现方案，并可同时为商业用户、单个家庭用户、多家庭用户等多种类型的用户提供服务，如图2。在这种场合下，WDM PON每波长提供的巨大带宽直接为用户所用，对于国内规模部署的FTTB、FTTC网络升级、无线WLAN覆盖、商业VIP客户接入等来说是一个很好的选择。

   

[center]图2、 WDM-PON用于FTTx

   2.WDM-PON与TDM-PON构成HPON

   WDM-PON与TDM-PON构成混合网络，如图3所示，共同为用户提供服务。用户通过分路器共享一对波长，由位于CO的具有多波长光源的EPON OLT进行资源调度。此种组网模式适用于接入主干光纤资源紧张和EPON网络带宽升级等场合。

图3、 WDM-PON与TDM-PON构成HPON

   3.WDM-PON用于本地汇聚传输

   WDM-PON与TDM-PON以级联的方式连接可实现本地汇聚传输，如图4。用户业务首先通过TDM-PON进行汇聚，然后再由WDM PON系统传输到本地中心局。在早期只有部分商业客户或少量其他用户需要大带宽时，这种架构可提供灵活的接入选择，例如为大客户分配单独的波长，而密集居住的普通小区用户通过级联的TDM-PON共享一个波长。

图4、 WDM-PON用于本地汇聚传输

   4. 基站回传

随着移动基站回传所需带宽的不断增加，对基站回传网络也提出了新的挑战。WDM-PON提供了丰富的带宽，能很好的满足3G、LTE基站回传的带宽需求，可以作为移动基站回传的主要技术选择之一。WDM-PON用于基站回传的网络结构与图2相似。

   四、863 计划

   我国“十一五”863计划启动了“低成本的多波长以太网综合接入系统（λ-EMD）”的研究。该项目的牵头单位烽火科技与合作单位通过刻苦钻研，攻克了多项电信级λ-EMD系统关键技术，包括基于TDM与WDM的混合模式PON结构、支持三网融合业务的受控传送、可扩展的开放系统架构和高可用性等，成功地研制出了系列化的λ-EMD综合接入设备和自主知识产权的光收发模块，可满足低成本化应用要求。通过该项目的实施，烽火科技已全面掌握了一系列具有自主知识产权的相关核心技术，申请或取得了十多项国家发明专利，牵头完成了中国通信标准化协会（CCSA）标准类技术报告《接入网技术要求－采用基于波长可调方式密集波分复用技术的无源光网络》的起草，进一步凸显了烽火科技在光接入领域的技术领先地位。

   烽火科技研制出的WDM-TDM PON系统是业界第一款单纤32波，每波支持1：64分路，传输距离达20公里以上的xPON系统。该系统采用业界首个局远端双“无色”光模块设计，具有业界最高的单纤接入速率（对称40G）以及业界最高的业务单板端口密度；采用WDM和TDM混合模式的PON结构，可以兼容现有的1G/2.5G/10G EPON、GPON和P2P等多种光纤接入技术；通过WDM方式可以承载现有CATV业务，方便实现“三网融合”业务接入，实现了我国下一代光纤接入技术研究的新跨越。

   五、结束语

   随着用户对带宽和速率的要求越来越高，WDM PON越来越显示出它独特的优势。日前，烽火科技联合中国电信集团公司、清华大学和北京邮电大学共同承担的国家“十一五”863重大项目课题“低成本的多波长以太网综合接入系统（λ-EMD）”已取得重大进展，攻克了多项关键技术，成功完成上海未来宽带技术及应用工程研究中心有限公司基于国家863柔性试验床进行的全面测试。

   烽火科技研制出的WDM-TDM PONλ-EMD综合接入设备系统是业界第一款单纤32波，每波支持1：64分路，传输距离达20公里以上的xPON系统。该系统采用业界首个局远端双“无色”光模块设计，具有业界最高的单纤接入速率（对称40G）以及业界最高的业务单板端口密度；采用WDM和TDM混合模式的PON结构，可以兼容现有的1G/2.5G/10G EPON、GPON和P2P等多种光纤接入技术，实现了我国下一代光纤接入技术研究的新跨越。（文章来源：烽火科技集团）