APON系统的标准化和发展趋势

摘要：接入网的宽带化已是大势所趋，而 APON系统则代表了宽带接．入网发展的一个重要方向。虽然ATM的发展受到了一定的挫折，但在多业务环境下的接入网仍有其一定的灵活性和多业务支持能力，APON也有技术上的优势和发展空间。 
主题词：接入网 宽带通信 无源光网络 异步转移模式
    接入网最主要的目的是解决用户的接入能力和接入途径问题。解决接人能力就在于提供一个大容量、高速率的接入系统，而光纤接人无疑是最有效的方法，特别是对于宽带业务接入。无源光网络（PON）系统是光纤接人的重要技术之一。它基于一点到多点的拓扑结构，可传送双向交互式业务，并可根据需要灵活地进行升级。PON系统根据其支持的业务类型和接口又可分为窄带PON系统（主要支持电话和ISDN业务）和宽带APON系统（支持ATM和其他宽带业务）。在过去的一二年里，关于APON系统已经有了很多的讨论。 APON系统的标准化 PON系统最早出现在90年代初期。1996年ITU－T完成了对G.982的标准化，其主要目标是对2Mbit／S以下接入速率的窄带PON系统进行定义。但是该规范的标准化程度很低，只是对系统容量、分路比进行了规定。而对于双向传输技术、线路速率和帧结构等一系列物理参数都没有制定标准。主要原因在于各厂商先有窄带 PON产品，后有规范，而且各厂商规范不一，都认为自己是最好的选择，因此到现在为止ITU－T还没有形成统一完整的规范。规范的不统一带来的是不能形成器件的大规模生产，以至于价格居高不下。在全球范围内，日本、德国和美国的一些窄带PON系统已在应用。在国内，虽然1997年电信总局通过接入网实验把PON系统作为推荐的优选技术之一，但从全国范围看，应用不超过100万线。 在窄带PON系统发展初期，许多人就把目光投向了APON系统，因为接人迟早要走向宽带化。以ATM为基础的PON（即APON系统）基本上与窄带PON系统的概念同时提出，中间经历了几个版本。1998年ITU－T正式通过了G.983.1建议，即基于PON系统的高速光接入系统，对APON系统进行了详尽的规范，规范的标准化程度要高得多。其目的是为用户提供大于2Mbit/S接入速率的业务，包括图像和其他分配型业务。G.983.1建议主要规定标称线路速率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求满输会聚层要求、测距方法和传输性能要求等，从物理层等下三层角度保证TDM/TDMA技术的实现。根据G.983.1，我国APON系统的行业标准也将在2000年底通过。 1999年ITU-T又推出G.983.2建议即APON的光网络终端（ONT）管理和控制接口规范，目标是实现不同光线路终端（OLT）和光纤网络单元（ONU）之间的多厂商互通，规定了与协议无关的管理信息库（MIB）被管实体、OLT和ONU之间信息交互模型、ONU管理和控制通道、协议和消息定义等。该建议主要从网络管理和信息模型上对APON系统进行定义，以确保不同厂商的设备可实现互操作。该建议将在2000年4月份正式通过。 APON系统的技术特点 APON系统的核心是在PON上采用TDMA方式传输ATM信元。物理层上下行方向一般采用TDM／TDMA技术。ATM为点到多点传输系统的复用和多路接入方式提供了良好基础，这种结构允许接入网中的多个用户共享整个带宽。 1．APON系统特点 APON系统可以使接入网充分享受ATM所带来的一系列好处，特别是ATM在实现不同业务的复用以及适应不同带宽的需要方面有很大的灵活性，这一点对接入网很重要。ATM接入网可以为用户提供一个经济高效的多媒体业务传送平台并有效地利用网络资源。此外，以ATM信元为基础的方式在所需存储空间，实现的简易性和成本方面也具有综合优势。 APON系统一般采用无源单（双）星形拓扑，分路比为1：16或1：32，一个O NU又可与几个到数十个用户端设备（CPE）相连。传输复用和多址接入仍然采用 TDM／TDMA方式，与窄带PON系统不同之处在于以信元为基础的TDM／TDMA方式。 在下行方向，由ATM交换机来的ATM信元先送给OLT，OLT将其变为连续的15M bit/S或622Mbit／s的TDM形式并以广播方式传送给所有与OLT相连的ONU，每个O NU可以根据信元的虚信道标识符（VCI）／虚通道标识符（VPI）选出属于自己的信元送给用户终端。这种“点到多点”多分支的APON结构特别适合未来将大量出现的下行分配型数字视频业务，如MPEG视频流等。对于对时延要求严格而且信息量大的视像业务（如VOD），普遍采用永久性VP连接，以简化连接信令和呼叫处理过程。 上行方向，各个ONU收集来自用户的信息并以155Mbit／S TDMA突发模式发送数据。为了避免同一时刻多个ONU往上行信道发信息时发生冲突，APON系统通过OLT控制时隙划分，从而保证同一时刻仅有一个ONU发出上行信号，除去极少量的保护时间和同步等开销外，频带几乎全部利用。此外，TDMA在预分配和按申请分配方面具有更大的灵活性，尤其适合基于信元分组方式的ATM信元在上行信道中的传输。为此，系统需要有突发信号同步功能。另外，为了解决各个终端所发信元发生冲突的问题，系统仍然需要有传输延时调整对准功能。 在APON系统中，考虑传输的可靠性，采用双纤双工传输。也有人主张采用 WDM技术来解决双向传输问题，特别是1310／1550nm双窗口WDM传输，因为该波分复用器件很成熟，价格也较为便宜；两个窗口的隔离度也足够抑制不同波长信号的串扰。但大多数运营者和设备供应商都采用了双纤双向系统，因为这两个波长的光纤损耗差别较大，特别是分路比大时，1310nm窗口的损耗可能不符合要求。另外，系统设计也比较复杂。 2．APON系统的技术难点 APON系统在下行方向以TDM方式工作，采用的是标准SDH光接口，实现起来很容易。而上行信号为TDMA方式，信号是“突发”模式。上行信号是突发的、幅度不等、长度也不同的脉冲串，并且间隔时间也不相同。基于突发模式，AP ON系统在在物理层传输上有如下几个技术难点： （1）测距。不同节点发出的ATM信元是沿不同路径传输的，因此它们将不同步地到达接收机。为防止ATM信元发生碰撞，各ONU到中心节点OLT的连接距离必须相等。但是实际的线路情况不可能如此。APON系统通过测量各节点到O LT的传播距离，并确定每个节点在开始上行传输之前应调节的电时延量，从而对由于物理传输引发的时延差异进行补偿，以确保不同ONU所发出的信号能够在OLT处准确地复用到一起。PON系统的测距系统如发生故障，会引起远端ONU 不同步，从而造成系统通信中断。 （2）突发模式同步。由于上行方向的信元在光分路器上进行TDM复用，为了尽可能地减小连续信元开销，获得最大可用带宽，同步必须要快速。由于测距程序的精确度有限，因此要在连续的突发之间预留一段保护时间（一般取 ±1bit），将每个突发信元第一比特置于保护时间内，OLT接收机应在空发信息的第一个比特出现时迅速建立起同步。在传送帧结构中需加入同步保护字。 OLT接收机迅速恢复从不同节点传来的每个突发的正确时钟，使用锁柏环并在每个突发前加一个足够长的报头，可实现上行突发信号的高速同步。 （3）光功率的动态范围。每个ONU与OLT间的路径损耗是不同的， OLT光接收机必须能够适应从一个突发到另一个突发信号的不同光接收功率。接收机需要有～个很大的动态范围，并设定门限，以最快的速度来判决。因此OLT中应采用具有自适应功能的光接收机，在一定衰耗范围内能够正确恢复信号；也可以根据该节点的路径损耗对每个ONU的输出功率进行调节，从而降低对OLT接收机动态范围的要求。 （4）要求激光器有良好的消光比。常规的光纤通信，例如 SDH系统，激光器的消光比大于8.2dB就可以。但是对于APON系统是不能接受的，因为PON系统是点对多点的光通信系统。以1：16系统为例，上行方向正常情况下只有1个激光器发光，其他15个激光器都处于“0”状态。根据消光比定义，即使是“0” 状态，仍会有一些激光发出来。15个激光器的光功率加起来，如果消光比不大的话，有可能远远大于信号光功率，使信号淹没在噪声中。因此用于APON系统的激光器要有很好的消光比。而且还必须采取其他特殊措施来减小其他激光器发光的影响。 以上几个技术难题在窄带PON系统的开发时就曾遇到过，但是当速率比较低时，相对来说比较容易解决。对突发同步来说，速率越高同步越困难。而且 APON系统测距过程比窄带PON系统要复杂得多。 对于APON系统，有人主张采用光放大器，因为激光器的输出功率有限（一般在+3dBm左右），衰耗受限距离小。为了扩大系统覆盖范围，有必要引人掺饵光放大器（EDFA），特别是应把EDFA放在局端OLT作为预放大器，允许多个用户共用EDFA，以降低成本。但是，突发模式的上行信号会引入光放大器的 “浪涌”效应。EDFA输出会达到数瓦，这种高功率有可能“烧坏”光连接器和和接收机。“浪涌”带来的另一个严重问题是对于同一脉冲串来说，脉冲串处于“上升沿”的脉冲（脉冲串的前几个）电平和处于“下降沿”的脉冲（脉冲串的后几个）电平将有很大差别，最大可以有数十dB。当这种信号转化为电信号时，对接收带来很大的困难，要求接收机的自动增益控制（AGC）电路反应十分快，对于到来的每个脉冲，都要选择出恰当门限，作出正确判决。 APON+ADSL APON宽带接入系统发展的最终目标是ONU可放置在家庭，形成真正的FTTH。但在宽带业务发展的初期和中期，ONU的成本仍较高，宽带业务的普及率较低， ONU一般设置在大楼或用户附近的交接箱，以使多个用户分摊成本，形成FTTC 或FTTB。从ONU到用户则利用已有的铜线双绞线，较理想的是采用ADSL连接用户。ADSL是目前发展最迅速的接入技术，但是由于我国的接入铜缆芯径许多是0.32mm、0.4mm，并且质量不太好，从交换局到用户端开通ADSL比较困难。据统计，我国的铜线能够开通ADSL的不足30％。采用APON系统后，ONU到用户的距离将大大缩短，大致在500m以内，基本上100％都可以开通ADSL系统，很容易实现宽带接入，甚至可以采用相对简单的ADSL编码技术。许多运营者看重APON的一个重要原因也在于从ONU至用户很容易开通ADSL系统，有些人甚至主张采用VDSL系统，实现25Mbit／s速率以上的下行传输。在APON系统中，对于ONU终端，应具有可以接入ADSL系统的接口。另外为了容纳固定电话接入，还必须具有ATM电路仿真接口，可以通过ATM电路仿真方式在宽带接入网中支持现有窄带业务。 对于采用两根光纤进行双向传输的APON系统，有人提出下行光纤可以采用WDM技术传输模拟电视。155nm窗口光纤损耗小，传输模拟电视时可以覆盖更大的范围，并可结合EDFA应用。但是这种网络的一个重要缺点是数字信号和模拟CATV信号间的串扰，特别是远端串扰。模拟电视和光信号的接收灵敏度相差较多，两波长的功率电平也差别较大，对波分复用器件的隔离度要求要严格一些。 APON系统的发展趋势 在1996年之前，ATM被认为是一种理想的宽带技术。大多数人认为所有的业务最终都会ATM化，以实现ATM端对端连接，用户终端也将以ATM为主。但是IP业务的迅速发展动摇了人们对ATM的信心。现在没有人怀疑IP会成为5 年后的主导业务，但是未来的IP业务是否还必须经由ATM层的映射，确是见仁见智，各个运营者有着不同的看法。有些人认为：鉴于未来的骨干层面已经采用“IP over SDH”或“IP over WDM”，以后所有的IP业务均可以直接采用“IP over SDH（WDM）”，不再需要ATM层作为过度。若在接入层面则不再需要ATM作为接入手段，APON也就无用武之地，没有应用前途了。另外种观点则坚持认为ATM仍然会成为宽带骨干传输的整体，应继续大力建设骨干ATM网络，因此APON系统的发展仍会是～片光明。 从目前国际上的发展看，基本上所有的大运营商都开始建设“IP over SDH（WDM）”的传送平台，甚至包括一些一直提倡和支持ATM的运营商，比如美国的SPrint。在国内，除了中国网通，中国电信和中国移动也都准备建设全国范围的IP over SDH（WDM）网络。人们普遍认识到IP over SDH （WDM）将成为 IP高速骨干传输网的主导技术，以疏导高速率数据流。但是这并不排斥ATM在多业务以及服务质量要求较高的IP业务环境下的应用，特别是在网络边缘多业务的汇集地区，如多业务接入的接入网和中继网。许多北美公司在采用 IP over SDH（WDM）建设国家骨干IP网的同时，采用重叠网的战略，建设可以综合接入各种业务的 IP over ATM网络，解决多业务接入和QoS问题。 总的来说，ATM技术在全世界范围遭到了一定的挫折，它的适用范围被大大压缩了。但是现在还不能断定ATM行将死亡，特别是在多业务环境下的接入网，它仍有其独特的灵活性和服务质量保证，可以在单一网络上提供话音、数据等多种业务。 目前ATM技术受挫会在一定程度上影响APON的前景，但它仍有自己的发展空间。现在日本NTT、法国电信、美国南方贝尔和英国电信4家运营者联合推出APON的大型实验，预计2000年会投入实验业务，如果获得成功的话，有可能大大促进APON系统的商用化。由于APON的标准化程度高，可以实现大规模生产和较低成本的要求。根据FSAN集团估计：如果年产量达到 100万单元，某些芯片和光器件的集成将会使成本大幅降低。APON系统价格的降低有可能大大加速它的发展，在目前缺乏有效接人手段的情况下，可以快速占领市场。