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TECHNOLOGIES 技 术 CHINA OPTOELECTRONICS
2012 年 第 7 期
动 态 WDM/TDMA-PON 关 键 技 术 剖 析
满 足 动 态 调 度 波 长 的 需 求 , 而 动 态 波 长 调 整
(DWA) 即 是 WDM/TDM-PON 系 统 提 供 弹
性 带 宽 配 置 的 机 制 。
式 , 以 提 供 用 户 数 量 。
密 度 波 分 复 用 (UDWDM) 的 关 键 应 用 , 在
OLT 端 可 透 过 多 个 信 道 汇 集 的 宽 带 多 信 道 光
电 模 块 来 降 低 成 本 。
而 在 ONU 则 必 须 使 用 窄 线 宽 的 激 光
器 , 如 在 1Gbit/s QPSK 信 号 下 的 线 宽 为
200kHz, 其 激 光 器 必 须 精 准 地 调 整 以 符 合
超 高 密 度 机 制 的 频 带 间 距 , 一 般 会 使 用 外 差
闭 锁 回 路 控 制 和 对 应 的 环 境 要 素 。 因 此 , 无
法 直 接 以 自 然 冷 却 低 成 本 的 方 式 来 达 成 。
同 时 , 同 调 侦 测 也 必 须 作 偏 振 的 控 制 ,
不 论 是 多 样 性 或 混 扰 机 制 等 皆 将 增 加 其 复
杂 与 成 本 。 另 外 , 光 损 能 耗 力 可 以 达 到 大
于 45dB 以 允 许 非 常 高 的 用 户 数 目 , 如 超 过
一 千 户 , 提 供 1Gbit/s 及 达 50 公 里 的 传 输
能 架 构 。
Ultra-Dense WDM 架 构 具 有 以 下 两 项
特 性 : 成 本 及 能 耗 皆 为 中 等 的 架 构 、 提 供 非
常 高 的 延 伸 距 离 或 非 常 高 的 用 户 数 目 能 力 。
举 例 来 说 , 若 为 40-h/100-GHz AWG, 则
提 供 16 UDWDM 通 道 于 每 一 个 100GHz。
意 义 , 特 别 是 对 于 具 备 较 多 分 路 用 户 数 目 的
UDWDM, 或 是 无 法 提 供 1Gbit/s 用 户 带 宽
需 求 的 系 统 如 混 合 型 WDM-PON/AON 和
混 合 型 WDM/TDMA-PON。
相 比 其 它 架 构 在 能 耗 的 比 较 , 这 里 除 试
着 依 据 用 户 的 能 耗 (Per Client) 外 , 同 时 再
分 析 依 据 用 户 及 其 使 用 距 离 所 消 耗 的 功 率 ,
并 依 据 用 户 数 及 其 使 用 带 宽 所 消 耗 的 功 率 比
较 , 因 此 得 到 表 2 的 能 耗 分 析 数 据 。
在 依 用 户 及 其 距 离 的 能 耗 表 现 , 以 简
易 型 WDM-PON 较 佳 , 但 混 合 型 WDM-
PON/AON 的 差 距 不 到 0.005W/client/
km; 而 在 依 用 户 及 其 带 宽 使 用 的 能 耗 上 仍
以 简 易 型 的 WDM-PON 较 佳 , 但 UDWDM
也 以 微 小 的 差 距 居 后 , 但 相 比 其 它 两 项 架 构
则 具 备 较 佳 的 节 能 效 益 。
本 篇 能 耗 报 告 的 限 制 是 无 法 针 对 集 缩 及
超 用 带 宽 (Over Subscription) 的 机 制 做 比
较 , 因 为 此 些 系 统 架 构 不 包 含 Layer 2( 含 )
以 上 的 功 能 。
同 时 对 于 能 耗 进 行 分 析 得 到 , 扣 除
一 致 性 的 基 本 损 耗 外 ,OLT 在 Active/
Passive PON 的 功 率 消 耗 较 大 , 是 因 为 其
使 用 10Gbit/s 的 可 调 激 光 器 ; 而 ONU 为
WDM/TDMA PON 能 耗 较 高 , 也 因 为 其 使
用 10Gbit/s 激 光 器 , 且 要 求 超 过 35dB 的 系
统 功 能 耗 力 。 因 此 , 在 这 两 项 上 有 着 较 高 的
消 耗 需 求 , 反 观 其 它 部 分 则 相 当 一 致 。
由 以 上 说 明 可 以 发 现 , 前 瞻 WDM-
PON 系 统 架 构 在 能 耗 表 现 上 皆 因 为 器 件 的
改 变 使 用 或 技 术 的 提 升 而 有 显 着 的 改 善 , 即
便 目 前 国 际 标 准 仍 未 完 成 制 订 此 类 规 范 , 但
商 品 化 的 光 电 模 块 也 试 图 降 低 成 本 。 但 能
达 成 最 大 用 户 分 路 能 力 、 提 供 高 速 带 宽 , 以
及 较 大 的 服 务 距 离 范 围 等 条 件 , 已 经 是 电 信
服 务 业 者 所 要 求 与 关 注 的 要 项 。 特 别 是 节
能 的 部 分 , 预 期 将 全 面 地 由 器 件 、 网 络 架
构 、 协 议 与 应 用 等 综 合 的 机 制 来 达 成 , 一 如
GreenTouch 会 员 贝 尔 实 验 室 成 员 常 提 及 的 ,
绿 色 网 络 使 命 不 是 单 单 由 一 家 公 司 即 可 以 达
成 , 必 须 结 合 产 、 官 、 学 、 研 以 及 网 络 产 业
的 产 业 链 一 同 来 发 想 与 努 力 。
▲ 图 6 静 态 WDM/TDMA-PON 系 统 架 构
长 亦 是 多 项 应 用 之 一 。
· 无 源 ONU 技 术 的 功 率 损 失 提 高
静 态 WDM/TDMA-PON 的 无 源 ONU
技 术 无 疑 是 简 化 操 作 和 网 络 维 护 的 关 键 , 特
别 是 当 需 求 的 波 长 较 多 时 。 然 而 , 使 用 射 入
锁 定 及 波 长 种 子 设 计 或 远 程 调 制 机 制 , 必 须
增 加 BLS/MLS 的 光 输 功 率 以 补 偿 光 路 损 失
来 维 持 信 噪 比 (SNR), 特 别 是 提 升 ONU 的
输 出 功 率 。 此 外 , 射 入 锁 定 及 远 程 调 制 机 制
在 光 纤 中 所 产 生 的 向 后 反 射 也 限 制 了 损 失 功
率 的 系 统 能 力 。
动 态 WDM/TDMA-PON 简 介
在 本 架 构 中 ,OLT 和 ONU 间 通 过 许 多
波 长 的 联 系 作 为 沟 通 , 而 每 一 波 长 可 以 分 享
予 多 个 ONU, 同 时 可 以 弹 性 地 在 操 作 或 沟
通 当 下 配 置 波 长 , 系 统 由 ONU 11 至 ONU
Mn、OLT 接 口 IF1 至 IFN、M 比 例 的 光 分
路 以 及 M 比 N 的 无 源 式 波 长 路 由 器 所 组 成 。
其 中 M 为 光 分 路 支 路 ,N 为 IF 界 面 数 目 ,
n 为 每 个 光 分 路 器 的 端 口 数 目 。 借 助 可 调 激
光 器 波 长 的 发 送 器 , 使 得 每 个 ONU 能 够 任
意 地 联 系 每 一 片 IF 接 口 , 同 时 ,AWG 作
为 波 长 路 由 器 , 提 供 循 环 波 长 的 转 换 , 使 得
ONU 2k、3k…、mk 得 以 对 应 适 切 的 波 长
λu1、λu2…、λuN 以 接 入 至 所 有 IF。 相
同 对 应 的 架 构 也 可 作 为 下 行 使 用 , 即 λuk
及 λdk, 使 得 每 个 ONU 透 过 可 调 滤 波 器 作
为 波 长 的 选 择 。
动 态 波 长 的 配 置 , 同 时 也 增 加 一 些 QoS
与 绿 能 的 方 案 。 例 如 , 调 度 ONU 路 由 至 不
拥 挤 的 IF 接 口 , 并 进 行 相 关 流 量 平 衡 机 制 ;
当 发 生 IF 接 口 障 碍 时 , 调 整 ONU 至 稳 定 的
IF, 以 提 供 保 护 机 制 ; 如 果 ONU 的 流 量 较
低 时 , 关 掉 一 些 IF 接 口 来 当 作 节 能 之 用 。
动 态 WDM/TDMA-PON 的 关 键 技 术
共 有 可 调 发 送 器 及 接 收 器 技 术 、 复 用 及 解 复
用 器 、 协 议 及 动 态 波 长 配 置 算 法 。
· 可 调 发 送 器 和 接 收 器 技 术
调 整 和 选 择 发 送 器 与 接 收 器 是 攸 关 成 本
的 关 键 , 快 速 的 调 整 选 择 器 具 备 数 个 到 数 十
个 纳 秒 (ns), 对 于 TDM-PON 的 动 态 调 整
带 宽 (DBA) 技 术 而 言 , 是 可 以 同 时 弹 性 地 配
置 波 长 与 时 槽 资 源 。 相 反 地 , 几 十 秒 慢 速 的
调 整 仍 然 对 于 依 据 波 长 动 作 ONU 的 平 衡 数
目 提 供 着 公 平 性 。 同 时 , 慢 速 调 整 及 选 择 波
长 机 制 的 ONU, 如 温 控 式 低 成 本 的 分 布 回
馈 (DFB), 即 可 以 作 为 WDM-PON 及 静 态
WDM/TDM-PON 在 无 源 ONU 之 应 用 。 另
外 , 分 散 布 拉 格 反 射 激 光 器 (DBR-LD) 或 是
超 结 构 格 栅 (SSG-DBR-LD), 是 作 为 快 速
调 整 发 送 器 的 应 用 。 在 波 长 选 择 滤 波 部 分 ,
目 前 在 快 速 的 选 择 上 仍 无 合 适 技 术 , 而 在 慢
速 部 分 则 可 使 用 热 调 整 半 导 体 光 滤 波 器 , 或
固 定 式 的 滤 波 器 , 但 会 使 系 统 操 作 较 为 复 杂 ,
因 此 , 对 于 快 速 选 择 波 长 的 可 调 光 滤 波 器 而
言 是 未 来 研 究 的 重 点 。 另 一 项 重 要 的 项 目 是 ,
不 单 单 在 TDMA-PON 系 统 的 OLT 需 要 突
发 模 态 的 接 收 器 , 在 动 态 式 WDM/TDM-
PON 的 ONU 也 需 要 , 因 为 下 行 信 号 并 非 一
直 来 自 于 同 一 个 波 长 , 且 非 持 续 性 , 而 是 来
自 于 变 化 的 波 长 , 因 此 提 出 降 低 成 本 的 突 发
模 态 接 收 器 方 案 是 另 一 项 重 点 研 究 项 目 。
· 复 用 及 解 复 用 器
AWG 在 此 为 一 项 成 熟 的 技 术 , 应 用 在
循 环 波 长 路 由 器 当 中 , 并 已 成 为 核 心 网 络 系
统 关 键 的 光 路 由 功 能 。
· 协 议 及 动 态 波 长 配 置 算 法
导 入 TDMA 控 制 协 议 机 制 至 动 态
WDM/TDM-PON 中 是 个 重 要 的 应 用 , 以
GE-PON、10GE-PON 为 例 , 当 DBA 机
制 启 动 时 ,ONU 会 发 出 REPORT 讯 框 给
OLT 以 告 知 弹 性 带 宽 的 需 求 。 此 时 ,OLT
会 发 出 GATE 以 回 应 该 ONU 上 行 突 发 流
量 的 讯 务 , 其 中 包 含 时 槽 起 迄 需 求 及 突 发 模
态 的 长 度 等 信 息 ; 若 能 加 入 波 长 等 内 容 即 可
前 瞻 WDM-PON 架 构 比 较
在 比 较 相 关 WDM-PON 架 构 之 前 , 以
下 限 制 条 件 是 本 次 选 定 分 析 系 统 在 能 耗 上 的
主 要 表 现 因 素 , 其 中 包 含 固 定 客 户 带 宽 流 量 、
总 客 户 数 目 、 最 大 延 伸 用 户 距 离 等 。
为 限 制 相 关 系 统 架 构 以 作 为 未 来 接 入
网 络 规 画 的 考 虑 , 选 定 每 PON 端 口 至 少 要
在 透 过 分 路 后 能 够 支 持 达 到 一 百 个 用 户 , 并
提 供 至 少 500Mbit/s 下 行 与 100Mbit/s 上
行 能 力 的 带 宽 , 以 及 达 到 至 少 50 公 里 的 用
户 服 务 范 围 距 离 等 条 件 。 因 此 , 分 别 选 出
如 下 架 构 以 作 为 相 关 能 耗 的 比 较 , 包 含 一
般 WDM-PON、 主 / 无 源 混 合 PON、 混 合
WDM/TDM-PON 及 同 调 UDWDM-PON
等 系 统 作 系 统 架 构 。 以 下 则 分 别 对 相 关 系 统
作 说 明 :
· WDM-PON 架 构
利 用 循 环 AWG 接 入 使 用 C、L 或 S 频 段 ,
在 其 100GHz 频 道 间 格 规 格 下 具 备 至 少 32
端 口 的 输 出 。 此 外 ,OLT 以 光 集 成 电 路 (PIC)
方 式 提 供 光 电 模 块 阵 列 , 以 得 到 低 功 耗 的 设
计 , 并 以 低 成 本 可 调 激 光 器 配 置 于 ONU,
透 过 分 散 布 拉 格 (DBR) 或 超 结 构 格 栅 (SG-
DBR) 的 快 速 调 整 , 以 自 然 冷 却 及 无 热 电 致
冷 (TEC) 以 达 到 节 能 的 效 果 。
同 时 , 为 降 低 成 本 ,ONU 的 激 光 器 在
锁 频 方 面 即 不 会 使 用 本 身 波 长 锁 定 器 ; 反 之 ,
其 闭 锁 回 路 的 波 长 调 整 是 利 用 来 自 于 OLT
或 RN PON 端 的 下 行 参 考 信 号 而 定 。
C 及 L 频 带 的 WDM-PON 系 统 , 具 备
如 下 的 特 性 : 提 供 用 户 1Gbit/s 带 宽 低 成 本
的 设 计 ; 使 用 低 损 失 AWG, 可 调 自 然 冷 却
的 1Gbit/s、27dB 光 损 失 能 力 的 激 光 器 , 以
满 足 至 少 50 公 里 的 传 输 距 离 ; 提 供 低 能 耗
机 制 。
C、L 及 S 频 带 , 以 及 具 备 多 级 的 RN
WDM-PON 系 统 , 并 具 备 如 下 特 性 : 利 用
S 频 段 , 以 倍 增 频 道 方 式 提 升 用 户 数 量 ; 利
用 交 错 方 式 提 供 25GHz 间 格 的 倍 增 频 道 方
· 混 合 WDM-PON 及 有 源 光 网 络 架 构
如 图 7 所 示 , 以 无 源 式 WDM 连 接 接 入
的 交 换 器 (L2 有 源 器 件 ), 提 供 每 个 可 调 波
长 10Gbit/s 传 输 的 TXFP 模 块 ; 另 外 , 以
低 成 本 的 小 尺 寸 插 拔 式 (SFP) 供 装 点 对 点 的
用 户 接 入 。 依 此 组 合 的 架 构 , 能 够 提 供 较 高
的 用 户 数 目 及 延 伸 超 过 60 公 里 距 离 的 需 求 ,
但 唯 一 的 问 题 是 L2 有 源 器 件 配 置 于 接 入 网
络 相 对 在 供 电 、 节 能 及 维 护 的 议 题 。
混 合 WDM-PON 及 有 源 光 网 络 架 构 几
项 具 备 如 下 特 性 : 高 用 户 数 目 但 低 成 本 的
架 构 , 但 需 有 有 源 器 件 存 在 于 接 入 机 房 ;
相 对 高 用 户 数 目 下 低 能 耗 的 表 现 ; 轻 易 即 达
到 50 加 10 公 里 的 组 合 架 构 。 举 例 来 说 ,
40×10Gbit/s, 则 每 个 信 道 乘 载 24 个 用 户 。
可 达 到 九 百 六 十 个 用 户 具 备 约 400Mbit/s 保
证 的 带 宽 。
▲ 图 7 混 合 WDM-PON 及 有 源 光 网 络 架 构
· 混 合 WDM/TDMA-PON 型 式
使 用 DWDM 色 彩 波 长 TDMA 方 式 提
供 对 称 10Gbit/s 网 络 , 可 视 为 堆 栈 XG-
PON 的 延 伸 架 构 , 及 同 时 提 供 高 分 路 比 率 和
高 系 统 容 量 。 但 必 须 提 供 10Gbit/s TDMA
35dB 功 率 损 能 耗 力 的 突 发 模 态 。 此 外 , 光
电 模 块 必 须 为 可 调 或 是 依 种 子 反 射 技 术 ( 如
REAM-SOA) 来 提 供 。
混 合 WDM/TDMA-PON 架 构 具 备 如
下 几 个 特 性 : 提 供 最 具 经 济 效 益 高 用 户 数 目
的 混 合 PON 架 构 ; 要 求 具 备 10Gbit/s 35dB
功 率 损 能 耗 力 的 突 发 模 态 以 符 合 50 公 里 的
传 输 ; 相 对 地 提 供 低 能 耗 架 构 。 若 举 例 说
明 , 则 四 十 个 具 备 10Gbit/s 的 波 长 , 以 1:16
分 路 得 到 640 个 用 户 数 目 , 并 能 提 供 至 少
600Mbit/s 的 带 宽 能 力 。
· Ultra-Dense WDM 架 构
以 外 差 侦 测 重 复 使 用 本 地 振 荡 器 激 光
器 , 作 为 上 行 或 下 行 信 号 的 传 输 , 是 同 调 高
前 瞻 WDM-PON 成 本 能 耗 分 析
表 1 为 综 合 前 述 四 大 项 WDM-PON 网
络 架 构 的 成 本 及 能 耗 分 析 表 , 其 中 , 比 较 各
项 的 关 键 要 项 包 含 : 系 统 容 量 ( 即 可 分 路 的
用 户 数 量 )、 提 供 用 户 之 带 宽 大 小 、 最 远 可
以 到 达 客 户 端 之 距 离 等 。
依 据 各 种 系 统 架 构 的 特 性 得 到 分 析 结 果
是 , 混 合 型 的 WDM-PON/AON 与 简 易 型
的 WDM-PON 以 微 小 的 差 距 , 成 为 相 对 经
济 的 系 统 架 构 ; 而 在 能 耗 方 面 , 则 以 简 易 型
的 WDM-PON 具 备 节 能 的 效 益 。
如 此 的 分 析 对 于 网 络 运 营 商 有 指 针 的
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