一、引言

近幾年來，隨著光通信技術和計算機網絡技術的發展，一方面，作為因特網（Internet）核心的骨干網發生了翻天覆地的變化，寬帶IP光傳輸網成為主流，骨干網帶寬已從先前的100Mps級上升到10Gbps級甚至是Tbps級。 

另一方面，因特網用戶的接入網卻仍然停留以銅纜技術為主的低速率水平上（幾十Kbps到幾百Kbps）。兩者在技術的巨大反差表明接入網已成為制約全網進一步發展的瓶頸，目前盡管出現了一系列解決這一瓶頸的技術手段，諸如雙絞線上的xDSL系統、有線電視HFC網上的CableModem和寬帶無線接入系統等，但都是一些過渡性的解決方案，唯一能從根本上徹底解決這一瓶頸問題的長遠技術手段是光接入網。

光接入網，從廣義上講包括光數字環路載波系統（ODLC）和無源光網絡（PON――Passive Optical Network）兩類。ODLC本質上仍屬窄帶技術，支持的業務也很有限。而且，作為有源設備仍然無法完全擺脫電磁干擾和雷電影響，以及有源設備固有的維護問題，所以ODLC不是光接入網長遠的解決方案。PON作為一種純介質網絡，它有效地避免了外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，提高了系統的可靠性，同時降低了維護成本，是一種很有前景的光接入網技術。

在PON的發展過程中，PON與ATM結合誕生了一種了寬帶光接入網技術――APON（ATM Passive Optical Network），傳輸速率可達155/622Mbps，接入帶寬得到顯著提高。但是由于APON技術復雜、成本較高，并且帶寬仍然有限，APON系統并未如預期的那樣發展起來。為了更徹底地解決問題，人們開始將注意力轉向速率擴展能力強、成本低廉和應用普及的以太網技術上，提出了以以太網為基礎的思路，在保留APON精華部分――PON的基礎上，用以太網（Ethernet）取代ATM作為鏈路層協議，從而構成一個可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業務能力的新一代光接入網技術――EPON（Ethernet Passive Optical Network）。基于EPON的上述優點，它得到了大家的廣泛重視。2000年11月，IEEE成立了802.3EFM（EFM――Ethernet in the First Mile,第一英理以太網即以太網接入網）工作組，開始了EPON的技術標準化工作，有包括3COM、Alloptic、Cisco system、Intel、WordCom等在內的69家公司參與這一領域的工作。

二、異步傳輸模式無源光網絡（APON）

APON是在20世紀90 年代中期由全業務接入網絡組織（FSAN――Full-Services Access Network）最初運作開發的。FSAN是一個由20 個大型電信公司組成的集團，它們共同合作，研究和開發一種新型的支持數據、視頻和語音信息的寬帶接入系統。當時，ATM是人們公認的最佳鏈路層協議，PON是人們公認的最佳的物理層協議，兩者理所當然的結合產生了APON技術。FSAN和ITU均已發布了APON的技術規范（APON所用的技術規范已被接受為國際電聯（ITU）的標準（ITU－T Rec. G.983）。目前，在日本、英國和德國等國家已有成熟的APON系統投入使用。

1．APON的工作原理

APON綜合了ATM技術和無源光網絡技術，可以提供現有的從窄帶到寬帶等各種業務。APON由OLT（Optical Line Terminal,光線路終端）、ONT（Optical Network Terminal，光網絡終端）和POS（Passive Optical Splitter,無源光分路器/耦合器）組成。其結構如圖1所示。圖中，POS是無源光分路器/耦合器，它根據光的發送方向，將進來的光信號分路并分配到多條光纖上，或是組合到一條光纖上。ONT主要完成業務的收集、接口適配、復用和傳輸功能；OLT主要完成接口適配、復用和傳輸功能。此外，OLT還向網元管理系統提供網管接口。

APON 是一種采用兩種傳輸波長的點到多點的傳輸系統，即一個是下行傳輸波長，另一個是上行傳輸波長，這兩種傳輸波長在中央局光線路終端(OLT)和每個最終用戶臺的光網絡終端(ONT)之間傳送信息。OLT對每個ONT( 下行 和上行) 分配一個時隙和一定數量的帶寬。APON網絡拓撲結構是星形，雙向傳輸方式一般采用雙纖空分復用（SDM）方式，也有基于單纖波分復用（WDM）方式。點到多點傳播采用下行時分復用（TDM）、上行時分多址（TDMA）方式。現有產品的典型線路速率是下行622Mb/s、上行155Mb/s。

在下行方向，OLT通過一條光纖發射一個波長，采用ATM 信元對ONT 廣播信息。這條光纖在無源分光器上被分隔開， 可以連接多達32個ONT。

在向下行方向發送每個信元包的同時，還有一個ID字段，以識別目的地址。從技術上看，所有的信息都被傳送到ONT，但是ONT只接受地址正確的信息。

從物理性能上看，OLT總是廣播下行信息，但一次只有一個ONT能根據密碼將此信息解碼。從結構上看，它類似于各種打印機的打印服務器設置，打印機只打印標有自己地址的信息。

在上行方向，ONT等待指定的時隙，采用通過同一條光纖傳送的第二個波長， 對OLT回送控制信息。

APON的上行和下行數據率都可達到155Mbps，非對稱應用下行方向的數據率可達到622Mbps，用戶的接入速率可以從64Kbps到155Mbps間靈活分配。APON給與最終用戶的最明顯的利益是大大增加了家庭使用的帶寬量。這一優點將對視頻點播這類應用開辟新途徑，并消除了網上沖浪的任何時間等待。例如點播視頻應用，許多用戶都能預訂6Mbps的電影。當電影開始時，其所需帶寬可以增加，當電影結束后，則可以將用戶業務所需的帶寬量恢復到正常水平。盡管APON提供服務所需的帶寬較高，但并不會增加用戶的費用。在有些情況下，如供居住區的小型家庭辦公室(SOHO)使用，APON還能有效降低每比特的使用成本。

像ADSL一樣，APON為最終用戶提供比線纜調制解調器的服務更加安全的環境。APON采用所謂"攪拌(churning)"的安全機制給數據加密。在這種環境中，ONT對OLT生成和發送上行密鑰，用以控制數據，并回送下行數據。這些密鑰動態變化，使其很難被破譯。

2．APON的關鍵技術

APON的關鍵技術主要有：時分多址接入的控制、快速比特同步和突發信號的接收等。

時分多址接入的控制

APON系統在下行方向采用時分復用的廣播方式，幀由連續的時隙組成，每個時隙填充一個53字節的ATM信元。由于下行方向是廣播模式，各個ONU將收到所有的幀，并自主地從相應時隙中取出屬于自己的信元，所以在下行方向上不需要OLT進行控制。

在上行方向上，由于PON的ODN實際上是共享傳輸媒質，需要適當的接入控制才能保證各個ONU的上行信號完整地到達OLT。G.983建議采用TDMA的上行接入控制。這樣，由于ATM-PON的接入復用是在時域實現的，OLT到ONU的距離里無沖突的、有效的上行接入是著重需要考慮的方面。不同的距離造成延時的不同，因此為了不使上行信號發生沖突，OLT必須測量到各個ONU的距離，并將指定的延時告知ONU；各個ONU在發送上行信號時根據指定的延時相互協調，將各自的ATM信元復用到上行幀里。

測距過程通過使用上行/下行信元（PLOAM信元）攜帶的帶內信令數據實現，即PLOAM信元攜帶的測距允許信號、PLOAN允許、數據允許、ONU序列號、PON?ID以及測距時間消息來實現。當多個ONU同時連到線上時，OLT根據ONU序列號使用二叉樹的排除機制先對其中一個進行測距。測距的大致過程為：OLT打開測距窗口，測量來自ONU的上行信元延時；OLT將等效延時告知ONU；ONU調節發送延時。

快速比特同步

在采用的測距機制控制ONU的上行發送后，上行信號還是有一定的相位漂移的。在上行幀的每個時隙里有3字節開銷，防衛時間用于防止微小的相位漂移損害信號，前置比特圖案則用于同步獲取。OLT在接收上行幀時，搜索同步圖案，并以此快速獲取碼流的相位信息，達到比特同步；然后根據定界圖案確定ATM信元的邊界，完成字節同步。OLT必須在收到ONU上行突發的前幾個比特內實現比特同步，才能恢復ONU的信號。同步獲取可以通過將收到的碼流與特定的比特圖案進行相關運算來實現。然而一般的滑動搜索方法延時太大，不適用于快速比特同步，因而可以采用并行的滑動相關搜索方法，將收到的信號用不同相位的時鐘進行采樣，采用結果同時（并行）與同步圖案進行相關運算，比較運算結果，在相關系數大于某個門限時將最大值對應的取樣信號作為輸出，并把該相位的時鐘作為最佳時鐘源；如果若干相關值相等，則可以取相位居中的信號和時鐘。這實際上是以電路的復雜為代價來換取時間上的收益。

突發信號的收發

在采用TDMA的上行接入中，各個ONU必須在指定的時間區間內完成光信號的發送，以免與其他信號發生沖突。為了實現突發模式，在收發端都要采用特別的技術。光突發發送電路要求能夠非常快速地開啟和關斷，迅速建立信號，因而傳統的電光轉換模塊中采用的加反饋自動功率控制將不適用，并且需要使用響應速度很快的激光器。而在接收端，由于來自各個用戶的信號光功率是不同的且是變化的，所以突發接收電路必須在每次收到新的信號時調整接收電平（門限）。調整通過ATM?PON系統中時隙的前置比特實現，突發模式前置放大器的閾值調整電路可以在幾個比特內迅速建立起閾值，接收電路根據這個門限正確恢復數據。

三、以太網無源光網絡（EPON）

EPON是在APON之后出現的一種一點對多點的光接入網絡技術，它為在網絡中心交換局（CO――Central Office）和用戶現場之間配置光接入線路提供了一種低成本、高性能的途徑。它建立在國際電聯（ITU）關于APON的標準G.983之上，尋求構建能夠在單一的光接入系統上傳輸匯聚的數據、視頻和語音信息的全業務接入網絡。

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