ATM-PON及其關鍵技術
2019-11-04 23:48:49
供稿：網友
近年來，在接入網上使用ATM技術以提供視頻廣播、遠程教學以及數據通信等多種業務的趨勢越來越明顯。在無源光網絡（無源的光接入網）上使用ATM，不僅可以利用光纖的巨大帶寬提供寬帶服務，也可以利用ATM進行高效的帶寬業務治理。自1993年以來，許多國家都競相開始研究ATM-PON技術及其應用，并認為ATM-PON是最有前途的、能以較低成本提供寬帶接入的方案。
ITU-T的G.983建議規范了ATM-PON的網絡結構、基本組成和物理層接口，但現在許多國家自己發展的APON系統與G.983規范并不完全吻合。
ATM-PON簡介
ATM-PON采用的是點到多點的無源光網絡，主要由OLT、ODN、ONU組成，由無源光分路器件將OLT的光信號分到樹形網絡的各個ONU，如圖1所示。其應用包括FTTH、FTTB/C、FTTCab等多種配置結構。FTTB/C和FTTCab網絡結構只是在應用上略有區別，可以看成一類。
FTTB/C/Cab可以提供PSTN、ISDN業務以及其他對稱或非對稱的寬帶業務。
FTTH應用提供的業務大致同上，另外，FTTH可以考慮使用戶內置ONU，使ONU的工作環境得以改善，再加上網絡全部為光纖，使得維護工作量減少、成本降低。對于網絡將來可能的帶寬或業務升級，ONU可不作改動。
根據G.983規范，ATM無源光網絡中，OLT最多可尋址64個ONU，PON所支持的虛通路（VP）數為4096，PON尋址可以使用ATM信元頭中的12位VP域。由于OLT具有VP交叉互連功能，所以局端VB5接口的VPI和PON上的VPI（OLT到ONU）是不同的。限制VP數為4096使ONU的地址表不會很大，同時又保證了高效利用PON資源。
要害技術
ATM-PON的實現涉及到許多方面的技術，最主要的有以下幾個方面：時分多址接入的控制、快速比特同步、突發信號的收發等，下面分別對這些技術進行討論。
時分多址接入的控制
ATM-PON系統在下行方向采用時分復用的廣播方式，其幀結構如圖2，幀由連續的時隙組成，每個時隙填充一個53字節的ATM信元。下行有155.52Mbps和622.08Mbps兩種速率。155M下行鏈路上每幀56個時隙，含兩個PLOAM信元；而622M每幀224個時隙，有8個PLOAM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。這時，可采用的技術主要有波分復用WDM、時分多址TDMA和碼分多址CDMA，其中WDM和TDMA應用較多。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。
ATM-PON的上行幀格式如圖2所示，有53個時隙，每個時隙也填充一個53字節的信元。同時，在每個時隙的信元之前還有三字節的開銷用于同步定界，并提供防衛時間。開銷包括三個域，防衛時間域、前置比特圖案和定界比特圖案。防衛時間最少4比特，前置比特圖案用于同步獲取。這三個域的長度是可編程的，由OLT決定，并通過下行的PLOAM信元告知ONU。OLT在下行PLOAM信元中給ONU發送上行答應，ONU才能在上行幀中占有一個時隙，并且OLT根據需要要求ONU定時發送PLOAM信元或微時隙。上行最少每100ms一個PLOAM信元，其速率根據PLOAM實現的功能不同而不同。
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信元攜帶的測距答應信號、PLOAN答應、數據答應、ONU序列號、PONID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；假如若干相關值相等，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。其框圖如圖3所示。
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，在收發端都要采用非凡的技術。光突發發送電路要求能夠非?？焖俚亻_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ATMPON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。
應用
目前許多國家都在實驗PON接入網，如日本的π系統采用的是STM的PON技術、無源雙星的網絡結構，其ONU配置靈活，可以為單個用戶提供1.5Mbps的接入速率。歐洲關于PON的研究有ACTSAC094EXPert項目、ACTSAC022Bonaparte項目和RACEIIR2024BAF項目等等。其中Bonaparte（在現實電信環境下使用ATMPON接入設備的寬帶光網絡）在4個國家分別進行用戶實驗，并根據用戶的實際需求提供遠程醫療、遠程教學等多媒體寬帶業務。在Bonaparte中使用的ATMPON連接32個終端，可以支持最大距離為10公里的81個用戶。接入系統總的傳輸容量為上行和下行各622Mbps，每個用戶使用的帶寬可以從64Kbps到155Mbps靈活劃分。
ATMPON支持ISDN及BISDN業務的帶寬需求，可以滿足各類電信業務和全業務網（FSN）的共同要求。ATMPON代表了寬帶接入技術的最新發展方向，目前在英國、德國等已有實際應用，被認為是實現FTTC和FTTH的一種較好方法，其優點是可以節省光纖和光設備的費用，并可以實現寬帶數據業務與CATV業務的共網傳送。
關注ATMPON的發展，及時對其技術進行了解，將對我國開發實用化的寬帶無源光網絡起到很大的推動作用。
