基于無源光網絡的非壓縮視頻傳輸技術VPON

崔廣基

(武漢微創光電股份有限公司，武漢 430074)

1 無源光網絡技術

無源光網絡(PON)，是一種針對“最后一公里”通信覆蓋的點對多點光纖接入組網技術。在一個標準的PON架構中，上、下行通信采用波分復用等單纖雙向技術，并完全由光纖、光分路器等無源器件組成一個全光纖網絡。利用這樣一個全光網作為業務承載，就可以實現從語音、數據到寬帶等的通信。當前，PON最成功的應用就是電信運營商普遍采用以太網無源光網絡技術（EPON）打造的光纖到戶（FTTH），實現了寬帶、電話等 “最后一公里”覆蓋。

一個完整的PON系統由一個安裝于局端的光線路終端（OLT）、用戶端（或終端）的光網絡單元（ONU）和在OLT與ONU之間的光配線網（ODN）組成。顯然，PON技術具有大幅度節省光纜資源、帶寬資源共享、節省機房投資、設備安全性可靠性高、建網速度快、組網靈活、綜合建網成本低等優點。

2 基于PON的非壓縮視頻傳輸技術

眾所周知，數字非壓縮視頻是當前無損數字視頻光纖傳輸的一種最重要技術手段。當前，采用數字非壓縮技術的視頻光端機已廣泛使用在視頻監控的接入層。與壓縮視頻傳輸技術相比，數字非壓縮視頻具有圖像傳輸質量高、全實時、技術成熟、成本低等諸多優點，但是也存在組網單一、傳輸方式不靈活等問題，尤其在接入層需要大量占用光纖，造成光纖資源緊張的局面。

能否將數字非壓縮視頻與PON相結合，使其既有非壓縮視頻的實時高質量，又有PON的高效靈活組網、節約光纖資源的優點呢？答案是肯定的。按照這一思路，微創光電于2009年初推出一種創新的視頻接入層解決方案——基于無源光網絡的非壓縮視頻傳輸系統VPON。VPON由局端設備OLT、遠端設備ONU以及無源光網絡ODN三部分組成，如圖1所示。

與電信接入網中的EPON相似，VPON網絡在1根光纖上使用不同波長的2個光路來分別實現上、下行數據傳輸，因此上、下行2個方向可以同時傳輸數據而不沖突。在下行方向，OLT可以隨時發送反向視頻、音頻、控制數據、開關量和以太網等信號給任意ONU；在上行方向，采用時分復用（TDMA）技術，把光纖的占用按一定時間長度分成時段，在每一個時段，只有1臺ONU采用突發模式的激光器能夠占用光纖向OLT發送視頻、音頻、控制數據、開關量和以太網等信號，其余ONU則關閉激光器。OLT通過協議控制指定ONU發送和關閉時段，來避免沖突的發生。

要實現VPON的非壓縮視頻傳輸功能，就必須解決以下幾個關鍵技術問題。

首先是測距問題。由于PON系統的上行方向為多點到點的拓撲、多個ONU共享主干段光纖，為正確安排各ONU上行發送起止時刻，把各ONU發送時隙在光耦合器合路后時間上互不重疊地“復用”起來，必須先知道各ONU到OLT的時延，也就是傳輸距離，各個ONU到達OLT的上行傳輸延時差異可能造成各ONU時隙交疊，導致來自不同ONU的時隙發生碰撞。顯然，在實際工程應用中不可能預知每個ONU到OLT的精確傳輸距離，而日后增補、擴容、位移等要求也不允許只按一種固定距離的模式工作。因此，必須引入實時的自動測距技術對由于物理傳輸機制引發的時延差異進行補償，以確保不同ONU所發出的信號能夠在OLT處準確地復用在一起。目前商用化的PON技術主要是EPON，其測距問題由上游芯片廠商提供成套解決方案。而VPON完全是自主開發的，沒有現成標準，不可能得到齊備的解決方案支持，只能自主開發。

其次是帶寬的復用問題。非壓縮數字視頻帶寬要求非常高，一路就要占用130 M左右的高帶寬。為了具有較強的工程應用能力，還必須同時要求有低速數據、音頻、開關量乃至以太網的隨路傳輸能力。在PON技術中，EPON采用的1.25 G光平臺是性價比較高的光平臺，不但技術成熟，而且可以得到較好的技術支持。VPON也只能在這樣一個有限的帶寬中盡可能多地進行多路復用。由于1.25 G的帶寬限制，1個VPON的OLT最多只能處理8路非壓縮視頻。

最后是工作可靠性和安全性問題。作為PON系統，工作可靠性主要有兩方面，一是無源光網絡本身，二是作為有源設備的ONU和OLT。作為無源光網絡，其可靠性經過多年的廣泛應用不容置疑，重點主要是放在作為網絡節點的ONU上，即單個ONU發生停電、本身故障這兩方面問題時，都不應該對整個VPON系統有影響。這就要求ONU在VPON中有一個可靠的自我診斷和網絡注冊機制，一旦出現問題時可以脫離系統，并通過網管上報故障。

此外，還有注冊、同步等問題。只有可靠并有效地跨越這些障礙，才能真正實現產品商用化層面的VPON。

3 VPON的優勢及組網

VPON是面對視頻接入層的應用而生，接入層不但要滿足各種監控要求的功能接口，還要體現PON技術的靈活組網優勢。

從接口功能設計上，每個ONU可以支持1～3路視頻接入（仍受限于1個OLT的8路視頻容量）、1路RS-232/485數據、1路總線式RS-485反向控制數據、1路開關量、1路雙向音頻、1路10/100 M自適應（共享100 M帶寬）。這樣的接口設計，基本上可以滿足視頻接入層各種應用。ONU的外觀和接口如圖2所示。

一般視頻接入層的覆蓋半徑不會超過20 km，PON本身可以支持除環形外的任意星形、鏈形和樹形組網形態， ONU支持20 km半徑范圍內的任意方式組網應用。

總的來說，VPON體現了如下一些新特點。

（1）組網靈活

系統通過光分路器和光纖組成多點對一點的無源光網絡，可以根據前端的分布情況組成鏈形、星形和樹形網絡。8個前端ONU可以支持在20 km半徑范圍內的任意組網（非環形）。VPON幾種典型組網方式，如圖3、4、5所示。

（2）擴容方便

在OLT容量富裕時，可在1個VPON系統中的干線光纖或支線光纖上任意一點插入新的ONU；或者在系統中的干線光纖或支線光纖上任意一點插入無源分路器后，分出若干段光纖插入新的ONU；也支持在原ONU的后端再延長出一段光纖插入新的ONU。

（3）可靠性高

系統所有設備都通過PON連接，PON由無源元件組成，不易受損，特性穩定。系統不論采用哪種網絡形式，實際上還是接收端與各前端點到點的直接傳輸，因此任何一個ONU前端故障都不會對網絡造成影響。前端故障可包括前端掉電和設備故障，還可以包括前端設備不穩定。實際上，VPON完全與點對點光端機組成的監控傳輸網具有相同的可靠性。

（4）可指派輸出

可根據需要將特定ONU接入的信號設置到OLT端指定端口輸出，即可以實現1個VPON系統內的視頻交換功能。

（5）統一網管

遵循微創光電eGuide網管體系的統一管理，除了可實現系統內各機盤性能和告警參數的采集上報，還能對系統中前端ONU的工作時隙進行切換，并能對前端ONU進行啟動、暫停和注銷等操作。

（6）平臺兼容性強

同一平臺上的OLT可以與不同功能組合的ONU互通。

4 結論

VPON的問世，帶來一種全新的視頻接入層解決方案，尤其是針對光纖資源緊張、網絡結構復雜、光纖敷設施工條件限制較多等情況，具有更明顯的優勢。