淺析WDM-PON在接入網中的應用

陳 超(中國移動通信集團設計院有限公司陜西分公司，陜西西安710077)

0 前言

隨著全業務的全面展開和三網融合的不斷推進，用戶業務需求正從以語音為主向以寬帶、視頻為主的方向發展，從而使高帶寬(20～100 Mbit/s)需求劇增。為滿足用戶業務需求，曾出現了WLAN、Wi-Fi等無線接入方式和無源光網絡(PON)、光纖+LAN等有線接入方式。在寬帶業務方面，尤以PON接入方式的應用最為廣泛。針對日益增長的帶寬需求，如何將PON接入方式提升到一個新的高度，已成為各個運營商共同關注的焦點之一。WDM-PON技術的出現，為運營商在帶寬資源配置上提供了更多的選擇。

1 無源光網絡技術發展

PON是指在光線路終端(OLT)和光網絡單元(ONU)間無有源設備的光分配網(ODN)。PON經歷了窄帶、寬帶、以太網及千兆無源光網絡(如APON、BPON、EPON及GPON)發展歷程。按復用方式，PON可分為時分復用型無源光網絡(TDM-PON)和波分復用型無源光網絡(WDM-PON)。TDM-PON(如APON、BPON、EPON、GPON)采用星形結構，利用耦合器分路，上/下行數據采用TDM傳送方式，實現共享帶寬，并通過分路器將OLT發出的光信號功率分配到各個ONU上；WDM-PON也采用星形結構，上/下行數據采用WDM傳送方式，通過光分路器對OLT發出的不同波長進行識別，并將其分配到各個ONU上。

1.1 TDM-PON技術

目前，PON網絡應用較多的是TDM-PON技術。TDM-PON采用單纖雙向傳輸，是基于TDM/TDMA的帶寬共享方式，在數據下行方式上利用1 490 nm波長以廣播方式傳遞數據，在數據上行方式上利用1 310 nm波長以時分多址方式傳遞數據。由于各個ONU與OLT間的距離不等，為避免多個ONU設備發送的數據在OLT接收器上發生沖突，需引入測距和突發控制技術。同時為保證OLT能正確接收來自各ONU的突發數據信號，還需引入能實現快速光檢測的突發光接收器件和能快速恢復時鐘信號的突發時鐘數據恢復器件。現有的10G EPON和10G GPON分別只是EPON和GPON的一種升級，其網絡結構并沒有發生改變。TDM-PON系統原理見圖1。

1.2 WDM-PON技術

1.2.1 技術原理

隨著用戶多樣化業務需求的不斷提升，TDM-PON對于不斷增長的帶寬需求已顯現出不足，特別是高清視頻業務和點播業務產生的巨大數據量，將迫使接入網的帶寬升級。而WDM-PON不僅可避免TDM帶來的共享帶寬不足等一系列難題，同時還可通過在上行方向上為每個ONU分配一個單獨波長而實現真正的點到點鏈路，保證每個用戶的帶寬需求。

WDM-PON有3種業務傳送方案:一是為每個ONU分配1對波長，分別用于上/下行傳輸，提供OLT到各個ONU的固定虛擬點對點雙向連接；二是ONU采用可調諧激光器，根據需要為ONU動態分配波長，各ONU能夠共享波長，且網絡具有可重構性；三是采用無色ONU方案(即ONU與波長無關)。WDM-PON系統原理見圖2。

WDM-PON系統采用樹形拓撲結構和雙纖雙向傳輸。其下行方式利用1 310 nm波長以光分路器進行廣播式傳遞數據；上行方式采用WDM技術，將不同波長進行復用，OLT至每個ONU的波長采用符合DWDM或CWMD規定的波長，在光纖分路處采用波長復用器與解復用器(MUX/DEMUX)進行波長的合波與分波，在OLT內部設有波長復用器與解復用器(MUX/DEMUX)以及陣列波導光柵(AWG)，AWG起波長路由作用，把不同波長路由給不同的用戶終端設備。與光分路器相比，由于AWG只有插入損耗而無分支損耗，因此AWG引入的光功率總損耗要遠小于光分路器。例如，32路AWG引入的光功率損耗一般為5 dB左右，而32路光分路器則為18 dB左右。而光信號在分支處每減少3 dB損耗，傳輸距離可大約增加10 km，因此在同樣功率預算下，WDM-PON的傳輸距離要遠大于TDM-PON。

在通信機制上，TDM-PON屬點到多點(P2MP)機制，而WDM-PON則屬點到點(P2P)機制。基于光纖中波長上的隔離，WDM-PON能為每個用戶提供完全點對點地獨享1個波長上的帶寬資源。PON引入WDM技術后，將原來通過單獨光纖承載的若干個(如16/32個)通道復用到同一根光纖中傳輸，不僅保持了網絡的安全性也節約了大量光纖資源，使得單根光纖中的波長資源得到充分利用。WDM-PON網絡結構見圖3。

1.2.2 技術特點與難點

綜上所述，WDM-PON技術具有如下顯著特點。

a)各個用戶有1個獨立波長，獨享其帶寬資源。

b)AWG減少了功率衰耗，增加了傳輸距離。

c)WDM節約了大量光纖資源。

由圖2不難看出，為讓各個終端用戶設備的信號能不沖突地共享同一根光纖進行傳輸，每個終端用戶設備中的光模塊所發射光信號的波長必須與AWG端口的波長相一致，否則這個光信號就無法通過AWG復用到同一光纖中。這樣所有用戶終端上的光模塊就不能再通用，所用光模塊發射的波長必須由AWG端口來決定(這種光模塊稱為有色光模塊)。

目前，有色光模塊在DWDM和CWDM系統的應用已較為普遍，但均安裝在維護條件較好的機房內。若將有色光模塊應用于接入領域，因其數量很大，且安裝位置均為用戶所在地，其維護工作對運營商來說是個不小的考驗。

另外，AWG是個對溫度敏感的器件，端口波長會隨著外部溫度的變化而變化，這將產生以下2個問題。

a)如何保證光模塊信號波長與AWG端口實時保持一致。因為光模塊的波長會隨溫度變化而變化，因此AWG端口的中心波長也會隨溫度的變化而變化。在WDM-PON技術方面，把解決這個問題的技術叫做WDM-PON無色光源技術。無色是與有色相對應的。有色即指光模塊波長是固定的，無法改變，而無色即指光模塊波長是非固定的，可根據所連接的AWG端口自動適應。

b)如何保證OLT側和ONU側2個AWG的各個端口波長實時保持一致。因為2個AWG的外部溫度變化不一樣，因此2個AWG的溫度特性(溫度或波長的變化率)也可能不一樣。在WDM-PON技術方面，把解決這個問題的技術稱為波長對準技術。

1.3 WDM-PON和TDM-PON技術的比較

WDM-PON和TDM-PON技術的比較見表1。

由表1可知，WDM-PON可給用戶提供更高的帶寬，還能提供更遠的傳輸距離。但由于其標準目前尚不完善，還沒有形成完整的產業鏈，制造成本相對較高。不過，隨著技術的不斷發展及用戶需求的不斷提高，WDM-PON必將成為無源光網絡的主流技術。

2 WDM-PON技術的應用

可在以下場景中開展WDM-PON建設，以滿足用戶業務的接入需求。

2.1 在集團客戶接入中的應用

集團客戶和部分高端用戶接入的帶寬需求較高。由于TDM-PON技術采用通道共享帶寬，帶寬有限，不能為用戶提供獨有的高帶寬資源，因此在集團客戶或高端用戶較為集中的區域，當用戶的帶寬需求為10 Gbit/s以上時，接入帶寬資源就明顯不足，而引入WDM-PON技術則可為用戶提供獨立的高達40 Gbit/s的帶寬資源。當然，在帶寬需求量較小，單用戶帶寬需求為10 Gbit/s以下時，仍可繼續使用EPON、GPON或10G EPON、10G GPON，以便適應多樣化接入需求，充分利用已有網絡資源。

表1 WDM-PON和TDM-PON技術的比較

2.2 在鄉鎮接入中的應用

我國正在大力推進農村信息化建設，在寬帶接入方面目前以ADSL接入及GSM無線接入技術為主。隨著鄉鎮、農村社會經濟的持續快速發展，原接入方式已不能滿足鄉鎮用戶的業務需求。由于鄉鎮、農村距城市一般較遠，若使用TDM-PON技術的接入方式，部分鄉鎮將會受到傳輸距離及帶寬等因素的限制。而采用WDM-PON技術的接入方式，則可憑借其傳輸距離遠及帶寬資源等優勢十分方便地為鄉鎮、農村用戶提供寬帶業務接入。可將WDM-PON中的OLT設備安裝在城市里，而將AWG設備拉遠安裝在不同的鄉鎮里，為每個鄉鎮分配1個波長，并配置GE到40 Gbit/s的不同帶寬，以實現高帶寬、遠距離、高安全的用戶接入。

3 結束語

在無源光網絡中，目前仍以EPON及GPON為主要接入手段，10G EPON、10G GPON也已有部分應用。用戶業務需求的不斷增長，勢必會促使網絡技術的不斷進步。由于WDM-PON技術具有帶寬高、波長隔離及傳輸距離遠等優勢，將會成為運營商以后選用的主要接入方式。但該技術標準目前尚不完善、設備成本也相對較高，今后如何完善標準、降低成本，已成為業界共同關注的焦點之一。

[1]原榮.寬帶光接入網[M].北京:電子工業出版社，2003.

[2]張鵬，閻闊.FTTx PON技術與應用[M].北京:人民郵電出版社，2010.