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摘要：從性價(jià)比、技術(shù)成熟度、可維護(hù)性、可升級(jí)性等角度分析比較了各種寬帶接入技術(shù)，著重論述了無(wú)源光接入系統(tǒng)的傳輸匯聚層關(guān)鍵技術(shù)——快速突發(fā)同步技術(shù)、測(cè)距技術(shù)和動(dòng)態(tài)帶寬分配算法。
關(guān)鍵詞：PON 突發(fā)同步 測(cè)距 DBA
一、引言
根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部公布的“2000年通信業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)”，我國(guó)2000年末互聯(lián)網(wǎng)用戶達(dá)1601.7萬(wàn)戶，固定電話用戶達(dá)到14512.2萬(wàn)戶，移動(dòng)電話用戶達(dá)到8526萬(wàn)戶。按CNNIC和某知名網(wǎng)站的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)公共 Internet用戶每周平均上網(wǎng)16.5小時(shí)，撥號(hào)上網(wǎng)實(shí)際速率平均為6kbit／s；另?yè)?jù)ITU統(tǒng)計(jì)，2000年骨干網(wǎng)上忙時(shí)每電話用戶業(yè)務(wù)占用骨干網(wǎng)帶寬約為0.496kbit／s。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，按Internet業(yè)務(wù)80％進(jìn)骨干網(wǎng)，電話業(yè)務(wù)20％進(jìn)骨干網(wǎng)，電話業(yè)務(wù)（含移動(dòng)業(yè)務(wù)）用戶年增18％，Internet業(yè)務(wù)增長(zhǎng)率基本逐年加倍，可推算出2005年我國(guó)骨干網(wǎng)上Internet業(yè)務(wù)占用骨干網(wǎng)帶寬會(huì)超過電話業(yè)務(wù)（但應(yīng)注意我國(guó)地區(qū)發(fā)展不平衡，上述結(jié)論是根據(jù)發(fā)達(dá)大城市的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作出的）。
根據(jù)上面的數(shù)據(jù)可推算出：2005年我國(guó)骨干網(wǎng)總業(yè)務(wù)量為:676.14Gbit/s。由于DWDM技術(shù)的成熟和DWDM系統(tǒng)在骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)上的推廣應(yīng)用，根據(jù)上面對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)展需求的分析，我們可以得出這樣的結(jié)論：骨干網(wǎng)能滿足未來(lái)幾年的業(yè)務(wù)發(fā)展需要。但接入網(wǎng)卻大部分仍停留在窄帶水平，而且仍主要是以支持電路交換為基本特征，不能滿足用戶高速上網(wǎng)乃至視頻業(yè)務(wù)的日益迫切的需求，接入網(wǎng)已經(jīng)成為全網(wǎng)帶寬的最后瓶頸，接入網(wǎng)的寬帶化和IP化已經(jīng)迫在眉睫。
二、各種寬帶接入技術(shù)的比較
在前所未有的發(fā)展機(jī)會(huì)下，各種寬帶接入技術(shù)不斷涌現(xiàn)。主要有基于雙絞線傳輸?shù)慕尤爰夹g(shù)（xDSL）、基于同軸電纜和光纖混合傳輸?shù)慕尤爰夹g(shù)（HFC）、基于以太網(wǎng)技術(shù)的寬帶接入（傳輸媒質(zhì)為光纖十5類線）、基于無(wú)線傳輸?shù)慕尤爰夹g(shù)（MMDS、LMDS等）和基于光纖傳輸?shù)慕尤爰夹g(shù)（主要有xPON技術(shù)、基于SDH的有源光接入）等。這些寬帶接入技術(shù)的著重點(diǎn)不同，適用場(chǎng)合和生命期也不同。接入網(wǎng)技術(shù)不同于骨干網(wǎng)技術(shù)，它要直接面向需求差異很大的各種用戶群（尤其對(duì)我國(guó)這樣經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平很不平衡的情況），這決定了接入網(wǎng)的技術(shù)是多元化的，不可能一種技術(shù)包攬?zhí)煜隆Q定接入網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展策略時(shí)需要全方位、綜合地評(píng)價(jià)各種技術(shù)的長(zhǎng)處和不足，根據(jù)不同的用戶群采用不同的技術(shù)。這里從業(yè)務(wù)支持能力、成本、技術(shù)特點(diǎn)及成熟程度、適用用戶群、可維護(hù)性、可升級(jí)性等角度分析比較各種寬帶接入技術(shù)。
1．xDSL技術(shù)
首先我們概括一下xDSL技術(shù)的特點(diǎn)。xDSL技術(shù)是一系列基于雙續(xù)銅線的用戶線高速傳輸技術(shù)，包括HDSL／SDSL、ADSL、VDSL等。HSDL／SDSL提供上下行對(duì)稱的1.5MbPs或2MbPs速率接入，較適用于小企業(yè)用戶。VDSL技術(shù)最高可提供下行52MbPs上行2.3MbPs的傳輸速率，但傳輸距離短（300米），現(xiàn)已有產(chǎn)品出現(xiàn)。目前 ADSL技術(shù)以其技術(shù)成熟程度較高、業(yè)務(wù)支持能力與居民用戶和SOHO的需求大體相當(dāng)而為業(yè)界人士所重視。利用ADSL技術(shù)開展寬帶接入業(yè)務(wù)的優(yōu)勢(shì)在于：（1）．可以充分利用電信網(wǎng)現(xiàn)有的銅纜資源，不需改變現(xiàn)有電信運(yùn)營(yíng)商所擁有的電信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就可開通業(yè)務(wù)；（2）．每個(gè)用戶都可以獨(dú)享高速通道；（3）ADSL接入保密性好，安全可靠；（4）可管理；（5）綜合成本對(duì)小企業(yè)用戶頗具競(jìng)爭(zhēng)力。但還應(yīng)看到ADSL技術(shù)的應(yīng)用還存在著一些問題：（1）．受線路質(zhì)量、傳輸距離等因素限制；（2）．可升級(jí)性差；（3）．對(duì)目前廣大的普通居民用戶來(lái)說(shuō)成本還偏高。針對(duì)ADSL技術(shù)特點(diǎn)和我國(guó)居民用戶的特點(diǎn)（相當(dāng)大比例的居民用戶居住在只有普通雙絞線和用于單向傳輸有線電視的同軸電纜入戶的樓宇、而且用戶密集），這里建議 ADSL的局端設(shè)備（DSLAM）要盡量靠近用戶——DSLAM到樓宇。這樣能在一定程度上克服上述ADSL的主要問題。因?yàn)镈SLAM距用戶群近可適于普及ADSL應(yīng)用，能上一定規(guī)模應(yīng)用贏得利潤(rùn)；DSLAM靠近用戶也就是光纖靠近用戶，這樣也為未來(lái)升級(jí)奠定了一定基礎(chǔ)。
2．HFC技術(shù)
這里簡(jiǎn)要?dú)w納一下有線電視運(yùn)營(yíng)商所青睞的寬帶接入技術(shù)一 HFC的特征。其優(yōu)勢(shì)是： （1）能利用現(xiàn)有的覆蓋率相當(dāng)高的有線電視網(wǎng)資源；（2）開通率高；（3）一般支持幾百kbPs到幾MbPs（與共享用戶數(shù)有關(guān)）的數(shù)據(jù)接入。不足之處是：（1）有線電視網(wǎng)需進(jìn)行雙向改造；（2）只適用于居民用戶而不適用于企業(yè)用戶；（3）可升級(jí)性較差；（4）與城域網(wǎng)的主干段互通，一般還需再配置設(shè)備。
3．以太網(wǎng)接入技術(shù)
以太網(wǎng)技術(shù)在企業(yè)局域網(wǎng)中獲得巨大成功，現(xiàn)在它正向城域網(wǎng)和居民寬帶接入滲透。在居民寬帶接入方面，一般采用千兆以太網(wǎng)交換技術(shù)、利用光纖和5類線實(shí)現(xiàn)“千兆到小區(qū)、百兆到大樓、十兆到家庭”的方案。但實(shí)際上普通用戶是難以達(dá)到10Mbps上網(wǎng)速率的，因?yàn)樵诠歉删W(wǎng)或ISP的出口上仍有瓶頸。這種接入方式適用于新建的布放了5類UTP的商業(yè)大樓和新建的高檔住宅樓。它的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)成熟度高、性能價(jià)格比好、容易安裝開通、具有可擴(kuò)展性以及高可靠性等，但也有管理不方便、安全性不高、沒有QoS保證等不足。
4．無(wú)線接入技術(shù)
主要的寬帶固定無(wú)線接入技術(shù)有3類，即多路多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（MMDS）、直播衛(wèi)星系統(tǒng)（DBS）以及本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（LMDS）。其中LMDS技術(shù)被普遍認(rèn)為是寬帶固定無(wú)線技術(shù)中的便使者。LMDS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）．初始投資小，不像有線接入那樣需要大量初期投資用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；（2）．業(yè)務(wù)開通迅速；（3）．系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。但LMDS也有其局限性：（1）．視距傳輸、服務(wù)區(qū)�。唬�2）．可靠性差，通信質(zhì)量受雨、雪等天氣影響較大；（3）．技術(shù)成熟程度還不如SDH、以太網(wǎng)等技術(shù)高，（4）．成本較高。這些使它特別適于在高密度用戶地區(qū)里的企事業(yè)用戶使用，而且由于一般企事業(yè)用戶對(duì)可靠性要求較高，LMDS可能是這類用戶的較好的備用系統(tǒng)。LMDS將會(huì)是最近幾年中新興運(yùn)營(yíng)商搶占無(wú)線寬帶接入市場(chǎng)的一塊絕好的輔路石，會(huì)受到越來(lái)越多的新興接入服務(wù)商們的青睞。
5．光纖接入技術(shù)
光纖到戶是寬帶接入的最終目標(biāo)，光纖越靠近用戶就越接近最終目標(biāo)。有遠(yuǎn)見的運(yùn)營(yíng)商在制定發(fā)展策略時(shí)必須意識(shí)到這一點(diǎn)。目前，光纖接入主要應(yīng)用于城域網(wǎng)的主干層和接入層（作業(yè)務(wù)傳輸復(fù)用和接入）或直接到大、中企事業(yè)用戶。光纖接入包括有源光接入和無(wú)源光接入兩類。有源光接入主要是基于 SDH技術(shù)。SDH技術(shù)已經(jīng)或正在從成熟的傳輸技術(shù)向接入技術(shù)過渡，提供DDN、FR、以太網(wǎng)等接口，但由于基于時(shí)分復(fù)用機(jī)制，接入用戶數(shù)有限使得總體的性價(jià)比大大降低，一般較適用于大企業(yè)集團(tuán)用戶。無(wú)源光接入主要有采用ATM傳輸技術(shù)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（ATM－PON）。但由于采用ATM技術(shù)成本較高，現(xiàn)在人們也研究非基于ATM傳輸?shù)膶拵ON，尤其值得人們關(guān)注的是結(jié)合以太網(wǎng)和PON兩者優(yōu)點(diǎn)的以太網(wǎng)PON，簡(jiǎn)稱EPON。這里統(tǒng)稱各類PON為xPON。xPON技術(shù)特點(diǎn)使它適用于城域網(wǎng)的接入段。xPON技術(shù)的特點(diǎn)如下：（1）．xPON采用無(wú)源光分支器的光分配網(wǎng)（ODN），各 ONU共享ODN和局端設(shè)備——OLT，而且 ONU與 OLT之間沒有有源器件，維護(hù)運(yùn)行方便，所以不僅潛在成本低，而且可靠性高；（2）．xPON的技術(shù)優(yōu)勢(shì)還在于純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)用技術(shù)和波長(zhǎng)的透明性能有利于今后的業(yè)務(wù)或技術(shù)的發(fā)展；（3）．若干ONU之間共享PON帶寬可根據(jù)各ONU的需求動(dòng)態(tài)靈活分配各ONU的帶寬，從而使網(wǎng)絡(luò)更經(jīng)濟(jì)合理；（4）．容量大、覆蓋范圍大、壽命長(zhǎng)。這里對(duì)xPON和xDSL作一對(duì)比。
但xPON技術(shù)成熟度還遠(yuǎn)不如 SDH技術(shù)，在沒有形成規(guī)模的應(yīng)用之前，成本較xDSL要高，目前較適用于大中企事業(yè)用戶和SOHO，而普通居民用戶則適合采用xPON＋xDSL的方式，通過 xPON實(shí)現(xiàn)光纖到小區(qū)、大樓等，再利用已敷設(shè)好的普通電話線通過xDSL技術(shù)把業(yè)務(wù)開通到用戶。為更清晰明了地對(duì)各種寬帶技術(shù)作對(duì)比。
從這種定性比較可以看出，LAN接入技術(shù)和xPON＋xDSI，技術(shù)是比較有優(yōu)勢(shì)的，xPON＋xDSL適合于沒有市5類線的企業(yè)和居民用戶，而基于以太網(wǎng)的接入則適合于已布5類線的居民用戶。
我們受到國(guó)家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃和信息產(chǎn)業(yè)部的資助，進(jìn)行了xPON關(guān)鍵技術(shù)研究和系統(tǒng)研發(fā)。無(wú)論是ATM－PON系統(tǒng)還是非基于ATM的PON系統(tǒng)都必須解決PON傳輸匯聚層的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，主要是與上行TDMA傳輸方式有關(guān)的快速突發(fā)同步、測(cè)距、突發(fā)光接收和光發(fā)射技術(shù)以及帶寬動(dòng)態(tài)分配算法的研究。下面著重介紹我們?cè)趚PON傳輸匯聚居技術(shù)上的主要研究成果。
三、 XPON的關(guān)鍵技術(shù)
1．快速突發(fā)同步技術(shù)
xPON上行為多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的TDMA通信方式。PON系統(tǒng)的測(cè)距機(jī)制保證不同ONU發(fā)送的信元在OLT端互不碰撞，但測(cè)距精度有限，一般為±1bit， OLT端接收到的數(shù)據(jù)流為近似連續(xù)的數(shù)據(jù)流，不同ONU發(fā)送的時(shí)隙之間有幾bits的防護(hù)時(shí)間，不同ONU發(fā)送的時(shí)隙之間有相位突變。因此，必須在信元到達(dá)的前幾個(gè)bits內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速突發(fā)比特同步。
突發(fā)同步方式主要有關(guān)鍵字檢測(cè)法和門控振蕩器法以及模擬方式實(shí)現(xiàn)突發(fā)同步的方法。我們從技術(shù)可實(shí)現(xiàn)程度、成本以及性能等多方面進(jìn)行了分析比較，確定采用關(guān)鍵字檢測(cè)法。其基本原理是：用多相時(shí)鐘對(duì)突發(fā)時(shí)隙的前導(dǎo)碼分別抽樣判決，其后對(duì)各路數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字相關(guān)比較，選擇使相關(guān)性最好的時(shí)鐘定為同步的 bit時(shí)鐘。通過分析比較綜合考慮同步性能和成本，我們采用8比特的關(guān)鍵字，6相時(shí)鐘抽樣判決，并且提出了基于數(shù)據(jù)延時(shí)而不是傳統(tǒng)的時(shí)鐘延時(shí)方案，用同一主時(shí)鐘對(duì)多相數(shù)據(jù)分別抽樣，這樣就不必進(jìn)行相位校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。已用FPGA十少量分立外圍ECL等器件實(shí)現(xiàn)了15552Mbps突發(fā)比特同步，并已應(yīng)用到北郵電信科技股份公司研發(fā)的APONet系統(tǒng)中。
2．測(cè)距技術(shù)
由于各 ONU距 OLT的光纖路徑的不同和各ONU元器件的不一致性造成OLT與各ONU間的環(huán)路時(shí)延不同，而且由于環(huán)境溫度的變化和器件老化等原因，環(huán)路延時(shí)也會(huì)發(fā)生不斷的變化。因此必須引入測(cè)距技術(shù)對(duì)上述原因引發(fā)的時(shí)延差異進(jìn)行補(bǔ)償，以確保不同ONU所發(fā)出的信號(hào)能夠在OLT處準(zhǔn)確地按時(shí)隙復(fù)用在一起。測(cè)距包括靜態(tài)測(cè)距和動(dòng)態(tài)測(cè)距，前者主要用在新的ONU安裝調(diào)試階段、停機(jī)的ONU重新投入運(yùn)行時(shí)，以補(bǔ)償各。ONU與OLT之間的光纖長(zhǎng)度和器件特性不同引起的延時(shí)差異；后者應(yīng)用于系統(tǒng)運(yùn)行過程中，補(bǔ)償由于溫度、光電器件老化等因素對(duì)時(shí)延特性的影響，及時(shí)調(diào)整各個(gè)ONU上行時(shí)隙的到達(dá)相位。測(cè)距技術(shù)要滿足如下幾點(diǎn)要求：（1）．可靠性高；（2）．測(cè)距精度高，一般要求在全 1～2bit內(nèi)（ITU－T G.983規(guī)定 ATM－PON系統(tǒng)的上行速率為155.52Mbps，這樣1bit為6.43ns）；（3）．測(cè)距過程對(duì)運(yùn)行中的其它ONU的影響最小，保證運(yùn)行業(yè)務(wù)的QOS；（4）．成本低，測(cè)距所采用的技術(shù)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易；（5）．測(cè)距時(shí)間短；（6）．測(cè)距范圍大，即能提供的均衡延時(shí)大。
通過對(duì)比低幅偽隨機(jī)碼測(cè)距（擴(kuò)頻法）、帶外低頻正弦波測(cè)距和帶內(nèi)“開窗”測(cè)距等測(cè)距技術(shù)，我們確定采用能較好滿足上述各項(xiàng)測(cè)距要求的帶內(nèi)“開窗”測(cè)距技術(shù)。采用高速FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了測(cè)距電路，測(cè)距精度為±1bit，測(cè)距范圍大于20km，也就是允許ONU距離差大于20km，并且提出了采用PON物理層開銷對(duì)突發(fā)接收相位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)修正的動(dòng)態(tài)測(cè)距技術(shù)。
2．帶寬動(dòng)態(tài)分配不法
所謂動(dòng)態(tài)帶寬分配算法就是實(shí)時(shí)地（ms星級(jí)）改變xPON的各ONU上行帶寬的機(jī)制。目前一般PON系統(tǒng)各ONU的帶寬是象SDH系統(tǒng)一樣帶寬靜態(tài)指配的。對(duì)數(shù)據(jù)通信這樣的變速率業(yè)務(wù)很不適應(yīng)，如按峰值速率靜態(tài)分配帶寬則整個(gè)系統(tǒng)帶寬很快就被耗盡，帶寬利用率很低；而DBA使系統(tǒng)帶寬利用率大幅度提高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)大多數(shù)用戶只有10％的時(shí)間是在線的，通過DBA在線用戶可得到10倍于靜態(tài)分配的帶寬，因此使PON的性價(jià)比更高。xPON是接入網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用系統(tǒng)，不同于LAN。各ONU之間沒有（或很少有）通信要求。因此xPON的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法（DBA－Dynamic Bandwidth Arithmetic）作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議有其自身的特點(diǎn)。根據(jù)xPON的特點(diǎn)，我們總結(jié)出對(duì)DBA設(shè)計(jì)的具體要求是：（1）．業(yè)務(wù)透明；（2）．高帶寬利用率；（3）．低時(shí)延和低時(shí)延抖動(dòng)；（4）．公平分配帶寬；（5）．健壯性好；（6）．實(shí)時(shí)性強(qiáng)。根據(jù)對(duì)DBA的要求我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的DBA采用集中控制方式（這點(diǎn)也是ITU－T G.983建議所規(guī)定的）：所有的ONU的上行信息發(fā)送，都要先向OLT請(qǐng)求帶寬，OLT根據(jù)ONU的請(qǐng)求按照一定的算法給予帶寬（時(shí)隙）占用授權(quán)，ONU根據(jù)分配的時(shí)隙發(fā)送信息。其分配準(zhǔn)許算法的基本思想是：各 ONU利用上行可分割時(shí)隙反映信元到達(dá)的時(shí)間分布并請(qǐng)求帶寬，OLT根據(jù)各 ONU的請(qǐng)求公平合理地分配帶寬，并且考慮了處理超載、信道有誤碼、有信元丟失等情況的處理。經(jīng)建模仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的 M AC協(xié)議能夠滿足各項(xiàng)要求，CDV較小，帶寬利用率高，并且具有良好的健壯性。
四、結(jié)束語(yǔ)
xPON技術(shù)是解決寬帶多業(yè)務(wù)綜合接入的較理想方式。 xPON TC層技術(shù)關(guān)鍵包括快速突發(fā)同步、測(cè)距和動(dòng)態(tài)帶寬分配算法。我們?cè)谶@些關(guān)鍵技術(shù)上取得全面突破，所研制的APONet系統(tǒng)已于2000年6月通過信息產(chǎn)業(yè)部的科技成果鑒定。
摘自《數(shù)據(jù)通信》
