APON系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和發(fā)展趨勢

APON系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和發(fā)展趨勢（張成良、李芳）
    摘要：接入網(wǎng)的寬帶化已是大勢所趨，而 APON系統(tǒng)則代表了寬帶接．入網(wǎng)發(fā)
展的一個重要方向。雖然ATM的發(fā)展受到了一定的挫折，但在多業(yè)務(wù)環(huán)境下的接入
網(wǎng)仍有其一定的靈活性和多業(yè)務(wù)支持能力，APON也有技術(shù)上的優(yōu)勢和發(fā)展空間。
    主題詞：接入網(wǎng)  寬帶通信  無源光網(wǎng)絡(luò)  異步轉(zhuǎn)移模式
    接入網(wǎng)最主要的目的是解決用戶的接入能力和接入途徑問題。解決接人能力
就在于提供一個大容量、高速率的接入系統(tǒng)，而光纖接人無疑是最有效的方法，
特別是對于寬帶業(yè)務(wù)接入。無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）系統(tǒng)是光纖接人的重要技術(shù)之一。
它基于一點到多點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可傳送雙向交互式業(yè)務(wù)，并可根據(jù)需要靈活地進
行升級。PON系統(tǒng)根據(jù)其支持的業(yè)務(wù)類型和接口又可分為窄帶PON系統(tǒng)（主要支持
電話和ISDN業(yè)務(wù)）和寬帶APON系統(tǒng)（支持ATM和其他寬帶業(yè)務(wù)）。在過去的一二年
里，關(guān)于APON系統(tǒng)已經(jīng)有了很多的討論。
    APON系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化
    PON系統(tǒng)最早出現(xiàn)在90年代初期。1996年ITU－T完成了對G.982的標(biāo)準(zhǔn)化，其
主要目標(biāo)是對2Mbit／S以下接入速率的窄帶PON系統(tǒng)進行定義。但是該規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)
化程度很低，只是對系統(tǒng)容量、分路比進行了規(guī)定。而對于雙向傳輸技術(shù)、線路
速率和幀結(jié)構(gòu)等一系列物理參數(shù)都沒有制定標(biāo)準(zhǔn)。主要原因在于各廠商先有窄帶
PON產(chǎn)品，后有規(guī)范，而且各廠商規(guī)范不一，都認(rèn)為自己是最好的選擇，因此到
現(xiàn)在為止ITU－T還沒有形成統(tǒng)一完整的規(guī)范。規(guī)范的不統(tǒng)一帶來的是不能形成器
件的大規(guī)模生產(chǎn)，以至于價格居高不下。在全球范圍內(nèi)，日本、德國和美國的一
些窄帶PON系統(tǒng)已在應(yīng)用。在國內(nèi)，雖然1997年電信總局通過接入網(wǎng)實驗把PON系
統(tǒng)作為推薦的優(yōu)選技術(shù)之一，但從全國范圍看，應(yīng)用不超過100萬線。
    在窄帶PON系統(tǒng)發(fā)展初期，許多人就把目光投向了APON系統(tǒng)，因為接人遲早
要走向?qū)拵Щ�。以ATM為基礎(chǔ)的PON（即APON系統(tǒng)）基本上與窄帶PON系統(tǒng)的概念
同時提出，中間經(jīng)歷了幾個版本。1998年ITU－T正式通過了G.983.1建議，即基
于PON系統(tǒng)的高速光接入系統(tǒng)，對APON系統(tǒng)進行了詳盡的規(guī)范，規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化程
度要高得多。其目的是為用戶提供大于2Mbit/S接入速率的業(yè)務(wù)，包括圖像和其
他分配型業(yè)務(wù)。G.983.1建議主要規(guī)定標(biāo)稱線路速率、光網(wǎng)絡(luò)要求、網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)
構(gòu)、物理媒質(zhì)層要求滿輸會聚層要求、測距方法和傳輸性能要求等，從物理層等
下三層角度保證TDM/TDMA技術(shù)的實現(xiàn)。根據(jù)G.983.1，我國APON系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
也將在2000年底通過。
    1999年ITU-T又推出G.983.2建議即APON的光網(wǎng)絡(luò)終端（ONT）管理和控制接
口規(guī)范，目標(biāo)是實現(xiàn)不同光線路終端（OLT）和光纖網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）之間的多廠
商互通，規(guī)定了與協(xié)議無關(guān)的管理信息庫（MIB）被管實體、OLT和ONU之間信息
交互模型、ONU管理和控制通道、協(xié)議和消息定義等。該建議主要從網(wǎng)絡(luò)管理和
信息模型上對APON系統(tǒng)進行定義，以確保不同廠商的設(shè)備可實現(xiàn)互操作。該建議
將在2000年4月份正式通過。
    APON系統(tǒng)的技術(shù)特點
    APON系統(tǒng)的核心是在PON上采用TDMA方式傳輸ATM信元。物理層上下行方向一
般采用TDM／TDMA技術(shù)。ATM為點到多點傳輸系統(tǒng)的復(fù)用和多路接入方式提供了良
好基礎(chǔ)，這種結(jié)構(gòu)允許接入網(wǎng)中的多個用戶共享整個帶寬。
    1．APON系統(tǒng)特點
    APON系統(tǒng)可以使接入網(wǎng)充分享受ATM所帶來的一系列好處，特別是ATM在實現(xiàn)
不同業(yè)務(wù)的復(fù)用以及適應(yīng)不同帶寬的需要方面有很大的靈活性，這一點對接入網(wǎng)
很重要。ATM接入網(wǎng)可以為用戶提供一個經(jīng)濟高效的多媒體業(yè)務(wù)傳送平臺并有效
地利用網(wǎng)絡(luò)資源。此外，以ATM信元為基礎(chǔ)的方式在所需存儲空間，實現(xiàn)的簡易
性和成本方面也具有綜合優(yōu)勢。
    APON系統(tǒng)一般采用無源單（雙）星形拓?fù)�，分路比�?：16或1：32，一個O
NU又可與幾個到數(shù)十個用戶端設(shè)備（CPE）相連。傳輸復(fù)用和多址接入仍然采用
TDM／TDMA方式，與窄帶PON系統(tǒng)不同之處在于以信元為基礎(chǔ)的TDM／TDMA方式。
    在下行方向，由ATM交換機來的ATM信元先送給OLT，OLT將其變?yōu)檫B續(xù)的15M
bit/S或622Mbit／s的TDM形式并以廣播方式傳送給所有與OLT相連的ONU，每個O
NU可以根據(jù)信元的虛信道標(biāo)識符（VCI）／虛通道標(biāo)識符（VPI）選出屬于自己
的信元送給用戶終端。這種“點到多點”多分支的APON結(jié)構(gòu)特別適合未來將大
量出現(xiàn)的下行分配型數(shù)字視頻業(yè)務(wù)，如MPEG視頻流等。對于對時延要求嚴(yán)格而
且信息量大的視像業(yè)務(wù)（如VOD），普遍采用永久性VP連接，以簡化連接信令和
呼叫處理過程。
    上行方向，各個ONU收集來自用戶的信息并以155Mbit／S  TDMA突發(fā)模式發(fā)
送數(shù)據(jù)。為了避免同一時刻多個ONU往上行信道發(fā)信息時發(fā)生沖突，APON系統(tǒng)通
過OLT控制時隙劃分，從而保證同一時刻僅有一個ONU發(fā)出上行信號，除去極少
量的保護時間和同步等開銷外，頻帶幾乎全部利用。此外，TDMA在預(yù)分配和按
申請分配方面具有更大的靈活性，尤其適合基于信元分組方式的ATM信元在上行
信道中的傳輸。為此，系統(tǒng)需要有突發(fā)信號同步功能。另外，為了解決各個終
端所發(fā)信元發(fā)生沖突的問題，系統(tǒng)仍然需要有傳輸延時調(diào)整對準(zhǔn)功能。
    在APON系統(tǒng)中，考慮傳輸?shù)目煽啃�，采用雙纖雙工傳輸。也有人主張采用
WDM技術(shù)來解決雙向傳輸問題，特別是1310／1550nm雙窗口WDM傳輸，因為該波
分復(fù)用器件很成熟，價格也較為便宜；兩個窗口的隔離度也足夠抑制不同波長
信號的串?dāng)_。但大多數(shù)運營者和設(shè)備供應(yīng)商都采用了雙纖雙向系統(tǒng)，因為這兩
個波長的光纖損耗差別較大，特別是分路比大時，1310nm窗口的損耗可能不符
合要求。另外，系統(tǒng)設(shè)計也比較復(fù)雜。
    2．APON系統(tǒng)的技術(shù)難點
    APON系統(tǒng)在下行方向以TDM方式工作，采用的是標(biāo)準(zhǔn)SDH光接口，實現(xiàn)起來
很容易。而上行信號為TDMA方式，信號是“突發(fā)”模式。上行信號是突發(fā)的、
幅度不等、長度也不同的脈沖串，并且間隔時間也不相同�；�于突發(fā)模式，AP
ON系統(tǒng)在在物理層傳輸上有如下幾個技術(shù)難點：
    （1）測距。不同節(jié)點發(fā)出的ATM信元是沿不同路徑傳輸?shù)�，因此它們將�?br />同步地到達接收機。為防止ATM信元發(fā)生碰撞，各ONU到中心節(jié)點OLT的連接距
離必須相等。但是實際的線路情況不可能如此。APON系統(tǒng)通過測量各節(jié)點到O
LT的傳播距離，并確定每個節(jié)點在開始上行傳輸之前應(yīng)調(diào)節(jié)的電時延量，從而
對由于物理傳輸引發(fā)的時延差異進行補償，以確保不同ONU所發(fā)出的信號能夠
在OLT處準(zhǔn)確地復(fù)用到一起。PON系統(tǒng)的測距系統(tǒng)如發(fā)生故障，會引起遠(yuǎn)端ONU
不同步，從而造成系統(tǒng)通信中斷。
    （2）突發(fā)模式同步。由于上行方向的信元在光分路器上進行TDM復(fù)用，為
了盡可能地減小連續(xù)信元開銷，獲得最大可用帶寬，同步必須要快速。由于測
距程序的精確度有限，因此要在連續(xù)的突發(fā)之間預(yù)留一段保護時間（一般取
±1bit），將每個突發(fā)信元第一比特置于保護時間內(nèi)，OLT接收機應(yīng)在空發(fā)信
息的第一個比特出現(xiàn)時迅速建立起同步。在傳送幀結(jié)構(gòu)中需加入同步保護字。
OLT接收機迅速恢復(fù)從不同節(jié)點傳來的每個突發(fā)的正確時鐘，使用鎖柏環(huán)并在
每個突發(fā)前加一個足夠長的報頭，可實現(xiàn)上行突發(fā)信號的高速同步。
    （3）光功率的動態(tài)范圍。每個ONU與OLT間的路徑損耗是不同的， OLT光
接收機必須能夠適應(yīng)從一個突發(fā)到另一個突發(fā)信號的不同光接收功率。接收機
需要有～個很大的動態(tài)范圍，并設(shè)定門限，以最快的速度來判決。因此OLT中
應(yīng)采用具有自適應(yīng)功能的光接收機，在一定衰耗范圍內(nèi)能夠正確恢復(fù)信號；也
可以根據(jù)該節(jié)點的路徑損耗對每個ONU的輸出功率進行調(diào)節(jié)，從而降低對OLT接
收機動態(tài)范圍的要求。
    （4）要求激光器有良好的消光比。常規(guī)的光纖通信，例如 SDH系統(tǒng)，激
光器的消光比大于8.2dB就可以。但是對于APON系統(tǒng)是不能接受的，因為PON系
統(tǒng)是點對多點的光通信系統(tǒng)。以1：16系統(tǒng)為例，上行方向正常情況下只有1個
激光器發(fā)光，其他15個激光器都處于“0”狀態(tài)。根據(jù)消光比定義，即使是“0”
狀態(tài)，仍會有一些激光發(fā)出來。15個激光器的光功率加起來，如果消光比不大
的話，有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號光功率，使信號淹沒在噪聲中。因此用于APON系統(tǒng)
的激光器要有很好的消光比。而且還必須采取其他特殊措施來減小其他激光器
發(fā)光的影響。
    以上幾個技術(shù)難題在窄帶PON系統(tǒng)的開發(fā)時就曾遇到過，但是當(dāng)速率比較
低時，相對來說比較容易解決。對突發(fā)同步來說，速率越高同步越困難。而且
APON系統(tǒng)測距過程比窄帶PON系統(tǒng)要復(fù)雜得多。
    對于APON系統(tǒng)，有人主張采用光放大器，因為激光器的輸出功率有限（一
般在+3dBm左右），衰耗受限距離小。為了擴大系統(tǒng)覆蓋范圍，有必要引人摻
餌光放大器（EDFA），特別是應(yīng)把EDFA放在局端OLT作為預(yù)放大器，允許多個
用戶共用EDFA，以降低成本。但是，突發(fā)模式的上行信號會引入光放大器的
“浪涌”效應(yīng)。EDFA輸出會達到數(shù)瓦，這種高功率有可能“燒壞”光連接器
和和接收機�！袄擞俊睅�來的另一個嚴(yán)重問題是對于同一脈沖串來說，脈沖
串處于“上升沿”的脈沖（脈沖串的前幾個）電平和處于“下降沿”的脈沖
（脈沖串的后幾個）電平將有很大差別，最大可以有數(shù)十dB。當(dāng)這種信號轉(zhuǎn)
化為電信號時，對接收帶來很大的困難，要求接收機的自動增益控制（AGC）
電路反應(yīng)十分快，對于到來的每個脈沖，都要選擇出恰當(dāng)門限，作出正確判
決。
    APON+ADSL
    APON寬帶接入系統(tǒng)發(fā)展的最終目標(biāo)是ONU可放置在家庭，形成真正的FTTH。
但在寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展的初期和中期，ONU的成本仍較高，寬帶業(yè)務(wù)的普及率較低，
ONU一般設(shè)置在大樓或用戶附近的交接箱，以使多個用戶分?jǐn)偝杀�，形成FTTC
或FTTB。從ONU到用戶則利用已有的銅線雙絞線，較理想的是采用ADSL連接用
戶。ADSL是目前發(fā)展最迅速的接入技術(shù)，但是由于我國的接入銅纜芯徑許多
是0.32mm、0.4mm，并且質(zhì)量不太好，從交換局到用戶端開通ADSL比較困難。
據(jù)統(tǒng)計，我國的銅線能夠開通ADSL的不足30％。采用APON系統(tǒng)后，ONU到用戶
的距離將大大縮短，大致在500m以內(nèi)，基本上100％都可以開通ADSL系統(tǒng)，很
容易實現(xiàn)寬帶接入，甚至可以采用相對簡單的ADSL編碼技術(shù)。許多運營者看
重APON的一個重要原因也在于從ONU至用戶很容易開通ADSL系統(tǒng)，有些人甚至
主張采用VDSL系統(tǒng)，實現(xiàn)25Mbit／s速率以上的下行傳輸。在APON系統(tǒng)中，對
于ONU終端，應(yīng)具有可以接入ADSL系統(tǒng)的接口。另外為了容納固定電話接入，
還必須具有ATM電路仿真接口，可以通過ATM電路仿真方式在寬帶接入網(wǎng)中支
持現(xiàn)有窄帶業(yè)務(wù)。
    對于采用兩根光纖進行雙向傳輸?shù)腁PON系統(tǒng)，有人提出下行光纖可以采
用WDM技術(shù)傳輸模擬電視。155nm窗口光纖損耗小，傳輸模擬電視時可以覆蓋
更大的范圍，并可結(jié)合EDFA應(yīng)用。但是這種網(wǎng)絡(luò)的一個重要缺點是數(shù)字信號
和模擬CATV信號間的串?dāng)_，特別是遠(yuǎn)端串?dāng)_。模擬電視和光信號的接收靈敏
度相差較多，兩波長的功率電平也差別較大，對波分復(fù)用器件的隔離度要求
要嚴(yán)格一些。
    APON系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
    在1996年之前，ATM被認(rèn)為是一種理想的寬帶技術(shù)。大多數(shù)人認(rèn)為所有
的業(yè)務(wù)最終都會ATM化，以實現(xiàn)ATM端對端連接，用戶終端也將以ATM為主。
但是IP業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展動搖了人們對ATM的信心�，F(xiàn)在沒有人懷疑IP會成為5
年后的主導(dǎo)業(yè)務(wù)，但是未來的IP業(yè)務(wù)是否還必須經(jīng)由ATM層的映射，確是見
仁見智，各個運營者有著不同的看法。有些人認(rèn)為：鑒于未來的骨干層面已
經(jīng)采用“IP over SDH”或“IP over WDM”，以后所有的IP業(yè)務(wù)均可以直接
采用“IP over SDH（WDM）”，不再需要ATM層作為過度。若在接入層面則
不再需要ATM作為接入手段，APON也就無用武之地，沒有應(yīng)用前途了。另外
種觀點則堅持認(rèn)為ATM仍然會成為寬帶骨干傳輸?shù)恼�體，應(yīng)繼續(xù)大力建設(shè)骨
干ATM網(wǎng)絡(luò)，因此APON系統(tǒng)的發(fā)展仍會是～片光明。
    從目前國際上的發(fā)展看，基本上所有的大運營商都開始建設(shè)“IP over 
SDH（WDM）”的傳送平臺，甚至包括一些一直提倡和支持ATM的運營商，比
如美國的SPrint。在國內(nèi)，除了中國網(wǎng)通，中國電信和中國移動也都準(zhǔn)備
建設(shè)全國范圍的IP over SDH（WDM）網(wǎng)絡(luò)。人們普遍認(rèn)識到IP over SDH
（WDM）將成為 IP高速骨干傳輸網(wǎng)的主導(dǎo)技術(shù)，以疏導(dǎo)高速率數(shù)據(jù)流。但
是這并不排斥ATM在多業(yè)務(wù)以及服務(wù)質(zhì)量要求較高的IP業(yè)務(wù)環(huán)境下的應(yīng)用，
特別是在網(wǎng)絡(luò)邊緣多業(yè)務(wù)的匯集地區(qū)，如多業(yè)務(wù)接入的接入網(wǎng)和中繼網(wǎng)。
許多北美公司在采用 IP over SDH（WDM）建設(shè)國家骨干IP網(wǎng)的同時，采用
重疊網(wǎng)的戰(zhàn)略，建設(shè)可以綜合接入各種業(yè)務(wù)的 IP over ATM網(wǎng)絡(luò)，解決多
業(yè)務(wù)接入和QoS問題。
    總的來說，ATM技術(shù)在全世界范圍遭到了一定的挫折，它的適用范圍
被大大壓縮了。但是現(xiàn)在還不能斷定ATM行將死亡，特別是在多業(yè)務(wù)環(huán)境
下的接入網(wǎng)，它仍有其獨特的靈活性和服務(wù)質(zhì)量保證，可以在單一網(wǎng)絡(luò)上
提供話音、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)。
    目前ATM技術(shù)受挫會在一定程度上影響APON的前景，但它仍有自己的
發(fā)展空間。現(xiàn)在日本NTT、法國電信、美國南方貝爾和英國電信4家運營者
聯(lián)合推出APON的大型實驗，預(yù)計2000年會投入實驗業(yè)務(wù)，如果獲得成功的
話，有可能大大促進APON系統(tǒng)的商用化。由于APON的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可以
實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和較低成本的要求。根據(jù)FSAN集團估計：如果年產(chǎn)量達到
100萬單元，某些芯片和光器件的集成將會使成本大幅降低。APON系統(tǒng)價
格的降低有可能大大加速它的發(fā)展，在目前缺乏有效接人手段的情況下，
可以快速占領(lǐng)市場。