基于ATM的无源光网络

随着通信技术的不断发展，用户对业务种类的需求越来越多样化。网络运营者不仅要提供电话和CATV等基本业务，还必须满足用户现在及将来对宽带业务（如可视电话、点播电视、家庭教育和高速数据传送等）的需求。这些需求加在一起构成了一个共同的要求：就是建立一个通用的接入网络。这个网络必须十分灵活，用户通过一个通用接口与骨干网络相连。同时通过这个接口，用户可得到网络运营者提供的各种服务。
为了实现这种宽带接入，人们提出了各种不同的方案。例如，铺设光纤或用xDSL（包括ADSL、HDSL、VDSL等）升级已有的电话线，或用HFC。在这些方案中，光纤接入被认为是最有前途的解决方案。由于PON（无源光网络）被认为是一种价格低、性能好的引进宽带接入的方案，ITU也极力推荐这种方案，所以接入网部分主要集中于PON系统。另外，由于ATM已被CCITT接纳为一种标准的转移模式，目前电信网的骨干网也正ATM化。为了使接入网部分的PON和骨干网的ATM化趋势相适应，一个很好的做法是使PON携带的信息ATM化，这种ATM化的PON就称为APON。
1 APON系统
1.1 APON的产生及优点
在光纤用户网的研究中，为了满足用户对于网络灵活性的要求，1987年英国电信公司（即英国BT公司）的研究人员最早提出了PON的概念。后来由于ATM技术的迅速发展及其作为标准传递模式的地位，使研究人员开始注意到把ATM技术运用到PON的可能性，并于9O年代初提出了APON的建议。不久，阿尔卡特公司研制了第一个试验系统。
由于ATM和PON一些固有的特点，使得APON从一开始就占据了一个较高的起点，该方案有着巨大的优势：
·宽带化并支持所有种类和各种速率的业务。
·灵活地满足用户需求。
·能够全动态分配带宽（这是在用户网第一次做到）。
·简单、有效的网络运行和管理（O＆M）。
·安全性高。
·低时延。
·对业务复用／解复用的全力支持。
1.2 APON系统结构

图1为一种基本APON系统结构。该系统采用无源双星（PDS）拓扑，分路比为1∶16。从局端OLT（光线路终端）往ONU传送下行信号采用TDM技术，ONU（光纤网络单元）传送到局端OLT的上行信号采用TDMA技术。在上行和下行时，ATM信元都是被组装在一个APON包中，研究表明，给每个包加入8个开销比特，可以提供同步及其它与网络传输相关的功能。由于1310／1550nm WDM器件很便宜，且1310nm波长区激光器很便宜，所以一般采用WDM技术。
在下行方向，由ATM交换机来的ATM信元先送给OLT，OLT将其变为155.52Mb／s或622.82Mb／s的速率，并以广播方式用1550nm波长区传送到所有与OLT相连的ONU，每一个ONU可以根据信元VCI／PI选出属于自己的信号的同步功能及时延调整功能。
1.3 采用的技术
1.3.1 测距
由于从不同的ONU到OLT的距离不等，上行信号到达OLT的时延也不同，为了避免不同的ONU上行信号在PON总线上产生重叠、互相干扰，保护收发通路能够同步，承载的不同ONU信号之间要有一个间隔，通常成为保护时间（guard time）。可以通过测距（Ranging）程序来得到不同信号时间间隔，取最远ONU传输时延作为时隙的时间间隔，使上行信号互不干扰。
1.3.2 猝发模式同步
上行方向传送的信元在分路器上进行交叉复用，为了尽可能地减少连续信元的开销，获得最大的带宽性能，已经提出了许多种快速同步方法。其中最有效的方法是使用重复抽样技术（Oversampling）。 该方法用一个非常短的前置段（3bit）来恢复时钟相位，通过把这3bit插入到每个ATM信元的开销比特中来恢复正确时钟相位，精度在±1bit之内。
1.3.3 光功率平衡
由于ONU与OLT路径不同，造成光功率的损失也不同，这就要求接收机必须有一个大的动态范围，能够设置能分辨出的阈值功率。在APON系统中，每个发射节点的输出功率可以根据特定节点的光路损失而动态改变。为了满足反射端光功率平衡和接收端光功率阈值的设定，在每个上行ATM信元中加入了3个开销比特。
2 拓扑结构
所谓拓扑可以理解为机线设备的几何排列形状，反映了物理上的连接性。用户网的成本和性能，特别是硬件的实现在很大程度上取决于网络的拓扑结构。
我们知道，传统的网络拓扑结构有总线型、星型、环形等。由于用无源器件很难实现一个环以及从环上获取或发送信息都很困难，所以不用环形。总线型在光功率分配的比例上有困难，而且信息一开始就很集中，使得线路很易处于饱和状态。树型以及星型（主要是无源双星，DSP）因为其特点最适合接入网的特性及物理上分布的特点，所以被使用为PON的标准拓扑结构。目前树型和无源双星结构都有广泛的应用，其拓扑结构见图2。

3 技术难点及对策
3.1 经济性
APON是接入网，这就决定了它的主要客户对价格因素比较敏感。所以接入网要取得大的发展就必须降低接入费用。目前，由于光纤制造技术的发展已使光缆的价格大大的降低了；由于使用了集成技术，商用和家用的ONU价格也在降低。如果APON能够大规模实施，其每户价格将降低到＄1500，并将在2000年之前进一步降到＄1000左右。
3.2 安全性
从本质上来说，PON是共享媒体的网络，因此它要求MAC（媒体接入控制）协议能够允许一些用户传输，而不对另外的用户造成影响。在下行方向，因为所有的信元都是从OLT以广播方式传送出来的，只有符合目的地址的用户（由信元中的一个“标签”地址决定）能够读这个信元，这就是目前APON的处理方式。然而这也可能引起安全和隐私的问题。假如有一名恶意的用户或一个小小的错误，就有可能使一个用户得到其它用户的信息（特别是共享一个ONU的用户）。为了解决这个问题，笔者认为可采用加密技术来防止此类情况发生。
3.3 MAC协议
APON是共享媒体的网络，它要求网络有一个功能强大的MAC协议。MAC协议的选取对于网络的性能有着很大的影响，许多的因素必须考虑。例如请求／允许（Requests／Permits）算法、带宽的动态分配机制等。目前在此方面虽然有不少研究，但如何进一步增强MAC协议功能，简化MAC协议复杂性仍是一个有待解决的问题。
4 APON试验系统
在过去几年中，对APON作了许多试验系统。下面主要介绍1995年英国BT公司在Colchester和IPswich所用的试验系统。这个迄今为止最大的交互式多媒体业务是采用APON（包括部分xDSL）提供的，是为了给2500个家庭用户提供VOD和其它（如网上购物、交互游戏等）多媒体业务。因为这个试验是跨越两个城市的，所以通过一个2.5Gb／s的SDH环网互联。
该试验系统于1995年末开始向用户提供服务，试验系统如图3所示。
该系统中，一个OLT能支持32个ONU（在10km以内）并最多达81个家庭。其它主要指标见表1。


5 APON的未来
通常情况下，宽带APON中，无源光分路器的分路因子小于32，范围也只有10km左右，传送速率一般为622.82Mb／s或155.52Mb／s，然而这主要是为了限制可供用户共享的带宽和可得到的光功率。由于骨干网的传输速率越来越快，相应地要求接入网也作一些适应性的变化。未来的APON接入网（也有人称为Super PON，SPON）跨度将达100km左右，在一个OLT上将可以接入多达2000个用户。
目前，一种可能达到这种大跨度、高分路数的方法是采用级联的无源光分路器，这样将引起网络中光功率的下降，但可以通过加入光放大器来解决。
当然SPON的发展并不会一帆风顺，目前，它也遇到一系列问题，如光信号的再生、复用／解复用、容量限制、以及MAC协议的制定。但是可以相信，随着电信技术的进一步发展，这些问题将会逐步得到解决。