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2023-06-26
无源光网络中的多址接入和双向传输技术
【摘要】：下面主要介绍无源光网络系统设计中的多址接入技术和双向传输技术。但是各个ONU 至OLT的上行信号的传输过程较为复杂，需要采用多址技术来解决上行信道的竞争问题。下面着重讨论各种多址接入技术。
下面主要介绍无源光网络（PON）系统设计中的多址接入技术和双向传输技术。
1.多址接入技术
在PON 中，OLT 至ONU 的下行信号的传输过程较为简单，通常OLT 采用时分复用（TDM）方式将送往各个ONU 的信号复用后送往馈线光纤，由光分路器以广播形式送出，各个ONU 收到信号后分别取出属于自己的信息。但是各个ONU 至OLT的上行信号的传输过程较为复杂，需要采用多址技术来解决上行信道的竞争问题。下面着重讨论各种多址接入技术。
（1）时分多址（TDMA）
时分多址接入的工作原理是将上行传输时间分为若干时隙，在每一个时隙内只允许一个ONU 以分组形式向OLT 发送分组信息，各个ONU 要严格按照OLT 规定的顺序依次向上游发送，如图11.9所示。由于各个ONU 与OLT 之间的距离各不相同，因此在上行传输时，必须解决以下两个关键技术问题。
1）相位问题
由图11.9可知，为了防止各个ONU 向OLT 发送的信号在无源光分路器（POS）处出现碰撞，OLT 必须在测定它与ONU 距离（即测距）的基础上对ONU 进行严格的发送定时。各个ONU 的定时信号是从OLT 发送的下行信号中提取出来的，因此在频率上可以实现同步。但是由于传输距离的不同，造成各个ONU 的上行信号到达OLT 时相位并不完全一致，因此在OLT 端必须具备快速比特同步电路，即在到达的每一个分组信号的开始几个比特信号时间内就要迅速建立同步。
图11.9 TDMA 工作原理示意图
2）幅度问题
由于各个ONU 与OLT 之间的距离各不相同，它们各自的分组信号到达OLT 时不仅相位不一致，幅度也存在着不同程度的差异，因此在OLT 端不能采用判决门限固定的常规光接收机，只能采用突发模式的光接收机，即根据到达的每一个分组信号的开始几个比特信号的幅度大小迅速建立合理的判决门限，以正确还原出该分组信号。
TDMA 方式所用器件简单、技术相对成熟，但在实际组网时，必须具备完善的测距手段、快速比特同步能力以及突发模式的光接收技术才能真正实用化，这也使得其电路实现部分相当复杂。另外，这种方式还存在上行速率低、升级困难等缺点。
（2）波分多址（WDMA）
波分多址接入的工作原理是采用波分复用技术，将各个ONU 的上行传输信号分别调制为不同波长的光信号，送至POS后耦合到馈线光纤，到达OLT端后利用WDM 器件取出属于各个ONU 的光信号，再经过工作于相应波长的光探测器（PD）转换为电信号，如图11.10所示。
图11.10 WDMA 工作原理示意图
WDMA 充分利用了光纤的低损耗波长窗口，每个上行通道完全透明，能够以不同方式支持不同业务的传输，而且扩容和升级方便。它的主要缺点是对光源的波长稳定度要求较高，上行通道数有限，各ONU 只能共享光纤线路而不能共享OLT 光设备，成本较高等。
（3）副载波多址（SCMA）
副载波多址接入的工作原理是在电域内将各个ONU 的上行信号调制到不同频率的射频波/微波（副载波）上，再用已调副载波去分别调制各ONU 的激光器（波长相同），已调光信号经POS合路后经光纤传输到OLT。在OLT 端首先经PD 转换为电信号，然后通过不同的滤波器和鉴相器还原出各ONU 的上行信号，如图11.11所示。
图11.11 SCMA 工作原理示意图
SCMA 主要利用成熟的射频/微波技术，具有器件简单、信道独立、易于升级和经济性好等优点，但是当OLT 接收到的相邻信道的信号功率由于传输距离因素而相差很大时，容易引起严重的相邻信道干扰，影响系统性能。
（4）码分多址（CDMA）
码分多址接入的工作原理是给每一个ONU 分配一个多址码，各个ONU 首先将自己的上行信号与多址码进行模二加，然后去调制具有相同波长的激光器，经POS合路后传输到OLT。在OLT端经过PD、放大器和模二加等电路后还原出各ONU 的上行信号，如图11.12所示。
图11.12 CDMA 工作原理示意图
CDMA 方式具有用户地址分配灵活、抗干扰能力强、保密性好、接入灵活等优点；其主要缺陷是系统容量受限，频谱利用率较低。
2.双向传输技术
双向传输技术是指上行信号和下行信号的传输复用技术，主要有以下几种。
（1）空分复用（SDM）
在采用SDM 方式进行双向传输的PON 系统中，上行信号和下行信号分别通过不同的光纤进行传输。采用这种方式的系统设备简单、可靠性强，但是上下行信道不能共享光纤线路与光器件。
（2）波分复用（WDM）
在采用WDM 方式进行双向传输的PON 系统中，上行信号和下行信号被调制为不同波长的光信号，在同一根光纤上传输。通常上行信号采用WDMA 技术，使用1 310 nm 波段；下行信号采用TDM 技术，使用1 550 nm 波段，在下行信号衰减大的场合，可采用掺饵光纤放大器（EDFA）进行功率补偿。
（3）副载波复用（SCM）
在采用SCM 方式进行双向传输的PON 系统中，上行信号和下行信号被调制到不同频率的射频波/微波（副载波）上，然后调制为相同波长的光信号，在同一根光纤上传输。
（4）码分复用（CDM）
在采用CDM 方式进行双向传输的PON 系统中，上行信号和下行信号分别与不同的多址码进行模二加，然后调制为相同波长的光信号，在同一根光纤上传输。
（5）时间压缩复用（TCM）
在采用TCM 方式进行双向传输的PON 系统中，上行信号和下行信号分别在不同的时间段内以脉冲串的形式在同一根光纤上轮流传输。OLT 将送往各ONU 的下行信号经时分复用组成下行脉冲串，利用某个时间段传至POS，再以广播方式送至各个ONU；各个ONU 收到后取出属于自己的信号，接着在相邻的时间段内，各ONU 依次向OLT 发送分组信号，形成上行脉冲串；待其发送完毕后，OLT 又向下游发送下一个下行脉冲串，如此循环往复，形成所谓的“乒乓传输”，如图11.13所示。TCM 方式具有共纤传输和设备简单等优点，但是电路部分复杂、传输速率低。
图11.13 TCM 工作原理示意图
上述复用技术在实际应用时，通常并不单独使用，而是根据具体情况混合使用。例如，在采用TDM+FDM+WDM 的PON 中，利用1 310 nm 波段传送TDM 方式的窄带业务（如多路电话），而利用1 550 nm 波段传送FDM 方式的宽带业务（如多路电视）。
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