ATM-PON及其关键技术
2019-11-04 23:48:49
供稿：网友
近年来，在接入网上使用ATM技术以提供视频广播、远程教学以及数据通信等多种业务的趋势越来越明显。在无源光网络（无源的光接入网）上使用ATM，不仅可以利用光纤的巨大带宽提供宽带服务，也可以利用ATM进行高效的带宽业务治理。自1993年以来，许多国家都竞相开始研究ATM-PON技术及其应用，并认为ATM-PON是最有前途的、能以较低成本提供宽带接入的方案。
ITU-T的G.983建议规范了ATM-PON的网络结构、基本组成和物理层接口，但现在许多国家自己发展的APON系统与G.983规范并不完全吻合。
ATM-PON简介
ATM-PON采用的是点到多点的无源光网络，主要由OLT、ODN、ONU组成，由无源光分路器件将OLT的光信号分到树形网络的各个ONU，如图1所示。其应用包括FTTH、FTTB/C、FTTCab等多种配置结构。FTTB/C和FTTCab网络结构只是在应用上略有区别，可以看成一类。
FTTB/C/Cab可以提供PSTN、ISDN业务以及其他对称或非对称的宽带业务。
FTTH应用提供的业务大致同上，另外，FTTH可以考虑使用户内置ONU，使ONU的工作环境得以改善，再加上网络全部为光纤，使得维护工作量减少、成本降低。对于网络将来可能的带宽或业务升级，ONU可不作改动。
根据G.983规范，ATM无源光网络中，OLT最多可寻址64个ONU，PON所支持的虚通路（VP）数为4096，PON寻址可以使用ATM信元头中的12位VP域。由于OLT具有VP交叉互连功能，所以局端VB5接口的VPI和PON上的VPI（OLT到ONU）是不同的。限制VP数为4096使ONU的地址表不会很大，同时又保证了高效利用PON资源。
要害技术
ATM-PON的实现涉及到许多方面的技术，最主要的有以下几个方面：时分多址接入的控制、快速比特同步、突发信号的收发等，下面分别对这些技术进行讨论。
时分多址接入的控制
ATM-PON系统在下行方向采用时分复用的广播方式，其帧结构如图2，帧由连续的时隙组成，每个时隙填充一个53字节的ATM信元。下行有155.52Mbps和622.08Mbps两种速率。155M下行链路上每帧56个时隙，含两个PLOAM信元；而622M每帧224个时隙，有8个PLOAM信元。由于下行方向是广播模式，各个ONU将收到所有的帧，并自主地从相应时隙中取出属于自己的信元，所以在下行方向上不需要OLT进行控制。
在上行方向上，由于PON的ODN实际上是共享传输媒质，需要适当的接入控制才能保证各个ONU的上行信号完整地到达OLT。这时，可采用的技术主要有波分复用WDM、时分多址TDMA和码分多址CDMA，其中WDM和TDMA应用较多。G.983建议采用TDMA的上行接入控制。这样，由于ATM-PON的接入复用是在时域实现的，OLT到ONU的距离里无冲突的、有效的上行接入是着重需要考虑的方面。不同的距离造成延时的不同，因此为了不使上行信号发生冲突，OLT必须测量到各个ONU的距离，并将指定的延时告知ONU；各个ONU在发送上行信号时根据指定的延时相互协调，将各自的ATM信元复用到上行帧里。
ATM-PON的上行帧格式如图2所示，有53个时隙，每个时隙也填充一个53字节的信元。同时，在每个时隙的信元之前还有三字节的开销用于同步定界，并提供防卫时间。开销包括三个域，防卫时间域、前置比特图案和定界比特图案。防卫时间最少4比特，前置比特图案用于同步获取。这三个域的长度是可编程的，由OLT决定，并通过下行的PLOAM信元告知ONU。OLT在下行PLOAM信元中给ONU发送上行答应，ONU才能在上行帧中占有一个时隙，并且OLT根据需要要求ONU定时发送PLOAM信元或微时隙。上行最少每100ms一个PLOAM信元，其速率根据PLOAM实现的功能不同而不同。
测距过程通过使用上行/下行信元（PLOAM信元）携带的带内信令数据实现，即PLOAM信元携带的测距答应信号、PLOAN答应、数据答应、ONU序列号、PONID以及测距时间消息来实现。当多个ONU同时连到线上时，OLT根据ONU序列号使用二叉树的排除机制先对其中一个进行测距。测距的大致过程为：OLT打开测距窗口，测量来自ONU的上行信元延时；OLT将等效延时告知ONU；ONU调节发送延时。
快速比特同步
在采用的测距机制控制ONU的上行发送后，上行信号还是有一定的相位漂移的。在上行帧的每个时隙里有3字节开销，防卫时间用于防止微小的相位漂移损害信号，前置比特图案则用于同步获取。OLT在接收上行帧时，搜索同步图案，并以此快速获取码流的相位信息，达到比特同步；然后根据定界图案确定ATM信元的边界，完成字节同步。OLT必须在收到ONU上行突发的前几个比特内实现比特同步，才能恢复ONU的信号。同步获取可以通过将收到的码流与特定的比特图案进行相关运算来实现。然而一般的滑动搜索方法延时太大，不适用于快速比特同步，因而可以采用并行的滑动相关搜索方法，将收到的信号用不同相位的时钟进行采样，采用结果同时（并行）与同步图案进行相关运算，比较运算结果，在相关系数大于某个门限时将最大值对应的取样信号作为输出，并把该相位的时钟作为最佳时钟源；假如若干相关值相等，则可以取相位居中的信号和时钟。这实际上是以电路的复杂为代价来换取时间上的收益。其框图如图3所示。
突发信号的收发
在采用TDMA的上行接入中，各个ONU必须在指定的时间区间内完成光信号的发送，以免与其他信号发生冲突。为了实现突发模式，在收发端都要采用非凡的技术。光突发发送电路要求能够非常快速地开启和关断，迅速建立信号，因而传统的电光转换模块中采用的加反馈自动功率控制将不适用，并且需要使用响应速度很快的激光器。而在接收端，由于来自各个用户的信号光功率是不同的且是变化的，所以突发接收电路必须在每次收到新的信号时调整接收电平（门限）。调整通过ATMPON系统中时隙的前置比特实现，突发模式前置放大器的阈值调整电路可以在几个比特内迅速建立起阈值，接收电路根据这个门限正确恢复数据。
应用
目前许多国家都在实验PON接入网，如日本的π系统采用的是STM的PON技术、无源双星的网络结构，其ONU配置灵活，可以为单个用户提供1.5Mbps的接入速率。欧洲关于PON的研究有ACTSAC094EXPert项目、ACTSAC022Bonaparte项目和RACEIIR2024BAF项目等等。其中Bonaparte（在现实电信环境下使用ATMPON接入设备的宽带光网络）在4个国家分别进行用户实验，并根据用户的实际需求提供远程医疗、远程教学等多媒体宽带业务。在Bonaparte中使用的ATMPON连接32个终端，可以支持最大距离为10公里的81个用户。接入系统总的传输容量为上行和下行各622Mbps，每个用户使用的带宽可以从64Kbps到155Mbps灵活划分。
ATMPON支持ISDN及BISDN业务的带宽需求，可以满足各类电信业务和全业务网（FSN）的共同要求。ATMPON代表了宽带接入技术的最新发展方向，目前在英国、德国等已有实际应用，被认为是实现FTTC和FTTH的一种较好方法，其优点是可以节省光纤和光设备的费用，并可以实现宽带数据业务与CATV业务的共网传送。
关注ATMPON的发展，及时对其技术进行了解，将对我国开发实用化的宽带无源光网络起到很大的推动作用。
