浅析WDM-PON在接入网中的应用

陈 超(中国移动通信集团设计院有限公司陕西分公司，陕西西安710077)

0 前言

随着全业务的全面展开和三网融合的不断推进，用户业务需求正从以语音为主向以宽带、视频为主的方向发展，从而使高带宽(20～100 Mbit/s)需求剧增。为满足用户业务需求，曾出现了WLAN、Wi-Fi等无线接入方式和无源光网络(PON)、光纤+LAN等有线接入方式。在宽带业务方面，尤以PON接入方式的应用最为广泛。针对日益增长的带宽需求，如何将PON接入方式提升到一个新的高度，已成为各个运营商共同关注的焦点之一。WDM-PON技术的出现，为运营商在带宽资源配置上提供了更多的选择。

1 无源光网络技术发展

PON是指在光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU)间无有源设备的光分配网(ODN)。PON经历了窄带、宽带、以太网及千兆无源光网络(如APON、BPON、EPON及GPON)发展历程。按复用方式，PON可分为时分复用型无源光网络(TDM-PON)和波分复用型无源光网络(WDM-PON)。TDM-PON(如APON、BPON、EPON、GPON)采用星形结构，利用耦合器分路，上/下行数据采用TDM传送方式，实现共享带宽，并通过分路器将OLT发出的光信号功率分配到各个ONU上；WDM-PON也采用星形结构，上/下行数据采用WDM传送方式，通过光分路器对OLT发出的不同波长进行识别，并将其分配到各个ONU上。

1.1 TDM-PON技术

目前，PON网络应用较多的是TDM-PON技术。TDM-PON采用单纤双向传输，是基于TDM/TDMA的带宽共享方式，在数据下行方式上利用1 490 nm波长以广播方式传递数据，在数据上行方式上利用1 310 nm波长以时分多址方式传递数据。由于各个ONU与OLT间的距离不等，为避免多个ONU设备发送的数据在OLT接收器上发生冲突，需引入测距和突发控制技术。同时为保证OLT能正确接收来自各ONU的突发数据信号，还需引入能实现快速光检测的突发光接收器件和能快速恢复时钟信号的突发时钟数据恢复器件。现有的10G EPON和10G GPON分别只是EPON和GPON的一种升级，其网络结构并没有发生改变。TDM-PON系统原理见图1。

1.2 WDM-PON技术

1.2.1 技术原理

随着用户多样化业务需求的不断提升，TDM-PON对于不断增长的带宽需求已显现出不足，特别是高清视频业务和点播业务产生的巨大数据量，将迫使接入网的带宽升级。而WDM-PON不仅可避免TDM带来的共享带宽不足等一系列难题，同时还可通过在上行方向上为每个ONU分配一个单独波长而实现真正的点到点链路，保证每个用户的带宽需求。

WDM-PON有3种业务传送方案:一是为每个ONU分配1对波长，分别用于上/下行传输，提供OLT到各个ONU的固定虚拟点对点双向连接；二是ONU采用可调谐激光器，根据需要为ONU动态分配波长，各ONU能够共享波长，且网络具有可重构性；三是采用无色ONU方案(即ONU与波长无关)。WDM-PON系统原理见图2。

WDM-PON系统采用树形拓扑结构和双纤双向传输。其下行方式利用1 310 nm波长以光分路器进行广播式传递数据；上行方式采用WDM技术，将不同波长进行复用，OLT至每个ONU的波长采用符合DWDM或CWMD规定的波长，在光纤分路处采用波长复用器与解复用器(MUX/DEMUX)进行波长的合波与分波，在OLT内部设有波长复用器与解复用器(MUX/DEMUX)以及阵列波导光栅(AWG)，AWG起波长路由作用，把不同波长路由给不同的用户终端设备。与光分路器相比，由于AWG只有插入损耗而无分支损耗，因此AWG引入的光功率总损耗要远小于光分路器。例如，32路AWG引入的光功率损耗一般为5 dB左右，而32路光分路器则为18 dB左右。而光信号在分支处每减少3 dB损耗，传输距离可大约增加10 km，因此在同样功率预算下，WDM-PON的传输距离要远大于TDM-PON。

在通信机制上，TDM-PON属点到多点(P2MP)机制，而WDM-PON则属点到点(P2P)机制。基于光纤中波长上的隔离，WDM-PON能为每个用户提供完全点对点地独享1个波长上的带宽资源。PON引入WDM技术后，将原来通过单独光纤承载的若干个(如16/32个)通道复用到同一根光纤中传输，不仅保持了网络的安全性也节约了大量光纤资源，使得单根光纤中的波长资源得到充分利用。WDM-PON网络结构见图3。

1.2.2 技术特点与难点

综上所述，WDM-PON技术具有如下显著特点。

a)各个用户有1个独立波长，独享其带宽资源。

b)AWG减少了功率衰耗，增加了传输距离。

c)WDM节约了大量光纤资源。

由图2不难看出，为让各个终端用户设备的信号能不冲突地共享同一根光纤进行传输，每个终端用户设备中的光模块所发射光信号的波长必须与AWG端口的波长相一致，否则这个光信号就无法通过AWG复用到同一光纤中。这样所有用户终端上的光模块就不能再通用，所用光模块发射的波长必须由AWG端口来决定(这种光模块称为有色光模块)。

目前，有色光模块在DWDM和CWDM系统的应用已较为普遍，但均安装在维护条件较好的机房内。若将有色光模块应用于接入领域，因其数量很大，且安装位置均为用户所在地，其维护工作对运营商来说是个不小的考验。

另外，AWG是个对温度敏感的器件，端口波长会随着外部温度的变化而变化，这将产生以下2个问题。

a)如何保证光模块信号波长与AWG端口实时保持一致。因为光模块的波长会随温度变化而变化，因此AWG端口的中心波长也会随温度的变化而变化。在WDM-PON技术方面，把解决这个问题的技术叫做WDM-PON无色光源技术。无色是与有色相对应的。有色即指光模块波长是固定的，无法改变，而无色即指光模块波长是非固定的，可根据所连接的AWG端口自动适应。

b)如何保证OLT侧和ONU侧2个AWG的各个端口波长实时保持一致。因为2个AWG的外部温度变化不一样，因此2个AWG的温度特性(温度或波长的变化率)也可能不一样。在WDM-PON技术方面，把解决这个问题的技术称为波长对准技术。

1.3 WDM-PON和TDM-PON技术的比较

WDM-PON和TDM-PON技术的比较见表1。

由表1可知，WDM-PON可给用户提供更高的带宽，还能提供更远的传输距离。但由于其标准目前尚不完善，还没有形成完整的产业链，制造成本相对较高。不过，随着技术的不断发展及用户需求的不断提高，WDM-PON必将成为无源光网络的主流技术。

2 WDM-PON技术的应用

可在以下场景中开展WDM-PON建设，以满足用户业务的接入需求。

2.1 在集团客户接入中的应用

集团客户和部分高端用户接入的带宽需求较高。由于TDM-PON技术采用通道共享带宽，带宽有限，不能为用户提供独有的高带宽资源，因此在集团客户或高端用户较为集中的区域，当用户的带宽需求为10 Gbit/s以上时，接入带宽资源就明显不足，而引入WDM-PON技术则可为用户提供独立的高达40 Gbit/s的带宽资源。当然，在带宽需求量较小，单用户带宽需求为10 Gbit/s以下时，仍可继续使用EPON、GPON或10G EPON、10G GPON，以便适应多样化接入需求，充分利用已有网络资源。

表1 WDM-PON和TDM-PON技术的比较

2.2 在乡镇接入中的应用

我国正在大力推进农村信息化建设，在宽带接入方面目前以ADSL接入及GSM无线接入技术为主。随着乡镇、农村社会经济的持续快速发展，原接入方式已不能满足乡镇用户的业务需求。由于乡镇、农村距城市一般较远，若使用TDM-PON技术的接入方式，部分乡镇将会受到传输距离及带宽等因素的限制。而采用WDM-PON技术的接入方式，则可凭借其传输距离远及带宽资源等优势十分方便地为乡镇、农村用户提供宽带业务接入。可将WDM-PON中的OLT设备安装在城市里，而将AWG设备拉远安装在不同的乡镇里，为每个乡镇分配1个波长，并配置GE到40 Gbit/s的不同带宽，以实现高带宽、远距离、高安全的用户接入。

3 结束语

在无源光网络中，目前仍以EPON及GPON为主要接入手段，10G EPON、10G GPON也已有部分应用。用户业务需求的不断增长，势必会促使网络技术的不断进步。由于WDM-PON技术具有带宽高、波长隔离及传输距离远等优势，将会成为运营商以后选用的主要接入方式。但该技术标准目前尚不完善、设备成本也相对较高，今后如何完善标准、降低成本，已成为业界共同关注的焦点之一。

[1]原荣.宽带光接入网[M].北京:电子工业出版社，2003.

[2]张鹏，阎阔.FTTx PON技术与应用[M].北京:人民邮电出版社，2010.