無源光網(wǎng)絡(luò)測距技術(shù)分析

1、無源光網(wǎng)絡(luò)測距技術(shù)分析鐵通蘭州分公司傳輸室 張巖冰摘 要： 關(guān)鍵詞：PON 沖突 延時(shí) 測距 SFR DFR基于TDMA技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）能夠?yàn)橛脩籼峁┩该鲗拵У膫鬏?，可以使多個(gè)用戶共享一套設(shè)備，共同使用同一條光纜和無源分光器，相對于有緣光接入網(wǎng)具有開通、維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來得到了大量的應(yīng)用。一、PON系統(tǒng)測距的必要性在實(shí)際的PON系統(tǒng)應(yīng)用中，組網(wǎng)形式多為樹型結(jié)構(gòu)，其下行幀同步是通過下行PLOAM（物理層操作管理與維護(hù)）信元中的幀頭信息獲得，上/下行信元同步采用信元定界實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄滦蟹较蛐畔⒘魇沁B續(xù)的，所以下行比特同步可以使用傳統(tǒng)的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。但是PON網(wǎng)絡(luò)

2、上行方向傳輸采用TDMA技術(shù)，即不同位置ONU的信元采用間插的方式匯集在同一根光纖上。此時(shí)，傳輸是突發(fā)模式，必須采用測距技術(shù)控制每個(gè)ONU的發(fā)送時(shí)間，以便確保ONU發(fā)送的信元在組成上行傳輸幀時(shí)不會發(fā)生碰撞。測距是使處于不同位置的ONU在發(fā)送上行信元前，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臅r(shí)間延遲，從而解決各ONU發(fā)送信元通過光分配器符復(fù)合后產(chǎn)生的信元沖突問題。要了解PON的測距技術(shù)，首先應(yīng)了解上行幀的組成過程。圖1表示使用TDMA技術(shù)的PON系統(tǒng)如何將多個(gè)ONU的上行信元組織成一個(gè)TDMA信息流的過程 。保護(hù)時(shí)隙n-1nn-1n分光器1OLT一個(gè)幀長221碰撞部分ONUn-1ONUnONU1ONU2 圖1 PON網(wǎng)絡(luò)上

3、行傳輸時(shí)信元碰撞過程數(shù)據(jù)流以幀的形式存在，每幀又分割成長度固定的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙分配給一個(gè)ONU用于ONU發(fā)送上行數(shù)據(jù)給OLT，如圖2所示。1圖2 PON上行傳輸時(shí)的幀結(jié)構(gòu)1N22N1N211N22N1N2111222NNN一個(gè)幀長ONU1ONU2ONUn復(fù)合信號（幀）比特脈沖二、測距技術(shù)原理實(shí)際上，由于每個(gè)ONU到OLT的距離是不同的，所以每個(gè)ONU的信元經(jīng)過不同距離的光纖傳輸后，會產(chǎn)生不同的時(shí)延，當(dāng)這些信元進(jìn)入光分配器的共用光纖時(shí)，就有可能發(fā)生碰撞和重疊， 如圖1中的ONUn1 和ONUn的信元就發(fā)生了碰撞。這些發(fā)生碰撞的信元繼續(xù)向上傳輸?shù)竭_(dá)OLT，OLT接收時(shí)就不能夠正確地分辨出碰撞(重疊

4、)信元的那部分比特，引起大量比特誤碼，甚至使信元丟失。而且，由于環(huán)境溫度的變化和器件的老化，傳輸時(shí)延也會不斷地變化。為了實(shí)現(xiàn)TDMA接入，保證每一個(gè)ONU的上行信號在共用光纖匯合后，插入指定的時(shí)隙，彼此間既不發(fā)生碰撞，也不要間隙太大，OLT必須不斷地對每一個(gè)ONU與OLT的距離進(jìn)行精確測定，以便控制每個(gè)ONU發(fā)送上行信號的時(shí)刻。每個(gè)ONU有一個(gè)延時(shí)控制器，在OLT的指揮下，控制上行數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)刻，使其復(fù)合時(shí)正好占據(jù)分配給它的指定時(shí)隙，以避免復(fù)合時(shí)相互間發(fā)生碰撞和沖突。在實(shí)際應(yīng)用的PON組網(wǎng)中，每個(gè)ONU與局端OLT之間的距離互不相同，按照G .983.1的規(guī)定最長的是20km，最短的是0 k

5、m。光在光纖中的傳輸時(shí)延是5 s/km，所以光在20km長線路上傳輸一個(gè)來回40km產(chǎn)生的時(shí)延為200s，即最長距離延遲為200s，而最短距離延遲為0km情況下的0s。OLT發(fā)送的下行連續(xù)信息流由多個(gè)信元組成，其數(shù)量和PON的分光比相同。每個(gè)信元包含一個(gè)ONU地址碼的信頭，經(jīng)PON以廣播方式傳送給網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)ONU，ONU根據(jù)信元的地址碼取出屬于自己的信元。對于上行傳輸，必須避免信元間的碰撞，OLT和ONU都要有必要的硬件設(shè)備，TDMA系統(tǒng)也需要一定的控制協(xié)議。我們可以把所有的ONU放置在一個(gè)虛擬的距離上，以此認(rèn)為所有的ONU到OLT的距離都相等，從而測量出每個(gè)ONU實(shí)際位置和虛擬位置之間的距

6、離差，即補(bǔ)償距離，測量這一補(bǔ)償距離的過程就叫做測距。如圖3所示。注： 為ONU實(shí)際位置 為ONU虛擬位置 （所有ONU的虛擬位置相同）LC3=0OLT2×LCN2×LC22×LC1=40km2×LC4圖3 測量補(bǔ)償距離（補(bǔ)償延時(shí)）ONU1ONU2ONU3ONU4ONUn測距過程分為粗測距、靜態(tài)精測距和動(dòng)態(tài)精測距三個(gè)階段。要求測距后信元到達(dá)OLT偏離其指定的時(shí)隙為±1比特時(shí)間。測距要求知道每個(gè)ONU和OLT之間的傳輸延遲。PON系統(tǒng)的粗測距是對低頻、低電平正弦波的模擬相位進(jìn)行測量, 這種測距技術(shù)稱為帶外低頻、低電平測距。ONU用這種正弦波調(diào)制LD

7、的光強(qiáng)，然后發(fā)送給OLT。OLT在測量完正弦波的相位后，用20km的最大虛擬距離就得到了OLT到該ONU的來回補(bǔ)償距離延時(shí)。當(dāng)粗測距的精度為一半信元時(shí)間時(shí)，靜態(tài)精測距和動(dòng)態(tài)精測距的精度是±1比特時(shí)間。粗測距和靜態(tài)精測距都稱為靜態(tài)測距，因?yàn)闇y距時(shí)OLT不發(fā)送信息給ONU。靜態(tài)測距可以用于系統(tǒng)開通、ONU網(wǎng)元擴(kuò)容、ONU發(fā)生故障和ONU掉電重啟。動(dòng)態(tài)測距用于克服由于環(huán)境溫度變化引起的光纖延遲和光電器件延時(shí)變化的影響。由于最大來回距離是40km，總延遲為200s，所以對上下行速率均為155M/s的PON系統(tǒng)，用比特表示的總延時(shí)約為32 000bit，對622M/s的PON系統(tǒng)約為124 4

8、16bit。這些比特?cái)?shù)是在40km光纖上200s時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，也包括因碰撞丟失的比特?cái)?shù)，因此測距必須可靠而精確。一般來講，開始測距前我們并不知道待測ONU與OLT的距離，因此第一步要進(jìn)行粗測距。通常有兩種粗測距的方法，一種是在所有ONU不發(fā)送上行數(shù)據(jù)流的靜默期只對一個(gè)信元測距，另一種是在所有已安裝ONU在發(fā)送上行數(shù)據(jù)流時(shí)，使用低電平信號測距。在靜默期測距最簡單，此時(shí)所有ONU都停止發(fā)送正常的上行數(shù)據(jù)流，在OLT的授權(quán)下，任一待測ONUi發(fā)送專用測距脈沖給OLT，OLT測量并計(jì)算出ONUi的傳輸延時(shí)補(bǔ)償值為Tdi，并把該延時(shí)補(bǔ)償通知ONUi，ONUi就在每次發(fā)送上行信元時(shí)延時(shí)Tdi。這種技

9、術(shù)的缺點(diǎn)是，在對一個(gè)信元測距時(shí)，所有其他信元的數(shù)據(jù)都中斷可發(fā)送，因此ONU必須把這些數(shù)據(jù)現(xiàn)緩存起來，因?yàn)闇y量一次來回時(shí)間為200s，所以要求緩存器的容量很大，并且在這么長的時(shí)間里，信元常熟延時(shí)和延時(shí)變化可能已經(jīng)改變。低電平靜態(tài)測距方法基于頻譜展寬技術(shù)，這種技術(shù)利用偽隨機(jī)碼測量ONU和OLT 間的距離，由相關(guān)測量系統(tǒng)完成。這種技術(shù)在對某個(gè)ONU測距時(shí)，不影響其他網(wǎng)元繼續(xù)發(fā)送信元給OLT。但是，它對電子設(shè)備的要求比較復(fù)雜，另外測距精度也不高。在完成粗測距后，下一步就要進(jìn)行靜態(tài)精測距，同樣要求較大的空閑時(shí)隙，所以最好的方法時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)精測距。三、測距過程分析 下面對測距過程進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。1 粗測

10、距粗測距是測距過程的第一步。首先OLT發(fā)送一個(gè)包含粗測距命令的OAM（操作管理維護(hù)）信元給待測距ONU，該ONU接收到命令后就發(fā)送低電平、低頻正弦波測距信號給OLT，OLT精確地測量其相位，從而完成測距。測距信號的頻率由傳輸?shù)木嚯x決定，例如OLT和ONU之間的距離最大為20km，信號從OLT傳輸?shù)絆NU，又從ONU傳回OLT所需時(shí)間為200s，所以粗測距信號的頻率應(yīng)小于20kHz。粗測距命令只占用1個(gè)比特，包含在OAM信元的前導(dǎo)碼中，在ONU中該命令用于觸發(fā)粗測距數(shù)字信號發(fā)生器，發(fā)送一個(gè)開始相位確定的低電平、低頻正弦波，其幅度要比數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電流小得多，并與激光器偏流疊加，所以O(shè)LT接收的上行光信

11、號是由低頻粗測距信號和正常工作的ONU發(fā)送的高頻數(shù)據(jù)包信號組成的復(fù)合信號。該復(fù)合信號在OLT側(cè)被還原成原來的信號，并且在數(shù)據(jù)包間隙對粗測距信號取樣，從而避免了突發(fā)輸入信元的影響，見圖4。信元間隙it突發(fā)信元低頻粗測距信號圖4 粗測距時(shí)OLT接收到的 上行光信號的組成取樣時(shí)刻由上圖可見，這樣處理后，就消除了突發(fā)脈沖對粗測距信號的干擾，此時(shí)只有接收噪聲會對粗測距信號產(chǎn)生影響。在OLT上利用數(shù)字處理技術(shù)可以很精確地測量粗測距信號的相位。相位測量的參考值是OLT發(fā)送OAM命令的時(shí)刻，如圖5所示，測量出ONUi的來回時(shí)間Tdi后，通知ONUi在下次發(fā)送信元給OLT時(shí)，延時(shí)（Tvd - Ti）即可。由于已

12、知虛擬ONUv的位置，所以Tvd是已知的。OLT任一ONUi虛擬ONUv1/2 Tvd1/2 Tvd1/2 (Tvd-Tdi)1/2 (Tvd-Tdi)1/2 Tdi20km圖5 粗測距過程為了使數(shù)據(jù)信號不受干擾，在突發(fā)接收電路中，已將粗測距信號電平從復(fù)合信號中去掉。粗測距過程的精度是ATM信元的一半時(shí)間。2 靜態(tài)精測距在完成粗測距后，要進(jìn)行基于數(shù)字測量技術(shù)的靜態(tài)精測距SFR（Static Fine Ranging）。為此，分配一個(gè)時(shí)隙給待測距的ONU，以便用它發(fā)送專用的靜態(tài)精測距信元。在PON系統(tǒng)中，它是一個(gè)只包括9個(gè)比特的前導(dǎo)碼信元，置于待測ONU時(shí)隙的中間。靜態(tài)精測距過程有兩個(gè)階段，調(diào)整

13、階段和驗(yàn)證階段。在調(diào)整階段，OLT首先發(fā)送一個(gè)下行OAM信元給待測距的ONU，該信元包括從粗測距過程中得到的待測距ONU 的延時(shí)補(bǔ)償值Td=Tvd-Tdi。該ONU收到這個(gè)OAM信元后，啟動(dòng)靜態(tài)精測距程序，將SFR信元延時(shí)T后發(fā)送給OLT。一旦OLT接收到SFR信元后，使用數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)，該ONU相對于分配給它的時(shí)隙位置就被測量出來。OLT把SFR線路出的延時(shí)補(bǔ)償值再次通知ONU，以便它在下次發(fā)送信元時(shí)用這個(gè)新的延時(shí)取代舊的值。SFR的測量精度是1比特，對于155M/s速率相當(dāng)于6.4ns，對于622M/s速率是1.6ns。在驗(yàn)證階段，要檢查SFR信元是否確實(shí)在分配時(shí)隙的中間。當(dāng)驗(yàn)證成功后。就可

14、以進(jìn)行正常信元的發(fā)送。3動(dòng)態(tài)精測距動(dòng)態(tài)精測距DFR（Dynamic Fine Ranging）用于補(bǔ)償因溫度變化和老化引起的光通道和電子電路延遲的變化。DFR連續(xù)對進(jìn)入OLT的每個(gè)信元進(jìn)行測距。動(dòng)態(tài)精測距是在靜態(tài)精測距完成后進(jìn)行的。動(dòng)態(tài)測距過程一般是這樣的，首先OLT發(fā)出一個(gè)測距授權(quán)（包含在PLOAM信元中）給待測ONUi，該授權(quán)經(jīng)過OLT每的電子電路和光電轉(zhuǎn)換延時(shí)后光信號進(jìn)入光纖傳輸并產(chǎn)生延時(shí)，然后到達(dá)ONUi，經(jīng)過ONUi內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換和電子電路延時(shí)后，又發(fā)送光信號到光纖并再次產(chǎn)生延時(shí)，最后到達(dá)OLT，OLT把收到的傳輸延時(shí)信號和它發(fā)出去的信號相位進(jìn)行比較，從而獲得傳輸延時(shí)值。OLT以離自己

15、最近的ONU的延時(shí)為基準(zhǔn)，可以算出每個(gè)ONU的延時(shí)補(bǔ)償值Td，如圖5所示，并通知ONUi。ONUi在收到OLT允許它發(fā)送信元的授權(quán)后，將待發(fā)送信元延時(shí)Td后再發(fā)送出去，這樣各個(gè)ONU采用不同的Td補(bǔ)償延時(shí)進(jìn)行調(diào)整自己的發(fā)送時(shí)刻，以便使所有ONU到達(dá)OLT的時(shí)間都相同。如果PLOAM信元被ONU正確接收，OLT就可以發(fā)送正常的數(shù)據(jù)信元。為了使OLT及時(shí)地知道傳輸延時(shí)的變化，需要進(jìn)行定時(shí)測距。如果一個(gè)ONU發(fā)送信息的速度很慢，就強(qiáng)迫它發(fā)送PLOAM信元。DFR測量信元前導(dǎo)碼（也稱關(guān)鍵字）在一定窗口的位置以及與期望位置的偏差。當(dāng)測量出偏差后，由動(dòng)態(tài)精測距進(jìn)行校正，即調(diào)整ONU的延時(shí)補(bǔ)償值，確保分配給信元在時(shí)隙中的位置不變。這樣一來，就可以保持兩個(gè)連續(xù)信元間的正常時(shí)隙不變。若是一個(gè)信元前導(dǎo)碼的探測失敗，信元碰撞就有可能發(fā)生，從而引起更多信元發(fā)生碰撞，導(dǎo)致一些ONU的數(shù)據(jù)流堵塞，因此，倘若關(guān)鍵字探測失敗，就必須通過下行PLOAM信道由硬件快速地關(guān)閉相關(guān)的ONU。四、結(jié)束語以上對測量ONU至OLT的補(bǔ)償距離，即補(bǔ)償延時(shí)的原理和方法進(jìn)行了初步的分析。目前，隨著ATM技術(shù)及以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無源光網(wǎng)絡(luò)正逐漸與ATM和以太網(wǎng)技術(shù)融合，出現(xiàn)了ATM無源光網(wǎng)絡(luò)（ATM-PON）和以太網(wǎng)PON（Ethernet-PON）,兩種接入方式傳輸均