光传输技术在有线电视和接入

领域的应用

林如俭/教授


[摘要] 本文综述三十多年来光传输技术在接入网领域的应用,介绍主要的新技术何时和如何被利用,分析该技术在接入网和中国广电电视领域的应用特色。涉及的应用主要有视频/音频传输、多路射频电视传输、互联网接入和多媒体通信。指出了RF叠加1/10G-EPON是实现光纤到家的最佳手段。


引言

从石英光纤问世至今的45年中,光通信已经极大地改变了世界信息产业的面貌,并在很多方面和很大程度上改变了人类的生活方式。除了电话通信以外,光纤电视已经成为广播电视的主要传播方式,而且光纤又为互联网提供了从广域、城域到局域的物理连接。这种变化对中国经济崛起的影响是巨大的。本文将从技术的角度回顾和总结光传输技术在中国广播电视和接入网领域的应用,并展望其发展前景。


模拟基带视频光纤传输系统

从1974-1976年光纤被用于数字电话中继线(美国亚特兰大和芝加哥44.736Mbit/s示范工程)开始,光纤的极低损耗、极宽频带和对电磁干扰免疫等优良特性就吸引了人们用它来传输视频、音频信号的兴趣。那时的视频信号及其伴音信号都是模拟信号,一路视频信号占有频带为5~6MHz,达到96路(4×T1)数字电话的占有带宽。人们曾花了十多年的时间来发展单路视频光纤传输系统和多路调频制视频光纤传输系统。


单路视频光纤传输系统曾先后采用直接光强调制方式和脉冲频率调制——光强调制方式。前者用视频信号直接改变光源的发光强度,受发光管(LED)和激光器(LD)的非线性功率特性的限制,系统输出视频信号的非线性失真大,同时因光调制度被迫取低,故系统输出视频信噪比不高,传输距离通常不超过10 km,只宜用于工业电视监控系统。


脉冲频率调制——光强调制是一种准数字光强调制方式,先用视频信号调变一个等幅、等宽脉冲串的重复频率,再用此被调脉冲串去控制光源的发光强度。接收的脉冲串的时间平均分量就是发送的视频信号,用一个低通滤波器就可以恢复出来。由于视频信号并不引起光脉冲幅度的变化,故光源功率特性的非线性与系统输出信号无关,光调制度可以取得很大,这就决定了脉冲频率调制(PFM)视频光纤传输系统具有输出视频信噪比高、非线性失真小、传输距离远(而且可以中继)等优点。1982~1992年间我国科技人员已先后研制成使用LED和LD的单模光纤PFM视频传输系统,工作于1310nm波长,达到我国彩色视频有线传输的广播级指标(乙级:加权视频信噪比≥62dB,微分增益≤±2%,微分相位≤±2°;甲级:加权视频信噪比≥65dB,微分增益≤±1%,微分相位≤±1°)。在作无中继传输时,采用LED时可达到20km;采用LD时可达到60km。这种视频音频光端机曾在我国畅销十年,广泛用于电视台站之间(例如演播室到发射台、卫星地面站到有线电视前端)的电视节目基带信号的传送,也用于有线电视联网中县到市的节目回传;还用于大型运动会或文艺演出的实况电视新闻转播、导弹和卫星试验场的实况遥远观测及工业、交通监控等等场合。


上述视频光纤传输系统都不能传输多路视频信号。为了实现多路视频/音频信号的远距离传输世界上于80年代发展了频分多路调频(FM)制的视频/音频光纤传输系统。PFM视频光纤传输系统的问题是脉冲波形富含谐波分量,故占据频带很宽,所以不容许多路传输,于是人们想到了模拟调频制。利用模拟视频/音频信号对正弦的副载波实施调频,多个不同频率的副载波就可以携带多路视频/音频信号。通常取一个频道的宽度为40MHz,在700MHz左右的频段中能够容纳16路视频/音频信号,再通过光强调制跨越40-60km单模光纤链路,达到我国的广播乙级指标。这种多路视频/音频光纤传输系统由于价格高、容量不够大、调频制式与广播电视调制体制不兼容,故适用场合有限,不久后就让位于AM/VSB多路射频电视光纤传输系统而退出市场。


数字基带视频光纤传输系统

随着数字技术的发展,特别是高速数字集成电路的成熟,进入21世纪以来基带视频光纤传输系统也走向数字化。出现了三种类型的数字视频/音频光端机。


1、模拟接口数字视频/音频光端机

把模拟视频/音频信号简单数字化(取样、量化、线性PCM编码),不采用任何码率压缩措施,充分利用单模光纤系统的带宽资源,就能达到低成本、高质量、远距离的传输。典型做法是对视频取样值进行10比特量化、对音频取样值进行20/24比特量化,结果光纤传输系统的输出加权视频信噪比可达到70dB以上,远优于我国的广播甲级指标。而且成本低,调试容易,适于大批生产。无中继传输距离可根据应用要求通过选配适当的光器件来满足,当采用1310nm FP激光器和1550nm DFB激光器时,若发送光功率为0dBm,传输距离可分别达到90km和130km,光纤色散的影响基本上观测不到。这种数字视频/音频光端机具有模拟视频、音频接口,模/数、数/模转换在光端机内部进行。它是各种应用场合PFM视频/音频光端机的最佳升级产品。


    这种数字视频/音频光端机的电路部分容许复接与分接。一对光端机最多可传输4路视频和8路音频(16路立体声)信号,无中继传输距离可达65km(1310nm)和90km(1550nm)。若在光路部分进行波分复用,则4个波长的系统容许传输16路视频和32路音频(16路立体声)信号。

      这种数字视频/音频光纤传输系统还容许多次中继,来大大延伸传输距离。


2、SDI接口数字视频/音频光端机

随着数字视频、音频传输技术的进步产生了数字视频、音频传输的各种技术标准。其中,串行数字接口(SDI)标准由移动图像和电视工程师协会(SMPTE)制定,在当今的广播电视行业,对标准清晰度、高清晰度的视频、音频数据的存储、编辑、传输和应用都广泛地采用这个标准。


SDI标准规定了怎样通过同轴电缆在设备之间传送未经压缩的串行数字视频数据。根据数据速率不同,有两种SDI标准:标准清晰度(SD)SDI和高清晰度(HD)SDI。这两个标准的基本电气规范相同,其主要差别是HD-SDI具有更高的数据速率:1.485 Gbps和1.485/1001Gbps,而SD-SDI数据速率范围为143Mbps至540Mbps,最常用的速率为270Mbps。


为了同时传输数字视频和数字音频,须将数字音频信号插入到数字视频信号中,其实就是将数字音频信号插入到视频信号的行、场消隐脉冲中。在4:2:2串行数字视频分量信号中,视频行消隐和场消隐期间的信息是不需要的,这样,就可把音频数据以辅助数据的形式插入到数字视频分量格式的两个空隙中去。视频信号采用10比特采样,而一个数字音频子帧为32比特采样(音频为20比特采样)。


具有SDI接口的数字视频/音频光端机最近几年在广播电视台得到了大量的应用,主要用于传输SD-SDI或者HD-SDI视频信号。在光端机的电输入部分均设置波形整形器来去除电缆传输带来的信号波形劣化。SD-SDI数字视频音频光端机能无中继传输将近120km,HD-SDI光端机能无中继传输80km,并且能进行无损中继,还能够通过光纤放大器来延长传输距离。


3、以太网接口数字视频/音频光端机

  随着以太网技术的发展,具有RJ45以太接口的网络型数字视频/音频光端机已经商用。这种光端机的物理层是以太光收发器,在数据链路层形成以太MAC帧,该帧的净负荷区含有按UDP协议包装的IP帧,而IP帧的净负荷区由按MPEG2或H.264协议压缩编码的视频传送(TS)包组成。


射频电视光纤传输系统

有线电视光纤传输系统是光传输技术在广播电视领域最主要的应用。

我国所称的“有线电视”一词,在国外称为CATV(Cable Television),起初是指用同轴电缆传输的射频电视,后来也包含用光缆传输的射频电视。1947年发源于美国的同轴电缆共用天线电视分配系统不断地扩张,不但跨越了住宅楼、社区、街道,还发展成了覆盖城区,甚至连接乡村的电视分配网。我国在80年后期也出现了第一批覆盖部分城区的同轴电缆有线电视网。但是同轴电缆的损耗随频率递增,即使采用直径12mm的干线电缆,大约每300m就需要设置一个带频域均衡器的射频放大器。沿线路的噪声和信号非线性失真累积使系统的指标迅速劣化,加之电缆接头、供电、防雷等工程施工麻烦、维护不易,且造价很高,阻碍了这种射频电视分配网向大范围的发展。


在国外,人们早就在寻求通过光纤传送多路射频电视的方法,但苦于缺少高线性、大功率、低噪声的光源。高线性的要求是首位的,因为射频电视信号是模拟信号,多路模拟信号通过非线性器件会产生大量的互调(inter- modulation)和交调(cross-modulation)产物,形成频道间的载波串扰(表现为电视机屏幕上的网纹)和信号转移(表现为电视机屏幕上的串台)。其次,对于点到多点的电视分配系统没有大功率、低噪声的光源就无法保证用户端获得足够大的载噪比(表现为电视机屏幕上的雪花)。直到1989年1310nm大功率分布反馈(DFB)半导体激光器在美国Ortel公司研制成功并转入生产,才使多路AM/ VSB射频电视的光纤传输成为现实。1995年AM/VSB外调制1550nm光发送机和掺铒光纤放大器又走向成熟,为长距离和大范围的射频电视传输和分配提供了强有力的手段。


1、副载波复用光纤传输技术

谈到通信体制,人们需要的自然是一个物理介质上的多路通信。有频分多路(FDM)与时分多路(TDM)两种多路通信技术。在通信发展的历史上,总是先有FDM体制,然后有TDM体制。FDM体制是多载波的并行传输,不但用于载波电话,而且用于广播电视。系统容量越大,要求的频带就越宽。从70年代开始,时分串行的基带数字电话体制(PDH和后来的SDH)代替了载波电话体制。对于电视,在有效的数字编码压缩技术被标准化和工业化以前,人们依赖的仍然是FDM体制。至于物理介质,电话经过了对称明(铜)线、小同轴电缆、中同轴电缆到单模光纤的演变,电视则经过了无线、同轴电缆到单模光纤的演变。


多路AM/VSB射频电视光纤传输系统与多路FM射频电视光纤传输系统同属副载波复用光纤传输系统。前者对后者的优势在于:(1)残留边带调幅(AM/VSB)制的广播电视信号占用较窄的频道宽度(对PAL-D为8MHz),在中国广电规定的84-862MHz频带内共包含94个频道,使电视分配系统的容量极大。2)这种信号可由家用电视机直接接收,故系统构造方便。


2、直调式AM/VSB射频电视光纤传输技术

只要有高线性的直接调制光源,多路AM/VSB射频电视光纤传输系统的工作原理是极为简单的,如图1所示。半导体激光器(Laser)的功率-电流特性(P~i)在门限电流Ith以上是理想线性的,射频信号电流i流过激光器,发送光功率P 的波形会无失真地再现射频信号电流i的波形,只要光调制度m足够小。在光纤末端光探测器(Photo-diode)输出的光电流ip与接收光功率Pr成线性关系,即与发送光功率P成线性关系,所以光电流ip将再现射频信号电流i的波形。

图1(a) 直接光强调制系统

图1(b) 激光器的线性驱动

实际上,由激光器内部电光耦合过程决定的动态本征非线性和多频道总的瞬时驱动电流偶然摆动到门限电流以下时产生的削波效应仍然使光功率波形发生失真。对良好的激光器而言,削波失真是系统二阶互调和三阶差拍的主要限制因素,并受到频道数N和每频道光调制度m的制约。AM-VSB射频光纤传输系统的组合二阶互调(CSO)定义为落入某一频道中某一频点上的二阶互调产物(频率为fi±fj)的总功率与该频道图像载波功率之比(单位为dBc)。组合三阶差拍(CTB)定义为落入某一频道中某一频点上的三阶互调产物(频率为2fi±fj)和三阶差拍产物(频率为fi±fj±fk)的总功率与该频道图像载波功率之比(单位为dBc)。多频道信号电流的高斯统计表明,在满足m(N)0.5=0.35时由削波决定的CSO和CTB的值都在-70dBc左右,满足所有应用的要求。故光调制度须按与频道数的平方根成反比而设置,例如N=49,m=5%;N=81,m=3.9%。先进的AM-VSB光发送机中具有光调制度的自动控制电路和非线性予失真补偿电路。

AM/VSB射频光纤传输系统的载噪比(C/N)定义为某一个频道的图像载波功率与该频道内的噪声功率之比(单位为dB),由接收平均光功率与光调制度之积的平方、前置放大器电路噪声功率、光电转换散弹噪声功率(正比于接收平均光功率)和激光器相对强度噪声功率(正比于接受平均光功率的平方)决定。在典型的接收光功率-3dBm下1310nm波长的AM/VSB射频光纤传输系统的载噪比可达50dB。在此接收光功率附近,接收光功率降低1dB,载噪比约降低1dB。


3、外调式AM/VSB射频电视光纤传输技术

1310nm波长的AM/VSB射频光纤传输系统的主要缺点是传输距离较短,这是由于商用激光器的发送光功率最大只有+12dBm,如果要求接收光功率为-3dBm,则链路损耗最多只有15dB,点对点传输距离最大只有37.5km。将工作波长移到1550nm,光纤损耗常数降低40%,加上掺铒光纤放大器(EDFA)的利用,传输距离可大大延长。在不需长距离时,富裕的光功率可供应更多的光节点。因此1550nm波长的射频光纤传输系统是长距离、大范围联网的强有力手段。


1550nm波长射频光纤传输系统需要使用外调制光发送机。1550nmDFB激光器不被调制,以避免光源波长啁啾与大的光纤色散的结合所造成的信号二阶失真。外调制器通常采用铌酸锂(电光晶体)介质波导构成的Mach-Zehnder光干涉仪,它的损耗特性依赖于射频电极上的外加电压,并具有升余弦形状。将直流电极上的偏压加到该损耗特性的线性中点,输出光功率就随外加射频信号电压作线性变化,但光调制度必须被控制到比直调式光发送机略低,约3.5%。铌酸锂电光调制器的损耗特性会随温度而漂移,故其偏置点需要受到自动控制。另外射频信号也需要经过予失真补偿电路再加到外调制器上,以保证最佳的非线性失真指标。经过外调制器的插入损耗,1550nm光发送机的输出功率不大,一般有两路+7-+9dBm,通常外接EDFA,再输出给光纤线路。典型的入纤光功率为+17dBm、接收光功率为0dBm时,不含线路光纤时达到的技术指标有:C/N=53dB,CSO=-65dBc,CTB=-65dBc。


在使用1550nm波长射频光纤传输系统时须防止受激布里渊散射(SBS)现象的发生。受激布里渊散射是石英光纤中的一种非线性现象,发生在入纤光功率高于一定门限时,产生反向散射光,它具有相对于入射光的频移,同时消耗入射光的功率,其结果就是系统输出载噪比的急剧跌落。在1550nm光发送机中须采用SBS抑制措施,通常是在外调制器上叠加微波电压进行附加调相,展宽光谱,从而把SBS门限功率提高,能达到+17-+19dBm。在系统应用时控制入纤光功率低于SBS门限功率,就能避免SBS现象。


在长距离1550nm波长射频光纤传输系统中要每隔一段距离加一个EDFA来补偿光纤损耗。EDFA的介入,其内部自发发射噪声(ASE)会造成系统载噪比的跌落。理论和实践证明,这种载噪比跌落取决于EDFA的输入光功率与噪声系数之比,输入光功率越大,系统载噪比跌落越小(逼近1dB)。另外,EDFA的引入基本不影响系统CSO和CTB指标。这样,就容许多个EDFA的级联,构成超长距离的1550nm射频光纤传输系统。但是传输距离超过80 km时,大功率作用下光纤中另一种非线性现象—自相位调制与光纤色散的结合会造成系统CSO的劣化。为避免这种劣化,应当在线路的适当地方串接色散补偿器。常用的色散补偿器有光纤Bragg光栅和色散补偿光纤等。在过长的光纤段末端,出纤光功率太低,EDFA会造成系统载噪比的过度跌落,这时可以在EDFA之前向光纤反向注入泵浦光功率,形成在线喇曼放大,以提升EDFA的输入光功率。巧妙运用这些技术的集合就可以构造距离长达300~400km的模拟电视光纤传输系统和距离长达600~800 km(甚至1000 km)的数字电视光纤传输系统,而其造价远远低于SDH数字光纤干线。


实践证明,1550nm副载波复用光纤传输系统不但适合于构造市县联网的超干线和城域网中连接前端/分前端的模拟干线,而且适合做电视分配网的光支线,直到用户楼房或村庄。1550nm电视分配网的造价一般比1310nm电视分配网的造价低30-40%。


作为电视分配网的HFC网

从1989年开始,采用AM/VSB光纤传输系统的光电结合射频电视分配网在美国大规模敷设,与传统的同轴电缆CATV网相比信号质量显著提高,节目数(频道数)大大增加,网络覆盖范围迅速扩大。


1992年5月中国第一个光纤CATV科研示范工程由上海科技大学倡导和设计,由上海市科委支持在上海市嘉定县完成,它采用光纤到馈点(FTTF,Fiber to the Feeder)模型,从电视台敷设星型的AM-VSB光纤传输干线到各个居民小区,在小区光节点(Node)完成光电转换,再通过树形同轴电缆分配网把射频电视节目传送给居民家庭。一个光节点的覆盖用户数为2000户。在上海科技大学科技人员的帮助下,10月,上海有线电视台到长宁区的光纤CATV干线开通。12月,江苏省无锡市的光纤CATV干线也顺利开通,于是1992年成为中国光纤CATV网络大发展的元年。


1993年美国AT&T的贝尔实验室把FTTF光电结合射频电视分配网命名为光纤同轴混合(HFC,Hybrid Fiber and Coax)网。十多年来这种技术在美国造成了覆盖6500万家庭的CATV大网。在中国,2300多个市县都先后采用1310nm或1550nm AM/VSB光纤传输系统来建设有线电视网。光节点设在野外,依据中国广电行业标准,在光节点输出端测得的射频技术指标通常定为C/N≥49dB,CSO≤-61dBc,CTB≤-65dBc。进入21世纪以来,全国进行从模拟电视到数字电视的整体转换,HFC网的副载波复用光纤传输设备没有变化,只是承载的信号从AM/VSB模拟电视信号变成QAM调制数字电视信号。到2014年底,全中国的HFC网共覆盖了2. 31亿家庭,其中数字电视用户达到了1.86亿户。


作为宽带接入网的HFC网

1、三种光电结合宽带接入网

90年代后半期互联网开始大普及,建设作为国家信息高速公路连接千家万户的最后1英里的宽带接入网成为社会信息化发展的重大任务。世界上发展了三种光电结合的宽带接入网:FTTC+ADSL(光纤到路边+非对称数字用户环路)、FTTB+LAN(光纤到楼+局域网)、HFC+Cable Modem(光纤同轴混合网+电缆调制解调器)。这三种接入方式中的铜介质分别是电话线(非屏蔽双绞铜线)、5类线(非屏蔽数据电缆)和同轴电缆。除了5类线是为传输数据设计的以外,非屏蔽双绞铜线原来是设计来传输音频信号的,而同轴电缆原来是设计来传输射频信号的。为了利用这些已广为敷设的铜缆来同时传输数据信号,就不得不利用载波数据传输技术,即数据对载波的调制解调技术。


ADSL技术由美国Bellcore公司发明于80年代后期,它利用先进的调制解调技术,如正交幅度键控(QAM)、无载波调幅调相(CAP)、离散多频调制(DMT)等,在一对铜双绞线上传送数据分组,下行传输速率可达1.5~8Mbps,上行传输速率可到16-640 kbps。在频谱上同时兼容话音信号。ADSL的缺点有:(1)受到电话电缆中线对间串扰的限制,一根电缆中挑出来能用于ADSL的线对的比例只有20~25%。(2)速率越高,可用距离越短。ADSL的带宽不能支持综合业务接入网。


FTTB+LAN是一种计算机局域网技术。它从城域网的边缘以太交换机出发采用点到点以太光收发器连接用户楼宇内的以太交换机或以太集线器,然后用5类线连接用户电脑。这种接入技术的优点是价廉,这得益于以太网的协议简单和高普及率(全世界90%的电脑是靠以太网连接起来的)。但是从本质上看,以太网是一个点到点(peer to peer)的对等网络,没有网络管理,把局域网当成接入网,对办公室尚可,对住宅用户则不妥。因为在传统的以太网技术体制下存在信息私密性问题和用户管理问题。


HFC上的Cable Modem技术自90年代后半期开始由美国MCNS(多媒体同轴网络系统)组织和CableLabs(电缆实验室)发展,先后制定了DOCSIS1.0、DOCSIS1.1、DOCSIS2.0和DOCSIS3.0标准。DOCSIS电缆调制解调器系统承载IP数据包。DOCSIS把计算机网络的OSI七层模型的物理层划分为物理层和传输会聚子层,把数据链路层划分为媒质访问控制子层和数据链路加密子层 。媒质访问控制(MAC)子层采用时分多址(TDMA)方式,局端CMTS对用户端CM接入上行信道进行控制,以免多个CM同时传送数据而造成数据碰撞,并实现带宽分配。物理层(PHY)负责数据对射频载波的调制和解调。调制和解调制式在下行方向为64QAM和256QAM,在上行方向为QPSK和16QAM。传输会聚(TC)子层只存在于下行通道中,计算机数据在TC子层被封装入188字节的MPEG-2帧中,使DOCSIS数据能与其他业务的MPEG传送流复接而为同一个射频载波所载送。为了容纳IP电话(Voice over IP)、IP视频等定时数据业务,DOCSIS1.1在DOCSIS1.0基础上进行了扩展。采用业务流、数据包分类和上行业务流调度服务来保证业务质量(QoS);利用数据包分片来减少IP电话的时延和时延抖动;利用净荷包头抑制来提高传输效率等。EuroDOCSIS针对欧洲市场而制订,其物理层划分上行频段为5-65MHz,下行频段为96-864MHz,下行频道间隔为8MHz。下行数据速率为41.71 Mbps(64QAM)。纠错码格式为ITU-J83 Annex A,与欧洲的DVB(数字视频广播)标准相容。中国Cable Modem系统的广电行业标准基本上采用了EuroDOCSIS1.1。DOCSIS2.0主要增强了上行物理层性能,采用S-CDMA(同步码分多址)体制改善了抗突发干扰的性能,同时提高了上行码流带宽,使Cable Modem系统能在C/N=15dB的条件下在6MHz频带中进行8.192Mbps的双工传输,误码率为10-8。当上行通道的载噪比降为6dB时,系统仍能维持通信。DOCSIS3.0协议的制定于2004-2008年间完成,其关键点是采用频道绑定技术来扩大下行和上行吞吐量。


技术本质上,HFC原来是一个点到多点的广播式网络,在同轴电缆部分存在上行频带拥塞(6-65MHz)和电磁干扰严重(漏斗效应)的问题。为了解决这些问题,只能把一个光节点覆盖的同轴电缆用户数逐步减少(2000户—500户—300户—100户—50户),于是就需要设置越来越多的光节点。数据传输要求把HFC网双向化,而这需要巨大的投资。这个投资既要用于更换业已老化的屏蔽性能不好的同轴电缆和无源器件,把单向放大器换成双向放大器,又要用于增设许多双向光工作站,还要在前端大大增加光发送机(或发送光功率)的数量,并增设许多反向光接收机。更为难的是,HFC网主体所用的下行波长是1310nm,而上行波长又是1310nm,在架设上行光路时就不得不从每个光节点加设一条独立光纤回到前端。高昂的建设费用在中国只有几个特大城市(北京、上海、深圳、广州)支付得起,事实证明HFC+Cable Mode不能在中国大规模推广。


2、光进铜退是宽带接入网的共同选择

上述各种宽带接入网的问题,归根到底是铜介质的带宽瓶颈。因此“光进铜退”,实行FTTB(光纤到楼)、FTTO(光纤到办公室)、FTTH(光纤到家),或总称为FTTP(光纤到驻地)、FTTx,是世界各国的共识。


FTTH当然是世界宽带接入网的最后归宿,而其它各种FTTx都是适合一定条件的过渡方式。


光接入网的最佳技术

1、无源光网(PON)

从1999年底开始的三年中,世界陷入了光产业的寒冬。光泡沫的破裂来源于对波分复用高速核心网(光干线和光城域网)作盲目投资的同时,却极大地忽视了光接入网的技术研发和产业形成,铜线瓶颈造成用户业务无法上到信息高速公路,以致若干年中美国敷设的光缆干线中90%的光纤都是暗而未用的。在2003年以后的七年中世界光通信逐渐复苏,其原动力就是FTTx运动。FTTB/H所依赖的光纤接入网技术是时分多址的无源光网(TDM-PON),主要有EPON、BPON和GPON。


PON是无源光网(Passive Optical Network)的简称。PON的结构如图2所示,由置于局端的光线路终端(OLT)、置于用户端的光网络单元(ONU)及两者之间的1:N光纤分配网(ODN)组成。N个ONU共享一个OLT和长达10-20km的光纤干线,并利用波分复用器(WDM)工作于单纤双向传输方式。ONU置于用户楼房,系统是FTTB,ONU置于用户家庭,系统是FTTH。PON的关键优越性是外线路无源,与以往的任何外线有源的接入网相比,节省了机房建设、设备装备、电力供应、日常维护等一系列费用,而且也使传输系统更加可靠。OLT和ONU都由媒质接入逻辑电路(MAC控制器)、光收发器和波分复用器组成,但OLT是主控端,ONU是受控端。TDM-PON在上行方向(ONU—OLT)都工作于时分多址(TDMA)方式,即由OLT的MAC控制器为一个ONU的MAC控制器规定该ONU的发送开始时刻和发送持续时间,让各个ONU轮流发送,以此来避免两个以上ONU同时发送时的数据碰撞,并完成对各个ONU的带宽分配。依据数据格式和相应的媒质接入逻辑的不同,于是有BPON、GPON、EPON的区分,其中EPON是以太无源光网的简称,它传输的是变长的以太帧,因此它的MAC控制器是用来处理以太帧的发送、接收和控制的。

图2 PON的构成

以太无源光网与传统的光纤以太网的不同在于:(1)点到多点外线无源结构造成光纤、光收发器的节省;消除中间机房更造成固定资产和运行费用的节约;消除中间环节使网络可靠性提高。(2)把传统的对等网络变成主从式网络,ONU的接入完全由OLT控制(包括注册、接入授权和带宽分配),网络设备的运行、维护和管理,特别是对ONU流量的监控都由OLT进行,并在EPON协议中予以规定。这样就把以太网从一种无管理的局域网升级成了有管理的以太接入网(EAN,Ethernet Access Network),特别适用于住宅接入环境。


EPON协议简单,与传统以太设备兼容,故EPON的成本最低,易于推广,而且在各种接入网中速率最高。这一代是1G-EPON,下行和上行速率为对称的1 Gb/s(IEEE 802.3ah标准);下一代是10G-EPON,其下行速率为10Gbps,上行速率为10Gbps或1Gbps(IEEE 802.3av标准)。在各种PON的比较中,EPON结合以太技术的简单性、光纤传输的高带宽以及点到多点无源结构的低成本,实现经济的、可控制的、多业务的宽带接入,是优选的光接入网,将在FTTx中扮演主要的角色。


2、突发光收发技术

TDM-PON的出现把光通信技术推进到了一个新的高度。

过去的光通信系统,无论PDH、SDH、以太网等等都是点到点的光纤传输系统,系统端机都工作在连续发送和连续接收的模式。在通信的任一方向,光发送机中的激光器一直在发光,自动功率控制(APC)容易实现;光接收机看到的是连续的光信号,因此对数字信号的定时提取和判决再生都容易完成。现在TDM-PON的上行方向则不然,ONU的光发送时断时续,突发发送让瞬时APC较难实现;OLT的突发接收首先要求光接收机的判决门限或放大器增益能在两个突发光包之间作自适应调整。例如在图3中,前一光包峰峰幅度大(说明来自一个近处的ONU),需要的判决门限高或放大器增益低,而后一光包峰峰幅度小(说明来自一个远处的ONU),需要的判决门限低或放大器增益高,光接收机的自适应设定须在很短的时间内完成。另外对新到光包所携带数字信号的时钟恢复须在光包的前导码时间内完成,否则无法进行对后续有用数据的判决。为此,TDM-PON有几项突发时间参量必须由光收发模块来满足,它们是:激光器开启时间Ton、激光器关闭时间Toff、光接收机设定时间Trs和时钟数据恢复时间Tcdr。

图3 TDM-PON的突发参量

在这一方面,1/10G-EPON是最宽松的,802.3ah和802.3av规定Ton=Toff=512 ns,Trs=Tcdr=400 ns,这是EPON设备能够迅速产业化且价格低的重要原因。


3、EPON与GPON的对比

同为综合业务接入网的EPON与GPON,设计思路不同。

作为世界上最普及的承载IP数据包的以太网向接入网的演进,EPON传送的是变长的以太帧,帧与帧之间靠空闲字符填充。对各种业务应用的承载是通过IP包对应用数据的包容来实现的,而对业务质量(QoS)的保证则是通过IP包的业务类型(ToS)字符、以太MAC帧中的优先级标识和VLAN划分,再通过EPON多点MAC控制中的带宽调度过程而实现的。1Gb/s到10Gb/s或更高速率的提升没有上行突发参量的障碍。


GPON要承载传统TDM电话业务和各种IP业务,采用了定长(125μs)的汇聚帧,需要严格的定时操作。通用的封装方法(GEM)把汇聚过程变得复杂,如图4所示。特别是对上行突发控制规定了苛刻的突发参量,例如Ton=Toff=16比特,Trs=Tcdr=55比特,给集成电路和光模块的运行造成了很大的困难。这不但使GPON产品的成熟推迟四年,而且卡死了上行速率提高的道路。试想,对于2.488Mb/s速率,1比特=0.4ns;若要上升到10Gb/s速率,则有1比特 =0.1ns,16比特=1.6ns!没有集成电路和光模块能在这样短的瞬间完成开或关。 因此下一代GPON的单波长上行速率不能达到5Gb/s以上。

图4 GPON与EPON的封装协议

从传输速率比较,EPON的1Gb/s低于GPON的2.488Gb/s。在同样分光比前提下,采用GPON可以减少OLT端口数。但比较10G-EPON和XG-PON1,下行速率相当;而上行速率,10G-EPON有10 Gb/s和1Gb/s两种,选择和升级余地更大。 XG-PON1则只有2.488Gb/s,更高速率不能实现。所以在速率方面GPON比EPON并没有优越性。


从QoS保证比较,EPON和GPON的实现机理本质上是一样的。

从多种业务支持看,EPON是一种计算机网络设备,它传输变长的以太数据帧,而以太数据帧天生就是用来载送IP数据报的。应用层的各种业务数据字节只要能装入IP包,就能通过EPON。GPON标准规定要支持TDM电话业务和专用线,还要支持Ethernet 业务(含IP业务和MPEG视频流)。GPON 本来就是为电信营运商设计的。而为了载送TDM电话流,必须采用定长帧。就不得不在发送端将以太流切断成125μs段落,在接收端又来重组以太流,增加许多软硬件成本。这对于IP业务完全是“削脚适履”。


综上所述,在速率、QoS、IP多业务承载等方面,EPON产品与GPON标准规范得相当,但每单位带宽成本EPON则要比GPON低得多。EPON的技术更成熟,更早被市场接受,更早进入大规模商用阶段。升级发展路线图更清晰。对于非传统电信营运商的广电营运商,即使在三网融合条件下现在不会,而且永远不会去从事TDM电话业务,因为TDM电话被IP电话取代已经成为世界潮流。所以为TDM业务而生的GPON对广电营运商来说没有什么特别吸引人的价值。


4、下一代TDM-PON

在世界上,光技术的应用已经把核心网的运行速度推进到100Tb/s量级,单波长运行速率推进到1Tb/s量级。400Gb/s光以太设备的标准已在探讨之中。在这个背景下光接入网的速率有必要发展到100/40Gb/s量级,而每家庭1Gb/s接入速率正在受到关注。

图5 无源光网的发展路线图

IEEE802委员会已于2015年7月成立下一代EPON(NGEPON)研究组。前期研究将为40G-EPON的标准制定奠定基础,并探讨100G-EPON的可能性。一个PON拟首先采用4个波长,每波长10Gb/s或25Gb/s。数据对光波的调制方式可能是PAM-4(四电平调幅)或Duo-binary(双二进制)。还将采用新型的前向纠错(FEC)技术。现在的关键技术是如何达到每波长25Gb/s的传输速率,以及如何实现波长的调度。

图6 NG-EPON的研究路线

ITU-T也在开发XGPON-2标准,采用多波长来达到40Gb/s速率。第一个协议是TWDM-PON。由于继续采用没有波长选择性的光分配网,迫使ONU光发送机要采用可调激光器,光接收机要采用可调光滤波器,如图7所示。由于成本高,动态控制难,迄今可行性差,尚待完善。

图7 TWDM-PON的构成方案

5、PF-TV 叠加的EPON

1/10G-EPON的出现和成熟为有线电视HFC网演进为高速的、综合业务的宽带接入网提供了出路。


HFC网是一种点到多点的、频分多路的射频传输网络,它是优秀的:下行频带宽阔、容量大;副载波复用模数兼容;技术成熟,非常适合于广播电视业务。但是要把它变成可靠的双向网络则十分困难,要求的投资太大,而数据通信通过Cable Modem所需成本高,带宽资源有限,没有足够的发展余地。

EPON是一种点到多点的、时分多路的基带数据网络,它是优秀的:传输容量大(特别是10G-EPON);价格低廉;技术成熟;与普及率最高的以太网连接方便。它承载IP数据包,因而适合于提供所有的IP业务:Internet接入、IP电话、IP-TV等等。


将上述两者结合起来,可以形成一个三网融合的包揽一切业务的宽带接入网。这种结合的物理基础在于以下两方面:


(1)只要将光节点下移到用户大楼或用户家庭,则HFC和EPON可以共用一个点到多点的光分配网(ODN),因为两者的网络拓扑天生是匹配的。


(2)HFC的频分多路射频信号和EPON的时分多路基带数据不能直接叠加,但是采用波分复用技术,两者的光载波只要波长适当错开,就可以复用在一条光纤中。为此IEEE802.3 LAN/MAN标准委员会在制定1G-EPON和10G-EPON标准时已经考虑了网络融合问题,特别把1550nm留给了射频电视,而将EPON的下行波长旁置,决定的波长安排如图8所示。

图8 1/10G-EPON的波长配置

于是一个特别适合于广电运营商的新的宽带接入网方案应运而生,如图9所示,称为RF-TV overlay EPON。

图9 RF-TV overlay EPON

首先,它是光纤到楼或光纤到家的1550nm波长的广播电视网,不但保留了HFC网的全部优点,而且由于外线光纤化,外线再也不需供电;不怕雷击,网络可靠性大大提高;外线免去维护,网络管理也大大简化。射频电视广播不需要回传通道,不需要Cable Modem,所以投资将大大节省。同时,它又是EPON。前端OLT与楼头或家庭的ONU间进行着双向数据通信。它负责提供全部IP业务和网络管理通道。


为了使两者叠加,在OLT的输出端设置WDM合波器,把EPON的下行光波(1490nm波长或1577nm波长),与HFC的下行光波(波长1550nm)耦合进光纤线路。在ONU中包含WDM分波器和射频电视光接收机,这种三波长ONU就是HFC和EPON的共同光终端。网络结构之简洁保证了它的低成本。


对电视业务而言,RF-TV overlay EPON同时提供了广播电视(RF-TV)和互动电视(IP-TV)两个通道。广播电视(包括SD和HD)业务集中在RF通道进行,而把互动电视(如VoD等)集中在IP通道进行。广电营运商再也不必为了在HFC网开通互动电视而耗费巨资增添大量的IPQAM设备。


结语

全世界都在“光进铜退”,FTTx运动如火如荼。光纤化、外线无源化、IP化是有线传输领域接入网技术发展的总趋势。RF-TV与EPON的波分复用叠加应被领悟为NGB宽带接入网的主流技术。在这方面10G-EPON的应用十分重要。一栋公寓楼居住50户,若有五分之一要同时通信,每户要用60Mbps数据流量,每栋楼的总数据流量就是600Mbps,这么大的接入数据流量只有10G-EPON的OLT能够支撑。


光通信已发展45年。光纤传输在广播电视领域的应用也发展了40多年,在中国的广播电视领域已应用32年。从起初传输单路模拟基带视频/音频信号、多路模拟基带视频/音频信号,到传输数字基带视频/音频信号,再到传输多路射频电视信号(模拟调制和数字调制),最后到携带数据信号;从采用多模光纤到采用单模光纤;从采用1310nm波长到采用1550nm波长,光纤传输技术的每一次进步都被应用到中国广播电视领域里来,包括:常规光纤光缆及其配件、特种光纤(非零色散位移单模光纤、掺铒光纤、色散补偿光纤)、光有源器件(DFB激光器、FP激光器、泵浦激光器、PIN光探测器、APD光探测器、光收发器、突发光收发器)、光无源器件(光耦合器、光分路器、波分复用器、光隔离器、光纤光栅、介质薄膜光滤波器、增益均衡光滤波器、Mach-Zehnder光干涉仪、铌酸锂电光调制器、光开关、光衰耗器、光纤连接器)、光传输设备(1310nm直调式光发送机、1550nm直调式光发送机、1550nm外调式光发送机、掺铒和饵镱共掺光纤放大器、喇曼光纤放大器、光接收机、以太光收发器、OLT、ONU)等等。形成了一个庞大的光产业。


光传输技术的引入,在世界范围内开辟了电话以外光纤在电视、数据领域的海量市场,促进了中国广播电视技术的巨大进步,特别是造就了一个已经覆盖2.3亿户城乡家庭的有线电视网,使中国居民享受上百套广播电视节目,并已经为几千万用户提供互联网上网、互动电视和其他多媒体业务。相信光传输技术在广播电视领域将会得到进一步的应用,保证中国NGB和宽带中国战略目标的逐步实现。同时光传输技术的广电应用也会促进中国光电产业的快速发展和升级,从而为中国经济的腾飞和中国社会的和谐发展作出重要的贡献。


参考文献

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[5] 林如俭,一次思想解放运动——北美广电人如何看FTTP(光纤到驻地),世界宽带网络,2009年10月。

[6] 林如俭等,光纤到楼(FTTB)是下一代广播电视网的必由之路,第17届国际传输与覆盖研讨会(杭州,2009年10月)论文集。

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[8] 林如俭,光纤到家(FTTH)正当时,2014国际传输与覆盖研讨会(杭州,2014年10月)论文集。

[9] 林如俭,《光纤电视传输技术》(电子工业出版社,第二版,2012年11月)。


[作者简介]

林如俭,上海大学通信与信息工程学院教授,博士导师,上海市与教育部共建《特种光纤与光接入网重点实验室》指导教师。社会兼职有:上海市通信学会理事、光通信专业委员会委员、中国广播电视学会有线电视专业委员会委员、美国IEEE会员、IEEE802局域网/城域网标准委员会802.3研究组委员、802.3av10G-EPON、802.3bnEPoC任务组组员。上海凌云天博光电科技公司首席科学家。从事光纤通信系统与宽带接入网研究、开发三十六年,发表了论文210多篇,拥有和申请中国专利20多项。

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