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摘要：无源光网络（PON）是当今最具市场竞争力的宽带接入技术。本文在对时分复用（TDM）、波分复用（WDM）和TDM-WDM级联的PON架构概要评述的基础上，采用Optisystem光通信仿真设计软件，对不同接入带宽下三种网络架构的传输性能进行了量化比较，其结果可为PON架构的实际铺设提供理论参考。
关键词：无源光网络，TDM，WDM，Optisystem
1三种PON架构概述
PON由位于中心局的光线路终端（OLT）、位于用户侧的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成。在TDM-PON架构中，下行采用广播模式将OLT发出的光信号经由ODN处的光分路器分成若干份传输到用户侧的ONU，上行采用时分多址（TDMA）接入技术，带宽为用户所共享，这实质上限制了每个用户的可用带宽。在典型的TDM-PON中，上行波长为1310nm，下行波长为1490nm/1550nm，综合语音和数据流往下传送时使用1490nm的波长，视频信号传输时使用1550nm的波长。
在WDM-PON中，OLT采用多波长收发机，它末端的ONU也必须使用特定波长的收发机，多个波长通过阵列波导光栅（AWG）实现波分复用，理论上这是一种简单的解决方案。但实际上由于要求OLT能够接收多个波长信道，这就要求光收发具有可调谐性，如此使得OLT设备的成本相对较高。同时WDM-PON要求网络运营商能够同时维护多种不同工作波长的ONU，而不是一种ONU，这就使运营成本有所提高。就目前的实际情况来看，一般用户还很难承担起如此高昂的费用[3]。
在TDM-WDM级联的架构中，时分复用技术和波分复用技术被很好的结合起来，它非常适合从TDM-PON到WDM-PON的过渡。这种混合网络架构实际上在网络容量和实现成本两方面进行了折衷，它既具有TDM-PON中无源光功率分配的优点，又具有WDM-PON中AWG所带来的优点，可以充分利用光纤巨大的带宽资源，也可以缓解TDM-PON对传输距离的限制，而且相比较WDM-PON而言，网络架构的成本也有所缩减。
2实验仿真
基于上述理论分析，利用Optisystem软件构建了三种PON架构仿真模型。图1是TDM-PON的仿真框图，下行链路的传输波长为1550nm，通过光分路器来将信号分成16份，分别传输到各ONU。上行链路传输波长为1310nm，利用光开关来实现各ONU之间的时分复用。将系统的传输速率设置为1.25Gbps，取光纤长度为20km，上下行链路的系统功率余量通过衰减器来实现。
图1 TDM-PON仿真框图
图2给出的WDM-PON的仿真框图，在该结构中OLT采用16波长的发射机，信道的起始频率为193.1THz，信道间隔为100GHz，ONU采用单波长发射机，每个ONU采用不同波长，利用双向AWG实现上下行链路的波分复用，其余参数同上图。仿真结果显示，取光纤长度为20km时，当OLT侧入纤光功率为-6.2dBm，ONU侧入纤光功率为-6.8dBm时，上行链路的BER=4.01581e-009（Q=5.76681），下行链路的BER=2.1631e-009（Q=5.87078）。
图2 WDM-PON仿真框图
图3所示的是TDM–WDM PON的仿真框图，OLT采用4波长发射机，信道的起始频率为193.1THz，信道间隔为100GHz，依次输出的4个不同波长的信号再经过一个1：4的分路器分配给4个ONU，ONU侧为单波长发射机，ONU1-ONU4的发射机频率为193.5 THz，ONU5-ONU8发射机频率为193.6THz，依次类推，将16个ONU按发射机频率分为四组，相同频率的ONU之间可以利用光开关实现时分复用，不同频率的ONU之间通过AWG实现波分复用，其余参数同上。仿真结果显示，取光纤长度为20km时，当OLT侧入纤光功率为1dBm，ONU侧入纤光功率为0dBm时，上行链路的BER=8.04581e-009（Q=5.64908），下行链路的BER=4.24877e-009（Q=5.75808）。
图3 TDM/ WDM-PON仿真框图
由上述仿真结果可知，当三种PON架构的传输距离相同时，WDM-PON对OLT和ONU发射机的入纤光功率要求较低，所以当OLT和ONU的发射机入纤光功率一定时，WDM-PON的传输性能最佳。
作为总结，将OLT侧的入纤光功率固定为3dBm，接入的ONU数量均设置为16个，其余参数同表1和表2。仿真给出的不同架构下行链路最大传输跨距与系统接入带宽的关系如图4所示。
图4 系统接入带宽与最大跨距的关系
由图可以看出：随着接入带宽的增加，每种PON架构所能实现的最大跨距直线下降；在相同的接入带宽条件下，利用WDM技术的PON架构能够实现较大的传输跨度，这主要归因于AWG相对于光分路器的较小插损。
对于TDM-PON架构，由于不同端口数的光分路器的损耗不同（见表1），则采用不同端口数的光分路器，在系统传输速率一定下所能达到的最大传输跨度不同。对于TDM-WDM级联的PON架构，接入 ONU的数量变化可以有两种方式，一种是保持OLT侧的发射机和AWG的信道数不变，通过改变分路器的分支比来达到接入ONU数量的变化；另一种是分路器的分支比保持不变，通过改变OLT侧的发射机和AWG的信道数，来实现接入ONU数量的变化。本文主要对第一种方式给出分析即OLT侧仍采用4波长信道发射机，通过1：2、1：4和1：8的光分路器来到达接入ONU数量的变化，此时，PON架构的最大传输跨距随着光分路器端口数量的变化而变化。对于WDM-PON架构，是通过增加发射机的波长来实现网络的扩容，AWG器件的损耗不会随着波长数目的变化而变化。
在同一接入架构中，在系统的接入带宽一定的条件下，如果采用的分光器端口数目越多，则系统所能传输的最大跨距越小；在接入用户数相同的情况下，采用TDM-WDM架构较TDM架构所能传输的距离要远，其主要原因是采用WDM技术所致。可以看出：由于AWG损耗较小且不随波长数目变化，所以无论接入用户数目怎么变化，接入带宽和传输跨距的关系保持不变，且传输距离较TDM-WDM PON更远。
3 结束语
本文主要介绍了TDM、WDM和TDM-WDM PON架构的特点，通过Optisystem仿真软件比较分析了几种PON架构在系统接入带宽不同时的最大传输跨距。分析表明，WDM-PON在系统接入带宽一定下所能传输的最大跨距最远。但由于技术成熟的程度以及价格因素等方面的制约，WDM-PON还不能够完全取代TDM-PON成为电力接入网的主要架构，而WDM/TDM技术由于其结合了两种PON架构的特点，能够满足目前接入网带宽增长的要求，从而会成为未来接入网实现TDM到WDM-PON的一个有效过渡。
参考文献
[1]阎德升，边恩炯，王旭，刘鸣.EPON-新一代宽带光接入技术与应用[M].机械工业出版社.2007.1.
[2] Rujian Lin. Next Generation PON in Emerging Networks[C]. OFC/NFOEC 2008.
[3] Nik Shahidah Afifibt. Md. Taujuddin，Maisara Othman，Zarina Tukiran. Optimization for the Best Performance for Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network.ENCON2008.
作者简介：
冯利伟（1982—），男，汉族，山西大同人，硕士研究生，工程师，工作单位：山西省电力公司大同供电公司发展策划部
论文作者:冯利伟
论文发表刊物:《电力技术》2016年第7期
论文发表时间:2016/10/18
标签：架构论文; 波长论文; 发射机论文; 分路论文; 跨距论文; 带宽论文; 信道论文; 《电力技术》2016年第7期论文;