OFDM-PON技术探讨

     网络技术的发展和创新使IPTV、高清电视、3D电视、移动多媒体、视频流媒体等新业务不断涌现，信息传输带宽的需求一直在以爆炸的速度增长。为满足网络流量的飞速发展，在骨干层网络，40Gbps、100Gbps系统已经开始商用部署， 400Gbps或1Tbps光通信系统也开始研究。在接入网络层面，也必然对网络流量和多业务支持提出了更高要求。目前接入网主要以树形结构的无源光网络（PON）技术为主，基于时分复用的无源光网络（TDM-PON）应用较广泛。EPON和GPON技术是当前FTTx网络建设的主要手段，10G xPON技术的标准和产业链已基本成熟，今后5年10G xPON将是FTTx网络建设的主流技术。

    10G之后的下一代PON技术（NG-PON2）的演进方向，也成为ITU-T和FSAN等国际标准组织的讨论热点。目前大部分运营商对于NG-PON2的基本要求是在最大限度延用已部署光分配网（ODN）的基础上提供更大带宽、更大分光比、更远传输距离和更多用户接入等能力。如图1所示，可以看出NG-PON2有多种可选技术，主流技术包括纯WDM-PON、OFDM-PON、TWDM-PON、高速TDMA-PON等。

  图1  NG-PON2技术发展路线

    在光通信技术领域引入正交频分复用（OFDM）技术是一种差异化创新。OFDM是一种多载波传输技术，将高速串行的比特信息动态分配到各个频谱相互重叠的子载波上，有效提升系统的频谱效率。子载波可采用PSK、QAM等高阶调制提高系统容量。由于OFDM符号的长度增加，加上循环前缀技术的使用，有力地克服了传输链路中由于多径和色散带来的码间干扰（ISI）。OFDM调制融合了软件无线电的思想，主要功能依靠DSP芯片实现IDFT和DFT等数字信号处理，再通过数/模以及模/数转换实现数字域和模拟域之间的转换，将通信系统的大部分功能（除了射频前端和天线等）利用软件来实现，极大地发挥了软件的灵活简便、准确计算、可重配置以及高效的信号数字处理算法的优势。

    OFDM技术一方面可以作为调制技术提高信道的频谱利用率和信道容量，有效对抗多径和色散效应。另一方面可以利用子载波实现高效的OFDMA接入，从而实现灵活的多用户和多业务的带宽分配。不同的子载波既可以分配给不同的用户，也可以分配给不同的业务种类，如TDM、FTTH、FTTB、移动基站、WiMAX直放站、WiFi热点等。OFDM技术的这些特性使其特别适合在接入网中应用，如图2所示。

    图2  基于OFDM的多业务接入技术

    OFDM技术目前已经成功应用在非对称数字用户环路（ADSL）、地面数字视频广播（DVB-T）、无线局域网（WLAN）、全球微波互联接入（WiMAX）等多种通信系统中，并是下一代无线移动通信3GPP长期演进（LTE）的核心传输技术。OFDM-PON具有优良的灵活性与传输性能，通过将光器件的成本压力向电器件转移，利用DSP、AD/DA等核心器件的ASIC化而降低成本。也可以与WDM等技术相结合，是NG-PON2具有代表性与竞争力的技术方向之一。

    OFDM技术与PON技术结合的优势如下： 

• 动态分配各个子载波资源。光OFDM技术可以根据信道环境与应用场景的不同，通过简单的FFT算法，动态调制各个子载波所承载的比特数、各个子载波所应用的调制格式以及各个子载波的功率。因此，在OFDM-PON中，可以根据接入距离、接入用户类型与接入服务的不同，实时动态地调制OFDM符号中各个子载波的分布，从而实现低复杂度协议框架下的最优化接入网络。
  
• 实现有线无线相结合的汇聚接入。众所周知，光纤有线接入网具有巨大的带宽潜能和良好的QoS性能，但是不具备移动性，无法满足用户终端多样化的需求；无线接入网有较高的灵活度和移动性，但是QoS性能较差。OFDM作为无线通信中成熟的技术，被广泛地应用于WiMAX、WiFi与UWB（超宽带）框架下。采用OFDM承载PON信号，可以在OUN实现有线信号与无线信号的汇聚接入，即针对应用场景的不同，灵活地选择基带OFDM信号、UWB（MB-OFDM）信号、WiMAX或WiFi信号以及毫米波OFDM信号等多种方式作接入，从而极大地增加了接入网的普适性。
  
• 有力地提升了接入网频谱效率。由于光OFDM信号各个子载波之间的正交性，它不仅允许各个子信道的频谱相互交叠，而且可以通过简单的星座映射算法，在各个子载波上实现16QAM、8PSK等高阶调制。因此，与其他方式相比，将光OFDM技术应用到PON中可以最大限度地利用频谱资源，提升频谱效率，为WDM-PON向DWDM-PON（密集波分复用无源光网络）与UDWDM-PON（超密集波分复用无源光网络）升级奠定了基础。
  
• 优良的抗色散性使其向超长距离接入网平滑演进。简单的网络结构无疑可以进一步提升接入网性能，降低网络成本。近年来，将城域接入与无源光网络接入融合成为研究热点，超长距离接入网（大于80km）的概念也应运而生。对于超长距离接入，链路色散对系统的影响无疑是首要解决的问题。而从理论上讲，光OFDM信号完全不受链路中的色度色散以及偏振模色散的影响，采用OFDM-PON可以实现光接入网向超长距离接入网的平滑过渡。
  
• 将光器件的成本压力向电器件转移。由于光器件的集成度和制作工艺等使得高速光器件的成本很高，目前10G以上光模块和光器件成本对于接入网来说压力很大。而应用OFDM技术则可以将光器件的成本压力转移到廉价的电器件上，借助高速数字信号处理和高频微波器件的集成度和廉价的成本优势为接入网向更高速率发展和普及提供了快速的通道。

    FSAN起草的NG-PON2运营商需求白皮书已经基本稳定，预计2012年初发布NG-PON2技术白皮书。中兴通讯在十二五“863”计划“三网融合”重大专项中，牵头承担OFDM-PON关键技术研究课题，要求2013年底完成OFDM-PON样机的开发。在NG-PON2标准研究期间，中兴通讯将对NG-PON2标准化工作提供直接的技术支撑。

[关键词] NG-PON