标准化的无源光网络 (passive optical network，PON)由光线路终端(opticalline termination，OLT)经光配线网络(optical distributionnetwork，ODN)与多个光网络分配单元(optical network unit，ONU)组成。OLT提供一个或多个业务网络接口(SNI)及管理系统的接口^[1]；ONU提供各种用户网络接口(UNI)。标准化的PON技术包括EPON、BPON和GPON，由于受光功率预算的影响，最长接入距离为20 km，分光比为16、32或64。

目前，已开发出多种长距离PON的网络结构。最初，网络是单波长通路，所有用户通过TDM共享通路带宽。引入WDM系统后，用户共享多个波长。ITU已提出最大逻辑传输距离为60 km的GPON系统标准G.984.6^[2]。但随着城市化进程的发展，要求城域网最长接入距离约100 km^[3]。使用PON技术的长距离宽带接入(LR-PON)，有效地解决了这一问题。LR-PON简化了包括核心、骨干和接入部分的整个网络，是一种由综合接入网和核心光网络演变而来的网络构架。

1 LR-PON的网络结构

LR-PON的通用网络结构如图 1所示。其中，中心局(central office，CO)连接核心网和接入网，实现资源分配、业务汇聚、管理及控制^[4]。本地交换局靠近用户端设备ONU(下线段10km以内)。光信号通过馈线段(100 km或以上)传送，中心局和本地交换局作为它的两端。下线段是标准的PON结构。

2 LR-PON的发展现状 2.1 LR-PON的关键技术 2.1.1 信号功率的补偿

在LR-PON系统中，光放大器是必不可少的。除放大信号外，光放大器还应考虑两大问题：

1) 光放大器产生的放大自发辐射 (amplified spontaneous emission，ASE)对系统性能存在有害影响。当使用高分光比的LR-PON时，信号衰减大，在放大器输入处的光信号功率会很低。ASE噪声与设备无关，通常ASE噪声随掺饵光纤(erbium-doped fiber，EDF)的长度累加^[4]。为了在放大光信号的同时抑制噪声，可采用两级中间放大：第一级，由低噪声前置放大器组成，通过保持其ASE在低电平来产生高的信噪比；第二级，由放大到足够功率光信号的放大器组成，以对抗馈线段100 km或以上距离产生的大衰减。

2) EDFA具有低噪声指数、高功率增益和较宽的工作带宽特点，有利于在LR-PON中使用波分复用(WDM)^[5]。但是相对低的调整增益速度，使EDFA处于不利，这是因为在LR-PON中上行TDMA流量的突发特性，当不同直流电平的分组通过放大器时，要求放大器能快速调整它的增益，以获得信号幅度一致的输出分组。采用增益控制技术，通过光增益钳位或泵浦功率改变实现EDFA总的输入功率保持不变。从而，在突发期间EDFA的增益保持不变。半导体光放大器(SOA)能快速增益调整并且提供单片或与其他光元件集成的混合系统，可用作放大器。

2.1.2 光源

为了降低开发和运行成本，标准的PON在ONU中可能选择低成本不制冷的光发送器，因为光接入网的主要投资与ONU光收发器的成本相关^[6]。然而，不制冷的光发送器其发送波长与温度相关，可能偏移20 nm。由于标准的PON中没有对波长要求高的元件，所以，性能不受影响。

在LR-PON中，为满足巨大的流量而使用WDM，波长偏移变得十分重要，特别是对要求高的元件，如光滤波器。为了防止波长偏移，保证稳定的波长可考虑使用更昂贵的制冷发送器。采用反射ONU (R-ONU)技术，产生上行信号的光载频由外部供给，可能是下行光载波或在本地交换局的共享光源，使用反射半导体光放大器(RSOA)作调制器。

2.1.3 突发模式接收器

不同的ONU到OLT距离有不同的传输衰减，进而导致了在OLT处，从ONU来的各种直流电平的突发分组^[7]。突发模式接收器用于自动增益控制(AGC)，以及在每个接收突发开始时，调整0-1门限时钟；时钟、数据恢复(CDR)电路用于对准相位及频率锁定在一个输入信号上。1 Gb/s和10 Gb/s突发模式接收器的设计可采用GPON/EPON标准。

在LR-PON扩展速率高达10 Gb/s及以上时，在共享同一通路时支持用户数高达512户，会出现以下几个方面的挑战：1) 当用光放大器时，加大了从不同ONU来的上行信号直流电平的差别，突发模式接收器要求支持更宽的动态范围；2) 由于大的分光比和长的传输距离导致信号功率衰减很大，要求突发模式接收器有更高的灵敏度；3) 由于增加了对一个通路的共享，需要对连接的ONU传送时隙间的保护时间有更严格的定时控制，以实现更高的带宽效率。现在使用多级前馈结构来减少直流偏移的10 Gb/s突发模式接收器及10 Gb/s高灵敏度的APD (avalanche photo diode)突发模式接收器。

2.1.4 上行资源分配

在LR-PON中，端用户和CO被相当大的距离隔开，因而控制平面时延是相当大的。在实时应用中，接入网的时延预算约1～2 ms，各种已知的基于分组网的调度算法很难直接应用。因此，需要开发克服大距离的远程调度算法，支持不同类的业务，并且支持在用户数方面的可扩展性。

为应对这一挑战，多线程查询算法能有效、公平地动态分配上行带宽。该算法利用多个查询处理同时运行的好处，与传统动态带宽分配DBA算法相比，降低了平均分组时延，改善了网络吞吐量。

2.1.5 拓扑结构和保护

对LR-PON已提出若干个候选的网络拓扑结构，如：1) 分支-树状(branch-and-tree)拓扑有一个90 km多芯光纤的馈线段，在本地交换局被分支到多个用户；2) 环型-支线(ring-and-spur)拓扑有一个光纤环及光分插复用器(OADM)组成的馈线段，其上下行光信号经OADM上下并分支到端用户。

LR-PON利用光技术巨大的传输容量和长距离覆盖大量的端用户，任何网络故障都会给用户和网络营运商带来巨大的损失。所以，LR-PON保护变得十分必须和重要。采用相邻硬件保护方案能实现快速的保护倒换时间及OLT的自动故障定位。该方案可应用到多个网络环境，如单向传输及双向传输、1+1及1:1保护。

2.1.6 PON的逻辑距离

逻辑距离是特定传输系统能够实现的最大距离，它不考虑光功率预算的限制。在GPON系统中，逻辑距离指ONU和OLT之间的最大60 km距离，距离差20 km，不考虑物理层限制，只受TC层及上层协议的限制，最大均衡延时或预分配延时均约为

250 μs，但厂商可选支持实现最大约为625 μs的均衡延时或预分配延时，这样，可实现支持最大逻辑距离不受限于60 km的PON系统。除了光纤传输延时要进行相应调整外，LR-PON系统的测距与标准PON是一样的。

2.2 LR-PON典型案例分析 2.2.1 树型LR-PON(PIEMAN)

英国电信与其他电信公司合作，由信息社会技术(IST)第六框架项目发起的光子集成延伸城域和接入网(photonic integrated extended metro and access network, PIEMAN)^[8]，如图 2所示。PIEMAN由100km传输距离，以及具有32路的DWDM组成，每路工作在对称10 Gb/s下，并且支持一个PON段。每个PON段的分光比为512，支持用户的最大数为16 384户。

在本地交换局，下行波长流由EDFA预放大，然后通过阵列波导光栅(AWG)解复用成单波长。每个单波长通过单波长EDFA放大^[9]。该结构与仅在AWG前有一个强功率的EDFA相比，有更好的性能和更低的成本^[10]。在上行方向，每个上行波长进入AWG前，由单波长EDFA放大，它在对抗由突发流量产生的瞬变时是稳定的。在本地交换局，不用上行公共的EDFA，可防止由相邻路引起的瞬变。

在PIEMAN中采用辅助波，光信号在EDFA中传输引起增益变化，辅助波随之变化以保证通过EDFA的信号能量保持为一个常量，即在突发模式下从EDFA获得的增益保持常量。基于上行流的突发流量，标准的连续模式接收器不宜采用，而是采用直流耦合接收器，因为信号来自不同的ONU，经过不同的路径，衰减也会不同，接收器需要根据不同的衰减设定不同的矫正门限^[11]。然而，在应用到10 Gb/s时会产生问题，对此，PIEMAN用多级反馈结构的接收器来解决，同时还减小了通过多个电放大器所带来的直流损耗。

PIEMAN中另一关键问题是10 Gb/s突发模式接收器和无色ONU。10Gb/s突发模式接收器的设计由带PIN光电二极管的突发模式转移阻抗放大器和突发模式后置放大器组成，以适应高比特率，以及由高分光比和放大器ASE所带来的高动态范围。为了降低成本，在用户端使用无色ONU，可采用波长可调激光器或反射式SOA实现无色ONU。波长可调激光器可在一定波长范围内动态选择输出波长，但ONU动态选择发送波长，要求器件对波长敏感，成本较高。为降低设备成本，采用反射式SOA实现无色ONU，类似于混合WDM-TDMA-PON^[12]，ONU的波长由中心局分配的下行光载波确定，ONU接收到波长后对其调制、放大并回传给OLT。

2.2.2 环型-支线(ring-and-spur)LR-PON

如图 3所示，在环型-支线(ring-and-spur)拓扑的LR-PON中，每个PON段与OLT通过光纤环连接，每个PON段利用传统的FTTH技术，具有由“环”提供服务的若干“支线”组成的拓扑^[13]。这个环能覆盖的范围高达100 km，接入域的传统用户由“支线”提供服务。环拓扑结构的优点是二维覆盖和故障保护，即流量能选择向另一个方向传输以防止光纤故障引起的业务中断。

3 基于RPC技术的LR-PON

上述LR-PON是通过使用WDM和光放大器来扩展光通路数及延伸距离的，并符合G.984协议(PON协议)。由于未改变PON协议，可通过现有PON升级实现LR-PON。但通过实践证明，成本较高，实现困难，而且还受PON逻辑距离的限制。G.984协议试图建立一个TDM共享的光树，不与鲁棒的协议结合，如OTN/SDH、802.3以太网或PTN(packet transport network)的点到点链路协议。

3.1 基于RPC技术的LR-PON基本思想

将LR-PON看成是长距离的点到点中继线加点对多点PON ODN，但在中继线上传输点对到多点特定的PON协议在接收同步、动态范围、突发模式功率管理、噪声余度和抖动预算等方面是有缺点的。另外，不能利用点对点传输链路协议的优点。通过研究表明，采用远程协议转换器(RPC)能解决这些问题。LR-PON的馈线段采用点对点传输链路协议，而下线段仍采用PON协议，两者转换依靠RPC，它终结了PON协议(虚拟的mini-OLT)，避开了PON逻辑距离的限制。同时，在馈线段使用多种鲁棒的点到点协议，提高了网络的健壮性。

在时延、预算、分光比、维护及软硬件方面，RPC类似于连到ODN共享部分的OLT，终结、取代了PON协议。采用RPC的LR-PON，如图 4所示。RPC的基本理念是用10 G以太网光链路来扩展CO/OLT的背板连到有PON能力的部分。RPC位于本地交换局，用PON协议来接收ONU发送的数据信号并转换成长距离通信协议的数据信号。然后，RPC用长距离通信协议发送数据信号到CO/OLT。

RPC同时也完成反方向的转换，从CO/OLT发送数据信号经RPC协议转换到ONU。使用RPC有如下好处：1) 长距离不受PON协议的逻辑限制，即从PON最大均衡时延中去耦了中继线距离因素；2) 能使用传统的光传送技术，如WDM及光放大器以减少上行链路的光纤数；3) 从未来的业务和协议来看，上行链路和RPC是灵活的；4) 上行链路保护更直接，能使用熟知的以太网或PTN保护机制；5) 管理简单。

3.2 采用RPC的LR-PON的传输协议

RPC至ONU采用点对多点标准的PON传输协议，RPC类似mini-OLT的基本功能；RPC至CO/OLT采用点到点传输协议，从目前广泛采用EPON、GPON的现状看，比较适合采用低成本的以太网和未来发展的PTN的点对点协议，而PTN是电信级以太网的解决方案。

3.2.1 以太网点对点技术

以太网点对点协议栈，如图 5所示。

在QoS保证上，OLT应具有对上下行业务流进行分类的功能：1) 应支持基于以太网端口、VLAN ID和802.1D，对上下行业务流进行分类；2) 支持以太网PRI字段作为优先级标识；3) 支持以ONU为调度对象的绝对优先级和基于权重的相对优先级的队列调度算法；4)支持根据ONU的用户侧接口对下行业务流进行限速。

在以太网点对点协议中，OLT支持IEEE Std 802.1Q协议，可对VLAN端口的ACCESS、TRUNK和HYBIRD连接。OLT和ONU均支持基于端口划分VLAN，可选支持根据协议划分VLAN。根据以太协议域或源/目的MAC地址对下行以太网数据帧进行过滤。当OLT的网络侧具有多个GE或10/100BaseT接口时，支持符合IEEE Std 802.1D规定快速生成树协议(RSTP)并实现链路负载分担和链路保护功能。

3.2.2 点对点PTN技术

PTN是基于分组的、面向连接的多业务统一传送技术，不仅能较好地承载电信级以太网业务，满足标准化业务、高可靠性、灵活扩展性、严格QoS和完善的OAM(operation administration andmaintenance)等基本属性，且兼顾了传统的TDM和ATM业务。PTN有以下两类具体实现技术：1) 从IP/MPLS发展来的多协议标签交换-传送子集(MPLS-TP)技术，抛弃了基于IP地址的逐跳转发机制，并且不依赖于控制平面来建立传送路径，增强了MPLS面向连接的标签转发能力，从而具有确定的端到端传送路径，增强了网络保护和OAM能力。2) 从以太网发展而来的面向连接的以太网传送技术PBB-TE(provider backbone bridge-traffic engineering)，通过区分运营商和用户MAC，提高了网络的安全性，通过引入面向连接的功能，实现了以太网上端到端的业务提供和管理功能。屏蔽了某些两层以太网桥接功能，并增加了流量工程，即增强QoS能力，将无连接的以太网改造为面向连接的两层隧道。两类实现技术在数据转发、多业务承载、网络保护和OAM机制上有一定差异。目前，MPLS-TP是PTN主要采用的实现技术。

RPC至CO/OLT的传输从实现成本低的观点出发应选择PBB-TE技术；而从方便与核心网互联的观点出发应选择MPLS-TP技术。鉴于PTN的标准还处于发展、完善的阶段，标准还不够成熟。本文采用以太网点对点协议说明RPC结构。在此基础上，经封装、映射可以通过SDH、OTN传输。

3.3 RPC的结构

RPC简化的逻辑功能框图如图 6所示。

多个分配侧端口与ONU通信。这些端口连到多个接入单元，每个接入单元处理一种不同接入技术，如GPON的接入、EPON的接入、基于WDM的接入，或者接入单元全都处理一种相同的接入技术。接入单元在以太网协议与PON所使用的协议间，完成双方向转换。接入单元用IEEE802.3 10 Gb以太网规范定义的10 Gb以太网连接单元接口(XAUI)协议连到以太网802.1Q 交换矩阵。这个协议用作轻量级点到点传输接口，同时用作10 Gb/s以太网分组通信的物理层。

交换矩阵实现802.1Q以太网交换，包括VLAN标记或去除，链路集合、保护，快速生成树协议(RSTP)等功能。由于不同PON的流量向网络单元的回传接口集中，流量的业务质量(QoS)由RPC支持。交换矩阵用XAUI协议连到多个网络单元。网络单元包括MAC层和物理层与回传流量所用的网络协议，如10 GE、OTN/SDH和基于WDM的回传等。

RPC管理、接口受中心局CO/OLT控制。如果采用10 GE，4个GPON端口可通过单个10 GE上行链路回传。在RPC中，从不同PON来的流量能集中到一个提供以太网QoS特色的回传接口。RPC用10 GE连到CO/OLT。CO/OLT已不知道有关G.984 GPON协议的任何东西，因为在RPC已完成了协议转换。

RPC能实现突发接收、补偿测距和时延。RPC也能包封或不包封GEM帧，并且实现DBA。RPC朝向ONU的分配侧是一个标准的GPON，具有28 dB功率预算，分配给距离及分支器。在中心局回传端，馈线终端在概念上已进入OLT背板，在这里驻留了流量管理、网元管理及其他功能。如果包封所有的GEM帧进入以太网帧，则能简单地拷贝帧到10 GE的上行链路。如果使用SDH GEM映射，则能方便地使用SDH的上行链路。使用SDH的上行链路，能很好地实现同步，在以太网侧可采用同步以太网。如果使用ONU管理控制接口(OMCI)，RPC是透明的。为了管理ONU，OLT将包封OMCI任务进以太网帧，并编址它们到RPC MAC地址，中继后再送到ONU。

4 结 束 语

对于LR-PON，一种实现方式是采用WDM、光放大器来延伸PON的距离，即提高系统的光通路数及光功率预算，并符合PON协议，PON协议透明性好；另一种方式可采用RPC，是OEO中继器实现的方式，它终结了PON协议，避开了PON逻辑距离的限制，同时提高了网络的健壮性，但PON协议透明性差。

无源光网络(PON)的各种不同结构可利用光纤的无限带宽，点对多点的通信方式有利于用户共享网络的主干部分，降低了接入成本。为简化城域网网络结构，应增加PON的覆盖范围，降低城域网的接入成本，需要研究和开发LR-PON接入技术及接入系统。