CN101309191A - 一种有局域网功能的tdma和wdm相混合pon系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有局域网(LAN)功能的TDMA和WDM相混合PON系统。OLT通过一个光耦合器与N个ONU连接。OLT端包含M个不同波长的光发送模块Tx、一个单一波长的光接收模块Rx和一个CATV射频信号发送模块Tx，每个ONU包含具有高速波长切换功能的光发送模块和光接收模块。本发明利用粗波分复用技术实现多波长的下行数据传输，每个波长采用现有的TDMA技术分配给若干个ONU共用，扩展了系统带宽；在ONU端采用具有波长切换功能的光收发模块将LAN从PON系统中分离出来，实现PON模式和LAN模式之间的快速转换，解决了传统接入方式通道利用率低的问题。

Description

一种有局域网功能的TDMA和WDM相混合PON系统
技术领域
本发明属于光纤通信领域，确切地说，本发明涉及一种有局域网功能的TDMA和WDM相混合PON系统，适用于EPON(以太无源光网络Ethernet PON)、GEPON系统扩展，特别是支持光网络单元之间的通信。
背景技术
第一英里以太网联盟(EFMA)在2001年初提出基于以太网的PON的概念，EPON，即利用PON(无源光网络)的拓扑结构实现以太网的接入。EPON是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和TDM时分MAC(Media AccessControl)媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。EPON采用8B/10B码型，遵循IEEE802.3ah标准，可以支持1.25Gb/s对称速率，随着IOG以太技术的成熟，最大速率可达10Gb/s；支持10km和20km两种最大传输距离，各自支持的分支数不低于32路和16路。与APON/BPON/GPON相比，EPON不采用昂贵的ATM设备和SONET设备，能与现有的以太网相兼容，具有更宽的带宽、更低的价格和更高的宽带业务能力。随着以太网现在在接入网中作为一种执行IP交换的选择协议，EPON可以作光纤到大楼(FTTB)和光纤到家(FTTH)的潜在优化架构。
现有的EPON系统结构(如图1)由中心局的光线路终端(OLT)、包含无源光器件的光分配网(ODU)和用户端的光网络单元(ONU)三部分组成。在下行方向，IP数据、语音、视频等多种业务位于OLT，采用广播的方式，通过ODN中的1：N无源光分路器分配到所有ONU。在上行方向，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1：N无源光分路器耦合到同一根光纤，最终送到位于局端OLT。EPON采用时分复用(TDM)共享光纤信道，允许一个上行波长(如1310nm)和一个下行波长(如1490nm)及CATV射频波长(如1550nm)，所有ONU用一个共同时间基准同步，每一个ONU分配了一个时隙。每个时隙传送一些以太网数据帧。每个ONU都能缓存来自用户的帧，直到其对应的时隙的到来。当时隙到来时，ONU将采取“突发”方式将所有缓存的数据帧以全速(标准以太网速率)传输出去。然而，现有方案的最大带宽受上下行各一条线路的限制，在终端设备性能没有提高的情况下不能扩展。
EPON信号传输的另一种可能方式是使用波分复用技术(WDM)，每个ONU的操作都采用不同的波长。从理论观点来说这是一个简单而有效的方案，但对一个接入网来说采用波分复用技术成本太高而不实际。在WDM方案中在OLT端要么有可调收发器，要么有阵列收发器来接受来自多重信道的数据。对网络运营商来说更严重的问题是需要大量对应不同波长的ONU，以前仅仅只需要一种类型的ONU，而现在要有基于激光波长的多种类型的ONU。以现在的科技水平来看，在每个ONU端使用可调激光成本是很高的。所以，在现在的环境下使用WDM网络不是一个很有吸引力的方案。
另一方面，利用光线路终端(OLT)实现光网络单元(ONU)之间的通信已成为一种新兴的网络服务。现有的PON系统是通过引入“局域网分享(shared LAN emulation)”机制，将路由器连接到OLT来实现ONU之间的通信。然而，这种技术占用了上行和下行通道，大大降低了传统接入服务的可用带宽，吞吐量低，延迟效果差。而在ONU端用低成本的光开关将PON网络分成两个独立的子网络，实现接入模式(PON模式)和局域网(LAN)模式之间的转换的方法具有很大的局限性。特别是当ONU与OLT断开连接时，进行ONU之间的通信。但是，热光开关或机械光开关只能工作在μs级，不能满足实际情况下两种模式之间的频繁切换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有局域网功能的TDMA和WDM相混合PON系统，该系统为一种低成本的兼容现有EPON设备和光纤，通过增加下行波长数量和在ONU端采用具有波长切换功能的光收发模块将LAN从PON系统中分离的方法来提高提高系通道利用率和系统带宽的具有局域网LAN功能的TDMA和WDM相混合PON系统。
本发明提供的一种有局域网功能的TDMA和WDM相混合PON系统，包括：光线路终端OLT、光耦合器和光网络单元ONU，其中下行光数据信号和公用天线电视CATV射频信号经OLT在光纤中传输，通过光耦合器输出到ONU，上行单波长数据信号经ONU和光耦合器传送到OLT，其中，在OLT中有发送M个不同波长的M个光发送模块、支持CATV射频信号传输的光发送模块以及接收上行信号的光接收模块，ONU中的光发送模块和光接收模块均具有波长切换功能。
如上所述的系统，其中，OLT的M个光发送模块、光接收模块和CATV射频信号发送模块的输出端与一个(M+2)×1的波分复用器相连接，经光纤传输后，由一个1×(M+1)的波分解复用器输出，其中上行信号与CATV射频信号合为一路，M+1个输出端与光耦合器的对应端口相连。
如上所述的系统，其中，光耦合器包括1个上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端、M个光数据信号输入端、N个分别与ONU中的第一粗波分复用器MUX1的输出端相连接的输入端口和N个分别与ONU中的第二粗波分复用器相连接的输出端口，N为ONU的数量，在光耦合器内部，上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端以及该N个输入端中的每一个输入端均与该N个输出端相连；每个光数据信号输入端分别与具有与其波长相同的光接收模块的ONU的输入端相连。
如上所述的系统，其中，ONU中的光发送模块可实现上行波长与LAN波长的切换；ONU中的光接收模块可实现下行波长与LAN波长的切换。
如上所述的系统，其中，ONU中的第一粗波分复用器MUX1的输入端与ONU中的光发送模块输出端相连接，其一个输出端与光耦合器的N个输入端的对应端口连接，另一端口与第二粗波分复用器MUX2的一个输入端相连，第二粗波分复用器MUX2的另一输入端与光耦合器对应的输出端连接，其输出端与ONU中光接收模块的输入端连接。
如上所述的系统，其中，光耦合器为(N+M+1)×N的光耦合器，N为ONU的数量，M为光线路终端OLT中的光发送模块所能支持的不同的波长的数量。
如上所述的系统，其中，当工作在PON模式时，ONU中的光发送模块发送上行信号，通过第一粗波分复用器MUX1输入到第二粗波分复用器MUX2，再输出到光耦合器，由光耦合器的上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端输出到OLT；从OLT发送的下行信号进入光耦合器的光数据信号输入端，由光耦合器输出侧的端口发送到第二粗波分复用器MUX2，最终由光接收模块接收；当ONU完成上行信号传输和接收后，快速切换到LAN模式，光发送模块和光接收模块均切换到LAN波长，由光发送模块发送的LAN信号通过第一粗波分复用器MUX1，经光耦合器输出到所有ONU，光接收模块通过第二粗波分复用器MUX2接收其它ONU发送的LAN信号，整个LAN模式工作过程与OLT完全分离。
本发明提供的一种具有LAN功能的TDMA和WDM相混合PON系统，它利用粗波分复用技术实现了多波长的下行数据传输，每个波长利用现有的TDMA技术分配给若干个ONU共用，从而将ONU的带宽提高到原来的M倍；在ONU端利用具有波长切换功能的光收发模块将LAN从PON系统中分离出来，实现PON模式和LAN模式之间的快速转换，提高了通道利用率。本发明所述的PON结构在保留现有EPON设备和光纤基础上，通过扩展下行波长数量低成本地提高了系统带宽；通过在ONU端采用具有波长切换功能的光收发模块将LAN从PON系统中分离，解决了传统接入方式通道利用率低的问题。
附图说明
图1为现有的EPON系统结构框图；
图2为本发明PON系统结构框图；
图3为本发明OLT结构框图；
图4为本发明光耦合器结构框图；
图5为本发明ONU结构框图。
具体实施方式
本发明提供的一种有局域网功能的TDMA和WDM相混合PON系统，包括：光线路终端OLT、光耦合器和光网络单元ONU，其中下行光数据信号和公用天线电视CATV射频信号经OLT在光纤中传输，通过光耦合器输出到ONU，上行单波长数据信号经ONU和光耦合器传送到OLT，在OLT中有发送M个不同波长的M个光发送模块、支持CATV射频信号传输的光发送模块以及接收上行信号的光接收模块，ONU中的光发送模块和光接收模块均具有波长切换功能。OLT的M个光发送模块、光接收模块和CATV射频信号发送模块的输出端与一个(M+2)×1的波分复用器相连接，经光纤传输后，由一个1×(M+1)的波分解复用器输出，其中上行信号与CATV射频信号合为一路，M+1个输出端与光耦合器的对应端口相连。光耦合器包括1个上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端、M个光数据信号输入端、N个分别与ONU中的第一粗波分复用器MUX1的输出端相连接的输入端口和N个分别与ONU中的第二粗波分复用器相连接的输出端口，N为ONU的数量，在光耦合器内部，上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端以及光耦合器的该N个输入端中的每一个均与该N个输出端相连；每个光数据信号输入端分别与具有与其波长相同的光接收模块的ONU的输入端相连。ONU中的光发送模块可实现上行波长与LAN波长的切换；ONU中的光接收模块可实现下行波长与LAN波长的切换。ONU中的第一粗波分复用器MUX1的输入端与ONU中的光发送模块输出端相连接，其一个输出端与光耦合器的N个输入端的对应端口连接，另一端口与第二粗波分复用器MUX2的一个输入端相连，第二粗波分复用器MUX2的另一输入端与光耦合器对应的输出端连接，其输出端与ONU中光接收模块的输入端连接。光耦合器为(N+M+1)×N的光耦合器，N为ONU的数量，M为光线路终端OLT中的光发送模块所能支持的不同的波长的数量。当工作在PON模式时，ONU中的光发送模块发送上行信号，通过第一粗波分复用器MUX1输入到第二粗波分复用器MUX2，再输出到光耦合器，由光耦合器的上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端输出到OLT；从OLT发送的下行信号进入光耦合器的光数据信号输入端，由光耦合器输出侧的端口发送到第二粗波分复用器MUX2，最终由光接收模块接收；当ONU完成上行信号传输和接收后，快速切换到LAN模式，光发送模块和光接收模块均切换到LAN波长，由光发送模块发送的LAN信号通过第一粗波分复用器MUX1，经光耦合器输出到所有ONU，光接收模块通过第二粗波分复用器MUX2接收其它ONU发送的LAN信号，整个LAN模式工作过程与OLT完全分离。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
如图2所示，本发明在利用现有EPON设备和常规G.652光纤基础上，将下行波长数量增加至3个(其中心波长分别是：1470nm，1490nm，1510nm)，上行波长为1310nm，CATV射频信号波长为1550nm。经多波长OLT在光纤中传输20km后，经WDM解复用器WDM DEMUX、光耦合器与18个ONU连接。各ONU的光发送模块和光接收模块均可实现上、下行波长与LAN波长(1590nm)的快速切换，具体地，ONU中的光发送模块可实现上行波长与LAN波长的切换；ONU中的光接收模块可实现下行波长与LAN波长的切换。从而将LAN从PON系统中分离，解决了传统接入方式通道利用率低的问题，将系统带宽扩展到原来的3倍。
在OLT中，如图3所示，包括发送3个不同波长的光发送模块、光接收模块和CATV射频信号发送模块，它们的输出端与一个5×1的波分复用器相连接，经光纤传输20km后，由一个1×4的波分解复用器输出(其中上行波长与CATV射频波长合为一路)，4个输出端与光耦合器的对应端口相连。
如图4所示，将包含1310nm上行信号和1550nm CATV射频信号的一路输入到光耦合器的端口1，3个下行信号分别输入到端口2～4。在光耦合器的输入一侧，另外18个输入端口分别与18个ONU中的第一粗波分复用器MUX1的输出端对应相连，在光耦合器的输出一侧，18个输出端口分别与18个ONU中的第二粗波分复用器对应相连。在光耦合器内部，端口1与每个输出一侧的端口相连接，ONU之间互相连通(即输入一侧的18个输入端口中的每一个都与输出一侧的18个输出端口相连)；每个下行信号输入端(即端口2至4)分别与6个输出一侧的端口相连(即端口2与ONU1 out至ONU6 out相连，端口3与ONU7 out至ONU12 out相连，端口4与ONU13 out至ONU18 out相连)，该6个输出一侧的输出端口是与具有与其波长相同的接收模块的6个ONU的输入端相连的。
每个ONU的光发送模块和光接收模块均具有波长切换功能，可实现PON模式与LAN模式的快速切换，其具体工作过程如下：例如对于如图5所示的支持1470nm下行波长的ONU3，当工作在PON模式时，ONU3中的光发送模块发送上行1310nm信号，通过MUX1输入到MUX2，再输出到光耦合器，由光耦合器的端口1输出到OLT端；从OLT端发送的1470nm下行信号进入光耦合器的端口2，由光耦合器输出侧的端口发送到MUX2，最终由工作在1470nm的光接收模块接收。当ONU完成上行信号传输和接收后，快速切换到LAN模式。光发送模块和光接收模块均切换到LAN波长(1590nm)，由光发送模块发送的LAN信号通过MUX1，经光耦合器输出到所有ONU，光接收模块通过MUX2接收其它ONU发送的LAN信号。整个LAN模式工作过程与OLT端完全分离。
上面结合附图对本发明最佳应用实例做出了详细说明，但本发明不局限于此实例，任何本领域的技术人员在本发明的涵盖的技术范围内做出的轻易修改和变化，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有局域网功能的TDMA和WDM相混合PON系统，包括：光线路终端OLT、光耦合器和光网络单元ONU，其中下行光数据信号和公用天线电视CATV射频信号经OLT在光纤中传输，通过光耦合器输出到ONU，上行单波长数据信号经ONU和光耦合器传送到OLT，其特征在于：在OLT中有发送M个不同波长的M个光发送模块、支持CATV射频信号传输的光发送模块以及接收上行信号的光接收模块，ONU中的光发送模块和光接收模块均具有波长切换功能。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：OLT的M个光发送模块、光接收模块和CATV射频信号发送模块的输出端与一个(M+2)×1的波分复用器相连接，经光纤传输后，由一个1×(M+1)的波分解复用器输出，其中上行信号与CATV射频信号合为一路，M+1个输出端与光耦合器的对应端口相连。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：光耦合器包括1个上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端、M个光数据信号输入端、N个分别与ONU中的第一粗波分复用器MUX1的输出端相连接的输入端口和N个分别与ONU中的第二粗波分复用器相连接的输出端口，N为ONU的数量，在光耦合器内部，上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端以及该N个输入端中的每一个输入端均与该N个输出端相连；每个光数据信号输入端分别与具有与其波长相同的光接收模块的ONU的输入端相连。
4.如权利要求1至3任何一项所述的系统，其特征在于：ONU中的光发送模块可实现上行波长与LAN波长的切换；ONU中的光接收模块可实现下行波长与LAN波长的切换。
5.如权利要求1至4任何一项所述的系统，其特征在于：ONU中的第一粗波分复用器MUX1的输入端与ONU中的光发送模块输出端相连接，其一个输出端与光耦合器的N个输入端的对应端口连接，另一端口与第二粗波分复用器MUX2的一个输入端相连，第二粗波分复用器MUX2的另一输入端与光耦合器对应的输出端连接，其输出端与ONU中光接收模块的输入端连接。
6.根据权利要求1至5任何一项所述的系统，其特征在于：光耦合器为(N+M+1)×N的光耦合器，N为ONU的数量，M为光线路终端OLT中的光发送模块所能支持的不同的波长的数量。
7.根据权利要求1至6任何一项所述的系统，其特征在于：当工作在PON模式时，ONU中的光发送模块发送上行信号，通过第一粗波分复用器MUX1输入到第二粗波分复用器MUX2，再输出到光耦合器，由光耦合器的上行信号与CATV射频信号共用的输入输出端输出到OLT；从OLT发送的下行信号进入光耦合器的光数据信号输入端，由光耦合器输出侧的端口发送到第二粗波分复用器MUX2，最终由光接收模块接收；当ONU完成上行信号传输和接收后，快速切换到LAN模式，光发送模块和光接收模块均切换到LAN波长，由光发送模块发送的LAN信号通过第一粗波分复用器MUX1，经光耦合器输出到所有ONU，光接收模块通过第二粗波分复用器MUX2接收其它ONU发送的LAN信号，整个LAN模式工作过程与OLT完全分离。
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