CN102752066A - 无缝融合多种拓朴网络架构的基于wdm的环形pon - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波分复用(WDM)的无源光网络(PON)，或称环形PON-Over-WDM网络，具有WDM环形网络的优点。该PON可以包括：环形传输光纤；光线路终端(OLT)；光网络单元(ONU)组群，其中每个该ONU组群包括一个或多个ONU；波长转换器，其与该OLT相连，用于将来自不同OLT的信号转换成不同的波长，以及将来自不同ONU组群的信号转换成不同的波长，合波后在WDM环上传输；WDM耦合器，用于对波长不同的信号进行波分复用，以便在该传输光纤上传输；位于该传输光纤上的无源远程节点(RN)，用于将来自该WDM耦合器的信号导向对应的ONU组群；位于该ONU组群端的无源分光器，用于向每个该ONU组群广播来自对应的OLT的信号。

Description

无缝融合多种拓朴网络架构的基于WDM的环形PON

技术领域

本发明整体涉及下一代无源光网络(Passive Optical Network，PON)。

背景技术

目前PON网络在成本、带宽、灵活性和可靠性等方面突出的优越性已成为了今后光接入网的必然发展方向。然而，随着人们对带宽和综合业务的需求不断增长，如何利用PON网络去实现传输更长距离、获得更高带宽，并同时支持更多用户和全业务，已经成为了当前的一大技术难题。另外，对于物联网和智能电网，如何利用PON网络架构去实现简单安全建设大容量网络并易于今后的维护重构，也得到了越来越多的重视。环形拓朴结构的WDM网络可以很好的解决以上难题。因此，本领域急需一种可以满足目前网络运营商和设备供应商的当务之急，以网络融为光接入网的终极目标的网络技术。

发明内容

本发明公开了一种基于波分复用(WDM)的无源光网络(PON)，或称环形PON-Over-WDM网络，。该PON可以包括：环形传输光纤；光线路终端(OLT)；光网络单元(ONU)组群，其中每个该ONU组群包括一个或多个ONU；波长转换器，其与该OLT相连，用于将来自不同OLT的信号转换成不同的波长；WDM耦合器，用于对波长不同的信号进行波分复用，以便在该传输光纤上传输；位于该传输光纤上的无源远程节点(RN)，用于将来自该WDM耦合器的信号导向对应的ONU组群；位于该ONU组群端的无源分光器，用于向每个该ONU组群广播来自对应的OLT的信号。该PON还可以包括与该无源分光器相连的反射型波长转换器，用于将该合波转换成不同的波长。并且位于该ONU组群端的无源分光器，还用于将来自每个该ONU组群中的全部该ONU的信号进行合波。该PON还可以包括另一WDM耦合器，用于对波长不同的合波进行波分复用，以便在该传输光纤上传输。位于该传输光纤上的无源远程节点(RN)，还可以用于将来自该WDM耦合器的信号导向对应的OLT。

本发明的PON-Over-WDM网络充分结合了PON网络中TDM技术低成本的优势、WDM技术有效利用光纤巨大带宽的优势和WDM环形结构的优势：固有的灵活性、可扩展性和自愈性。相对于树形结构，环形网络结构可以使用更少的光纤覆盖同样的范围。并且，WDM环形网络结构生存性更好，通过合理的自动导换保护，可以高效地抵抗网络中的故障。因此，本发明提出的PON-Over-WDM网络中的WDM采用了环形结构。考虑到节点较多时，在WDM环形结构中的功率预算限制将是个问题，然而环形网络结构和树形网络结构的优缺点正好相反互补，本发明提出的PON-Over-WDM网络进一步采用了无缝融合环形、树形和其它网络结构的方案。例如，采用环树融合的PON网络解决方案，其灵活性和节点添加移除会与树形架构一样方便，同时生存性又好于树形；同样，由于引入树形架构，其功率预算又好于单纯环形网络。

附图说明

图1显示了三种PON网络拓朴结构，分别是树形结构(a)、星形结构(b)和总线型结构(c)；

图2显示了本发明的无缝融合环形PON-Over-WDM网络的方案概念框图；

图3显示了PON-Over-CWDM和PON-Over-DWDM网络的波长分配；

图4显示了采用可调谐波长转换器的波长路由的可重构PON-Over-WDM网络；

图5显示了如何具体实施环形PON-Over-WDM网络；

图6举例说明了实现远程节点(RN)的方案。

图7举例说明了再生波长转换器(a)和反射型波长转换器(b)。

具体实施方式

提供下面的讨论以使本领域的技术人员作出和使用本发明。在不超出本文定义的本发明的精神和范围的情况下，本文描述的一般性原理可以适用于除了以下描述的细节之外的实施例和应用。本发明并不局限于所示的实施例，而是符合本文公开的原理和特性的最广范围。

图1显示了三种PON网络拓朴结构，分别是树形结构(a)、星形结构(b)和总线型结构(c)。PON网络采用了点到多点的单纤双向接入技术，并且由位于局端的光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)和位于用户端的光网络单元(ONU)组成。ODN全部由无源光器件组成，这可避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路故障和网管复杂度，同时提高了系统可靠性和节省了运营成本。PON网络采用不同的上行和下行波长来实现单纤双向传输，其中，下行信道(如GEPON采用1490nm波长)采用时分复用(TDM)广播方式，上行信道(如GEPON采用1310nm波长)采用时分多址(TDMA)方式共享带宽。

尽管PON网络可以采用树形、星形、总线形等拓朴结构，其典型的架构为树形。对于树形结构的PON网络，主干上可延伸出多个分支，其优点是简化了接入网的铺设，可灵活扩展ONU终端设备，但是缺点对主干依赖性太大，如果主干发生故障，则全网不能正常工作，并且无法真正支持用户间容量共享。星形结构的PON网络作为树形的变种，特点与树形类似，直接将局端OLT设备和用户端ONU设备相连接而形成，因此其局端OLT设备相当复杂，负担也重。总线形PON网络采用用户端ONU设备成线性挂在光纤上，这样一来，ONU设备上行信号会在两个方向上传输，导致信号串扰，并且总线的带载能力也有限。

本发明首次提出了一种新颖的融合不同网络拓朴结构和利用它们的不同技术优势去实现可灵活重构的大量用户接入的环形PON-Over-WDM网络。该环形PON-Over-WDM网络结合PON接入网低成本、易组网和维护的优点，以及WDM网络大带宽和动态配置的优点，采用建立在环形WDM上的PON网络架构，实现了在确保每户带宽需求的基础上，灵活有效地对大量不同OLT设备进行波长配置。这些指定的波长在WDM环上承载不同的信号，基于不同终端用户的需求下传这些信号；同样，来自不同终端ONU设备组群的信号，也根据局端设备分配的波长在同样的WDM环上上传。

图2是本发明的环形PON-Over-WDM的网络图。该PON-Over-WDM网络包括但不限于PON-Over-DWDM网络、PON-Over-CWDM网络和基于其它WDM形式的PON-Over-xWDM网络。具体地，图2的PON-Over-WDM网络可以包括位于中心局的多个OLT设备，它们可以是具有固定波长的TDM OLT设备，例如下行1490nm/1550nm/上行1310nm的GEPON和GPONOLT，以及下行1577nm/上行1270nm的10GPON OLT，也可以是具有不同波长的WDM OLT设备。

如上所述，由于TDM OLT和ONU的波长都是统一固定的，例如，GEPON网络的下行和上行波长分别为1490nm和1310nm，当需要有多个局端OLT设备实现大规模接入用户端设备时，采用同样波长的多个TDM OLT在单个光纤上会出现冲突。为此，在本发明提出的环形PON-Over-WDM网络中，采用了基于WDM的环形架构。通过1R(再放大)或2R(再放大，信号整形)或3R(再放大，时钟复原，信号复原)光再生波长转换器或者不具有光再生的波长转换器对每个TDM OLT的下行信号进行波长转换，以获得由PON网络指定给它们各自的波长。然而，对于WDM OLT，由于每个WDM OLT都有属于自己的WDM波长，所以可以无需进行波长转换。这样，无论采用何种局端和终端设备，整个PON网络是建立和工作在WDM上，有效利用了PON和WDM所拥有的技术优势。

TDM OLT可以经由光开关(OS)、双向波长转换器、WDM耦合器和远程光放大器耦合到由传输光纤构成的PON-Over-WDM环路，然后通过无源TDM远程节点被导向指定的ONU组群并且通过无源分光器向该组群进行广播。TDM OLT所对应的ONU是标准ONU。WDM OLT可以直接经由OS连接到WDM耦合器并通过远程光放大器向PON环路进行传输，然后通过无源WDM远程节点被定位到对应的无色ONU组群，然后经由无源分光器向对应的无色ONU组群广播。

在该实施例中，在局端采用了多个标准OLT设备例如GEPON或GPONOLT设备，每个标准OLT的下行波长都为λD。在下行传输中，保持其中一个OLT设备的下行波长λD保持不变，其余每个标准OLT设备每个的下行波长λD经过波长转换器分别被转换成各自不同的指定波长，例如λD1，λD2，......，然后与λD一起经过WDM耦合器进行WDM合波后在WDM环上同时传输，在到达无源远程节点(RN)后基于终端用户需求进行广播传送。这些远程节点可以采用可重构的光分插复用器(ROADM)或由波长选择器(WSS)或由WDM藕合器搭建的波长复用器。根据实际需要，这些远程节点可以是用于WDM ONU组群的，也可以是用于多个具有同样波长的TDM ONU组群的，从而可以根据终端用户需要，灵活配置用户带宽和数量，例如应用在要求用户灵活配置的智能电网中。

在上行传输中，采用通常的PON技术，将来自λD保持不变的OLT所对应的ONU设备组群的波长为λU的上行信号通过OLT设定的时段进行TDMA合波，然后传输到指定的OLT设备。对于其它无源TDM ONU，例如λD1所对应的TDM ONU，首先将其波长为λU的上行信号经过OLT设定的时段进行TDMA合波，然后采用一个反射型波长转换器将该合波的上行波长转换为λU1，再与其它上行信号进行WDM合波后在WDM环上传输，以通过无源TDM远程节点的定向，经过一个WDM藕合器导向到指定的OLT设备进行处理，以此类推，分别将剩下的TEM ONU组群的TDMA合波转换成Λu3，λU4，......。然而，对于采用WDM OLT和ONU的λDi/λUi......λDj/λUj信号传输对，ONU端可采取无色ONU设备，通过位于中心局的探测光源进行波长设置，而无需波长转换器，这提高了网络的灵活性。

在这个实施例中，反射型波长转换器采用反射型半导体光放大器或法布罗(FP)半导体激光器，利用光的非线性效应，实现波长转换。同时，该网络也可根据功率预算的需要，采用远程光放大器，扩展传输距离。值得一提的是，在这个网络中，用户可根据需要，灵活选择星形、树形以及总线型网络结构。当WDM环中某点出现故障时，WDM环可进行自动导换保护，从两端传输信号，避开故障点，从而大大增强了网络的生存性。WDM环可以采用单根光纤形成单环结构，也可以采用两根光纤采用同样的远程节点和终端设备建立双环网络，其中一个WDM环作为正常工作运转，另外一个WDM环可作为储存备份和保护使用。

图3举例说明PON-Over-CWDM和PON-Over-DWDM网络的波长分配。以标准GPON网络为例，单根光纤可接入64个ONU端口，采用环形PON-Over-CWDM技术，对于20nm波长间距的总共18个CWDM波长通道，可使本发明提出的单纤环形PON-Over-CWDM的承载容量达到超过一千个用户终端，并确保每个用户得到下行带宽40MHz和上行带宽20MHz。进一步，如果采用DWDM技术，仅仅采用C-Band具有0.8nm波长间距的总共32个DWDM波长通道，就可以实现超过两千个用户终端的单纤环形PON-Over-DWDM的承载容量。

图4是采用可调谐波长转换器的波长路由的可重构PON-Over-WDM网络。如果局端OLT设备和用户端ONU设备采用可调谐波长转换器进行动态波长配置并在WDM环上传输处理，则本专利提出的环形PON-Over-WDM可以实现波长路由的可重构光接入网络。半导体单片光子集成的可调谐波长转换器可以通过将波长可调谐半导体激光器和用于波长转换的半导体光放大器(SOA)集成在同一个磷化铟(InP)衬底上，从而大大降低了成本。

图5举例说明如何具体实施环形PON-Over-WDM网络。在这个实施例中，直接采用标准的OLT/ONU设备，例如标准的GEPON OLT/ONU设备和10GPON OLT/ONU设备，实现带宽确保超过20MHz和超过1000个ONU用户接入的环形PON-Over-WDM网络。该PON-Over-WDM网络可以兼容不同设备供应商和运营商的差异性，满足了网络融合的需求，以及可以广泛应用于快速增长的物联网的建设中，包括我国智能电网的解决方案。

由于GEPON OLT/ONU设备采用下行1490nm/上行1310nm的波长去承载传输信号，10GPON OLT/ONU设备采用下行波长1577nm和上行波长1270nm，因此，不需要任何转换，GEPON信道和10GPON信道就可以同时运行在同样的WDM环中，如图5所示。为了提供接入超过1000个ONU用户的能力，需要使用多个标准的GEPON OLT设备。考虑到这些GEPONOLT采用同样的上行/下行波长，本实施例采用反射型波长转换器来设定用于不同终端ONU组群的波长，从而来自每个ONU组群(这里总共32个GEPON ONU设备)的信号被指定一个单独的波长，然后与来自其它ONU组群的信号合波后，在WDM环上传输，通过阵列波导光栅型波分复用器件(AWG)被导向到相应的OLT设备。

具体地，在下行信号传输过程中，第一个标准GEPON OLT的采用下行波长λD(1490nm)的下行信号通过AWG到达WDM环，然后无源远程节点(RN)将这一波长为λD的信号指向对应的GEPON ONU组群(总共32个标准ONU设备)，并通过无源分光器进行广播。无源远程节点的实现如图6所示。

其余31个标准GEPON OLT的下行信号同样采用标准下行波长λD(1490nm)，为了能够确保全部这些GEPON OLT可在WDM环上运行，每个GEPON OLT的输出首先经过一个波长转换器，这个波长转换器可以如图7中的(a)所示。对应于这31个标准GEPON OLT的31个标准下行波长λD分别被转换到λD1，......，λD31。这样，全部32个标准GEPON OLT的输出可以通过AWG合光后在WDM环上同时传输。当使用WDM OLT设备时，由于每个WDM OLT已经具有属于自己的波长，从而不需要这个波长转换器，可以直接将WDM OLT设备的输出在AWG上合光后在WDM环上同时传输。在WDM环上同时传输的具有不同波长的多个OLT信号会根据需要在不同远程节点处下行，并通过1：32无源分光器直接广播到用户终端ONU组群。

在上行信号传输过程中，与第一个标准GEPON OLT所对应的ONU组群中的32个ONU设备根据这个GEPON OLT的分配，采用TDMA方式将上行波长λU(1310nm)的信号通过同一无源分光器合波后，然后上传到WDM环上，再与其它光信号合波后到达AWG，最后AWG根据波长分配上行信号到指定的OLT。

对于其它31个ONU组群，由于每个ONU组群是由32个标准GEPONONU设备组成，每个ONU设备具有标准上行波长λU(1310nm)。每个ONU组群会根据响应OLT的指定，采用TDMA方式将32个ONU上行突发信号合波，在到达远程节点处之前，采用一个无源光循环器将具有波长λU的信号导入到一个反射型波长转换器，这个反射型波长转换器的实现可以参见图7(b)。这样，从31个ONU组群输出的上行突发信号的波长将分别被转换成λU1，......，λU31，然后将它们与对应于第一个标准GEPONOLT的ONU组群的波长为λU信号进行WDM合波后，同时在WDM环上传输。

这些具有不同波长、来自不同ONU组群的上行信号到达AWG时，AWG会根据波长的定义将这些不同ONU组群的上行突发信号导向到相应的OLT设备。在到达OLT之前，上行信号会透射穿过在OLT线路上的波长转换器。

对于10G PON OLT/ONU设备，由于其采用采用下行波长1577nm和上行波长1270nm，因此，不需要任何波长转换设备，可以直接在WDM环上传输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种基于波分复用(WDM)的无源光网络(PON)，包括：

传输光纤；

一个或多个光线路终端(OLT)；

一个或多个光网络单元(ONU)组群，其中每个所述ONU组群包括一个或多个ONU；

一个或多个波长转换器，其与所述OLT相连，用于将来自不同OLT的信号转换成不同的波长；

一个或多个WDM耦合器，用于对来自所述OLT的波长不同的信号进行波分复用，以便在所述传输光纤上传输；

一个或多个位于所述传输光纤上的无源远程节点(RN)，用于将来自所述WDM耦合器的信号导向对应的一个或多个ONU组群；

位于所述ONU组群端的无源分光器，用于向每个所述ONU组群广播来自对应的OLT的信号。

2.如权利要求1所述的基于WDM的PON，其中，所述传输光纤是环形的。

3.如权利要求2所述的基于WDM的PON，其中，所述传输光纤采用单根光纤形成单环结构或者采用两根光纤构成的双环结构，并且，其中在所述双环结构中一个环用于正常工作运转，另外一个环用于储存备份和保护。

4.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中，所述WDM耦合器是阵列波导光栅型波分复用器件(AWG)。

5.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中，所述RN是利用时分复用(TDM)的RN或利用波分复用(WDM)的RN。

6.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中，所述一个或多个OLT中的每一个是具有第一标准波长的TDM OLT，其中，所述一个或多个OLT中的一个的第一标准波长不变，其余OLT被转换为彼此不同的波长。

7.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中：

部分或全部所述OLT是具有不同波长的WDM OLT，其中，所述具有不同波长WDM OLT的信号直接连接到所述WDM耦合器进入到WDM环。

8.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中：

部分或全部所述OLT是具有相同波长的OLT，所述具有相同波长的OLT的信号通过所述波长转换器转换成不同波长后连接到所述WDM耦合器。

9.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中，所述波长转换器还对来自所述ONU的信号进行波长转换。

10.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中，所述波长转换器是可调谐波长转换器。

11.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中，所述波长转换器是1R(再放大)或2R(再放大，信号整形)或3R(再放大，时钟复原，信号复原)光再生波长转换器或者不具有光再生的波长转换器中的一个或多个。

12.如权利要求1、2或3所述的基于WDM的PON，其中，所述ONU组群采用星形结构、树形结构或总线结构中的至少一个或其组合。

13.一种基于波分复用(WDM)的无源光网络(PON)，包括：

传输光纤；

一个或多个光线路终端(OLT)；

一个或多个光网络单元(ONU)组群，其中每个所述ONU组群包括一个或多个ONU；

位于所述ONU组群端的无源分光器；

与所述无源分光器相连的反射型波长转换器，用于将所述合波转换成不同的波长；

一个或多个WDM耦合器，用于对波长不同的合波进行波分复用，以便在所述传输光纤上传输；

位于所述传输光纤上的无源远程节点(RN)，用于将来自所述WDM耦合器的信号导向对应的OLT。

14.如权利要求13所述的基于WDM的PON，其中，所述传输光纤是环形的。

15.如权利要求14所述的基于WDM的PON，其中，所述传输光纤采用单根光纤形成单环结构或者采用两根光纤构成的双环结构，并且其中在所述双环结构中一个环用于正常工作运转，另外一个环用于储存备份和保护。

16.如权利要求13、14或15所述的基于WDM的PON，其中，所述WDM耦合器是阵列波导光栅型波分复用器件(AWG)。

17.如权利要求13、14或15所述的基于WDM的PON，其中，所述无源分光器用于将来自每个所述ONU组群中的全部所述ONU的信号进行合波。

18.如权利要求13、14或15所述的基于WDM的PON，其中，所述ONU是具有第二标准波长的TDM ONU，并且，所述无源分光器对每个所述ONU组群中的每个所述ONU的信号进行TDM合波，并且，保持一个所述TDM ONU组群的合波的所述第二标准波长不变，同时经过所述反射型波长转换器对其余所述TDM ONU组群的合波进行波长转换，以使所述反射型波长转换器输出的信号具有不同的波长。

19.如权利要求13、14或15所述的基于WDM的PON，其中，所述ONU是无色ONU，其中通过位于所述OLT的探测光源对所述无色ONU进行波长设置，并且所述无源分光器对每个所述ONU组群中的每个所述ONU的信号进行WDM合波。

20.如权利要求13、14或15所述的基于WDM的PON，其中，所述OLT是于具有不同波长的WDM OLT。

21.如权利要求13、14或15所述的基于WDM的PON，其中，所述反射型波长转换器采用反射型半导体光放大器或法布罗(FP)半导体激光器，利用光的非线性效应，实现波长转换。

22.如权利要求13、14或15所述的基于WDM的PON，其中，所述反射型波长转换器是可调谐波长转换器。

23.如权利要求13、14或15所述的基于WDM的PON，其中，所述ONU组群采用星形结构、树形结构或总线结构中的至少一个或其组合。

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