基于无源光网络的非压缩视频传输技术VPON

崔广基

(武汉微创光电股份有限公司，武汉 430074)

1 无源光网络技术

无源光网络(PON)，是一种针对“最后一公里”通信覆盖的点对多点光纤接入组网技术。在一个标准的PON架构中，上、下行通信采用波分复用等单纤双向技术，并完全由光纤、光分路器等无源器件组成一个全光纤网络。利用这样一个全光网作为业务承载，就可以实现从语音、数据到宽带等的通信。当前，PON最成功的应用就是电信运营商普遍采用以太网无源光网络技术（EPON）打造的光纤到户（FTTH），实现了宽带、电话等 “最后一公里”覆盖。

一个完整的PON系统由一个安装于局端的光线路终端（OLT）、用户端（或终端）的光网络单元（ONU）和在OLT与ONU之间的光配线网（ODN）组成。显然，PON技术具有大幅度节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性可靠性高、建网速度快、组网灵活、综合建网成本低等优点。

2 基于PON的非压缩视频传输技术

众所周知，数字非压缩视频是当前无损数字视频光纤传输的一种最重要技术手段。当前，采用数字非压缩技术的视频光端机已广泛使用在视频监控的接入层。与压缩视频传输技术相比，数字非压缩视频具有图像传输质量高、全实时、技术成熟、成本低等诸多优点，但是也存在组网单一、传输方式不灵活等问题，尤其在接入层需要大量占用光纤，造成光纤资源紧张的局面。

能否将数字非压缩视频与PON相结合，使其既有非压缩视频的实时高质量，又有PON的高效灵活组网、节约光纤资源的优点呢？答案是肯定的。按照这一思路，微创光电于2009年初推出一种创新的视频接入层解决方案——基于无源光网络的非压缩视频传输系统VPON。VPON由局端设备OLT、远端设备ONU以及无源光网络ODN三部分组成，如图1所示。

与电信接入网中的EPON相似，VPON网络在1根光纤上使用不同波长的2个光路来分别实现上、下行数据传输，因此上、下行2个方向可以同时传输数据而不冲突。在下行方向，OLT可以随时发送反向视频、音频、控制数据、开关量和以太网等信号给任意ONU；在上行方向，采用时分复用（TDMA）技术，把光纤的占用按一定时间长度分成时段，在每一个时段，只有1台ONU采用突发模式的激光器能够占用光纤向OLT发送视频、音频、控制数据、开关量和以太网等信号，其余ONU则关闭激光器。OLT通过协议控制指定ONU发送和关闭时段，来避免冲突的发生。

要实现VPON的非压缩视频传输功能，就必须解决以下几个关键技术问题。

首先是测距问题。由于PON系统的上行方向为多点到点的拓扑、多个ONU共享主干段光纤，为正确安排各ONU上行发送起止时刻，把各ONU发送时隙在光耦合器合路后时间上互不重叠地“复用”起来，必须先知道各ONU到OLT的时延，也就是传输距离，各个ONU到达OLT的上行传输延时差异可能造成各ONU时隙交叠，导致来自不同ONU的时隙发生碰撞。显然，在实际工程应用中不可能预知每个ONU到OLT的精确传输距离，而日后增补、扩容、位移等要求也不允许只按一种固定距离的模式工作。因此，必须引入实时的自动测距技术对由于物理传输机制引发的时延差异进行补偿，以确保不同ONU所发出的信号能够在OLT处准确地复用在一起。目前商用化的PON技术主要是EPON，其测距问题由上游芯片厂商提供成套解决方案。而VPON完全是自主开发的，没有现成标准，不可能得到齐备的解决方案支持，只能自主开发。

其次是带宽的复用问题。非压缩数字视频带宽要求非常高，一路就要占用130 M左右的高带宽。为了具有较强的工程应用能力，还必须同时要求有低速数据、音频、开关量乃至以太网的随路传输能力。在PON技术中，EPON采用的1.25 G光平台是性价比较高的光平台，不但技术成熟，而且可以得到较好的技术支持。VPON也只能在这样一个有限的带宽中尽可能多地进行多路复用。由于1.25 G的带宽限制，1个VPON的OLT最多只能处理8路非压缩视频。

最后是工作可靠性和安全性问题。作为PON系统，工作可靠性主要有两方面，一是无源光网络本身，二是作为有源设备的ONU和OLT。作为无源光网络，其可靠性经过多年的广泛应用不容置疑，重点主要是放在作为网络节点的ONU上，即单个ONU发生停电、本身故障这两方面问题时，都不应该对整个VPON系统有影响。这就要求ONU在VPON中有一个可靠的自我诊断和网络注册机制，一旦出现问题时可以脱离系统，并通过网管上报故障。

此外，还有注册、同步等问题。只有可靠并有效地跨越这些障碍，才能真正实现产品商用化层面的VPON。

3 VPON的优势及组网

VPON是面对视频接入层的应用而生，接入层不但要满足各种监控要求的功能接口，还要体现PON技术的灵活组网优势。

从接口功能设计上，每个ONU可以支持1～3路视频接入（仍受限于1个OLT的8路视频容量）、1路RS-232/485数据、1路总线式RS-485反向控制数据、1路开关量、1路双向音频、1路10/100 M自适应（共享100 M带宽）。这样的接口设计，基本上可以满足视频接入层各种应用。ONU的外观和接口如图2所示。

一般视频接入层的覆盖半径不会超过20 km，PON本身可以支持除环形外的任意星形、链形和树形组网形态， ONU支持20 km半径范围内的任意方式组网应用。

总的来说，VPON体现了如下一些新特点。

（1）组网灵活

系统通过光分路器和光纤组成多点对一点的无源光网络，可以根据前端的分布情况组成链形、星形和树形网络。8个前端ONU可以支持在20 km半径范围内的任意组网（非环形）。VPON几种典型组网方式，如图3、4、5所示。

（2）扩容方便

在OLT容量富裕时，可在1个VPON系统中的干线光纤或支线光纤上任意一点插入新的ONU；或者在系统中的干线光纤或支线光纤上任意一点插入无源分路器后，分出若干段光纤插入新的ONU；也支持在原ONU的后端再延长出一段光纤插入新的ONU。

（3）可靠性高

系统所有设备都通过PON连接，PON由无源元件组成，不易受损，特性稳定。系统不论采用哪种网络形式，实际上还是接收端与各前端点到点的直接传输，因此任何一个ONU前端故障都不会对网络造成影响。前端故障可包括前端掉电和设备故障，还可以包括前端设备不稳定。实际上，VPON完全与点对点光端机组成的监控传输网具有相同的可靠性。

（4）可指派输出

可根据需要将特定ONU接入的信号设置到OLT端指定端口输出，即可以实现1个VPON系统内的视频交换功能。

（5）统一网管

遵循微创光电eGuide网管体系的统一管理，除了可实现系统内各机盘性能和告警参数的采集上报，还能对系统中前端ONU的工作时隙进行切换，并能对前端ONU进行启动、暂停和注销等操作。

（6）平台兼容性强

同一平台上的OLT可以与不同功能组合的ONU互通。

4 结论

VPON的问世，带来一种全新的视频接入层解决方案，尤其是针对光纤资源紧张、网络结构复杂、光纤敷设施工条件限制较多等情况，具有更明显的优势。