PON技術的發(fā)展及演進

        0  前言

 

        無源光網(wǎng)絡（PON）是使用點到多點樹形光纖分配網(wǎng)絡進行信息傳輸?shù)募夹g。點到多點的物理拓撲結構特別適用于有線接入網(wǎng)的場景。PON系統(tǒng)一般由位于局端的OLT設備，位于用戶側的ONU設備和連接兩者的無源光分配網(wǎng)構成。

 

        PON系統(tǒng)中由于多個ONU設備共享同一光纖媒質與OLT通信，因此主要需要解決不同ONU間的媒質共享問題。解決光纖中媒質共享的主要方式包括時分復用/多址技術、波分復用技術和正交頻分復用（OFDM）技術。因此主要的PON技術也可分為TDM-PON、WDM-PON和OFDM-PON三大類。目前技術比較成熟應用比較廣泛的EPON、GPON等主要是采用TDM-PON技術。

 

        1  PON技術的發(fā)展

 

        1.1  早期的窄帶PON及BPON

 

        最早的PON系統(tǒng)主要是用于解決多個的窄帶接入網(wǎng)（數(shù)字用戶環(huán)路）遠端設備的互聯(lián)，傳送n×64 kbit/s的語音時隙。但由于價格和業(yè)務保護方面均無法與環(huán)形拓撲的數(shù)字用戶環(huán)路設備抗衡，因此成為失敗的技術。

 

        20世紀90年代，隨著ATM/B-ISDN的興起，寬帶第一次成為電信技術發(fā)展的重要方向，而帶寬潛力巨大的光纖技術也成為信息傳輸技術的寵兒。因此，在1995年全球7個重要的運營商成立了全業(yè)務接入網(wǎng)組織（FSAN），致力于光纖接入網(wǎng)的標準和應用的推進工作。在FSAN和ITU-T的共同努力下，第一個關于PON系統(tǒng)的國際標準《基于無源光網(wǎng)絡（PON）的寬帶光接入系統(tǒng)》（ITU-T G.983.1 ）于1998年發(fā)布，該標準一般也被稱為BPON標準。

 

        BPON在當時的技術環(huán)境下采用了以ATM為內核的設計思路，且限于當時器件水平和價格的因素，PON設備的成本還比較高、光纖接入網(wǎng)的外部配套條件也不成熟，因此BPON僅在北美地區(qū)的電信運營商中有一定規(guī)模的部署，并未在全球獲得廣泛的應用。

 

        1.2  EPON和GPON

 

        隨著ATM技術的衰落和互聯(lián)網(wǎng)IP技術的迅速興起，繼BPON之后，業(yè)界希望開發(fā)一種新型的PON系統(tǒng)，取代過時的BPON技術。在這個背景下，IEEE和ITU-T相繼在2000年和2001年啟動了EPON和GPON的標準化工作，并分別于2004年發(fā)布了完成的標準，為今天EPON和GPON在現(xiàn)網(wǎng)中的大量應用奠定了基礎。

 

        EPON標準由IEEE的EFM（Ethernet in the First Mile）工作組完成，并在2004年9月被IEEE批準為IEEE 802.3ah標準。EPON標準的很多內容繼承了以太網(wǎng)的設計思想，重用了吉比特以太網(wǎng)的速率和物理層編碼等內容，并對MAC層協(xié)議和以太網(wǎng)幀前導碼序列進行了修改，以適應PON的點到多點的網(wǎng)絡拓撲結構。

 

        GPON標準由ITU-T 第15研究組進行標準化工作，GPON相關的標準包括G.984.1~G.984.6六個標準，分別涵蓋了GPON系統(tǒng)的架構、物理媒質相關層、傳輸匯聚層、ONU控制管理協(xié)議以及對增強的波長使用和距離擴展的規(guī)定。GPON標準的設計比較全面地考慮了運營商的業(yè)務和運行維護需求，標準體系完備全面，但是內容也相對復雜。

 

        EPON系統(tǒng)采用單纖雙向傳輸，上行標稱波長為1 310 nm，下行標稱波長為1 490 nm。按照最大傳輸距離的不同，標準中將EPON接口光收發(fā)指標分為10 km（PX10）和20 km（PX20）兩類規(guī)范，實際網(wǎng)絡中為了獲得較大的光功率預算多采用PX20類型接口，可實現(xiàn)20 km傳輸距離和1∶32分路比。EPON系統(tǒng)的每個PON口的實際有效帶寬為800~950 Mbit/s。

 

        GPON同樣采用單纖雙向傳輸，上行標稱波長為1 310 nm，下行標稱波長為1 490 nm。GPON采用GEM封裝方式進行多種業(yè)務適配，利用GEM封裝方式可以直接承載以太網(wǎng)業(yè)務、ATM業(yè)務或TDM業(yè)務。與EPON的類以太網(wǎng)的變長幀傳輸方式不同，GPON采用125 μs固定幀長，這對于精確的傳送時鐘信號有所幫助。GPON信道編碼采用NRZ碼，下行速率為2.488 Gbit/s，上行速率為1.244 Gbit/s，除去系統(tǒng)開銷后每個PON口的實際有效帶寬約為下行2.45 Gbit/s，上行1.1 Gbit/s。目前主流的GPON系統(tǒng)采用B+類光器件，可實現(xiàn)20 km傳輸距離下的1∶64分路比，以及支持60 km的最大邏輯距離。

 

        當前EPON和GPON分別可以提供大約1G和2.4G的下行帶寬，在FTTH場景下，如果不考慮并發(fā)，最大分路比下（32和64）的每個用戶可以保證獲得大約30 Mbit/s的下行帶寬。但在中國現(xiàn)網(wǎng)條件下，運營商大量采用FTTB的方式進行組網(wǎng)，即每個ONU下還連接16~32個用戶，最終可能會達到每PON口連接1 000個（32×32）左右的用戶。這樣每個用戶可獲得的帶寬將無法滿足現(xiàn)網(wǎng)提速的需求。

 

        1.3  10G-EPON和XG-PON

 

        從2005年開始，IEEE和ITU相繼開展了對下一代PON系統(tǒng)的標準化研究。根據(jù)FSAN對幾大運營商的關于下一代PON的意見的征求，絕大多數(shù)運營商指出應在現(xiàn)有的EPON和GPON的技術基礎上提升速率，也有個別運營商希望可以發(fā)展像WDM-PON一類的新技術。

 

        IEEE于2006年立項開始制定10 Gbit/s速率的EPON系統(tǒng)的標準IEEE 802.3av。該標準針對10 Gbit/s速率的需求制定了新的EPON物理層規(guī)范，并對MAC層規(guī)范進行了更新。在該標準中，10G EPON分為2個類型。其一是非對稱方式，即下行速率為10 Gbit/s，但上行速率與EPON相同仍然為1 Gbit/s。其二是對稱方式，即上下行速率均為10 Gbit/s。

 

        相比來說，由于PON系統(tǒng)的上行傳輸技術難度較大，因此1G上行10G下行方式的10G EPON系統(tǒng)較為容易實現(xiàn)，目前芯片廠家已經可以提供原型系統(tǒng)。但由于該類系統(tǒng)上下行帶寬比達到1∶10，因此能否與實際的用戶業(yè)務需求的帶寬模型相匹配目前存在疑問。

 

        ITU于2008年啟動了下一代GPON標準的研究，目前稱為XG-PON標準。XG-PON標準ITU-T G.987系列已陸續(xù)發(fā)布。XG-PON目前規(guī)定的物理層速率為非對稱方式，即下行速率為10 Gbit/s，上行速率為2.5 Gbit/s。

 

        10G-EPON和XG-PON系統(tǒng)使用同樣的波長規(guī)劃，有利于兩者共用部分光器件，擴大產業(yè)規(guī)模，降低器件成本。兩者均規(guī)定上行選擇1 260~1 280 nm的波長范圍，下行選擇1 575~1 580 nm的波長范圍。下行方向與現(xiàn)有的1 490 nm的EPON或GPOM系統(tǒng)可以采用WDM方式進行波長隔離。上行方向，由于EPON ONU使用的激光器譜寬較寬（1 310+50 nm），與1 260~1 280 nm波長重疊。因此，EPON與10G-EPON的ONU共存在同一ODN時需采用TDMA方式，兩者不能同時發(fā)射。GPON與XG-PON的ONU可以采用波長隔離，兩者互不影響。

 

        在功率預算方面，10G EPON增加了PR/PRX30的功率預算檔次，將光鏈路預算提升到29 dB。10G GPON正在研究如何支持31~32 dB的光鏈路預算能力。

 

        1.4  NG-PON2

 

        NG-PON2是現(xiàn)有的GPON/XG-PON的演進系統(tǒng)。由于TDM-PON發(fā)展到單波長10 Gbit/s速率后，再進一步提升單波長速率面臨技術和成本的雙重挑戰(zhàn)，于是在PON系統(tǒng)中引入WDM技術成為必然的選擇。由于10G-EPON和XG-PON目前在現(xiàn)網(wǎng)中的應用也很少，因此NG-PON2的主要目標是瞄準2015年以后的應用窗口。

 

        NG-PON2系統(tǒng)定位于全業(yè)務的光纖接入網(wǎng)，除了通過速率的提升支持更高速率的家庭和商業(yè)客戶，NG-PON2還需要具有良好的同步性能支持移動回傳等業(yè)務。目前正在討論中的NG-PON2的標準草案中提出了以下基本特性。

 

        a） 下行速率至少為40 Gbit/s，上行速率至少為10 Gbit/s。

  0 km。

       

         b） 最大傳輸距離和最大差分距離為40 km。

 

         c） 最大支持1∶256分路比。

 

        d） 至少包含4個TWDM通道。

 

        e） 使用無色ONU。

 

        NG-PON2在物理層采用的主要原理是TDM和WDM結合的方式，使用多個XG-PON在波長上進行堆疊，可以最大限度地重用GPON/XG-PON的技術，以及與現(xiàn)有的采用功率分配分光器的ODN具有比較好的兼容性。NG-PON2系統(tǒng)的基本架構如圖1所示。

 

 

        OLT采用多波長光模塊配置4個或更多的上下行波長，ONU側采用波長可調光收發(fā)器技術實現(xiàn)ONU的無色化。OLT與ONU之間通過一個正在標準化中的波長選擇與分配協(xié)議控制ONU在分配的波長上工作。

 

        2  PON系統(tǒng)的演進

 

        2.1  GPON系統(tǒng)到NG-PON2的演進

 

        GPON系統(tǒng)演進到NG-PON2有3種可選的路徑，分別為次序演進、跳躍演進和靈活演進。

 

        a） 次序演進方式（見圖2）?，F(xiàn)有的GPON系統(tǒng)需要首先演進到XG-PON系統(tǒng)，在同一ODN中保持GPON與XG-PON共存一段時期。當需要向NG-PON2演進時，由于只有XG-PON系統(tǒng)可以演進到NG-PON2，可以與NG-PON2在同一ODN共存，因此需要確保此時GPON系統(tǒng)已經從ODN中移除。

 

 

        b） 跳躍演進方式（見圖3）。從GPON直接演進到NG-PON2。根據(jù)業(yè)務和網(wǎng)絡的發(fā)展進程，該方式跳過XG-PON階段，直接從GPON升級為NG-PON2，因此要求在ODN中GPON與NG-PON2 2個系統(tǒng)共存。

 

 

        c） 靈活演進方式（見圖4）。靈活演進方式既支持從XG-PON演進到NG-PON2，也支持從GPON直接演進到NG-PON2，最后允許GPON、XG-PON、NG-PON2 3種系統(tǒng)在同一個ODN上共存的演進方式。這種方式下，由于3種系統(tǒng)都需要占用光纖中的頻譜資源，因此對頻譜的規(guī)劃難度最大。目前NG-PON2物理層規(guī)范考慮到了靈活演進方式的需求，對NG-PON2所使用的頻譜基本確定為使用C-（1 530～1 540 nm） 波段和 L+（1 595~1 625 nm）波段，具體的波段邊界數(shù)值還有待進一步討論。

 

 

        2.2  EPON系統(tǒng)到NG-PON2的演進

 

        EPON系統(tǒng)如何較平滑地演進到NG-PON2系統(tǒng)目前還沒有更多的研究。從ODN共存的角度看，由于目前NG-PON2選擇的C-和L+波段與EPON/10G-EPON所使用波段也不相同，可以參考GPON/XG-PON的方式通過波分復用共存在同一個ODN中。

 

        3  結束語

 

        綜上所述，NG-PON2成為近期PON系統(tǒng)和技術的研究重點，由于需求、器件、成本的原因，NG-PON2短期內可能還難以實用化。 但NG-PON2是PON技術的集大成者，是PON演進過程中的重要里程碑。因此，應該在現(xiàn)有GPON、EPON的規(guī)劃和設計中考慮長期演進的因素，減少未來網(wǎng)絡演進的風險。

 

        參考文獻：

 

        [1]  IEEE 802.3ah-2004 Amendment: Media Access ControlParameters, Physical Layers, and Management Parameters for Subscriber Access Networks［S/OL］. ［2012-07-11］. http://www.docin.com/p-37319530  0.html.

 

        [2]  IEEE 802.3av-2009 Amendment: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Gb/s Passive Optical Networks ［S/OL］. ［2012-07-11］.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.3av-

          2009.html.

 

        [3]  ITU-T G.983.1 Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks （PON）［S/OL］. ［2012-07-11］. http://www.doc88.com/p-141665362993.html.

 

        [4]  ITU-T G.984.1 Gigabit-capable passive optical networks （GPON）: General characteristics［S/OL］. ［2012-07-11］. http://wenku.baidu.com/view/d2ce0723482fb4daa58d4b91.html.

 

        [5]  ITU-T G.987.2 10-Gigabit-capable passive optical networks （XG-PON）: Physical Media Dependent （PMD） layer specification［S/OL］. ［2012-07-11］. http://wenku.baidu.com/view/2e1e0e2bcfc789eb 172dc825.html.

 

作者：程強   來源：郵電設計技術