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 基于PON技術(shù)的光纖接入技術(shù)淺析
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專業(yè)方向  通信工程
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發(fā)表于 2015-03-16 09:53:48  只看樓主  QQ
摘要　隨著用戶對寬帶接入提出更高需求、光纖到戶實現(xiàn)成本逐漸下降、光纖接入技術(shù)快速發(fā)展，光纖到戶寬帶接入方式將逐漸成熟。本文在對目前實現(xiàn)光纖到戶的各種光纖接入技術(shù)的優(yōu)勢、缺點、應(yīng)用場合進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出GEPON和GPON是將來實現(xiàn)光纖到戶兩種最具潛力的光纖接入技術(shù)，并對當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備比較成熟的GEPON關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。
關(guān)鍵詞　FTTH　點對點以太網(wǎng)　GEPON　GPON
1、背景
　首先，隨著用戶對寬帶接入提出越來越高的要求，現(xiàn)有的寬帶接入方式，如ADSL和LAN接入，由于存在傳輸距離短、接入帶寬有限、安全性不高、QoS沒有很好的保證等問題，已越來越不能滿足用戶的需求。第二，光接入技術(shù)快速發(fā)展，從有源光接入技術(shù)(PDH、SDH、MSTP、點到點以太網(wǎng)系統(tǒng))到PON無源光接入技術(shù)(APON、BPON、GPON、EPON、GEPON)。最后，由于光纖本身的成本，光收發(fā)模塊、OLT和ONU的設(shè)備成本，以及現(xiàn)有光纖到戶的配套成本不斷下降，使得目前實現(xiàn)光纖到戶的設(shè)備成本和線路成本比以前有了大幅度的下降。因此，光纖到戶接入方式逐漸成熟，目前也逐漸成為國內(nèi)外通信行業(yè)的熱點。在不久的將來必將成為用戶接入的重要手段。然而在目前眾多的光纖接入技術(shù)中，哪種光纖接入技術(shù)比較適合FTTH的大規(guī)模發(fā)展呢?
2、有源光纖接入技術(shù)
　2.1　PDH
　PDH技術(shù)以其成熟性在光接入領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其安全可靠性和高QoS保障性能，使其在一段時間內(nèi)仍然是電信運營商重要的光纖接入技術(shù)方式。但是傳統(tǒng)PDH技術(shù)在接入應(yīng)用中不可避免存在一定局限性，主要體現(xiàn)在：
　　(1)缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理；
　　(2)組網(wǎng)能力欠缺；
　　(3)對業(yè)務(wù)的保護(hù)能力差；
　　(4)對急劇增長的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)缺乏有效的承載手段；
　　(5)擴(kuò)容升級缺乏靈活性；
　　(6)接口單一，設(shè)備層疊，外部線纜連接比較多，故障點增多，給維護(hù)帶來困難。
　　PDH光接入技術(shù)主要應(yīng)用于點對點小容量專線企業(yè)用戶。
　　2.2　SDH
　　在目前企事業(yè)客戶光纖接入中應(yīng)用得比較多的SDH，與PDH相比，有如下明顯優(yōu)點：
　　(1)統(tǒng)一的比特率，統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，便于設(shè)備間的互聯(lián)；
　　(2)網(wǎng)絡(luò)管理能力大大加強(qiáng)；
　　(3)具有自愈保護(hù)功能。
　　SDH主要缺點在于是為傳輸TDM信息而設(shè)計的。該技術(shù)缺少處理基于TDM技術(shù)的傳統(tǒng)語音信息以外的其他信息所需的功能，不適合于傳送TDM以外的ATM和以太網(wǎng)業(yè)務(wù)。
　　SDH光接入技術(shù)主要應(yīng)用于點對點大容量專線企業(yè)用戶、局間或匯接點(POP)間通信。
　　2.3　MSTP
　　基于SDH、同時實現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的MSTP，具有如下優(yōu)勢：
　　(1)提供多種物理接口，滿足新業(yè)務(wù)快速接入。在保證兼容傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)的同時，能夠提供多業(yè)務(wù)靈活接入。典型的業(yè)務(wù)主要有：IP、ATM、SDH、FR。
　　(2)由于它是基于現(xiàn)有SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)的，可以很好地兼容現(xiàn)有技術(shù)，保證現(xiàn)有投資。
　　(3)MSTP采用VC虛級聯(lián)技術(shù)，有效地利用帶寬并實現(xiàn)了較小顆粒的帶寬管理。
　　(4)MSTP采用LCAS技術(shù)，保證了在不中斷數(shù)據(jù)流的情況下動態(tài)地調(diào)整虛級聯(lián)的個數(shù)。
　　(5)MSTP技術(shù)支持網(wǎng)狀、樹型、星型、多環(huán)切接等組網(wǎng)方式，這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，便于靈活高效地配置系統(tǒng)環(huán)境。
　　(6)傳輸?shù)母呖煽啃院妥詣颖Ｗo(hù)恢復(fù)功能。MSTP繼承了SDH的保護(hù)特性，小于50ms的自動保護(hù)恢復(fù)，保證用戶對服務(wù)的滿意程度。
　　MSTP的缺點主要有：
　　(1)帶寬利用率較低；
　　(2)最大提供的帶寬有限；
　　(3)主要實現(xiàn)二層功能，以及較為簡單的三層功能；
　　(4)靈活提供業(yè)務(wù)能力不足。
　　(5)光纖的占用較多
　　MSTP的應(yīng)用場合主要定位于局間或匯接點間通信以及大型企事業(yè)用戶的點到點通信
2.4　點到點以太網(wǎng)系統(tǒng)
　　點到點以太網(wǎng)系統(tǒng)是最直接的以太網(wǎng)光纖接入技術(shù)。每個用戶通過一根/對光纖直接連接到局端以太網(wǎng)交換機(jī)的一個用戶光接口。在點到點以太網(wǎng)系統(tǒng)方式中，通過擴(kuò)充的以太網(wǎng)OAM協(xié)議，可以通過局端交換機(jī)對用戶端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，從而提供電信級可運營、可管理的以太網(wǎng)接入方式。
　　2.4.1　優(yōu)點
　　(1)接入帶寬高，網(wǎng)絡(luò)升級方便；
　　(2)網(wǎng)絡(luò)層次簡單，接入網(wǎng)和用戶以太網(wǎng)無縫連接；
　　(3)以太網(wǎng)交換機(jī)放在大樓、小區(qū)或者局端機(jī)房，局端和用戶端之間直接通過光纖連接，整個接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單；
　　(4)業(yè)務(wù)開通率高，投資回收快；
　　(5)通過局端交換機(jī)可以對用戶端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，在局端就可以輕松進(jìn)行線路檢測、故障定位，降低了維護(hù)難度。
　　2.4.2　缺點
　　(1)需要重新鋪設(shè)光纖線路；
　　(2)每個用戶占用一根/對光纖，光纖數(shù)量多，施工較困難；
　　(3)因為以太網(wǎng)技術(shù)的固有機(jī)制不提供端到端的包時延、包丟失率和帶寬控制，難以保證實時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，提供TDM業(yè)務(wù)比較困難；
　　(4)維護(hù)成本很高；
　　(5)缺乏安全機(jī)制保證；
　　2.4.3　應(yīng)用場合
　　用戶很密集時，機(jī)房空間需求和成本也隨之迅速增加，因而不太適合高密集用戶區(qū)域，比較適合分散用戶接入。
3、無源光纖接入技術(shù)
　　無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)，是指在OLT(光線路終端)和ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)之間的光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)沒有任何有源電子設(shè)備。其典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為點對多點的星型結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。在光分支點不需要節(jié)點設(shè)備，只需要安裝一個簡單的無源光分路器，因此具有節(jié)省光纜資源、帶寬資源共享、節(jié)省機(jī)房投資、安全性高、綜合建網(wǎng)成本低、維護(hù)成本低、可靠性高等優(yōu)點。

圖1　無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)拓?fù)鋱D

PON光纖接入技術(shù)的缺點：
　　(1)初期投資成本太高；
　　(2)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用戶不具有保護(hù)功能或保護(hù)成本太高。
　　PON光纖接入技術(shù)的應(yīng)用場合主要適合于分散的小企業(yè)和居民用戶，特別是那些用戶區(qū)域較分散，而每一區(qū)域用戶又相對集中的小面積密集用戶地區(qū)。
　　目前基于PON的光纖接入技術(shù)有APON、BPON、GPON、EPON和GEPON等5種，由于APON和BPON是基于ATM，而ATM不是發(fā)展方向，而且其速率有限，設(shè)備復(fù)雜，滿足不了用戶高帶寬和低成本的要求，因此，APON和BPON不是發(fā)展方向。本文主要介紹EPON/GEPON和GPON光纖接入技術(shù)。
3.1　EPON/GEPON
　　EPON/GEPON是IEEE提出的基于以太網(wǎng)的PON技術(shù)，已形成標(biāo)準(zhǔn)802.3ah，該標(biāo)準(zhǔn)主要是設(shè)備商推動的。
　　3.1.1　優(yōu)勢
　　(1)消除了ATM層，降低設(shè)備復(fù)雜度和實現(xiàn)難度，從而降低成本。
　　(2)速率更高，上下行帶寬高達(dá)1Gbit/s。
　　(3)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備成熟。
　　3.1.2　缺點
　　(1)難以支持以太網(wǎng)以外的業(yè)務(wù)，特別是實時性要求要的TDM業(yè)務(wù)。
　　(2)傳輸效率低，由于線路編碼、承載層、傳輸匯聚層、業(yè)務(wù)適配效率等方面的原因，使得傳輸效率很低，僅為GPON的一半。
　　3.1.3　應(yīng)用場合
　　主要定位于為用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入，以商業(yè)用戶和個人用戶為主。
　　3.2　GPON
　　GPON是ITU-T提出的基于ATM和GFP的PON技術(shù)，已形成標(biāo)準(zhǔn)G.984.1和G.984.2，該標(biāo)準(zhǔn)主要是運營商推動的，因此具有更周到的運營利益考慮，速率更高，可達(dá)2.4Gbit/s；具有通用的映射格式，可適應(yīng)任何新老業(yè)務(wù)；具有豐富的運行、管理、維護(hù)和配置(OAM&P)特點；對各種業(yè)務(wù)均具有很高的傳輸效率，即便對于TDM業(yè)務(wù)也能高效無開銷地傳送。
　　3.2.1　優(yōu)勢
　　(1)速率更高，達(dá)到2.5Gbits/s；
　　(2)傳輸效率更高；
　　(3)能夠有效承載TDM業(yè)務(wù)。
　　3.2.2　劣勢
　　(1)硬件實現(xiàn)難度大，成本高；
　　(2)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)不太成熟。
　　3.2.3　應(yīng)用場合
　　主要定位于為高端用戶提供數(shù)據(jù)、語音業(yè)務(wù)和專線接入，以大客戶和商業(yè)用戶為主。
4、GEPON關(guān)鍵問題和技術(shù)
　　4.1　測距、同步
　　測距技術(shù)是TDMA方案中的一個關(guān)鍵問題。它實質(zhì)上是上行信號的同步問題。由于各ONU距OLT的光纖路徑不同和各ONU元器件的不一致性造成OLT與各ONU間的環(huán)路時延不同，而且由于環(huán)境溫度的變化和器件老化等原因，環(huán)路延時也會發(fā)生不斷的變化。因此必須引入測距技術(shù)對上述原因引發(fā)的時延差異進(jìn)行補(bǔ)償，以確保不同ONU所發(fā)出的信號能夠在OLT處準(zhǔn)確地按時隙復(fù)用在一起，避免由于上行時隙間的不同步而導(dǎo)致在OLT上發(fā)生信號碰撞的現(xiàn)象。GEPON中采用的同步技術(shù)是絕對時標(biāo)(ATS)技術(shù)，包括ATS的插入和提取等。
　　OLT有一個本地時鐘計數(shù)器，該計數(shù)器對時間顆粒計數(shù)。當(dāng)OLT發(fā)送MPCP幀時，它就將本地時鐘計數(shù)器的值，即絕對時鐘插入到其時間標(biāo)簽域中。ONU中也有一個本地時鐘計數(shù)器。這個計數(shù)器也是對時間顆粒計數(shù)。但是。ONU無論何時接收到OLT發(fā)送的MPCP幀，就要將這個幀所攜帶的新的時間標(biāo)簽值來刷新自己的本地時鐘計數(shù)器的值。當(dāng)ONU發(fā)送MPCP幀時，它也要將自己的時鐘計數(shù)器的值映射到時間標(biāo)簽域中。OLT將對接收到的ONU的時間標(biāo)簽進(jìn)行檢查。時間標(biāo)簽測距法就是通過時間標(biāo)簽在OLT與ONU之間的傳遞，計算接收的時間標(biāo)簽值和OLT本地時鐘的之間的差來得到ONU的RTT值。OLT只要接收到了ONU的MPCP幀，就要進(jìn)行測距，利用時間標(biāo)簽法進(jìn)行測距的原理如圖2所示。

圖2　GEPON測距技術(shù)

　　圖中TR為ONU總的響應(yīng)時間，TDOWN為下行傳輸延時，TUP為上行傳輸延時，TWAIT為ONU接收到OLT的MPCP消息(一般為GATE消息)到發(fā)送窗口開始之間的等待時間。OLT在本地時間為to時，給ONU發(fā)送一個MPCP幀，它攜帶的時間標(biāo)簽值為TS=to。經(jīng)過TDOWN時間的傳輸延時后，這個MPCP幀到達(dá)ONU。ONU將本地時間計數(shù)器的值更新為to，然后就等待。等待TWAIT時間后，這個ONU的發(fā)送窗口開始了，它就發(fā)送數(shù)據(jù)和MPCP幀，并將本地時鐘計數(shù)器的值t1插入到MPCP幀的時標(biāo)域。ONU發(fā)出的MPCP幀經(jīng)過TUP時間的傳播延遲后到達(dá)OLT。
4.2　突發(fā)發(fā)送和接收
　　與所有的采用TDMA技術(shù)的PON一樣，GEPON中也面臨著上行信號的突發(fā)發(fā)送和接收的問題。由于不同的ONU到達(dá)OLT的距離不相等，以及每一個ONU的光模塊發(fā)出的光信號的強(qiáng)度不同，造成了OLT的接收機(jī)接收到的信號功率在每一個時隙都不相同，導(dǎo)致OLT容易產(chǎn)生誤判。
　　為了解決OLT誤判的問題，有兩種方法，一種是要求ONU動態(tài)調(diào)整發(fā)光功率，另外一種是要求OLT動態(tài)調(diào)整判決電平，如圖3所示。前一種方法對ONU提出更高的要求，成本較高，后一種方法實現(xiàn)簡單，成本較低，目前大部分采用后一種方法。

圖3　GEPON突發(fā)接收技術(shù)

　　4.3　安全性問題
　　由于GEPON下行是一個共享網(wǎng)絡(luò)，因此用戶安全也是GEPON中比較受到關(guān)注的一個問題。如圖4所示，為了確保用戶數(shù)據(jù)的安全，目前主要采用兩種方式，一種是為每個ONU分配唯一的LLID，另外一種是采用AES128加密技術(shù)對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，ONU將定時產(chǎn)生新的密鑰，并發(fā)送到OLT，OLT根據(jù)一定算法將ONU產(chǎn)生的密鑰轉(zhuǎn)換成真正的加密圖樣，對下行數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密。

圖4　GEPON安全問題

　　4.4　QoS問題和DBA技術(shù)
　　由于以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流具有很強(qiáng)的突發(fā)性，如果采用靜態(tài)的帶寬分配方案，就會產(chǎn)生帶寬利用率低下或帶寬分配不公平的現(xiàn)象。因此，為提高帶寬利用率，在GEPON中采用動態(tài)的帶寬分配機(jī)制。采用DBA的好處在于不但可以提高帶寬利用率，還可以采用帶寬調(diào)度算法來保證某些優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)的QoS。DBA能確保用戶所簽訂的服務(wù)等級合同(包括最小帶寬、最大帶寬和延時敏感性)得到公平的執(zhí)行。在簽訂SLA時可以規(guī)定業(yè)務(wù)和用戶的優(yōu)先級。高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)或用戶可以優(yōu)先獲得網(wǎng)絡(luò)資源。在確保所有的業(yè)務(wù)或者用戶的最小帶寬得到保障的情況下，可以動態(tài)地分配剩余帶寬，供突發(fā)性較強(qiáng)的業(yè)務(wù)使用。
　　4.5　MPCP技術(shù)
　　MPCP是一種多點控制協(xié)議，指明了OLT和ONU之間的控制機(jī)制，如圖5所示，其功能如下：

圖5　GEPON MPCP技術(shù)

　　(1)控制網(wǎng)絡(luò)啟動導(dǎo)入過程，即ONU的注冊過程。
　　(2)給終點站(ONU)分配帶寬
　　(3)詢問來自終點站(ONU)的帶寬請求
5、結(jié)束語
　　 綜上所述，各種光纖接入技術(shù)都有其最佳使用場合和時機(jī)，PDH、SDH和MSTP最適合企事業(yè)用戶，點到點以太網(wǎng)系統(tǒng)適合在低密度用戶分散地區(qū)應(yīng)用，PON光纖接入技術(shù)最適合新建或改建的密集用戶區(qū)應(yīng)用，其中又以GEPON和GPON光纖接入技術(shù)在FTTH將來大規(guī)模發(fā)展中最具潛力。
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