PON技術(shù)的發(fā)展及演進(jìn)

0 前言

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）是使用點(diǎn)到多點(diǎn)樹形光纖分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)。點(diǎn)到多點(diǎn)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別適用于有線接入網(wǎng)的場(chǎng)景。PON系統(tǒng)一般由位于局端的OLT設(shè)備，位于用戶側(cè)的ONU設(shè)備和連接兩者的無(wú)源光分配網(wǎng)構(gòu)成。

PON系統(tǒng)中由于多個(gè)ONU設(shè)備共享同一光纖媒質(zhì)與OLT通信，因此主要需要解決不同ONU間的媒質(zhì)共享問(wèn)題。解決光纖中媒質(zhì)共享的主要方式包括時(shí)分復(fù)用/多址技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)和正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。因此主要的PON技術(shù)也可分為TDM-PON、WDM-PON和OFDM-PON三大類。目前技術(shù)比較成熟應(yīng)用比較廣泛的EPON、GPON等主要是采用TDM-PON技術(shù)。

1 PON技術(shù)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(gè)的窄帶接入網(wǎng)（數(shù)字用戶環(huán)路）遠(yuǎn)端設(shè)備的互聯(lián)，傳送n×64 kbit/s的語(yǔ)音時(shí)隙。但由于價(jià)格和業(yè)務(wù)保護(hù)方面均無(wú)法與環(huán)形拓?fù)涞臄?shù)字用戶環(huán)路設(shè)備抗衡，因此成為失敗的技術(shù)。

20世紀(jì)90年代，隨著ATM/B-ISDN的興起，寬帶第一次成為電信技術(shù)發(fā)展的重要方向，而帶寬潛力巨大的光纖技術(shù)也成為信息傳輸技術(shù)的寵兒。因此，在1995年全球7個(gè)重要的運(yùn)營(yíng)商成立了全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)組織（FSAN），致力于光纖接入網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用的推進(jìn)工作。在FSAN和ITU-T的共同努力下，第一個(gè)關(guān)于PON系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的寬帶光接入系統(tǒng)》（ITU-T G.983.1 ）于1998年發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)一般也被稱為BPON標(biāo)準(zhǔn)。

BPON在當(dāng)時(shí)的技術(shù)環(huán)境下采用了以ATM為內(nèi)核的設(shè)計(jì)思路，且限于當(dāng)時(shí)器件水平和價(jià)格的因素，PON設(shè)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(yùn)營(yíng)商中有一定規(guī)模的部署，并未在全球獲得廣泛的應(yīng)用。

1.2 EPON和GPON

隨著ATM技術(shù)的衰落和互聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)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(guò)時(shí)的BPON技術(shù)。在這個(gè)背景下，IEEE和ITU-T相繼在2000年和2001年啟動(dòng)了EPON和GPON的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并分別于2004年發(fā)布了完成的標(biāo)準(zhǔn)，為今天EPON和GPON在現(xiàn)網(wǎng)中的大量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

EPON標(biāo)準(zhǔn)由IEEE的EFM（Ethernet in the First Mile）工作組完成，并在2004年9月被IEEE批準(zhǔn)為IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)。EPON標(biāo)準(zhǔn)的很多內(nèi)容繼承了以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想，重用了吉比特以太網(wǎng)的速率和物理層編碼等內(nèi)容，并對(duì)MAC層協(xié)議和以太網(wǎng)幀前導(dǎo)碼序列進(jìn)行了修改，以適應(yīng)PON的點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

GPON標(biāo)準(zhǔn)由ITU-T 第15研究組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，GPON相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括G.984.1~G.984.6六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別涵蓋了GPON系統(tǒng)的架構(gòu)、物理媒質(zhì)相關(guān)層、傳輸匯聚層、ONU控制管理協(xié)議以及對(duì)增強(qiáng)的波長(zhǎng)使用和距離擴(kuò)展的規(guī)定。GPON標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)比較全面地考慮了運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)和運(yùn)行維護(hù)需求，標(biāo)準(zhǔn)體系完備全面，但是內(nèi)容也相對(duì)復(fù)雜。

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

GPON同樣采用單纖雙向傳輸，上行標(biāo)稱波長(zhǎng)為1 310 nm，下行標(biāo)稱波長(zhǎng)為1 490 nm。GPON采用GEM封裝方式進(jìn)行多種業(yè)務(wù)適配，利用GEM封裝方式可以直接承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、ATM業(yè)務(wù)或TDM業(yè)務(wù)。與EPON的類以太網(wǎng)的變長(zhǎng)幀傳輸方式不同，GPON采用125 μs固定幀長(zhǎng)，這對(duì)于精確的傳送時(shí)鐘信號(hào)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(gè)PON口的實(shí)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(shí)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(dāng)前EPON和GPON分別可以提供大約1G和2.4G的下行帶寬，在FTTH場(chǎng)景下，如果不考慮并發(fā)，最大分路比下（32和64）的每個(gè)用戶可以保證獲得大約30 Mbit/s的下行帶寬。但在中國(guó)現(xiàn)網(wǎng)條件下，運(yùn)營(yíng)商大量采用FTTB的方式進(jìn)行組網(wǎng)，即每個(gè)ONU下還連接16~32個(gè)用戶，最終可能會(huì)達(dá)到每PON口連接1 000個(gè)（32×32）左右的用戶。這樣每個(gè)用戶可獲得的帶寬將無(wú)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(duì)下一代PON系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。根據(jù)FSAN對(duì)幾大運(yùn)營(yíng)商的關(guān)于下一代PON的意見的征求，絕大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商指出應(yīng)在現(xiàn)有的EPON和GPON的技術(shù)基礎(chǔ)上提升速率，也有個(gè)別運(yùn)營(yíng)商希望可以發(fā)展像WDM-PON一類的新技術(shù)。

IEEE于2006年立項(xiàng)開始制定10 Gbit/s速率的EPON系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3av。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)10 Gbit/s速率的需求制定了新的EPON物理層規(guī)范，并對(duì)MAC層規(guī)范進(jìn)行了更新。在該標(biāo)準(zhǔn)中，10G EPON分為2個(gè)類型。其一是非對(duì)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(duì)稱方式，即上下行速率均為10 Gbit/s。

相比來(lái)說(shuō)，由于PON系統(tǒng)的上行傳輸技術(shù)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(shí)現(xiàn)，目前芯片廠家已經(jīng)可以提供原型系統(tǒng)。但由于該類系統(tǒng)上下行帶寬比達(dá)到1∶10，因此能否與實(shí)際的用戶業(yè)務(wù)需求的帶寬模型相匹配目前存在疑問(wèn)。

ITU于2008年啟動(dòng)了下一代GPON標(biāo)準(zhǔn)的研究，目前稱為XG-PON標(biāo)準(zhǔn)。XG-PON標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(zhǎng)規(guī)劃，有利于兩者共用部分光器件，擴(kuò)大產(chǎn)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(zhǎng)范圍，下行選擇1 575~1 580 nm的波長(zhǎng)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(jìn)行波長(zhǎng)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(zhǎng)重疊。因此，EPON與10G-EPON的ONU共存在同一ODN時(shí)需采用TDMA方式，兩者不能同時(shí)發(fā)射。GPON與XG-PON的ONU可以采用波長(zhǎng)隔離，兩者互不影響。

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

1.4 NG-PON2

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

NG-PON2系統(tǒng)定位于全業(yè)務(wù)的光纖接入網(wǎng)，除了通過(guò)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(dòng)回傳等業(yè)務(wù)。目前正在討論中的NG-PON2的標(biāo)準(zhǔn)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。

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(gè)TWDM通道。

e） 使用無(wú)色ONU。

NG-PON2在物理層采用的主要原理是TDM和WDM結(jié)合的方式，使用多個(gè)XG-PON在波長(zhǎng)上進(jìn)行堆疊，可以最大限度地重用GPON/XG-PON的技術(shù)，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(gòu)如圖1所示。

OLT采用多波長(zhǎng)光模塊配置4個(gè)或更多的上下行波長(zhǎng)，ONU側(cè)采用波長(zhǎng)可調(diào)光收發(fā)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)ONU的無(wú)色化。OLT與ONU之間通過(guò)一個(gè)正在標(biāo)準(zhǔn)化中的波長(zhǎng)選擇與分配協(xié)議控制ONU在分配的波長(zhǎng)上工作。

2 PON系統(tǒng)的演進(jìn)

2.1 GPON系統(tǒng)到NG-PON2的演進(jìn)

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

a） 次序演進(jìn)方式（見圖2）�，F(xiàn)有的GPON系統(tǒng)需要首先演進(jìn)到XG-PON系統(tǒng)，在同一ODN中保持GPON與XG-PON共存一段時(shí)期。當(dāng)需要向NG-PON2演進(jìn)時(shí)，由于只有XG-PON系統(tǒng)可以演進(jìn)到NG-PON2，可以與NG-PON2在同一ODN共存，因此需要確保此時(shí)GPON系統(tǒng)已經(jīng)從ODN中移除。

b） 跳躍演進(jìn)方式（見圖3）。從GPON直接演進(jìn)到NG-PON2。根據(jù)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)程，該方式跳過(guò)XG-PON階段，直接從GPON升級(jí)為NG-PON2，因此要求在ODN中GPON與NG-PON2 2個(gè)系統(tǒng)共存。

c） 靈活演進(jìn)方式（見圖4）。靈活演進(jìn)方式既支持從XG-PON演進(jìn)到NG-PON2，也支持從GPON直接演進(jìn)到NG-PON2，最后允許GPON、XG-PON、NG-PON2 3種系統(tǒng)在同一個(gè)ODN上共存的演進(jìn)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(duì)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(jìn)方式的需求，對(duì)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(jìn)一步討論。

2.2 EPON系統(tǒng)到NG-PON2的演進(jìn)

EPON系統(tǒng)如何較平滑地演進(jìn)到NG-PON2系統(tǒng)目前還沒(méi)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(guò)波分復(fù)用共存在同一個(gè)ODN中。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，NG-PON2成為近期PON系統(tǒng)和技術(shù)的研究重點(diǎn)，由于需求、器件、成本的原因，NG-PON2短期內(nèi)可能還難以實(shí)用化。 但NG-PON2是PON技術(shù)的集大成者，是PON演進(jìn)過(guò)程中的重要里程碑。因此，應(yīng)該在現(xiàn)有GPON、EPON的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中考慮長(zhǎng)期演進(jìn)的因素，減少未來(lái)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)。

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作者：程強(qiáng) 來(lái)源：郵電設(shè)計(jì)技術(shù)