下一代ＰＯＮ接入技術(shù)的演進(jìn)

程　強

[摘要]文章回顧了PON技術(shù)的發(fā)展歷史，分別介紹了EPON和GPON的標(biāo)準(zhǔn)化情況、業(yè)務(wù)能力、技術(shù)特點，并展望了兩種技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)及商用化進(jìn)程。

[關(guān)鍵詞]NG-PON10GEPONGPONEPON

1PON的發(fā)展歷史

PON(無源光網(wǎng)絡(luò))技術(shù)在電信運營商中的部署可以追溯到上世紀(jì)90年代，光纖接入技術(shù)在公眾電信用戶接入技術(shù)中嶄露頭角。由于意識到光纖接入是未來接入網(wǎng)的重要發(fā)展趨勢，1995年全球七個重要的運營商成立了FSAN(全業(yè)務(wù)接入網(wǎng))組織。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成員的共同努力下，第一個關(guān)于PON系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)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)。由于當(dāng)時PON設(shè)備的成本還比較高、光纖接入網(wǎng)的外部條件也不成熟，因此BPON僅被北美地區(qū)的電信運營商規(guī)模部署，并未在全球獲得廣泛的應(yīng)用。

BPON在當(dāng)時的環(huán)境下采用了以ATM為內(nèi)核的設(shè)計思路，該思路與后來轟轟烈烈的網(wǎng)絡(luò)IP化的方向并不相符。因此，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(shù)。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(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)。

2EPON和GPON的業(yè)務(wù)能力

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-2004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的點到多點的網(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)議以及對增強的波長使用和距離擴展的規(guī)定。GPON標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計比較全面的考慮了運營商的業(yè)務(wù)和運行維護需求，標(biāo)準(zhǔn)體系完備全面，但是內(nèi)容也相對復(fù)雜。

EPON系統(tǒng)采用單纖雙向傳輸，上行標(biāo)稱波長為1310nm，下行標(biāo)稱波長為1490nm。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10km(PX10)和20km(PX20)兩類規(guī)范，實際網(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，可實現(xiàn)20km傳輸距離和1:32分路比。其物理層速率上下行均為1.25Gb/s(物理層)，信道編碼采用8810B編碼?？紤]到8810B的編碼效率以及系統(tǒng)所需的必要開銷，EPON系統(tǒng)每個PON口的實際有效帶寬在800Mb/s～950Mb/s。另外，對TDM業(yè)務(wù)來說，EPON系統(tǒng)可以采用CESoP(TDM over Packet)技術(shù)承載。

GPON系統(tǒng)管理開銷豐富，QoS管理能力較強，具有靈活的多業(yè)務(wù)接入能力和運營商級的OAM能力。GPON同樣采用單纖雙向傳輸，上行標(biāo)稱波長為1310nm，下行標(biāo)稱波長為1490nm。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)的變長幀傳輸方式不同，GPON采用125us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2.488Gb/s，上行速率為1.244Gb/s。除去系統(tǒng)開銷后每個PON口的實際有效帶寬約為下行2.45G，上行1G～1.1G。目前主流的GPON系統(tǒng)采用B+類光器件，可實現(xiàn)20km傳輸距離下的1:64分路比，以及支持60km的最大邏輯距離。GPON既可采用Native(TDM over GEM)方式承載TDM業(yè)務(wù)，也可與EPON同樣采用CESoP(TDM over Packet)技術(shù)承載E1業(yè)務(wù)，取決于設(shè)備商的實現(xiàn)方式。

從當(dāng)前的EPON和GPON的基本系統(tǒng)能力來看，存在下面兩個特點：

(1)帶寬能力。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30Mb/s的下行帶寬。但在中國現(xiàn)網(wǎng)條件下，運營商主要采用FTTB的方式進(jìn)行組網(wǎng)，即每個ONU下大約還連接16-32個用戶，最終可能會達(dá)到每PON口連接1000個(32×32)左右的用戶。這樣每個用戶平均到的帶寬只有1Mb/～2Mb/s。

(2)分路比。如果推進(jìn)FTTH的部署，目前PON的分路比只有32～64，當(dāng)用戶數(shù)量和密度較高時，會占用較多的OLT側(cè)PON口和骨干光纜。由于分路比每增加1倍，光分路器的插入損耗大約上升3.5dB，因此，支持高分路比的PON系統(tǒng)需要更高的光功率預(yù)算范圍(目前EPON和GPON分別支持24dB和28dB)。

由上面的分析可以看出，不論EPON還是GPON。在系統(tǒng)性能上都存在提升的需求。

3下一代PON的發(fā)展

從2005年開始，IEEE和ITU相繼開展了對下一代PON系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。根據(jù)FSAN對幾大運營商的關(guān)于下一代PON網(wǎng)絡(luò)意見的統(tǒng)計，絕大多數(shù)運營商指出應(yīng)在現(xiàn)有EPON和GPON的技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)。

從現(xiàn)有FSAN的工作目標(biāo)來看，未來PON的發(fā)展分為兩個階段：第一階段稱為NG-PON1，目標(biāo)是發(fā)展更高速率(10G)的GPON系統(tǒng)，要求NG-PON1系統(tǒng)應(yīng)可以與現(xiàn)有的GPON ODN網(wǎng)絡(luò)和GPON ONU設(shè)備共存；第二階段稱為NG-PON2，目標(biāo)是研究具有技術(shù)跨越性的新型PON系統(tǒng)，例如利用WDM、OFDM、CDMA等技術(shù)設(shè)計的多點光接入系統(tǒng)。NG-PON2階段的PON系統(tǒng)不要求與現(xiàn)有EPON或GPON系統(tǒng)共存。

目前IEEE和ITU都在沿著這條道路進(jìn)行下一代PON系統(tǒng)的研究。

EPON和GPON的下一步發(fā)展路徑如圖1所示。

IEEE于2006年立項開始制定10G速率的EPON系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3av，計劃于2009年9月完成。該標(biāo)準(zhǔn)針對10G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(jìn)行了更新。在該標(biāo)準(zhǔn)中，10G EPON分為兩個類型：其一是非對稱方式，即采用10G速率下行，但上行速率與EPON相同仍然為1G；其二是對稱方式，即上下行速率均為lOG的EPON系統(tǒng)。

相比來說，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，因此能否與實際用戶業(yè)務(wù)需求的帶寬模型相匹配存在疑問。

ITU于2008年啟動了下一代GPON標(biāo)準(zhǔn)的研究，目前稱為XGPON標(biāo)準(zhǔn)。XGPON的目標(biāo)也分為兩個類型：其一是非對稱方式，即采用10G速率下行，上行速率為2.5G；其二是對稱方式，即上下行速率均為10G的GPON系統(tǒng)。與10GEPON類似。個別廠家已展示了目前技術(shù)難度較低的非對稱XGPON系統(tǒng)原型。

在目前的10G EPON和XGPON的標(biāo)準(zhǔn)草案中，10G速率的PON系統(tǒng)均采用了WDM方式與現(xiàn)有的EPON或GPON進(jìn)行共存。目前10G的PON系統(tǒng)上行選擇1260nm～1280nm的波長范圍，下行選擇了1575nm～1580nm的波長范圍，現(xiàn)有的1310/1490nm的EPON或GPOM系統(tǒng)可以采用WDM方式進(jìn)行波長隔離。

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29dB。10G GPON正在研究如何支持31dB-32dB的光鏈路預(yù)算能力。

4總結(jié)與展望

綜上所述，10G速率的EPON和DGPON已成為近期PON系統(tǒng)和技術(shù)的研究的重點，由于器件、技術(shù)和成本的原因，對稱方式的10G EPON或10G GPON短期內(nèi)可能還難以實用化。非對稱方式的10G EPON或10G GPON系統(tǒng)目前已經(jīng)具備原型產(chǎn)品，預(yù)計經(jīng)過2-3年的時間可以完成系統(tǒng)的商用化進(jìn)程進(jìn)入部署階段，在有條件或確實存在需求的地區(qū)可以逐步升級或替代現(xiàn)有的E/GPON系統(tǒng)。