GPON向XGPON1演進(jìn)探討

［黃湧梅 毛宇］

GPON向XGPON1演進(jìn)探討

［黃湧梅 毛宇］

隨著百兆和4K業(yè)務(wù)的推進(jìn)，高帶寬業(yè)務(wù)的接入需求日益加大，現(xiàn)有的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)在支持上將會(huì)帶來(lái)瓶頸。為了做好平滑演進(jìn)的措施，對(duì)GPON網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方案進(jìn)行對(duì)比分析，提出推進(jìn)的建議。

升級(jí)方案 WDM1r 寬帶業(yè)務(wù)

黃湧梅

畢業(yè)于重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要從事寬帶接入網(wǎng)規(guī)劃及研究工作。

毛宇

畢業(yè)于南京郵電大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要從事寬帶接入網(wǎng)規(guī)劃及研究工作。

1　寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著寬帶中國(guó)戰(zhàn)略的推進(jìn)，光纖接入已經(jīng)成為我國(guó)固定寬帶接入的主要接入方式，中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)移動(dòng)等三大電信運(yùn)營(yíng)商基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建的光纖到戶(hù)網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)可以為用戶(hù)普遍提供20M～100M的寬帶接入業(yè)務(wù)。以中國(guó)電信為例，到2016年1季度末，開(kāi)通50M及以上業(yè)務(wù)的用戶(hù)達(dá)到3200萬(wàn)，占總寬帶用戶(hù)的24%，較2015年同期凈增400萬(wàn)，占比提高4%；而在2016年1季度新入網(wǎng)用戶(hù)中，光纖接入用戶(hù)占比達(dá)到82%。

根據(jù)寬帶發(fā)展聯(lián)盟發(fā)布的第10期《中國(guó)寬帶速率狀況報(bào)告》（2015年第四季度），報(bào)告顯示2015年第四季度，我國(guó)固定寬帶網(wǎng)絡(luò)下載速率達(dá)到8.34Mbit/s，這也是我國(guó)寬帶下載速率首次突破8Mbit/s。而其中在視頻下載速率方面，全國(guó)平均視頻下載速率為6.86Mbit/s，同比增長(zhǎng)71%，同樣實(shí)現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)。

視頻業(yè)務(wù)已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)上最主要的流量來(lái)源。隨著4K電視及內(nèi)容的普及，視頻體驗(yàn)將不斷提升，4K業(yè)務(wù)的高速發(fā)展將引領(lǐng)互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸性增長(zhǎng)。相對(duì)于標(biāo)清、高清視頻業(yè)務(wù)，4K視頻業(yè)務(wù)要求用戶(hù)的接入帶寬不低于45Mbit/s，對(duì)城域網(wǎng)的時(shí)延、對(duì)包等指標(biāo)的要求也更高，如時(shí)延＜25ms、丟包率＜0.01%。另一方面，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，寬帶提速降費(fèi)也成為各運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)取用戶(hù)、提高市場(chǎng)份額的主要手段，50M、100M寬帶接入業(yè)務(wù)價(jià)格將進(jìn)一步下降，寬帶接入速率也會(huì)快速提升，中國(guó)電信在上海、江蘇、廣東、四川等光接入網(wǎng)發(fā)達(dá)的省份已經(jīng)開(kāi)始向用戶(hù)提供200M～1000M的寬帶接入業(yè)務(wù)。

按照目前的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)2-3年內(nèi)100M寬帶接入業(yè)務(wù)將取代4M～8M成為我國(guó)主流寬帶接入速率。在此形勢(shì)下，下行速率以GE、2.5G的現(xiàn)網(wǎng)主流EPON和GPON技術(shù)將出現(xiàn)帶寬不足的問(wèn)題，必然要求運(yùn)營(yíng)商的光纖接入網(wǎng)向更高速率的光接入技術(shù)演進(jìn)。

2　下一代PON接入技術(shù)發(fā)展情況

按照ITU-T和IEEE的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)路線，EPON、GPON分別向10G EPON和XGPON1演進(jìn)，下行方向提供10G的接入帶寬。

10G EPON標(biāo)準(zhǔn)在2009年 9月 發(fā) 布， 10G EPON與EPON的下行方向采用不同波長(zhǎng)，上行方向通過(guò)時(shí)分復(fù)用方式采用相同（或重疊）波長(zhǎng)，因此EPON的升級(jí)演進(jìn)只需將OLT的EPON端口更換為對(duì)稱(chēng)/非對(duì)稱(chēng)的10G EPON端口，用戶(hù)終端按需靈活選擇EPON 或10G EPON終端。目前10G EPON的對(duì)稱(chēng)/非對(duì)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)鏈均已成熟、已在現(xiàn)網(wǎng)有一定的商用規(guī)模，如圖1，圖2所示。

圖1　10G EPON和EPON波長(zhǎng)分配

圖2　10G EPON升級(jí)示意圖

XGPON1標(biāo)準(zhǔn)在2010 年6月發(fā)布，XGPON1與GPON的上行波長(zhǎng)相互獨(dú)立，通過(guò)WDM1r合波共用ODN網(wǎng)絡(luò)，共存網(wǎng)絡(luò)下用戶(hù)終端同樣可以根據(jù)具體的業(yè)務(wù)帶寬需求，靈活選擇GPON或XGPON1終端。目前來(lái)看XGPON1標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)鏈也基本成熟，但在國(guó)內(nèi)仍沒(méi)有商用案例。

3　GPON向XGPON1　演進(jìn)的主要問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果表明，除了ONU與OLT互通性外，目前XGPON1設(shè)備在功能和性能上已經(jīng)能夠滿(mǎn)足商用條件，但運(yùn)營(yíng)商對(duì)GPON向XGPON1升級(jí)尚還要考慮現(xiàn)網(wǎng)部署方案的可行性問(wèn)題，如圖3、圖4所示。

圖3　XGPON1和GPON波長(zhǎng)分配

與EPON升級(jí)10G EPON時(shí)采用OLT端口替換方式不同，GPON與XGPON1采用了完全不同的波長(zhǎng)，現(xiàn)網(wǎng)GPON系統(tǒng)向XGPON1演進(jìn)時(shí)需要對(duì)ODN進(jìn)行改動(dòng)，增加WDM1r器件，將GPON和XGPON1的波長(zhǎng)分配到不同PON設(shè)備端口。因此，GPON向XGPON1演進(jìn)時(shí)，必須考慮以下問(wèn)題：

（1）ODN插損增加對(duì)GPON系統(tǒng)的影響

目前主流GPON設(shè)備采用的Class B+和Class C+光模塊允許的通道最大插損分別為28dB和32dB。XGPON1的N1和N2光模塊允許的通道最大插損分別為29dB和31dB，分別對(duì)應(yīng)GPON的Class B+和Class C+光模塊。

圖4　XGPON1升級(jí)示意圖

現(xiàn)有的GPON系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，傳輸距離按照最壞值算法計(jì)算，且根據(jù)不同的傳輸距離留有線路維護(hù)余量。以中國(guó)電信的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)電信基于PON 的光纖接入工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和《中國(guó)電信基于PON 的光纖接入工程施工和驗(yàn)收規(guī)范》為例，一般PON系統(tǒng)的維護(hù)余量在1-3dB之間。如表1所示。

表1　不同傳輸距離的線路維護(hù)余量參考

WDM1r器件（包括兩端的活動(dòng)連接器）的插損在1.5～2dB之間。對(duì)照表1，當(dāng)現(xiàn)有GPON系統(tǒng)的傳輸距離在5km以?xún)?nèi)（線路維護(hù)余量取1dB進(jìn)行設(shè)計(jì)），且通道插損已達(dá)到GPON系統(tǒng)允許的最大插損時(shí)，如果ODN中再增加WDM1r器件用于XGPON1升級(jí)，則現(xiàn)有的GPON系統(tǒng)可能出現(xiàn)用戶(hù)帶寬下降、ONU無(wú)法注冊(cè)等情況，影響用戶(hù)使用。

由于入戶(hù)光纜在用戶(hù)室內(nèi)會(huì)收到擠壓、微彎以及現(xiàn)場(chǎng)制作的活動(dòng)連接器質(zhì)量等情況，導(dǎo)致ODN插損遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。以現(xiàn)網(wǎng)某小區(qū)對(duì)應(yīng)的同一臺(tái)OLT網(wǎng)管獲取的ONU光功率，可以看出同一ODN下的不同ONU與同一個(gè)PON口之間的光通道插損差距很大（網(wǎng)管讀取的光功率與實(shí)際光功率有2～3dB的誤差），如表2所示。

表2　某OLT下帶ONU用戶(hù)光通道插損

即使現(xiàn)有通道插損設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)小于GPON系統(tǒng)的允許值，能夠滿(mǎn)足WDM1r器件帶來(lái)的2dB以?xún)?nèi)的插損，也不能保證GPON系統(tǒng)升級(jí)時(shí)一定不會(huì)出現(xiàn)故障。

因此，在GPON向XGPON1升級(jí)的過(guò)程中，必須關(guān)注并評(píng)估現(xiàn)網(wǎng)ODN的插損，才能決定是否采用外置WDM1r方式進(jìn)行升級(jí)。

（2）WDM1r器件的形態(tài)、安裝和管理

目前的GPON系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，并未預(yù)置WDM1r器件，因此需要在OLT機(jī)架或ODF機(jī)架上安裝WDM1r器件。目前WDM1r器件主要是盒式形態(tài)，支持19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝，通過(guò)跳纖與GPON、XGPON1端口連接，插損在1.5～2dB之間，如圖5所示。

WDM1r器件也可以做成微型器件，安裝在ODF的熔纖盤(pán)內(nèi)，可以減少兩次活動(dòng)連接，使通道插損減少0.6dB左右。

無(wú)論WDM1r器件采用哪種方式，由于其對(duì)波長(zhǎng)的選擇性功能，資源管理系統(tǒng)必須能夠?qū)Χ俗舆M(jìn)行標(biāo)識(shí)和管理，這對(duì)資源管理系統(tǒng)提出了新的要求。

圖5　某廠家WDM1r示意圖

（3）GPON和XGPON1設(shè)備共存對(duì)機(jī)房空間的要求

由于XGPON1的速率比GPON提高了4倍，對(duì)收發(fā)光模塊和外圍電路的要求更高，目前XGPON1的端口密度普遍為4PON口或8PON口/單板，比GPON的8PON口或16PON口/單板降低了50%。如果現(xiàn)網(wǎng)的GPON全部升級(jí)為XGPON1，XGPON1 OLT設(shè)備需要的機(jī)房空間是目前GPON OLT占用機(jī)房空間1～2倍，這也對(duì)日趨緊張的機(jī)房空間和電源提出了挑戰(zhàn)。

4　GPON升級(jí)XGPON1　的解決方案

為解決GPON向XGPON1升級(jí)過(guò)程中存在的ODN插損、WDM1r管理、機(jī)房空間需求等問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備廠商提出了多種解決方案。

（1）方案一：XGPON1與GPON不同板卡，ODF或設(shè)備機(jī)架安裝外置WDM1r

該升級(jí)方案是新建XGPON1板卡，并采用外置WDM1r器件與現(xiàn)有GPON系統(tǒng)共用ODN。由于WDM1r器件會(huì)增加ODN插損，在升級(jí)過(guò)程中可能影響現(xiàn)有GPON用戶(hù)；新增的XGPON1設(shè)備對(duì)機(jī)房空間需求是目前GPON設(shè)備的1～2倍。

對(duì)于升級(jí)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，可以通過(guò)以下手段解決：當(dāng)ODN插損增大影響GPON系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將現(xiàn)有GPON光模塊替換為更高等級(jí)的光模塊；采用微型封裝WDM1r器件安裝于現(xiàn)有ODF的熔纖盤(pán)內(nèi)，減少活動(dòng)鏈接降低插損；提高XGPON1端口密度，至少與現(xiàn)有GPON端口密度相當(dāng)。

（2）方案二：XGPON1與GPON同板卡，采用跳纖式外置WDM1r器件

新建的OLT板卡上XGPON1和GPON端口成對(duì)配置，替換原有的GPON端口，GPON和XGPON1之間采用跳纖連接，WDM1r器件封裝在跳纖內(nèi)。

該方案通過(guò)新建XGPON1端口替換原有GPON端口，可解決ODN插損增加對(duì)原有GPON用戶(hù)的影響。但無(wú)法利用現(xiàn)有GPON設(shè)備資源，相當(dāng)于將現(xiàn)有GPON OLT全部替換，投資較高；另外該方案對(duì)機(jī)房空間的要求與方案一相當(dāng)。

（3）方案三：采用XGPON1和GPON合一光模塊，WDM1r器件內(nèi)置于PON端口內(nèi)

新建的XGPON1設(shè)備采用XGPON1和GPON合一光模塊，WDM1r器件內(nèi)置于PON端口內(nèi)。這個(gè)方案很好的解決了WDM1r器件外置增加ODN插損、WDM1r器件管理及機(jī)房空間占用的問(wèn)題。由于內(nèi)置了WDM1r器件，需要相應(yīng)提高GPON和XGPON1光模塊的發(fā)光功率和接收靈敏度，且較僅有XGPON1光模塊的端口增加了GPON光模塊，設(shè)備成本較高。

對(duì)比以上3個(gè)方案，方案三可以較好地解決WDM1r器件增加ODN插損可能影響GPON業(yè)務(wù)、WDM1r器件建設(shè)和管理、機(jī)房空間需求大的問(wèn)題，是GPON運(yùn)營(yíng)商比較理想的解決方案。但是方案三目前仍然沒(méi)有成熟的商用光模塊和設(shè)備，且由于兩個(gè)光模塊集成將帶來(lái)的供電散熱、端口密度仍低于GPON設(shè)備等問(wèn)題，還需要等待產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步成熟。

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.06.004

（2016-04-26）