面向客戶感知，10G PON打造光纖高速公路

蔣銘　中國(guó)電信上海研究院教授級(jí)高級(jí)工程師

張德智　中國(guó)電信上海研究院工程師

面向客戶感知，10G PON打造光纖高速公路

蔣銘中國(guó)電信上海研究院教授級(jí)高級(jí)工程師

張德智中國(guó)電信上海研究院工程師

基于寬帶接入網(wǎng)高帶寬業(yè)務(wù)的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始部署10G PON網(wǎng)絡(luò)。本文分析10G-EPON和XG-PON的標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展，提出了運(yùn)營(yíng)商在部署10G PON時(shí)需要解決的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式、平滑升級(jí)、異廠商互通性和智能化家庭組網(wǎng)等關(guān)鍵問(wèn)題，以及相應(yīng)的解決方案和建議。

千兆寬帶；10G-EPON；XG-PON；雙模光模塊；互通性

1　引言

按照2013年國(guó)務(wù)院發(fā)布的“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略和實(shí)施方案，在優(yōu)化升級(jí)階段（2016—2020年），要求50％的城市家庭用戶的寬帶接入能力達(dá)到100Mbit/s，發(fā)達(dá)城市部分家庭用戶達(dá)1Gbit/s。運(yùn)營(yíng)商在貫徹實(shí)施“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略的過(guò)程中，持續(xù)開(kāi)展寬帶接入網(wǎng)提速工作。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新使4K/8K超高清視頻、VR、AR、3D電視、移動(dòng)多媒體等新興業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，信息傳輸帶寬的需求一直在以爆炸式的速度增長(zhǎng)。4K業(yè)務(wù)的內(nèi)容、終端在2015年逐漸成熟，逐步市場(chǎng)化；8K業(yè)務(wù)預(yù)計(jì)在2020年也會(huì)逐步普及。受4K/8K視頻業(yè)務(wù)等應(yīng)用爆發(fā)性增長(zhǎng)的流量需求驅(qū)動(dòng)，固定寬帶接入也會(huì)相應(yīng)的進(jìn)入超百兆，甚至千兆時(shí)代。

另外，國(guó)內(nèi)寬帶市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，運(yùn)營(yíng)商“營(yíng)銷帶寬”不斷攀升，部分運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)始提供超百兆，甚至1000M帶寬的接入業(yè)務(wù)。運(yùn)營(yíng)商們一方面通過(guò)升級(jí)網(wǎng)絡(luò)能力，來(lái)解決今后帶寬瓶頸限制，從而提升用戶體驗(yàn)；另外一方面通過(guò)提高帶寬的手段實(shí)現(xiàn)差異化競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)規(guī)模提供百兆業(yè)務(wù)，大幅提升固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的競(jìng)爭(zhēng)力。例如在部分發(fā)達(dá)城市和地區(qū)如香港、新加坡、日韓、北美，許多運(yùn)營(yíng)商都已開(kāi)始規(guī)模商用10GPON技術(shù)，提供千兆寬帶業(yè)務(wù)。

通過(guò)升級(jí)PON光纖接入技術(shù)，提高寬帶接入網(wǎng)容量是解決今后寬帶接入能力瓶頸的有效手段。在快速增長(zhǎng)的帶寬需求以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的雙重驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商逐步開(kāi)始規(guī)模商用10GPON，從1GPON時(shí)代跨越到10GPON時(shí)代。

2　10GPON標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展

10GPON技術(shù)能夠?yàn)槌僬讕挊I(yè)務(wù)、4K、8K甚至VR等大流量業(yè)務(wù)在接入能力上提供很好的支持，因此是運(yùn)營(yíng)商在寬帶接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)升級(jí)時(shí)的必經(jīng)之路。延續(xù)EPON和GPON的技術(shù)體制，10G速率的PON技術(shù)可以分為兩種：10G-EPON和XG-PON。

10G-EPON是IEEE定義和標(biāo)準(zhǔn)化的10G速率PON技術(shù)，可分為對(duì)稱模式和非對(duì)稱模式。10GEPON國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)802.3av在2009年正式發(fā)布，并受到光接入產(chǎn)業(yè)界的普遍支持。光模塊廠商、芯片廠商、設(shè)備廠商和運(yùn)營(yíng)商都投入很大精力促進(jìn)其發(fā)展，并逐步解決了一系列關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。目前，10G-EPON光模塊、MAC芯片以及接入設(shè)備都已經(jīng)成熟，可以規(guī)模商用。經(jīng)過(guò)2～3年的運(yùn)營(yíng)商集中采購(gòu)，10G-EPON設(shè)備價(jià)格也在逐年下降，性價(jià)比提升明顯。10G-EPON對(duì)稱的OLT PON口比非對(duì)稱的OLT PON口價(jià)格僅高出20％左右，考慮到未來(lái)上行帶寬發(fā)展需求，在部署和升級(jí)中OLT采用對(duì)稱模式更具有運(yùn)營(yíng)潛力。另外，為給未來(lái)PON技術(shù)升級(jí)提供更大的可用波長(zhǎng)范圍，中國(guó)電信正著手將非對(duì)稱10G-EPON系統(tǒng)的上行波長(zhǎng)范圍從1260～1360nm收窄到1260～1280nm。

XG-PON是ITU-T G.987系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上行速率2.48832Gbit/s，下行速率9.95328Gbit/s的PON技術(shù)。XG-PON的產(chǎn)業(yè)鏈也發(fā)展迅速：光模塊已經(jīng)比較成熟，國(guó)內(nèi)多家光模塊廠商可提供N1功率預(yù)算等級(jí)的模塊；市場(chǎng)中存在多家商用芯片供應(yīng)商，主流系統(tǒng)廠商如華為、中興和烽火也均能提供XG-PON OLT設(shè)備和MDU設(shè)備。待異廠商互通性及平滑升級(jí)等問(wèn)題解決后，XG-PON預(yù)計(jì)于2017年可規(guī)模商用。

XGS-PON是ITU-T G.9807.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上下行對(duì)稱9.95328Gbit/s速率的PON技術(shù)。XGS-PON在標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)多項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與XG-PON的共存，并且希望達(dá)到加速商用的目的：重用XG-PON的波長(zhǎng)，上行波長(zhǎng)范圍為1260～1280nm；物理層參數(shù)定義中，下行方向與XG-PON一致，上行方向基于10G-EPON PR30等級(jí)的光參數(shù)進(jìn)行定義并略有提高，以重用10GEPON對(duì)稱模式光器件的產(chǎn)業(yè)鏈；XGS-PON OLT端口在上行方向通過(guò)雙速率接收支持XG-PON ONU和XGS-PON ONU在同一ODN共存。ITU-T于2016年發(fā)布XGS-PON標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)鏈中主流系統(tǒng)廠商正在開(kāi)發(fā)相關(guān)設(shè)備。目前，XGS-PON在核心光器件的穩(wěn)定性、良品率等方面仍然有待突破，尚不具備規(guī)模商用能力。

3　10GPON規(guī)模運(yùn)營(yíng)中的思考

在規(guī)模部署10G-EPON/XG-PON的過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)商遇到的最大挑戰(zhàn)是如何在有效保護(hù)投資、滿足用戶業(yè)務(wù)需求的情況下，將現(xiàn)網(wǎng)的EPON/GPON網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)升級(jí)到10G-EPON/XG-PON。所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式、平滑升級(jí)、異廠商互通性以及智能化家庭組網(wǎng)以提升用戶感知。

3.1網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式

新建區(qū)域內(nèi)10G PON的建設(shè)可以按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)的目標(biāo)逐步推進(jìn)。在改造區(qū)域，可以分場(chǎng)景進(jìn)行升級(jí)。其中FTTH場(chǎng)景下，為了實(shí)現(xiàn)用戶“即要即裝”，降低割接成本和管理的復(fù)雜度，OLT應(yīng)以機(jī)框?yàn)閱挝蝗可?jí)到10G PON，10G-EPON/XG-PON終端設(shè)備可按需更換；FTTB/FTTN場(chǎng)景下，OLT和MDU可在工程階段一次性改造完成支持10G PON，以避免二次割接。

3.2平滑升級(jí)

現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)部署和運(yùn)行著大量的GPON/EPON設(shè)備。這些設(shè)備向10G PON升級(jí)應(yīng)采用逐步推進(jìn)、平滑升級(jí)的方式，無(wú)法一蹴而就。而如何在不影響現(xiàn)有業(yè)務(wù)的前提下，實(shí)現(xiàn)向10G PON網(wǎng)絡(luò)的平滑升級(jí)，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)部署和運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常實(shí)際且重要的問(wèn)題。只有通過(guò)簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)高效的升級(jí)解決方案，簡(jiǎn)化工程施工，降低復(fù)雜度，才能切實(shí)推進(jìn)10G PON的規(guī)模部署和千兆寬帶商用。

10G-EPON受益于標(biāo)準(zhǔn)中波長(zhǎng)規(guī)劃方面的設(shè)計(jì)，可提供支持平滑升級(jí)的解決方案。10G-EPON采用1577nm作為10Gbit/s下行信號(hào)的中心波長(zhǎng)（波長(zhǎng)范圍1575～1580nm），在下行方向上確保了與EPON系統(tǒng)下行1Gbit/s信號(hào)的良好隔離。上行方向中，非對(duì)稱模式的上行波長(zhǎng)仍然沿用EPON系統(tǒng)的上行波長(zhǎng)定義實(shí)現(xiàn)與EPON的無(wú)縫兼容，對(duì)稱模式的上行信號(hào)中心波長(zhǎng)（速率為10Gbit/s）采用1270nm（波長(zhǎng)范圍1260～1280nm），并通過(guò)雙速率TDMA方式與非對(duì)稱模式的上行信號(hào)實(shí)現(xiàn)共存。目前，業(yè)界提供的對(duì)稱模式OLT（集成1G-EPON功能）可同時(shí)接入EPON終端、非對(duì)稱10G-EPON終端以及對(duì)稱10G-EPON終端。EPON平滑升級(jí)到10G-EPON示例如圖1所示。

圖1　10G-EPON的平滑升級(jí)示例

GPON網(wǎng)絡(luò)向XG-PON網(wǎng)絡(luò)升級(jí)時(shí)，首先需要根據(jù)GPON OLT采用的光模塊類型Class B+/C+選擇光功率預(yù)算對(duì)應(yīng)的XG-PON光模塊ClassN1/N2。為實(shí)現(xiàn)GPON和XG-PON的同ODN共存，早期共存升級(jí)需要引入外置WDM1r并采用合分波方式。若采用這種方式，在現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際部署時(shí)需考慮如下3個(gè)問(wèn)題：

（1）ODN的光功率預(yù)算：GPON網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)網(wǎng)部署已經(jīng)超過(guò)5年，ODN網(wǎng)絡(luò)在長(zhǎng)期使用中存在部分劣化的問(wèn)題。部分劣化的ODN，會(huì)增加光線路插損，消耗工程建設(shè)中預(yù)留的光功率預(yù)算余量。外置WDM1r的引入至少會(huì)帶來(lái)1.5dB的額外插損，從而進(jìn)一步消耗有限的光功率預(yù)算余量。因此，該方式最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何確保升級(jí)后ODN仍有足夠光功率預(yù)算，使得在網(wǎng)GPON用戶的業(yè)務(wù)不受影響。

（2）機(jī)房空間：該解決方案需要新增XG-PON板卡/機(jī)框、新增WDM1r器件/板卡，因此要求機(jī)房有足夠的空間放置上述新增板卡/機(jī)框，并且光纖工程走線順暢。

（3）OSS系統(tǒng)改造：現(xiàn)網(wǎng)EPON/ GPON網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立完善的OSS系統(tǒng)及流程，在升級(jí)時(shí)需要對(duì)現(xiàn)網(wǎng)OSS系統(tǒng)和流程進(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于10G PON的支持。在改造過(guò)程中影響面應(yīng)盡可能小，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，且能保證10G-EPON和XG-PON在OSS系統(tǒng)和流程上的一致性。

考慮到上述因素，早期的共存升級(jí)方式，比較適合于ODN光功率預(yù)算余量超過(guò)3dB且機(jī)房空間富裕的場(chǎng)景（見(jiàn)圖2）。

為在現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)中降低割接工作量、保證用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量，中國(guó)電信提出了GPON/XG-PON雙模光模塊方式。該方式在OLT光模塊中內(nèi)置GPON/XG-PON光收發(fā)器和WDM1r，因此升級(jí)中無(wú)需在OLT設(shè)備外額外增加器件，實(shí)現(xiàn)方式靈活，但雙模光模塊的實(shí)現(xiàn)具備一定難度。目前，主流的光模塊廠商已經(jīng)能提供ClassB+/N1級(jí)別的雙模光模塊，預(yù)計(jì)2016年底會(huì)推出ClassC+/N2級(jí)別的光模塊。如圖3所示，在雙模光模塊方式下，ODN的光路預(yù)算和GPON網(wǎng)絡(luò)保持一致，且升級(jí)方式與10G-EPON相同：將GPON板卡替換為雙模PON板卡；ODN可以混合接入GPON/XG-PON終端；OSS的流程和相關(guān)系統(tǒng)改造也可與10G-EPON保持一致。

圖2　GPON/XG-PON外置合波共存方式

圖3　GPON/XG-PON雙模光模塊共存方式

GPON網(wǎng)絡(luò)向XGS-PON網(wǎng)絡(luò)升級(jí)時(shí)，升級(jí)方式與前述GPON向XG-PON升級(jí)方式類同。XG-PON網(wǎng)絡(luò)向XGS-PON網(wǎng)絡(luò)升級(jí)時(shí)，可以通過(guò)更換OLTPON線卡的方式，而ODN網(wǎng)絡(luò)不需要改造。另外，升級(jí)到XGS-PON網(wǎng)絡(luò)時(shí)，也可采用GPON/XG-PON/XGSPON三模光模塊方式，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)ODN中GPON、XGPON以及XGS-PON的共存。

3.3異廠商的互通性

異廠商的互通性能夠打破單一廠商的設(shè)備壟斷，實(shí)現(xiàn)OLT和終端的獨(dú)立采購(gòu)，降低終端采購(gòu)成本，推動(dòng)家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，是10G PON部署時(shí)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。中國(guó)電信EPON和GPON網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了異廠商的互通性部署，主流廠商O(píng)LT下已接入至少10余家網(wǎng)關(guān)廠商，20余款終端設(shè)備。

EPON與10G-EPON在上行方向通過(guò)TDMA的方式共存，因此10G-EPON的異廠商互通性，除了要實(shí)現(xiàn)與異廠商10G EPON網(wǎng)關(guān)的互通外，還需要與現(xiàn)網(wǎng)中各種型號(hào)和版本的EPON網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互通。中國(guó)電信早在2010年就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室完成了10G-EPON的異廠商互通性，并且在2012年開(kāi)始規(guī)模采購(gòu)支持互通的10G-EPON設(shè)備。目前，上海電信已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)異廠商的互通部署，并且支持和現(xiàn)網(wǎng)EPON網(wǎng)關(guān)進(jìn)行混合組網(wǎng)。

與10G-EPON相比，XG-PON的互通性進(jìn)展略慢，中國(guó)電信已經(jīng)組織多次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，并于2016年6月在中國(guó)電信上海研究院的實(shí)驗(yàn)室中完成異廠商互通性測(cè)試，現(xiàn)正組織互通性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，預(yù)計(jì)在2016年底能夠?qū)崿F(xiàn)互通。

3.4智能化的家庭終端和優(yōu)化的家庭組網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的升級(jí)，用戶帶寬的提速必須通過(guò)更多的用戶業(yè)務(wù)、更好的用戶體驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)價(jià)值。因此，需要構(gòu)建智慧家庭的整體架構(gòu)：以智能網(wǎng)關(guān)為入口，優(yōu)化家庭Wi-Fi環(huán)境，打造智能家庭應(yīng)用服務(wù)，強(qiáng)化寬帶產(chǎn)品差異化能力，提升寬帶產(chǎn)品黏性。

家庭網(wǎng)關(guān)是家庭的入口，是運(yùn)營(yíng)商對(duì)家庭終端管理的平臺(tái)，是智慧家庭的核心終端。網(wǎng)關(guān)智能化的方向是在增強(qiáng)的硬件能力基礎(chǔ)上引入智能操作系統(tǒng)和智能應(yīng)用，新增手機(jī)APP等智能操控能力，拓展智能應(yīng)用的集約運(yùn)營(yíng)能力。10GPON網(wǎng)關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈處于起步階段，市場(chǎng)上已有多款10G-EPON網(wǎng)關(guān)，可商用的XG-PON網(wǎng)關(guān)則還有待推動(dòng)。目前，10G PON網(wǎng)關(guān)的成本較高，其中光模塊成本占50％以上，直接影響了網(wǎng)關(guān)的規(guī)模應(yīng)用，因此急需推動(dòng)10GPON網(wǎng)關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，降低終端價(jià)格。從保護(hù)投資的角度，網(wǎng)關(guān)應(yīng)采用獨(dú)立SFP接口，光模塊支持靈活插拔，從而在網(wǎng)關(guān)更換過(guò)程中重復(fù)利用光模塊，并可通過(guò)模塊的更換將網(wǎng)關(guān)在對(duì)稱和非對(duì)稱模式之間快速切換。

圖4　家庭內(nèi)部EoC組網(wǎng)示例

家庭內(nèi)部組網(wǎng)是用戶體驗(yàn)提升中最關(guān)鍵的一環(huán)。家庭用戶對(duì)于帶寬使用已經(jīng)從傳統(tǒng)的有線連接方式轉(zhuǎn)向無(wú)線方式為主，家庭中各種無(wú)線終端都有接入到網(wǎng)絡(luò)的需求。因此，在家庭內(nèi)部實(shí)現(xiàn)完善、高效的Wi-Fi覆蓋以及有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋十分必要。聚焦無(wú)線感知的家庭組網(wǎng)，根據(jù)房型合理規(guī)劃AP放置點(diǎn)，結(jié)合802.11ac 等Wi-Fi新技術(shù)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的無(wú)線覆蓋。對(duì)于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)部署不充分的用戶，可以依托既有的家庭電力線、電話線、同軸電纜等介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部互聯(lián)，主要連接方式有：EOC（EthernetOverCoax，通過(guò)同軸電纜傳輸以太數(shù)據(jù)）；PLC（PowerLineCommunication，通過(guò)電源插座和電線互連傳輸以太數(shù)據(jù)）。圖4給出了EoC組網(wǎng)的示例。

運(yùn)營(yíng)商已逐步認(rèn)識(shí)到家庭網(wǎng)絡(luò)的重要性，正在探索相應(yīng)的商業(yè)模式。上海電信針對(duì)家庭內(nèi)部組網(wǎng)提供延伸服務(wù)，針對(duì)有組網(wǎng)提升需求的客戶，提供標(biāo)準(zhǔn)化專業(yè)組網(wǎng)服務(wù)。中國(guó)電信也在開(kāi)始組織制定相關(guān)的規(guī)范。

4　結(jié)束語(yǔ)

基于帶寬需求的快速增長(zhǎng)，以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的雙重驅(qū)動(dòng)，EPON和GPON網(wǎng)絡(luò)正在向10GPON時(shí)代升級(jí)演進(jìn)。10G-EPON的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)成熟，設(shè)備具備規(guī)模商用能力；XG-PON預(yù)計(jì)于2016年完成互通，2017年具備商用能力。10GPON的部署運(yùn)營(yíng)中涉及到的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式、平滑升級(jí)、異廠商互通性和智能化家庭組網(wǎng)等諸多關(guān)鍵問(wèn)題，需要運(yùn)營(yíng)商因地制宜地制定策略來(lái)應(yīng)對(duì)。而10GPON技術(shù)的逐步規(guī)模商用，也一定可以幫助運(yùn)營(yíng)商升級(jí)寬帶接入網(wǎng)，打破帶寬瓶頸限制，提供面向新業(yè)務(wù)的高速接入能力，提升家庭用戶的體驗(yàn)，大幅提升固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的競(jìng)爭(zhēng)力。

Utilizing 10G PON to construct optical access highway

JIANG Ming，ZHANG Dezhi

With the development of high bandwith services and the market competence，the operators begin to deploy 10G PON access network.This paper analyzes the standarizaion of 10G-EPON and XG-PON，as well as the development of associated industry chain.The series of key issues are discussed with constructive proposals，including network construction strategy，co-existence and smoothly migration，interoperability and intelligent home networking.

gigabit service；10G-EPON；XG-PON；dual mode optical module；interoperability

2016-08-26）