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无源光纤网络(PON)的发展及演进

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  • 时间:2013-05-07
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  • 本文标签:无源光纤PON

  NG-PON2成为近期PON系统和技术的研究重点,由于需求、器件、成本的原因,NG-PON2短期内可能还难以实用化。

  0 前言

  无源光网络(PON)是使用点到多点树形光纤分配网络进行信息传输的技术。点到多点的物理拓扑结构特别适用于有线接入网的场景。PON系统一般由位于局端的OLT设备,位于用户侧的ONU设备和连接两者的无源光分配网构成。

  PON系统中由于多个ONU设备共享同一光纤媒质与OLT通信,因此主要需要解决不同ONU间的媒质共享问题。解决光纤中媒质共享的主要方式包括时分复用/多址技术、波分复用技术和正交频分复用(OFDM)技术。因此主要的PON技术也可分为TDM-PON、WDM-PON和OFDM-PON三大类。目前技术比较成熟应用比较广泛的EPON、GPON等主要是采用TDM-PON技术。

  1 PON技术的发展

  1.1 早期的窄带PON及BPON

  最早的PON系统主要是用于解决多个的窄带接入网(数字用户环路)远端设备的互联,传送n×64 kbit/s的语音时隙。但由于价格和业务保护方面均无法与环形拓扑的数字用户环路设备抗衡,因此成为失败的技术。

  20世纪90年代,随着ATM/B-ISDN的兴起,宽带第一次成为电信技术发展的重要方向,而带宽潜力巨大的光纤技术也成为信息传输技术的宠儿。因此,在1995年全球7个重要的运营商成立了全业务接入网组织(FSAN),致力于光纤接入网的标准和应用的推进工作。在FSAN和ITU-T的共同努力下,第一个关于PON系统的国际标准《基于无源光网络(PON)的宽带光接入系统》(ITU-T G.983.1 )于1998年发布,该标准一般也被称为BPON标准。

  BPON在当时的技术环境下采用了以ATM为内核的设计思路,且限于当时器件水平和价格的因素,PON设备的成本还比较高、光纤接入网的外部配套条件也不成熟,因此BPON仅在北美地区的电信运营商中有一定规模的部署,并未在全球获得广泛的应用。

  1.2 EPON和GPON

  随着ATM技术的衰落和互联网IP技术的迅速兴起,继BPON之后,业界希望开发一种新型的PON系统,取代过时的BPON技术。在这个背景下,IEEE和ITU-T相继在2000年和2001年启动了EPON和GPON的标准化工作,并分别于2004年发布了完成的标准,为今天EPON和GPON在现网中的大量应用奠定了基础。

  EPON标准由IEEE的EFM(Ethernet in the First Mile)工作组完成,并在2004年9月被IEEE批准为IEEE 802.3ah标准。EPON标准的很多内容继承了以太网的设计思想,重用了吉比特以太网的速率和物理层编码等内容,并对MAC层协议和以太网帧前导码序列进行了修改,以适应PON的点到多点的网络拓扑结构。

  GPON标准由ITU-T 第15研究组进行标准化工作,GPON相关的标准包括G.984.1~G.984.6六个标准,分别涵盖了GPON系统的架构、物理媒质相关层、传输汇聚层、ONU控制管理协议以及对增强的波长使用和距离扩展的规定。GPON标准的设计比较全面地考虑了运营商的业务和运行维护需求,标准体系完备全面,但是内容也相对复杂。

  EPON系统采用单纤双向传输,上行标称波长为1 310 nm,下行标称波长为1 490 nm。按照最大传输距离的不同,标准中将EPON接口光收发指标分为10 km(PX10)和20 km(PX20)两类规范,实际网络中为了获得较大的光功率预算多采用PX20类型接口,可实现20 km传输距离和1∶32分路比。EPON系统的每个PON口的实际有效带宽为800~950 Mbit/s。

  GPON同样采用单纤双向传输,上行标称波长为1 310 nm,下行标称波长为1 490 nm。GPON采用GEM封装方式进行多种业务适配,利用GEM封装方式可以直接承载以太网业务、ATM业务或TDM业务。与EPON的类以太网的变长帧传输方式不同,GPON采用125 μs固定帧长,这对于精确的传送时钟信号有所帮助。

  GPON信道编码采用NRZ码,下行速率为2.488 Gbit/s,上行速率为1.244 Gbit/s,除去系统开销后每个PON口的实际有效带宽约为下行2.45 Gbit/s,上行1.1 Gbit/s。目前主流的GPON系统采用B+类光器件,可实现20 km传输距离下的1∶64分路比,以及支持60 km的最大逻辑距离。

  当前EPON和GPON分别可以提供大约1G和2.4G的下行带宽,在FTTH场景下,如果不考虑并发,最大分路比下(32和64)的每个用户可以保证获得大约30 Mbit/s的下行带宽。但在中国现网条件下,运营商大量采用FTTB的方式进行组网,即每个ONU下还连接16~32个用户,最终可能会达到每PON口连接1 000个(32×32)左右的用户。这样每个用户可获得的带宽将无法满足现网提速的需求。

  1.3 10G-EPON和XG-PON

  从2005年开始,IEEE和ITU相继开展了对下一代PON系统的标准化研究。根据FSAN对几大运营商的关于下一代PON的意见的征求,绝大多数运营商指出应在现有的EPON和GPON的技术基础上提升速率,也有个别运营商希望可以发展像WDM-PON一类的新技术。

  IEEE于2006年立项开始制定10 Gbit/s速率的EPON系统的标准IEEE 802.3av。该标准针对10 Gbit/s速率的需求制定了新的EPON物理层规范,并对MAC层规范进行了更新。在该标准中,10G EPON分为2个类型。其一是非对称方式,即下行速率为10 Gbit/s,但上行速率与EPON相同仍然为1 Gbit/s。其二是对称方式,即上下行速率均为10 Gbit/s。

  相比来说,由于PON系统的上行传输技术难度较大,因此1G上行10G下行方式的10G EPON系统较为容易实现,目前芯片厂家已经可以提供原型系统。但由于该类系统上下行带宽比达到1∶10,因此能否与实际的用户业务需求的带宽模型相匹配目前存在疑问。

  ITU于2008年启动了下一代GPON标准的研究,目前称为XG-PON标准。XG-PON标准ITU-T G.987系列已陆续发布。XG-PON目前规定的物理层速率为非对称方式,即下行速率为10 Gbit/s,上行速率为2.5 Gbit/s。

  10G-EPON和XG-PON系统使用同样的波长规划,有利于两者共用部分光器件,扩大产业规模,降低器件成本。两者均规定上行选择1 260~1 280 nm的波长范围,下行选择1 575~1 580 nm的波长范围。下行方向与现有的1 490 nm的EPON或GPOM系统可以采用WDM方式进行波长隔离。上行方向,由于EPON ONU使用的激光器谱宽较宽(1 310+50 nm),与1 260~1 280 nm波长重叠。因此,EPON与10G-EPON的ONU共存在同一ODN时需采用TDMA方式,两者不能同时发射。GPON与XG-PON的ONU可以采用波长隔离,两者互不影响。

  在功率预算方面,10G EPON增加了PR/PRX30的功率预算档次,将光链路预算提升到29 dB。10G GPON正在研究如何支持31~32 dB的光链路预算能力。

  1.4 NG-PON2

  NG-PON2是现有的GPON/XG-PON的演进系统。由于TDM-PON发展到单波长10 Gbit/s速率后,再进一步提升单波长速率面临技术和成本的双重挑战,于是在PON系统中引入WDM技术成为必然的选择。由于10G-EPON和XG-PON目前在现网中的应用也很少,因此NG-PON2的主要目标是瞄准2015年以后的应用窗口。

  NG-PON2系统定位于全业务的光纤接入网,除了通过速率的提升支持更高速率的家庭和商业客户,NG-PON2还需要具有良好的同步性能支持移动回传等业务。目前正在讨论中的NG-PON2的标准草案中提出了以下基本特性。

  a) 下行速率至少为40 Gbit/s,上行速率至少为10 Gbit/s。

  b) 最大传输距离和最大差分距离为40 km。

  c) 最大支持1∶256分路比。

  d) 至少包含4个TWDM通道。

  e) 使用无色ONU。

  NG-PON2在物理层采用的主要原理是TDM和WDM结合的方式,使用多个XG-PON在波长上进行堆叠,可以最大限度地重用GPON/XG-PON的技术,以及与现有的采用功率分配分光器的ODN具有比较好的兼容性。NG-PON2系统的基本架构如图1所示。

  OLT采用多波长光模块配置4个或更多的上下行波长,ONU侧采用波长可调光收发器技术实现ONU的无色化。OLT与ONU之间通过一个正在标准化中的波长选择与分配协议控制ONU在分配的波长上工作。

  2 PON系统的演进

  2.1 GPON系统到NG-PON2的演进

  GPON系统演进到NG-PON2有3种可选的路径,分别为次序演进、跳跃演进和灵活演进。

  a) 次序演进方式(见图2)。现有的GPON系统需要首先演进到XG-PON系统,在同一ODN中保持GPON与XG-PON共存一段时期。当需要向NG-PON2演进时,由于只有XG-PON系统可以演进到NG-PON2,可以与NG-PON2在同一ODN共存,因此需要确保此时GPON系统已经从ODN中移除。

  b) 跳跃演进方式(见图3)。从GPON直接演进到NG-PON2。根据业务和网络的发展进程,该方式跳过XG-PON阶段,直接从GPON升级为NG-PON2,因此要求在ODN中GPON与NG-PON2 2个系统共存。

  c) 灵活演进方式(见图4)。灵活演进方式既支持从XG-PON演进到NG-PON2,也支持从GPON直接演进到NG-PON2,最后允许GPON、XG-PON、NG-PON2 3种系统在同一个ODN上共存的演进方式。这种方式下,由于3种系统都需要占用光纤中的频谱资源,因此对频谱的规划难度最大。目前NG-PON2物理层规范考虑到了灵活演进方式的需求,对NG-PON2所使用的频谱基本确定为使用C-(1 530~1 540 nm) 波段和 L+(1 595~1 625 nm)波段,具体的波段边界数值还有待进一步讨论。

  2.2 EPON系统到NG-PON2的演进

  EPON系统如何较平滑地演进到NG-PON2系统目前还没有更多的研究。从ODN共存的角度看,由于目前NG-PON2选择的C-和L+波段与EPON/10G-EPON所使用波段也不相同,可以参考GPON/XG-PON的方式通过波分复用共存在同一个ODN中。

  3 结束语

  综上所述,NG-PON2成为近期PON系统和技术的研究重点,由于需求、器件、成本的原因,NG-PON2短期内可能还难以实用化。但NG-PON2是PON技术的集大成者,是PON演进过程中的重要里程碑。因此,应该在现有GPON、EPON的规划和设计中考虑长期演进的因素,减少未来网络演进的风险。

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