下一代無源光接入網(wǎng)技術(shù)PON的技術(shù)演進(jìn)

胡德春　肖石林

摘要：PON技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，本文首先簡(jiǎn)單介紹了PON技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，接著介紹了PON的三種技術(shù)：APON、EPON和GPON并對(duì)兩種主流PON技術(shù)―EPON和GPON進(jìn)行分析比較，提出了從現(xiàn)有的EPON、GPON技術(shù)演進(jìn)到下一代PON網(wǎng)絡(luò)xPON，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度對(duì)xPON技術(shù)進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵字：PON APON EPON GPON xPON

Nowadays, Passive Optical Networks or PONs are placed more and more in the spotlight. In this article, it  first shows us  the PON technical development history and present status briefly,  presents three kinds of PON technology of PON: APON, EPON and GPON , and then makes some comparison analysis between EPON and GPON which leading the main streams of PON technology. By the comparison, it produces the evolution from the present EPON and GPON to the next generation network technology xPON, and it gives some research to xPON from it‘s feasibility.

1、 引言:

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)是最新發(fā)展的點(diǎn)到多點(diǎn)的光纖接入技術(shù)。無源光網(wǎng)絡(luò)由光線路終端（OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成。一般其下行采用TDM廣播方式、上行采用TDMA(時(shí)分多址接入)方式，而且可以靈活地組成樹型、星型、總線型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(典型結(jié)構(gòu)為樹形結(jié)構(gòu))，PON的本質(zhì)特征就是ODN全部由無源光器件組成，不包含任何有源電子器件。這樣避免了外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設(shè)備的故障率，簡(jiǎn)化了供電配置和網(wǎng)管復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)節(jié)省了維護(hù)成本，是電信維護(hù)部門長(zhǎng)期期待的技術(shù),越來越受到業(yè)界的關(guān)注和重視,發(fā)展非常迅猛。與點(diǎn)到點(diǎn)的有源光網(wǎng)絡(luò)相比，PON技術(shù)的主要特點(diǎn)在于維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低（節(jié)省光纖和光接口）和較高的傳輸帶寬，其高性能價(jià)格比的特點(diǎn)會(huì)使其在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，PON一直視被為接入網(wǎng)未來的發(fā)展方向。

PON網(wǎng)絡(luò)由于其簡(jiǎn)潔、廉價(jià)、可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被普遍認(rèn)為是寬帶接入網(wǎng)的最終解決方案，支持光纖到戶FTTH。與核心網(wǎng)不同的是，F(xiàn)TTH對(duì)成本更加敏感。成本的突破很大程度上意味著條件的成熟。剖析FTTH成本因素，主要有兩個(gè)方面，一是設(shè)備采購(gòu)成本，二是運(yùn)營(yíng)成本。根據(jù)NTT公布的數(shù)據(jù)，F(xiàn)TTH的這兩項(xiàng)成本已經(jīng)與高速ADSL基本接近。值得一提的是，目前ADSL設(shè)備的價(jià)格下降潛力已經(jīng)不大，但是FTTH的成本隨著規(guī)模增長(zhǎng)有望繼續(xù)下降。從整體上看，在接入網(wǎng)領(lǐng)域光通信醞釀著新一輪的發(fā)展。所以FTTH技術(shù)目前已被證實(shí)不僅技術(shù)上是成熟的，而且經(jīng)濟(jì)上是可行的。繼1998年ITU-T通過了基于ATM的G.983系列建議， 2001年開始，兩大通信標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE和ITU-T開始研究制訂新一代PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),以滿足未來寬帶接入網(wǎng)的要求。PON作為FTTH唯一的實(shí)現(xiàn)方式，它的三個(gè)同胞兄弟APON、EPON和GPON似乎從一開始就注定了要在競(jìng)爭(zhēng)中不斷完善和發(fā)展。

2、APON技術(shù)特點(diǎn):
APON以ATM作為承載協(xié)議, 由于業(yè)務(wù)提供能力有限，數(shù)據(jù)傳送速率和效率低，成本較高，其市場(chǎng)前景隨著ATM的衰落而淡出人們的視線。業(yè)內(nèi)專家指出，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)看，APON的可用帶寬仍然不夠。以FTTC為例，盡管典型主干下行速率可達(dá)622Mbit/s，但分路后實(shí)際可分到每個(gè)用戶的帶寬將大大減小。按32路計(jì)算，每一個(gè)分支的可用帶寬僅剩19.5Mbit/s，再按10個(gè)用戶共享計(jì)算，則每個(gè)用戶僅能分到約2Mbit/s的帶寬。毫無疑問，由于低性價(jià)比而無法滿足網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需要。

3、EPON和GPON的技術(shù)比較：
 目前有兩個(gè)頗為引人注目的PON標(biāo)準(zhǔn)已正式發(fā)布，其中一個(gè)是由ITU/FSAN制定的Gigabit PON（GPON）標(biāo)準(zhǔn)，G.984.1、G.984.2；另一個(gè)是由IEEE 802.3ah工作組制定的Ethernet PON（EPON）標(biāo)準(zhǔn)。

其中EPON(Ethernet PON)由IEEE 802.3ah提出，它將Ethernet技術(shù)與PON技術(shù)結(jié)合起來，其目標(biāo)是用最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的吉比特以太網(wǎng)光纖接入系統(tǒng)。EPON屬于IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的范圍，對(duì)于向全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)過渡是一個(gè)很好的選擇。其特點(diǎn)是：消除了ATM和SDH層，降低了初始成本和運(yùn)行成本；可以大量采用以太網(wǎng)技術(shù)成熟的芯片，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，相對(duì)成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，容易擴(kuò)展，易于升級(jí)。EPON的主要缺點(diǎn)是總體效率較低，和難以支持以太網(wǎng)之外的業(yè)務(wù)。當(dāng)遇到話音/TDM業(yè)務(wù)時(shí)，就會(huì)引起QoS問題，對(duì)于主張支持多業(yè)務(wù)能力的傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商來說是一個(gè)重要缺憾。
ITU-T FSAN集團(tuán)在2001年1月差不多EFMA提出EPON概念的同時(shí)，也開始進(jìn)行1Gb/s以上的PON標(biāo)準(zhǔn)的研究。2002年9月FSAN提出了一種具有前所未有的高比特速率（最高2.4Gb/s）、能以原有格式（可以說是透?jìng)鳎┖蜆O高的效率（帶寬利用率可以達(dá)到90%以上）傳送多種業(yè)務(wù)（包括TDM和數(shù)據(jù)）的光接入網(wǎng)GPON(Gigabit PON)解決方案, 并于2003年1月通過有關(guān)GPON的新標(biāo)準(zhǔn)—G.984.1和G.984.2，根據(jù)這一最新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，GPON可以提供1.244和2.488Gb/s的下行速率和ITU規(guī)定的多種標(biāo)準(zhǔn)上行速率，可以靈活地提供對(duì)稱和非對(duì)稱速率。傳輸距離至少達(dá)20km，系統(tǒng)分路比可以為1:16、1:32、1:64、乃至1:128，而且支持各種接入服務(wù)，OAM&P（Operation、Administration、Provisioning）功能以及可升級(jí)能力，特別是非常有效地支持原有格式的數(shù)據(jù)分組和TDM流。

對(duì)比兩者，EPON和GPON兩種技術(shù)都有各自的特點(diǎn)。EPON以兼容目前的以太網(wǎng)技術(shù)為目的,是802.3協(xié)議在光接入網(wǎng)上的延續(xù)，充分繼承了以太網(wǎng)價(jià)格低、協(xié)議靈活、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的市場(chǎng)和良好的兼容性。而GPON定位于電信業(yè)面向多業(yè)務(wù)、具備QoS保證的全業(yè)務(wù)接入的需求，努力尋求一種最佳的、支持全業(yè)務(wù)的、效率最高的解決方案，提出“對(duì)全部協(xié)議開放地進(jìn)行完全徹底地重新考慮”。當(dāng)從各自技術(shù)的特點(diǎn)和適用領(lǐng)域來說，兩種技術(shù)都有自己的典型應(yīng)用環(huán)境，而背后都有強(qiáng)大的運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商和標(biāo)準(zhǔn)化組織的支持。最終的結(jié)果是，兩種技術(shù)將是它們共存于未來的接入網(wǎng)中，這符合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，也是各大利益集團(tuán)競(jìng)爭(zhēng)和妥協(xié)的結(jié)果。但是這樣必然導(dǎo)致兩種技術(shù)的不兼容，給用戶設(shè)備選擇、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及技術(shù)升級(jí)帶來不便。

4、下一代PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)xPON：
雖然EPON以及GPON有自己不同的技術(shù)，但是兩者有相同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相似的網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)，均面向相同的光接入網(wǎng)應(yīng)用，并非不可融合，而下一代PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)xPON可以同時(shí)支持這兩種標(biāo)準(zhǔn)，即xPON設(shè)備可以根據(jù)用戶的不同需求提供不同形式的PON接入，解決了兩種技術(shù)不兼容性問題。同時(shí)xPON系統(tǒng)提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)可以管理各種業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)具有嚴(yán)格QoS保障的全業(yè)務(wù)（包括ATM, Ethernet, TDM）支持能力，通過WDM支持下行有線電視傳輸;同時(shí)可以自動(dòng)識(shí)別EPON,GPON接入卡加入、撤銷；真正同時(shí)兼容EPON以及GPON網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理者來說所有管理、配置都是針對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行的，而不用考慮EPON和GPON技術(shù)上的差異。也就是說，EPON和GPON的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于網(wǎng)管是透明的，兩者的差異被屏蔽掉后提供給上層統(tǒng)一的接口。統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)是本系統(tǒng)最大優(yōu)勢(shì)之一，真正實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同的PON技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)管理層面上的統(tǒng)一。

4．1 xPON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

 xPON-OLT結(jié)構(gòu)圖

                               xPON-ONT結(jié)構(gòu)圖

xPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4．2 xPON網(wǎng)絡(luò)的主要參數(shù)如下：
●多業(yè)務(wù)支持能力：實(shí)現(xiàn)具有嚴(yán)格QoS保障的全業(yè)務(wù)（包括ATM, Ethernet, TDM）支持能力，對(duì)于業(yè)務(wù)最優(yōu)化，通過WDM支持下行有線電視傳輸;
●EPON,GPON接入卡的自動(dòng)識(shí)別、管理；
●支持1：32的分支能力；
●傳輸距離不小于20公里；
●上下行對(duì)稱線路速率1.244Gbit/s. 支持端口流量統(tǒng)計(jì)功能；
●支持動(dòng)態(tài)和靜態(tài)帶寬分配功能。
●支持多播和組播功能

4．3 xPON網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)指標(biāo)：

(1) 系統(tǒng)容量：系統(tǒng)具有大容量IP交換內(nèi)核（30G）提供10G以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，每一OLT可以支持36個(gè)PON網(wǎng)絡(luò)。
(2) 多業(yè)務(wù)接口：支持TDM，ATM，Ethernet，CATV，并提供嚴(yán)格的QoS保證，可以充分包括已有的業(yè)務(wù)。真正做到支持業(yè)務(wù)的平滑升級(jí)。
(3) 系統(tǒng)高可靠性及可用性要求：系統(tǒng)提供可選的1+1保護(hù)倒換機(jī)制，充分滿足電信網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求，倒換時(shí)間少于50ms。
(4) 網(wǎng)絡(luò)范圍：可配置的10,20Km網(wǎng)徑，充分滿足接入網(wǎng)的要求。
(5) 統(tǒng)一系統(tǒng)管理軟件平臺(tái)：對(duì)于不同的接入方式，具備統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。

4．4主要的技術(shù)難點(diǎn):
●多業(yè)務(wù)的適配和成幀技術(shù)：對(duì)于GPON網(wǎng)絡(luò)要求對(duì)于多業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的接入平臺(tái)，規(guī)定了對(duì)ATM，TDM和Ethernet業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)封裝格式，同時(shí)為了保證TDM業(yè)務(wù)的QoS，系統(tǒng)要求保證125us的幀長(zhǎng)。開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全硬件適配和成幀模塊將是GPON技術(shù)研究的第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。對(duì)于EPON技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)中并沒有提及多業(yè)務(wù)的承載問題，但是對(duì)于全業(yè)務(wù)的接入網(wǎng)必然要求兼容目前已有的其他業(yè)務(wù)，最關(guān)鍵的問題是如何在EPON基礎(chǔ)上提供具備QoS保證的TDM傳輸。
●動(dòng)態(tài)帶寬分配技術(shù)(DBA)：DBA是為了解決如何最大限度的有效利用PON系統(tǒng)的帶寬而提出的。目前多業(yè)務(wù)的GPON以及EPON，要求保證各種業(yè)務(wù)的QoS．因此就需要具有非常靈敏的帶寬分配機(jī)制．在多長(zhǎng)的調(diào)度周期上完成一次帶寬分配以及帶寬分配算法，將直接影響xPON系統(tǒng)的上行帶寬利用率和各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量．開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DBA算法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，將是xPON技術(shù)研究的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
●突發(fā)發(fā)送／接收控制技術(shù)：PON系統(tǒng)在上行方向上采用TDMA方式工作，在1.244Gbps/1.25Gbps上行速率下的突發(fā)模式激光驅(qū)動(dòng)器（ONT側(cè)）及其發(fā)射功率控制,突發(fā)模式接收機(jī)和時(shí)鐘提取技術(shù)(OLT側(cè)),都將面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，這也是GPON技術(shù)研究中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
●測(cè)距技術(shù)：xPON系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x可達(dá)20公里，ONT之間的距離差最大達(dá)20公里，為防止各ONT之間上行信號(hào)發(fā)送沖突，必須具有精確的測(cè)距機(jī)構(gòu)，如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)距技術(shù)，是xPON技術(shù)研究中一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)．
●統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)：xPON同時(shí)支持EPON以及GPON技術(shù)，如何在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)上管理、調(diào)度不同類型的ONT并保證相關(guān)的QoS，同時(shí)實(shí)現(xiàn)EPON和GPON對(duì)于網(wǎng)管的不同要求，是xPON最為重要的特色同時(shí)也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
●保護(hù)倒換技術(shù)：GPON標(biāo)準(zhǔn)中定義了嚴(yán)格的保護(hù)倒換機(jī)制，但是在EPON系統(tǒng)中沒有相關(guān)的機(jī)制，如何在現(xiàn)有的EPON系統(tǒng)上擴(kuò)展保護(hù)倒換機(jī)制是xPON技術(shù)的另外一個(gè)難點(diǎn)。
●同現(xiàn)有的產(chǎn)品兼容性：Alcatel的寬帶接入技術(shù)目前得到了廣泛的應(yīng)用，從提供DSL接入服務(wù)的ASAM、ESAM到提供APON接入的FTTH7340，新一代的xPON網(wǎng)絡(luò)如何兼顧現(xiàn)有的資源，最大限度的保護(hù)目前已有的投資，xPON結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的另外一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
●除了以上的一些技術(shù)難點(diǎn)，在GPON技術(shù)研究中，業(yè)務(wù)調(diào)度，流量控制，加密和擾動(dòng)控制和保護(hù)恢復(fù)等方面的實(shí)現(xiàn)也具有一定難度．它們與GPON系統(tǒng)的性能，可靠性以及未來的應(yīng)用都有關(guān)系,都需要進(jìn)行深入的研究.

5、總結(jié)
就目前的國(guó)內(nèi)接入市場(chǎng)而言EPON占一定的優(yōu)勢(shì)，EPON能夠從運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)濟(jì)成本的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)靈活的接入和網(wǎng)絡(luò)部署，在國(guó)內(nèi)諸多FTTH試點(diǎn)工程中，EPON已嶄露頭角。但是GPON在技術(shù)上比EPON完善，GPON在擾碼效率、傳輸匯聚層效率、承載協(xié)議效率和業(yè)務(wù)適配效率等方面都是最高的，GPON應(yīng)該具有更廣闊、更長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。兩種技術(shù)必將共存于未來的接入網(wǎng)中，EPON和GPON發(fā)展的最佳策略是走向融合，下一代PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)xPON，是一個(gè)充分兼容現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的高速PON網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，代表著PON網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向�！�

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作者簡(jiǎn)介：
胡德春：男 上海交通大學(xué)，通信與電子工程專業(yè)，碩士，專業(yè)特長(zhǎng)：光通信網(wǎng)絡(luò)與器件,光接入技術(shù)
工作單位：上海貝爾阿爾卡特股份有限公司　工程師

肖石林：男 上海交通大學(xué)　教授博士生導(dǎo)師　專業(yè)特長(zhǎng)：光通信網(wǎng)絡(luò)與器件, 光電子技術(shù), 光電傳感技術(shù)