下一代PON技術(shù)的進展與應(yīng)用

下一代PON技術(shù)的進展與應(yīng)用1刖曰近年來，隨著視頻點播、網(wǎng)絡(luò)游戲和IPTV等高帶寬業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，用戶對接入帶寬的需求進一步增加。以以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）和吉比特無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）為代表的光纖接入技術(shù)在技術(shù)標準、設(shè)備功能與性能、互通性、產(chǎn)業(yè)鏈、成本等方面都有了突破性進展。國內(nèi)外的主流電信運營商均已開始采用EPON或者GPON技術(shù)大力開展寬帶接入提速，即“光進銅退”。國家政策層面不斷助推"三網(wǎng)融合”。2010年1月13日，國務(wù)院常務(wù)會議決定加快推進電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的三網(wǎng)融合。這將進一步加強電信、廣電運營商在寬帶接入領(lǐng)域的競爭，加速光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)的升級改造和PON技術(shù)的發(fā)展。2010年3月17日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會等7部委也聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的意見》的文件，以加快光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提升信息基礎(chǔ)設(shè)施能力，引導(dǎo)寬帶應(yīng)用的發(fā)展和創(chuàng)新。在EPON和GPON已經(jīng)規(guī)模部署以及“三網(wǎng)融合”的大背景下，如何保持PON技術(shù)的持續(xù)發(fā)展是個非常重要的問題。本文將通過對下一代PON技術(shù)及其進展的分析，探討下一代PON的應(yīng)用方案和系統(tǒng)架構(gòu)如何滿足應(yīng)用的需求。2下一代的PON技術(shù)及其標準化歷程隨著用戶對高清IPTV、視頻監(jiān)控等高帶寬業(yè)務(wù)需求的不斷增長，產(chǎn)業(yè)界逐漸認識到，現(xiàn)有的EPON和GPON技術(shù)均難以滿足業(yè)務(wù)長期發(fā)展的需求，特別是在光纖到樓（FTTB）和光纖到節(jié)點（FTTN）場景。光接入網(wǎng)在帶寬、業(yè)務(wù)支撐能力以及接入節(jié)點設(shè)備功能和性能等方面都面臨新的升級需求，因此提出了下一代PON的概念。所謂的"下一代PON”，其主要技術(shù)特征包括以下幾個。?10Gbit/s及以上的傳輸速率。上下行對稱10Gbit/s或者下行10Gbit/s、上行至少1Gbit/s的非對稱系統(tǒng)。WDMPON和40Gbit/s速率的TDMPON在一些關(guān)鍵技術(shù)上尚未取得突破，因此應(yīng)該算下下一代PON。?更高的光功率預(yù)算和更大的分路比。下一代PON的最大光功率預(yù)算應(yīng)大于28dB，應(yīng)至少支持1：64的分光比。?兼容現(xiàn)有的EPON/GPON系統(tǒng)。下一代PON系統(tǒng)應(yīng)該能夠與現(xiàn)已大規(guī)模部署的EPON/GPON系統(tǒng)共存，繼承現(xiàn)有EPON/GPON的所有業(yè)務(wù)并確保用戶向下一代PON網(wǎng)絡(luò)遷移過程的平滑。?更強的組網(wǎng)能力。下一代PON要面向運營商包括FTTH/O、FTTB、FTTC、FTTN等多種場景的組網(wǎng)需要，因此對其設(shè)備形態(tài)、業(yè)務(wù)管控、網(wǎng)絡(luò)管理與維護等方面提出了更高的要求。針對上述需求，IEEE和FSAN分別啟動了下一代PON技術(shù)的研究和標準化工作。IEEE于2005年年底啟動了下一代EPON——10G-EPON技術(shù)的研究和標準化工作，并于2006年3月成立了IEEE802.3av工作組。2007年年中，IEEE802.3avDraft1.0形成，基本形成了10G-EPON標準的框架和主體內(nèi)容。2008年年中，IEEE802.3avDraft2.0形成，基本上達到了比較完善的水平，并成為芯片和設(shè)備廠商開發(fā)相關(guān)芯片和系統(tǒng)的參考。2009年9月，正式發(fā)布10G-EPON國際標準IEEE802.3av，標志著10G-EPON的標準化完成。FSAN也在2007年11月啟動了下一代GPON——NG-PON的研究和標準化。2009年5月，F(xiàn)SAN發(fā)布了NG-PON白皮書，明確了NG-PON分為NG-PON1和NG-PON2兩個階段并給出了明確的技術(shù)路線。NG-PON1主要是與GPON共存，重利用GPONODN的XG-PON，XG-PON又分為XG-PON1（上行2.5Gbit/s/下行10Gbit/s）和XG-PON2（上行10Gbit/s/下行10Gbit/s）兩種。2009年10月，ITU-T的SG15/Q2工作組在SG15全會期間正式發(fā)布了XG-PON1標準的第一階段文本G.987.1和G.987.2，目前XG-PON1的G.987.3主要技術(shù)框架已經(jīng)具備。按照FSAN的計劃，XG-PON1于2010年6月完成標準化，包括總體架構(gòu)、物理層、TC層及OMCI等各部分。NG-PON2的標準化工作尚未開始。需要指出的是，無論是在10G-EPON和XG-PON1的需求分析、架構(gòu)設(shè)計過程中，還是在10G-EPON和XG-PON1的標準文本的撰寫過程中，中國的設(shè)備廠商和運營商都發(fā)揮了重要的作用。例如，在XG-PON1的制定過程中，華為公司的專家擔任了ITU-TQ2組的主席和兩個子標準的Editor/Co-editor的職務(wù)；中興公司的專家擔任了10G-EPON的AssistantEditor的職務(wù)。中國電信等運營商也結(jié)合自身的需求，提出了一系列重要的建議和意見。在下一代PON的標準化進程中，來自中國的廠商和運營商的提案約有100項，成為該領(lǐng)域最活躍的一個群體，為下一代PON技術(shù)的發(fā)展做出了前所未有的貢獻。310G-EPON技術(shù)特點和產(chǎn)業(yè)化進展10G-EPON主要特點10G-EPON技術(shù)標準的主要特點在于充分利用10GE和EPON等成熟技術(shù)，實現(xiàn)更高的傳輸速率和更豐富的物理層規(guī)格，并與EPON技術(shù)兼容。（1） 更高的系統(tǒng)傳輸能力IEEE802.3av規(guī)定了10Gbit/s下行、1Gbit/s上行的非對稱模式和10Gbit/s上下行對稱模式，顯著地提高了系統(tǒng)的傳輸能力°10G-EPON采用64B/66B線路編碼，效率為97%，與1G-EPON的8B/10B（效率為80%）線路相比有了明顯提升。10G-EPON通過電層的FEC技術(shù)來降低光收發(fā)模塊的技術(shù)難度和成本，其FEC采用RS（255,223）編碼，可增加光功率預(yù)算5?6dB。測試結(jié)果表明：10G-EPON下行吞吐量可以達到8.3Gbit/s以上（FEC開銷約為13%），對稱系統(tǒng)的上行吞吐量也高于8Gbit/s。（2） 更豐富的物理層規(guī)格針對10Gbit/s對稱的系統(tǒng)速率和10Gbit/s/1Gbit/s非對稱系統(tǒng)速率，IEEE802.3av分別定義了10GBASE-PR和10/1GBASE-PRX的物理層要求。每種物理層要求又根據(jù)光功率預(yù)算的不同，規(guī)定了包括PR10、PR20、PR30和PRX10、PRX20、PRX30共6種規(guī)格，以滿足不同的鏈路損耗要求。具體規(guī)格及鏈路光指標見表1。?1tQC-EFOfi3IHPHJO■■-111Ai3?nunH1LiIWMJIH-__LILL”也UMh*EM1ST?IWftpth珈沖1Fl。i:mi1>|Q1河■w.N)■w■IA￡JlAMLn>10母J,■寸斷>Hl下一代PON技術(shù)的進展與應(yīng)用其中，10GBASE-PR30和10GBASE-PRX30的光鏈路預(yù)算達到了29dB，可以實現(xiàn)20km傳輸距離下的1：64分光。（3）對10GE和EPON協(xié)議的繼承性10G-EPON技術(shù)在開發(fā)時充分考慮了與現(xiàn)有的10GE和EPON技術(shù)的繼承性。10GE的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，10G-EPON在下行方向和10Gbit/s速率的上行方向充分利用了10GE接口的技術(shù)標準和現(xiàn)有基礎(chǔ)（例如采用10GE的64B/66B的物理層編碼和以太網(wǎng)的幀格式），從而降低了實現(xiàn)難度和成本。10G-EPON標準化過程中極力避免對IEEE802.3做大的修改，而是通過在EPON標準IEEE802.3基礎(chǔ)上對MPCP協(xié)議進行必要的擴展而形成IEEE802.3av。10G-EPON的MAC控制層僅僅在EPON的MPCP協(xié)議中進行了少量的擴展(OLT在DiscoveryGATE幀中增加DiscoveryInformation字節(jié)來請求ONU上報其是否支持10Gbit/s速率，ONU在REGISTER_REQ幀中增加DiscoveryInformation字節(jié)向OLT通告10Gbit/s速率的支持能力)，實現(xiàn)了10Gbit/s能力的通告與協(xié)商機制，從而使得10G-EPON的協(xié)議實現(xiàn)變得非常容易。為了降低10Gbit/s突發(fā)光模塊的實現(xiàn)難度，對稱速率的10G-EPON的上行方向沒有因為線路速率的提高而縮短ONU突發(fā)模式光發(fā)送機的激光器打開(LaserOn)/關(guān)閉(LaserOff)時間、OLT的時鐘提取時間(CDR)等指標要求，而是保持與EPON相同的指標要求；而且還把自動功率調(diào)整的穩(wěn)定時間(receiver_settling)從EPON的400ns提高到800ns，顯著地降低了光模塊實現(xiàn)的復(fù)雜性和系統(tǒng)成本。(4)與EPON的兼容和共存為了實現(xiàn)10G-EPON與1G-EPON的兼容和網(wǎng)絡(luò)的平滑演進，IEEE802.3av標準在波長分配、多點控制機制方面都有專門的考慮，以保證10G-EPON與1G-EPON系統(tǒng)在同一ODN上的共存。波長規(guī)劃如圖1所示，為了實現(xiàn)與1G-EPON的兼容，10G-EPON沒有使用1G-EPON系統(tǒng)所使用的1490nm的下行波長，同時考慮避開模擬視頻波長(1550nm)和OTDR測試波長(1600?1650nm)，IEEE802.3av標準選擇1577nm作為10Gbit/s下行信號的波長(1575?1580nm)。因此，在下行方向可以確保10Gbit/s信號與1Gbit/s信號的隔離度。上行方向，非對稱10G-EPON系統(tǒng)的上行波長仍然沿用EPON系統(tǒng)的上行波長1310nm(1260?1360nm)，實現(xiàn)了與EPON的無縫兼容，對稱10G-EPON系統(tǒng)的上行信號(10Gbit/s)波長是1270nm(1260?1280nm)，二者有重疊，因此不能采用WDM方式，而是采用雙速率TDMA方式。10G-EPON技術(shù)實現(xiàn)對于非對稱速率的10G-EPON系統(tǒng)，由于很大程度上繼承了現(xiàn)有的10GE和EPON技術(shù)，只要對協(xié)議略作完善即可，所以系統(tǒng)實現(xiàn)上難度并不大。對于對稱速率的10G-EPON系統(tǒng)，其實現(xiàn)難度相對較大，主要體現(xiàn)在光模塊、芯片組、系統(tǒng)架構(gòu)上。?由于對稱10G-EPON系統(tǒng)的上行方向工作于10Gbit/s突發(fā)模式，盡管ONU的突發(fā)模式光發(fā)送機和OLT的突發(fā)模式光接收機的指標并沒有顯著提高，甚至是適度降低，但對于光模塊來講，還是充滿挑戰(zhàn)的，主要體現(xiàn)在高功率激光器和高靈敏度探測器、高效率的BOSA、高速跨導(dǎo)放大器(TIA)和限幅后置放大器LIA等技術(shù)難點上。?對于芯片組設(shè)計而言，邏輯設(shè)計沒有本質(zhì)上的困難，但由于系統(tǒng)速率的提升，必須提高總線寬度，控制功耗，這帶來了一些硬件設(shè)計上的挑戰(zhàn)。在EPON系統(tǒng)中普遍采用TripleChurning進行下行數(shù)據(jù)的加密，但隨著速率的提高，數(shù)據(jù)被破解的風險急劇加大，需要為10G-EPON設(shè)計加密強度更高的算法。10G-EPON技術(shù)進展10G-EPON受到了光接入產(chǎn)業(yè)界的普遍支持，包括光模塊廠商、芯片廠商、設(shè)備廠商、運營商都投入了很大精力促進其發(fā)展，并逐步解決了一系列關(guān)鍵的技術(shù)問題。2009年3月，IC解決方案提供商Vitesse公司宣布了業(yè)界首款用于10G-EPON、全面符合IEEE802.3av/D3.0標準的全套物理媒體相關(guān)（PMD）芯片組。川崎微電子也已經(jīng)開發(fā)出適用于10G-EPONOLT的突發(fā)模式SERDES芯片，可以用于對稱和非對稱系統(tǒng)。目前非對稱10G-EPON光模塊技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，Ligent、Neophotonics、SourcePhotonics、Superxon等主流光模塊廠商已經(jīng)可以批量提供XFP封裝的光模塊，技術(shù)指標基本可以滿足PRX30的要求。三菱、NEC、Superxon等也已經(jīng)可以提供符合IEEE802.3av標準的10G-EPON對稱光模塊，但光功率指標仍待提高。芯片廠商也不遺余力地開發(fā)和創(chuàng)新10G-EPON技術(shù)。目前PMC-Sierra、Teknovus（現(xiàn)已被Broadcom收購）、Opulan公司均已推出成熟的基于FPGA的非對稱和對稱10G-EPON解決方案°Cortina公司于2009年下半年推出了基于FPGA的非對稱10G-EPON解決方案。10G-EPON芯片的互通性已經(jīng)實現(xiàn)，預(yù)計2010年年底將有2款ONU側(cè)ASIC出現(xiàn)，并支持對稱和非對稱兩種模式，到2011年年初，將有至少2款OLT側(cè)ASIC芯片?？紤]到10G-EPON初期的主要應(yīng)用場景為FTTB/N，一些芯片廠商還對10G-EPONONU側(cè)芯片進行了優(yōu)化，以適應(yīng)MDU對QoS等方面的要求。目前，國內(nèi)的中興、華為、烽火、上海貝爾等設(shè)備廠商也在積極地開發(fā)10G-EPON產(chǎn)品，目前均已發(fā)布了相關(guān)產(chǎn)品。中興、華為已經(jīng)在國內(nèi)外開通了數(shù)十個試驗局，演示了1：128分光比、Triple-Play業(yè)務(wù)、與EPON的共存等典型應(yīng)用。日本的NEC、住友等設(shè)備廠商也研發(fā)出了各自的10G-EPON設(shè)備。國內(nèi)外運營商對10G-EPON高度關(guān)注，NTT、KT、中國電信等運營商積極參與10G-EPON標準的制訂，并密切跟蹤技術(shù)進展，均進行了一系列的評估測試和現(xiàn)場試驗。中國電信也對10G-EPON系統(tǒng)的核心問題進行了比較詳細的規(guī)定，解決了PON口下行數(shù)據(jù)安全性、MPCP發(fā)現(xiàn)協(xié)議一致性、設(shè)備架構(gòu)和能力等關(guān)鍵問題。歐美的廣電運營商非常關(guān)注10G-EPON技術(shù)，認為10G-EPON是Cable網(wǎng)絡(luò)升級改造的最佳技術(shù)。例如，時代華納早于2009年7月即進行了評估測試并給出了積極的評價。隨著10G-EPON的快速推進，Verizon、FT、AT&T等運營商也組織了一系列的評估測試，探討利用10G-EPON解決基于GPON進行FTTH建設(shè)的入戶困難、成本高等問題?？傊?，10G-EPON的高帶寬、平滑演進、技術(shù)相對比較成熟等優(yōu)點使其得到了產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注和廣泛支持。目前的技術(shù)進展非常迅速，產(chǎn)業(yè)鏈也已基本成熟，具備了現(xiàn)場試驗的條件。預(yù)計到2011年年中，EPON的光模塊、芯片和設(shè)備將更加成熟，具備規(guī)模商用的條件?？紤]到對稱系統(tǒng)和非對稱系統(tǒng)的主要差別在光模塊，盡管規(guī)模商用后（如大于10萬臺ONU），對稱光模塊的價格仍將比非對稱光模塊的價格高30%?50%（價格差20?30美元），但考慮到對稱系統(tǒng)在上行能力上的優(yōu)勢和10G-EPON初期主要應(yīng)用于FTTB/N場景，用戶對光模塊成本相對不敏感，所以對稱10G-EPON系統(tǒng)將成為主流。4XG-PON1技術(shù)特點和產(chǎn)業(yè)化進展按照目前FSAN制訂的XG-PON1標準草案，XG-PON1主要特征如下。（1）定義了全新的速率體系和物理層規(guī)范XG-PON1采用了XG-PON1系統(tǒng)的下行線路速率為9.95328Gbit/s，上行線路速率為2.48832Gbit/s，線路編碼為NRZ碼。G.987規(guī)定了3種光功率預(yù)算的規(guī)格，以滿足不同場景的應(yīng)用需求。這3種規(guī)格的指標見表2（根據(jù)最新的會議討論結(jié)果，G.987.2還將增加最大損耗為35dB的等級）。表2G廚8F.W規(guī)定的表2G廚8F.W規(guī)定的3神光功率為VT等勒最小我髭U4H16Ahinjat最大損性為面從表2可以看出，相對于10G-EPON，XG-PON1的物理層指標普遍偏高，這將給系統(tǒng)實現(xiàn)帶來很大的技術(shù)困難。另外，目前基本確定的突發(fā)模式光接收機的技術(shù)指標也比較高，例如，XG-PON1的TxEnable為32bit，TxDisable為32bit，GuardTime為64bit，DelimiterTime為32bit，遠遠超過了10G-EPON的相關(guān)指標，給光模塊的實現(xiàn)帶來了一定的困難。另外，與10G-EPON上下行采用相同的FEC編碼不同，XG-PON1在下行方向上采用了RS（248，216,32）的強FEC（強制實現(xiàn)，強制使用），上行方向采用RS（248,232,16）的弱FEC（強制實現(xiàn)，可選使用）。（2） 盡可能繼承GPON系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范，如傳輸匯聚（TC）子層、OMCI機制、DBA機制及加密機制等XG-PON1仍然采用周期為125以的TC幀（稱為XGTC）GEM封裝協(xié)議，并在TC幀中實現(xiàn)嵌入式的控制和管理功能。XG-PON1還原則上繼承GPON的基于OMCI協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)ONU的控制與管理功能。FSAN正在制訂新的OMCI標準G.988，將GPON、XG-PON1甚至EPON的ONU遠程管理統(tǒng)一到這個新的標準中來。XG-PON1也采用了GPON的加密和DBA機制，從而降低實現(xiàn)難度。（3） 采用了與10G-EPON類似的波長規(guī)劃，并以WDM的方式實現(xiàn)與GPON的共存為了避免系統(tǒng)升級過程中對現(xiàn)有用戶的業(yè)務(wù)造成影響，XG-PON1系統(tǒng)規(guī)定了下行方向采用1577nm的波長（1575?1580nm），因此，以WDM方式實現(xiàn)與GPON下行信號的共存。XG-PON1的上行中心波長為1270nm（1260?1280nm），與10G-EPON系統(tǒng)與EPON系統(tǒng)上行波長上存在一定的重疊的情況不同，XG-PON1在上行方向上與GPON系統(tǒng)（其上行波長范圍為1290?1330nm）不存在重疊，因此采用WDM的方式實現(xiàn)共存，而不采用10G-EPON雙速接收機的方式。具體原理如圖2所示。JHiPCJMlHUMUIJM(iphfifialC3i.l^deoi<WDMkRIWAW+Fiq2Xl.-JIIMJHiPCJMlHUMUIJM(iphfifialC3i.l^deoi<WDMkRIWAW+Fiq2Xl.-JIIM。Q5M—E己郎用郵NZ外把38;m:__:gas!―J（4）XG-PON1在節(jié)能、光功率檢測等方面進行了系統(tǒng)的思考，為系統(tǒng)實現(xiàn)、技術(shù)的長期演進提供了必要的考慮在產(chǎn)業(yè)鏈方面，XG-PON1也受到了GPON陣營的運營商、設(shè)備廠商、芯片廠商的廣泛支持。但由于標準尚未完全定稿，目前尚未有成熟的光模塊和芯片解決方案。華為、阿朗、愛立信等設(shè)備廠商均已研發(fā)出或者即將研發(fā)出XG-PON1樣機（基于廠商私有規(guī)范和自研FPGA）。PMC、Broadlight等GPON芯片供應(yīng)商均有自己的XG-PON1芯片研發(fā)路標，2011年將有基于FPGA的TC層芯片解決方案出現(xiàn)。運營商對下一代GPON技術(shù)的關(guān)注也持續(xù)升溫。AT&T、Verizon、法國電信、Telefonica等運營商都積極參加了XG-PON1的標準化工作，并在2009年開展了較多的10G-GPON的評估測試。中國電信、中國移動等國內(nèi)運營商和工業(yè)和信息化部電信研究院也積極參加了XG-PON1的標準化工作，在IPv6、基于邏輯標識的ONU認證、OMCI等方面提出了一系列建議并被米納。XG-PON2的目標為10Gbit/s對稱的PON系統(tǒng)，從FSAN目前的規(guī)劃來看，尚無明確的時間表。510G-EPON和XG-PON1的比較從10G-EPON和NG-PON技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀來看，下一代PON技術(shù)仍然分為兩個陣營，無法實現(xiàn)統(tǒng)一和融合。目前幾種主流下一代PON技術(shù)的比較見表3。S33一代也hj桂本以邯盛1■的比域IHLEIELH.tHic.jl*-T2J)0iHM其節(jié)inm-|>,?:'LJh--+11"；5briiil 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(I.|iJII^SH du共*狷罹U”SXi.-iupci4WN耒冏年IMimU,UIM恐H音M?理而F船L|-k 日右輒做鼻響HIM■禮皿宙It件「等已fi郵聊6下一代PON技術(shù)的應(yīng)用模式無論是10G-EPON還是XG-PON1，都具有明顯的帶寬優(yōu)勢，可以滿足未來相當長的一段時間內(nèi)高帶寬業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。但從經(jīng)濟性來講，由于光模塊和芯片技術(shù)難度高，短期內(nèi)難以達到規(guī)模效應(yīng)，所以在2?3年內(nèi)10G-EPON和XG-PON1的成本都將遠遠高于現(xiàn)有的EPON和GPON（10G-EPON和XG-PON1分為EPON和GPON的4?6倍，芯片分別為EPON和GPON的2倍）。如何選擇合適的應(yīng)用模式是關(guān)系到下一代PON技術(shù)和市場可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。對于FTTH場景，技術(shù)成熟且成本較低的EPON/GPON完全可以滿足相當長一段時間內(nèi)的帶寬要求。10G-EPON和XG-PON1的高成本令其應(yīng)用于FTTH場景的必要性和可能性不大。從技術(shù)能力和成本上來講，在相當長的時間內(nèi)，下一代PON技術(shù)將主要適用于FTTB/C/N場景。FTTB/C/N是目前國內(nèi)運營商主流的“光進銅退”模式，在這些場景下，每個MDU要接入多個用戶。隨著用戶對帶寬需求的逐漸提高，目前EPON和GPON系統(tǒng)的帶寬有可能在2?3年內(nèi)顯得捉襟見肘。而10G-EPON和XG-PON1系統(tǒng)中10Gbit/s量級的帶寬確保了MDU上