PON技術(shù)的發(fā)展及演進(jìn)

1、PON 技術(shù)的發(fā)展及演進(jìn)無源光網(wǎng)絡(luò)（ PON ）是使用點(diǎn)到多點(diǎn)樹形光纖分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)。點(diǎn)到多點(diǎn)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別適用于有線接入網(wǎng)的場(chǎng)景。PON 系統(tǒng)一般由位于局端的 OLT 設(shè)備，位于用戶側(cè)的 ONU 設(shè)備和連接兩者的無源光分配網(wǎng)構(gòu)成。PON 系統(tǒng)中由于多個(gè) O NU 設(shè)備共享同一光纖媒質(zhì)與 OLT 通信，因此主要需要解決/ 多址技術(shù)、不同 ONU 間的媒質(zhì)共享問題。解決光纖中媒質(zhì)共享的主要方式包括時(shí)分復(fù)用 波分復(fù)用技術(shù)和正交頻分復(fù)用 （OFDM ）技術(shù)。 因此主要的 PON 技術(shù)也可分為 TDM-PON 、WDM-PON 和 OFDM-PON 三大類。目前技術(shù)比較成熟應(yīng)用比較廣泛

2、的EPON 、GPON 等 主要是采用 TDM-PON 技術(shù)。1.PON 技術(shù)的發(fā)展早期的窄帶 PON 及 BPON最早的 PON 系統(tǒng)主要是用于解決多個(gè)的窄帶接入網(wǎng) （數(shù)字用戶環(huán)路） 遠(yuǎn)端設(shè)備的互聯(lián)， 傳送n X64 kbit/s的語音時(shí)隙。但由于價(jià)格和業(yè)務(wù)保護(hù)方面均無法與環(huán)形拓?fù)涞臄?shù)字用戶環(huán)路設(shè)備抗衡，因此成為失敗的技術(shù)。20 世紀(jì) 90 年代，隨著 ATM/B-ISDN 的興起，寬帶第一次成為電信技術(shù)發(fā)展的重要1995 年全球 7方向，而帶寬潛力巨大的光纖技術(shù)也成為信息傳輸技術(shù)的寵兒。因此，在 個(gè)重要的運(yùn)營(yíng)商成立了全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)組織（ FSAN ），致力于光纖接入網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用的推 進(jìn)工作

3、。在 FSAN 和 ITU-T 的共同努力下，第一個(gè)關(guān)于 PON 系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)基于無源 光網(wǎng)絡(luò)（ PON ）的寬帶光接入系統(tǒng) （ITU-T G.983.1 ）于 1998 年發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)一般也 被稱為 BPON 標(biāo)準(zhǔn)。BPON 在當(dāng)時(shí)的技術(shù)環(huán)境下采用了以 ATM 為內(nèi)核的設(shè)計(jì)思路，且限于當(dāng)時(shí)器件水平和價(jià)格的因素，PON設(shè)備的成本還比較高、光纖接入網(wǎng)的外部配套條件也不成熟，因此BPON 僅在北美地區(qū)的電信運(yùn)營(yíng)商中有一定規(guī)模的部署，并未在全球獲得廣泛的應(yīng)用。1.2 EPON 和 GPON隨著 ATM 技術(shù)的衰落和互聯(lián)網(wǎng) IP 技術(shù)的迅速興起，繼 BPON 之后，業(yè)界希望開發(fā)一 種新型的 PON

4、系統(tǒng)，取代過時(shí)的 BPON 技術(shù)。在這個(gè)背景下， IEEE 和 ITU-T 相繼在 2000年和 2001 年啟動(dòng)了 EPON 和 GPON 的標(biāo)準(zhǔn)化工作， 并分別于 2004 年發(fā)布了完成的標(biāo)準(zhǔn)，為今天 EPON 和 GPON 在現(xiàn)網(wǎng)中的大量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。EPON 標(biāo)準(zhǔn)由 IEEE 的 EFM （ Ethernet in the First Mile）工作組完成，并在 2004年 9 月被 IEEE 批準(zhǔn)為 IEEE 802.3ah 標(biāo)準(zhǔn)。 EPON 標(biāo)準(zhǔn)的很多內(nèi)容繼承了以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想，重用了吉比特以太網(wǎng)的速率和物理層編碼等內(nèi)容，并對(duì)MAC 層協(xié)議和以太網(wǎng)幀前導(dǎo)碼序列進(jìn)行了修改，以適應(yīng)

5、PON 的點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。GPON 標(biāo)準(zhǔn)由 ITU-T 第 15 研究組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，GPON 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括G.984.1G.984.6 六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別涵蓋了 GPON 系統(tǒng)的架構(gòu)、物理媒質(zhì)相關(guān)層、傳輸匯聚層、 ONU 控制管理協(xié)議以及對(duì)增強(qiáng)的波長(zhǎng)使用和距離擴(kuò)展的規(guī)定。GPON 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)比較全面地考慮了運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)和運(yùn)行維護(hù)需求，標(biāo)準(zhǔn)體系完備全面，但是內(nèi)容也相對(duì)復(fù)雜。EPON 系統(tǒng)采用單纖雙向傳輸，上行標(biāo)稱波長(zhǎng)為 1 310 nm ，下行標(biāo)稱波長(zhǎng)為 1 490nm 。按照最大傳輸距離的不同，標(biāo)準(zhǔn)中將 EPON 接口光收發(fā)指標(biāo)分為10 km （PX10 ）和20 km （ PX20

6、 ）兩類規(guī)范， 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中為了獲得較大的光功率預(yù)算多采用PX20 類型接口，可實(shí)現(xiàn)20 km 傳輸距離和1 : 32分路比。EPON系統(tǒng)的每個(gè) PON口的實(shí)際有效帶寬為800950 Mbit/s 。GPON 同樣采用單纖雙向傳輸，上行標(biāo)稱波長(zhǎng)為 1 310 nm ，下行標(biāo)稱波長(zhǎng)為 1 490nm 。 GPON 采用 GEM 封裝方式進(jìn)行多種業(yè)務(wù)適配，利用 GEM 封裝方式可以直接承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、 ATM 業(yè)務(wù)或 TDM 業(yè)務(wù)。與 EPON 的類以太網(wǎng)的變長(zhǎng)幀傳輸方式不同， GPON采用125 e固定幀長(zhǎng)，這對(duì)于精確的傳送時(shí)鐘信號(hào)有所幫助。GPON 信道編碼采用 NRZ碼，下行速率為 2.488

7、 Gbit/s ，上行速率為 1.244 Gbit/s ，除去系統(tǒng)開銷后每個(gè) PON 口的實(shí)際有效帶寬約為下行 2.45 Gbit/s ，上行 1.1 Gbit/s 。目前主流的 GPON 系統(tǒng)采用 B+類光器件， 可實(shí)現(xiàn) 20 km 傳輸距離下的 1 : 64 分路比， 以及支持 60 km 的最大邏輯距離。當(dāng)前 EPON 和 GPON 分別可以提供大約 1G 和 2.4G 的下行帶寬，在 FTTH 場(chǎng)景下，如果不考慮并發(fā)，最大分路比下（ 32 和 64 ）的每個(gè)用戶可以保證獲得大約 30 Mbit/s 的下行帶寬。但在中國(guó)現(xiàn)網(wǎng)條件下，運(yùn)營(yíng)商大量采用FTTB 的方式進(jìn)行組網(wǎng)，即每個(gè) ONU

8、下還連接 1632 個(gè)用戶，最終可能會(huì)達(dá)到每PON 口連接1 000 個(gè)（32 X32 ）左右的用戶。這樣每個(gè)用戶可獲得的帶寬將無法滿足現(xiàn)網(wǎng)提速的需求。1.3 10G-EPON 和 XG-PON從 2005 年開始， IEEE 和 ITU 相繼開展了對(duì)下一代 PON 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。 根據(jù) FSAN對(duì)幾大運(yùn)營(yíng)商的關(guān)于下一代 PON 的意見的征求， 絕大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商指出應(yīng)在現(xiàn)有的 EPON 和GPON 的技術(shù)基礎(chǔ)上提升速率， 也有個(gè)別運(yùn)營(yíng)商希望可以發(fā)展像 WDM-PON 一類的新技術(shù)。IEEE 于 2006 年立項(xiàng)開始制定 10 Gbit/s 速率的 EPON 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3a

9、v。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì) 10 Gbit/s了更新。在該標(biāo)準(zhǔn)中，10G EPON 分為 2 個(gè)類型。其一是非對(duì)稱方式，即下行速率為10Gbit/s ，但上行速率與EPON 相同仍然為 1 Gbit/s 。其二是對(duì)稱方式，即上下行速率均為10 Gbit/s 。相比來說，由于 PON 系統(tǒng)的上行傳輸技術(shù)難度較大，因此 1G 上行 10G 下行方式的10G EPON 系統(tǒng)較為容易實(shí)現(xiàn)，目前芯片廠家已經(jīng)可以提供原型系統(tǒng)。但由于該類系統(tǒng)上下行帶寬比達(dá)到 110 ，因此能否與實(shí)際的用戶業(yè)務(wù)需求的帶寬模型相匹配目前存在疑問。ITU 于 2008年啟動(dòng)了下一代 GPON標(biāo)準(zhǔn)的研究，目前稱為XG-PON 標(biāo)準(zhǔn)。XG-PO

10、N標(biāo)準(zhǔn) ITU-T G.987系列已陸續(xù)發(fā)布。 XG-PON 目前規(guī)定的物理層速率為非對(duì)稱方式， 即下行速率為 10 Gbit/s，上行速率為 2.5 Gbit/s 。速率的需求制定了新的 EPON 物理層規(guī)范，并對(duì) MAC 層規(guī)范進(jìn)行b ) 最大傳輸距離和最大差分距離為40 km 。10G-EPON 和 XG-PON 系統(tǒng)使用同樣的波長(zhǎng)規(guī)劃，有利于兩者共用部分光器件，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，降低器件成本。兩者均規(guī)定上行選擇1 2601280 nm 的波長(zhǎng)范圍，下行選擇 1 5751580 nm 的波長(zhǎng)范圍。下行方向與現(xiàn)有的 1 490 nm 的 EPON 或 GPOM系統(tǒng)可以采用 WDM 方式進(jìn)行波長(zhǎng)

11、隔離。 上行方向， 由于 EPON ONU 使用的激光器譜寬較寬( 1 310+50 nm )，與 1 2601 280 nm波長(zhǎng)重疊。因此， EPON 與 10G-EPON 的ONU 共存在同一 ODN 時(shí)需采用 TDMA 方式，兩者不能同時(shí)發(fā)射。 GPON 與 XG-PON 的ONU 可以采用波長(zhǎng)隔離，兩者互不影響。在功率預(yù)算方面， 10G EPON 增加了PR/PRX30 的功率預(yù)算檔次， 將光鏈路預(yù)算提升到 29 dB 。 10G GPON 正在研究如何支持3132 dB的光鏈路預(yù)算能力。1.4 NG-PON2NG-PON2 是現(xiàn)有的 GPON/XG-PON的演進(jìn)系統(tǒng)。 由于 TDM-

12、PON 發(fā)展到單波長(zhǎng) 10Gbit/s 速率后， 再進(jìn)一步提升單波長(zhǎng)速率面臨技術(shù)和成本的雙重挑戰(zhàn)，于是在 PON 系統(tǒng)中引入 WDM 技術(shù)成為必然的選擇。由于 10G-EPON 和 XG-PON 目前在現(xiàn)網(wǎng)中的應(yīng)用也很少，因此 NG-PON2 的主要目標(biāo)是瞄準(zhǔn) 2015 年以后的應(yīng)用窗口。NG-PON2 系統(tǒng)定位于全業(yè)務(wù)的光纖接入網(wǎng)， 除了通過速率的提升支持更高速率的家庭和商業(yè)客戶， NG-PON2 還需要具有良好的同步性能支持移動(dòng)回傳等業(yè)務(wù)。目前正在討論中的 NG-PON2 的標(biāo)準(zhǔn)草案中提出了以下基本特性。a) 下行速率至少為 40 Gbit/s ，上行速率至少為 10 Gbit/s 。C）

13、最大支持1 : 256分路比。確保此時(shí)GPON系統(tǒng)已經(jīng)從ODN中移除。至少包含4個(gè)TWDM通道。使用無色ONU。NG-PON2在物理層采用的主要原理是TDM和WDM結(jié)合的方式，使用多個(gè) XG-PON在波長(zhǎng)上進(jìn)行堆疊，可以最大限度地重用GPO N/XG-PON 的技術(shù)，以及與現(xiàn)有的采用功率分配分光器的ODN具有比較好的兼容性。NG-PON2系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。團(tuán)1C-PO>2系統(tǒng)的齷本架構(gòu)OLT采用多波長(zhǎng)光模塊配置 4個(gè)或更多的上下行波長(zhǎng)， ONU側(cè)采用波長(zhǎng)可調(diào)光收發(fā)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)ONU的無色化。OLT與ONU之間通過一個(gè)正在標(biāo)準(zhǔn)化中的波長(zhǎng)選擇與分配協(xié)議控制ONU在分配的波長(zhǎng)上工作。2

14、PON系統(tǒng)的演進(jìn)2.1 GPON系統(tǒng)到NG-PON2 的演進(jìn)GPON系統(tǒng)演進(jìn)到NG-PON2有3種可選的路徑，分別為次序演進(jìn)、跳躍演進(jìn)和靈活演進(jìn)。a）次序演進(jìn)方式（見圖2 ）?，F(xiàn)有的GPON系統(tǒng)需要首先演進(jìn)到 XG-PON系統(tǒng)，在同一 ODN中保持 GPON與XG-PON共存一段時(shí)期。當(dāng)需要向NG-PON2演進(jìn)時(shí)，由于只有XG-PON系統(tǒng)可以演進(jìn)到NG-PON2，可以與NG-PON2 在同一 ODN共存，因此需要a，b）跳躍演進(jìn)方式（見圖 3 ）。從GPON直接演進(jìn)到NG-P0N2。根據(jù)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā) 展進(jìn)程，該方式跳過 XG-PON階段，直接從GPON升級(jí)為NG-P0N2，因此要求在ODN中

15、GPON與NG-PON2 2 個(gè)系統(tǒng)共存。Gh I'M圖3跳跌渝進(jìn)方式c）靈活演進(jìn)方式（見圖4 ）。靈活演進(jìn)方式既支持從 XG-PON演進(jìn)到NG-PON2，也支持從 GPON直接演進(jìn)到 NG-PON2，最后允許 GPON、XG-PON、NG-PON2 3 種系統(tǒng) 在同一個(gè)ODN上共存的演進(jìn)方式。 這種方式下，由于3種系統(tǒng)都需要占用光纖中的頻譜資源，因此對(duì)頻譜的規(guī)劃難度最大。目前NG-PON2 物理層規(guī)范考慮到了靈活演進(jìn)方式的需求，對(duì)NG-PON2 所使用的頻譜基本確定為使用C- （1 5301 540 nm ）波段和L+ （1的演進(jìn)2.2 EPON 系統(tǒng)到 NG-PON2EPON系統(tǒng)如何較平滑地演進(jìn)到NG-PON2 系統(tǒng)目前還沒有更多的研究。從ODN共所使用波段中。存的角度看，由于目前 NG-