下一代接入网技术

1、 题目 下一代光接入网技术（接入网与智能网结业论文） 二级学院 电子信息与自动化学院 专 业 电子信息工程 班 级 109070202 姓 名 赛娜 学号 10907990521 指导教师 贺伟凇 时 间 2012.12.04 下一代光接入网技术 【摘要】光接入是下一代网络的重要组成部分，也是未来近十年光通信技术发展的主要方向。本文论述了下一代光接入网技术的发展，重点介绍下一代光接入网的网络架构及其关键光器件与光模块，并阐述了下一代光接入网的市场发展与应用前景。【关键词】下一代接入网，光接入网，光纤到户，无源光网络，波分复用，时分复用1、 引言：光接入是下一代网络的重要组成部分，也是未来近十年

2、光通信技术发展的主要方向。作为下一代网络架构的“神经末梢”，光接入网不仅具有巨大的应用市场前景，而且对各种业务和技术融合开发的需求也不断增长。近几年光接入网络建设在世界各国的发展势头迅猛，欧洲及美国、日本、韩国等发达国家都将光接入作为抢滩信息经济制高点的核心技术。随着业界“光进铜退”战略的实施，光纤网络正由过去的骨干网和城域网向接入网延伸，尤其是“光纤到户”技术的发展，使光纤“信息高速公路”直通用户。现有的光接入技术包括gpon（吉比特无源光网络）和epon（以太网无源光网络）。其中，gpon具有较好的qos性能，但是其建设成本过高，短时期内很难在国内大规模推广应用；epon结合以太网和无源光

3、网络两者优点，具有良好的经济性和实用性，但当终端用户(onu)数目增加时，带宽保障及qos性能也随之下降。目前，运营商机房与终端用户(onu)之间通常相隔几公里乃至几十公里，而其间光缆资源相对十分有限，现有的gpon或epon技术普遍采用1:32分支比。为了提高覆盖率，须增加铺设光缆数量，从而导致建设成本增加，而且会面临管线资源受限的困境；若增加分支比，一方面带来qos性能降低，同时也降低了终端用户带宽。另一方面，光接入网的发展要求实现视频、数据和语音三种业务“网络融合”，尤其是融合接入高带宽的视频业务（如vod、视频点播等）。，而现有epon/gpon技术并不能很好地满足用户带宽的增长需求。

4、如何进一步地提高光接入网带宽以及如何更好地完成多业务的承载与融合是下一代光接入网所要面临的主要问题。2、 下一代光接入网技术的发展： 目前，已经提出的下一代光接入网技术主要有：1） 10g epon技术，是对目前现有epon技术的一种扩展。其不改动现有epon的mac层控制协议，仅重新定义phy物理层规范，将上下行传输速率提升到10gb/s。该技术的优点是简单且易于实现，同时可借鉴epon应用成功的经验，可在技术上具有较高的成熟度；该技术不足之处在于，当速率上升到10gb/s后，对光发送与接收器件、物理层时钟锁定、恢复芯片以及mac层芯片的时钟定时、同步等都提出了更高的要求。其olt、onu的

5、器件与设备成本将大幅度增加，不满足光接入网低成本的要求，而且由于电子系统处理速度的瓶颈，这种通过提高速率来提升带宽的方法在今后的技术发展中将会有越来越少的升级空间。2） wdm-pon技术，即波分复用无源光网络系统，具有最佳的带宽保障及多业务融合能力。国内有华中科技大学完成的“十五”863项目（“基于以太网的宽带无源光网络系统”）。该项目基于低成本特定波长激光器实现了上行波分多址、下行广播方式的wdm-pon系统，开发了相应的wdm-pon设备并起草了相关标准。其优点是网络架构简单，不需要epon/gpon的突发模式发送与接收以及动态带宽分配、测距和时延精确控制等复杂技术；其不足之处是，终端用

6、户(onu)需要特定波长激光器，给规模化工程部署以及维护带来不便。3） hpon技术，即混合波分时分复用无源光网络系统，它在epon/gpon的olt与onu之间插入波分复用系统，可将多个pon单元通过wdm技术复用到一根光纤中传输。该技术既利用epon的时分复用实现点到多点的用户接入，又利用波分复用技术成倍提高单根光纤通信容量的特点（上下各16个波长且splitter的分光比达到1:32时，单根光纤可以容纳512个ftth用户），可显著增大单纤接入用户数目以及用户接入带宽，并可大幅度降低网络扩容升级建设成本。hpon系统架构主要是在onu中用反射式半导体光放大器（rsoa），实现onu的“无

7、色”。主要技术思路是，在局端设置一宽谱光源（sld），沿下行光纤传送到远端光节点的无热周期性阵列波导光栅（awg）进行光谱分割，在onu中用反射式半导体光放大器（rsoa）取代光发送激光器，该rsoa接收awg光谱分割之后的特定波长光，加载onu调制信息之后反射上行回传送至olt。该技术的优点在于，由于rsoa是一个宽谱的光放大器，因此与入射波长无关，可以实现“无色”onu；该技术有效地结合了epon良好的经济性和实用性以及wdm-pon最佳的带宽保障性能，大大降低了室外布线的成本，同时提高了光纤的利用率。但是，由于在hpon中epon时分复用的光功分器（poc）插入光功率损耗高达十多分贝db

8、，因此要求onu中的rsoa（或宽谱光源）具有很大增益（或功率）才能平衡线路光功率预算，这意味着onu具有很高的成本代价，并不符合低成本要求。业界公认，下一代光接入网络的发展方向是更高速率的tdm-pon和更多波长的wdm-pon的结合。紧跟下一代光接入网的发展步伐，立足于自主创新，开发具有自主知识产权的下一代光接入网设备具有十分重要的战略意义。三、关于下一代光接入网关键技术-epon和gpon在实现下一代光纤宽带接入时,无源光网络(pon,passive optical network)又因其在局端与用户端无有源器件,运行维护经济简单,并且可靠性高,节约线路资源而成为首选.目前,pon 领域

9、中最重要的三种接入技术分别为基于 atm的apon(atm pon),基于ethernet的epon(ethernet pon)和gpon(gigabit pon).其中apon因为atm的发展不顺,逐渐退出舞台.3.1标准化制定：epon的标准号为ieee 802.3ah,由ieee efm(ethernet in the first mile)研究小组制定完成,并于2004年6月ieee标准协会上正式通过.其基本原则为在apon类似的结构上和802.3协议的基础上,通过较小的修改实现在用户接入网中传输以太帧即以ethernet技术代替atm技术作为链路层协议.工作重点在epon的mac协议

10、上,最小程度地扩充以太网mac协议.在我国,信息产业部也于2006年6月正式发布了根据我国通信网络的实际情况补充规定的接入网技术要求-基于以太网方式的无源光网络(epon),编号yd/t14752006.3.2技术和产品比较：gpon是由itu-t推出apon之后制定的又一pon标准.因为其制定时充分考虑了运营商的意见,所以在提高速率的同时也注重了支持多业务和qos保证等方面.该标准于2003年正式通过并颁布,为g.984系列标准,其中包括:g.984.1-gpon总体特性;g.984.2-odn物理媒质相关(pmd)子层的;g.984.3-(2004)规范传输汇聚(tc)层;g.984.4-

11、(2004)运行管理通信接口.2006年12月我国信息产业部也出了关于gpon的征求意见稿接入网技术要求-吉比特的无源光网络(gpon).首先先对比一下epon和gpon的主要参数:3.3上下行速率： 在上下行速率方面,gpon有epon不可比拟的优势.epon只支持上下行对称的1.25gb/s速率,而gpon在把上下行速升到2.5gb/s的同时,还支持多种不对称的上下行速率选择.同时,在线路编码方面epon采用8b/10b方式(大约20%的带宽损失),gpon采用几乎没有带宽损耗的不归零编码方式(nrz,no return to zero),充分利用了带宽,有效提高了宽带利用率,更符合运营商

12、对高速宽带业务的布置.3.4核心芯片： fm小组在提出epon时,就是希望其在pon基础上成功继承以太网技术简单宽松的特点.所以从技术层面上说,吸引更多厂商参与epon的研究与开发.目前,epon全球芯片市场已经比较成熟,众多epon芯片领先厂商都已经纷纷推出各有特色的第三代端到端soc(system on a chip)芯片,集成了多端口标准以太网的mac和phy、sram、cpu以及pon专用的serdes.以这种芯片为核心,只需增加少数的外围器件(如模块和接口电路)就可以构成一个完整的系统.国内,格林威尔也拥有了epon芯片级自主知识产权.不久前,也就在2006年12月,epon厂商pm

13、c-sierra公司推出业界第一款可支持中国电信集团针对中国电信市场所定义的算法与功能的epon光网络单元(onu)和光通路终端(olt)芯片器件.这两款系统级芯片(soc)是第一个针对中国电信集团新的数据加密与解密算法、服务程序质量以及分类协议标准的设计.gpon因为标准较为复杂,要求较高,所以芯片厂商对其的研发要远远晚于epon.不过2006年gpon发展有大的突破.先是一月份broadlight向全球客户供应首款gpon ont soc芯片样片,接着vitesse半导体公司推出gpon pro系列pmd(physical media dependent,物理介质相关子层)芯片,包括业界第

14、一款gpon olt突发模式接收芯片.同时,alcatel已与freescale合作,预备推出商用gpon芯片,此外conexant也宣布了gpon芯片计划,而epon主要芯片商passave也宣布加入gpon芯片阵营,其中frescale、conexant等都是大型芯片商.3.5 odn光模块： epon只支持odn(optical distribution network)中的class a和b两种等级,gpon则可以支持odn中的三种等级,因此其可以达到1:128的分路比和20km的传输距离.但是也是因为gpon对三类odn的支持,在光模块方面,gpon就必须采用apd光接收器件,和df

15、b光发射器件,对比起epon可以采用pintia,其的价格就得是epon的3倍之多.但是,从另一方面:组网成本看,由于gpon的速率、分路比和传输效率均比epon高约一倍,因而所需的局端设备olt(optical line termination)可以减少至少一半,可以支持的用户数也多一倍,因而在整体组网成本上不见得比epon高很多,甚至在有些场合下更便宜.因此,采用哪个技术更适合运营商的大规模铺设还待进一步的实践考证.3.6多业务tdm： 在设计epon的时候,就是希望其能承载更多基于ethernet的业务,所以对于像iptv,voip(voice over ip)等这些未来很看好的基于ip

16、/以太网的多业务可以很容易的承载.但是,也是因为更多考虑了承载以太网的业务,所以稍微忽略了对其他业务的支持(如tdm等).不过各epon设备厂商也及时采用各种tdm over ethernet技术以满足提供tdm业务,但是可能也会因为各厂商采用的技术不同而产生互通方面的问题.不过,如果8-10年后向全ip网络过渡,那么epon则没有这方面的担忧,反而优势凸现.gpon在这方面则能充分满足要求,表现优秀.因为fsan(full service access network)在制定标准时,就充分考虑了运营商的要求,以支持多业务为出发点,采用基于125us同步帧的,对tdm类业务支持有天然优势.同时

17、,gpon数据链路层除了采用atm封装格式,还引入新的gem封装格式,以支持多种协议.因此,gpon不但能简单支持现有的tdm,ethernet业务,同时满足未来运营商开展全新业务的要求.3.7 gpon关键技术gem fsan制定gpon时,充分采纳了众多运营商的意见和建议,因此要求gpon能支持高层多业务(如atm,tdm,ip/ethernet业务),同时可以支持多路复用,动态带宽分配等.从而打算设计一种新的tc层满足以上要求,最开始引入了3种不同tc定义:giant tc,empcp,pmf-tc.最终,选择了pmf-tc作为基线建议,因为pmf-tc引入gem对高层ip数据进行封装的

18、同时,还引入oam(operate,administrate,maintenance)及动态带宽分配(dba,dynamic bandwidth allocation),是三种建议中最完备的选择.同时又考虑到一个olt将对应的是多个onu(1:64/1:128等),需要支持多路复用,所以在tc层没有直接选用gfp,制定了gpon特有的封装格式gem(gpon encapsulation method).为了更直观了解gpon tc层,可以参考以下gtc层的协议分层模型（如下）如图,tc适配子层中引入新的封装格式gem,omci消息可以封装在atm信元或gem帧中进行传输.gtc成帧子层再完成对

19、atm信元和gem帧的封装,并在其中增加ploam信息.ploam是用于物理层的操作,管理和维护.g.984.3中定义了19种下行ploam信息和9种上行ploam信息,用于实现onu/t(optical network unit/optical network termination)的注册,id分配,测距,端口识别符的分配,虚拟通道标识(vci,visual path identifier)/虚拟路径标示(vpi,visual channel identifier),数据加密,状态检测,误码率监视等功能.可见,gpon可以透明地高效地将各种数据信号封装进现有sdh网络,可以适应任何用户信号

20、格式和任何传输网络制式,灵活简单而高效的支持了运营商对多业务的要求.此外,gpon厂商又针对未来atm业务需求较少,主要是ethernet数据业务,只需要实现对数据帧的支持,推出采用简化gpon(gpon-lite)的gpon设备.由以上分析可知,gpon标准不仅考虑了对tdm等业务上的支持,对oam方面也有具体规定;而epon只是考虑承载以太数据帧,oam功能也没有具体规定,全球各厂商实现的oam功能可能并不一致(不过,中国颁布的接入网技术要求-基于以太网方式的无源光网络(epon)完善了这方面内容).相比之下,gpon标准较epon标准更完善更全面些,同时带来的就是设备实现方面也较复杂。4

21、、 基于时分多址技术-tdma-pon 从1998年itu-t发布基于atm的无源光网络（apon）技术以来，itu-t和ieee又先后发布了宽带无源光网络（bpon）、基于以太网的无源光网络（epon）和g比特接入能力的无源光网络（gpon）等一系列技术标准，可以看出，pon技术的开发主线一直沿着基于tdma的带宽共享方式发展。tdma-pon技术在上行方向采用时分多址技术，由于各onu到olt之间的距离不等，为了避免多个onu设备发送的数据在olt接收器上发生冲突，因此必须引入测距技术和突发控制技术；同时，为了保证olt能够正确地接收来自各onu的突发数据信号，还需要引入实现快速光检测的突

22、发光接收器件，以及能够快速恢复时钟信号的突发时钟数据恢复（bcdr）器件。虽然tdma-pon具有成本较低的优点，但在扩展更高带宽时，基于电的高速突发接收技术实现起来十分困难，不仅需要增加复杂的带宽管理算法，同时也在时钟同步、快速光信号检测方面，对半导体和光电子行业提出了苛刻的要求。此外，tdma-pon技术还存在不少问题：网络体系安全性脆弱，很容易受到“流氓”ont的干扰而全部中断，只有在用户“循规蹈矩”时才能可靠运行；相对于独享网络，共享式网络的信息安全性比较差，需要投入相当大的精力开发安全算法；光纤断纤定位困难，光网络故障定位设备otdr不能直接使用。因此，对安全性要求较高的商业客户，普

23、遍选择基于网络独享的p2p技术（如fe、ge、10ge、sdh），只有那些对安全性要求不是很高，又要求提供高带宽、高qos的多业务的高价值用户，才会选择tdma-pon技术。可见，目前流行的tdma-pon，由于技术和安全性等方面存在的诸多缺陷， 基于tdma的pon技术无法在下一代光接入网络中继续占据主导地位。五、新的pon技术层出不穷- wdma-pon、ocdma-pon和hpon wdma-pon (波分多址无源光网络，简称wdm-p o n) ：上行方向采用cwdm或dwdm技术，每个用户独享一个波长的带宽，以i tu-t规定的0.8nm为例，用户最大可用带宽可以达到100g；尽管各

24、onu到olt之间的距离不等，但由于波长之间严格正交因此不需要引入复杂的上行带宽控制协议和时钟同步技术。在wdmapon方式下，用户独享一个波长资源，但由于波长资源有限，而且波长资源分配方案复杂，因此难于实现大容量用户的灵活接入。 ocdma-pon（光码分多址无源光网络）：上行方向采用光码分多址技术，每个用户分配一个码字。ont对上行用户数据通过该指定的码字进行调制，然后发送到olt，olt采用同样的码字进行数据解调。所有调制和解调操作均在光域完成，不需要复杂的控制协议和时钟同步技术。由于不同的onu数据采用不同的码字调制，因此信息的安全性非常高，用户接入方式也很灵活。h pon（混合无源光

25、网络，h y b r i dpon）：hpon是上面几种pon技术的混合技术，目前特指wdm-pon与tdma-pon的混合。hon技术在单根光纤上提供成对wdm通道，并且在每对wdm通道上仍然采用tdma-pon技术接入用户。然而，该技术事实上无法解决运营商和用户关注的安全性、网络升级、用户接入的灵活性等问题，属于一种过渡性技术。严格来说，wdm-pon并不是一种新技术，贝尔实验室早在1994年的ri tenet项目中就已提出，只是由于光纤和光器件的成本原因而没有获得推广。因此，相对于tdma-pon技术，wdm-pon技术能够重用目前骨干网络的密集波分技术，因而显得更成熟。相对来看，ocd

26、mapon才是一种新兴技术，但追溯其发展历史，ocdma-pon与其姊妹技术无线cdma技术一样，都是从军用逐渐转向民用。ocdma-pon必将以其出色的网络安全性和信息安全性，在未来光接入领域占据重要地位。6、 关键光器件与光模块：1)odn设备：odn 设备中的光下载/透传复用器(odtm)由输入端口波分复用器、若干个下载端口波分复用器、透传端口波分复用器以及若干个光功分器构成。输入端口波分复用器将需要下载的多个波长解复用输出，分别送至相应的下载端口波分复用器，并将透传波长送至透传端口波分复用器。组播及catv信号也由输入端口波分复用器解复用，并利用光功分器分出与下载波长数相等的光信号送至

27、各个下载端口波分复用器与单播信号合波输出。如果下载端口数目与单纤复用波长数目一致，则可将透传端口设计为扩容端口，留作网络升级备用。2) 用户端设备：用户端设备以太远端接口单元（-riu）接收下行单播、组播和catv光信号，支持双光链路上行，支持单播业务和组播业务的受控传输以及catv业务，实现异质业务数据的融通输出。onu为光接入网终端设备，由pon口输入的光信号首先通过dwdm进行解复用，将波长为di的单播数据下行光信号送给特制光模块完成光电转换。在上行方向，onu将olt远程传送下来的ui直流光信号通过rmod进行上行数据调制，然后将调制的光信号上行发送；对于波长为m的组播数据信号，也可以

28、采用标准的千兆光接收模块完成光电转换；对于波长为c的catv信号，由于是模拟信号，为了防止数模之间相互干扰，采用单独的射频接收模块进行光电转换。最后，通过交换汇聚单元将双向单播数据信号和下行组播数据信号汇聚后形成统一的数据接口，再向下发送给uni用户接口。3) 多波长激光器：多波长种子光源由多波长种子光源谐振腔内插入wdm滤波器进行选频滤波，输出多波长种子光。其输出种子光经由高饱和输出功率掺铒光纤放大器进行放大，输出高功率多波长激光。本课题中，掺铒光纤放大器设计为双向放大模式，除了放大多波长种子光源下行光之外，还将放大onu上行信号光。4) 远端光调制器：利用偏振无关激光二极管（pis-ld）

29、芯片对于入射光信号在加电流时的激射透明以及在不加电流时深度吸收作用，来实现对入射光信号的调制以及关断，可以获得-riu光突发发送的“0”、“1”和“dark”三种状态。5) olt多波长光收发集成模块：由多波长通道光发送阵列单元、多波长通道光接收阵列单元、组播信号发送单元以及波分复用器集成一体，实现多波长光收发集成模块，用于本课题局端olt设备，只需一根光纤输入输出，即可实现多个pon单元多波长多业务光收发，可以大幅度简化olt单板结构设计。6） 波长可选择调谐特定波长激光器：采用低成本fp-ld增益芯片在输出端镀制超低剩余反射增透膜，在另一端镀制反射膜，该反射膜与光纤反射滤波组件一起构成特定

30、波长选择谐振腔，输出符合itu-t标准的特定波长光信号。其特点是结构简单、低成本，可工作于 2.5gbps5gb/s调制速率，构成olt侧下行光发送模块的特定波长激光器。7、 市场应用前景：进入21世纪以来，全球宽带接入网进入迅速发展阶段。随着网络电视、视频点播、网络游戏、在线音乐等新兴宽带业务的不断推出，用户对接入网的带宽需求越来越高。无源光网络（pon）凭借其高带宽、免维护、管理功能强等优点被全世界公认为最佳接入网解决方案。目前，光纤到驻地户（fttp）或光纤到户（ftth）在全球已经开始进入启动阶段，日本是世界上推进ftth最激进的国家。据日本总务省（mic）发布的数据，2007年第一季

31、度日本宽带用户数约达2644万户，其中fttx光纤宽带(含ftth光纤到户、fttb光纤到楼等)用户约达880万户，市场占有率挺进33%；同时dsl达1401万用户，持续衰退，市场占有率下降至53%，截至2007年3月，日本光纤网络覆盖率达84%，用户容量约达4268万户，fttx已经逐渐淘汰其它技术成为接入网的主流。基于无源光网络技术的光接入网将成为今后全球接入网发展的主要趋势。以驻地网建设作为重要标志的光接入网络也是我国“十一五”计划的重点发展方向。国家广电总局明确要求在有线电视网双向、多功能改造和数字化整体转换中延长有线光纤传输覆盖，拓展有线网络功能，提高有线网络承载能力中国电信在200

32、7年8月完成了首次epon设备系统集团采购，参与集采的中国电信省分公司已经开始积极部署大规模应用光纤技术的接入网建设。根据中国网通公司最新发布的公告，网通预计投资150亿元开始实施部分地区光纤到户，并将在三到五年内建成。国家发改委也计划围绕北京奥运会、上海世博会等国家重大工程支持建设约300个左右的驻地网，这将极大地促进光接入网的发展。光进铜退是通讯接入网的必然发展趋势，据国家部委统计数据，中国宽带用户已达6400万、移动基站数已达50万、有线电视用户已达1.3亿户。目前以上用户基本都采用铜接入技术，我国目前在fttx g/epon应用方面已有一定探索，部分地区已有实验局开设，但受到tdm p

33、on的本身技术限制，尚未能进入大多数的家庭及商业用户。目前主流的epon/gpon等fttx光接入技术由于受到共同的tdm pon制式的限制，用户集成度、用户带宽、单位用户成本等指标都有待提高。无论是epon阵营，还是gpon阵营，都把未来的pon技术发展目标定为与wdm技术的结合。8、 关于成为ng-oan的选择分析： 在光接入网络的建设过程中，越来越多的运营商将关注的重点转向贯穿整个网络生存周期的opex。由于无源光网络技术没有室外有源设备，是一种典型的纯介质网络，即使其capex相对于p2p和铜线接入要高，但还是被运营商认为是未来光接入技术的发展趋势。然而，在下一代光接入技术需求方面，用户和运营商的需求有时并不完全吻合，各自有不同的关键需求，如表所示。 混合无源光网络hpon能够提供高达5 1 2 的分支比， 但由于单波长采用的仍是tdma技