PON技术的发展及演进

1、PON 技术的发展及演进无源光网络（ 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 O NU 设备共享同一光纤媒质与 OLT 通信，因此主要需要解决/ 多址技术、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 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

2、的EPON 、GPON 等 主要是采用 TDM-PON 技术。1.PON 技术的发展早期的窄带 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 X64 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1995 年全球 7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 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

3、。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

4、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

5、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.984.1G.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 490nm 。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

6、 ）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800950 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 490nm 。 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 e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

7、 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

8、下还连接 1632 个用户，最终可能会达到每PON 口连接1 000 个（32 X32 ）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 802.3a

9、v。该标准针对 10 Gbit/s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10Gbit/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 110 ，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-PO

10、N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 。速率的需求制定了新的 EPON 物理层规范，并对 MAC 层规范进行b ) 最大传输距离和最大差分距离为40 km 。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 2601280 nm 的波长范围，下行选择 1 5751580 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

11、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 2601 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3132 dB的光链路预算能力。1.4 NG-PON2NG-PON2 是现有的 GPON/XG-PON的演进系统。 由于 TDM-

12、PON 发展到单波长 10Gbit/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 。C）

13、最大支持1 : 256分路比。确保此时GPON系统已经从ODN中移除。至少包含4个TWDM通道。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GPO N/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。團1C-PO>2系统的龌本架构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

14、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a，b）跳跃演进方式（见图 3 ）。从GPON直接演进到NG-P0N2。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-P0N2，因此要求在ODN中

15、GPON与NG-PON2 2 个系统共存。Gh I'M图3跳跌渝进方式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 5301 540 nm ）波段和L+ （1的演进2.2 EPON 系统到 NG-PON2EPON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共所使用波段中。存的角度看，由于目前 NG-