PON技術的發展及演進
0 前言
無源光網絡(PON)是使用點到多點樹形光纖分配網絡進行信息傳輸的技術。點到多點的物理拓撲結構特別適用于有線接入網的場景。PON系統一般由位于局端的OLT設備，位于用戶側的ONU設備和連接兩者的無源光分配網構成。
PON系統中由于多個ONU設備共享同一光纖媒質與OLT通信，因此主要需要解決不同ONU間的媒質共享問題。解決光纖中媒質共享的主要方式包括時分復用/多址技術、波分復用技術和正交頻分復用(OFDM)技術。因此主要的PON技術也可分為TDM-PON、WDM-PON和OFDM-PON三大類。目前技術比較成熟應用比較廣泛的EPON、GPON等主要是采用TDM-PON技術。
1 PON技術的發展
1.1 早期的窄帶PON及BPON
最早的PON系統主要是用于解決多個的窄帶接入網(數字用戶環路)遠端設備的互聯，傳送n×64 kbit/s的語音時隙。但由于價格和業務保護方面均無法與環形拓撲的數字用戶環路設備抗衡，因此成為失敗的技術。
20世紀90年代，隨著ATM/B-ISDN的興起，寬帶***次成為電信技術發展的重要方向，而帶寬潛力巨大的光纖技術也成為信息傳輸技術的寵兒。因此，在1995年全球7個重要的運營商成立了全業務接入網組織(FSAN)，致力于光纖接入網的標準和應用的推進工作。在FSAN和ITU-T的共同努力下，***個關于PON系統的國際標準《基于無源光網絡(PON)的寬帶光接入系統》(ITU-T G.983.1 )于1998年發布，該標準一般也被稱為BPON標準。
BPON在當時的技術環境下采用了以ATM為內核的設計思路，且限于當時器件水平和價格的因素，PON設備的成本還比較高、光纖接入網的外部配套條件也不成熟，因此BPON僅在北美地區的電信運營商中有一定規模的部署，并未在全球獲得廣泛的應用。
1.2 EPON和GPON
隨著ATM技術的衰落和互聯網IP技術的迅速興起，繼BPON之后，業界希望開發一種新型的PON系統，取代過時的BPON技術。在這個背景下，IEEE和ITU-T相繼在2000年和2001年啟動了EPON和GPON的標準化工作，并分別于2004年發布了完成的標準，為今天EPON和GPON在現網中的大量應用奠定了基礎。
EPON標準由IEEE的EFM(Ethernet in the First Mile)工作組完成，并在2004年9月被IEEE批準為IEEE 802.3ah標準。EPON標準的很多內容繼承了以太網的設計思想，重用了吉比特以太網的速率和物理層編碼等內容，并對MAC層協議和以太網幀前導碼序列進行了修改，以適應PON的點到多點的網絡拓撲結構。
GPON標準由ITU-T 第15研究組進行標準化工作，GPON相關的標準包括G.984.1~G.984.6六個標準，分別涵蓋了GPON系統的架構、物理媒質相關層、傳輸匯聚層、ONU控制管理協議以及對增強的波長使用和距離擴展的規定。GPON標準的設計比較全面地考慮了運營商的業務和運行維護需求，標準體系完備全面，但是內容也相對復雜。
EPON系統采用單纖雙向傳輸，上行標稱波長為1 310 nm，下行標稱波長為1 490 nm。按照***傳輸距離的不同，標準中將EPON接口光收發指標分為10 km(PX10)和20 km(PX20)兩類規范，實際網絡中為了獲得較大的光功率預算多采用PX20類型接口，可實現20 km傳輸距離和1∶32分路比。EPON系統的每個PON口的實際有效帶寬為800~950 Mbit/s。
GPON同樣采用單纖雙向傳輸，上行標稱波長為1 310 nm，下行標稱波長為1 490 nm。GPON采用GEM封裝方式進行多種業務適配，利用GEM封裝方式可以直接承載以太網業務、ATM業務或TDM業務。與EPON的類以太網的變長幀傳輸方式不同，GPON采用125 μs固定幀長，這對于精確的傳送時鐘信號有所幫助。GPON信道編碼采用NRZ碼，下行速率為2.488 Gbit/s，上行速率為1.244 Gbit/s，除去系統開銷后每個PON口的實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系統采用B+類光器件，可實現20 km傳輸距離下的1∶64分路比，以及支持60 km的***邏輯距離。
當前EPON和GPON分別可以提供大約1G和2.4G的下行帶寬，在FTTH場景下，如果不考慮并發，***分路比下(32和64)的每個用戶可以保證獲得大約30 Mbit/s的下行帶寬。但在中國現網條件下，運營商大量采用FTTB的方式進行組網，即每個ONU下還連接16~32個用戶，最終可能會達到每PON口連接1 000個(32×32)左右的用戶。這樣每個用戶可獲得的帶寬將無法滿足現網提速的需求。
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1.3 10G-EPON和XG-PON
從2005年開始，IEEE和ITU相繼開展了對下一代PON系統的標準化研究。根據FSAN對幾大運營商的關于下一代PON的意見的征求，絕大多數運營商指出應在現有的EPON和GPON的技術基礎上提升速率，也有個別運營商希望可以發展像WDM-PON一類的新技術。
IEEE于2006年立項開始制定10 Gbit/s速率的EPON系統的標準IEEE 802.3av。該標準針對10 Gbit/s速率的需求制定了新的EPON物理層規范，并對MAC層規范進行了更新。在該標準中，10G EPON分為2個類型。其一是非對稱方式，即下行速率為10 Gbit/s，但上行速率與EPON相同仍然為1 Gbit/s。其二是對稱方式，即上下行速率均為10 Gbit/s。
相比來說，由于PON系統的上行傳輸技術難度較大，因此1G上行10G下行方式的10G EPON系統較為容易實現，目前芯片廠家已經可以提供原型系統。但由于該類系統上下行帶寬比達到1∶10，因此能否與實際的用戶業務需求的帶寬模型相匹配目前存在疑問。
ITU于2008年啟動了下一代GPON標準的研究，目前稱為XG-PON標準。XG-PON標準ITU-T G.987系列已陸續發布。XG-PON目前規定的物理層速率為非對稱方式，即下行速率為10 Gbit/s，上行速率為2.5 Gbit/s。
10G-EPON和XG-PON系統使用同樣的波長規劃，有利于兩者共用部分光器件，擴大產業規模，降低器件成本。兩者均規定上行選擇1 260~1 280 nm的波長范圍，下行選擇1 575~1 580 nm的波長范圍。下行方向與現有的1 490 nm的EPON或GPOM系統可以采用WDM方式進行波長隔離。上行方向，由于EPON ONU使用的激光器譜寬較寬(1 310+50 nm)，與1 260~1 280 nm波長重疊。因此，EPON與10G-EPON的ONU共存在同一ODN時需采用TDMA方式，兩者不能同時發射。GPON與XG-PON的ONU可以采用波長隔離，兩者互不影響。
在功率預算方面，10G EPON增加了PR/PRX30的功率預算檔次，將光鏈路預算提升到29 dB。10G GPON正在研究如何支持31~32 dB的光鏈路預算能力。
1.4 NG-PON2
NG-PON2是現有的GPON/XG-PON的演進系統。由于TDM-PON發展到單波長10 Gbit/s速率后，再進一步提升單波長速率面臨技術和成本的雙重挑戰，于是在PON系統中引入WDM技術成為必然的選擇。由于10G-EPON和XG-PON目前在現網中的應用也很少，因此NG-PON2的主要目標是瞄準2015年以后的應用窗口。
NG-PON2系統定位于全業務的光纖接入網，除了通過速率的提升支持更高速率的家庭和商業客戶，NG-PON2還需要具有良好的同步性能支持移動回傳等業務。目前正在討論中的NG-PON2的標準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。
b) ***傳輸距離和***差分距離為40 km。
c) ***支持1∶256分路比。
d) 至少包含4個TWDM通道。
e) 使用無色ONU。
NG-PON2在物理層采用的主要原理是TDM和WDM結合的方式，使用多個XG-PON在波長上進行堆疊，可以***限度地重用GPON/XG-PON的技術，以及與現有的采用功率分配分光器的ODN具有比較好的兼容性。NG-PON2系統的基本架構如圖1所示。
OLT采用多波長光模塊配置4個或更多的上下行波長，ONU側采用波長可調光收發器技術實現ONU的無色化。OLT與ONU之間通過一個正在標準化中的波長選擇與分配協議控制ONU在分配的波長上工作。
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2 PON系統的演進
2.1 GPON系統到NG-PON2的演進
GPON系統演進到NG-PON2有3種可選的路徑，分別為次序演進、跳躍演進和靈活演進。
a) 次序演進方式(見圖2)。現有的GPON系統需要首先演進到XG-PON系統，在同一ODN中保持GPON與XG-PON共存一段時期。當需要向NG-PON2演進時，由于只有XG-PON系統可以演進到NG-PON2，可以與NG-PON2在同一ODN共存，因此需要確保此時GPON系統已經從ODN中移除。
b) 跳躍演進方式(見圖3)。從GPON直接演進到NG-PON2。根據業務和網絡的發展進程，該方式跳過XG-PON階段，直接從GPON升級為NG-PON2，因此要求在ODN中GPON與NG-PON2 2個系統共存。
c) 靈活演進方式(見圖4)。靈活演進方式既支持從XG-PON演進到NG-PON2，也支持從GPON直接演進到NG-PON2，***允許GPON、XG-PON、NG-PON2 3種系統在同一個ODN上共存的演進方式。這種方式下，由于3種系統都需要占用光纖中的頻譜資源，因此對頻譜的規劃難度***。目前NG-PON2物理層規范考慮到了靈活演進方式的需求，對NG-PON2所使用的頻譜基本確定為使用C-(1 530～1 540 nm) 波段和 L+(1 595~1 625 nm)波段，具體的波段邊界數值還有待進一步討論。
2.2 EPON系統到NG-PON2的演進
EPON系統如何較平滑地演進到NG-PON2系統目前還沒有更多的研究。從ODN共存的角度看，由于目前NG-PON2選擇的C-和L+波段與EPON/10G-EPON所使用波段也不相同，可以參考GPON/XG-PON的方式通過波分復用共存在同一個ODN中。
3 結束語
綜上所述，NG-PON2成為近期PON系統和技術的研究重點，由于需求、器件、成本的原因，NG-PON2短期內可能還難以實用化。 但NG-PON2是PON技術的集大成者，是PON演進過程中的重要里程碑。因此，應該在現有GPON、EPON的規劃和設計中考慮長期演進的因素，減少未來網絡演進的風險。
參考文獻：
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