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下一代无源光接入网技术PON的技术演进

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胡德春　肖石林

摘要：PON技术越来越受到人们的关注，本文首先简单介绍了PON技术的发展历史和现状，接着介绍了PON的三种技术：APON、EPON和GPON并对两种主流PON技术―EPON和GPON进行分析比较，提出了从现有的EPON、GPON技术演进到下一代PON网络xPON，从技术实现的角度对xPON技术进行了探讨。
关键字：PON APON EPON GPON xPON

Nowadays, Passive Optical Networks or PONs are placed more and more in the spotlight. In this article, it first shows us the PON technical development history and present status briefly, presents three kinds of PON technology of PON: APON, EPON and GPON , and then makes some comparison analysis between EPON and GPON which leading the main streams of PON technology. By the comparison, it produces the evolution from the present EPON and GPON to the next generation network technology xPON, and it gives some research to xPON from it‘s feasibility.

1、引言:

无源光网络（PON）技术是最新发展的点到多点的光纤接入技术。无源光网络由光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成。一般其下行采用TDM广播方式、上行采用TDMA(时分多址接入)方式，而且可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构(典型结构为树形结构)，PON的本质特征就是ODN全部由无源光器件组成，不包含任何有源电子器件。这样避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，简化了供电配置和网管复杂度，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术,越来越受到业界的关注和重视,发展非常迅猛。与点到点的有源光网络相比，PON技术的主要特点在于维护简单，成本较低（节省光纤和光接口）和较高的传输带宽，其高性能价格比的特点会使其在很长时间内保持竞争优势，PON一直视被为接入网未来的发展方向。

PON网络由于其简洁、廉价、可靠的网络拓扑结构被普遍认为是宽带接入网的最终解决方案，支持光纤到户FTTH。与核心网不同的是，FTTH对成本更加敏感。成本的突破很大程度上意味着条件的成熟。剖析FTTH成本因素，主要有两个方面，一是设备采购成本，二是运营成本。根据NTT公布的数据，FTTH的这两项成本已经与高速ADSL基本接近。值得一提的是，目前ADSL设备的价格下降潜力已经不大，但是FTTH的成本随着规模增长有望继续下降。从整体上看，在接入网领域光通信酝酿着新一轮的发展。所以FTTH技术目前已被证实不仅技术上是成熟的，而且经济上是可行的。继1998年ITU-T通过了基于ATM的G.983系列建议， 2001年开始，两大通信标准化组织IEEE和ITU-T开始研究制订新一代PON技术标准,以满足未来宽带接入网的要求。PON作为FTTH唯一的实现方式，它的三个同胞兄弟APON、EPON和GPON似乎从一开始就注定了要在竞争中不断完善和发展。

2、APON技术特点:
APON以ATM作为承载协议, 由于业务提供能力有限，数据传送速率和效率低，成本较高，其市场前景随着ATM的衰落而淡出人们的视线。业内专家指出，从长远的业务发展趋势看，APON的可用带宽仍然不够。以FTTC为例，尽管典型主干下行速率可达622Mbit/s，但分路后实际可分到每个用户的带宽将大大减小。按32路计算，每一个分支的可用带宽仅剩19.5Mbit/s，再按10个用户共享计算，则每个用户仅能分到约2Mbit/s的带宽。毫无疑问，由于低性价比而无法满足网络和业务长远发展的需要。

3、EPON和GPON的技术比较：
目前有两个颇为引人注目的PON标准已正式发布，其中一个是由ITU/FSAN制定的Gigabit PON（GPON）标准，G.984.1、G.984.2；另一个是由IEEE 802.3ah工作组制定的Ethernet PON（EPON）标准。

其中EPON(Ethernet PON)由IEEE 802.3ah提出，它将Ethernet技术与PON技术结合起来，其目标是用最简单的方式实现一个点到多点结构的吉比特以太网光纤接入系统。EPON属于IEEE以太网标准的范围，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。其特点是：消除了ATM和SDH层，降低了初始成本和运行成本；可以大量采用以太网技术成熟的芯片，实现简单，相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON的主要缺点是总体效率较低，和难以支持以太网之外的业务。当遇到话音/TDM业务时，就会引起QoS问题，对于主张支持多业务能力的传统运营商来说是一个重要缺憾。
ITU-T FSAN集团在2001年1月差不多EFMA提出EPON概念的同时，也开始进行1Gb/s以上的PON标准的研究。2002年9月FSAN提出了一种具有前所未有的高比特速率（最高2.4Gb/s）、能以原有格式（可以说是透传）和极高的效率（带宽利用率可以达到90%以上）传送多种业务（包括TDM和数据）的光接入网GPON(Gigabit PON)解决方案, 并于2003年1月通过有关GPON的新标准—G.984.1和G.984.2，根据这一最新标准的规定，GPON可以提供1.244和2.488Gb/s的下行速率和ITU规定的多种标准上行速率，可以灵活地提供对称和非对称速率。传输距离至少达20km，系统分路比可以为1:16、1:32、1:64、乃至1:128，而且支持各种接入服务，OAM&P（Operation、Administration、Provisioning）功能以及可升级能力，特别是非常有效地支持原有格式的数据分组和TDM流。

对比两者，EPON和GPON两种技术都有各自的特点。EPON以兼容目前的以太网技术为目的,是802.3协议在光接入网上的延续，充分继承了以太网价格低、协议灵活、技术成熟等优势，具有广泛的市场和良好的兼容性。而GPON定位于电信业面向多业务、具备QoS保证的全业务接入的需求，努力寻求一种最佳的、支持全业务的、效率最高的解决方案，提出"对全部协议开放地进行完全彻底地重新考虑"。当从各自技术的特点和适用领域来说，两种技术都有自己的典型应用环境，而背后都有强大的运营商、设备制造商和标准化组织的支持。最终的结果是，两种技术将是它们共存于未来的接入网中，这符合技术发展的规律，也是各大利益集团竞争和妥协的结果。但是这样必然导致两种技术的不兼容，给用户设备选择、网络建设以及技术升级带来不便。

4、下一代PON网络系统xPON：
虽然EPON以及GPON有自己不同的技术，但是两者有相同的网络拓扑结构，相似的网络管理结构，均面向相同的光接入网应用，并非不可融合，而下一代PON网络系统xPON可以同时支持这两种标准，即xPON设备可以根据用户的不同需求提供不同形式的PON接入，解决了两种技术不兼容性问题。同时xPON系统提供统一的网络管理平台可以管理各种业务需求，实现具有严格QoS保障的全业务（包括ATM, Ethernet, TDM）支持能力，通过WDM支持下行有线电视传输;同时可以自动识别EPON,GPON接入卡加入、撤销；真正同时兼容EPON以及GPON网络。对于网络管理者来说所有管理、配置都是针对业务进行的，而不用考虑EPON和GPON技术上的差异。也就是说，EPON和GPON的技术实现对于网管是透明的，两者的差异被屏蔽掉后提供给上层统一的接口。统一的网络管理平台是本系统最大优势之一，真正实现了两个不同的PON技术在网络管理层面上的统一。

4．1 xPON的系统结构：

xPON-OLT结构图

xPON-ONT结构图

xPON系统结构图

4．2 xPON网络的主要参数如下：
●多业务支持能力：实现具有严格QoS保障的全业务（包括ATM, Ethernet, TDM）支持能力，对于业务最优化，通过WDM支持下行有线电视传输;
●EPON,GPON接入卡的自动识别、管理；
●支持1：32的分支能力；
●传输距离不小于20公里；
●上下行对称线路速率1.244Gbit/s. 支持端口流量统计功能；
●支持动态和静态带宽分配功能。
●支持多播和组播功能

4．3 xPON网络的主要技术指标：

(1) 系统容量：系统具有大容量IP交换内核（30G）提供10G以太网网络接口，每一OLT可以支持36个PON网络。
(2) 多业务接口：支持TDM，ATM，Ethernet，CATV，并提供严格的QoS保证，可以充分包括已有的业务。真正做到支持业务的平滑升级。
(3) 系统高可靠性及可用性要求：系统提供可选的1+1保护倒换机制，充分满足电信网对网络可靠性的要求，倒换时间少于50ms。
(4) 网络范围：可配置的10,20Km网径，充分满足接入网的要求。
(5) 统一系统管理软件平台：对于不同的接入方式，具备统一的网络管理平台。

4．4主要的技术难点:
●多业务的适配和成帧技术：对于GPON网络要求对于多业务提供统一的接入平台，规定了对ATM，TDM和Ethernet业务的数据封装格式，同时为了保证TDM业务的QoS，系统要求保证125us的帧长。开发具有自主知识产权的全硬件适配和成帧模块将是GPON技术研究的第一个技术难点。对于EPON技术，标准中并没有提及多业务的承载问题，但是对于全业务的接入网必然要求兼容目前已有的其他业务，最关键的问题是如何在EPON基础上提供具备QoS保证的TDM传输。
●动态带宽分配技术(DBA)：DBA是为了解决如何最大限度的有效利用PON系统的带宽而提出的。目前多业务的GPON以及EPON，要求保证各种业务的QoS．因此就需要具有非常灵敏的带宽分配机制．在多长的调度周期上完成一次带宽分配以及带宽分配算法，将直接影响xPON系统的上行带宽利用率和各类业务的服务质量．开发具有自主知识产权的DBA算法及其实现技术，将是xPON技术研究的一个技术难点。
●突发发送／接收控制技术：PON系统在上行方向上采用TDMA方式工作，在1.244Gbps/1.25Gbps上行速率下的突发模式激光驱动器（ONT侧）及其发射功率控制,突发模式接收机和时钟提取技术(OLT侧),都将面临新的技术挑战，这也是GPON技术研究中的一个技术难点。
●测距技术：xPON系统传输的距离可达20公里，ONT之间的距离差最大达20公里，为防止各ONT之间上行信号发送冲突，必须具有精确的测距机构，如何设计并实现具有自主知识产权的测距技术，是xPON技术研究中一个技术难点．
●统一网络管理技术：xPON同时支持EPON以及GPON技术，如何在统一的网络管理平台上管理、调度不同类型的ONT并保证相关的QoS，同时实现EPON和GPON对于网管的不同要求，是xPON最为重要的特色同时也是一个技术难点。
●保护倒换技术：GPON标准中定义了严格的保护倒换机制，但是在EPON系统中没有相关的机制，如何在现有的EPON系统上扩展保护倒换机制是xPON技术的另外一个难点。
●同现有的产品兼容性：Alcatel的宽带接入技术目前得到了广泛的应用，从提供DSL接入服务的ASAM、ESAM到提供APON接入的FTTH7340，新一代的xPON网络如何兼顾现有的资源，最大限度的保护目前已有的投资，xPON结构设计中的另外一个技术难点。
●除了以上的一些技术难点，在GPON技术研究中，业务调度，流量控制，加密和扰动控制和保护恢复等方面的实现也具有一定难度．它们与GPON系统的性能，可靠性以及未来的应用都有关系,都需要进行深入的研究.

5、总结
就目前的国内接入市场而言EPON占一定的优势，EPON能够从运营商的经济成本的角度出发，实现灵活的接入和网络部署，在国内诸多FTTH试点工程中，EPON已崭露头角。但是GPON在技术上比EPON完善，GPON在扰码效率、传输汇聚层效率、承载协议效率和业务适配效率等方面都是最高的，GPON应该具有更广阔、更长远的应用前景。两种技术必将共存于未来的接入网中，EPON和GPON发展的最佳策略是走向融合，下一代PON网络系统xPON，是一个充分兼容现有标准的高速PON网络平台，代表着PON网络的发展方向。　

参考文献
[1] 原荣.宽带光接入网.北京：电子工业出版社，2003.8
[2] 韦乐平.宽带接入技术的发展展望.计算机网络世界，2001,2
[3] IEEE Draft P802.3ahTM/D1.1, "Media Access Control Parameters, Physical Layers and Management Parameters for subscriber access networks".
[4] ITU-T Recommendation G.983.1 (1998), Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON).
[5] ITU-T Gigabit-capable passive optical networks (GPON): Transmission Convergence Layer Specification (Draft, Oct. 2003).