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10G PON技术发展应用

作者:张沛 陈利兵 丁焰来源:中兴通讯技术 日期:2013年2月18日 14:12

    随着各大运营商“宽带提速”、“光进铜退”工程的大规模展开,未来宽带业务将会以多媒体、视频点播、互动游戏为主要特征,高带宽、综合化将成为评判运营商所推广的宽带产品优劣的标准。

    在宽带网络光纤化的大趋势下,PON技术已经成为目前全球各个电信运营商关注的热门技术之一,也是运营商实施“宽带提速”、“光进铜退”工程的技术基础。经过早期APON、BPON的探索,近几年,以美国电气和电子工程师协会(IEEE)组织发起的EPON标准和以国际电信联盟电信标准化部门/全业务接入网论坛(ITU-T/FSAN)标准组织发起的GPON标准成为PON技术的两大主流。EPON标准主要秉承以太网“简单唯美”的特点,凭借其成熟的产业链和优良的性价比,在日本、韩国等亚洲地区拥有最广泛的光纤接入(FTTx)用户;而GPON标准凭借与APON、BPON一脉相承的特点,受到了欧洲、北美等众多运营商的青睐。

    无论是EPON,还是GPON,其提供的上下行带宽仅仅为1G或者2G,但随着目前交互式网络电视(IPTV)、高清晰度电视(HDTV)、网络游戏、视频业务等大流量、大宽带业务的开展和普及,每用户的带宽需求预计将以每3年一个数量级的趋势递增,从未来运营商长期发展趋势分析,每用户的带宽需求将会在50~100 Mbit/s之间。这样以来,EPON和GPON均无法满足未来宽带业务发展的需要,现有PON口带宽将会出现瓶颈。因此,ITU-T、FSAN、IEEE等各大标准化组织开始下一代PON技术的研究工作。

    与1G PON技术类似,10G PON技术仍然分为10G EPON和10G GPON两大阵营。10G EPON以IEEE 802.3av标准为基础,最大限度地沿用了以往IEEE 802.3ah中的内容,具有很好的向上兼容性。IEEE所定义的802.3av包括两点核心内容:首先,扩大了802.3ah标准中关于1G EPON的上下行带宽,达到10G速率;其次,充分考虑了与1G EPON的兼容性问题,在规定相关物理参数时,保证10G EPON的光节点(ONU)可以与1G EPON的ONU共存于同一个光配线网络(ODN)中,且该ODN的配置可以不做任何变化,最大限度地保证了运营商前期的投资。而10G GPON则以ITU-T G.987协议组为基础,定义了包括总体特征、物理媒质相关子层、传输汇聚子层和管理控制接口等一系列标准,提出上下行非对称XG PON1和上先行对称XG PON2两种10G GPON的主要架构,并率先开始了非对称相关标准的制定工作。经过两年多的讨论和研究,标准草案已经初具规模,而相关的产品研发工作也正在进行。

    文章将会以技术为基础,从技术参数、标准化进行、产品链成熟度等相关方面,对10G EPON和10G GPON进行总结和分析。

    2 10G PON的技术分析

    如图1所示,回顾PON技术的发展历史可以发现,每一种PON技术从诞生之日到最终大规模商用化均需要经过技术标准的制定、相关芯片和光模块的研发、实验和量产、实验局的开设以及商用化部署4个阶段,历时5年左右的时间,而其中每一个阶段的发展又会经历多次的论证。

 

    作为PON技术体系中的分支,10G EPON和10G GPON目前正处于技术标准的制定中,虽然相关芯片、光模块厂商也开始了技术的研究工作,但现阶段仍处于实验室研发阶段,离大规模量产还有一段距离。本章节主要是从两者的技术参数、标准化进程以及芯片、光模块产业链成熟度等几个方面,对10G EPON和10G GPON进行全面的总结和分析[1-4]。

    2.1 标准化进展

    标准是否成熟是判断一种技术是否具有商用化的前提条件。现阶段,包括IEEE、ITU-T、FSAN等多家国际标准化组织正在进行10G EPON和10G GPON两种技术的标准化制定工作;而中国的标准化组织——中国通信标准化协会(CCSA)也于2009启动了相关10G PON技术的研究工作。总体来说,由于10G EPON技术启动时间要早于10G GPON,因此,目前10G EPON的标准化进程略快于10G GPON。表1介绍了10G EPON和10G GPON的标准化发展历程。

 

    2.1.1 10G EPON

    与1G EPON技术一样,10G EPON标准制定主要是由IEEE牵头来完成。IEEE组织在2009年9月12日发布了10G EPON国际标准802.3av,该标准专注于10G EPON物理层技术的研究工作,沿用了传统1G EPON中的MPCP协议,在将1G EPON上下行带宽增大到10G的同时,为保证运营商原有投资不受损害及10E EPON的平滑升级,IEEE 802.3av标准定义了与1G EPON ONU共存于同一ODN网络中的10G EPON ONU标准参数[5]。

    此外,在IEEE 802.3av标准中,还定义了两种物理层参数:一种是非对称模型,即10G速率下行和1G速率上行;另外一种是对称模式,即上下行速率均为10G。非对称模式可以认为是对称模式的一种过渡形式,在前期对上行带宽需求较少和成本较为敏感的场合,可以使用非对称形式。随着业务的发展和技术的进步,将会逐步过渡到对称模式。

    在中国,CCSA已经于2009年年底,逐步启动了10G EPON的标准化研究工作,两个关于10G EPON的项目均已在去年杭州举行的CCSA TC6全会上立项通过:CCSA TC6 WG2工作组提交的10G EPON技术规范;由CCSA TC6 WG4工作组提交的10G EPON光模块行业标准。

    2.1.2 10G GPON

    从2004年起,ITU-T SG15 Q2开始同步研究和分析从GPON向下一代PON演进的可能性。2007年9月,Q2正式发布用于规范GPON和下一代PON系统共存的增强波长计划。2007年11月,Q2确定了NGPON的标准化路标,并以“低成本,高容量,广覆盖,全业务,高互通”为目标,推进下一代PON技术标准的研究和制定。

    根据ITU-T研究计划,NGPON将经历两个标准阶段:第一个阶段是与GPON共存、重利用GPON ODN的XG-PON,该阶段又包含上下行非对称XG-PON1和对称XG-PON2两种模型;第二个阶段则是完全新建ODN的NGA2。备受关注的波分复用-无源光纤网络(WDM-PON)技术属于第二阶段范畴,它通过在一根光纤中使用多个波长实现接入网的扩容,但目前由于突发模式粗波分复用、无色ONU收发器、可调谐WDM器件等一些难点技术无法突破,WDM-PON仍处于论证阶段。

    在2009年9月底召开的ITU-T SG15全会上,Q2工作组正式发布了NG-PON标准的第一阶段文本,即下一代PON系统的总体需求(G.987.1)和物理层规范(G.987.2),并同时制定了于2010年年中,发布传输汇聚层(G.987.3)和管理控制接口(G.988)相关标准的计划。

    在中国的标准化方面,由于10G GPON部分标准于2009年底刚刚推出,因此CCSA目前还暂时没有标准制定工作,预计相关工作将会在2010年年底展开。

    2.2 技术参数

    无论是IEEE 802.3av,还是ITU-T G.987协议族,均对10G PON相关技术参数、物理层指标、光功率预算做出了详细的定义。但由于两大标准化组织所考虑问题的出发点不同,技术指标也存在一定的差异。

    表2对10G EPON和10G GPON从技术角度进行了总结和分析。由于IEEE标准化组织一直以来致力于以太网相关标准的制定工作,对于传统电信技术的关键特征关注程度不高,因此,与10G GPON相比,10G EPON在认证、带宽分配、终端管理等功能的实现上,标准定义并不完善。

 

    2.2.1 10G EPON

    如图2所示,列举了10G EPON技术的四大关键点:第一,10G EPON定义了6种光功率预算,针对非对称模式的PRX10、PRX20和PRX30以及针对对称模式的PR10、PR20和PR30,这6种光功率预算模型基本上可以满足运营商网络建设的需要;第二,10G EPON技术在实现与传统1G EPON在多点控制协议层面(MPCP)前向兼容的基础上,还对原有消息类型进行了扩展,用于报告光缆终端设备(OLT)、ONU光模块的开关时间,以满足10G EPON系统的要求;第三,10G EPON采用了(255,223)的前向纠错(FEC)编码方式,该编码与用于1G EPON的FEC编码一脉相承,但其强大的编码增益可以支持10G EPON光接收器更低的灵敏度;最后,10G EPON对上下行波长进行了重新规划,下行使用1268~1280 nm波长,上行则重用了原有1G EPON的1575~1580 nm波段,为了避免波长冲突,10G EPON上行只能使用时分多址(TDMA)的方式。

 

    2.2.2 10G GPON

    图3是Q2工作组所发布的一系列10G GPON标准协议结构。未来随着10G GPON技术的不断发展,ITU-T将计划在增强带宽和距离扩展等功能上定义,以满足网络建设的需要。

 

    已经发布的G.987.1标准,定义了10G GPON系统的总体技术要求和系统架构,明确提出了10G GPON系统在保证良好QoS基础上,要完全支撑传统电信业务和所有新兴业务,同时,还规定动态带宽分配(DBA)算法、节能、认证和加密等相关内容要继承原有1G GPON技术;而G.987.2则是重点规范了10G GPON物理层相关参数,包括上下行速率、ODN功率预算、分光比、上下行波长范围和线路编码等内容,虽然10G GPON的上下行波长范围与10G EPON相同,但由于上行波长与1G GPON不冲突,因此,10G GPON上下行均采用波分多址(WDMA)方式。

    即将于2010年6月发布的G.987.3对10G GPON传输汇聚层进行了定义,明确了在自动发现阶段,对物理设备的认证以及对用户鉴权的方法,同时,建议沿用以往高级加密标准(AES)算法,以提高密钥本身的安全性。针对管理控制接口的G.988则是承袭G.984.4标准的大部分内容,并删除了原有文本中的三层路由属性和802.11业务配置相关内容。

    2.3 产业链发展

    如图4所示,一个完整的PON产业链包括芯片、光模块和设备3个环节。如果要分析PON产业链,就需要从这3个环节入手,分析每一个环节目前发展的状态和未来发展趋势。

 

    表3对10G EPON和10G GPON两种技术的产业链发展进行了汇总和分析。总体来说,10G EPON和10G GPON目前均达不到大规模商用化的要求,虽然部分设备商近期纷纷推出了10G EPON或者10G GPON的产品,并与运营商合作,开设了部分实验局,但仍然处于实验室测试阶段,离规模商用还有一段距离。

 

    3 结束语

    10G PON技术符合未来接入网络“大容量、少局所”的发展方向,在提高接入速率的同时,支持更大的分路比,覆盖更多的用户。因此,10G PON技术必将成为未来电信运营商实现“宽带提速”、“光进铜退”等宽带网络建设可持续发展的热门技术。在这一大背景下,本论文对10G EPON和10G GPON两种主流的下一代光接入网技术从中国及国外标准化进展、相关技术参数和产业链进程等3个方面,进行了分析和比较。

    4 参考文献

[1] IEEE 802.3. IEEE standard for information technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements-Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[S].2008.

[2] ITU-T G.987.1. 10 Gigabit-Capable Passive Optical Network (XG-PON) General Requirements [S]. 2009.

[3] ITU-T G.987.2. 10-Gigabit-Capable Passive Optical Networks (XG-PON): Physical Media Dependent (PMD) Layer Specification (for consent) [S].2009.

[4] ITU-T G.987.3. XG-PON Transmission Convergence Layer Specification [S]. 2009.

[5] ITU-T G.988. ONU Management and Control Interface Specification (OMCI) [S].2009.

作者:张沛 陈利兵 丁焰   来源:中兴通讯技术

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该资讯的关键词为:PON  宽带网络  光进铜退  宽带提速  10G  PON技术 

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