下一代ＰＯＮ接入技术的演进

程　强

[摘要]文章回顾了PON技术的发展历史，分别介绍了EPON和GPON的标准化情况、业务能力、技术特点，并展望了两种技术的发展演进及商用化进程。

[关键词]NG-PON10GEPONGPONEPON

1PON的发展历史

PON(无源光网络)技术在电信运营商中的部署可以追溯到上世纪90年代，光纤接入技术在公众电信用户接入技术中崭露头角。由于意识到光纤接入是未来接入网的重要发展趋势，1995年全球七个重要的运营商成立了FSAN(全业务接入网)组织。致力于光纤接入网的标准和应用的推进工作。在FSAN和ITU-T成员的共同努力下，第一个关于PON系统的国际标准G.983.1于1998年发布，该标准一般也被称为BPON标准。由于当时PON设备的成本还比较高、光纤接入网的外部条件也不成熟，因此BPON仅被北美地区的电信运营商规模部署，并未在全球获得广泛的应用。

BPON在当时的环境下采用了以ATM为内核的设计思路，该思路与后来轰轰烈烈的网络IP化的方向并不相符。因此，BPON之后，业界希望开发一种新型的PON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。

2EPON和GPON的业务能力

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-2004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.984.1～G.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的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1310nm，下行标称波长为1490nm。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10km(PX10)和20km(PX20)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20km传输距离和1:32分路比。其物理层速率上下行均为1.25Gb/s(物理层)，信道编码采用8810B编码。考虑到8810B的编码效率以及系统所需的必要开销，EPON系统每个PON口的实际有效带宽在800Mb/s～950Mb/s。另外，对TDM业务来说，EPON系统可以采用CESoP(TDM over Packet)技术承载。

GPON系统管理开销丰富，QoS管理能力较强，具有灵活的多业务接入能力和运营商级的OAM能力。GPON同样采用单纤双向传输，上行标称波长为1310nm，下行标称波长为1490nm。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125us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2.488Gb/s，上行速率为1.244Gb/s。除去系统开销后每个PON口的实际有效带宽约为下行2.45G，上行1G～1.1G。目前主流的GPON系统采用B+类光器件，可实现20km传输距离下的1:64分路比，以及支持60km的最大逻辑距离。GPON既可采用Native(TDM over GEM)方式承载TDM业务，也可与EPON同样采用CESoP(TDM over Packet)技术承载E1业务，取决于设备商的实现方式。

从当前的EPON和GPON的基本系统能力来看，存在下面两个特点：

(1)带宽能力。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30Mb/s的下行带宽。但在中国现网条件下，运营商主要采用FTTB的方式进行组网，即每个ONU下大约还连接16-32个用户，最终可能会达到每PON口连接1000个(32×32)左右的用户。这样每个用户平均到的带宽只有1Mb/～2Mb/s。

(2)分路比。如果推进FTTH的部署，目前PON的分路比只有32～64，当用户数量和密度较高时，会占用较多的OLT侧PON口和骨干光缆。由于分路比每增加1倍，光分路器的插入损耗大约上升3.5dB，因此，支持高分路比的PON系统需要更高的光功率预算范围(目前EPON和GPON分别支持24dB和28dB)。

由上面的分析可以看出，不论EPON还是GPON。在系统性能上都存在提升的需求。

3下一代PON的发展

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网络意见的统计，绝大多数运营商指出应在现有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。

从现有FSAN的工作目标来看，未来PON的发展分为两个阶段：第一阶段称为NG-PON1，目标是发展更高速率(10G)的GPON系统，要求NG-PON1系统应可以与现有的GPON ODN网络和GPON ONU设备共存；第二阶段称为NG-PON2，目标是研究具有技术跨越性的新型PON系统，例如利用WDM、OFDM、CDMA等技术设计的多点光接入系统。NG-PON2阶段的PON系统不要求与现有EPON或GPON系统共存。

目前IEEE和ITU都在沿着这条道路进行下一代PON系统的研究。

EPON和GPON的下一步发展路径如图1所示。

IEEE于2006年立项开始制定10G速率的EPON系统标准IEEE 802.3av，计划于2009年9月完成。该标准针对10G速率的需求制定了新的EPON物理层规范，并对MAC层规范进行了更新。在该标准中，10G EPON分为两个类型：其一是非对称方式，即采用10G速率下行，但上行速率与EPON相同仍然为1G；其二是对称方式，即上下行速率均为lOG的EPON系统。

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1:10，因此能否与实际用户业务需求的带宽模型相匹配存在疑问。

ITU于2008年启动了下一代GPON标准的研究，目前称为XGPON标准。XGPON的目标也分为两个类型：其一是非对称方式，即采用10G速率下行，上行速率为2.5G；其二是对称方式，即上下行速率均为10G的GPON系统。与10GEPON类似。个别厂家已展示了目前技术难度较低的非对称XGPON系统原型。

在目前的10G EPON和XGPON的标准草案中，10G速率的PON系统均采用了WDM方式与现有的EPON或GPON进行共存。目前10G的PON系统上行选择1260nm～1280nm的波长范围，下行选择了1575nm～1580nm的波长范围，现有的1310/1490nm的EPON或GPOM系统可以采用WDM方式进行波长隔离。

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29dB。10G GPON正在研究如何支持31dB-32dB的光链路预算能力。

4总结与展望

综上所述，10G速率的EPON和DGPON已成为近期PON系统和技术的研究的重点，由于器件、技术和成本的原因，对称方式的10G EPON或10G GPON短期内可能还难以实用化。非对称方式的10G EPON或10G GPON系统目前已经具备原型产品，预计经过2-3年的时间可以完成系统的商用化进程进入部署阶段，在有条件或确实存在需求的地区可以逐步升级或替代现有的E/GPON系统。