下一代PON技术的进展与应用

沈成彬 ，王成巍 ，蒋 铭 ，王 波

（1.中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中国电信集团公司 北京 100032）

下一代PON技术的进展与应用

沈成彬1，王成巍1，蒋 铭1，王 波2

（1.中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中国电信集团公司 北京 100032）

本文研究了下一代无源光网络技术（包括10G-EPON和NG-PON1）的特征及其标准化情况，介绍了下一代PON的产业链发展情况，结合“三网融合”的需求和运营商“光进铜退”的战略，探讨了下一代PON的应用方案和系统架构。

光接入网；无源光网络；10G-EPON；NG-PON；XG-PON1

1 前言

近年来，随着视频点播、网络游戏和IPTV等高带宽业务的出现，用户对接入带宽的需求进一步增加。以以太网无源光网络（EPON）和吉比特无源光网络（GPON）为代表的光纤接入技术在技术标准、设备功能与性能、互通性、产业链、成本等方面都有了突破性进展。国内外的主流电信运营商均已开始采用EPON或者GPON技术大力开展宽带接入提速，即“光进铜退”。

国家政策层面不断助推“三网融合”。2010年1月13日，国务院常务会议决定加快推进电信网、广播电视网和互联网的三网融合。这将进一步加强电信、广电运营商在宽带接入领域的竞争，加速光纤宽带网络的升级改造和PON技术的发展。2010年3月17日，工业和信息化部、国家发展和改革委员会等7部委也联合印发《关于推进光纤宽带网络建设的意见》的文件，以加快光纤宽带网络建设，提升信息基础设施能力，引导宽带应用的发展和创新。

在EPON和GPON已经规模部署以及 “三网融合”的大背景下，如何保持PON技术的持续发展是个非常重要的问题。本文将通过对下一代PON技术及其进展的分析，探讨下一代PON的应用方案和系统架构如何满足应用的需求。

2 下一代的PON技术及其标准化历程

随着用户对高清IPTV、视频监控等高带宽业务需求的不断增长，产业界逐渐认识到，现有的EPON和GPON技术均难以满足业务长期发展的需求，特别是在光纤到楼（FTTB）和光纤到节点（FTTN）场景。光接入网在带宽、业务支撑能力以及接入节点设备功能和性能等方面都面临新的升级需求，因此提出了下一代PON的概念。所谓的“下一代PON”，其主要技术特征包括以下几个。

·10 Gbit/s及以上的传输速率。上下行对称10 Gbit/s或者下行10 Gbit/s、上行至少1 Gbit/s的非对称系统。WDM PON和40 Gbit/s速率的TDM PON在一些关键技术上尚未取得突破，因此应该算下下一代PON。

·更高的光功率预算和更大的分路比。下一代PON的最大光功率预算应大于28 dB，应至少支持1∶64的分光比。

·兼容现有的EPON/GPON系统。下一代PON系统应该能够与现已大规模部署的EPON/GPON系统共存，继承现有EPON/GPON的所有业务并确保用户向下一代PON网络迁移过程的平滑。

·更强的组网能力。下一代PON要面向运营商包括FTTH/O、FTTB、FTTC、FTTN 等多种场景的 组网需要，因此对其设备形态、业务管控、网络管理与维护等方面提出了更高的要求。

针对上述需求，IEEE和FSAN分别启动了下一代PON技术的研究和标准化工作。

IEEE于2005年年底启动了下一代EPON——10G-EPON技术的研究和标准化工作，并于2006年3月成立了IEEE802.3av工作组。2007年年中，IEEE802.3av Draft 1.0形成，基本形成了10G-EPON标准的框架和主体内容。2008年年中，IEEE802.3av Draft 2.0形成，基本上达到了比较完善的水平，并成为芯片和设备厂商开发相关芯片和系统的参考。2009年9月，正式发布10G-EPON国际标准IEEE802.3av，标志着10G-EPON的标准化完成。

FSAN也在2007年11月启动了下一代GPON——NG-PON的研究和标准化。2009年 5月，FSAN发布了NG-PON白皮书，明确了NG-PON分为NG-PON1和NG-PON2两个阶段并给出了明确的技术路线。NG-PON1主要是与GPON共存，重利用GPON ODN的XG-PON，XG-PON又分为XG-PON1（上行2.5 Gbit/s/下行10 Gbit/s）和 XG-PON2（上行 10 Gbit/s/下行 10 Gbit/s）两种。2009年10月，ITU-T的SG15/Q2工作组在SG15全会期间正式发布了XG-PON1标准的第一阶段文本G.987.1和G.987.2，目前XG-PON1的G.987.3主要技术框架已经具备。按照FSAN的计划，XG-PON1于2010年6月完成标准化，包括总体架构、物理层、TC层及OMCI等各部分。NG-PON2的标准化工作尚未开始。

需要指出的是，无论是在10G-EPON和XG-PON1的需求分析、架构设计过程中，还是在10G-EPON和XG-PON1的标准文本的撰写过程中，中国的设备厂商和运营商都发挥了重要的作用。例如，在XG-PON1的制定过程中，华为公司的专家担任了ITU-T Q2组的主席和两个子标准的Editor/Co-editor的职务；中兴公司的专家担任了10G-EPON的Assistant Editor的职务。中国电信等运营商也结合自身的需求，提出了一系列重要的建议和意见。在下一代PON的标准化进程中，来自中国的厂商和运营商的提案约有100项，成为该领域最活跃的一个群体，为下一代PON技术的发展做出了前所未有的贡献。

3 10G-EPON技术特点和产业化进展

3.1 10G-EPON主要特点

10 G-EPON技术标准的主要特点在于充分利用10GE和EPON等成熟技术，实现更高的传输速率和更丰富的物理层规格，并与EPON技术兼容。

（1）更高的系统传输能力

IEEE802.3av规定了10 Gbit/s下行、1 Gbit/s上行的非对称模式和10 Gbit/s上下行对称模式，显著地提高了系统的传输能力。10G-EPON采用64 B/66 B线路编码，效率为97%，与1G-EPON的8 B/10 B（效率为 80%）线路相比有了明显提升。10G-EPON通过电层的FEC技术来降低光收发模块的技术难度和成本，其FEC采用RS（255，223）编码，可增加光功率预算5～6 dB。

测试结果表明：10G-EPON下行吞吐量可以达到8.3 Gbit/s以上（FEC开销约为13%），对称系统的上行吞吐量也高于8 Gbit/s。

（2）更丰富的物理层规格

针对10 Gbit/s对称的系统速率和10 Gbit/s/1 Gbit/s非对称系统速率，IEEE802.3av分别定义了10GBASE-PR和10/1GBASE-PRX的物理层要求。每种物理层要求又根据光功率预算的不同，规定了包括PR10、PR20、PR30和PRX10、PRX20、PRX30共6种规格，以满足不同的链路损耗要求。具体规格及链路光指标见表1。

其中，10GBASE-PR30和 10GBASE-PRX30的光链路预算达到了29 dB，可以实现20 km传输距离下的1∶64分光。

（3）对10GE和EPON协议的继承性

10 G-EPON技术在开发时充分考虑了与现有的10GE和EPON技术的继承性。

10 GE的技术已经非常成熟，10G-EPON在下行方向和10 Gbit/s速率的上行方向充分利用了10GE接口的技术标准和现有基础 （例如采用10GE的64 B/66 B的物理层编码和以太网的帧格式），从而降低了实现难度和成本。

10 G-EPON标准化过程中极力避免对IEEE802.3做大的修改，而是通过在EPON标准IEEE802.3基础上对MPCP协议进行必要的扩展而形成IEEE802.3av。10G-EPON的MAC控制层仅仅在EPON的MPCP协议中进行了少量的扩展（OLT在DiscoveryGATE帧中增加Discovery Information字节来请求ONU上报其是否支持10 Gbit/s速率，ONU在REGISTER_REQ帧中增加Discovery Information字节向OLT通告10 Gbit/s速率的支持能力），实现了10 Gbit/s能力的通告与协商机制，从而使得10G-EPON的协议实现变得非常容易。

表1 10G-EPON系统的光物理层指标

为了降低10 Gbit/s突发光模块的实现难度，对称速率的10G-EPON的上行方向没有因为线路速率的提高而缩短ONU突发模式光发送机的激光器打开 （LaserOn）/关闭（LaserOff）时间、OLT 的时钟提取时间（CDR）等指标要求，而是保持与EPON相同的指标要求；而且还把自动功率调整的稳定时间（receiver_settling）从 EPON的 400 ns提高到800 ns，显著地降低了光模块实现的复杂性和系统成本。

（4）与EPON的兼容和共存

为了实现10G-EPON与1G-EPON的兼容和网络的平滑演进，IEEE802.3av标准在波长分配、多点控制机制方面都有专门的考虑，以保证10G-EPON与1G-EPON系统在同一ODN上的共存。

波长规划如图1所示，为了实现与1G-EPON的兼容，10G-EPON没有使用1G-EPON系统所使用的1490 nm的下行波长，同时考虑避开模拟视频波长 （1550 nm）和OTDR 测试波长（1600～1650 nm），IEEE802.3av标准选择1577 nm作为10 Gbit/s下行信号的波长 （1575～1580 nm）。因此，在下行方向可以确保10 Gbit/s信号与1 Gbit/s信号的隔离度。上行方向，非对称10G-EPON系统的上行波长仍然沿用EPON系统的上行波长1310 nm （1260～1360 nm），实现了与EPON的无缝兼容，对称10G-EPON系统的上行信号（10 Gbit/s）波长是 1270 nm（1260～1280 nm），二者有重叠，因此不能采用WDM方式，而是采用双速率TDMA方式。

3.2 10G-EPON技术实现

对于非对称速率的10G-EPON系统，由于很大程度上继承了现有的10GE和EPON技术，只要对协议略作完善即可，所以系统实现上难度并不大。对于对称速率的10G-EPON系统，其实现难度相对较大，主要体现在光模块、芯片组、系统架构上。

图1 10G-EPON的波长规划

·由于对称10G-EPON系统的上行方向工作于10 Gbit/s突发模式，尽管ONU的突发模式光发送机和OLT的突发模式光接收机的指标并没有显著提高，甚至是适度降低，但对于光模块来讲，还是充满挑战的，主要体现在高功率激光器和高灵敏度探测器、高效率的BOSA、高速跨导放大器(TIA)和限幅后置放大器LIA等技术难点上。

·对于芯片组设计而言，逻辑设计没有本质上的困难，但由于系统速率的提升，必须提高总线宽度，控制功耗，这带来了一些硬件设计上的挑战。在EPON系统中普遍采用Triple Churning进行下行数据的加密，但随着速率的提高，数据被破解的风险急剧加大，需要为10G-EPON设计加密强度更高的算法。

3.3 10G-EPON技术进展

10 G-EPON受到了光接入产业界的普遍支持，包括光模块厂商、芯片厂商、设备厂商、运营商都投入了很大精力促进其发展，并逐步解决了一系列关键的技术问题。

2009年3月，IC解决方案提供商Vitesse公司宣布了业界首款用于10G-EPON、全面符合IEEE802.3av/D3.0标准的全套物理媒体相关(PMD)芯片组。川崎微电子也已经开发出适用于10G-EPON OLT的突发模式SERDES芯片，可以用于对称和非对称系统。目前非对称10G-EPON光模块技术上已经比较成熟 ，Ligent、Neophotonics、Source Photonics、Superxon等主流光模块厂商已经可以批量提供XFP封装的光模块，技术指标基本可以满足PRX30的要求。三菱、NEC、Superxon等也已经可以提供符合IEEE802.3av标准的10G-EPON对称光模块，但光功率指标仍待提高。

芯片厂商也不遗余力地开发和创新10G-EPON技术。目前 PMC-Sierra、Teknovus（现已被 Broadcom 收购）、Opulan公司均已推出成熟的基于FPGA的非对称和对称10G-EPON解决方案。Cortina公司于2009年下半年推出了基于FPGA的非对称10G-EPON解决方案。10G-EPON芯片的互通性已经实现，预计2010年年底将有2款ONU侧ASIC出现，并支持对称和非对称两种模式，到2011年年初，将有至少2款OLT侧ASIC芯片。考虑到10G-EPON初期的主要应用场景为FTTB/N，一些芯片厂商还对10G-EPON ONU侧芯片进行了优化，以适应MDU对QoS等方面的要求。

目前，国内的中兴、华为、烽火、上海贝尔等设备厂商也在积极地开发10G-EPON产品，目前均已发布了相关产品。中兴、华为已经在国内外开通了数十个试验局，演示了1∶128分光比、Triple-Play业务、与EPON的共存等典型应用。日本的NEC、住友等设备厂商也研发出了各自的10G-EPON设备。

国内外运营商对10G-EPON高度关注，NTT、KT、中国电信等运营商积极参与10G-EPON标准的制订，并密切跟踪技术进展，均进行了一系列的评估测试和现场试验。中国电信也对10G-EPON系统的核心问题进行了比较详细的规定，解决了PON口下行数据安全性、MPCP发现协议一致性、设备架构和能力等关键问题。欧美的广电运营商非常关注10G-EPON技术，认为10G-EPON是Cable网络升级改造的最佳技术。例如，时代华纳早于2009年7月即进行了评估测试并给出了积极的评价。随着10G-EPON的快速推进，Verizon、FT、AT&T等运营商也组织了一系列的评估测试，探讨利用10G-EPON解决基于GPON进行FTTH建设的入户困难、成本高等问题。

总之，10G-EPON的高带宽、平滑演进、技术相对比较成熟等优点使其得到了产业界的高度关注和广泛支持。目前的技术进展非常迅速，产业链也已基本成熟，具备了现场试验的条件。预计到2011年年中，EPON的光模块、芯片和设备将更加成熟，具备规模商用的条件。考虑到对称系统和非对称系统的主要差别在光模块，尽管规模商用后（如大于10万台ONU），对称光模块的价格仍将比非对称光模块的价格高30%～50%（价格差20～30美元），但考虑到对称系统在上行能力上的优势和10G-EPON初期主要应用于FTTB/N场景，用户对光模块成本相对不敏感，所以对称10G-EPON系统将成为主流。

4 XG-PON 1技术特点和产业化进展

按照目前FSAN制订的XG-PON1标准草案，XG-PON1主要特征如下。

（1）定义了全新的速率体系和物理层规范

XG-PON1采用了XG-PON1系统的下行线路速率为9.95328 Gbit/s，上行线路速率为2.48832 Gbit/s，线路编码为NRZ码。G.987规定了3种光功率预算的规格，以满足不同场景的应用需求。这3种规格的指标见表2（根据最新的会议讨论结果，G.987.2还将增加最大损耗为35 dB的等级）。

表2 G.987.2规定的3种光功率预算等级

从表2可以看出，相对于10G-EPON，XG-PON1的物理层指标普遍偏高，这将给系统实现带来很大的技术困难。另外，目前基本确定的突发模式光接收机的技术指标也比较高，例如，XG-PON1的 Tx Enable为 32 bit，Tx Disable为32 bit，Guard Time 为 64 bit，Delimiter Time 为 32 bit，远远超过了10G-EPON的相关指标，给光模块的实现带来了一定的困难。

另外，与10G-EPON上下行采用相同的FEC编码不同，XG-PON1在下行方向上采用了RS(248，216，32)的强FEC（强制实现，强制使用），上行方向采用 RS(248，232，16)的弱FEC（强制实现，可选使用）。

（2）尽可能继承GPON系统的相关规范，如传输汇聚（TC）子层、OMCI机制、DBA机制及加密机制等

XG-PON1仍然采用周期为 125 μs的 TC帧 （称为XGTC）GEM封装协议，并在TC帧中实现嵌入式的控制和管理功能。XG-PON1还原则上继承GPON的基于OMCI协议实现系统ONU的控制与管理功能。FSAN正在制订新的OMCI标准 G.988，将 GPON、XG-PON1甚至 EPON的 ONU远程管理统一到这个新的标准中来。XG-PON1也采用了GPON的加密和DBA机制，从而降低实现难度。

（3）采用了与10G-EPON类似的波长规划，并以WDM的方式实现与GPON的共存

为了避免系统升级过程中对现有用户的业务造成影响，XG-PON1系统规定了下行方向采用1577 nm的波长（1575～1580 nm），因此，以WDM方式实现与GPON下行信号的共存。XG-PON1的上行中心波长为1270 nm（1260～1280 nm），与10G-EPON系统与 EPON系统上行波长上存在一定的重叠的情况不同，XG-PON1在上行方向上与GPON系统 （其上行波长范围为1290～1330 nm）不存在重叠，因此采用WDM的方式实现共存，而不采用10G-EPON双速接收机的方式。具体原理如图2所示。

（4）XG-PON1在节能、光功率检测等方面进行了系统的思考，为系统实现、技术的长期演进提供了必要的考虑

在产业链方面，XG-PON1也受到了GPON阵营的运营商、设备厂商、芯片厂商的广泛支持。但由于标准尚未完全定稿，目前尚未有成熟的光模块和芯片解决方案。华为、阿朗、爱立信等设备厂商均已研发出或者即将研发出XG-PON1样机 （基于厂商私有规范和自研FPGA）。PMC、Broadlight等GPON芯片供应商均有自己的XG-PON1芯片研发路标，2011年将有基于FPGA的TC层芯片解决方案出现。

运营商对下一代GPON技术的关注也持续升温。AT&T、Verizon、法国电信、Telefonica等运营商都积极参加了XG-PON1的标准化工作，并在2009年开展了较多的10G-GPON的评估测试。中国电信、中国移动等国内运营商和工业和信息化部电信研究院也积极参加了XG-PON1的标准化工作，在IPv6、基于逻辑标识的ONU认证、OMCI等方面提出了一系列建议并被采纳。

XG-PON2的目标为10 Gbit/s对称的PON系统，从FSAN目前的规划来看，尚无明确的时间表。

5 10G-EPON和XG-PON1的比较

图2 XG-PON1与GPON共存的原理

表3 下一代PON技术及其进展的比较

从10G-EPON和NG-PON技术发展的现状来看，下一代PON技术仍然分为两个阵营，无法实现统一和融合。目前几种主流下一代PON技术的比较见表3。

6 下一代PON技术的应用模式

无论是10G-EPON还是XG-PON1，都具有明显的带宽优势，可以满足未来相当长的一段时间内高带宽业务发展的需求。但从经济性来讲，由于光模块和芯片技术难度高，短期内难以达到规模效应，所以在2～3年内10G-EPON和XG-PON1的成本都将远远高于现有的EPON和GPON（10G-EPON和 XG-PON1分为 EPON和 GPON的 4～6倍，芯片分别为EPON和GPON的2倍）。如何选择合适的应用模式是关系到下一代PON技术和市场可持续发展的关键问题。

对于FTTH场景，技术成熟且成本较低的EPON/GPON完全可以满足相当长一段时间内的带宽要求。10G-EPON和XG-PON1的高成本令其应用于FTTH场景的必要性和可能性不大。从技术能力和成本上来讲，在相当长的时间内，下一代PON技术将主要适用于FTTB/C/N场景。FTTB/C/N是目前国内运营商主流的“光进铜退”模式，在这些场景下，每个MDU要接入多个用户。随着用户对带宽需求的逐渐提高，目前EPON和GPON系统的带宽有可能在2～3年内显得捉襟见肘。而10G-EPON和XG-PON1系统中10 Gbit/s量级的带宽确保了MDU上每个用户的带宽需求。例如，按照目前每个PON口覆盖256个用户的规划计算，采用10G-EPON或XG-PON1技术可以确保每个用户至少有40 Mbit/s的下行带宽，最大带宽甚至可以达到1 Gbit/s，超过了EPON/GPON FTTH用户的速率。而在这种模式下，光模块和芯片的高成本可以被多个用户分摊，成本也比较容易被用户接受。因此，下一代PON技术的主要应用场景就是FTTB/C/N，特别适合中国接入网发展和演进。

7 下一代PON技术的系统架构

下一代PON技术使得系统的接口速率提高了一个数量级，对OLT和ONU的系统架构提出了新的要求。对于OLT来讲，背板总线带宽必须从目前的10 Gbit/s提升到20 Gbit/s，甚至40 Gbit/s，总线架构也需要进一步优化。一段时间内，OLT将以N×10GE总线为主，未来将采用40GE等更高速总线。从技术上看，OLT各接口板到主交换板之间全部采用40GE的总线连接难度很大。另外，OLT设备的交换能力要达到500 Gbit/s以上 （10 Gbit/s×4PON口×12槽位）。在FTTB/C/N场景下，每个PON口带的用户数一般超过256个，甚至1000个，考虑到每个用户的终端数量也在增长，所以对OLT设备的MAC地址容量要求也相应提高，需要支持256 K甚至更高。由OLT的主控板进行大用户数（>1万）集中的业务管理和控制，技术实现难度很大，采用分布式的业务控制和管理成为必然。下一代PON系统也对OLT和ONU的缓存能力、灵活QinQ能力、ACL条目数等方面提出了更高的要求。

8 结束语

在EPON和GPON技术逐步成熟并规模商用的基础上，产业界开始考虑下一代PON技术，以进一步提高光接入网的能力。下一代PON技术主要包括10G-EPON和NG-PON1。目前10G-EPON技术进展非常迅速，产业链也已经基本成熟，并在现网中得到了试验，预计到2011年年中，10G-EPON将具备规模商用的条件。XG-PON1的标准受到了GPON阵营运营商、设备厂商、芯片厂商的广泛支持，但标准尚未完全定稿，尚未有成熟的光模块和芯片解决方案。

从技术能力和成本上来看，在相当长的时间内下一代PON技术将主要适用于FTTB/C/N场景。下一代PON技术对OLT系统架构提出了一系列新的挑战，包括总线结构、业务控制和管理、交换能力等方面。

1 ITU-T G.987.1.10-gigabit-capable passive optical network(XG-PON):general requirements，2010

2 I TU-T G.987.2.10-gigabit-capable passive opticalnetworks(XG-PON):physical media dependent(PMD)layer specification(for consent)，2010

3 ITU-T G.984.5.Gigabit-capable passive optical networks(G-PON):enhancement band，2007

4 ITU-T TD 217.XG-PON transmission convergence layer specification，2010

5 ITU-T TD 214.ONU management and control interface specification(OMCI)，2010

6 IEEE802.3av.Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD)access method and physical layer specifications—amendment:physical layer specifications and management parameters for 10 Gbit/s passive optical networks，2009

7 10G PON开启光接入未来之门.华为技术，2010（48）

8 宋阿芳，奚展越，王颖.光进铜退用户端设备部署中存在的问题研究.电信科学，2009，24（10）

9 左建，任艳，欧月华.PON中无源光分路器的分析.电信技术，2009（6）

10 吴健学.低成本多业务综合接入EPON系统设计方案研究.电信科学，2009，25（4）

11 刘册.EPON系统多业务承载调度机制的研究.电信科学，2009，25（9）

12 张晋豫，杨维，刘犁.优化的EPON多播QoS DBA实现研究.通信学报，2009（2）

13 陈文.“光进铜退”下宽带业务发展策略的探讨.电信科学，2008，24（9）

14 蒋铭，沈成彬，王成巍等.基于EPON的FTTx接入网建设关键问题探讨.电信科学，2008，24（9）

15 王成巍，沈成彬，蒋铭等.PON系统中的光链路检测技术研究.电信科学，2008，24（9）

16 杜喆，沈成彬，陈文等.无源光网络的光线路相关技术研究.电信科学，2008，24（9）

17 沈成彬，曹敏，蒋铭等.“光进铜退”热潮中二层汇聚网与光接入网的融合.电信科学，2008，24（9）

Progress&Application of Next Generation PON Technology

Shen Chengbin1,Wang Chengwei1,Jiang Ming1,Wang Bo2
(1.Shanghai Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China；2.China Telecom Group Company,Beijing 100032,China)

In the paper,characteristics and standardization of next generation PON technologies,including 10G-EPON and NG-PON1,were introduced in detail.The next generation PON industrial chain advancement was investigated.Finally,application modes and system architecture of next generation PON were discussed briefly.

optical access network，passive optical network，10G-EPON，NG-PON，XG-PON1

2010-07-07）