下一代无源光网络技术

顾林君， 沈元隆

（①中国电信集团上海网络操作维护中心，上海 201315；②南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003）

0 引言

PON技术是一种典型的电到多点接入技术，由局侧光线路终端（OLT）、用户侧光网络单元（ONU）以及光分配网络（ODN）组成[1]。“无源”是指ODN中不含有任何有源电子器件及电源，全部由光纤和光分/合路器（Splitter）等无源光器件组成，如图1所示。

TDM-PON技术已经逐渐走向成熟化、商业化，BPON、EPON已经在很大的范围内被采用，GPON也已在2007年开始部署。于是，很自然的出现了一个问题：如何定位下一代PON技术的发展方向。

传统上谨慎的做法是构建一种可满足未来网络拓展需求，以更低的单用户价格连接大量的终端用户，按需求传送可灵活调整带宽的可扩展PON，它将无需对外部构件进行改进就可升级，朝着这个方向，下一代PON的主要发展趋势有以下几个方面：WDM-PON、WDM/TDM混合PON、10G EPON、PON/ROF汇聚、Long-Reach PON。

1 WDM-PON

一种直接升级TDM-PON的途径是在OLT与ONU之间采用独立的波长信道，这种方式通过物理上点对多点的PON结构在OLT和每个ONU间形成了点对点的连接，被称为WDM-PON[2]。

相比TDM-PON，WDM-PON有许多优势，例如高带宽，协议透明性，安全性更高，灵活的可扩展性，影响WDM-PON大规模应用的最大问题在于基于不同波长的使用导致ONU的成本高。因此WDM-PON核心技术的发展都与如何为ONU构建一个便宜和稳定的光发射机相关。为了降低WDM-PON技术运行成本和提高其与原有资源的兼容性，系统设计者和设备供应商已经联手共同开发一种无色ONU技术，其中最简单的方法是使用可调谐激光器作为光发射器，但这类激光器价格十分昂贵，不适合用于接入网；另一种是宽光源和频率切割技术，超辐射发光二极管（SLD）可发射出高输出功率，可以选择它的中心波长与带宽，同时它是十分成熟、廉价的光设备。而目前新的有效的WDM-PON技术的实现方案大体上可以分为两部分：第一部分是从OLT端到ONU端，这一部分采用了WDM技术；第二部分是从ONU端到网络终端(NT)，这一部分采用了TDM技术。

2 WDM/TDM混合PON

WDM/TDM PON将是未来PON的发展趋势。由于现阶段实现WDM-PON存在不小的难度[3]，因此较为合理的网络升级策略是从TDM-PON向WDM-PON逐步过渡，而在过渡的过程中，两者的共存阶段是必须要经历的，将出现被称为WDM/TDM混合PON的多种融合形式。WDM和TDM混合模式的PON结构具有容量大、高可靠、节约城域光纤资源等突出优势，在将来的接入网络改造和升级中将发挥巨大作用。基于WDM技术的PON网络架构可以兼容现有的1 G/2.5 G/10 G EPON、GPON和P2P等多种光纤接入技术。通过波长规划可以直接承载1310 nm波长的有线电视（CATV）业务，实现“三网融合”；在线路中引入光链路监控信号，实现ODN网络的光链路检测功能。另外通过WDM-TDM PON可以构建一个具有更大接入容量、更高传输速率、面向全业务运营的具有中国特色的全新光接入网。

目前最自然的TDM-PON和WDM-PON融合技术是级联。在一个WDM/TDM混合PON中，如果每个波长信道间独自工作，除了源TDM-PON的MAC协议，网络中无需一种额外的MAC控制协议。然而这种方案可能无法有效的利用带宽，尤其是当一些波长过载而另外的波长轻负载的情况。如果在所有ONU间共享这些波长，那么系统总吞吐量将会得到显著的提高。基于这个原因，需要一种被称为动态波长分配（DWA）算法的波长调度方案[4]，来通过控制可调谐激光器(LD)和WDM过滤器使得波长信道动态化。一种不仅分配时隙，还为ONU分配波长的DWA/DBA算法的融合，是WDM/TDM 混合PON发展的一个重要研究领域。

在WDM-PON中提供广播业务是困难的，为了解决这个问题，WDM/TDM PON的融合结构正在向PON中添加广播波长的核心技术方向上进行发展。

3 10 G EPON

普通EPON的自然升级是10G EPON，促进10G EPON发展的主导驱动力是市场需求。为了满足市场需求，IEEE 802.3av 10G EPON工作组在2006年9月成立[5]，它们的任务是在2009年完成IEEE 802.3av 10 G EPON标准制定的工作[6]。10 G EPON在系统组成上与1G EPON相同，但需采用支持10 G速率的OLT、ONU和ODN。10 G EPON在系统结构上仍然延续1 G EPON的典型形拓扑结构。

10 G EPON分为两个类型：其一是非对称方式，即采用10 G速率下行，但上行速率与EPON相同仍然为1 G；其二是对称方式，即上下行速率均为10 G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1 G上行10 G下行方式的10 G 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。

目前10 G下行将采用1 574～1 580 nm，其与波长范围在1 480～1 500 nm间的1 G下行共存，保留了1 540～1 560 nm用于处理视频过载。10 G EPON下行采用10 G的传输速率进行广播已经没有异议，但上行采用1G的传输速率还是10 G的传输速率，是采用TDMA还是WDMA则还要考虑。

采用TDMA技术的10 G EPON在成本上无疑较采用WDMA技术的10 G EPON要低得多，而且和目前的802.3ah EPON相比成本也不是特别高。但是采用TDMA技术的ONU的数据在上传前必须等待自己的允许周期，不同ONU的上行数据中间还有保护时间，更重要的以太网帧是变长的，如果正在等待的ONU发送之前PON上下行链路均在发送长包，则该ONU可能等待的时间更长，这些因素都导致了采用TDMA的10 G EPON上行方向时延将较大，这对于对时延特别敏感的业务(如VOIP)十分不利。另外采用TDMA技术的10 G EPON其上行平均带宽较小(相当于所有ONU共享1 G或10 G的带宽)。相比之下采用WDMA的10 G EPON每个ONU独享1 G或10 G上行带宽，另外上行方向使用的是真正的点对点(P2P)网络，发送时无需等待，延时极低。然后不幸的是该方案优越的性能需要高昂的成本代价，因此采用WDMA技术的10G EPON不太可能普及到用户家里，即不适合FTTH应用，但作为FTTB和FTTC还是大有前途的，也可以用于级联现有的GEPON。采用TDMA技术的10G EPON，如果能够解决上行时延过大的问题，在FTTH应用特别是高清IPTV接入领域中将大有作为。

4 PON/ROF汇聚

伴随着光纤敷设到用户驻地趋势的日益深入化，EPON、GPON和WDM-PON已经进入了无线接入市场。另外一方面，BWA(宽带无线接入)技术诸如WiFi/WiMAX/3G正变得流行[7]，它们的优势在于更具拓展性和灵活性。为了充分利用光纤的大容量和无线规划的移动固定性，逐步出现了一个很有希望的研究领域，即无线和光网络的融合。一个简单的融合例子是在FTTB环境中EPON和WiFi的级联。出于经济可行性考虑，在集中住宅单元部署一个带有接入到IEEE802.11n WLAN接口的ONU以覆盖众多用户，这是一种替代实现FTTH的好方案。

一种真正的光网络和无线的汇聚可能发生在基于光纤传输的广播系统（ROF）。一种关于PON与ROF会聚的新方向是在PON的光纤实体端传送RF子载波，从而基带信号数据流和数据调制的RF信号能同时传送到有线和无线用户处。

5 Long-Reach PON

带有大的分流比，长反馈距离的Long-Reach PON被认为是下一代光接入网的候选之一，为了延深PON 的可达距离至100 km，采用的方式是开发双向的内置光放大器。由于这使得中继器运作灵活，因此Long-Reach PON或Super PON的说法有些不正确，取而代之Long-Reach光接入网是个比较可取的名字。

迄今为止，已经开展了许多以扩展GPON可达距离为主要方式的研究活动，在这些过程中所用的光放大器是EDFAs（掺饵光纤放大器）或SOAs（半导体光放大器）。Long-Reach PON技术的进步使得城域网发展重心转向接入网变得可能，这也是城域和接入汇聚的一个重要的发展方向。

6 下一代PON演进的主流思路

FSAN组织将NG-PON的研究分为两个部分：NGA1和NGA2。其中，NGA1研究方向主要为制定可兼容当前GPON，能够共享同一个ODN的下一代PON技术标准，其中包括引入WDM技术的研究，实现stacked GPON技术研究以及长距GPON技术研究[8]，此外，虽然10 G GPON也属于NGA1的范畴，但在FSAN组织暂没有列入计划讨论。NGA2研究方向则不考虑对于当前GPON网络兼容性以及PON的兼容性，光波长选择也不受目前网络应用的限制，开放式地讨论GPON技术发展潜力，目前主要探讨方向是高速率、长距、大分光比的WDM-PON与TDM-PON相结合的混合PON网络。

7 结语

综上所述，在众多新出现的PON技术中10G EPON是最有希望的，因为它将提供最高的传输容量，最低的单用户价格以及最方便的方式从1 Gb/s升级至10 Gb/s。最简单的以太网协议使得10 G EPON比10G GPON更容易实现，比之WDM-PON，10 G EPON的单用户成本将低很多，因为更高速的电子器件远比光波长器件便宜。

为了满足WDM-PON中无色ONU要求，外部注入锁定的F-P激光器技术的比特速率受限，可利用RSOA的回环和重调制技术使其达到更高的的比特速率。如果RSOA的成本降下来，关于WDM-PON相关标准的出台，则WDM-PON将获得更为广泛的应用前景。

WDM/TDM混合PON是一种升级TDM-PON至更高带宽和更低单用户成本的理想过渡方法。一种跨越不同TDM-PON的ONUs共享可调谐激光器，因而MAC层协议和为具体的网络配置设置的DWA/DBA融合算法需要得到进一步的发展改进。比之WDM/TDM混合PON，视频广播/多播和Long-Reach光接入网需要更多的关注，而光纤和无线的汇聚是一个新的研究领域。

所有这些系统很有可能在可预见的将来共存，总体说来下一代PON趋向于大带宽、大分光比以及长距的方向发展，EPON与GPON标准组织分别采用了单波长提速和单纤提速和单纤多波长的技术思路。

尽管目前尚无对下一代PON成文的具体分类方式，但对于下一代PON的主流发展趋势与技术的认识是基本一致的，即从技术、成本、市场等诸多因素方面考虑，相对而言，WDM/TDM-PON融合技术具有更顺畅、更现实的近期发展前景，伴随着迅速增长的带宽等需求，10 G EPON技术的相关理论也有望在不远的将来得到跨越式的发展，而WDM-PON技术则是较为理想的远期发展目标。当然，由于网络技术日新月异的发展，所述多种技术在具体网络应用时存在相当的现实无法预料性，且技术本身存在的问题也有待在实践中进行深入研究，因此无法断言现今正流行或被一致看好的技术一定会在将来得到很好的应用前景，对此ATM网络就是一个很好的反例。

基于中国具体国情考虑，10 G EPON的技术思路更符合中国FTTB的建设思路，更有利于FTTB（EPON）+LAN/xDSL网络的演进发展。

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