面向客户感知，10G PON打造光纤高速公路

蒋铭　中国电信上海研究院教授级高级工程师

张德智　中国电信上海研究院工程师

面向客户感知，10G PON打造光纤高速公路

蒋铭中国电信上海研究院教授级高级工程师

张德智中国电信上海研究院工程师

基于宽带接入网高带宽业务的发展和竞争驱动，运营商开始部署10G PON网络。本文分析10G-EPON和XG-PON的标准及产业链进展，提出了运营商在部署10G PON时需要解决的网络建设模式、平滑升级、异厂商互通性和智能化家庭组网等关键问题，以及相应的解决方案和建议。

千兆宽带；10G-EPON；XG-PON；双模光模块；互通性

1　引言

按照2013年国务院发布的“宽带中国”战略和实施方案，在优化升级阶段（2016—2020年），要求50％的城市家庭用户的宽带接入能力达到100Mbit/s，发达城市部分家庭用户达1Gbit/s。运营商在贯彻实施“宽带中国”战略的过程中，持续开展宽带接入网提速工作。

互联网技术的发展和创新使4K/8K超高清视频、VR、AR、3D电视、移动多媒体等新兴业务不断涌现，信息传输带宽的需求一直在以爆炸式的速度增长。4K业务的内容、终端在2015年逐渐成熟，逐步市场化；8K业务预计在2020年也会逐步普及。受4K/8K视频业务等应用爆发性增长的流量需求驱动，固定宽带接入也会相应的进入超百兆，甚至千兆时代。

另外，国内宽带市场竞争激烈，运营商“营销带宽”不断攀升，部分运营商已经开始提供超百兆，甚至1000M带宽的接入业务。运营商们一方面通过升级网络能力，来解决今后带宽瓶颈限制，从而提升用户体验；另外一方面通过提高带宽的手段实现差异化竞争，通过规模提供百兆业务，大幅提升固网运营商的竞争力。例如在部分发达城市和地区如香港、新加坡、日韩、北美，许多运营商都已开始规模商用10GPON技术，提供千兆宽带业务。

通过升级PON光纤接入技术，提高宽带接入网容量是解决今后宽带接入能力瓶颈的有效手段。在快速增长的带宽需求以及市场竞争的双重驱动下，国内运营商逐步开始规模商用10GPON，从1GPON时代跨越到10GPON时代。

2　10GPON标准和产业链进展

10GPON技术能够为超百兆带宽业务、4K、8K甚至VR等大流量业务在接入能力上提供很好的支持，因此是运营商在宽带接入网络技术升级时的必经之路。延续EPON和GPON的技术体制，10G速率的PON技术可以分为两种：10G-EPON和XG-PON。

10G-EPON是IEEE定义和标准化的10G速率PON技术，可分为对称模式和非对称模式。10GEPON国际标准802.3av在2009年正式发布，并受到光接入产业界的普遍支持。光模块厂商、芯片厂商、设备厂商和运营商都投入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。目前，10G-EPON光模块、MAC芯片以及接入设备都已经成熟，可以规模商用。经过2～3年的运营商集中采购，10G-EPON设备价格也在逐年下降，性价比提升明显。10G-EPON对称的OLT PON口比非对称的OLT PON口价格仅高出20％左右，考虑到未来上行带宽发展需求，在部署和升级中OLT采用对称模式更具有运营潜力。另外，为给未来PON技术升级提供更大的可用波长范围，中国电信正着手将非对称10G-EPON系统的上行波长范围从1260～1360nm收窄到1260～1280nm。

XG-PON是ITU-T G.987系列标准规定的上行速率2.48832Gbit/s，下行速率9.95328Gbit/s的PON技术。XG-PON的产业链也发展迅速：光模块已经比较成熟，国内多家光模块厂商可提供N1功率预算等级的模块；市场中存在多家商用芯片供应商，主流系统厂商如华为、中兴和烽火也均能提供XG-PON OLT设备和MDU设备。待异厂商互通性及平滑升级等问题解决后，XG-PON预计于2017年可规模商用。

XGS-PON是ITU-T G.9807.1标准规定的上下行对称9.95328Gbit/s速率的PON技术。XGS-PON在标准中通过多项技术设计实现与XG-PON的共存，并且希望达到加速商用的目的：重用XG-PON的波长，上行波长范围为1260～1280nm；物理层参数定义中，下行方向与XG-PON一致，上行方向基于10G-EPON PR30等级的光参数进行定义并略有提高，以重用10GEPON对称模式光器件的产业链；XGS-PON OLT端口在上行方向通过双速率接收支持XG-PON ONU和XGS-PON ONU在同一ODN共存。ITU-T于2016年发布XGS-PON标准，产业链中主流系统厂商正在开发相关设备。目前，XGS-PON在核心光器件的稳定性、良品率等方面仍然有待突破，尚不具备规模商用能力。

3　10GPON规模运营中的思考

在规模部署10G-EPON/XG-PON的过程中，运营商遇到的最大挑战是如何在有效保护投资、满足用户业务需求的情况下，将现网的EPON/GPON网络对应升级到10G-EPON/XG-PON。所涉及到的关键技术问题有网络建设方式、平滑升级、异厂商互通性以及智能化家庭组网以提升用户感知。

3.1网络建设方式

新建区域内10G PON的建设可以按照网络规划建设的目标逐步推进。在改造区域，可以分场景进行升级。其中FTTH场景下，为了实现用户“即要即装”，降低割接成本和管理的复杂度，OLT应以机框为单位全部升级到10G PON，10G-EPON/XG-PON终端设备可按需更换；FTTB/FTTN场景下，OLT和MDU可在工程阶段一次性改造完成支持10G PON，以避免二次割接。

3.2平滑升级

现网已经部署和运行着大量的GPON/EPON设备。这些设备向10G PON升级应采用逐步推进、平滑升级的方式，无法一蹴而就。而如何在不影响现有业务的前提下，实现向10G PON网络的平滑升级，对现网部署和运营来说，是一个非常实际且重要的问题。只有通过简洁、经济高效的升级解决方案，简化工程施工，降低复杂度，才能切实推进10G PON的规模部署和千兆宽带商用。

10G-EPON受益于标准中波长规划方面的设计，可提供支持平滑升级的解决方案。10G-EPON采用1577nm作为10Gbit/s下行信号的中心波长（波长范围1575～1580nm），在下行方向上确保了与EPON系统下行1Gbit/s信号的良好隔离。上行方向中，非对称模式的上行波长仍然沿用EPON系统的上行波长定义实现与EPON的无缝兼容，对称模式的上行信号中心波长（速率为10Gbit/s）采用1270nm（波长范围1260～1280nm），并通过双速率TDMA方式与非对称模式的上行信号实现共存。目前，业界提供的对称模式OLT（集成1G-EPON功能）可同时接入EPON终端、非对称10G-EPON终端以及对称10G-EPON终端。EPON平滑升级到10G-EPON示例如图1所示。

图1　10G-EPON的平滑升级示例

GPON网络向XG-PON网络升级时，首先需要根据GPON OLT采用的光模块类型Class B+/C+选择光功率预算对应的XG-PON光模块ClassN1/N2。为实现GPON和XG-PON的同ODN共存，早期共存升级需要引入外置WDM1r并采用合分波方式。若采用这种方式，在现网实际部署时需考虑如下3个问题：

（1）ODN的光功率预算：GPON网络的现网部署已经超过5年，ODN网络在长期使用中存在部分劣化的问题。部分劣化的ODN，会增加光线路插损，消耗工程建设中预留的光功率预算余量。外置WDM1r的引入至少会带来1.5dB的额外插损，从而进一步消耗有限的光功率预算余量。因此，该方式最关键的问题是如何确保升级后ODN仍有足够光功率预算，使得在网GPON用户的业务不受影响。

（2）机房空间：该解决方案需要新增XG-PON板卡/机框、新增WDM1r器件/板卡，因此要求机房有足够的空间放置上述新增板卡/机框，并且光纤工程走线顺畅。

（3）OSS系统改造：现网EPON/ GPON网络已经建立完善的OSS系统及流程，在升级时需要对现网OSS系统和流程进行改造升级，实现对于10G PON的支持。在改造过程中影响面应尽可能小，实现复杂度低，且能保证10G-EPON和XG-PON在OSS系统和流程上的一致性。

考虑到上述因素，早期的共存升级方式，比较适合于ODN光功率预算余量超过3dB且机房空间富裕的场景（见图2）。

为在现网升级中降低割接工作量、保证用户的业务质量，中国电信提出了GPON/XG-PON双模光模块方式。该方式在OLT光模块中内置GPON/XG-PON光收发器和WDM1r，因此升级中无需在OLT设备外额外增加器件，实现方式灵活，但双模光模块的实现具备一定难度。目前，主流的光模块厂商已经能提供ClassB+/N1级别的双模光模块，预计2016年底会推出ClassC+/N2级别的光模块。如图3所示，在双模光模块方式下，ODN的光路预算和GPON网络保持一致，且升级方式与10G-EPON相同：将GPON板卡替换为双模PON板卡；ODN可以混合接入GPON/XG-PON终端；OSS的流程和相关系统改造也可与10G-EPON保持一致。

图2　GPON/XG-PON外置合波共存方式

图3　GPON/XG-PON双模光模块共存方式

GPON网络向XGS-PON网络升级时，升级方式与前述GPON向XG-PON升级方式类同。XG-PON网络向XGS-PON网络升级时，可以通过更换OLTPON线卡的方式，而ODN网络不需要改造。另外，升级到XGS-PON网络时，也可采用GPON/XG-PON/XGSPON三模光模块方式，实现同一个ODN中GPON、XGPON以及XGS-PON的共存。

3.3异厂商的互通性

异厂商的互通性能够打破单一厂商的设备垄断，实现OLT和终端的独立采购，降低终端采购成本，推动家庭网关产业链的快速发展，是10G PON部署时需要解决的关键技术问题。中国电信EPON和GPON网络中已经实现了异厂商的互通性部署，主流厂商OLT下已接入至少10余家网关厂商，20余款终端设备。

EPON与10G-EPON在上行方向通过TDMA的方式共存，因此10G-EPON的异厂商互通性，除了要实现与异厂商10G EPON网关的互通外，还需要与现网中各种型号和版本的EPON网关实现互通。中国电信早在2010年就已经在实验室完成了10G-EPON的异厂商互通性，并且在2012年开始规模采购支持互通的10G-EPON设备。目前，上海电信已经在现网实现异厂商的互通部署，并且支持和现网EPON网关进行混合组网。

与10G-EPON相比，XG-PON的互通性进展略慢，中国电信已经组织多次实验室测试，并于2016年6月在中国电信上海研究院的实验室中完成异厂商互通性测试，现正组织互通性现场试验，预计在2016年底能够实现互通。

3.4智能化的家庭终端和优化的家庭组网

网络建设的升级，用户带宽的提速必须通过更多的用户业务、更好的用户体验来实现价值。因此，需要构建智慧家庭的整体架构：以智能网关为入口，优化家庭Wi-Fi环境，打造智能家庭应用服务，强化宽带产品差异化能力，提升宽带产品黏性。

家庭网关是家庭的入口，是运营商对家庭终端管理的平台，是智慧家庭的核心终端。网关智能化的方向是在增强的硬件能力基础上引入智能操作系统和智能应用，新增手机APP等智能操控能力，拓展智能应用的集约运营能力。10GPON网关产业链处于起步阶段，市场上已有多款10G-EPON网关，可商用的XG-PON网关则还有待推动。目前，10G PON网关的成本较高，其中光模块成本占50％以上，直接影响了网关的规模应用，因此急需推动10GPON网关产业链的成熟，降低终端价格。从保护投资的角度，网关应采用独立SFP接口，光模块支持灵活插拔，从而在网关更换过程中重复利用光模块，并可通过模块的更换将网关在对称和非对称模式之间快速切换。

图4　家庭内部EoC组网示例

家庭内部组网是用户体验提升中最关键的一环。家庭用户对于带宽使用已经从传统的有线连接方式转向无线方式为主，家庭中各种无线终端都有接入到网络的需求。因此，在家庭内部实现完善、高效的Wi-Fi覆盖以及有线网络覆盖十分必要。聚焦无线感知的家庭组网，根据房型合理规划AP放置点，结合802.11ac 等Wi-Fi新技术可实现优化的无线覆盖。对于家庭内部网络部署不充分的用户，可以依托既有的家庭电力线、电话线、同轴电缆等介质，实现家庭内部互联，主要连接方式有：EOC（EthernetOverCoax，通过同轴电缆传输以太数据）；PLC（PowerLineCommunication，通过电源插座和电线互连传输以太数据）。图4给出了EoC组网的示例。

运营商已逐步认识到家庭网络的重要性，正在探索相应的商业模式。上海电信针对家庭内部组网提供延伸服务，针对有组网提升需求的客户，提供标准化专业组网服务。中国电信也在开始组织制定相关的规范。

4　结束语

基于带宽需求的快速增长，以及市场竞争的双重驱动，EPON和GPON网络正在向10GPON时代升级演进。10G-EPON的标准和技术经过多年发展已经成熟，设备具备规模商用能力；XG-PON预计于2016年完成互通，2017年具备商用能力。10GPON的部署运营中涉及到的网络建设模式、平滑升级、异厂商互通性和智能化家庭组网等诸多关键问题，需要运营商因地制宜地制定策略来应对。而10GPON技术的逐步规模商用，也一定可以帮助运营商升级宽带接入网，打破带宽瓶颈限制，提供面向新业务的高速接入能力，提升家庭用户的体验，大幅提升固网运营商的竞争力。

Utilizing 10G PON to construct optical access highway

JIANG Ming，ZHANG Dezhi

With the development of high bandwith services and the market competence，the operators begin to deploy 10G PON access network.This paper analyzes the standarizaion of 10G-EPON and XG-PON，as well as the development of associated industry chain.The series of key issues are discussed with constructive proposals，including network construction strategy，co-existence and smoothly migration，interoperability and intelligent home networking.

gigabit service；10G-EPON；XG-PON；dual mode optical module；interoperability

2016-08-26）