下一代 PON 系统演进

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1 下一代 PON 系统演进

2 下一代 PON 系统演进 1 概述标准演进路线基本原则演进路线基于共存的平滑演进技术 NG-PON 组网架构共存和演进物理层规范传输汇聚层规格管理和配置天然的互通全新的远期演进技术 NG-PON WDM PON ODSM PON Stacked XGPON Coherent WDM PON 其他 PON 技术演进与网络演进的前景网络演进的目标基于 NG PON 技术能力网络演进的实施依赖于产业链的成熟度 NG PON 成本决定规模应用时间点 OLT 设备能力满足 NG PON 带宽提速需要...19

1 概述 PON 技术凭借其点到多点的网络架构及无源特征带来的诸多优势, 成为 FT 领域最受运营商青睐的解决方案自 2004 年,ITU-T SG15 Q2 完成 GPON 标准以来, 全球范围内掀起了基于 PON 应用的 FT 建设热潮随着 PON 网络的规模应用和全业务运营的快速发展, 运营商对已有 PON 系统在带宽需求业务支撑能力

是所有演进思路的核心前提这一部分的投资在整个光纤网络建设中占比高达约 70%, 因此保护现有 ODN 投资, 是运营商对 NG PON 网络演进的重要要求当前 NG-PON1 的标准体系已经成熟, 与现网 GPON 共存的验证和测试工作也已在 Verizon 的推动下成功完成, 只是产业链的成熟稍待时日 ; 而当前的 GPON 网络布署可提前做好兼容准备, 为未来向 NG-PON1

3 1 概述 PON 技术凭借其点到多点的网络架构及无源特征带来的诸多优势, 成为 FT 领域最受运营商青睐的解决方案自 2004 年,ITU-T SG15 Q2 完成 GPON 标准以来, 全球范围内掀起了基于 PON 应用的 FT 建设热潮随着 PON 网络的规模应用和全业务运营的快速发展, 运营商对已有 PON 系统在带宽需求业务支撑能力接入节点设备和配套设备性能等方面都提出了更高的期望当前 PON 系统面向未来的演进方向和演进方式成为了当前业界瞩目的焦点权威标准组织 FSAN/ITU 将下一代 PON 的演进为两个阶段 :NG-PON1 和 NG-PON2 NG-PON1 属于 PON 的中期演进,NG-PON2 则被视为远期发展的解决方案总的说来, 在下一代 PON 系统的演进讨论中, ODN 兼容是所有演进思路的核心前提这一部分的投资在整个光纤网络建设中占比高达约 70%, 因此保护现有 ODN 投资, 是运营商对 NG PON 网络演进的重要要求当前 NG-PON1 的标准体系已经成熟, 与现网 GPON 共存的验证和测试工作也已在 Verizon 的推动下成功完成, 只是产业链的成熟稍待时日 ; 而当前的 GPON 网络布署可提前做好兼容准备, 为未来向 NG-PON1 演进铺平道路相对目标清晰进展明显的 NG-PON1 而言,NG-PON2 阶段还处于百家争鸣各执一词的战国时代, 很多候选技术正在研讨和比较之中目前能达成一致的是, 最有希望胜出的 NG-PON2 技术应符合 :ODN 兼容带宽容量经济性等特征本文将结合 FSAN/ITU-T 标准组织的权威观点, 阐述下一代 PON 系统的演进原则和演进路线 ; 介绍当前 NG-PON1 和 NG-PON2 的各种热点候选技术 ; 同时, 综合分析这些技术的储备度和应用价值, 分享华为对下一代 PON 系统演进方向的观点 1

4 2 标准演进路线 2.1 基本原则从网络运营的角度来看, 超宽带, 可共存应是 PON 演进的基本原则 : 首先, 以增加营业收入为目的从而拓展新业务是所有运营商的战略目标, 此举势必引发带宽消耗的强劲增长 ( 如, 每通道大约 20Mbps 带宽的高清电视 (HDTV)) 在可见的未来, 新的商业模式 ( 例如, 家庭视频共享在线游戏交互式远程教学远程医疗下一代 3D 电视等等 ) 将进一步推动带宽需求的增长其次,PON 系统整体投资巨大, 回报周期长, 且 ODN 投资和终端投资是整个网络投资中的关键部分 ( 在 Greenfield 的 FTTH 建设中,ODN 的投资占总投资的 76%, 的投资占总投资的 21% ); 因此, 尽可能保护 ODN 的投资, 最大化用户终端价值, 对加速运营商赢利来说, 意义非凡 2.2 演进路线在完成 GPON 的标准化工作之后,FSAN/ITU-T 以低成本, 高容量, 广覆盖, 全业务, 高互通为第一步演进目标, 迅速推进下一代 PON 技术标准的研究和制定同时,FSAN/ITU-T 也提出, 更长期演进时, 在不考虑与旧有系统共存的前提下, 以全新场景为牵引, 可考虑选择除 TDM PON 以外的可用技术因此, 依据当前的现实需求与技术成熟度的判断,FSAN 定义 NG- PON 的演进如图 1: 由图 1 可知,NG PON 的演进规划可为两个阶段 :NG-PON1 和 NG- PON2 NG-PON1 属于 PON 的中期演进, 着眼于研究兼顾现有 GPON ODN 敷设的下一代标准 ; 而 NG-PON2 则被视为 PON 系统远期发展的解决方案, 它可以建立在全新的光纤分配网络之上, 不受限于 GPON 标准而独立应用最初, 在定义 NG-PON1 的系统形态时,FSAN 必须在技术和成本之 2

5 图 1 NGPON roadmap by FSAN 当前工作重点 : 对 NG-PON2 做技术选型下行 10G 上行 2.5G 或 5G 无需考虑共存 NG-PON2 下行 2.5G 上行 1.25G WDM 共存 XG-PON1 ODSM, 40G, WDM, OFDMA G-PON ~2015 间进行折中 : 一方面, 系统需全面扩容, 运营商要求下一代系统不论是在传输距离容纳的用户个数还是每用户的可用带宽数上都要提升 ; 另一方面, 运营商希望尽量保护和延长已有 GPON ODN 设备的使用期限此外, 从业务驱动角度来看, 上下行带宽的拓展诉求存在差异, 在很长一段时期内下行带宽的增长速度仍将大于上行带宽的增长速度最后, FSAN 决定将 NG-PON1 定义为一个非对称的 10G 系统 : 该系统将体现为一种直接衍生于 GPON 标准并且基于纯 TDM 技术的 PON 的高级形态 NG-PON2 则被 FSAN/ITU 认为是更不确定的需求, 所以目前被建议的候选技术非常多样化其中, 最直接的想法, 是在时域上提升速率, 从 10G 提升至 40G; 另一种想法是利用多种波长叠加来扩充总的接入带宽, 即 WDM-PON, 其中 CWDM 或 DWDM 的波长都在可选之列 ; 基于 TDMA+WDMA 的 ODSM PON 对用户频谱进行动态管理以达到不改动 ODN 和用户设备的目的 ; 而 OCDMA-PON 的发展思路则是采用码分多址技术来对用户终端进行编码, 进而避免 TDMA 系统所需要的发送时隙分配 ; 还有 O-OFDMA PON 技术, 希望利用正交频分多址技术来区分用户终端, 从而有效提高带宽利用率但是, 总体上, 上述大多数技术都还只停留在实验室或测试阶段 3

6 3 基于共存的平滑演进技术 NG-PON1 业界对 NG-PON1 的基本需求是要提供比 GPON 更高的数据传输速率同时, 考虑到高昂的 ODN 成本以及耗费在其中的大量时间,FSAN 运营商希望在最大程度上保护其已布放的光纤系统因而, 在构思和设计从 GPON 到 NG-PON1 的演进时,FSAN/ITU-T 选择了可兼容现有 GPON 光纤设施的方式以保障其 GPON 时期的资本投入由此,FSAN/ITU-T 对 XG-PON1 定义的规格是下行 10G, 上行 2.5G 突发接收, 上下行平均带宽比 GPON 分别提升 4 倍和 2 倍 ; 并且 XG-PON1 的 ODN 完全沿袭了 GPON 的网络拓扑, 可以重利用现有 GPON 网络已投放的光纤分路器等, 同时只需在 OLT 侧增加支持 10G 的接口板, 这样仅替换 ONT/ 即可完成平滑演进, 以达到最大限度地发挥 ODN 设备商业价值的目的 XG-PON1 代表了 FSAN/ITU-T 对 GPON 系统增强的第一阶段的期望它继承了 GPON 的基本处理机制, 更全面的支撑和完善全业务运营提升现有 GPON 系统的性能并在实现上进行了有效简化图 2 XG-PON1 标准近况 G.987.RE 启动.RE 初稿完成标准进展大体框架完成 G.987.3/G.988 技术规格讨论 G.987/G.987.1/G 撰写及修订成帧规格完成 G 部分完成 G.988 完成第一版草稿 Jitter 参数修订完成 G.987/G.987.1/G 完稿并发布扰码安全等完成 G 完成第一版草稿 ;G.988 稳定扩展功率预算部分完成 G 继续少量修订北京 FSAN/Q2 G.987.3/ G.988 完成主体标准 G 修订完成 XGPON1 主体标准完成增强的 XGPON1 启动 XGPON1 主体标准发布

迄今,XG-PON1 主体技术标准系列第一版已完成 2009 年 10 月, ITU-T 通过了 XG-PON1 的总体需求和物理层规范, 并于 2010 年 3 月正式公示, 这标志着 NGPON 标准时代的开始 2010 年 6 月的 ITU-T 全会表决并通过了 XG-PON1 传输汇聚层和 OMCI 标准, 近期内即将正式公示图 2 所示为 XG-PON1 的标准进展情况 3.

7 迄今,XG-PON1 主体技术标准系列第一版已完成 2009 年 10 月, ITU-T 通过了 XG-PON1 的总体需求和物理层规范, 并于 2010 年 3 月正式公示, 这标志着 NGPON 标准时代的开始 2010 年 6 月的 ITU-T 全会表决并通过了 XG-PON1 传输汇聚层和 OMCI 标准, 近期内即将正式公示图 2 所示为 XG-PON1 的标准进展情况 3.1 组网架构共存和演进 XG-PON1 是 GPON 标准的延伸改良和提升, 继承了与 GPON 同样的点到多点网络拓扑, 可应用于 FTTH,FTTCell,FTTB/C,FTTCab 等多种接入场景, 如图 3 所示图 3 XG-PON1 场景概要示意 XG-PON Cell site Business Residential FTTCell FTTB FTTO FTTH FTTB CBU MTU SBU SFU MDU XG-PON OLT XG-PON OLT Aggregation Switch FTTCurb/Cab XG-PON1 的架构考虑了对运营商现有投资的保护, 即,XG-PON1 与 GPON 在同一个 ODN 上得以共存根据 XG-PON1 的物理层标准,XG-PON1 的上 / 下行波长规划不同于 GPON, 因此比较通用的做法是通过波分堆叠的方式 ( 通过在局端放置 WDM1r 器件, 结合终端前置或嵌入的 WBF 器件, 在上 / 下行方向分别对多个工作信号进行合波 / 分波 ) 实现 XG-PON1 和 GPON 的兼容如图 4 所示 : 5

8 图 4 XG-PON1 和 GPON 通过 WDM1r 共存的网络配置 (XG-PON) IF XGPON IF XGPON OLT (XG-PON) Logic (XG-PON + video) WDM-X WBF WDM -X-L IF XGPON, IF Video Logic Logic WBF WDM-X IF GPON OLT (G-PON) (G-PON) V- WBF-V IF GPON Splitter WDM1r WDM -G-L Logic Logic WBF WDM-G (G-PON + video) IF GPON, IF Video IF Video OLT (video) Logic WBF WDM-G V- WBF V- WBF-V ODN FSAN/ITU-T 考虑的演进场景分为 Brown Field 和 Green Field 两类后者主要指前期无光纤布放的运营商用 XG-PON1 直接取代旧有铜线系统, 从而获得更大带宽更高分支比接入的情况, 属于系统重建这种演进场景比较直观, 在此不赘述运营商普遍关心的是第一种场景, 即基于共存的演进, 主要指已布放的 GPON 系统由于新业务驱动压力而需要进行现网升级升级时, 运营商可选择仅对本 ODN 上的部分用户设备逐批次升级或将全部用户设备一次性升级为下一代设备两种升级方式的不同之处在于 GPON 与 XG-PON1 系统共同存在的时间长短从前述可知, 基于 WDM 堆叠的共存是目前最标准的共存方式, 因此, 为实现从 GPON 到 XG-PON1 的升级, 所有以及 OLT 必须严格实现 ITU-T G.984.5amd1( 扩展波段 ) 中所规范的波长计划, 从而达到通过波长堆叠的方式完成 GPON 和 XG-PON1 在同一 ODN 上的共存图 5 描述了在基于共存的演进过渡期时 GPON 和 XG-PON1 通过波分设备 ( 如图 5 所示的 WDM1r 设备 ) 的共存网络示意图 6

9 图 5 GPON 与 XG-PON1 的共存 XG 共存关键 : 波分堆叠 XG XG-PON1 OLT WDMr1 G-PON1 OLT GPON 与 XGPON1 均通过同一 1:32 分光器分光 :GPON 每用户带宽为 XG ~80/40Mbit/s;XGPON1 每用户带宽为 ~320/80Mbit/s 3.2 物理层规范 XG-PON1 的物理层技术标准 [1] 于 2009 年 10 月定稿并在 ITU 获得通过, 并于 2010 年 3 月在 ITU 正式发布相比于 GPON,XG-PON1 的物理规格有明显提升, 如表 1 所示表 1 XG-PON1 物理层规格项目规格说明光纤波长规划注 1 功率预算线路速率注 2 分光比最大物理传输距离最大逻辑传输距离最大逻辑距离差满足 [ITU-T G.652] 上行 : nm 下行 : nm N1:14-29dB ( 用于非共存场景 ) N2:16-31dB ( 用于共存场景, 含 WDM1r 插损 ) Extra budget:33db 作为起始点, 可扩展到 35dB 上行 : Gpbs 下行 : Gpbs 至少支持 1:64; 至少可扩展至 1:128 和 1:256 至少 20 公里至少 60 公里可扩展至 40 公里满足 [ITU-T G.657] 的新式光纤也应兼容 XG-PON1 布放户外应用时下行为 nm 7

注 1 如何制定一个合理的波长规划, 是运营商十分关心的一个问题由于 10G 连续光模块在业界已有一定生产规模和应用范围, 因此, 从可获得性和产业成熟角度出发,FSAN 毫不犹豫选择了典型的 1575-1580nm 波段作为其 10G 下行的信号波段但 2.

10 注 1 如何制定一个合理的波长规划, 是运营商十分关心的一个问题由于 10G 连续光模块在业界已有一定生产规模和应用范围, 因此, 从可获得性和产业成熟角度出发,FSAN 毫不犹豫选择了典型的 nm 波段作为其 10G 下行的信号波段但 2.5G 上行突发的信号波段却让 FSAN 慎之又慎早期的上行波段备选方案包括 C&L 波段和 O 波段 C 波段最先出局, 因其与现有视频信号波段重叠 ; 但若选择 L 波段, 则其空间不够 ( 现有下行波段即为 L 波段 ), 上下行信号波段之间无法获得足够的保护带宽, 从而大大提升了滤波难度, 因而 L 波段也被放弃上行信号波段最后的抉择在 O- 和 O+ 之间展开 : FSAN 在全面比较了这两个波段的光器件复杂度和成本之后, 认为 O+ 波段相对来说对滤波器要求更高 : 最终 O- 波段成为标准化的上行信号波段注 2 在定义具体的数据传输速率时,FSAN 将下行速率直接定义为 10Gpbs 级别 : 光传输领域成熟且成本足够低的 10Gbps 连续发送技术为 FSAN/ITU 选择 10Gbps 下行传输提供了可靠的事实依据 ; 进而为了与 ITU-T 经典速率保持一致性,FSAN 最后选用了 ITU-T 系列的 Gpbs, 而没有选用 IEEE 的 Gpbs 至于上行速率,FSAN/ITU 认为应根据应用场景和设备成本来定, 最初 FSAN/ITU 建议了 2.5G 和 10G 两种然而, 鉴于 10G 突发接收的复杂度和实现成本在很长一段时间内仍然无法达到商用要求, FSAN 决定暂不对 10G 上行方案进行深入探讨, 仅标准化 2.5G 上行方案 3.3 传输汇聚层规格 FSAN/ITU-T 定义的 XG-PON1 的 TC 层, 尽可能沿用 GPON TC 层的基本处理机制, 然后在此基础上进行必要的改良和完善 TC 层的三大关键技术点, 即成帧格式 DBA 以及激活, 都依据现有 GPON 框架展开讨论其中, 为适配 XG-PON1 的速率, 以及方便芯片实现和提升处理效率,XG-PON1 对成帧结构进行了较多的细节改进, 使数据分片之更少拼接, 更易对齐 ;DBA 机制基本不变, 灵活度进一步提升 ; 激活机制则完全遵循与 GPON 一致的定义随着运营商需求的进一步明确,XGTC 在安全和节能方面都有明显增强 GPON 后期虽然也对系统安全进行了增强, 但或者是 TC 层可选实现, 或者干脆基于可选 OMCI, 这都不能让运营商完全满意在 XG-PON1 时代, 从效率提升的角度, 运营商要求安全增强应尽量在 TC 层激活时体现因此, XGTC 在标准正文中规范了以 registration ID( 注册 ID, 一种用于认证的逻辑 8

ID) 为基础的设备认证方案, 在附录中规范了继承自 GPON 的基于 OMCI 通道的双向认证和新增的基于 IEEE 802.1x 的双向认证方式除此之外, XGTC 还提供了上行加密 ( 可选 ) 下行组播加密等新的安全保障机制 GPON 节能也是个十分有争议的话题, 在 GPON 时期,ITU 颇费周折, 后开发了 G.

11 ID) 为基础的设备认证方案, 在附录中规范了继承自 GPON 的基于 OMCI 通道的双向认证和新增的基于 IEEE 802.1x 的双向认证方式除此之外, XGTC 还提供了上行加密 ( 可选 ) 下行组播加密等新的安全保障机制 GPON 节能也是个十分有争议的话题, 在 GPON 时期,ITU 颇费周折, 后开发了 G.sup45( 即 GPON 节能白皮书 ) 作为 PON 节能的指导资料, 该白皮书以多种节能模式为核心内容描述了芯片级节能技术随着世界范围内节能呼声的渐渐高涨, 部分运营商认为 XG-PON1 的节能应强制规范, 并在白皮书的基础上做简化并改良最终 FSAN 决定 : 第一, 从 G.sup45 中选择两种模式, 假寐 (doze mode) 和周期性睡眠 (cyclic sleep), 将其状态机适度改良后作为标准的节能管理内容 ; 第二, 除以上两种模式之外的节能技术, 设备商可自由扩展, 不做强制性要求 2010 年 4 月,XGTC 草稿基本完成 ;2010 年 6 月,G 即 XG-PON1 的 TC 层技术标准尘埃落定 3.4 管理和配置对于 XG-PON1 的管理和配置,FSAN/Q2 认为, 由于这部分受底层技术变化的影响最小, 因此采用 G 为标准开发基线, 然后在其基础上应尽可能考虑后向兼容性并较少变动在 GPON 中,OMCI 属于带外管理方式 ( 即承载在有别于普通数据的特定 GEM 连接中 ) 经此 OMCI 专用通道,OLT 通过模型化方式对进行管理和配置 OLT 与之间通过交互 MIB(Management information base, 管理信息库 ) 信息来建立和维护 OMCI 模型 OMCI 的管理配置内容包括对设备的配置管理故障管理性能管理和安全管理在对 G 进行少量增减之后,XG-PON1 几乎沿用了 GPON OMCI 90% 左右的技术内容以 2 层数据业务的管理配置为例来说明 : 从业务角度来看, 具体的底层承载技术无关紧要, 关键是完成 2 层通道的合理配置, 以保证业务数据的正常转发 OMCI 的 L2 模型已经涵盖了从网络侧到用户侧 (ANI-TCONT-GEM-MAC bridge-uni) 全部可能的二层配置由于 XGPON1 与 GPON 在网络连接侧的管道定义以及用户侧的接口定义都完全一致, 因此这个模型既适用于 GPON 也适用于 XG-PON1 从管理项及其配置来看,XG-PON1 与 GPON 几乎没有区分, 甚至上溯到 A/B-PON 时代,OMCI 的管理和配置内容也基本与今天类似因此, FSAN/ITU 认为,ITU-T 的 TDM PON 系列最终只需要一个可以为所有 PON 系 9

统所适用的普遍的 OMCI 标准, 即首次提出了 Generic OMCI 概念, 这个概念一经提出立即获得了业界的广泛认可和支持此后,FSAN/ITU 为这个普适的 OMCI 标准重新申请了编号为 G.988 的 ITU-T 项目, 意在将此标准独立于特定的 PON 系统之外 G.988 的开发依然完全基于最新公布的 G.984.

12 统所适用的普遍的 OMCI 标准, 即首次提出了 Generic OMCI 概念, 这个概念一经提出立即获得了业界的广泛认可和支持此后,FSAN/ITU 为这个普适的 OMCI 标准重新申请了编号为 G.988 的 ITU-T 项目, 意在将此标准独立于特定的 PON 系统之外 G.988 的开发依然完全基于最新公布的 G 标准, 基本一致, 但把其中与具体 PON 技术特征强相关的描述都去掉, 使其抽象化, 从而达到普遍化目的值得一提的是,XG-PON1 系统的终端管理也全面保留了 GPON 时期的特色 : 在 FTTH 场景时,XG-PON1 默认对采用全 OMCI 进行实时管理 ; 在 FTTB/C 等场景时,XG-PON1 可选的采用 OMCI 结合其他管理协议对进行管理, 即双管理双管理的基本思路是首先利用 OMCI 打通其他管理协议通信所需的 2 层通道, 此后以 OMCI 层面的虚拟端口作为分界点, 在 PON 线路上对其他管理协议报文进行透传双管理的灵活应用使得 GPON/XG-PON1 迎合了不同运营商在不同场景下的管理需求 2010 年 2 月,G.988 第一版草稿完成 2010 年 4 月,G.988 正式稿基本完成 2010 年 6 月,G.988 标准正式通过表决 3.5 天然的互通不论对 GPON 还是 XPGON1, 最让业界瞩目的莫过于互通能力在 GPON 时代,FSAN 于 2008 年初成立了仅由系统厂家和芯片厂家等参与的 OISG(OMCI implementation study group,omci 实现研究小组 ) 专门研讨和制定 G OMCI 互通技术规范该协议制定了 OMCC 通道建立设备上线后的 MIB 刷新 MIB/ 告警同步软件版本升级 2 层业务配置组播配置以及 QoS 管理等该技术规范分别于 2008 年 12 月和 2009 年 10 月输出了第一版和第二版, 并在 ITU 通过表决并迅速公布该标准在 ITU 编号为 G.impl984.4, 又称 OMCI 实现指南此后 FSAN 以 G.impl984.4 作为互通指南蓝本写作互通测试用例, 在 2009 年以及 2010 年上半年总共进行了 3 次互通测试在今年上半年互通测试完成后,FSAN 运营商非常满意, 并对外发布新闻, 称 GPON 互通性良好至此,GPON 互通测试被认为取得了较好的阶段性成果, 将在 FSAN 告一段落, 后续研究逐渐转移到 BBF(broadband forum, 宽带论坛, 即原 DSL-forum),FSAN 将开始启动 XG-PON1 的互通测试活动得益于与 G 的全面后向兼容,G.988 几乎可以直接采用 G.impl984.4 作为其互通规范, 因此,G.988 标准的强制性附录部分合入了 G.impl984.4 的全部内容, 这样意味着 XG-PON1 天然具备了继承自 GPON 的良好互通性 10

13 4 全新的远期演进技术 NG-PON2 在 GPON 向 NG-PON1 的演进时,FSAN/ITU 权衡技术和经济因素, 最终将橄榄枝指向了 XG-PON1; 而在 NG-PON2 时代, 由于考虑的是远期演进, 有更多的技术选择, 而不必拘泥于现有架构, 从而可以进行较为革命性的升级其中, 甚高速 (40G) WDM PON OFDMA 等在 FSAN NG- PON2 workshop 中都进行过专门讨论下面将对各种可能的 NG-PON2 技术进行阐述 4.1 WDM PON 典型 WDM-PON( 波分复用 PON) 采用树形 ODN 其 ODN 采用波分复用 / 解复用器 (wavelength division MUX/DEMUX 典型情况下, 该 MUX/ DEMUX 采用 AWG, 即 Array Waveguide Grating 阵列波导光栅 ), 如图 6 所示在通信机制上,WDM-PON 与 P2P(point to point, 点对点 )GE 更为类似, 每用户完全独享一个波长上的带宽资源 ; 不同在于, WDM-PON 是基于同一光纤中不同波长的隔离 ( 即逻辑意义上的点到多点 ), 如图 7 所示如图 6 所示的 WDM PON 系统, 由于 AWG 各个端口具有波长依赖性, 每个终端用户设备中的光模块必须发射由 AWG 的端口决定的特定波长的光信号, 这种固定波长的光模块叫做有色光模块图 6 Typical WDM-PON system 用户终端 CO λ1, λ2, λ3, λ4... Remote Node λ1 / / / / / AWG1 AWG2 λ4 λ2 λ3 / / / 11

14 图 7 WDM-PON 网络结构 CO AWG AWG AWG Fiber distribution frame WDM-PON Fiber distribution frame AWG AWG 终端用户 1 终端用户 n 有色光模块的引入有可能增加业务发放设备仓储等过程的复杂度 ; 而 AWG 器件对温度十分敏感, 这给 WDM PON 带来了两大难题 : 一是光模块信号波长与 AWG 端口的实时一致性针对这个问题, 业界主要的解决方案是无色光源技术按照有无种子光源, 无色光源方案可分为两大类 : 可调激光器, 种子光式根据种子光的来源, 可进一步细分为自注入外部注入 ( 包括 ASE 种子光注入和阵列式激光器注入 ) 和波长重利用二是局端和远端两个 AWG 的各个端口波长的实时一致性针对这个问题, 业界主流的方案是采用波长对准技术波长对准技术包括两种, 一种是光功率监测, 另一种是温度不敏感的 AWG 光功率监测是 WDM-PON 研究初期的针对波长对准问题的解决方案, 随着温度不敏感 AWG 技术的日益成熟, 早期基于光功率监测的波长对准方案日趋淘汰由于产业链技术成熟度成本以及带宽驱动力不足等原因, 在未来 3~5 年,WDM-PON 在 FTTH 场景中规模部署的可能性较少, 但在一些有大带宽需求成本相对不敏感的 FTTB/FTTbusiness 场景或其它差异化场景中, 如 FTTMobile,WDM-PON 可能存在一定机会 4.2 ODSM PON 早在几年前, 人们就提出了 ODSM PON( 动态光谱管理 PON) 的概念, 以满足运营商的发展意愿 : 不用改动 ODN; 也不用改动 ONT; 通过挖掘已部署网络的潜力实现更加平滑的网络演进, 解决端局精简问题并系统地降低接入成本, 使得人人能够享受光纤宽带带来的通信新体验 12

15 图 8 ODSM PON ODSM OLT Multi Chan MAC Array Array Old CO WDM split 今年来, 业界对 ODSM PON 的原始方案展开了研究并进一步优化, 提出如图 8 所示的方案, 位于 Old CO 的 4 个 GPON/XG-PON1 OLT 线卡在运行一段时期后, 如果需要网络升级, 被 1 个无源的 WDM Split 替换, 原有的从 CO 到用户家里的网络无需改动新的 ODSM OLT 通过如上方式与老的 GPON/XG-PON1 ONT 通信优化后的 ODSM PON 的下行方向采用 WDM 方式, 将 OLT 发射机阵列发出的承载于多个波长的数据经 WDM Split 后再分发给各 GPON/XG-PON1 ONT; 其上行方向采用动态 TDMA+WDMA 方式, 将来自各个 GPON/XG- PON1 ONT 的数据经 WDM Split 合光后送给 OLT 的接收机阵列分别接收 ODSM PON 带来的是一种多赢的局面 : 保护了从 CO 到用户家之间的网络投资保护了用户家 ONT 的设备投资 CO 无源化带来运维成本的减低和能耗的减少 CO 与 Metro 之间的光纤共享度大幅提升 (10 倍左右 ) 不影响现有 GPON/XG-PON1 的部署决策, 能提供按需升级方式 ODSM PON 给业界开辟了一条崭新的道路 4.3 Stacked XGPON Stacked XGPON( 堆叠式 XGPON) 是当前 NG-PON2 的候选技术之一, 如图 9 所示, 多个 XG-PON1 子网络通过波分复用共用一个 ODN, 互不干 13

16 扰每个 XG-PON1 子网的 ONT 工作波长互不相同, 可以为固定波长或可变波长 Stacked XGPON 原理简单, 技术挑战适中, 是一种较理想的候选技术但相比 ODSM PON 而言, 还是要更换用户终端图 9 Stacked XGPON CO XGPON1 OLT XGPON1 ONT XGPON1 OLT WDM SP XGPON1 ONT XGPON1 OLT XGPON1 ONT 值得一提的是, 在 FSAN 制定 NG-PON1 标准初期,Stacked XGPON 一度被列为 NG-PON1 的技术范畴但最近当标准化重点转移到 NG-PON2, Stacked XGPON 重新成为 NG-PON2 的候选技术 4.4 Coherent WDM PON Coherent WDM PON( 相干 WDM PON) 也是 NG-PON2 的候选技术, 如图 10 所示, 无论 OLT 还是 ONT 通过相干检测原理实现波长的选择即当本振光与信号光满足频率相位和偏振的相干条件后才能进行相干接收, 因此可以通过改变位于本地的本振光频率实现波长选择此外, 通过相干技术还能以无源的方式解决功率预算紧张的难题, 对于 PON 来说, 这一点很有吸引力图 10 Coherent WDMPON X X X X X X X X Modulator L.O. #N Pol. Div. Coh. OLT Pol. Div. Coh. Local Osc. Modulator DSP Control Freq. Gen. 14

17 但是, 由于这种技术基本上是将光传送网技术直接移植到光接入网 PON 中, 成本非常昂贵, 这对成本受限的接入网来说犹如镜花水月 4.5 其他除以上几种发展较快讨论较广泛的主流的 NG-PON2 候选技术外, 部分厂家或机构还建议过一些其他的 NG-PON2 可能方案 : 例如, 基于电域频谱上正交复用的 OFDMA PON; 终端采用可调发射机和可调接收机的 tunable hybrid PON; 通过对上下行进行电域 (CDMA) 或光域编码 (OCDMA) 来区分不同的 OLT 与 ONT 之间的通信链路实现复用的 (O) CDMA PON; 等等但是, 对这些非主流的 NG-PON2 可能方案来说, 由于技术复杂度造成的成本瓶颈依然存在, 并且它们也大多还停留在实验室研究阶段, 业界对其仍然持怀疑态度, 有待进一步研究和观察 15

18 5 PON 技术演进与网络演进的前景 5.1 网络演进的目标基于 NG PON 技术能力随着 PON 技术从当前 1G 技术发展到 10G 甚至更高速率, 运营商也在为未来的用户带宽提升到 100M 甚至 1G 做规划目前主流运营商确定了未来 5~10 年的带宽提速规划目标, 普通住户的带宽目标 100M, 商业客户的带宽目标是 1G 下图根据 NG PON1 的成熟周期进行预测和判断, 对未来 FTTB/C 和 FTTH 的应用中如何提速提出了相关建议图 11 FTTB/C 的带宽提速路线 10G PON GPON 11 年 IPTV 开通率为 10%, 30% 为 internet 业务 13 年 IPTV 开通率为 40%, 60% 为 internet 业务升级为 10G GPON: 采用 FTTB/C/H: ADSL2+ 升级为 VDSL2 单用户带宽 MDU 上行带宽 (24 用户 ) PON 下行带宽 20M 67.2M 1.07G 单用户带宽 MDU 上行带宽 (24 用户 ) PON 下行带宽 50M 187.8M 3.0G DSLAM 注 : 分光比 1:16, 并发率 50%, 实装率 75% 虽然 10G PON 具有下行最大速率 10G 的技术优势, 能够满足未来大带宽用户接入的需求, 但从经济性角度考虑, 未来 2-3 年内,10G PON 的成本将是 GPON 的 3-5 倍, 建网投资巨大, 因此 10G PON 有可能率先应用于成本容易分摊的 FTTB/C 建网模式由于 ONT 设备占 FTTH 总设备价值的 60% 左右, 因此 10G PON ONT 是否能够规模商用于 FTTH 模式将取决于 10G PON 的核心芯片以及光器件的进展预计 2015 年左右,10G PON 产品的成本能够接近当前 GPON 的成本, 因此 2015 年, 运营商可以选择 10G PON 作为带宽进一步提速的技术, 将普通的住户带宽提速到 100M, 同时能够为商业客户提供高达 1G 的带宽 16

19 图 12 FTTH 的带宽提速路线 10G PON GPON 13 年 IPTV 开通率为 40%,60% 为 internet 业务单用户带宽 50M GOPN 下行带宽 (128 分光比 ) 1440M 升级为 10G GPON: HD 业务普及率高 15 年 IPTV 开通率为 60%, 40% 为 internet 业务单用户带宽 100M 10G GOPN 下行 1980M 带宽 (128 分光比 ) DSLAM 11 年 IPTV 开通率为 10%,30% 为 internet 业务单用户带宽 20M GOPN 下行带宽 (128 分光比 ) 867M 注 : 并发率 50%, 实装率 75% 网络演进的实施依赖于产业链的成熟度 NG PON 成本决定规模应用时间点 NG PON 技术标准发布后, 产业链前端的相关器件厂家才会启动针对规模商用的 ASIC 芯片以及光模块产品开发, 这部分也是产品的最核心部分目前业界已经有 Huawei Ericsson ALU 等 GPON 设备供应商能够提供 10G GPON 样机, 并且华为率先完成了在 Verizon 的 10G GPON 试验局验证, 但是 10G GPON 当前成本较高, 离真正规模商用还存在一定差距以当前 ONT 终端为例, 主要的器件成本分布如下 : 图 13 ONT 的成本分布图 12% 37% 19% Optics PON Chipset PCB R/C IC 32% 光器件和核心 Chipset 芯片占超过 60% 的 ONT 成本, 而当前 10G PON 的光器件和核心芯片成本是 GPON 的 30~50 倍, 成本能否降低决定了整个 ONT 产品规模商用的时间 17

20 对于 FTTB/C 产品 MDU 而言, 器件成本分布和 ONT 不同, 分布比例如下 : 图 14 MDU 的成本分布图 15% 45% 10% Optics PON Chipset Common part Service card 30% 设备的光模块和 PON 芯片仅占 25% 左右的成本, 同时由于 FTTB/C 单设备服务于多用户, 通常大于 24 线, 因此每用户的设备成本相对较低, 光器件和 PON 芯片成本只要下降到当前 GPON 的 4~6 倍即可接受随着 10G PON 用户数量逐步增加,10G PON 预计 2013 年能够达到 500k 的规模, 成本基本能够达到 GPON 的 2~3 倍具体预测数据见下图 : 图 15 光器件的成本趋势图 (10G PON vs GPON) Multiple mow k k 2015 Scale Year 因此预计 10G GPON 在 2013 年左右能够在 FTTB/C 应用场景小规模商用,2015 年后规模商用 18

5.2.2 OLT 设备能力满足 NG PON 带宽提速需要 10G PON 对 OLT 的系统架构设计和性能提出了新挑战为保护运营商的既有投资,OLT 的背板必须具备平滑演进能力 ; 首先, 单槽位背板带宽需要从当前的 GE/10GE 提升到 40G/80G, 以满足未来光接入的带宽需求 ; 其次, 以 10G PON 用于 FTTC 应用场景为例, 由于 FTTC 通常覆盖 200-300

21 5.2.2 OLT 设备能力满足 NG PON 带宽提速需要 10G PON 对 OLT 的系统架构设计和性能提出了新挑战为保护运营商的既有投资,OLT 的背板必须具备平滑演进能力 ; 首先, 单槽位背板带宽需要从当前的 GE/10GE 提升到 40G/80G, 以满足未来光接入的带宽需求 ; 其次, 以 10G PON 用于 FTTC 应用场景为例, 由于 FTTC 通常覆盖用户, 而一个 OLT 系统通常要带 200~300 个 FTTC MDU 设备,OLT 接入用户数量将达到 40k~90k, 以每个用户 4 个终端 MAC 计算, 每个 OLT 系统的 MAC 地址容量需要支持到 256k/512K; 此外 10G PON 插卡必须能够和当前的 PON 单板实现任意混插, 增强组网灵活性 ; 在网络维护管理方面, 统一的网管系统需要同时管理当前的 PON 接口以及 10 PON 接口, 从而提高运维效率降低运维成本 ; 总之, 大容量共平台共网管将是 10G PON 设备发展的必然趋势, 也是目前设备厂家努力的方向 19

22 版权所有华为技术有限公司 2010 保留一切权利非经华为技术有限公司书面同意, 任何单位和个人不得擅自摘抄复制本手册内容的部分或全部, 并不得以任何形式传播商标声明 HUAWEI 华为是华为技术有限公司的商标或者注册商标在本手册中以及本手册描述的产品中, 出现的其他商标产品名称服务名称以及公司名称, 由其各自的所有人拥有无担保声明本手册内容均如是提供, 不构成任何形式的承诺除非适法要求, 华为技术有限公司对本手册所有内容不提供任何明示或暗示的保证在法律允许的范围内, 华为技术有限公司在任何情况下, 都不对因使用本手册相关内容而产生的任何特殊的附带的间接的继发性的损害进行赔偿, 也不对任何利润数据商誉或预期节约的损失进行赔偿华为技术有限公司深圳市龙岗区坂田华为基地电话 : (0755) 邮编 : 版本号 : M C-1.0

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<4D F736F F F696E74202D20B9E2B5E7BCAFB3C9BCBCCAF5D4DABDD3C8EBCDF8D6D0B5C4D3A6D3C32DC0EEB4F3CEB0205BD6BBB6C15D205BBCE6C8DDC4A3CAB 2013CIOE 光通信论坛光电集成技术在接入网中的应用李大伟 lidawei@hisense.com 海信宽带多媒体技术有限公司 2013. 09 内容光接入网发展趋势光电集成技术在 FTTH 中的应用尝试光电集成技术在下一代接入网中的应用前景 2 光接入网发展趋势宽带信息化已成为全球普遍的国家战略, 接入带宽持续提升宽带业务与应用的发展推动全球的接入带宽不断提升, 继续呈现每 5~6