PON接入系统(PON光网络系统接入)

       一旦科学插上幻想的翅膀,它就能赢得胜利。—法拉第(M.Faraday)

一、EPON系统

       EPONAPON的主要区别是,在EPON中,根据IEEE802.3以太网协议,传送的是可变长度的数据包,最长可为1526个字节;而在APON中,根据ATM协议的规定,传送的是包含48个字节的净荷和5字节信头的53字节的固定长度信元。IP要求将待传数据分割成可变长度的数据包,最长可为65535个字节。与此相反,以太网适合携带IP业务,与ATM相比,极大地减少了开销。
EPON
       鉴于EPON技术已经获得大规模的成功部署,IEEE工作组开发的802.3av标准最重要的要求是和现有部署的EPON网络实现后向兼容及平滑升级,并与以太网速率10倍增长的步长相适配。为此,802.3av标准进行了多方面的考虑。
        1)10Gbit/sEPON提供两种应用模式,充分满足不同客户的需求:一种是非对称模式(10Gbit/s下行/1Gbit/s上行),另一种是对称模式(10Gbit/s下行/10Gbit/s上行)。
        2)10Gbit/s EPON绝大部分继承了1Gbit/s EPON的标准,仅针对10Gbit/s的应用、EPON的MPCP(IEEE802.3)以及PMD层进行了扩展。在业务互通、管理与控制方面,与1Gbit/sEPON兼容,如图11.4.1所示,下行采用双波长波分,上行采用双速率突发模式接收技术,通过TDMA机制协调1Gbit/s和10Gbit/sONU共存。10Gbit/sEPON的ONU与1Gbit/sEPON的ONU在同一ODN下实现了良好共存,有效地保护了运营商的投资。
10Gbit/sEPON与1Gbit/sEPON系统共存兼容与波长分配
图11.4.1   10Gbit/sEPON与1Gbit/sEPON系统共存兼容与波长分配示意图
       3)采用一系列技术措施提高性价比,且为长距离与大分光比的应用打下了坚实的基础。10Gbit/sEPON采用64B/66B线路编码,效率高达97%;前向纠错功能采用RS(255、223)多进制编码,可以使光功率预算相对于没有FEC增加5~6dB。
        由于以太网技术的固有机制,不提供端到端的包延时、包丢失率以及带宽控制能力,因此难以支持实时业务的服务质量。要确保实时语音和IP视频业务,在一个传输平台上以与ATM和SDH的QoS相同的性能分送到每个用户,GPON则是一个最好的选择。

二、GPON系统

       APON标准复杂、成本高,在传输以太网和IP数据业务时效率低,以及在ATM层上适配和提供业务复杂。而EPON存在两大致命的缺陷,即带宽利用率低和难以支持以太网之外的实时业务。因此,全业务接入网(FSAN)组织开始考虑制定一种融合APON和EPON的优点,克服其缺点的新的PON,那就是GPON。GPON具有吉比特高速率,92%的带宽利用率和支持多业务透明传输的能力,同时能够保证服务质量和级别,提供电信级的网络监测和业务管理。本节就介绍GPON接入的有关技术问题。

1. GPON系统参考结构

       图11.4.2表示当前GPON系统的参考结构,GPON主要由光线路终端(OLT)、光分配网(ODN)和光网络单元(ONU)三部分组成。OLT位于接入网局端,它的位置可以就在局内本地交换机的接口处,也可以是在野外的远端模块,为接入网提供网络侧与核心网的接口,并通过一个或多个ODN与用户侧的ONU通信。OLT与ONU是主从关系,OLT控制各ODN,执行实时监控,管理和维护整个无源光网络。
GPON系统参考结构
图11.4.2   GPON系统参考结构
       ODN是一个连接OLT和ONU的无源设备,它的主要功能是完成光信号和功率的分配任务。GPON采用单纤双向传输,上/下行光信号采用波分复用汇合/分开。下行使用1480~1500nm波段(XG-PON1,使用1575~1580nm波段),上行使用1260~1360nm波段(XG-PON1,使用1260~1280nm波段)。同时,GPON的ODN光分路器的性能也提高到可支持1∶128分路比。
       ONU为光接入网提供直接或者远端的用户侧接口。ONU终结ODN光纤,处理光信号并为若干用户提供业务接口。
       在GPON中,光接口的结构如图11.2.2所示。在G.984.2中,给出了GPON系统不同上下行速率时的4个光接口的要求,以及在S/R参考点对发射机的要求和在R/S参考点对接收机的要求。GPON和APON的标准基本一致。
       根据系统对衰减/色散特性的要求,可以选择多纵模(MLM)激光器或单纵模(SLM)激光器。应该指出,并不要求都用SLM激光器,只要能够满足系统性能的要求,就可以用MLM器件取代SLM器件。但是,XG-PON1(10Gbit/sPON)只考虑使用单纵模激光器。

2. GPON和EPON的比较

下面将从带宽利用率、成本、多业务支持、OAM功能等多方面对EPON和GPON进行详细的比较。
(1) 带宽利用率
       一方面,EPON使用8B/10B编码,其本身就引入了20%的带宽损失,1.25Gbit/s的线路速率在处理协议本身之前实际上就只有1Gbit/s了。GPON使用扰码作线路码,只改变码,不增加码,所以没有带宽损失;另一方面,EPON封装的总开销约为调度开销总和的34.4%,而GPON在同样的包长分布模型下,得到GPON的封装开销约为13.7%。
(2) 成本
       从单比特成本来讲,GPON的成本要低于EPON。但如果从目前的整体成本来讲,则反之。影响成本的因素在于技术复杂度、规模产量以及市场应用规模等各个方面,特别是产量基本决定了产品的成本。
(3) 多业务支持
       EPON对TDM支持能力相对比较差,容易引起QoS的问题。而GPON特有的封装形式,使其能很好地支持ATM业务和IP业务,做到了真正的全业务。APON、EPON、GPON承载业务能力的比较如图11.4.3所示。
 APON、EPON、GPON承载业务能力的比较
图11.4.3    APON、EPON、GPON承载业务能力的比较
(4) OAM功能
        从标准上看,GPON标准定义的OAM信息比EPON的丰富。

3. GPON较EPON的优势

        通过上面对GPON和EPON主要特征以及具体各项指标的比较,可以发现GPON具有以下优势。
(1) 灵活配置上/下行速率
       GPON技术支持的速率配置有7种方式。对FTTH和FTTC应用,可采用非对称配置;对于FTTB和FTTO应用,可采用对称配置。由于高速光突发发射和突发接收器件价格昂贵,且随速率上升显著增加,因此这种灵活的配置可使运营商有效控制光接入网的建设成本。
(2) 高效承载IP业务
       GEM帧的净荷区范围为0~4095字节,解决了APON中ATM信元带来的承载IP业务效率低的弊病;而以太网MAC帧中净负荷区的范围仅为46~1500字节,因此GPON对于IP业务的承载能力是相当强的。
(3) 支持实时业务能力
       GPON所采用的125μs周期的帧结构能对TDM语音业务提供直接支持,无论是低速的E1,还是高速的STM-1,都能以它们的原有格式传输,这极大地减少了执行语音业务的时延及抖动。
(4) 支持更远的接入距离
       针对FTTB开发的GPON系统,其OLT到ONU的最远逻辑接入距离可以达到60km以上,而EPON则只有20km。
(5) 更高的带宽有效性
       EPON的带宽有效性为70%;而GPON则高达92%。
(6) 更多的分路比数量
        EPON支持的分路比为32;而GPON则高达64或128。
(7) 运行、管理、维护和指配功能强大
       GPON借鉴APON中PLOAM信元的概念,实现全面的运行维护管理功能,使GPON作为宽带综合接入的解决方案可运营性非常好。

三、 WDM-PON系统

       目前的PON技术主要有APON、EPON和GPON,它们都是TDM-PON。APON承载效率低,在ATM层上适配和提供业务复杂。EPON存在两大致命的缺陷,即带宽利用率低和难以支持以太网之外的业务,特别是承载话音/TDM业务时会引起QoS问题。GPON虽然能克服上述的缺点,但上下行均工作在单一波长,各用户通过时分的方式进行数据传输。这种在单一波长上为每用户分配时隙的机制,既限制了每用户的可用带宽,又大大浪费了光纤自身的可用带宽,不能满足不断出现的宽带网络应用业务的需求。在这种背景下,人们就提出了WDM-PON的技术构想。WDM-PON能克服上面所述的各种PON缺点。近年来,由于WDM器件价格的不断下降,WDM-PON技术本身不断完善,WDM-PON接入网应用到通信网络中已成为可能。相信随着时间的推移,将WDM技术引入接入网将是下一代接入网发展的必然趋势。
        WDM-PON有三种方案:第一种是每个ONU分配一对波长,分别用于上行和下行传输,从而提供了OLT到各ONU固定的虚拟点对点双向连接;第二种是ONU采用可调谐激光器,根据需要为ONU动态分配波长,各ONU能够共享波长,网络具有可重构性;第三种是采用无色ONU,即ONU无光源方案。

四、 WDM/TDM混合PON

生命的长短用时间计算;人生的价值用贡献衡量。         —裴多菲(匈牙利诗人)
       即使完善地解决了ONU的波长控制问题,但是由于WDM-PON的高损耗及串扰,光环回和光谱分割WDMA技术仍然受到很大的使用限制。在WDM-PON和PS-PON之间有一种折衷的方案,那就是下行传输采用WDM-PON,上行传输采用功率分配(PS)的TDMA-PON,如图11.4.4 所示。这种方案称为WDM/TDM混合无源光网络,它结合了波分复用无源光网络和时分复用无源光网络的优点,非常适合从时分无源光网络到波分无源光网络过渡的部署。这种混合网络实际上在网络容量和实现成本两个方面进行了折衷,既具有TDM-PON中无源光功率分配所带来的优点,又具有WDM-PON波长路由选择所带来的优点,实现了相对较低的用户成本,并在维持较高用户使用带宽的前提下,增加了网络容量扩展的弹性。
       图11.4.4是一种双纤结构,下行是1550nm的DWDM,用AWG波长路由器(WGR)对各个用户波长解复用,然后分别馈送各波长信号到相应的ONU。上行采用1310nm的TDMA,所以OLT接收机要采用突发模式光接收机。
WDM/TDM混合无源光网络
图11.4. 4  WDM/TDM混合无源光网络
        因为混合PON采用专用的下行波长及共享的上行带宽波长,它特别适用于满足住宅区对非对称带宽的要求。另外,下行使用波长路由,不仅解决了PS-PON的私密问题,而且还可以采用光时域反射仪(OTDR)来远程定位分支光纤的故障状况。从光层角度看,混合PON的ONU和TDM/TDMA PS-PON的ONU没有任何区别。在OLT侧,用一个突发模式接收机取代波分解复用器和接收机阵列即可。

WDM-PON与PS-PON的技术比较

     与TDM-PON相比,WDM-PON系统具有以下的一些优点。
      1) WDM-PON系统的信息安全性好,在TDM-PON系统中,由于下行数据采用广播式发送给与此相连接的所有ONU,为了信息安全,必须对下行信号进行加密,这在G.983.1建议中已经作了规定,尽管如此,它的保密性也不如单独使用一个接收波长的WDM-PON系统。
       2) OLT由于是多波长发射和接收,工作速率与ONU的数目无关,可与ONU的工作速率相同。
       3) 电路实现相对较简单,因为不需要难度很大的高速突发光接收机。
       4) 波分复用/解复用器的插入损耗要比光分配器的小,在激光器输出功率相等的情况下,传输距离更远,网络覆盖范围更大。
        WDM-PON可以视作PON的最终形态,但在近期还很难大规模应用。主要原因是缺乏国际标准,设备商投入较少,各种器件(如芯片、光模块)还不够成熟,成本也偏高,世界范围内能提供商用WDM-PON系统的设备制造商也屈指可数。但随着WDM-PON相关研究的逐渐活跃,国际标准化组织也开始考虑WDM-PON的标准化工作。
       WDM-PON既具有点对点系统的大部分优点,又能享受点对多点系统的光纤增益。但如果将WDM-PON同已建成的点对点系统或PS-PON系统比较,就会发现由于昂贵的WDM器件、串扰及损耗所致的性能降低,以及复杂性等因素,WDM-PON的这些优点难以体现。关键在于成本,不管是单用户成本或是单波长成本,对于住宅或者中小型公司的接入,WDM-PON在未来数年内都显得成本偏高。这点对上行方向尤为如此。用TDMA替代WDMA会使WDM-PON看起来更加现实,如果WDM-PON在近几年商用的话,混合PON可能会是其第一个优选方案。

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