下一代光接入網(wǎng)新技術(shù)展望

【摘要】 在當(dāng)今倡導(dǎo)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的背景下，文章主要以國(guó)內(nèi)光接入網(wǎng)為對(duì)象比較大規(guī)模部署無源光網(wǎng)帶來的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合下一代無源光網(wǎng)（NG-PON）技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及ODN管理的新技術(shù)，初步了解光接入網(wǎng)的地位與未來的方向。

【關(guān)鍵詞】 下一代無源光網(wǎng)（NG-PON） 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 光纖分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）管理 光接入網(wǎng)

一、引言

近年，隨著“三網(wǎng)融合”的政策推廣和“光進(jìn)銅退”的高速推進(jìn)，光接入網(wǎng)的規(guī)模越來越大，其用戶數(shù)和覆蓋率呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

光接入網(wǎng)正向更高速率、更大容量、更大規(guī)模、更低成本的方向發(fā)展。源源不斷的涌現(xiàn)出新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。

而隨著高清交互式網(wǎng)絡(luò)電視、在線數(shù)字影院、在線游戲、視頻會(huì)議等高速率、高質(zhì)量服務(wù)的不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)接入網(wǎng)帶寬及網(wǎng)絡(luò)可靠性要求越來越高，接入網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)故障會(huì)造成大量用戶數(shù)據(jù)的丟失，用戶忠誠度的流失，甚至造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此光接入網(wǎng)的可靠性問題變得越來越重要，并且成為了光接入網(wǎng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題之一。

二、大規(guī)模部署無源光網(wǎng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

無源光網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，樹型結(jié)構(gòu)是最典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的PON具有以下幾個(gè)主要的特點(diǎn)：

1）PON以光媒介進(jìn)行信號(hào)的傳輸，相比于其它通信技術(shù)最主要的特點(diǎn)就是其傳輸?shù)男畔⑷萘枯^大。在傳輸過程中的損耗與傳統(tǒng)技術(shù)相比也有非常巨大的改善，通過PON網(wǎng)絡(luò)傳輸距離可達(dá)20公里，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)DSL距離，這無疑就減少了中繼站數(shù)目，成本也就可以大幅下降。

2）PON中沒有有源的電子設(shè)備，因此不要限制網(wǎng)絡(luò)中傳輸信號(hào)的帶寬，波長(zhǎng)以及傳輸方法。這也使得PON能夠更加適應(yīng)未來業(yè)務(wù)的多樣性和發(fā)展。另外由于PON主要由無源器件組成，也減少了增設(shè)機(jī)房及配套有源設(shè)備的成本，同時(shí)全套設(shè)備的機(jī)械損耗很低，故障率較有源器件明顯下降，CAPEX（鋪設(shè)成本）及OPEX（運(yùn)維成本）大大降低。

3）在樹型結(jié)構(gòu)的PON中，OLT與ONU之間的數(shù)據(jù)傳輸可以共用饋線、端局發(fā)送光源以及配線段光纖，實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸。相對(duì)于傳統(tǒng)的一收一發(fā)至少兩根光纖的需求，此特性節(jié)約了近50%的光纖資源和光收發(fā)模塊，減小了基礎(chǔ)建設(shè)壓力。

三、下一代無源光網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著全球范圍內(nèi)寬帶接入市場(chǎng)的快速發(fā)展以及全業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的開展，已有的PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在帶寬需求、業(yè)務(wù)支撐能力以及接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備和配套設(shè)備的性能提升等方面都面臨新的升級(jí)需求。

IEEE和ITU-T分別于2004年和2005年啟動(dòng)了下一代PON標(biāo)準(zhǔn)的研究。

1） 從2005年開始，IEEE開始進(jìn)行10Gbit/s以太無源光網(wǎng)絡(luò)（10Gbit/s Ethernet based PON， 10G EPON）技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，并取得突破進(jìn)展；2009年9月，標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為IEEE 802.3av）。

IEEE 802.3av規(guī)定了10Gbit/s下行和1Gbit/s上行的非對(duì)稱模式（10/1G BASE-PRX）和10Gbit/s上/下行對(duì)稱模式（10G BASE-PR）兩種速率模式。

為了實(shí)現(xiàn)10G EPON與1G EPON的兼容和網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)，IEEE 802.3av標(biāo)準(zhǔn)在波長(zhǎng)分配、多點(diǎn)控制機(jī)制方面都有專門的考慮，以保證10G EPON與1G EPON系統(tǒng)在同一ODN下的共存。

10G EPON系統(tǒng)需要支持非對(duì)稱、對(duì)稱傳輸速率并兼容現(xiàn)有EPON技術(shù)，需要對(duì)EPON的MPCP協(xié)議（IEEE 802.3）進(jìn)行擴(kuò)展，增加了10Gbit/s能力的通告與協(xié)商機(jī)制。這樣可以充分利用現(xiàn)有EPON的實(shí)現(xiàn)方案，極大地降低了芯片和設(shè)備成本。

2）在完成GPON的標(biāo)準(zhǔn)化工作之后，2007年，F(xiàn)SAN/ ITU-T以“低成本，高容量，廣覆蓋，全業(yè)務(wù)，高互通”為第一步演進(jìn)目標(biāo)，迅速推進(jìn)下一代PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。同時(shí)，F(xiàn)SAN/ITU-T也提出，更長(zhǎng)期演進(jìn)時(shí)，在不考慮與舊有系統(tǒng)共存的前提下，以全新場(chǎng)景為牽引，可考慮選擇除TDM PON以外的可用技術(shù)。

a. NG-PON1階段目標(biāo)是發(fā)展更高速率（10G）的GP0N/ EPON系統(tǒng)，要求網(wǎng)絡(luò)的上行/下行速率分別達(dá)到2.5Gb/s和10Gb/s并可兼容當(dāng)前PON，即NG-PON1系統(tǒng)應(yīng)可以與現(xiàn)有的0DN網(wǎng)絡(luò)和0NU設(shè)備共存。

這一階段在2009年前后已經(jīng)形成。ITU-T SG15于2012年完成并發(fā)布了G.987.x 標(biāo)準(zhǔn)，正式提出10Gbit/s GPON（XGPON）的技術(shù)方案。其中，非對(duì)稱系統(tǒng)（上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s）稱為XGPON1，對(duì)稱系統(tǒng)（上行10Gbit/s，下行10Gbit/s）稱為XGPON2。

XGPON1的線路編碼方式和傳統(tǒng)GPON使用的線路編碼方式一樣是不歸零碼（NRZ）。ODN完全沿襲了GPON的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以重利用現(xiàn)有GPON網(wǎng)絡(luò)已部署的光纖、分路器等，同時(shí)只需在OLT側(cè)增加支持10G的接口板，這樣僅替換ONU即可完成平滑演進(jìn)以達(dá)到共享ODN的目的。

b. NG-PON2階段目標(biāo)是研究具有技術(shù)跨越性的新型P0N系統(tǒng)。2010年，F(xiàn)SAN論壇啟動(dòng)了NG-PON2的研究工作，得到了全世界很多運(yùn)營(yíng)商的支持。已達(dá)成共識(shí)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有上行/下行傳輸速率達(dá)到40Gb/s、傳輸距離達(dá)到40Km、支持的ONU數(shù)多于64個(gè)等。

目前，按該方向的發(fā)展趨勢(shì)有已經(jīng)提出了多種符合NGPON2基本要求的技術(shù)方案，主要有4類：基于TDM的40G PON（XLG-PON）、波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（Wavelength Division Multiplexing PON，WDM-PON）、正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing PON， OFDMPON）和時(shí)分波分復(fù)用PON（Time- and Wavelength- Division Multiplexed PON，TWDM-PON）。

XLGPON是在XGPON的基礎(chǔ)上，把上行/下行速率分別由2.5Gb/s和10Gb/s增加到了10Gb/s和40Gb/s，網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與G-PON，XGPON類似。

WDM-PON 系統(tǒng)的OLT包含不同波長(zhǎng)通道的光收發(fā)器，每個(gè)器件獨(dú)立地收發(fā)光信號(hào)。WDM-PON 系統(tǒng)的各ONU 在上行方向通過不同波長(zhǎng)的ONU 與OLT 通信，這樣的設(shè)計(jì)在理論上是可行的，但是在實(shí)際部署時(shí)，存在成本高，ONU維護(hù)困難等問題。

目前，為了降低成本和避免維護(hù)困難，WDM-PON系統(tǒng)要求ONU實(shí)現(xiàn)無色（指ONU的發(fā)射機(jī)可以發(fā)出不同波長(zhǎng)的光信號(hào)）。

一般WDM-PON的波長(zhǎng)通道間隔為100GHz或50GHz，當(dāng)波長(zhǎng)通道間隔減小到幾GHz的WDM-PON稱為超密集WDM-PON。

對(duì)WDM- PON 系統(tǒng)的技術(shù)研究仍在進(jìn)行中，相信隨著相關(guān)光器件成本的降低和技術(shù)的成熟，WDM-PON 會(huì)成為NG- PON3的主流發(fā)展技術(shù)，因?yàn)閃DM-PON對(duì)光纖的帶寬利用率明顯高于其他的PON技術(shù)。

OFDM-PON基于正交幅度調(diào)制等先進(jìn)調(diào)制格式和快速傅里葉變換，能夠大大提高單波長(zhǎng)傳輸速率，同時(shí)克服高速傳輸時(shí)色散的影響。

OFDM-PON中通過高速數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用、編碼變換以及光傳輸損傷補(bǔ)償，因此它的發(fā)展在很大程度上依賴于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與器件的實(shí)用化水平。OFDM-PON雖然在學(xué)術(shù)界的呼聲很高，但是實(shí)現(xiàn)成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜度高。

考慮到對(duì)現(xiàn)有PON資源的利用效率、由于TWDM-PON不需要改動(dòng)運(yùn)營(yíng)商已鋪設(shè)的ODN網(wǎng)絡(luò)，在協(xié)議上最接近已廣泛部署的GPON或XGPON，是GPON/XGPON的自然演進(jìn)，因此該方案對(duì)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)繼承型演進(jìn)特性表現(xiàn)最佳，能夠最大化地降低運(yùn)營(yíng)商光接入網(wǎng)演進(jìn)成本，TWDM-PON最終受到了電信設(shè)備生產(chǎn)商和運(yùn)營(yíng)商的青睞，2012年4月被FSAN論壇選為NG-PON2的基本技術(shù)方案。TWDM-PON將多個(gè)XGPON1通過波分復(fù)用共用1個(gè)ODN，且互不干擾。每個(gè)XGPON1子網(wǎng)的ONU工作波長(zhǎng)互不相同，為降低成本，ONU側(cè)光模塊采用可調(diào)激光器。

TWDM-PON原理簡(jiǎn)單，技術(shù)難度適中，是一種較理想的候選技術(shù)。TWDM-PON本質(zhì)上和GPON、XGPON是一脈相承的系統(tǒng)，其最基本的TC層協(xié)議可最大程度延續(xù)現(xiàn)有GPON/XGPON協(xié)議特征，這些協(xié)議特征不依賴于物理層技術(shù)細(xì)節(jié)。TWDM-PON方案憑借其強(qiáng)大的后向兼容能力，能夠大幅度地節(jié)約成本。

可以借鑒已經(jīng)部署GPON/EPON網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的成功經(jīng)驗(yàn)，并分享產(chǎn)業(yè)鏈成熟后的規(guī)模效益。該系統(tǒng)能夠幫助運(yùn)營(yíng)商把未來的升級(jí)和演進(jìn)問題納入到現(xiàn)有GPON的規(guī)劃部署中來，支撐運(yùn)營(yíng)商站在更廣闊的視野統(tǒng)籌光接入網(wǎng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的總成本。

FSAN的NG-PON2 技術(shù)白皮書，從系統(tǒng)架構(gòu)、波長(zhǎng)規(guī)劃、復(fù)用機(jī)制、升級(jí)方式、生存性、OAM、協(xié)議層次等多方面描述了TWDM-PON、XLG-PON、WDM-PON、OFDM-PON 共4 類技術(shù)方案，確定選擇TWDM-PON作為NG-PON2 主流技術(shù)方向，并在2013 年3 月發(fā)布了ITU-T G.989.1 標(biāo)準(zhǔn)，描述了40Gbit/s PON系統(tǒng)的總體要求。

包括運(yùn)營(yíng)商總結(jié)的對(duì)升級(jí)和共存場(chǎng)景的期望；ITU-T G.989.2 重點(diǎn)描述了TWDM-PON 的物理層參數(shù)規(guī)格；ITU-TG.989.3將TWDM-PON的相關(guān)TC層定義指向適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)文檔；ITU-T G.multi定義了多波長(zhǎng)PON系統(tǒng)中波長(zhǎng)資源的管理要求。

四、ODN智能化管理

在FTTx發(fā)展中，接入層需要新建一張巨大的光纖分配網(wǎng)絡(luò)，即ODN網(wǎng)絡(luò)。ODN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高昂，最高可占總體投資的50%-70%，是FTTx投資的重點(diǎn)。同時(shí)，ODN也是FTTx管理的難點(diǎn)。

首先它相比銅線簡(jiǎn)單的P2P結(jié)構(gòu)，ODN多采用P2MP拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)中的接續(xù)節(jié)點(diǎn)多，網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜。

其次，光纖比銅線敏感，更容易受損。因此，對(duì)ODN進(jìn)行高效的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)至關(guān)重要，需要一套智能、準(zhǔn)確的管理解決方案，確保ODN網(wǎng)絡(luò)得到充分利用，有效保護(hù)長(zhǎng)期投資。

目前，在不改變ODN的無源特性下，解決ODN管理的兩大核心問題，實(shí)現(xiàn)ODN的自動(dòng)化管理已經(jīng)成為各大運(yùn)營(yíng)商和ITU-T等標(biāo)準(zhǔn)組織關(guān)注的焦點(diǎn)。

1）華為提出了iODN（智能 ODN）解決方案。

在iODN解決方案中，ODN產(chǎn)品新增了以下智能特性：光纖標(biāo)識(shí)管理、端口狀態(tài)收集、端口查找指示、可視化工具PDA等。i

ODN解決方案可以實(shí)現(xiàn)ODN光纖連接信息的自動(dòng)錄入和管理，保證存量系統(tǒng)信息的準(zhǔn)確無誤和及時(shí)同步。同時(shí)，通過PDA的可視化軟件及iODN設(shè)備上的智能LED指示，可以實(shí)現(xiàn)光纖自動(dòng)化查找、精確操作，極大提高運(yùn)維效率，實(shí)現(xiàn)ODN網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。此外，基于iODN架構(gòu)，在存量系統(tǒng)基礎(chǔ)上可以開發(fā)出多種增值應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)施工、運(yùn)維全流程自動(dòng)化。

2）中興則推出eODN（Easy ODN）。

基于GIS地理信息系統(tǒng)與智能標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)ODN網(wǎng)絡(luò)周期中的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，將前期規(guī)劃、中期建設(shè)以及后期維護(hù)有效結(jié)合起來，利用非接觸智能系統(tǒng)提高光纖管理效率，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部門對(duì)于光纖信息的共享和無縫傳遞，讓ODN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的良性循環(huán)，保證其可持續(xù)發(fā)展。

3）烽火通信公司堅(jiān)持從傳統(tǒng)ODN的實(shí)際情況出發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，提出了sODN（smart ODN）的完整解決方案。

系統(tǒng)充分考慮了現(xiàn)有傳統(tǒng)ODN的運(yùn)行維護(hù)特點(diǎn)，力求在智能化實(shí)施中確保現(xiàn)有的從業(yè)人員能夠輕松地適應(yīng)新的ODN智能化管理模式。系統(tǒng)兼具低功耗、長(zhǎng)壽命、易維護(hù)的特點(diǎn)，通過新的信息化手段讓ODN網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)有機(jī)的整體，提升客戶感知。

智能ODN系統(tǒng)的基本組成包括智能ODN設(shè)備、智能ODN管理終端、智能ODN管理系統(tǒng)3大部分。電子標(biāo)簽載體包括具有電子標(biāo)簽的光跳纖、尾纖和光分路器尾纖等， 主要完成承載電子標(biāo)簽的功能， 通過接口與智能ODN設(shè)備連接。

智能ODN設(shè)備包括智能ODN、智能ODN光纜交接箱、智能ODN光纜分纖箱等設(shè)備， 主要完成采集、存儲(chǔ)和上傳標(biāo)簽信息、在受控條件下寫入標(biāo)簽信息、智能ODN化的光纖調(diào)配、資源數(shù)據(jù)采集、端口定位指引等功能。

智能ODN設(shè)備組成，主要由組配單元、控制單元和電源模塊三大部分組成， 組配單元包括光纜引入模塊、光纖存儲(chǔ)模塊、光纖熔接模塊、智能ODN熔配模塊、智能ODN配線模塊和智能ODN分光模塊， 根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景， 可選擇一個(gè)或多個(gè)功能模塊組成組配單元完成光配線設(shè)備具有的光纖連接、分配和調(diào)度等功能， 以及智能ODN特有的智能ODN化功能。

智能ODN管理終端作為一種便攜式設(shè)備， 提供管理操作界面， 主要完成智能ODN設(shè)備的接入管理功能和現(xiàn)場(chǎng)施工管理功能。

總結(jié)起來，智能ODN應(yīng)具有五個(gè)系統(tǒng)特性。

1）使用電子標(biāo)簽對(duì)光纖進(jìn)行標(biāo)識(shí)；

2）智能ODN系統(tǒng)支持端口資源的自動(dòng)化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)端口狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、端口可讀寫插入的跳纖或尾纖上的電子標(biāo)簽內(nèi)容、端口可控制點(diǎn)燈等實(shí)現(xiàn)跳接施工指導(dǎo)；

3）光纖連接自動(dòng)校驗(yàn)，支持光纖跳接等現(xiàn)場(chǎng)操作的自動(dòng)化校驗(yàn)，保證光纖連接的正確性；

4）支持端口資源及光纖對(duì)應(yīng)的電子標(biāo)簽ID數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及資源數(shù)據(jù)的自動(dòng)同步、自動(dòng)巡檢；

5）支持可視化端到端光纖路由生成和拓?fù)滹@示，便于故障的快速確認(rèn)和恢復(fù)。

五、總結(jié)與展望

諸多新技術(shù)的涌現(xiàn)，以及綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的大力推行，如何低成本、高效的建設(shè)光接入網(wǎng)成為各個(gè)運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注重點(diǎn)。

縱觀PON網(wǎng)絡(luò)發(fā)展進(jìn)程，即是向著“低成本，高容量，廣覆蓋，全業(yè)務(wù)，高互通”的目標(biāo)發(fā)展。另一方面，由于ODN管理及前期粗放式發(fā)展帶來的弊端，基礎(chǔ)設(shè)施資源已日漸匱乏，如果未來仍舊以這樣老舊的模式繼續(xù)建設(shè)，將導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商受基礎(chǔ)建設(shè)拖累，缺乏資金大力推進(jìn)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的尷尬境地，在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下，最終將陷入營(yíng)收負(fù)利潤(rùn)的結(jié)果。

光接入網(wǎng)的針對(duì)性優(yōu)化目的是為了網(wǎng)絡(luò)能夠更好地適應(yīng)業(yè)務(wù)和傳輸技術(shù)的發(fā)展。目前，優(yōu)化方案已經(jīng)在業(yè)務(wù)區(qū)按階段分布實(shí)施，取得了較好的效果，在規(guī)劃期內(nèi)能達(dá)到預(yù)期的效果。

隨著FTTx成熟與完善，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，運(yùn)營(yíng)商投資建設(shè)的天平向移動(dòng)領(lǐng)域傾斜，接入網(wǎng)不斷被邊緣化，配合更高密度的站點(diǎn)建設(shè)將是下一步接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃考慮的重點(diǎn)，通過規(guī)劃設(shè)計(jì)確立下一代P0N的基礎(chǔ)架構(gòu)，0DN的布線原則和方式等，更有利提高光接接入網(wǎng)的開通率。

但隨著宏站覆蓋小區(qū)范圍的變小，以及最優(yōu)的站點(diǎn)位置往往無法得到，進(jìn)一步的小區(qū)分裂難以進(jìn)行， 只能通過增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量的方式提升系統(tǒng)容量， 這就意味著站點(diǎn)部署密度的增加，至于更密集的網(wǎng)絡(luò)布放是否會(huì)對(duì)今后的光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，使得基礎(chǔ)設(shè)施面臨調(diào)整，還需要不斷地跟蹤和探討。