下一代光接入网新技术展望.pdf

下一代光接入网新技术展望一、引言近年，随着“三网融合”的政策推广和“光进铜退”的高速 推进，光接入网的规模越来越大， 其用户数和覆盖率呈快速增长 的趋势。光接入网正向更高速率、更大容量、更大规模、更低成本的 方向发展。源源不断的涌现出新的网络应用和网络技术成为研究 的热点。而随着高清交互式网络电视、在线数字影院、在线游戏、视 频会议等高速率、 高质量服务的不断涌现， 人们对接入网带宽及 网络可靠性要求越来越高， 接入网中网络故障会造成大量用户数 据的丢失，用户忠诚度的流失，甚至造成很大的经济损失，因此 光接入网的可靠性问题变得越来越重要， 并且成为了光接入网领 域的研究热点问题之一。二、大规模部署无源光网的特点与优势 无源光网络的拓扑结构中，树型结构是最典型的拓扑结构， 这种结构的PON具有以下几个主要的特点：1) PON 以光媒介进行信号的传输，相比于其它通信技术最 主要的特点就是其传输的信息容量较大。 在传输过程中的损耗与 传统技术相比也有非常巨大的改善，通过 PON 网络传输距离可达 20 公里，远大于传统 DSL 距离，这无疑就减少了中继站数目，成本也就可以大幅下降。2）PON 中没有有源的电子设备，因此不要限制网络中传输 信号的带宽，波长以及传输方法。这也使得 PON 能够更加适应未 来业务的多样性和发展。另外由于 PON 主要由无源器件组成，也 减少了增设机房及配套有源设备的成本， 同时全套设备的机械损耗很低，故障率较有源器件明显下降，CAPEX 铺设成本）及OPEX（运维成本）大大降低。3）在树型结构的 PON 中, OLT 与 ONI 之间的数据传输可以 共用馈线、 端局发送光源以及配线段光纤， 实现单根光纤双向传 输。相对于传统的一收一发至少两根光纤的需求， 此特性节约了 近 50%的光纤资源和光收发模块，减小了基础建设压力。三、下一代无源光网发展现状 随着全球范围内宽带接入市场的快速发展以及全业务运营 的开展，已有的 PON 技术标准在带宽需求、业务支撑能力以及接 入节点设备和配套设备的性能提升等方面都面临新的升级需求。IEEE 和 ITU-T 分别于 2004 年和 2005 年启动了下一代 PON 标准的研究。1） 从 2005 年开始，IEEE 开始进行 10Gbit/s 以太无源光 网络（10Gbit/s Ethernet based PON ， 10G EPON 技术的研究 和标准化工作，并取得突破进展； 2009 年 9 月，标准正式发布 （标准号为 IEEE802.3av ）。IEEE 802.3av 规定了 10Gbit/s 下行和 1Gbit/s 上行的非对 称模式（10/1G BASE-PRX 和 10Gbit/s 上/下行对称模式（10G BASE-PR 两种速率模式。为了实现 10G EPOh 与 1G EPON 勺兼容和网络的平滑演进，IEEE 802.3av标准在波长分配、多点控制机制方面都有专门的 考虑，以保证 10G EPOh 与 1G EPON 系统在同一 ODNF 的共存。10G EPON 系统需要支持非对称、对称传输速率并兼容现有EPOr 技术，需要对 EPON 勺 MPC 协议（IEEE 802.3 ）进行扩展， 增加了 10Gbit/s 能力的通告与协商机制。这样可以充分利用现 有 EPON勺实现方案，极大地降低了芯片和设备成本。2） 在完成 GPON 勺标准化工作之后， 2007 年， 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，可考虑选择除用技术。a. NG-PON阶段目标是发展更高速率 （10G 的 GP0N/EPON 系统，要求网络的上行/下行速率分别达到 2.5Gb/s 和 10Gb/s 并 可兼容当前PON 即卩 NG-PON 系统应可以与现有的 0DN 网络和 0NU 设备共存。这一阶段在 2009 年前后已经形成。 ITU-T SG15 于 2012 年 完成并发布了 G.987.x 标准，正式提出 10Gbit/s GPO（N XGPO）N 的技术方案。其中，非对称系统（上行 2.5Gbit/s ，下行 10Gbit/s ）称为 XGPON，1 对称系统（上行 10Gbit/s ，下行 10Gbit/s ）称为XGP0N2XGPON 的线路编码方式和传统 GPO 使用的线路编码方式一 样是不归零码（NRZ。ODN 完全沿袭了 GPON 勺网络拓扑，可以 重利用现TDMPON 以外的可有 GPO 网络已部署的光纤、 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 ONI即可完成平滑演进以 达到共享 ODN的目的。b. NG-PON2 阶段目标是研究具有技术跨越性的新型P0N 系统。2010 年，FSAN 论坛启动了 NG-PON2 勺研究工作，得到了全 世界很多运营商的支持。已达成共识的技术标准有上行 / 下行传 输速率达到 40Gb/s、传输距离达到 40Km 支持的 ONL 数多于 64 个等。目前，按该方向的发展趋势有已经提出了多种符合 NGPON2 基本要求的技术方案，主要有 4 类：基于 TDM 的 40G PON（XLG-PON、 波分复用无源光网络（ Wavelength Division MultiplexingPON , WDM-PON、正交频分复用无源光网络（Orthogonal Frequency Division Multiplexing PON，OFDMPO 和时分波分复用 PONTime- and Wavelength- DivisionMultiplexed PON , TWDM-PON。XLGPO 是在 XGPO 的基础上，把上行 / 下行速率分别由 2.5Gb/s 和 10Gb/s 增加到了 10Gb/s和 40Gb/s，网络的基本结构和工作原理与 G-PON XGPON 类似。WDM-PO 系统的 OLT 包含不同波长通道的光收发器，每个器件独立地收发光信号。 WDM-POI 系统的各 ONU 在上行方向通过 不同波长的 ONU 与 OLT 通信，这样的设计在理论上是可行的， 但是在实际部署时，存在成本高，ONU 隹护困难等问题。目前，为了降低成本和避免维护困难， WDM-POS统要求 ONU 实现无色（指 ONU 勺发射机可以发出不同波长的光信号）。一般 WDM-P0 的波长通道间隔为 100GHz 或 50GHz 当波长 通道间隔减小到几 GHz 的 WDM-PO 称为超密集 WDM-PON对 WDM- POf 系统的技术研究仍在进行中，相信随着相关光器件成本的降低和技术的成熟，WDM-PO 会成为 NG- PON3 的主 流发展技术， 因为 WDM-PO对光纤的带宽利用率明显高于其他的 PON技 术。OFDM-PO 基于正交幅度调制等先进调制格式和快速傅里叶 变换，能够大大提高单波长传输速率， 同时克服高速传输时色散 的影响。OFDM-POfN 通过高速数字信号处理实现多用户复用、编码 变换以及光传输损伤补偿， 因此它的发展在很大程度上依赖于数 字信号处理技术与器件的实用化水平。OFDM-PO 虽然在学术界的呼声很高，但是实现成本较高，系统复杂度高。考虑到对现有 PON 资源的利用效率、由于 TWDM-PO 不需要 改动运营商已铺设的 ODN 网络，在协议上最接近已广泛部署的GPON 或 XGPON 是 GPON/XGPO 的自然演进，因此该方案对运营商的网络继承型演进特性表现最佳， 能够最大化地降低运营商光接入网演进成本，TWDM-PQ 最终受到了电信设备生产商和运营 商的青睐，2012 年 4 月被 FSAN 论坛选为 NG-PON2 勺基本技术方 案。TWDM-PON 多个 XGPON 通过波分复用共用 1 个 ODN 且互不干扰。每个 XGPON 子网的 ONI 工作波长互不相同，为降低成 本，ONU 则光模块采用可调激光器。技术。 TWDM-PTWDM-PO 原理简单，技术难度适中，是一种较理想的候选最基本的 TC 层协议可最大程度延续现有 GPON/XGPON 议特征，这些协议特征不依赖于物理层技术细节。TWDM-PO 方案凭借其强大的后向兼容能力，能够大幅度地节约成本。可以借鉴已经部署 GPON/EPO 网络运营商的成功经验，并分享产业链成熟后的规模效益。 该系统能够帮助运营商把未来的升 级和演进问题纳入到现有 GPOr 勺勺规划部署中来，支撑运营商站 在更广阔的视野统筹光接入网在整个生命周期内的总成本。FSAN 的 NG-PON2 技术白皮书，从系统架构、波长规划、复 用机制、升级方式、生存性、OAM 协议层次等多方面描述了TWDM-PONXLG-PON WDM-PONOFDM-PO 共 4 类技术方案，确 定选择 TWDM-PC 作为 NG-PON2 主流技术方向，并在 2013 年 3 月 发布了 ITU-T G.989.1 标准，描述了 40Gbit/s PON 系统的总体 要求。包括运营商总结的对升级和共存场景的期望； ITU-TG.989.2 重点描述了 TWDM-PO 的物理层参数规格； ITU-TG.989.3 将TWDM-PON 相关 TC 层定义指向适当的标准文 档；ITU-T G.multi 定义了多波长 PON 系统中波长资源的管理要 求。四、ODN 智能化管理在 FTTx 发展中，接入层需要新建一张巨大的光纤分配网络， 即ODN 网络。ODN 网络建设成本高昂，最高可占总体投资的 50%-70% 是FTTx 投资的重点。同时， ODN 也是 FTTx 管理的难 点。首先它相比铜线简单的 P2P 结构，ODN 多采用 P2MP 拓扑， 网络中的接续节点多，网络管理复杂。其次，光纤比铜线敏感，更容易受损。因此，对ODN 进行高效的建设、 运营和维护至关重要， 需要一套智能、 准确的管理解 决方案，确保 ODN 网络得到充分利用，有效保护长期投资。目前，在不改变 ODN 勺无源特性下，解决 ODNt理的两大核 心问题，实现 ODN 勺自动化管理已经成为各大运营商和 ITU-T 等 标准组织关注的焦点。1）华为提出了 iODN （智能 ODN 解决方案。在 iODN 解决方案中，ODN 产品新增了以下智能特性：光纤 标识管理、端口状态收集、端口查找指示、可视化工具PDA 等。ODN 解决方案可以实现 ODNt 纤连接信息的自动录入和管理，保证存量系统信息的准确无误和及时同步。同时，通过 PDA 的可视化软件及 iODN 设备上的智能 LED 指示， 可以实现光纤自 动化查找、精确操作，极大提高运维效率，实现 ODh 网络的高效 运营和维护。此外，基于 iOD N 架构，在存量系统基础上可以开 发出多种增值应用，实现施工、运维全流程自动化。中兴则推出 eO D N( Easy ODN)。基于 GIS 地理信息系统与智能标识系统。该系统 ODN 网络周 期中的规划、设计、施工和维护等各个环节，将前期规划、中期 建设以及后期维护有效结合起来， 利用非接触智能系统提高光纤 管理效率，实现各个部门对于光纤信息的共享和无缝传递，让 ODN 网络建设成为一个动态的良性循环，保证其可持续发展。3)烽火通信公司坚持从传统 ODN 的实际情况出发设计产品， 提出了 sODN(smart ODN)的完整解决方案。系统充分考虑了现有传统 ODN 的运行维护特点，力求在智能 化实施中确保现有的从业人员能够轻松地适应新的ODN 智能化2)管理模式。系统兼具低功耗、长寿命、易维护的特点，通过新的 信息化手段让 ODN 网络成为一个有机的整体，提升客户感知。智能 ODN 系统的基本组成包括智能 ODf 设备、智能 ODN 管理 终端、智能ODNf理系统 3 大部分。电子标签载体包括具有电子标签的光跳纤、尾纤和光分路器尾纤等， 主要完成承载电子标 签的功能， 通过接口与智能 ODN 设备连接。智能ODN设备包括智能 ODN智能ODN光缆交接箱、 智能ODN 光缆分纤箱等设备， 主要完成采集、存储和上传标签信息、在 受控条件下写入标签信息、智能 ODf 化的光纤调配、资源数据采 集、端口定位指引等功能。智能 ODN 设备组成，主要由组配单元、控制单元和电源模块 三大部分组成， 组配单元包括光缆引入模块、光纤存储模块、 光纤熔接模块、智能 ODN 熔配模块、智能 ODN 配线模块和智能 ODN 分光模块，根据不同的应用场景，可选择一个或多个功能模块组成组配单元完成光配线设备具有的光纤连接、 分配和调度 等功能，以及智能 ODN 特有的智能 ODN 化功能。智能 ODN 管理终端作为一种便携式设备，提供管理操作界面，主要完成智能 ODN 设备的接入管理功能和现场施工管理功 能。总结起来，智能 ODN 应具有五个系统特性。1） 使用电子标签对光纤进行标识；2） 智能 ODN 系统支持端口资源的自动化管理，实现对端口 状态的监测、端口可读写插入的跳纤或尾纤上的电子标签内容、 端口可控制点灯等实现跳接施工指导；3） 光纤连接自动校验， 支持光纤跳接等现场操作的自动化 校验，保证光纤连接的正确性；4） 支持端口资源及光纤对应的电子标签 ID 数据自动采集及 资源数据的自动同步、自动巡检；5）支持可视化端到端光纤路由生成和拓扑显示，便于故障 的快速确认和恢复。五、总结与展望诸多新技术的涌现， 以及绿色低碳、 可持续发展战略的大力 推行，如何低成本、 高效的建设光接入网成为各个运营商的关注 重点。纵观 PON 网络发展进程，即是向着“低成本，高容量，广覆 盖，全业务，高互通”的目标发展。另一方面，由于ODN 管理及前期粗放式发展带来的弊端， 基础设施资源已日渐匮乏， 如果未 来仍旧以这样老旧的模式继续建设， 将导致运营商受基础建设拖 累，缺乏资金大力推进光网络发展的尴尬境地， 在当今激烈竞争 的环境下，最终将陷入营收负利润的结果。光接入网的针对性优化目的是为了网络能够更好地适应业 务和传输技术的发展。 目前， 优化方案已经在业务区按阶段分布 实施，取得了较好的效果，在规划期内能达到预期的效果。随着 FTTx 成熟与完善，网络规模的扩大，运营商投资建设的天平向移动领域倾斜， 接入网不断被边缘化， 配合更高密度的 站点建设将是下一步接入网网络规划考虑的重点， 通过规划设计 确立下一代 P0N的基础架构，0DN 的布线原则和方式等，更有利 提高光接接入网的开通率。但随着宏站覆盖小区范围的变小， 以及最优的站点位置往往 无法得到，进一步的小区分裂难以进行， 只能通过增加低功率 节点数量的方式提升系统容量， 这就意味着站点部署密度的增 加，至于更密集的网络布放是否会对今后的光网络结构产生影 响，使得基础设施面临调整，还需要不断地跟踪和探讨。