下一代光接入網新技術展望

【摘要】 在當今倡導建設資源節約型、環境友好型社會的背景下，文章主要以國內光接入網為對象比較大規模部署無源光網帶來的優勢，并結合下一代無源光網（NG-PON）技術的發展趨勢以及ODN管理的新技術，初步了解光接入網的地位與未來的方向。

【關鍵詞】 下一代無源光網（NG-PON） 網絡優化 光纖分配網絡（ODN）管理 光接入網

一、引言

近年，隨著“三網融合”的政策推廣和“光進銅退”的高速推進，光接入網的規模越來越大，其用戶數和覆蓋率呈快速增長的趨勢。

光接入網正向更高速率、更大容量、更大規模、更低成本的方向發展。源源不斷的涌現出新的網絡應用和網絡技術成為研究的熱點。

而隨著高清交互式網絡電視、在線數字影院、在線游戲、視頻會議等高速率、高質量服務的不斷涌現，人們對接入網帶寬及網絡可靠性要求越來越高，接入網中網絡故障會造成大量用戶數據的丟失，用戶忠誠度的流失，甚至造成很大的經濟損失，因此光接入網的可靠性問題變得越來越重要，并且成為了光接入網領域的研究熱點問題之一。

二、大規模部署無源光網的特點與優勢

無源光網絡的拓撲結構中，樹型結構是最典型的拓撲結構，這種結構的PON具有以下幾個主要的特點：

1）PON以光媒介進行信號的傳輸，相比于其它通信技術最主要的特點就是其傳輸的信息容量較大。在傳輸過程中的損耗與傳統技術相比也有非常巨大的改善，通過PON網絡傳輸距離可達20公里，遠大于傳統DSL距離，這無疑就減少了中繼站數目，成本也就可以大幅下降。

2）PON中沒有有源的電子設備，因此不要限制網絡中傳輸信號的帶寬，波長以及傳輸方法。這也使得PON能夠更加適應未來業務的多樣性和發展。另外由于PON主要由無源器件組成，也減少了增設機房及配套有源設備的成本，同時全套設備的機械損耗很低，故障率較有源器件明顯下降，CAPEX（鋪設成本）及OPEX（運維成本）大大降低。

3）在樹型結構的PON中，OLT與ONU之間的數據傳輸可以共用饋線、端局發送光源以及配線段光纖，實現單根光纖雙向傳輸。相對于傳統的一收一發至少兩根光纖的需求，此特性節約了近50%的光纖資源和光收發模塊，減小了基礎建設壓力。

三、下一代無源光網發展現狀

隨著全球范圍內寬帶接入市場的快速發展以及全業務運營的開展，已有的PON技術標準在帶寬需求、業務支撐能力以及接入節點設備和配套設備的性能提升等方面都面臨新的升級需求。

IEEE和ITU-T分別于2004年和2005年啟動了下一代PON標準的研究。

1） 從2005年開始，IEEE開始進行10Gbit/s以太無源光網絡（10Gbit/s Ethernet based PON， 10G EPON）技術的研究和標準化工作，并取得突破進展；2009年9月，標準正式發布（標準號為IEEE 802.3av）。

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

為了實現10G EPON與1G EPON的兼容和網絡的平滑演進，IEEE 802.3av標準在波長分配、多點控制機制方面都有專門的考慮，以保證10G EPON與1G EPON系統在同一ODN下的共存。

10G EPON系統需要支持非對稱、對稱傳輸速率并兼容現有EPON技術，需要對EPON的MPCP協議（IEEE 802.3）進行擴展，增加了10Gbit/s能力的通告與協商機制。這樣可以充分利用現有EPON的實現方案，極大地降低了芯片和設備成本。

2）在完成GPON的標準化工作之后，2007年，FSAN/ ITU-T以“低成本，高容量，廣覆蓋，全業務，高互通”為第一步演進目標，迅速推進下一代PON技術標準的研究和制定。同時，FSAN/ITU-T也提出，更長期演進時，在不考慮與舊有系統共存的前提下，以全新場景為牽引，可考慮選擇除TDM PON以外的可用技術。

a. NG-PON1階段目標是發展更高速率（10G）的GP0N/ EPON系統，要求網絡的上行/下行速率分別達到2.5Gb/s和10Gb/s并可兼容當前PON，即NG-PON1系統應可以與現有的0DN網絡和0NU設備共存。

這一階段在2009年前后已經形成。ITU-T SG15于2012年完成并發布了G.987.x 標準，正式提出10Gbit/s GPON（XGPON）的技術方案。其中，非對稱系統（上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s）稱為XGPON1，對稱系統（上行10Gbit/s，下行10Gbit/s）稱為XGPON2。

XGPON1的線路編碼方式和傳統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的網絡拓撲，可以重利用現有GPON網絡已部署的光纖、分路器等，同時只需在OLT側增加支持10G的接口板，這樣僅替換ONU即可完成平滑演進以達到共享ODN的目的。

b. NG-PON2階段目標是研究具有技術跨越性的新型P0N系統。2010年，FSAN論壇啟動了NG-PON2的研究工作，得到了全世界很多運營商的支持。已達成共識的技術標準有上行/下行傳輸速率達到40Gb/s、傳輸距離達到40Km、支持的ONU數多于64個等。

目前，按該方向的發展趨勢有已經提出了多種符合NGPON2基本要求的技術方案，主要有4類：基于TDM的40G PON（XLG-PON）、波分復用無源光網絡（Wavelength Division Multiplexing PON，WDM-PON）、正交頻分復用無源光網絡（Orthogonal Frequency Division Multiplexing PON， OFDMPON）和時分波分復用PON（Time- and Wavelength- Division Multiplexed PON，TWDM-PON）。

XLGPON是在XGPON的基礎上，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，網絡的基本結構和工作原理與G-PON，XGPON類似。

WDM-PON 系統的OLT包含不同波長通道的光收發器，每個器件獨立地收發光信號。WDM-PON 系統的各ONU 在上行方向通過不同波長的ONU 與OLT 通信，這樣的設計在理論上是可行的，但是在實際部署時，存在成本高，ONU維護困難等問題。

目前，為了降低成本和避免維護困難，WDM-PON系統要求ONU實現無色（指ONU的發射機可以發出不同波長的光信號）。

一般WDM-PON的波長通道間隔為100GHz或50GHz，當波長通道間隔減小到幾GHz的WDM-PON稱為超密集WDM-PON。

對WDM- PON 系統的技術研究仍在進行中，相信隨著相關光器件成本的降低和技術的成熟，WDM-PON 會成為NG- PON3的主流發展技術，因為WDM-PON對光纖的帶寬利用率明顯高于其他的PON技術。

OFDM-PON基于正交幅度調制等先進調制格式和快速傅里葉變換，能夠大大提高單波長傳輸速率，同時克服高速傳輸時色散的影響。

OFDM-PON中通過高速數字信號處理實現多用戶復用、編碼變換以及光傳輸損傷補償，因此它的發展在很大程度上依賴于數字信號處理技術與器件的實用化水平。OFDM-PON雖然在學術界的呼聲很高，但是實現成本較高，系統復雜度高。

考慮到對現有PON資源的利用效率、由于TWDM-PON不需要改動運營商已鋪設的ODN網絡，在協議上最接近已廣泛部署的GPON或XGPON，是GPON/XGPON的自然演進，因此該方案對運營商的網絡繼承型演進特性表現最佳，能夠最大化地降低運營商光接入網演進成本，TWDM-PON最終受到了電信設備生產商和運營商的青睞，2012年4月被FSAN論壇選為NG-PON2的基本技術方案。TWDM-PON將多個XGPON1通過波分復用共用1個ODN，且互不干擾。每個XGPON1子網的ONU工作波長互不相同，為降低成本，ONU側光模塊采用可調激光器。

TWDM-PON原理簡單，技術難度適中，是一種較理想的候選技術。TWDM-PON本質上和GPON、XGPON是一脈相承的系統，其最基本的TC層協議可最大程度延續現有GPON/XGPON協議特征，這些協議特征不依賴于物理層技術細節。TWDM-PON方案憑借其強大的后向兼容能力，能夠大幅度地節約成本。

可以借鑒已經部署GPON/EPON網絡運營商的成功經驗，并分享產業鏈成熟后的規模效益。該系統能夠幫助運營商把未來的升級和演進問題納入到現有GPON的規劃部署中來，支撐運營商站在更廣闊的視野統籌光接入網在整個生命周期內的總成本。

FSAN的NG-PON2 技術白皮書，從系統架構、波長規劃、復用機制、升級方式、生存性、OAM、協議層次等多方面描述了TWDM-PON、XLG-PON、WDM-PON、OFDM-PON 共4 類技術方案，確定選擇TWDM-PON作為NG-PON2 主流技術方向，并在2013 年3 月發布了ITU-T G.989.1 標準，描述了40Gbit/s PON系統的總體要求。

包括運營商總結的對升級和共存場景的期望；ITU-T G.989.2 重點描述了TWDM-PON 的物理層參數規格；ITU-TG.989.3將TWDM-PON的相關TC層定義指向適當的標準文檔；ITU-T G.multi定義了多波長PON系統中波長資源的管理要求。

四、ODN智能化管理

在FTTx發展中，接入層需要新建一張巨大的光纖分配網絡，即ODN網絡。ODN網絡建設成本高昂，最高可占總體投資的50%-70%，是FTTx投資的重點。同時，ODN也是FTTx管理的難點。

首先它相比銅線簡單的P2P結構，ODN多采用P2MP拓撲，網絡中的接續節點多，網絡管理復雜。

其次，光纖比銅線敏感，更容易受損。因此，對ODN進行高效的建設、運營和維護至關重要，需要一套智能、準確的管理解決方案，確保ODN網絡得到充分利用，有效保護長期投資。

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，實現ODN的自動化管理已經成為各大運營商和ITU-T等標準組織關注的焦點。

1）華為提出了iODN（智能 ODN）解決方案。

在iODN解決方案中，ODN產品新增了以下智能特性：光纖標識管理、端口狀態收集、端口查找指示、可視化工具PDA等。i

ODN解決方案可以實現ODN光纖連接信息的自動錄入和管理，保證存量系統信息的準確無誤和及時同步。同時，通過PDA的可視化軟件及iODN設備上的智能LED指示，可以實現光纖自動化查找、精確操作，極大提高運維效率，實現ODN網絡的高效運營和維護。此外，基于iODN架構，在存量系統基礎上可以開發出多種增值應用，實現施工、運維全流程自動化。

2）中興則推出eODN（Easy ODN）。

基于GIS地理信息系統與智能標識系統。該系統ODN網絡周期中的規劃、設計、施工和維護等各個環節，將前期規劃、中期建設以及后期維護有效結合起來，利用非接觸智能系統提高光纖管理效率，實現各個部門對于光纖信息的共享和無縫傳遞，讓ODN網絡建設成為一個動態的良性循環，保證其可持續發展。

3）烽火通信公司堅持從傳統ODN的實際情況出發設計產品，提出了sODN（smart ODN）的完整解決方案。

系統充分考慮了現有傳統ODN的運行維護特點，力求在智能化實施中確保現有的從業人員能夠輕松地適應新的ODN智能化管理模式。系統兼具低功耗、長壽命、易維護的特點，通過新的信息化手段讓ODN網絡成為一個有機的整體，提升客戶感知。

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

智能ODN設備包括智能ODN、智能ODN光纜交接箱、智能ODN光纜分纖箱等設備， 主要完成采集、存儲和上傳標簽信息、在受控條件下寫入標簽信息、智能ODN化的光纖調配、資源數據采集、端口定位指引等功能。

智能ODN設備組成，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， 根據不同的應用場景， 可選擇一個或多個功能模塊組成組配單元完成光配線設備具有的光纖連接、分配和調度等功能， 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備， 提供管理操作界面， 主要完成智能ODN設備的接入管理功能和現場施工管理功能。

總結起來，智能ODN應具有五個系統特性。

1）使用電子標簽對光纖進行標識；

2）智能ODN系統支持端口資源的自動化管理，實現對端口狀態的監測、端口可讀寫插入的跳纖或尾纖上的電子標簽內容、端口可控制點燈等實現跳接施工指導；

3）光纖連接自動校驗，支持光纖跳接等現場操作的自動化校驗，保證光纖連接的正確性；

4）支持端口資源及光纖對應的電子標簽ID數據自動采集及資源數據的自動同步、自動巡檢；

5）支持可視化端到端光纖路由生成和拓撲顯示，便于故障的快速確認和恢復。

五、總結與展望

諸多新技術的涌現，以及綠色低碳、可持續發展戰略的大力推行，如何低成本、高效的建設光接入網成為各個運營商的關注重點。

縱觀PON網絡發展進程，即是向著“低成本，高容量，廣覆蓋，全業務，高互通”的目標發展。另一方面，由于ODN管理及前期粗放式發展帶來的弊端，基礎設施資源已日漸匱乏，如果未來仍舊以這樣老舊的模式繼續建設，將導致運營商受基礎建設拖累，缺乏資金大力推進光網絡發展的尷尬境地，在當今激烈競爭的環境下，最終將陷入營收負利潤的結果。

光接入網的針對性優化目的是為了網絡能夠更好地適應業務和傳輸技術的發展。目前，優化方案已經在業務區按階段分布實施，取得了較好的效果，在規劃期內能達到預期的效果。

隨著FTTx成熟與完善，網絡規模的擴大，運營商投資建設的天平向移動領域傾斜，接入網不斷被邊緣化，配合更高密度的站點建設將是下一步接入網網絡規劃考慮的重點，通過規劃設計確立下一代P0N的基礎架構，0DN的布線原則和方式等，更有利提高光接接入網的開通率。

但隨著宏站覆蓋小區范圍的變小，以及最優的站點位置往往無法得到，進一步的小區分裂難以進行， 只能通過增加低功率節點數量的方式提升系統容量， 這就意味著站點部署密度的增加，至于更密集的網絡布放是否會對今后的光網絡結構產生影響，使得基礎設施面臨調整，還需要不斷地跟蹤和探討。