面向客戶感知，10G PON打造光纖高速公路

蔣銘　中國電信上海研究院教授級高級工程師

張德智　中國電信上海研究院工程師

面向客戶感知，10G PON打造光纖高速公路

蔣銘中國電信上海研究院教授級高級工程師

張德智中國電信上海研究院工程師

基于寬帶接入網高帶寬業務的發展和競爭驅動，運營商開始部署10G PON網絡。本文分析10G-EPON和XG-PON的標準及產業鏈進展，提出了運營商在部署10G PON時需要解決的網絡建設模式、平滑升級、異廠商互通性和智能化家庭組網等關鍵問題，以及相應的解決方案和建議。

千兆寬帶；10G-EPON；XG-PON；雙模光模塊；互通性

1　引言

按照2013年國務院發布的“寬帶中國”戰略和實施方案，在優化升級階段（2016—2020年），要求50％的城市家庭用戶的寬帶接入能力達到100Mbit/s，發達城市部分家庭用戶達1Gbit/s。運營商在貫徹實施“寬帶中國”戰略的過程中，持續開展寬帶接入網提速工作。

互聯網技術的發展和創新使4K/8K超高清視頻、VR、AR、3D電視、移動多媒體等新興業務不斷涌現，信息傳輸帶寬的需求一直在以爆炸式的速度增長。4K業務的內容、終端在2015年逐漸成熟，逐步市場化；8K業務預計在2020年也會逐步普及。受4K/8K視頻業務等應用爆發性增長的流量需求驅動，固定寬帶接入也會相應的進入超百兆，甚至千兆時代。

另外，國內寬帶市場競爭激烈，運營商“營銷帶寬”不斷攀升，部分運營商已經開始提供超百兆，甚至1000M帶寬的接入業務。運營商們一方面通過升級網絡能力，來解決今后帶寬瓶頸限制，從而提升用戶體驗；另外一方面通過提高帶寬的手段實現差異化競爭，通過規模提供百兆業務，大幅提升固網運營商的競爭力。例如在部分發達城市和地區如香港、新加坡、日韓、北美，許多運營商都已開始規模商用10GPON技術，提供千兆寬帶業務。

通過升級PON光纖接入技術，提高寬帶接入網容量是解決今后寬帶接入能力瓶頸的有效手段。在快速增長的帶寬需求以及市場競爭的雙重驅動下，國內運營商逐步開始規模商用10GPON，從1GPON時代跨越到10GPON時代。

2　10GPON標準和產業鏈進展

10GPON技術能夠為超百兆帶寬業務、4K、8K甚至VR等大流量業務在接入能力上提供很好的支持，因此是運營商在寬帶接入網絡技術升級時的必經之路。延續EPON和GPON的技術體制，10G速率的PON技術可以分為兩種：10G-EPON和XG-PON。

10G-EPON是IEEE定義和標準化的10G速率PON技術，可分為對稱模式和非對稱模式。10GEPON國際標準802.3av在2009年正式發布，并受到光接入產業界的普遍支持。光模塊廠商、芯片廠商、設備廠商和運營商都投入很大精力促進其發展，并逐步解決了一系列關鍵的技術問題。目前，10G-EPON光模塊、MAC芯片以及接入設備都已經成熟，可以規模商用。經過2～3年的運營商集中采購，10G-EPON設備價格也在逐年下降，性價比提升明顯。10G-EPON對稱的OLT PON口比非對稱的OLT PON口價格僅高出20％左右，考慮到未來上行帶寬發展需求，在部署和升級中OLT采用對稱模式更具有運營潛力。另外，為給未來PON技術升級提供更大的可用波長范圍，中國電信正著手將非對稱10G-EPON系統的上行波長范圍從1260～1360nm收窄到1260～1280nm。

XG-PON是ITU-T G.987系列標準規定的上行速率2.48832Gbit/s，下行速率9.95328Gbit/s的PON技術。XG-PON的產業鏈也發展迅速：光模塊已經比較成熟，國內多家光模塊廠商可提供N1功率預算等級的模塊；市場中存在多家商用芯片供應商，主流系統廠商如華為、中興和烽火也均能提供XG-PON OLT設備和MDU設備。待異廠商互通性及平滑升級等問題解決后，XG-PON預計于2017年可規模商用。

XGS-PON是ITU-T G.9807.1標準規定的上下行對稱9.95328Gbit/s速率的PON技術。XGS-PON在標準中通過多項技術設計實現與XG-PON的共存，并且希望達到加速商用的目的：重用XG-PON的波長，上行波長范圍為1260～1280nm；物理層參數定義中，下行方向與XG-PON一致，上行方向基于10G-EPON PR30等級的光參數進行定義并略有提高，以重用10GEPON對稱模式光器件的產業鏈；XGS-PON OLT端口在上行方向通過雙速率接收支持XG-PON ONU和XGS-PON ONU在同一ODN共存。ITU-T于2016年發布XGS-PON標準，產業鏈中主流系統廠商正在開發相關設備。目前，XGS-PON在核心光器件的穩定性、良品率等方面仍然有待突破，尚不具備規模商用能力。

3　10GPON規模運營中的思考

在規模部署10G-EPON/XG-PON的過程中，運營商遇到的最大挑戰是如何在有效保護投資、滿足用戶業務需求的情況下，將現網的EPON/GPON網絡對應升級到10G-EPON/XG-PON。所涉及到的關鍵技術問題有網絡建設方式、平滑升級、異廠商互通性以及智能化家庭組網以提升用戶感知。

3.1網絡建設方式

新建區域內10G PON的建設可以按照網絡規劃建設的目標逐步推進。在改造區域，可以分場景進行升級。其中FTTH場景下，為了實現用戶“即要即裝”，降低割接成本和管理的復雜度，OLT應以機框為單位全部升級到10G PON，10G-EPON/XG-PON終端設備可按需更換；FTTB/FTTN場景下，OLT和MDU可在工程階段一次性改造完成支持10G PON，以避免二次割接。

3.2平滑升級

現網已經部署和運行著大量的GPON/EPON設備。這些設備向10G PON升級應采用逐步推進、平滑升級的方式，無法一蹴而就。而如何在不影響現有業務的前提下，實現向10G PON網絡的平滑升級，對現網部署和運營來說，是一個非常實際且重要的問題。只有通過簡潔、經濟高效的升級解決方案，簡化工程施工，降低復雜度，才能切實推進10G PON的規模部署和千兆寬帶商用。

10G-EPON受益于標準中波長規劃方面的設計，可提供支持平滑升級的解決方案。10G-EPON采用1577nm作為10Gbit/s下行信號的中心波長（波長范圍1575～1580nm），在下行方向上確保了與EPON系統下行1Gbit/s信號的良好隔離。上行方向中，非對稱模式的上行波長仍然沿用EPON系統的上行波長定義實現與EPON的無縫兼容，對稱模式的上行信號中心波長（速率為10Gbit/s）采用1270nm（波長范圍1260～1280nm），并通過雙速率TDMA方式與非對稱模式的上行信號實現共存。目前，業界提供的對稱模式OLT（集成1G-EPON功能）可同時接入EPON終端、非對稱10G-EPON終端以及對稱10G-EPON終端。EPON平滑升級到10G-EPON示例如圖1所示。

圖1　10G-EPON的平滑升級示例

GPON網絡向XG-PON網絡升級時，首先需要根據GPON OLT采用的光模塊類型Class B+/C+選擇光功率預算對應的XG-PON光模塊ClassN1/N2。為實現GPON和XG-PON的同ODN共存，早期共存升級需要引入外置WDM1r并采用合分波方式。若采用這種方式，在現網實際部署時需考慮如下3個問題：

（1）ODN的光功率預算：GPON網絡的現網部署已經超過5年，ODN網絡在長期使用中存在部分劣化的問題。部分劣化的ODN，會增加光線路插損，消耗工程建設中預留的光功率預算余量。外置WDM1r的引入至少會帶來1.5dB的額外插損，從而進一步消耗有限的光功率預算余量。因此，該方式最關鍵的問題是如何確保升級后ODN仍有足夠光功率預算，使得在網GPON用戶的業務不受影響。

（2）機房空間：該解決方案需要新增XG-PON板卡/機框、新增WDM1r器件/板卡，因此要求機房有足夠的空間放置上述新增板卡/機框，并且光纖工程走線順暢。

（3）OSS系統改造：現網EPON/ GPON網絡已經建立完善的OSS系統及流程，在升級時需要對現網OSS系統和流程進行改造升級，實現對于10G PON的支持。在改造過程中影響面應盡可能小，實現復雜度低，且能保證10G-EPON和XG-PON在OSS系統和流程上的一致性。

考慮到上述因素，早期的共存升級方式，比較適合于ODN光功率預算余量超過3dB且機房空間富裕的場景（見圖2）。

為在現網升級中降低割接工作量、保證用戶的業務質量，中國電信提出了GPON/XG-PON雙模光模塊方式。該方式在OLT光模塊中內置GPON/XG-PON光收發器和WDM1r，因此升級中無需在OLT設備外額外增加器件，實現方式靈活，但雙模光模塊的實現具備一定難度。目前，主流的光模塊廠商已經能提供ClassB+/N1級別的雙模光模塊，預計2016年底會推出ClassC+/N2級別的光模塊。如圖3所示，在雙模光模塊方式下，ODN的光路預算和GPON網絡保持一致，且升級方式與10G-EPON相同：將GPON板卡替換為雙模PON板卡；ODN可以混合接入GPON/XG-PON終端；OSS的流程和相關系統改造也可與10G-EPON保持一致。

圖2　GPON/XG-PON外置合波共存方式

圖3　GPON/XG-PON雙模光模塊共存方式

GPON網絡向XGS-PON網絡升級時，升級方式與前述GPON向XG-PON升級方式類同。XG-PON網絡向XGS-PON網絡升級時，可以通過更換OLTPON線卡的方式，而ODN網絡不需要改造。另外，升級到XGS-PON網絡時，也可采用GPON/XG-PON/XGSPON三模光模塊方式，實現同一個ODN中GPON、XGPON以及XGS-PON的共存。

3.3異廠商的互通性

異廠商的互通性能夠打破單一廠商的設備壟斷，實現OLT和終端的獨立采購，降低終端采購成本，推動家庭網關產業鏈的快速發展，是10G PON部署時需要解決的關鍵技術問題。中國電信EPON和GPON網絡中已經實現了異廠商的互通性部署，主流廠商OLT下已接入至少10余家網關廠商，20余款終端設備。

EPON與10G-EPON在上行方向通過TDMA的方式共存，因此10G-EPON的異廠商互通性，除了要實現與異廠商10G EPON網關的互通外，還需要與現網中各種型號和版本的EPON網關實現互通。中國電信早在2010年就已經在實驗室完成了10G-EPON的異廠商互通性，并且在2012年開始規模采購支持互通的10G-EPON設備。目前，上海電信已經在現網實現異廠商的互通部署，并且支持和現網EPON網關進行混合組網。

與10G-EPON相比，XG-PON的互通性進展略慢，中國電信已經組織多次實驗室測試，并于2016年6月在中國電信上海研究院的實驗室中完成異廠商互通性測試，現正組織互通性現場試驗，預計在2016年底能夠實現互通。

3.4智能化的家庭終端和優化的家庭組網

網絡建設的升級，用戶帶寬的提速必須通過更多的用戶業務、更好的用戶體驗來實現價值。因此，需要構建智慧家庭的整體架構：以智能網關為入口，優化家庭Wi-Fi環境，打造智能家庭應用服務，強化寬帶產品差異化能力，提升寬帶產品黏性。

家庭網關是家庭的入口，是運營商對家庭終端管理的平臺，是智慧家庭的核心終端。網關智能化的方向是在增強的硬件能力基礎上引入智能操作系統和智能應用，新增手機APP等智能操控能力，拓展智能應用的集約運營能力。10GPON網關產業鏈處于起步階段，市場上已有多款10G-EPON網關，可商用的XG-PON網關則還有待推動。目前，10G PON網關的成本較高，其中光模塊成本占50％以上，直接影響了網關的規模應用，因此急需推動10GPON網關產業鏈的成熟，降低終端價格。從保護投資的角度，網關應采用獨立SFP接口，光模塊支持靈活插拔，從而在網關更換過程中重復利用光模塊，并可通過模塊的更換將網關在對稱和非對稱模式之間快速切換。

圖4　家庭內部EoC組網示例

家庭內部組網是用戶體驗提升中最關鍵的一環。家庭用戶對于帶寬使用已經從傳統的有線連接方式轉向無線方式為主，家庭中各種無線終端都有接入到網絡的需求。因此，在家庭內部實現完善、高效的Wi-Fi覆蓋以及有線網絡覆蓋十分必要。聚焦無線感知的家庭組網，根據房型合理規劃AP放置點，結合802.11ac 等Wi-Fi新技術可實現優化的無線覆蓋。對于家庭內部網絡部署不充分的用戶，可以依托既有的家庭電力線、電話線、同軸電纜等介質，實現家庭內部互聯，主要連接方式有：EOC（EthernetOverCoax，通過同軸電纜傳輸以太數據）；PLC（PowerLineCommunication，通過電源插座和電線互連傳輸以太數據）。圖4給出了EoC組網的示例。

運營商已逐步認識到家庭網絡的重要性，正在探索相應的商業模式。上海電信針對家庭內部組網提供延伸服務，針對有組網提升需求的客戶，提供標準化專業組網服務。中國電信也在開始組織制定相關的規范。

4　結束語

基于帶寬需求的快速增長，以及市場競爭的雙重驅動，EPON和GPON網絡正在向10GPON時代升級演進。10G-EPON的標準和技術經過多年發展已經成熟，設備具備規模商用能力；XG-PON預計于2016年完成互通，2017年具備商用能力。10GPON的部署運營中涉及到的網絡建設模式、平滑升級、異廠商互通性和智能化家庭組網等諸多關鍵問題，需要運營商因地制宜地制定策略來應對。而10GPON技術的逐步規模商用，也一定可以幫助運營商升級寬帶接入網，打破帶寬瓶頸限制，提供面向新業務的高速接入能力，提升家庭用戶的體驗，大幅提升固網運營商的競爭力。

Utilizing 10G PON to construct optical access highway

JIANG Ming，ZHANG Dezhi

With the development of high bandwith services and the market competence，the operators begin to deploy 10G PON access network.This paper analyzes the standarizaion of 10G-EPON and XG-PON，as well as the development of associated industry chain.The series of key issues are discussed with constructive proposals，including network construction strategy，co-existence and smoothly migration，interoperability and intelligent home networking.

gigabit service；10G-EPON；XG-PON；dual mode optical module；interoperability

2016-08-26）