PON技术标准的发展和演进.doc

PON技术标准的发展和演进陈 洁信息产业部电信研究院 北京 100045摘要：详细介绍了PON技术的发展历程以及ITU、IEEE、CCSA等标准化组织在PON技术领域的标准化情况，最后介绍了几种下一代PON技术的特性和研究进展。关键词：PON 标准化 WDM-PON 1 国际标准化进展情况PON技术可细分为APON、EPON、GPON、2.5 Gbit/s EPON、10 Gbit/s EPON和W D M-P O N 技术等多种， 目前I T U（International Telecommunication Union，国际电信联盟）、FSAN（Full Ser v i ceAccess Network，全业务接入网联盟）、IEEE（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，美国电气电子工程师学会）、Broadband Forum（原DSL Forum）都在进行相关PON技术的标准化工作，但关注点和侧重点各不相同。1.1 ITUITU-T G.983.x和G.984.x系列标准分别对APON和GPON技术进行了非常完整的标准化工作，包括光收发器接口参数、传输汇聚层、带宽分配管理、远程管理、波长分配等。APON由于以ATM技术为基础，早已随着ATM技术的隐退而退出中国市场，仅存在于北美市场。GPON是ITU-T继APON之后推出的新技术标准，主要针对APON技术未能获得成功的原因，以APON标准为基本框架，重新设计了新的物理层传输速率、封装格式和传输汇聚层。ITU-T G.984.x系列标准目前主要由以下6个标准组成，随着技术的发展，有可能会增加新的标准。l G.984.1 Gigabit-capable PassiveOpt i c a l Netwo r k s (GPON): Ge n e r a lcharacteristicsl G.984.2 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): PhysicalMedi a Dependent (PMD) layerspecificationl G.984.3 Gigabit-capablePassive Optical Networks (GPON):Transmission convergence layerspecificationl G.984.4 Gigabit-capablePassive Optical Networks (GPON):ONT management and controlinterface specificationl G.984.5 Enhancement bandfor gigabit capable optical accessnetworksl G.984.6 Gigabit-capablePassive Optical Networks (GPON):Reach extension在G . 9 8 4 . x 系列标准中，G.984.1、G.984.2、G.984.3和G.984.6都已经稳定，G.984.4由于OMCI协议在GPON设备实现和互通测试中发现较多问题而在不断被修改和更新，不久也有可能对G.984.5标准进行修改。G.984.4规范了ONT远程管理接口和协议，备受运营商和设备厂商的关注，也成为ITU会议上争论的焦点。目前除了对标准文稿进行勘误修订外，该标准修改讨论的重点主要包括4个方面：l MI B 同步流程， 特别是ONT启动过程中的MIB同步流程；l L2业务和GEM Port之间的映射模型，映射标识基于VLAN还是P-bit；l ONT省电模式；l QoS相关MIB。其中，L2业务和GEM Port之间的映射模型是影响OLT和ONU设备之间多厂商互通的关键因素。ITU在不断完善GPON标准的同时，已经开始考虑下一代的NPON技术标准，目标是更高传输速率和更大分路比，并试图将10 Gbi t/sEPON和NPON在管理层面上进行融合。1.2 FSANFSAN是一个由欧美电信运营商主导的、专注于光接入技术的国际标准化组织，其成员大部分活跃在ITU-T光接入技术标准工作组，是ITU-T在光接入网技术领域方面的技术支撑组织。其技术文稿基本都输出至ITU-T并被采纳为ITU标准，著名的APON和GPON相关系列标准G.983.x和G.984.x技术文稿实际上都来自该标准化组织。FSAN的宗旨是通过一种接入技术实现语音、数据和视频全业务接入并能保证业务服务质量，因此很早就将研究目标锁定在PON技术上，从早期的APON技术发展到现在的GPON技术。FSAN推出GPON技术的最大原因是网络IP化进程加速和ATM技术的逐步萎缩，这导致之前基于ATM技术的APON/BPON技术在商用化和实用化方面严重受阻，迫切需要一种高传输速率、适宜IP业务承载同时具有综合业务接入能力的光接入技术出现。F SAN目前的工作重点是研究和推进GPON系统OLT和ONU不同厂商间的互联互通， 为此成立了GPON OMCI实现研究组（OISG），专门负责研究在满足业务实现的基础上，简化OMCI协议并细化具体流程。O I S G已经完成的技术内容包括：l OMCC建立流程；l ONT启动流程；l MIB和告警同步流程；l ONT物理层能力和软件能力发现；l 软件镜像下载；l 电路包配置管理；l 远程调试；l 省电模式。OISG目前正在研究的技术内容主要是L2业务和GEM Port之间的映射模型以及DSL Forum WT-156规定的QoS需求对于GPON的适用程度，这也是争议最大的两个问题。FSAN通过制定相关技术标准来规范GPON设备的实现，同时还定期组织多厂商的OLT和ONU设备进行互通测试，通过互通测试发现技术标准文件内容的不足，从而加以修改和补充。1.3 IEEE在1998年发布了吉比特以太网标准之后，从2000年开始，IEEE通过成立802.3ah即EFM（Ethernet forthe First Mile，第一英里以太网）工作组的方式开始了EPON的标准化工作。IEEE于2003年完成了EPON技术的标准化工作，它以吉比特以太网技术为基础，通过MAC层之上的MPCP（Multi-Point ControlProtocol，多点控制协议）来实现PON的P2MP（Point to Multi-Point，点到多点）传输方式。该标准从设备制造商角度进行制定，协议实现简单，但OAM能力较弱。IEEE制定EPON标准的基本原则是尽量在802.3标准体系结构内进行EPON的标准化工作，最小程度地扩充以太网MAC协议。为了支持PON这一新应用和新介质，IEEE在研究P2P（Point to Point，点到点）光纤以太网（速率最低为1000 Mbit/s，距离至少为10 km）的基础上定义了新的网络拓扑和相应的物理层，即P2MP光纤以太网（速率最低为1 000 Mbit/s，距离至少为10 km）。此外，EPON以MAC控制子层的MPCP为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构，涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。在GEPON技术标准获得成功应用的基础上，IEEE在两年前开始制定10 Gbit/s EPON技术标准，目前已经发布了2.0版本的标准草案。1.4 Broadband ForumBroadband Forum的前身是DSLF o r u m，原来是一个专注于研究DSL技术的国际标准化组织，从运营商的业务需求出发，在DSL传输能力、线路诊断、互通性、业务模型等方面进行了深入的研究，发布了一系列技术报告，是xDSL技术领域的领导者。Broadband Forum发布的TR-101技术标准定义了基于以太汇聚网的接入网网络架构，从业务应用层面对互联互通、VLAN规划、QoS、组播业务、安全等方面进行了规范。该标准填补了国际标准化组织在接入网业务应用架构方面的标准空白，因此获得了运营商和众多设备厂商的认同。目前，Broadband Forum在TR-101标准的基础上制定了WT-156技术标准，该标准目前已经进入意向性投票阶段，即将制定完成并发布。WT-156将GPON引入TR-101定义的网络架构中，从业务应用对网络的要求出发，规定了OLT和ONU在实现语音、数据、视频三重播放业务能力时的功能要求。具体技术内容包括：l 基于以太汇聚网的网络架构；l 参考点和接口协议栈；l VLAN规划；l QoS；l 组播业务实现；l 安全；l 端口定位；l OAM。以T R-1 0 1 的成功为基础，WT-156在业界获得了很高的认同，FSAN在制定GPON OMCI实现指导文件时也开始考虑WT-156提出的功能需求。2 国内标准化进展情况从2 0 0 0 年开始， C C S A（China Communications StandardsAssociat ion，中国通信标准化协会）开始陆续制定和发布多项与PON技术相关的通信行业标准。目前已经完成或正在制定中的标准包括：l 窄带PON设备技术规范、设备测试规范；l APON设备技术规范、设备测试规范；l EPON设备技术规范、设备测试规范；l EPON设备互通技术规范、互通测试规范；l GPON设备技术规范（包括4个部分）、设备测试规范；l 宽带光接入网总貌；l F T T H体系架构和总体要求；l PON设备安全技术规范、安全测试规范；l 2.5 Gbit/s EPON技术规范；l GPON互通技术规范。在上述标准中，“E PON系统互通技术规范”从EPON系统层面对IEEE 802.3ah进行了补充，对OLT、ONU上的L2功能、QoS能力等进行了明确规定，特别是对EPON OAM进行了大量的扩展，实现了EPON系统不同厂商OLT设备和ONU设备之间IP业务的互通。该标准得到了业界的极大认同，IEEE802.3av工作组主席在IEEE会议发言中表示该标准已在中国推广并广泛采用。一些国外运营商也纷纷表示愿意采用该标准来规范当地的EPON设备。3 新一代的PON技术标准多个标准化组织已经开始制定新的P O N 技术标准， 包括2.5 Gbit/s EPON、10 Gbit/s EPON等。3.1 2.5 Gbit/s EPON2.5 Gbit/s EPON是GEPON的升级版本， 力图通过尽量小的改动实现2倍的下行速率。2.5 Gbit/s EPON的主要技术特性包括以下几个方面。（1）2.5 Gbi t/s EPON支持2种速率模式。模式1：下行速率为2.5 Gbit/s，上行速率为1.25 Gbit/s；模式2：下行速率为1.25 Gbit/s，上行速率为1.25 Gbit/s。（ 2 ） 2 . 5 Gb i t / s E PON与GEPON使用相同的上下行波长。（3）2.5 Gbi t/s EPON使用双8B/10B编码，即使用2组独立的8位/10位宽数据总线，总线时钟频率仍为125 MHz。（4）2.5 Gbit/s EPON使用新的PMD层参数。2.5 Gbit/s EPON系统通过工作在上下行1.25 Gbit/s速率模式来后向兼容1 Gbit/s EPON系统，具体兼容性要求如下：（1）2.5 Gbi t/s OLT应支持通过网管系统人工配置速率模式，即人工配置OLT工作在下行速率为2.5 Gbi t/s或1.25 Gbi t/s模式下；（2）1 Gbit/s ONU根据OLT的_下行工作速率来决定能否加入网络，2.5 Gbit/s ONU根据OLT的下行工作速率来选择工作在下行速率为2.5 Gbit/s或1.25 Gbit/s模式下。3.2 10 Gbit/s EPONIEEE 802.3av对10 Gbit/s EPON技术进行了规范，它重用了802.3ah定义的GEPON的MAC层，但采用了全新的物理层结构，主要技术特性包括：（1）支持3种速率，分别是上下行速率为10/10 Gbit/s，上下行速率为1/1 Gbit/s和上下行速率为1/10Gbit/s；（2）支持3种传输距离，分别是10 km、20 km和30 km；（3）不同速率模式通过WDM方式实现共存；（4）全新的PMD层参数；（5）全新的PCS子层，采用64B/66B编码。值得注意的是，从协议栈定义来看，1 Gbi t/s EPON可平滑升级到2 . 5 G b i t / s E P O N 或者10 Gbit/s EPON，但2.5 Gbit/s EPON和10 Gbit/s EPON无法兼容。3.3 WDM-PON虽然WDM-PON在近年来才得到越来越多的来自学术界和产业界的关注，但其实早在20世纪90年代中期就已经提出了相关的概念。由于当时没有业务有极高的带宽要求，再加上光器件的工艺尚不成熟，成本也居高不下，因此并未引起人们的重视来进行商业化。多年以后，各方面的情况都发生了改变，WDM-PON已逐步开始了商业化进程，在韩国，K T 已经部署了超过1 0 万线的WDM-PON系统投入运营。一个典型的WDM-PON系统通常由OLT、RN和若干ONU组成。OLT通常放在中心局里，内部有接收机和发射机阵列，通过一根承载多波长信号的光纤连接到RN。RN通常置于室外环境，主要工作器件是无源AWG（Arrayed WaveguideGrating，阵列波导光栅），用于组合和分割不同波长的信号，并通过多根光纤分别连接到各个ONU。ONU的接收机和发射机都需要工作在特定的波长范围。WDM-PON系统中，OL