光通信技术发展概述

光通信技术发展概述（上）熊伟成wchxiong@2010-11-30从宏观角度认识通信网络了解各种电信业务的基本实现流程了解当前主要光通信技术的基本原理及发展趋势课程的目的通信网络整体概述光接入网概述和主要技术光城域网概述和主要技术光骨干网概述和主要技术课程主要内容光通信网络发展概述宽带接入网主要技术光接入网技术现状和技术特点光接入网未来技术发展趋势提纲“三网融合”追溯通信网发展“三网融合”指的哪“三网”？广播电视网传统电信网计算机网TriplePlay5城域网接入网至省干广播电视网国际局省局省局市局市局端局端局用户A用户B省际网本地网省内网国际网光纤数字化铜线接入省级长途交换中心（省会城市）国际长途交换中心本地网交换中心（地、市）端局（县局、市话局）传统电信网络——PSTN程控交换机光传输设备程控交换机光传输设备电信机房电信机房计算机网络第一代计算机网络——远程终端联机阶段第二代计算机网络——计算机局域网网络阶段第三代计算机网络——计算机网络互联阶段第四代计算机网络——国际互联网与信息高速公路阶段BCDA三网发展共性——数字化、光纤化广播电视网传统电信网计算机网HFC网络现代电信网络三网融合网络调制解调技术数字化CATVDSL技术VoIP技术光纤承载CATV光纤承载IP数字化技术发展光纤化技术发展IP/MPLS/DWDM骨干网多业务综合接入CableModem媒体网关移动业务WLANIP电话宽带上网视频通信带宽批发NGN/IMS网络平台光城域网国际互联互通虚拟ISP业务平台VPNPSTN宽带无线接入WLANxDSLEthernet宽带接入信令网关2G/3G/4G现代光通信网络PTNAccessSDHAggregationMSCServerMGWSGSNGGSN3GCNRNCSRBASCore固定网络用户商业网络用户移动网络用户STM-N、FE、GE、10GE、OTN、E1、PONSTM-N、E1、FE、GE、PON、DSL、POTSIPCORENGNSROTU/ODUWDM/OTN光通信网络层次结构OTU/ODUOTU/ODUOTU/ODU光通信网络发展概述宽带接入网主要技术光接入网技术现状和技术特点光接入网未来技术发展趋势提纲宽带数据接入网络骨干节点Manager&AAA城域核心

综合接入BRASRTUONUBRASL3城域汇聚DSLAMMSAGLANOLTInternetL3BRASL3L3宽带数据接入网，主要向用户提供宽带上网业务。骨干网设备主要由核心路由器组成，覆盖省级节点。城域网主要由路由器、交换机及传输设备组成，覆盖市内局点。接入网的技术种类和设备型态较多，主要有DSL、LAN、PON等技术，覆盖区局到用户约1公里范围。

接入网主要设备ModemDSLAM路由器交换机OLTFTTCONUFTTBONUFTTHONUBRASADSL2+PONADSL2+VDSL2CentreofficeHomeADSL2+/VDSL2ONTADSL2+10/100Base-T1km2kmIPDSLAMGECurbBuildingSplitter1xNDSL光纤以太网FTTHGEDSLIPDSLAMSwitchSwitch宽带接入主要组网接入技术带宽与距离<1Mbps3M8M25M100MADSL/ADSL2+CopperBasedVDSL/ADSL2+CopperBasedPONFiberBased2002200320062010时间带宽互联网视频会议远程控制接入技术业务需求VoD标清电视视频会议Game实况TVVoDHDTV<3km<2km<1km~20km覆盖半径三大优势：1、更远的传输距离：采用光纤传输，接入层的覆盖半径20KM；2、更高的带宽：对每用户下行2.5G/上行1.25G（物理层）；3、分光特性：局端单根光纤经分光后引出多路到户光纤，节省光纤资源。PON与DSL接入对比L3交换机BAS/SR模块局机房端局机房小区机房楼道OLT双芯光纤DSLAM端局机房单芯光纤分路器ONUInternetInternetBAS/SRMC+LAN网络结构PON实现FTTN网络结构光纤覆盖距离大，避免铜缆割盗路边交接箱ONUONU楼道更大容量带宽支持全业务接入馈线铜缆投资大，覆盖距离有限、需要大量模块局机房DSLAMModem从端局直接覆盖用户，节省机房投资和维护成本PON与LAN接入对比L3交换机BAS/SR小区中心机房端局机房小区2级机房楼道OLT双芯光纤L2交换机城域机房单芯光纤分路器ONUInternetInternetBAS/SRMC+LAN网络结构PON实现FTTN网络结构节省光纤、管道资源路边交接箱ONUONU楼道管理能力完备简化网络结构，降低运维成本无需建设小区机房光通信网络发展概述宽带接入网主要技术光接入网技术现状和技术特点光接入网未来技术发展趋势提纲光纤接入技术分类点对多点光纤接入技术点对点方式：需要2N个收发模块，光纤总长度为N*(D1+D2)。点对多点方式：需要N+1个收发模块，光纤数量为(D1+N*D2)。假设有32个用户，D1的距离为5000m，D2的距离为50m，则：点对点方式需要64个光模块，点对多点方式仅需要33个光模块，节约近50％；点对点方式需要（5000＋50）×32＝176000m光纤，点对多点方式仅需要5000＋50×32＝6600m光纤，节约光纤超过96％。总体来看，PON技术的关键是在线路中引入了无源的分路器，这使得系统设备的理论成本和线路成本均可以较传统的P2P技术有较大幅度的优化，还可以增强OAM能力和QoS水平；另外，由于分路器是无源器件，维护简单，环境适应能力强。光纤以太网技术的两种使用方式：点到点以太接入N根光纤，2N个光收发器管理独立小区交换机接入只需铺设1或2根光纤到小区2N+2个光收发器设备占用局端机房空间小在传输过程中需要有源设备设备分级管理PON的接入方式：只需铺设1或2根光纤到小区需N+1个光收发器设备占用局端机房空间最小传输中不需有源设备设备集中管理局端用户局端用户小区交换机以32个结点为例32/64根光纤64个收发器P2PP2P1/2根光纤66个收发器局端用户分光器P2MP1根光纤33个收发器光纤接入技术分类MediumAccessLogicTXRXWDMDatatotransmitDatareceived局端设备OLT用户端设备ONU1:N光分路器λ1λ21：32coupler构造1：32coupler的内部構成制造方法张力张力这个部分加熱光路（光分波・合波）无反射遮光单模单芯光纤MediumAccessLogicTXRXWDMDatatotransmitDatareceived点对多点光纤分路技术什么是PONPassiveOpticalNetwork无源光网络OLTONUOpticalLineTerminal光线路终端OpticalNetworkUnit光网络单元PassiveOpticalSplitter

无源分光器PSTNInternetCATVONUONUPON是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络；

PON由光线路终端OLT（OpticalLineTerminal）、光网络单元ONU（OpticalNetworkUnit）和无源分光器POS（PassiveOpticalSplitter）组成；PassiveOpticalSplitter

无源分光器PON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输（强制）。为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术：下行数据流采用TDM技术；上行数据流采用TDMA技术。PON的原理——信号复用1490nm1310nmPON基本原理－下行传输下行数据广播发送，每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃其他用户的数据下行数据的安全？PON基本原理－上行传输上行数据分时发送，各ONU的发送时间与长度由OLT集中控制－－TDMA的接入机制上行数据的同步？OLT和ONU的工作职责ONU的操作ONU通过下行控制帧的时间戳同步于OLT；ONU等待发现帧（gate）ONU进行发现处理，包括：测距，指定物理ID和带宽。ONU等待授权，ONU只能在授权时间发送数据OLT的操作产生时间戳消息，用于系统参考时间通过MPCP帧指配带宽进行测距操作控制ONU注册PON的原理——ONU自动注册自动化注册不必等序列号登记认证以后才使能数据通路PON的技术发展相同的拓扑——P2MP光纤APONEPONGPON封装协议不同FSAN提出，ITU-T标准化；ATM封装；目前标准化最完善；没有得到市场认可。IEEEEFM工作组标准化，编号802.3ah；以太网封装；即将形成正式标准；产品开始在市场上迅速应用。FSAN提出，ITU-T标准化；ATM、GEM封装；标准正在逐步完善；支持厂家极少。在这些PON之前，还有ITU-T窄带PON标准，有相当数量的产品在国内应用。ATMPON的众多技术被其它PON所直接继承引用。MAC地址前同步码目的地址源地址长度数据FCS84266可变EPON直接借用以太网帧LLC首部可变MAC首部MAC数据FCS数据高层数据EPON数据链路层直接使用以太网帧，仅修改前导码最后2个字节。GPON的基本特性GPON采用125

s定长的帧结构，每秒8千帧。GEM（GPONEncapsulationMethod）是GPON技术优势的集中体现，它直接采用了GFP的技术（ITU-TG.7041）。GPON支持不对称线路速率，下行2.488Gbit/s，上行1.244Gbit/s。GPON的协议结构GPM：ODN规格、光接口参数、物理层开销等传输汇聚层：实现复用、DBA、告警性能等GEM封装：实现多业务支持能力物理层OAM：ONU注册、加密等ONU管理控制接口：业务管理和FCAPSOAMcontrolOAMcontrolDownstream125ms125msATM(optional)ATM(optional)Ethernet(overGEM)Ethernet(overGEM)GPON下行帧格式GPON标准的SDH的125us的固定帧ONU更容易提取同步信号更好的延时和抖动性能EPON承载TDM业务没有具体定义时钟信息必须通过PWE3算法恢复不同厂家采用不同方法承载，互通性差GPON帧结构PhysicalControlBlockDownstream(PCBd)PayloadAllocIDStartEndAllocIDStartEnd11002002300500T-CONT1(ONT1)T-CONT2(ONT2)Slot100Slot200Slot300Slot500PLOuPLOAMuPLSuDBRuXPayloadxDBRuYPayloadyUpstreamBandwidthMap125usDownstreamFramingUpstreamFramingOLTONT1ONT64GPON帧结构GPONControlPLOAMOMCIGPONEncapsulationMode(GEM)PhysicalMediaDependent(PMD)GPONTransmissionConvergence(GTC)FramingEthernetTDMBearerTrafficGPON协议栈物理层OAM：ONU注册、加密等ONT管理控制接口：业务管理和FCAPSGEM封装：实现多业务支持能力传输汇聚层：实现复用、DBA、告警性能等PMD：ODN规格、光接口参数、物理层开销等GPON业务映射EPONGPONTCP+UDPetc.IPEthernetLayer2Layer3Layer4Layer5ormoreLayer1PON-PHYTDME1话音视频数据VoIPAES(Optional)AAL1/AAL2AAL5GEM

FramePON-PHYTDME1话音视频数据VoIPAES(Optional)Ethernet？ATM？GPON复用封装IFponONUONUONUT-CONTPortT-CONTPortPortT-CONTT-CONTPortPortPortPortPort不同的ONU用ONU-ID标识不同的T-CONT用Alloc-ID标识不同的GEM-PORT用Port-ID标识OLTONUT-CONTT-CONTGEMPortGEMPortGPONT-CONT树形共享媒体接入网络需要分布式复用功能，将需求不同的许多用户和业务汇聚在一起。为了保证QOS敏感的业务不受其他业务的影响，需要更高层次的汇聚，在GPON称为T-CONT。一个T-CONT对应一种带宽业务流，这种业务流有自己的Qos特征，Qos特征主要体现在带宽保证上，分为固定带宽，保证带宽，保证/不保证带宽，尽力转发，混合方式五种。T-CONT的主要是从带宽的保证角度而不是从业务的种类（如CBR，UBR等，这里包含了带宽、延时、抖动等等的考虑），来划分的。

时延敏感T-CONT类型类型1类型2类型3类型4类型5固定带宽是支持

支持保证带宽否

支持支持

支持非保证带宽否

支持

支持尽力而为带宽否

支持支持说明固定带宽，即使无业务也要占用保证带宽，无业务时释放，有业务时占用对于Assure部分有业务时一定保证，对于NotAssure部分当系统保证了Fix、Assure业务后，基于一定的算法分配当其它业务均保证后，才为此类分配带宽，且不超过设置的最大带宽分配一部分固定带宽（Fix），一部分保证带宽（Assure），一部分非保证带宽（NotAssure）GPON的DBA技术GPON系统采用SBA+DBA的方式来实现带宽的有效利用，GPON系统通过状态的上报以及OLT业务监视（非状态上报）支持动态带宽分配。GPON的状态上报DBA存在3种机制：PLOu-StateIndDBA;DBRu-Piggy-backDBA;PayloadDBA;PayloadUSBWMapDataReportPCBd下行方向上行方向OLTONT①②③④SR-DBA流程OLT根据上次计算的结果在下行帧头中下发BWMap。ONU根据带宽分配信息在规定的时隙上发送目前T-CONT中等待发送的数据状态报告。OLT收到ONU的状态报告后，经过DBA计算并更新BWMap，在下一帧进行下发。ONU收到OLT下发的BWMap消息后，在指定的时隙上发送数据。在OLT处监视从NSR-ONU/ONT来的信元数据流的算法过程(Procedure)：Step1：在确定的间隔(interval)内监视OLT接收到的信元数目。Step2：通过使用在Step1中的实时监控(realtimemonitoring)结果来计算利用速率(utilizationrate)。Step3：通过比较利用速率和极限值，来认识(recognize)拥塞程度。

DtijDiDjNSR(NonStatusReporting)-DBANSR-DBA实现PON关键技术——测距OLT通过Ranging测距过程获取ONU的往返延迟RTD（RoundTripDelay），从而指定合适的均衡延时参数EqD（EqualizationDelay），保证每个ONU发送数据时不会在分光器上产生冲突。OLT获取序列号和Ranging的过程都需要开窗，即QuietZone，暂停其他ONU的上行发送通道。PON的原理——测距原理补偿因ONU距离不同而产生的时延差异：RTT（RoundTripTime）在注册过程中，ONU对新加入的ONU启动测距过程OLT使用RTT来调整每个ONU的授权时间OLT也可以在任何收到MPCPPDU的时候启动测距功能。使用注册冲突避让：在PON系统中，解决ONU的注册冲突的方案有两种：随机延迟时间法和随机跳过开窗法。RTT=(T3-T1)-(T2-T1)=T3-T2GPON与EPON比较（1）线路速率编码方式带宽效率有效带宽（测试值）EPON上行1.25G下行1.25G8B/10B72％上行>940M下行>980MGPON上行1.25G下行2.5GNRZ92％上行>1210M下行>2480MGPON与EPON比较（2）29dB24dB20dBMaximumloss15dB10dB5dBMinimumlossPX30PX20PX10Table802.3ahforopticalpathloss30dB15dBClassC28dB25dB20dBMaximumloss13dB10dB5dBMinimumlossClassB＋ClassBClassATableG.984.2–Classesforopticalpathloss33dB18dBClassC+EPONFP+PIN激光器常规ODN：1：32分路比下传20kmGPONDFB+APD激光器常规ODN：1：64分路比下传20kmETH/TDMGEMGTC/T-contFlowcontrol/ClassificationGPON业务承载层PONQoS处理机制DBAVLAN/COS/PQ/GTS/POLICINGGPON与EPON比较（3）ETH/TDMTDM业务（非电路仿真方式）为面向连接，系统可以通过静态配置带宽严格保证面向连接的QoS。ETH业务（包括电路仿真方式的TDM业务）主要是基于二层VLAN、COS等标识进行业务的QoS处理GEM在GEM层主要是针对每个GEMPort进行业务流分类，类似于DSLAM的单PVC多业务的处理方式。针对流分类后的业务分别进行优先级修改、流量监管和转发处理。GTCQoS处理的最小单元是T-CONT，T-CONT可以看作是ONU业务流的承载容器，调度机制是DBA。DBA的算法是GTC的QoS处理性能的关键。ETH/TDMDBAEPON业务承载层EPON业务处理流程EPON提供SLA、接纳控制、带宽资源分配等功能，保障各类业务的服务质量结合流分类、VLAN分配模式、COS业务等级特性，合理安排业务流处理模式合理高效的DBA机制，支持固定带宽、保证带宽和尽力而为的带宽分配承载TDM业务的QoS保障手段：设置专属VLAN，按VLAN进行业务流分类，实现与其他业务的隔离为TDM业务设置最高优先级，802.1p的COS值建议设置为7，采用SP调度策略预留较高的带宽通道GPON业务处理流程ONU侧：对UNI接口接收到的业务流进行流分类，流分类的结果定义为VirtualUNI（一般就是VLAN或者802.1pTAG）VirtualUNI映射到指定的GEMport，多个VirtualUNI可以映射到同一个GEMport。ONU再将GEMport分配到指定的T-CONT。OLT侧：OLT从T-CONT中拆出GEM帧，然后对每个GEMport接收到的业务流分别进行流分类，CVLAN切换为SVLAN，以及上行网络侧VLAN的802.1p优先级，再基于802.1p调度后发送到SNI接口GPON与EPON比较（4）PONCESNativeTDMNative模式是GPON标准附录中规定的一种TDM承载方式，它借助GPON的8K帧头进行边界定位，把TDM业务直接承载在GEM帧内。TDM业务先导入缓存中进行排队，并且按照固定的字节数复用到GEM帧中进行传输。这种方式不对具体的TDM业务进行感知，只进行透传处理。GEM帧具有定长的特点，对TDM业务传输非常有利。EPON/GPON均可以采用CES方式CES技术实现分为PWE3和MEF8两种协议MEF8通过以太网（MAC地址）进行电路仿真，PWE3通过IP网（IP地址）进行电路仿真光通信网络发展概述宽带接入网主要技术光接入网技术现状和技术特点光接入网未来技术发展趋势提纲PON的主要技术PON（无源光网络）TDMPON（时分无源光网络）FSAN/ITU-TGPON（G.984.1/2/3/4/5）XGPON1XGPON2IEEEEPON（IEEE802.3ah）10GEPON（IEEE802.3av）WDMPON（波分无源光网络）1490nm1310nm过去将来EPON10GEPONIEEE802.3以太网万兆以太网A/BPONGPONNG-PONITU-T/FSANATM?千兆以太网PON技术发展路线1021LineRate（GB/s）20020622Mb/sBPON20041.25Gb/sEPON20082.5Gb/sEPON20102015NGA1:借鉴10GEPON技术成果,考虑当前GPON和ODN网络兼容，在上行速率、技术工艺方面根据GPON的规划要求进行重新定义

WDM-TDMPONNGA2:不考虑当前GPON和ODN网络兼容，发展高速率、长距、大分光比的WDM-TDM混合PON网络秉承一致的协议和管理方式，多种速率可以完全兼容并实现平滑升级发展高速率、长距、大分光比的WDM-TDM混合PON网络，国家863项目2.5Gb/sGPONGPON继承了BPON众多技术特性，但不兼容BPON？基于16/32波道、单波道1.25/2.5G速率的WDMPON系统，未来兼容TDMPON10Gb/sGPON10Gb/sEPONWDMPON10GEPONEthernetPON,基于以太网的无源光接入技术.2000年11月成立IEEE研究小组，即后来的EFM工作组；20