接入网络应用中的千兆无源光网络技术分析

 采用一种最合适的解决方案来实现最后几英里的接入对网络运营商的利益至关重要，而无源光网络(PON)技术的高带宽、高效率和易伸缩特性使其极具竞争力。本文对接入网络应用中的PON技术的特性进行了详细分析。

选择最适合的解决方案来实现最后几英里的网络接入是网络业务提供商面临的一个挑战。无论是采用无线链路还是铜缆或光纤链路，都不可避免地存在众多相互竞争的技术可供选择，尤其是在很多竞争标准实施的早期。找出最适合的解决方案并不容易，必须考虑大量相互关联的因素，而这种选择通常具有很高的风险，因为这些涉及大规模投资的任何决策都将影响公司未来多年的运作。

该问题对于亚洲市场正在进行的高速PON的发展尤其意义重大，特别是在涉及千兆位无源光网络(GPON)系统时。在其它地区正考虑不同光纤接入方法的优缺点时，亚洲地区的业务提供商正积极进行部署与试验，将此技术作为他们很多问题的解决方案。

无源光网络标准

接入网络的目标市场通常是市区的人口稠密地区，在一些建筑中有着大量居民和商业用户。此外，在很多地区传统PSTN电路的扩展有限，使业务提供商有充分的“新市场”机会引入新的先进多媒体和宽带业务，不会因需要支持过时技术而受到阻碍。

PON是此类应用的理想解决方案。具体而言，一个PON由位于中央局端的一个光线路终端(OLT)和位于客户端的一组关联光网络终端(ONT)组成，在它们之间是由光纤和无源分光器或连接器组成的光分布网络(ODN)(见图1)。

在PON拓扑结构中，一个OLT可以有多个PON模块，每一个PON模块通过廉价的无源分路器驱动一个单独的PON网络，由分布光纤连接到多个ONT。光纤和无源光器件使接入网络分布设备不再需要有源电子器件和相关维护。

PON中下行数据流和上行数据流的传输处理过程不同，下行数据从OLT广播到每个ONT，各个ONT通过数据包/数据单元中的地址匹配确定并处理相关数据。由于ODN的共享特性，上行数据流的处理更加复杂，为了防止碰撞，需要协调各个ONT到OLT的传输流。上行数据按照OLT中的控制机制进行传输，采用时分多址(TDMA)协议，此协议对每个ONT分配专用的传输时隙。这些时隙是同步的，因此来自不同ONT的数据流不会产生碰撞。

像早期的DSL具有不同的可选技术一样，业务提供商必须能够选择最适合的PON解决方案。如何选择出最适合的PON技术呢?

在上世纪九十年代中期，当时一个由主要网络运营商组成的组织设立了全业务接入网(FSAN)联盟，该组织的宗旨是为PON设备制定一个共同标准。该标准逐渐发展成为B-PON，并用ATM作为其传输协议。此外，IEEE也于2001年成立了第一英里以太网小组(EFM)，专注于1Gbps以太网专用对称系统的标准化。这两个组织分别推出了APON和EPON技术标准。

在此期间，FSAN小组开始对工作于1Gbps以上速率的PON进行标准化。更为重要的是，在涵盖了基本传输问题的同时，此标准还以一种高度可伸缩的方式提供对多种业务的支持，以及管理、维护和配置功能。此项工作最终产生了千兆位速率的PON标准，在实现高速率的同时还支持以极高效率传输IP和TDM等格式数据，如图2所示。

特别重要的是，世界主要的业务提供商参与制定了GPON标准主要部分的系统要求，这反映在ITU G.984.1即千兆比特业务要求(GSR)标准中，目前GSR已经成为此领域所有工作的标准，保证了网络的兼容性和互用性。

GPON技术的关键特性

正如GSR所定义的一样，GPON的关键特性包括：

1. 全业务支持。包括语音(TDM，SONET/SDH)、以太网(10/100BaseT)、ATM、租用线路等;

2. 物理覆盖范围至少20公里，该协议支持60公里的逻辑覆盖距离;

3. 支持使用相同协议的各种速率选项，包括对称622Mbps、对称1.25Gbps、2.5Gbps下行数据流和1.25Gbps上行数据流等;

4. 强大的OAM&P功能，提供端对端业务管理;

5. 通过PON多播特性实现下行数据流在协议层的安全保护。

具体而言，这些功能向网络运营商提供了千兆位速率、最高性能和网络效率、卓越的灵活性和可伸缩性三个关键优势：

1. 速率和灵活性。GPON提供比其竞争技术更宽的数据速率范围，高达2.488Gbps下行数据流和1.244Gbps上行数据流。它还使用一种全新的传输汇聚层(TC)，采用一种在针对业务映射的基于GEM和帧的协议，该协议是ITU-T G.7041 GFP的优化版本。因为GEM以一种简单高效传输不同业务的通用机制，所以GEM是GPON TC层的重要基础。此外，采用GEM很显然能支持TDM业务。

2. 效率。宽带是运营商的一种有限资源，因此必须实现最大的网络利用效率，在有限的带宽条件下获得最大收益。然而，由于不同PON技术具有不同的特点，因此必须综合考虑解决方案的整体成本。不同PON技术的器件成本相似，以EPON系统为例，该系统要求采用VoIP等相关设备，因此必须将这些设备计算在成本中。此外，考虑到每比特的成本以及可以从基础设施中获取的收入，这种在1.25Gbps速率下提供100%效率显然比速率只有622Mbps且效率仅为50%的网络更具吸引力。

本文讨论的其它问题涉及不同PON协议的实际效率，这里必须考虑四个因素：线路编码(line coding)、PON TC或MAC层效率、传输协议(ATM、以太网或GFP)效率和业务调整效率。将这两种因素组合起来，向我们呈现出在网络中定义为“收益”的可用带宽，如图3所示。

3. 可伸缩性。接入层采用什么解决方案还必须考虑的关键问题是如何承载日益增多的多种协议和技术，我们当前必须支持很多TDM和数据业务，同时还必须支持存储区域网络(SAN)和数据视频等新兴应用。

GPON通过GFP的自适应方法，提供一个清晰的变换路径来向PON添加这些业务，而且不会破坏现有设备或改变传输层。这与APON和EPON技术形成鲜明对比，后两种技术均要求对各个业务采用特定的调整方法，尤其是在处理新兴业务的时候。

GPON带给运营商的好处

1. 经济地提供以太网业务以及保障TDM收益。GPON支持引入更高带宽的以太网新业务，同时用比以前低得多的成本提供传统的语音服务。

2. 用户拥有更高带宽。GPON解决方案可在接入网络上提供单个光波长高达2.5Gbps的速率，在单一光纤光缆中提供高达20Gbps的多波长速率，提供经济的T1/E1和以太网连接。竞争技术的速率通常只有622Mbps或更低，因而在涉及任何新的应用时都难以为继。

3. 在一个单一光纤中完全集成了语音与数据。以其本身的格式传输语音与数据，不会额外增加网络或CPE的复杂性，并具有更远的传输距离。GPON解决方案可覆盖离局端20英里的范围，几乎是竞争技术的两倍，可支持冗余拓扑结构以便在出现光纤断路时提供保护。

4. 更短的回收期。在已经安装了光纤的地区，GPON解决方案的投资成本回收期为9至16个月，视业务覆盖的楼宇和用户数量而定;需要新的支线和支线光纤站时，整个网络的回收期约为12至24个月。