PON技术应用和发展展望

作者：华为 蒋作谦
PON是FTTx的主流模式
    光进铜退，即FTTx，分别有PON和有源以太网两种技术选择。传统的电信运营商包括Verizon、NTT、BT、FT、Telefonica以及中国电信和中国网通，几乎都选择了PON技术，PON技术是FTTx的主流模式。
    运营商为何倾向于选择技术相对复杂、并且设备成本高的PON，而不是选择技术已成熟、设备成本低廉的有源以太网作为光进铜退的技术手段？
    这是因为在FTTH的建设中，有源设备只占FTTH的小部分成本，PON网络具备一根光纤同时接入多个用户的特征，使得运营商的FTTH ODN（从OLT到ONT之间的光纤分配网络，包括馈线、配线和引入线及其相关的连接部件和无源设备）部署成本最低。假设用户的渗透率为100％，在劳动力成本高昂的欧美发达国家，包括OLT和ONT在内的有源设备成本不超过总成本的30％，ODN的成本以及部署费用占70％；即使在劳动力成本相对低廉的中国，据测算，现阶段有源设备成本约占总成本的47％，ODN占另外的53％。劳动力成本随着社会发展会逐步升高，而设备成本随应用规模稳步下降。
因此，考虑到FTTH整体建设费用，PON技术是运营商的最佳选择。尤其在渗透率低的FTTH建设初期，PON使运营商FTTH建设无需考虑渗透率问题，并且低成本地一次性完成ODN网络部署，满足未来若干年内（至少5－10年）FTTH用户发展需要。

第一公里的机遇与挑战

    传统观点认为，运营商拥有接入网意味着拥有了用户接入权，接入网是固网运营商最重要的资源，是“第一公里”。如果没有连接最终用户的“第一公里”，就难以争取到客户。而谁拥有第一公里的网络，谁就获得主动，谁就占领制高点。因此，第一公里网络资源是固网运营商的核心竞争力。
但是，“第一公里”是资源，也是负担。它是固网运营商基础设施中投资和维护成本最大的一部分。业界认为，“第一公里”线缆、设备、机房及其配套投资比例占运营商全部投资70％以上，而维护成本与线缆的数量成正比，大量的维护费用发生在末端网络线路的更新、故障以及因线路引起的用户终端故障等修复上。如果能够大规模减少末端网络线缆和机房的数量，将显著地降低运营商运维成本。而参考移动网络基站到手机之间无线连接的低维护费用的网络模型，若采用某种新技术能大规模降低固网末端线路数量，将不仅大量降低整个固定网络建设费用，还能大规范减少网络整个生命周期内的维护费用，PON的一点对多点技术能胜此重任。
    基于光纤通信的PON技术，不仅能提供T比特级别的带宽潜力，而且能提供铜线所不能及的长的通信距离，它能在点对多点通信下同时满足多个用户的带宽需求，而且大大减少了末端线缆和机房数量，为运营商建设一个类似于无线网络结构的高效低运维成本的宽带网络。
    例如，将OLT一步到位放置到5km以外机楼内，采用1:64的分路比的PON建设模式，将比OLT放在2km以外的CO机房，1:32的分路比的建设方式节省25％维护成本。从这个角度看，下一代PON技术必然是提供更长的通信距离，提供1:128甚至到1:256的更大分支比能力，从而提供更高带宽的PON技术。目前，我们从运营商主导的FSAN标准组织制定的标准规划可以看出，传统运营商所看重的正是这种更高速和高分支比的PON技术。

下一代PON的技术标准

从EPON到10G EPON
    EPON标准由IEEE组织制定。从技术上看，EPON设计原则就是以牺牲性能（如带宽、速度）来降低技术复杂度和实现难度，从而可以较好地控制初期成本。从技术适应场景看，EPON技术比较适合互联网接入的应用类型。
    由于EPON协议定义简单，不同的厂家尤其是芯片厂家对其理解不一致，往往无法互通，由于EPON标准缺乏维护和管理方面的约定，运营商在实际使用过程中需要对协议进行扩充。例如，日本、韩国的一些运营商在EPON的协议扩展和互通上做了大量的工作，花费了几年的时间才使设备功能满足实际部署的要求，但代价就是，日本、韩国的EPON标准也互相不兼容。由于相关标准不完善，国内运营商在进行EPON试点时，为了互通，在企业规范中做了一些特殊的互通规范定义。美国的芯片厂家为支持这个互通规范，就专门开发了满足中国规范的EPON物理层芯片，这也是国内运营商在组织设备互通测试、设备选型过程中，没有看到日本设备厂家的原因。反之亦然。
    基于更高带宽需求和竞争需要，IEEE标准组织在2006年3月成立了10G EPON物理层讨论小组，并于2006年9月正式命名为IEEE 802.3av工作组。IEEE802.3av工作组的指导思想仍然是在降低10G EPON技术复杂度和牺牲指标的同时保证其技术和相关模块的可实现性和经济性。IEEE 802.3av工作组的目标是重新定义1Gbps上行/10Gbps下行不对称网络架构和10Gbps上行/10Gbps下行对称网络架构且满足物理层误码率不大于10-12的点对多点的光接入技术。为了支持两种速率的接入，IEEE 802.3标准将会对10GEPON物理层进行全新定义，目前倾向采用1G/10G双速率接收方案，尽量避免MAC层以上尽量少改动，协议栈会考虑1G与10G共存的情景。
    光功率预算(Power Budget)技术研讨小组主要根据不同的传输距离和分支比定义了不同类型的功率预算。由于功率预算的制定会影响到10G EPON系统的其他技术点，如波段分配和信道编码的选用，所以功率预算是10G EPON 工作组最为关心的议题。目前该工作组制定了三种功率预算选项：PR10、PR20和PR30。具体信息见表1。
                                   表1 10G EPON功率预算
          
    对比EPON，10G EPON定义的光功率预算和分支比的最大能力都没有增加，两者的能力都是在1:32分支比情况下，最大通信距离为20km。

从GPON到NG-PON
    GPON标准由FSAN组织制定，ITU-T颁布。ITU-T已经发布了GPON标准 (G.984.x)，国内也已完成了等效于G.984.1、G.984.2的GPON技术标准，GPON技术提供语音、数据和视频等三网融合业务能力，GPON是由运营商推动建立的标准，对带宽、业务承载、管理和维护等考虑得更多。GPON拥有比EPON更高的带宽，覆盖范围更广，可以承载更多的业务种类，更完善的操作维护功能。由于考虑了较多的高等级业务支持，初期成本较高。从技术适应场景看，GPON技术比较适合全业务运营和三网融合的应用类型。
    为推动G P O N的互通和规模应用，FSAN专门成立了互通工作组，自2006年1月至2007年5月，共组织了4次GPON互通测试，测试结果显示：从2006年第2季度开始，各厂商GPON设备已实现TC层互通，2007年5月组织的测试中显示，GPON系统互通主要问题是由各厂商对OMCI协议理解存在偏差导致的。
    在2007年9月份，FSAN新成立了一个隶属于互通任务组的研究组，即OMCI实现指导研究组，以结合后续的互通测试完成OMCI实现指导建议书。2007年9月的FSAN会议上，制定了新的NG-PON的研究计划。运营商期望的FSAN-OAN分两步来研究NG-PON技术，第一步是NGA1，主要研究与GPON共存的下一代光接入技术；第二步为NGA2，研究独立的下一代光接入技术，不需要强制考虑与现有PON技术的共存。研究的时间计划是2009年Q1前，NGA任务组主要工作将是搜集NGA1、NGA2的需求，并定义NGA1的规范说明书；2009年-2011年，NGA任务组协助ITU-T完成NGA1的标准化工作，并继续NGA2的研究。
    NGA1主要目标是制定与现有GPON能共享同一个ODN的NG-PON技术标准。其中包括WDM技术的研究、Stacked GPON技术研究以及长距GPON技术研究。期望在现有的1:128分支比的拓扑下，能为部分用户升级提高更高的速度、而不影响同一PON网络内的其它用户。
    NGA2主要研究方向是WDM-PON与TDM-PON相结合的高速率、长距、大分光比混合PON网络。BT提出的LR-PON（LongReach Passive Optical Network）网络架构就是典型的NGA2网络架构，在这种网络架构下，OLT覆盖距离超过100km，单根光纤可以同时接入1024个用户，此时运营商的宽带网络将是一个机房数量少的、扁平的、低运维成本的光纤网络。

FTTx在中国

    当前，中国处于光进铜退建设初期，FTTB是主流的建设模式，FTTH因为价格高昂只适合部分高端客户。现阶段的重点工作仍然是如何将现有的EPON、GPON技术规模部署到光纤网络中，并且解决实际中存在的维护管理问题，比如光纤的实时监控、用户的业务自动发放等。
    但从长远看，随着FTTH成本迅速降低，FTTH会逐渐成为部分沿海发达省会新建住宅的主流接入方式。所以高起点规划光进铜退网络，可以为未来FTTH大规模部署时实现低运维成本和低建设成本奠定良好的基础，我们建议将OLT一步到位放置到机楼中，将大大减少小区机房的数量，设备管理和维护集中化，节省宽带网络建设费用和维护费用；同时建议在实际应用中，尽可能提升PON的分支比能力，这样可以显著节省光纤数量和维护工作量。
    这样的网络也易于升级到10G EPON和NG-PON，只需通过10G EPON的双速接收机和Stacked GPON的波长叠加,可以在不变动现有的网络拓扑的前提下，为需要升级的FTTH用户提供更大的带宽接入，而不影响其他的FTTH用户。
    而对于FTTB用户，则可以简单地将MDU更换成光分路器，末段铜缆更换成光缆，即可完成到FTTH改造。只要PON口能支持1:128、1:256甚至更高的分支比，现有的馈线和配线段光纤无需改造或增加，确保FTTB向FTTH平滑升级和降低升级成本。
    EPON和GPON代表了两个细分的应用市场，华为在EPON和GPON领域都进行了大量投入，实现客户和市场的双赢。目前，中国国内只有华为一家公司同时参与FSAN、ITU-T及IEEE的标准化工作，紧跟FTTx发展浪潮。华为拥有全球最大规模的PON研发队伍，相继突破了EPON和GPON核心技术，华为是国内唯一同时获得EPON和GPON入网证的厂商，EPON和GPON产品技术均走在了业界的前列。