10G-EPON的关键技术研究

作者：徐红春　光纤通信技术和网络国家重点实验室（筹）武汉电信器件有限公司

摘要:
    本文通过对即将发布的10G-EPON国际标准IEEE 802.3 av的技术研究，结合与现行的GEPON技术的对比，对10G-EPON的关键技术作了较为详细的分析，并对如何从目前的1G-EPON平稳升级到10G-EPON作出了展望。

1，前言
    虽然10G-EPON的国际标准目前尚在制定之中，预计在2009年9月份正式发布，但自2006年开始，国际上对10G-EPON的国际标准/技术就一直在研究，并经过了多次的修改，目前实际上已经基本定型了。而10G GPON（NG-PON）在目前看来还极其遥远，因此，该类技术的研究重点在相当一段时间内仍将集中在对10G-EPON的标准/技术研究上。
    在2009年OFC大会上，能够以高达10Gb/s速率传输的10G-EPON 成为了今年最热门的话题之一，受到了业内的高度关注；尤其在当前，其标准即将正式发布之际，10G-EPON正处于世界各国大力推进宽带接入的氛围下，更是吸引了越来越多的厂家的关注。

2，对10G-EPON国际标准的解读
   目前，即将正式发布的10G-EPON的标准的最新草案版本是IEEE P802.3av D3.2,完稿于09年4月，在IEEE std 802.3－2008的基础上，又作了一些修订。整个标准的英文原稿长达228页，通过通读该标准，下面针对几个关键的问题点，对其作技术层面的解读。
从大的方面来看，10G-EPON有如下四大显著的特点：
    a)同时支持上下行对称的10/10G EPON，以及非对称的10/1G EPON , 充分考虑了与现有EPON的完全兼容，既有提供足够带宽保证新业务的能力，又可以根据情况灵活布网；
    b)针对速率的升级，规定了新的物理层相关的分层模型，主要包含RS子层、PCS子层、PMA子层、PMD子层，而对MAC层以上，则基本不动；另外，只要涉及10G速率传输的部分，则将现有的GMII接口相应更改为XGMII接口。即：尽量小的改动，以方便平滑升级；
    c)传输距离仍然采用10Km和20Km两档；分路比既可以支持1：16，也可以支持1：32；
    d)引入了对广域网的支持，使得以太网从局域网向广域网拓展。

    和原有的1G-EPON (即GEPON)相比，10G-EPON在技术上作了许多的改进，而总体看来，10G-EPON采用的系统组成与1G-EPON是基本相同的，只是，OLT、ONU、ODN均需要支持10Gb/s的传输速率。在网络的拓扑结构上，则可以说是完全相同的。
    关注的重点在EPON的分层模型的改进上。考虑到方便将来的平滑升级，IEEE 802.3av工作组在基于IEEE 802.3ah的1G-EPON的分层模型的基础上，推出了1G-EPON和10G-EPON并存的分层模型。以非对称的10G下行，1G上行的模型为例，OLT端和ONU端的模型结构分别如图一、图二所示：
   从图一、图二可以看出，由1G EPON升级到10G-EPON，改动比较大的地方，集中在图一、图二的虚线方框之内，即主要集中在对物理层的改动，而避免了对MAC层以上各层的大改动；在10G-EPON中，PCS子层的FEC成为了必须存在的了，而在1G-EPON中，FEC是可选项。

      图一 10/1G EPON OLT端的分层模型图
 
      图二 10/1G EPON ONU端的分层模型图

    10G-EPON中所有的PMD组合可如表一所见，一共是六种组合。
 
    在上下行传输使用的波长分配方面，10G-EPON和GEPON有一些差别，而其中最重大的差别在于引入了1577nm波段的激光光源，作为10G-EPON的下行信号传输。10G-EPON所使用的波段可以归纳如图三所示。

           图三 10G-EPON的波段分配图
   在功率预算方面，10G-EPON目前规定了三种功率预算，即PR10/PRX10、PR20/PRX20和PR30/PRX30，功率预算如表二所示。10G-EPON的功率预算最大可以支持20km传输距离和1：32分光比。


3，向10G-EPON平稳过渡的步骤
    由现有的1G-EPON向10G-EPON的升级可按以下的步骤实现平稳过渡：
    第一步：ONU向10G Rx/1G Tx转变，而OLT则向双重下行速率转变。下行方向：OLT端1G和10G的两个信道的发射并存，但发射的波长并不一样，1G的发射仍然采用1490nm，而10G的发射则采用1577nm（1575～1580nm）的DFB 激光器；而在ONU接收端，需要对两个信道、不同速率的光都能接收。
    上行方向：单速率单信道，和现有GEPON的完全相同。由于上行方向无变化，同时下行方向的两个信道采用了不同的波长传输，所以，此步骤的改进相对容易实现。业内绝大多数厂家，刚开始进入10G-EPON，估计都会从此入手。
    第二步：ONU向10G Rx/10G Tx转变，而OLT则向双重下行速率转变。在完成上述第一步的下行信道的升级后，开始第二步的上行信道向双重速率转变。此升级由于上、下行均是双信道、双工，所以，在一段的时间内，可能会花费较高的成本。
    第三步：根据具体情况，实现平滑升级。升级为非对称的10/1G PON后，再根据当时的市场需求情况，以及设备的成本情况等等，再决定是否升级为对称结构的10/10G PON。
当然，PON由1G的速率向10G升级，并且还要保持与现有1G-EPON系统兼容，其中的一些关键技术难题必然会存在，比如在如下的三个方面：
    1)动态带宽分配（DBA）机制： 10G-EPON中，DBA需调度1G和10G两个EPON结构系统。下行方向DBA采用WDM技术传输，因此容易解决，而上行方向则存在问题。由于两个系统的线路编码不同需采用两种MAC栈结构，因而MAC客户端层需要两种不同的接口，故现有的DBA机制需改进以提供该接口。此外，还要研究是否在采用两种DBA机制的前提下，通过创造第三实体来连接；还是，利用自动检测技术辨别速率来调动不同机制，这样，只需要一个DBA机制即可。
    2)低成本高功率高速的1577nm 带制冷DFB发射器件（其发射功率范围在＋2dBm～+9 dBm之间，消光比不低于6dB），对整个系统的成本控制意义重大。
    3)数据的安全管理问题：和传统的PON结构类似，下行是广播式传送，可能出现窃听的问题；另外，数据存储容量增大了10倍，需对存储容量进行改进，包括相应对计算机硬件的改进，以适应对10Gb/s的数据信息处理。

4，小结
   综上所述，尽管在由现有的GEPON向10G-EPON升级的过程中，会遇到许多技术上的难题，但10G-EPON不仅能极大满足未来用户庞大的综合业务流对带宽的需求，还充分考虑了运营商的网络平稳升级，节约投资以保护运营商的利益，因此在下一代的FTTH建设中，必将会起到极其重要的作用。