接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的千兆無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

采用一種最合適的解決方案來實(shí)現(xiàn)最后幾英里的接入對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的利益至關(guān)重要，而無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)的高帶寬、高效率和易伸縮特性使其極具競(jìng)爭(zhēng)力。本文對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的PON技術(shù)的特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。

選擇最適合的解決方案來實(shí)現(xiàn)最后幾英里的網(wǎng)絡(luò)接入是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供商面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。無論是采用無線鏈路還是銅纜或光纖鏈路，都不可避免地存在眾多相互競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)可供選擇，尤其是在很多競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的早期。找出最適合的解決方案并不容易，必須考慮大量相互關(guān)聯(lián)的因素，而這種選擇通常具有很高的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫@些涉及大規(guī)模投資的任何決策都將影響公司未來多年的運(yùn)作。

該問題對(duì)于亞洲市場(chǎng)正在進(jìn)行的高速PON的發(fā)展尤其意義重大，特別是在涉及千兆位無源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)系統(tǒng)時(shí)。在其它地區(qū)正考慮不同光纖接入方法的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，亞洲地區(qū)的業(yè)務(wù)提供商正積極進(jìn)行部署與試驗(yàn)，將此技術(shù)作為他們很多問題的解決方案。

無源光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

接入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)市場(chǎng)通常是市區(qū)的人口稠密地區(qū)，在一些建筑中有著大量居民和商業(yè)用戶。此外，在很多地區(qū)傳統(tǒng)PSTN電路的擴(kuò)展有限，使業(yè)務(wù)提供商有充分的“新市場(chǎng)”機(jī)會(huì)引入新的先進(jìn)多媒體和寬帶業(yè)務(wù)，不會(huì)因需要支持過時(shí)技術(shù)而受到阻礙。

PON是此類應(yīng)用的理想解決方案。具體而言，一個(gè)PON由位于中央局端的一個(gè)光線路終端(OLT)和位于客戶端的一組關(guān)聯(lián)光網(wǎng)絡(luò)終端(ONT)組成，在它們之間是由光纖和無源分光器或連接器組成的光分布網(wǎng)絡(luò)(ODN)(見圖1)。

在PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一個(gè)OLT可以有多個(gè)PON模塊，每一個(gè)PON模塊通過廉價(jià)的無源分路器驅(qū)動(dòng)一個(gè)單獨(dú)的PON網(wǎng)絡(luò)，由分布光纖連接到多個(gè)ONT。光纖和無源光器件使接入網(wǎng)絡(luò)分布設(shè)備不再需要有源電子器件和相關(guān)維護(hù)。

PON中下行數(shù)據(jù)流和上行數(shù)據(jù)流的傳輸處理過程不同，下行數(shù)據(jù)從OLT廣播到每個(gè)ONT，各個(gè)ONT通過數(shù)據(jù)包/數(shù)據(jù)單元中的地址匹配確定并處理相關(guān)數(shù)據(jù)。由于ODN的共享特性，上行數(shù)據(jù)流的處理更加復(fù)雜，為了防止碰撞，需要協(xié)調(diào)各個(gè)ONT到OLT的傳輸流。上行數(shù)據(jù)按照OLT中的控制機(jī)制進(jìn)行傳輸，采用時(shí)分多址(TDMA)協(xié)議，此協(xié)議對(duì)每個(gè)ONT分配專用的傳輸時(shí)隙。這些時(shí)隙是同步的，因此來自不同ONT的數(shù)據(jù)流不會(huì)產(chǎn)生碰撞。

像早期的DSL具有不同的可選技術(shù)一樣，業(yè)務(wù)提供商必須能夠選擇最適合的PON解決方案。如何選擇出最適合的PON技術(shù)呢?

在上世紀(jì)九十年代中期，當(dāng)時(shí)一個(gè)由主要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商組成的組織設(shè)立了全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)(FSAN)聯(lián)盟，該組織的宗旨是為PON設(shè)備制定一個(gè)共同標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)逐漸發(fā)展成為B-PON，并用ATM作為其傳輸協(xié)議。此外，IEEE也于2001年成立了第一英里以太網(wǎng)小組(EFM)，專注于1Gbps以太網(wǎng)專用對(duì)稱系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。這兩個(gè)組織分別推出了APON和EPON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

在此期間，F(xiàn)SAN小組開始對(duì)工作于1Gbps以上速率的PON進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。更為重要的是，在涵蓋了基本傳輸問題的同時(shí)，此標(biāo)準(zhǔn)還以一種高度可伸縮的方式提供對(duì)多種業(yè)務(wù)的支持，以及管理、維護(hù)和配置功能。此項(xiàng)工作最終產(chǎn)生了千兆位速率的PON標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)現(xiàn)高速率的同時(shí)還支持以極高效率傳輸IP和TDM等格式數(shù)據(jù)，如圖2所示。

特別重要的是，世界主要的業(yè)務(wù)提供商參與制定了GPON標(biāo)準(zhǔn)主要部分的系統(tǒng)要求，這反映在ITU G.984.1即千兆比特業(yè)務(wù)要求(GSR)標(biāo)準(zhǔn)中，目前GSR已經(jīng)成為此領(lǐng)域所有工作的標(biāo)準(zhǔn)，保證了網(wǎng)絡(luò)的兼容性和互用性。

GPON技術(shù)的關(guān)鍵特性

正如GSR所定義的一樣，GPON的關(guān)鍵特性包括：

1. 全業(yè)務(wù)支持。包括語音(TDM，SONET/SDH)、以太網(wǎng)(10/100BaseT)、ATM、租用線路等;

2. 物理覆蓋范圍至少20公里，該協(xié)議支持60公里的邏輯覆蓋距離;

3. 支持使用相同協(xié)議的各種速率選項(xiàng)，包括對(duì)稱622Mbps、對(duì)稱1.25Gbps、2.5Gbps下行數(shù)據(jù)流和1.25Gbps上行數(shù)據(jù)流等;

4. 強(qiáng)大的OAMP功能，提供端對(duì)端業(yè)務(wù)管理;

5. 通過PON多播特性實(shí)現(xiàn)下行數(shù)據(jù)流在協(xié)議層的安全保護(hù)。

具體而言，這些功能向網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供了千兆位速率、最高性能和網(wǎng)絡(luò)效率、卓越的靈活性和可伸縮性三個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

1. 速率和靈活性。GPON提供比其競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)更寬的數(shù)據(jù)速率范圍，高達(dá)2.488Gbps下行數(shù)據(jù)流和1.244Gbps上行數(shù)據(jù)流。它還使用一種全新的傳輸匯聚層(TC)，采用一種在針對(duì)業(yè)務(wù)映射的基于GEM和幀的協(xié)議，該協(xié)議是ITU-T G.7041 GFP的優(yōu)化版本。因?yàn)镚EM以一種簡(jiǎn)單高效傳輸不同業(yè)務(wù)的通用機(jī)制，所以GEM是GPON TC層的重要基礎(chǔ)。此外，采用GEM很顯然能支持TDM業(yè)務(wù)。

2. 效率。寬帶是運(yùn)營(yíng)商的一種有限資源，因此必須實(shí)現(xiàn)最大的網(wǎng)絡(luò)利用效率，在有限的帶寬條件下獲得最大收益。然而，由于不同PON技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，因此必須綜合考慮解決方案的整體成本。不同PON技術(shù)的器件成本相似，以EPON系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)要求采用VoIP等相關(guān)設(shè)備，因此必須將這些設(shè)備計(jì)算在成本中。此外，考慮到每比特的成本以及可以從基礎(chǔ)設(shè)施中獲取的收入，這種在1.25Gbps速率下提供100%效率顯然比速率只有622Mbps且效率僅為50%的網(wǎng)絡(luò)更具吸引力。

本文討論的其它問題涉及不同PON協(xié)議的實(shí)際效率，這里必須考慮四個(gè)因素：線路編碼(line coding)、PON TC或MAC層效率、傳輸協(xié)議(ATM、以太網(wǎng)或GFP)效率和業(yè)務(wù)調(diào)整效率。將這兩種因素組合起來，向我們呈現(xiàn)出在網(wǎng)絡(luò)中定義為“收益”的可用帶寬，如圖3所示。

3. 可伸縮性。接入層采用什么解決方案還必須考慮的關(guān)鍵問題是如何承載日益增多的多種協(xié)議和技術(shù)，我們當(dāng)前必須支持很多TDM和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時(shí)還必須支持存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)和數(shù)據(jù)視頻等新興應(yīng)用。

GPON通過GFP的自適應(yīng)方法，提供一個(gè)清晰的變換路徑來向PON添加這些業(yè)務(wù)，而且不會(huì)破壞現(xiàn)有設(shè)備或改變傳輸層。這與APON和EPON技術(shù)形成鮮明對(duì)比，后兩種技術(shù)均要求對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)采用特定的調(diào)整方法，尤其是在處理新興業(yè)務(wù)的時(shí)候。