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基于PON技术的光纤接入技术浅析

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发表于 2015-03-16 09:53:48 只看楼主

摘要　随着用户对宽带接入提出更高需求、光纤到户实现成本逐渐下降、光纤接入技术快速发展，光纤到户宽带接入方式将逐渐成熟。本文在对目前实现光纤到户的各种光纤接入技术的优势、缺点、应用场合进行详细分析的基础上，提出GEPON和GPON是将来实现光纤到户两种最具潜力的光纤接入技术，并对当前标准和设备比较成熟的GEPON关键技术进行介绍。
关键词　FTTH　点对点以太网　GEPON　GPON
1、背景
　首先，随着用户对宽带接入提出越来越高的要求，现有的宽带接入方式，如ADSL和LAN接入，由于存在传输距离短、接入带宽有限、安全性不高、QoS没有很好的保证等问题，已越来越不能满足用户的需求。第二，光接入技术快速发展，从有源光接入技术(PDH、SDH、MSTP、点到点以太网系统)到PON无源光接入技术(APON、BPON、GPON、EPON、GEPON)。最后，由于光纤本身的成本，光收发模块、OLT和ONU的设备成本，以及现有光纤到户的配套成本不断下降，使得目前实现光纤到户的设备成本和线路成本比以前有了大幅度的下降。因此，光纤到户接入方式逐渐成熟，目前也逐渐成为国内外通信行业的热点。在不久的将来必将成为用户接入的重要手段。然而在目前众多的光纤接入技术中，哪种光纤接入技术比较适合FTTH的大规模发展呢?
2、有源光纤接入技术
　2.1　PDH
　PDH技术以其成熟性在光接入领域得到广泛应用，其安全可靠性和高QoS保障性能，使其在一段时间内仍然是电信运营商重要的光纤接入技术方式。但是传统PDH技术在接入应用中不可避免存在一定局限性，主要体现在：
　　(1)缺乏统一的网络管理；
　　(2)组网能力欠缺；
　　(3)对业务的保护能力差；
　　(4)对急剧增长的IP数据业务缺乏有效的承载手段；
　　(5)扩容升级缺乏灵活性；
　　(6)接口单一，设备层叠，外部线缆连接比较多，故障点增多，给维护带来困难。
　　PDH光接入技术主要应用于点对点小容量专线企业用户。
　　2.2　SDH
　　在目前企事业客户光纤接入中应用得比较多的SDH，与PDH相比，有如下明显优点：
　　(1)统一的比特率，统一的接口标准，便于设备间的互联；
　　(2)网络管理能力大大加强；
　　(3)具有自愈保护功能。
　　SDH主要缺点在于是为传输TDM信息而设计的。该技术缺少处理基于TDM技术的传统语音信息以外的其他信息所需的功能，不适合于传送TDM以外的ATM和以太网业务。
　　SDH光接入技术主要应用于点对点大容量专线企业用户、局间或汇接点(POP)间通信。
　　2.3　MSTP
　　基于SDH、同时实现TDM、ATM、以太网等业务接入、处理和传送，提供统一网管的MSTP，具有如下优势：
　　(1)提供多种物理接口，满足新业务快速接入。在保证兼容传统TDM业务的同时，能够提供多业务灵活接入。典型的业务主要有：IP、ATM、SDH、FR。
　　(2)由于它是基于现有SDH传输网络的，可以很好地兼容现有技术，保证现有投资。
　　(3)MSTP采用VC虚级联技术，有效地利用带宽并实现了较小颗粒的带宽管理。
　　(4)MSTP采用LCAS技术，保证了在不中断数据流的情况下动态地调整虚级联的个数。
　　(5)MSTP技术支持网状、树型、星型、多环切接等组网方式，这样可以提高网络的可扩展性，便于灵活高效地配置系统环境。
　　(6)传输的高可靠性和自动保护恢复功能。MSTP继承了SDH的保护特性，小于50ms的自动保护恢复，保证用户对服务的满意程度。
　　MSTP的缺点主要有：
　　(1)带宽利用率较低；
　　(2)最大提供的带宽有限；
　　(3)主要实现二层功能，以及较为简单的三层功能；
　　(4)灵活提供业务能力不足。
　　(5)光纤的占用较多
　　MSTP的应用场合主要定位于局间或汇接点间通信以及大型企事业用户的点到点通信
2.4　点到点以太网系统
　　点到点以太网系统是最直接的以太网光纤接入技术。每个用户通过一根/对光纤直接连接到局端以太网交换机的一个用户光接口。在点到点以太网系统方式中，通过扩充的以太网OAM协议，可以通过局端交换机对用户端设备进行远程管理，从而提供电信级可运营、可管理的以太网接入方式。
　　2.4.1　优点
　　(1)接入带宽高，网络升级方便；
　　(2)网络层次简单，接入网和用户以太网无缝连接；
　　(3)以太网交换机放在大楼、小区或者局端机房，局端和用户端之间直接通过光纤连接，整个接入网络结构简单；
　　(4)业务开通率高，投资回收快；
　　(5)通过局端交换机可以对用户端设备进行远程管理，在局端就可以轻松进行线路检测、故障定位，降低了维护难度。
　　2.4.2　缺点
　　(1)需要重新铺设光纤线路；
　　(2)每个用户占用一根/对光纤，光纤数量多，施工较困难；
　　(3)因为以太网技术的固有机制不提供端到端的包时延、包丢失率和带宽控制，难以保证实时业务的服务质量，提供TDM业务比较困难；
　　(4)维护成本很高；
　　(5)缺乏安全机制保证；
　　2.4.3　应用场合
　　用户很密集时，机房空间需求和成本也随之迅速增加，因而不太适合高密集用户区域，比较适合分散用户接入。
3、无源光纤接入技术
　　无源光网络(PON)，是指在OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)之间的光分配网络(ODN)没有任何有源电子设备。其典型的拓扑结构为点对多点的星型结构(如图1所示)。在光分支点不需要节点设备，只需要安装一个简单的无源光分路器，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、安全性高、综合建网成本低、维护成本低、可靠性高等优点。

图1　无源光网络(PON)拓扑图

PON光纤接入技术的缺点：
　　(1)初期投资成本太高；
　　(2)其拓扑结构使用户不具有保护功能或保护成本太高。
　　PON光纤接入技术的应用场合主要适合于分散的小企业和居民用户，特别是那些用户区域较分散，而每一区域用户又相对集中的小面积密集用户地区。
　　目前基于PON的光纤接入技术有APON、BPON、GPON、EPON和GEPON等5种，由于APON和BPON是基于ATM，而ATM不是发展方向，而且其速率有限，设备复杂，满足不了用户高带宽和低成本的要求，因此，APON和BPON不是发展方向。本文主要介绍EPON/GEPON和GPON光纤接入技术。
3.1　EPON/GEPON
　　EPON/GEPON是IEEE提出的基于以太网的PON技术，已形成标准802.3ah，该标准主要是设备商推动的。
　　3.1.1　优势
　　(1)消除了ATM层，降低设备复杂度和实现难度，从而降低成本。
　　(2)速率更高，上下行带宽高达1Gbit/s。
　　(3)标准和设备成熟。
　　3.1.2　缺点
　　(1)难以支持以太网以外的业务，特别是实时性要求要的TDM业务。
　　(2)传输效率低，由于线路编码、承载层、传输汇聚层、业务适配效率等方面的原因，使得传输效率很低，仅为GPON的一半。
　　3.1.3　应用场合
　　主要定位于为用户提供数据业务接入，以商业用户和个人用户为主。
　　3.2　GPON
　　GPON是ITU-T提出的基于ATM和GFP的PON技术，已形成标准G.984.1和G.984.2，该标准主要是运营商推动的，因此具有更周到的运营利益考虑，速率更高，可达2.4Gbit/s；具有通用的映射格式，可适应任何新老业务；具有丰富的运行、管理、维护和配置(OAM&P)特点；对各种业务均具有很高的传输效率，即便对于TDM业务也能高效无开销地传送。
　　3.2.1　优势
　　(1)速率更高，达到2.5Gbits/s；
　　(2)传输效率更高；
　　(3)能够有效承载TDM业务。
　　3.2.2　劣势
　　(1)硬件实现难度大，成本高；
　　(2)设备和标准不太成熟。
　　3.2.3　应用场合
　　主要定位于为高端用户提供数据、语音业务和专线接入，以大客户和商业用户为主。
4、GEPON关键问题和技术
　　4.1　测距、同步
　　测距技术是TDMA方案中的一个关键问题。它实质上是上行信号的同步问题。由于各ONU距OLT的光纤路径不同和各ONU元器件的不一致性造成OLT与各ONU间的环路时延不同，而且由于环境温度的变化和器件老化等原因，环路延时也会发生不断的变化。因此必须引入测距技术对上述原因引发的时延差异进行补偿，以确保不同ONU所发出的信号能够在OLT处准确地按时隙复用在一起，避免由于上行时隙间的不同步而导致在OLT上发生信号碰撞的现象。GEPON中采用的同步技术是绝对时标(ATS)技术，包括ATS的插入和提取等。
　　OLT有一个本地时钟计数器，该计数器对时间颗粒计数。当OLT发送MPCP帧时，它就将本地时钟计数器的值，即绝对时钟插入到其时间标签域中。ONU中也有一个本地时钟计数器。这个计数器也是对时间颗粒计数。但是。ONU无论何时接收到OLT发送的MPCP帧，就要将这个帧所携带的新的时间标签值来刷新自己的本地时钟计数器的值。当ONU发送MPCP帧时，它也要将自己的时钟计数器的值映射到时间标签域中。OLT将对接收到的ONU的时间标签进行检查。时间标签测距法就是通过时间标签在OLT与ONU之间的传递，计算接收的时间标签值和OLT本地时钟的之间的差来得到ONU的RTT值。OLT只要接收到了ONU的MPCP帧，就要进行测距，利用时间标签法进行测距的原理如图2所示。

图2　GEPON测距技术

　　图中TR为ONU总的响应时间，TDOWN为下行传输延时，TUP为上行传输延时，TWAIT为ONU接收到OLT的MPCP消息(一般为GATE消息)到发送窗口开始之间的等待时间。OLT在本地时间为to时，给ONU发送一个MPCP帧，它携带的时间标签值为TS=to。经过TDOWN时间的传输延时后，这个MPCP帧到达ONU。ONU将本地时间计数器的值更新为to，然后就等待。等待TWAIT时间后，这个ONU的发送窗口开始了，它就发送数据和MPCP帧，并将本地时钟计数器的值t1插入到MPCP帧的时标域。ONU发出的MPCP帧经过TUP时间的传播延迟后到达OLT。
4.2　突发发送和接收
　　与所有的采用TDMA技术的PON一样，GEPON中也面临着上行信号的突发发送和接收的问题。由于不同的ONU到达OLT的距离不相等，以及每一个ONU的光模块发出的光信号的强度不同，造成了OLT的接收机接收到的信号功率在每一个时隙都不相同，导致OLT容易产生误判。
　　为了解决OLT误判的问题，有两种方法，一种是要求ONU动态调整发光功率，另外一种是要求OLT动态调整判决电平，如图3所示。前一种方法对ONU提出更高的要求，成本较高，后一种方法实现简单，成本较低，目前大部分采用后一种方法。

图3　GEPON突发接收技术

　　4.3　安全性问题
　　由于GEPON下行是一个共享网络，因此用户安全也是GEPON中比较受到关注的一个问题。如图4所示，为了确保用户数据的安全，目前主要采用两种方式，一种是为每个ONU分配唯一的LLID，另外一种是采用AES128加密技术对用户数据进行加密，ONU将定时产生新的密钥，并发送到OLT，OLT根据一定算法将ONU产生的密钥转换成真正的加密图样，对下行数据流进行加密。

图4　GEPON安全问题

　　4.4　QoS问题和DBA技术
　　由于以太网中的数据流具有很强的突发性，如果采用静态的带宽分配方案，就会产生带宽利用率低下或带宽分配不公平的现象。因此，为提高带宽利用率，在GEPON中采用动态的带宽分配机制。采用DBA的好处在于不但可以提高带宽利用率，还可以采用带宽调度算法来保证某些优先级高的业务的QoS。DBA能确保用户所签订的服务等级合同(包括最小带宽、最大带宽和延时敏感性)得到公平的执行。在签订SLA时可以规定业务和用户的优先级。高优先级的业务或用户可以优先获得网络资源。在确保所有的业务或者用户的最小带宽得到保障的情况下，可以动态地分配剩余带宽，供突发性较强的业务使用。
　　4.5　MPCP技术
　　MPCP是一种多点控制协议，指明了OLT和ONU之间的控制机制，如图5所示，其功能如下：

图5　GEPON MPCP技术

　　(1)控制网络启动导入过程，即ONU的注册过程。
　　(2)给终点站(ONU)分配带宽
　　(3)询问来自终点站(ONU)的带宽请求
5、结束语
　　综上所述，各种光纤接入技术都有其最佳使用场合和时机，PDH、SDH和MSTP最适合企事业用户，点到点以太网系统适合在低密度用户分散地区应用，PON光纤接入技术最适合新建或改建的密集用户区应用，其中又以GEPON和GPON光纤接入技术在FTTH将来大规模发展中最具潜力。

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