面向NGB的下一代PON技术演进路线分析

文章作者：中国新闻技术工作者联合会 2021/12/30-04:43 阅读: loading...

杨家胜宫良秦龙

（国家广电总局广播电视规划院）

[摘要]有线网络运营商迫切需要面向下一代广播电视网的承载三网融合业务的PON技术，进行双向化改造并满足其业务运营需求。本文通过对现有PON技术和广电网络PON应用模式分析，根据NGB对PON的需求，结合现有PON技术对网络适应性分析，提出了面向NGB的下一代PON技术演进路线。 [关键词]PON NGB演进需求

1 背景

截至2012年底，我国有线电视用户2.1亿多户，数字电视用户已超过1.4亿户，双向覆盖用户7000万，双向用户1900万，宽带用户564万，有线双向覆盖用户不到35%，实际双向用户仅约14%，有线电视网络双向化改造的任务仍然十分艰巨。目前有线数字化、双向化进程正在加快，预计到2015年，全国县级以上城市有线电视网络将全面实现数字化，80%可基本实现双向化。未来广电将全面提高网络的大规模内容汇集能力，开发各种跨域新兴业务，加快高清交互、视频点播、信息服务等新兴业务研发。现有PON技术是实现有线数字化、双向化的重要技术，但是其技术系统在业务承载、带宽、管理等方面还不能完全满足新业务的需求，广电迫切需要提出PON技术演进路线，来规范面向下一代广播电视网的PON技术，进行双向网络改造，以承载大带宽、多业务QoS保障、可运营、可管理的三网融合业务运营。

2 PON技术分析

无源光网络(PON)技术自从在20世纪80年代被采用至今已经历经几个发展阶段，起初PON标准是APON（BPON），之后ITU和IEEE分别制定出了两个新标准，其中一个是由ITU/FSAN负责制定用来替换APON标准的Gigabit PON(GPON)标准，另一个是由IEEE802.3ah工作组负责制定的Ethernet PON(EPON)标准。

2.1 IEEE主导的PON技术分析

2000年12月，IEEE成立了802.3EFM(EFM——Ethernet in the First Mile)工作组，开始了EPON的技术标准化工作。2004年6月，IEEE 802.3 EFM工作组发布了EPON标准IEEE 802.3ah，2005年并入IEEE 802.3 ah-2005标准。2005年底，IEEE启动了10GEPON技术的研究和标准化工作，2006年3月，IEEE标准组织成立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。2009年9月，正式发布10G EPON国际标准IEEE802.3av，具体参数和功能特性比较如表1所示。

表1 IEEE PON体系特性参数比较

特性		EPON		10GEPON
特性		EPON		10G/1G EPON	10G/10G EPON
线路速率	上行：1.25Gbps 下行：1.25Gbps		上行：1.25Gbps 下行：10.3125Gbps		上行：10.3125Gbps 下行：10.3125Gbps
上行线路编码（效率）	8B10B（75%）		8B10B（75%）		64B66B（97%）
上行接入方式	TDMA		TDMA		TDMA
分光比	16/32		32/64/128		32/64/128
波长	上行：1260-1360nm 下行：1480-1500nm		上行：1260-1360nm 下行：1575-1580nm		上行：1260-1280nm 下行：1575-1580nm
最大传输距离	10/20Km		>20Km		>20Km
光功率预算	PX10/20		PX10/20/30		PX10/20/30
ODN光链路预算衰减	20/24dB		20/24/29dB		20/24/29dB
FEC编码方式	RS（255，239）		RS（255，223）		RS（255，223）
标准	IEEE802.3ah		IEEE802.3av		IEEE802.3av

2.2 ITU主导的PON技术分析

ITU主导的PON技术标准由SG15负责维护，属于G系列，编号为G980-G.989。其中，G.983.x协议组对B-PON（FSAN 的ATM-PON）体系进行规范；G.984.x协议组对G-PON体系进行规范；G.987.x对XG-PON体系（目前完成了上下行速率非对称的XG-PON1）进行了规范；此外，G.988标准还针对ONU的管理和控制接口进行了规范。从BPON到GPON再到XGPON1，具体参数和功能特性比较如表2所示。

表2 ITU PON体系特性参数比较

特性	BPON	GPON	XGPON1
数据传输速率	上行：155/622Mbps 下行：155/622Mbps、 1.2Gbps	上行：155/622Mbps、 1.2/2.5Gbps 下行：1.2/2.5Gbps	上行：2.5Gbps 下行：10Gbps
分光比	1:16/1:32	1:64/1:128	1:64/1:128/1:256
链路光线路	单纤/双纤	单纤/双纤	单纤
波长	上行：1260-1360nm 下行：1480-1500nm	上行：1260-1360nm 下行：单纤系统：1480-1500 nm 双纤系统：1260-1360 nm	上行：1260-1280nm 下行：1575-1580nm （户外应用时下行扩展为 1575-1581nm）
广播电视叠加	1550-1560nm波段	1550-1560nm波段	1550-1560nm波段
ODN覆盖范围	最大物理距离20公里最大逻辑距离差20公里	最大逻辑距离60公里最大物理距离10/20公里最大逻辑距离差20公里	最大物理距离20公里最大逻辑距离至少60公里最大逻辑距离差可扩展至40公里
ODN光链路预算衰减类型	Class A：5-20dB Class B：10-25dB Class B+：13-28dB Class C：15-30dB	Class A：5-20dB Class B：10-25dB Class B+：13-28dB Class C：15-30dB Class C+：17-32dB	N1：14-29dB N2：16-31dB E1：18-33dB E2：25-35dB
前向纠错码	无	RS（255,239）编码增益3-4dB	RS（255,239）编码增益3-4dB
数据封装规则	ATM	ATM over GTC GEM over GTC	XGEM over XGTC
用户复用方式	通过ATM实现TDM	TDM	TDM
QoS	基于ATM的QoS	基于GEM Port ID标记，支持CIR/PIR	基于XGEM Alloc-ID标记支持四级严格优先级： FB（高）、AB、NA、BE（低）
DBA	基于SR/TM的算法	基于SR/TM的算法	基于SR/TM的算法
加密	扰码、可选AES	AES	AES
OAM	ATM开销 PLOAM/OMC数据帧	GTC Embedded OAM PLOAM/OMC数据帧	XGTC Embedded OAM PLOAM/OMC数据帧
保护	PON口1+1保护； ODN 1:1、1+1保护 ODN X:N保护	PON口1+1保护； ODN 1:1、1+1保护	同GPON
距离扩展	无	OA、OEO、混合模式	OA、OEO、混合模式、 WC-RE、WreC-RE、 Increased Fanout
业务支持	PSTN、ATM	POTS（PSTN）、VoIP、 Video over IP	Telephony、Realtime TV、T1/E1、Ethernet、Mobile Bakckhaul（对IEEE 1518协议的支持）、L2/L3VPN、Ehernet Virtual Connection、MPLS、PTN等

ITU PON标准继承了ITU-T G.982对最大平均信号时延小于1.5ms的指标要求；继承了对T1和E1业务保护倒换时间小于50ms的技术要求。利用GEM封装规程，GPON和XPON可实现对多种业务数据单元的适配映射，包括：Ethernet、MPLS。根据ITU-T G.987.1 XPON系统可支持的业务如表3所示。

表3 ITU PON承载业务种类

序号	业务		说明
1	电话类	VoIP	---
2	电话类	POTS	可通过仿真（Simulation）或模拟（Emulation）的方式实现
3	实时电视	IPTV	---
4	实时电视	数字电视广播	通过Overlay（叠加）的方式,，在1550-1560nm波段传送
5	专线	T1	---
6	专线	E1	---
7	互联网接入	---	---
8	无线回传	---	支持精确频率、相位、时间同步
9	L2 VPN	---	Ethernet、Ethernet Virtual Connection
10	IP业务	---	L3 VPN、IPv6

3 广电现有PON应用模式

广电现有PON应用模式主要有FTTB和FTTH两种方式，FTTB分为PON+LAN、PON+EoC、PON+C-DOCSIS。如图1所示，FTTH方式ONU直接入户，FTTB的三种方式中ONU设备部署在楼道，下边分别连接以太网交换机、EoC头端和C-CMTS设备。

4 NGB对PON的需求

近年来，随着同轴电缆接入技术带宽的逐步提高，Homeplug AV技术的最大MAC层共享带宽从100Mbps发展到300Mbps，C-DOCSIS接入技术已实现800Mbps以上的下行接入速率，未来HINOC 2.0技术也将达到接入速率1Gbps，因此随着NGB业务需求的不断扩展，势必对PON接入技术提出更高要求。下一代PON系统接入能力应该提供更大的系统带宽、更大的覆盖范围、更高的用户收敛能力。ONU终端接入能力不小于1Gbps；最大传输距离应不低于40km，差分距离不低于20km；ODN分光比应不低于1:64。下一代PON系统应具备高效的QoS机制，支持针对每个用户或业务的业务等级协定参数的设置，以实现固定带宽、保证带宽、最大带宽等SLA 参数。下一代PON系统应支持物理层数据信息的加密，并且系统可根据业务传输需要选择使用。下一代PON系统应支持基于SNMP协议的操作、管理和维护，并可通过TELNET或WEB方式进行管理，以带外和带内方式进行操作维护。下一代PON系统应支持ONU应支持即插即用、业务即时开通和现场零配置；应支持ONU的智能升级模式，以方便现场运维需求。

5 现有PON技术对网络适应性分析

三网融合方案出台后，部分有线网络运营商开通了很多增值业务，主要有EPG、数据广播、付费频道、PUSH-VOD、VOD、节目回看、电视录制、电视时移、支付业务、互动游戏、数据专线等；同时计划经营增值电信业务、比照增值电信业务管理的基础电信业务、基于有线电视网络提供的互联网接入业务、互联网数据传送增值业务、国内IP电话等三网融合业务。随着带宽需求高、实时性强、QoS要求高的业务开展，现有的PON技术在业务承载能力、性能指标、网络适应性、网络管理等方面还不能完全满足需求。 1.业务承载能力 NGB光接入网所承载的业务包括有线电视业务、IP业务和TDM业务。随着NGB网络中高交互类业务和金融支付类业务开展，需要对现有PON系统业务承载能力进行扩充。 2.性能指标 EPON、10G EPON和GPON系统的主要性能指标包括： 1）保护倒换性能要求：目前PON系统的光通道保护倒换时间要求均为小于50ms。 2） TDM业务性能要求：目前PON系统均要求TDM业务24小时误比特率为0，设备的用户侧接口到网络侧接口的平均传输时延小于1.5ms。 3） VoIP业务性能指标：EPON系统、10G EPON系统和GPON系统均要求系统语言编码动态切换时间小于60ms；要求网络条件很好时PSQM平均值小于1.5，网络条件较差时（丢包率=1%，抖动=20ms，时延=100ms），PSQM平均值小于1.8，网络条件恶劣时（丢包率=5%，抖动=60ms，时延=400ms），PSQM平均值小于2.0；要求采用G.729a编码时，环回时延小于150ms，采用G.723.1编码时，环回时延小于200ms。未来视频业务占据大量的网络带宽，尤其是高清视频点播、实时视频通信等实时性强、QoS要求高的业务，未来的PON技术需要针对此类性业务的承载性能指标进行完善和提高。 3.网络安全 GPON的标准ITU-T G.984协议中明确定义了数据加密机制。针对下行数据，利用AES-128算法，为每个ONU采用不同的密钥进行数据加密。 IEEE 802.3ah并没有对EPON下行数据的加密算法做出明确定义，目前大多数国外厂商采用AES-128加密算法，中国电信在其企业标准中提出了三重搅动加密算法。随着在线缴纳水电煤气费、互动点播付费、电视购物、股票实时交易、彩票投注、购买车票等电视支付类业务的进一步推广，以及家庭购物业务的开展，需要进一步加强网络安全，提高PON系统的安全特性。 4.网络管理 GPON和EPON中的OAM都提供了OLT对ONU物理层的检测和管理功能。通过各种OAM类型的定义完成不同的管理，在故障产生时快速报警，进行处理，这要比高层的管理来得及时，保证底层连接的可靠性。目前广电网络中PON与EoC/DOCSIS配合使用，其主要问题在于网络管理的互通性，这是现有所有标准组织没有关注的问题。应当在吸收国际标准组织对PON系统OAM的标准制定经验，对OAM能力进行扩充，实现对EoC终端的管理。

6 技术演进路线

随着单用户多终端高清视频点播等业务的开展，未来广电网络接入带宽也需要在近期为用户提供100Mbps的宽带能力，远期提供每用户1Gbps接入能力。面向NGB和三网融合新业务，广电网络的PON技术发展应当更多地着眼于PON网络部署、业务承载、网络运行维护管理、节能等角度来考虑。下面从两种PON体系共存、网络演进、业务承载技术、OAM、节能等方面对下一代PON技术演进进行分析。 1.IEEE PON与ITU PON的共存由于两种技术体制并不兼容，不应当在同一个ODN网络中混用两种体制，亦不建议在同一个OLT上混合使用两种体制的PON板。鉴于两种体制均具有良好的向后兼容特性，建议运营商在运营区域范围内统一采用一种PON技术，并跟随其技术标准发展保持演进。 2.网络演进国家十二五宽带发展的要求以及相关部委对光纤入户的相关规定，广电HFC网络中PON+X的应用模式面临着极大的挑战。广电网络在延续当前模式的基础上，也应当将光纤到户作为未来发展的业务。在部署光纤到户业务时，可以将大客户接入网作为业务发展的突破点。对于HFC接入网络而言未来可能存在两种演进模式：首先是FTTB向FTTH网络的过渡，这种情况需要将楼头同轴接入网迁移至楼宇内部的ODN网络，将意味着光分配网络增加1次以上的分光，需要PON系统支持更高链路预算；其次是ONU与CBAT的融合，二者融合为光电/电光介质转换模块，PON系统将直接管理CNU，这种模式对EPON+EoC的模式将更易于实现。 3.业务承载技术 NGB网络中所承载的三网融合业务可以概括为电话、互动点播业务和互联网数据业务。未来这三种业务的发展对网络的需求也在发生着变化。 1）电话业务正在向多媒体视讯业务发展，这类业务需要上下行对称的带宽和较高的QoS保证； 2）互动点播类业务中高清点播业务、时移/回看业务的增长，使广播电视网络中有限的可用频点将逐渐不能满足需要，部分业务（如标清相关点播类）势必迁移至数据通道承载。这类业务具有上下行带宽非对称，上行点播信令要求较高QoS保证的特点。 3）互联网数据业务中大量存在的在线视频、OTT等业务，使“尽力而为”的数据处理方法将不足以满足用户体验的要求；P2P业务的增长使数据业务对上行带宽的要求也在逐渐增加，并且用户带宽的并发率也在升高。在保证用户体验的基础上承载以上业务，均需要PON设备能够提供较强带宽的动态分配和QoS能力。 4.OAM 广电网络HFC的架构决定了同轴分配网络的双向数据网络传输系统将在未来相当长时间地存在，光-电两段网络造成了HFC运维管理的二级化。实现在OLT上对CNU的OAM，开发HFC网络统一网管，并实现不同厂家网管的互通，将大幅降低网络运行维护的复杂度。 5.节能 ITU PON虽然有增补的ITU-T Rec.G.Supp 45-2009建议，但其参考的是欧盟CoC要求；IEEE PON标准目前尚无节能相关的标准。考虑到接入网设备数量庞大，顺应“十二五”节能减排的要求，未来对PON网络设备节能要求和技术进行规范具有重要意义。

参考文献

[1]孙黎丽,秦龙.EPON与有线电视网络融合应用研究. 广播与电视技术,2010；7:101-106.

[2]李博,刘芳,宋文生.下一代光无源网络（NG-PON）主流技术.光通信技术,2009；9:13-15.

编辑：中国新闻技术工作者联合会