1. 前言
近年來，隨著視頻點播、網(wǎng)絡游戲和IPTV等高帶寬業(yè)務的出現(xiàn)，用戶對接入帶寬的需求進一步增加。以以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡（EPON）和吉比特無源光網(wǎng)絡（GPON）為代表的光纖接入技術在技術標準、設備功能與性能、互通性、產(chǎn)業(yè)鏈、成本等方面都有了突破性進展。國內(nèi)外的主流電信運營商均已開始采用EPON或者GPON技術大力開展寬帶接入提速，即“光進銅退”。
國家政策層面不斷助推“三網(wǎng)融合”。2010年1月13日，國務院常務會議決定加快推進電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的三網(wǎng)融合。這將進一步加強電信、廣電運營商在寬帶接入領域的競爭，加速光纖寬帶網(wǎng)絡的升級改造和PON技術的發(fā)展。2010年3月17日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會等7部委也聯(lián)合印發(fā)《關于推進光纖寬帶網(wǎng)絡建設的意見》的文件，以加快光纖寬帶網(wǎng)絡建設，提升信息基礎設施能力，引導寬帶應用的發(fā)展和創(chuàng)新。
在EPON和GPON已經(jīng)規(guī)模部署以及“三網(wǎng)融合”的大背景下，如何保持PON技術的持續(xù)發(fā)展是個非常重要的問題。本文將通過對下一代PON技術及其進展的分析，探討下一代PON的應用方案和系統(tǒng)架構如何滿足應用的需求。
2. 下一代的PON技術及其標準化歷程
隨著用戶對高清IPTV、視頻監(jiān)控等高帶寬業(yè)務需求的不斷增長，產(chǎn)業(yè)界逐漸認識到，現(xiàn)有的EPON和GPON技術均難以滿足業(yè)務長期發(fā)展的需求，特別是在光纖到樓（FTTB）和光纖到節(jié)點（FTTN）場景。光接入網(wǎng)在帶寬、業(yè)務支撐能力以及接入節(jié)點設備功能和性能等方面都面臨新的升級需求，因此提出了下一代PON的概念。所謂的“下一代PON”，其主要技術特征包括以下幾個。
· 10 Gbit/s及以上的傳輸速率。上下行對稱10 Gbit/s或者下行10 Gbit/s、上行至少1 Gbit/s的非對稱系統(tǒng)。WDM PON和40 Gbit/s速率的TDM PON在一些關鍵技術上尚未取得突破，因此應該算下下一代PON。
· 更高的光功率預算和更大的分路比。下一代PON的最大光功率預算應大于28 dB，應至少支持1∶64的分光比。
· 兼容現(xiàn)有的EPON/GPON系統(tǒng)。下一代PON系統(tǒng)應該能夠與現(xiàn)已大規(guī)模部署的EPON/GPON系統(tǒng)共存，繼承現(xiàn)有EPON/GPON的所有業(yè)務并確保用戶向下一代PON網(wǎng)絡遷移過程的平滑。
· 更強的組網(wǎng)能力。下一代PON要面向運營商包括FTTH/O、FTTB、FTTC、FTTN等多種場景的組網(wǎng)需要，因此對其設備形態(tài)、業(yè)務管控、網(wǎng)絡管理與維護等方面提出了更高的要求。
針對上述需求，IEEE和FSAN分別啟動了下一代PON技術的研究和標準化工作。
IEEE于2005年年底啟動了下一代EPON——10G-EPON技術的研究和標準化工作，并于2006年3月成立了IEEE802.3av工作組。2007年年中，IEEE802.3av Draft 1.0形成，基本形成了10G-EPON標準的框架和主體內(nèi)容。2008年年中，IEEE802.3av Draft 2.0形成，基本上達到了比較完善的水平，并成為芯片和設備廠商開發(fā)相關芯片和系統(tǒng)的參考。2009年9月，正式發(fā)布10G-EPON國際標準IEEE802.3av，標志著10G-EPON的標準化完成。
FSAN也在2007年11月啟動了下一代GPON——NG-PON的研究和標準化。2009年5月，F(xiàn)SAN發(fā)布了NG-PON白皮書，明確了NG-PON分為NG-PON1和 NG-PON2兩個階段并給出了明確的技術路線。NG-PON1主要是與GPON共存，重利用GPON ODN的XG-PON，XG-PON又分為XG-PON1（上行2.5 Gbit/s/下行10 Gbit/s）和XG-PON2（上行10 Gbit/s/下行10 Gbit/s）兩種。2009年10月，ITU-T的SG15/Q2工作組在SG15全會期間正式發(fā)布了XG-PON1標準的第一階段文本G.987.1和G.987.2，目前XG-PON1的G.987.3主要技術框架已經(jīng)具備。按照FSAN的計劃，XG-PON1于2010年6月完成標準化，包括總體架構、物理層、TC層及OMCI等各部分。NG-PON2的標準化工作尚未開始。
需要指出的是，無論是在10G-EPON和XG-PON1的需求分析、架構設計過程中，還是在10G-EPON和XG-PON1的標準文本的撰寫過程中，中國的設備廠商和運營商都發(fā)揮了重要的作用。例如，在XG-PON1的制定過程中，華為公司的專家擔任了ITU-T Q2組的主席和兩個子標準的Editor/Co-editor的職務；中興公司的專家擔任了10G-EPON的Assistant
Editor的職務。中國電信等運營商也結合自身的需求，提出了一系列重要的建議和意見。在下一代PON的標準化進程中，來自中國的廠商和運營商的提案約有100項，成為該領域最活躍的一個群體，為下一代PON技術的發(fā)展做出了前所未有的貢獻。
3. 10G-EPON技術特點和產(chǎn)業(yè)化進展
3.1 10G-EPON主要特點
10G-EPON技術標準的主要特點在于充分利用10GE和EPON等成熟技術，實現(xiàn)更高的傳輸速率和更豐富的物理層規(guī)格，并與EPON技術兼容。
（1）更高的系統(tǒng)傳輸能力
IEEE802.3av規(guī)定了10 Gbit/s下行、1 Gbit/s上行的非對稱模式和10 Gbit/s上下行對稱模式，顯著地提高了系統(tǒng)的傳輸能力。10G-EPON采用64 B/66 B線路編碼，效率為97%，與1G-EPON的8 B/10 B（效率為80%）線路相比有了明顯提升。10G-EPON通過電層的FEC技術來降低光收發(fā)模塊的技術難度和成本，其FEC采用RS（255，223）編碼，可增加光功率預算5～6 dB。
測試結果表明：10G-EPON下行吞吐量可以達到8.3 Gbit/s以上（FEC開銷約為13%），對稱系統(tǒng)的上行吞吐量也高于8 Gbit/s。
（2）更豐富的物理層規(guī)格
針對10 Gbit/s對稱的系統(tǒng)速率和10 Gbit/s/1 Gbit/s非對稱系統(tǒng)速率，IEEE802.3av分別定義了10GBASE-PR和10/1GBASE-PRX的物理層要求。每種物理層要求又根據(jù)光功率預算的不同，規(guī)定了包括PR10、PR20、PR30和PRX10、PRX20、PRX30共6種規(guī)格，以滿足不同的鏈路損耗要求。具體規(guī)格及鏈路光指標見表1。
（3）對10GE和EPON協(xié)議的繼承性
10G-EPON技術在開發(fā)時充分考慮了與現(xiàn)有的10GE和EPON技術的繼承性。10GE的技術已經(jīng)非常成熟，10G-EPON在下行方向和10 Gbit/s速率的上行方向充分利用了10GE接口的技術標準和現(xiàn)有基礎（例如采用10GE的64 B/66 B的物理層編碼和以太網(wǎng)的幀格式），從而降低了實現(xiàn)難度和成本。
10G-EPON標準化過程中極力避免對IEEE802.3做大的修改，而是通過在EPON標準IEEE802.3基礎上對MPCP協(xié)議進行必要的擴展而形成IEEE802.3av。10G-EPON的MAC控制層僅僅在EPON的MPCP協(xié)議中進行了少量的擴展（OLT在Discovery GATE幀中增加Discovery Information字節(jié)來請求ONU上報其是否支持10 Gbit/s速率，ONU在REGISTER_REQ幀中增加Discovery Information字節(jié)向OLT通告10 Gbit/s速率的支持能力），實現(xiàn)了10 Gbit/s能力的通告與協(xié)商機制，從而使得10G-EPON的協(xié)議實現(xiàn)變得非常容易。
為了降低10 Gbit/s突發(fā)光模塊的實現(xiàn)難度，對稱速率的10G-EPON的上行方向沒有因為線路速率的提高而縮短ONU突發(fā)模式光發(fā)送機的激光器打開（LaserOn）/關閉（LaserOff）時間、OLT的時鐘提取時間（CDR）等指標要求，而是保持與EPON相同的指標要求；而且還把自動功率調(diào)整的穩(wěn)定時間（receiver_settling）從EPON的400 ns提高到800 ns，顯著地降低了光模塊實現(xiàn)的復雜性和系統(tǒng)成本。
（4）與EPON的兼容和共存
為了實現(xiàn)10G-EPON與1G-EPON的兼容和網(wǎng)絡的平滑演進，IEEE802.3av標準在波長分配、多點控制機制方面都有專門的考慮，以保證10G-EPON與1G-EPON系統(tǒng)在同一ODN上的共存。
波長規(guī)劃如圖1所示，為了實現(xiàn)與1G-EPON的兼容，10G-EPON沒有使用1G-EPON系統(tǒng)所使用的1 490
nm的下行波長，同時考慮避開模擬視頻波長（1 550 nm）和OTDR測試波長（1 600～1 650 nm），IEEE802.3av標準選擇1 577 nm作為10 Gbit/s下行信號的波長（1 575～1 580 nm）。因此，在下行方向可以確保10 Gbit/s信號與1 Gbit/s信號的隔離度。上行方向，非對稱10G-EPON系統(tǒng)的上行波長仍然沿用EPON系統(tǒng)的上行波長1 310 nm（1 260～1 360 nm），實現(xiàn)了與EPON的無縫兼容，對稱10G-EPON系統(tǒng)的上行信號（10 Gbit/s）波長是1 270 nm（1 260～1 280 nm），二者有重疊，因此不能采用WDM方式，而是采用雙速率TDMA方式。
對于非對稱速率的10G-EPON系統(tǒng)，由于很大程度上繼承了現(xiàn)有的10GE和EPON技術，只要對協(xié)議略作完善即可，所以系統(tǒng)實現(xiàn)上難度并不大。對于對稱速率的10G-EPON系統(tǒng)，其實現(xiàn)難度相對較大，主要體現(xiàn)在光模塊、芯片組、系統(tǒng)架構上。
· 由于對稱10G-EPON系統(tǒng)的上行方向工作于10 Gbit/s突發(fā)模式，盡管ONU的突發(fā)模式光發(fā)送機和OLT的突發(fā)模式光接收機的指標并沒有顯著提高，甚至是適度降低，但對于光模塊來講，還是充滿挑戰(zhàn)的，主要體現(xiàn)在高功率激光器和高靈敏度探測器、高效率的BOSA、高速跨導放大器(TIA)和限幅后置放大器LIA等技術難點上。
· 對于芯片組設計而言，邏輯設計沒有本質(zhì)上的困難，但由于系統(tǒng)速率的提升，必須提高總線寬度，控制功耗，這帶來了一些硬件設計上的挑戰(zhàn)。在EPON系統(tǒng)中普遍采用Triple Churning進行下行數(shù)據(jù)的加密，但隨著速率的提高，數(shù)據(jù)被破解的風險急劇加大，需要為10G-EPON設計加密強度更高的算法。
10G-EPON受到了光接入產(chǎn)業(yè)界的普遍支持，包括光模塊廠商、芯片廠商、設備廠商、運營商都投入了很大精力促進其發(fā)展，并逐步解決了一系列關鍵的技術問題。
2009年3月，IC解決方案提供商Vitesse公司宣布了業(yè)界首款用于10G-EPON、全面符合IEE802.3av/D3.0標準的全套物理媒體相關(PMD)芯片組。川崎微電子也已經(jīng)開發(fā)出適用于10G-EPON OLT的突發(fā)模式SERDES芯片，可以用于對稱和非對稱系統(tǒng)。目前非對稱10G-EPON光模塊技術上已經(jīng)比較成熟，Ligent、Neophotonics、Source Photonics、Superxon等主流光模塊廠商已經(jīng)可以批量提供XFP封裝的光模塊，技術指標基本可以滿足PRX30的要求。三菱、NEC、Superxon等也已經(jīng)可以提供符合IEEE802.3av標準的10G-EPON對稱光模塊，但光功率指標仍待提高。
芯片廠商也不遺余力地開發(fā)和創(chuàng)新10G-EPON技術。目前PMC-Sierra、Teknovus（現(xiàn)已被Broadcom收購）、Opulan公司均已推出成熟的基于FPGA的非對稱和對稱10G-EPON解決方案。Cortina公司于2009年下半年推出了基于FPGA的非對稱10G-EPON解決方案。10G-EPON芯片的互通性已經(jīng)實現(xiàn)，預計2010年年底將有2款ONU側ASIC出現(xiàn)，并支持對稱和非對稱兩種模式，到2011年年初，將有至少2款OLT側ASIC芯片?？紤]到10G-EPON初期的主要應用場景為FTTB/N，一些芯片廠商還對10G-EPON ONU側芯片進行了優(yōu)化，以適應MDU對QoS等方面的要求。
目前，國內(nèi)的中興、華為、烽火、上海貝爾等設備廠商也在積極地開發(fā)10G-EPON產(chǎn)品，目前均已發(fā)布了相關產(chǎn)品。中興、華為已經(jīng)在國內(nèi)外開通了數(shù)十個試驗局，演示了1∶128分光比、Triple-Play業(yè)務、與EPON的共存等典型應用。日本的NEC、住友等設備廠商也研發(fā)出了各自的10G-EPON設備。
國內(nèi)外運營商對10G-EPON高度關注，NTT、KT、中國電信等運營商積極參與10G-EPON標準的制訂，并密切跟蹤技術進展，均進行了一系列的評估測試和現(xiàn)場試驗。中國電信也對10G-EPON系統(tǒng)的核心問題進行了比較詳細的規(guī)定，解決了PON口下行數(shù)據(jù)安全性、MPCP發(fā)現(xiàn)協(xié)議一致性、設備架構和能力等關鍵問題。歐美的廣電運營商非常關注10G-EPON技術，認為10G-EPON是Cable網(wǎng)絡升級改造的最佳技術。例如，時代華納早于2009年7月即進行了評估測試并給出了積極的評價。隨著10G-EPON的快速推進，Verizon、FT、AT&T等運營商也組織了一系列的評估測試，探討利用10G-EPON解決基于GPON進行FTTH建設的入戶困難、成本高等問題。
總之，10G-EPON的高帶寬、平滑演進、技術相對比較成熟等優(yōu)點使其得到了產(chǎn)業(yè)界的高度關注和廣泛支持。目前的技術進展非常迅速，產(chǎn)業(yè)鏈也已基本成熟，具備了現(xiàn)場試驗的條件。預計到2011年年中，EPON的光模塊、芯片和設備將更加成熟，具備規(guī)模商用的條件。考慮到對稱系統(tǒng)和非對稱系統(tǒng)的主要差別在光模塊，盡管規(guī)模商用后（如大于10萬臺ONU），對稱光模塊的價格仍將比非對稱光模塊的價格高30％～50％（價格差20～30美元），但考慮到對稱系統(tǒng)在上行能力上的優(yōu)勢和10G-EPON初期主要應用于FTTB/N場景，用戶對光模塊成本相對不敏感，所以對稱10G-EPON系統(tǒng)將成為主流。
4. XG-PON 1技術特點和產(chǎn)業(yè)化進展
按照目前FSAN制訂的XG-PON1標準草案，XG-PON1主要特征如下。
（1）定義了全新的速率體系和物理層規(guī)范
XG-PON1采用了XG-PON1系統(tǒng)的下行線路速率為9.953 28 Gbit/s ，上行線路速率為2.488 32 Gbit/s，線路編碼為NRZ碼。G.987規(guī)定了3種光功率預算的規(guī)格，以滿足不同場景的應用需求。這3種規(guī)格的指標見表2（根據(jù)最新的會議討論結果，G.987.2還將增加最大損耗為35 dB的等級）。
另外，與10G-EPON上下行采用相同的FEC編碼不同，XG-PON1在下行方向上采用了RS(248，216，32)的強FEC（強制實現(xiàn)，強制使用），上行方向采用RS(248，232，16)的弱FEC（強制實現(xiàn)，可選使用）。
（2）盡可能繼承GPON系統(tǒng)的相關規(guī)范，如傳輸匯聚（TC）子層、OMCI機制、DBA機制及加密機制等
XG-PON1仍然采用周期為125 μs的TC幀（稱為XGTC）GEM封裝協(xié)議，并在TC幀中實現(xiàn)嵌入式的控制和管理功能。XG-PON1還原則上繼承GPON的基于OMCI協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)ONU的控制與管理功能。FSAN正在制訂新的OMCI標準G.988，將GPON、XG-PON1甚至EPON的ONU遠程管理統(tǒng)一到這個新的標準中來。XG-PON1也采用了GPON的加密和DBA機制，從而降低實現(xiàn)難度。
（3）采用了與10G-EPON類似的波長規(guī)劃，并以WDM的方式實現(xiàn)與GPON的共存
為了避免系統(tǒng)升級過程中對現(xiàn)有用戶的業(yè)務造成影響，XG-PON1系統(tǒng)規(guī)定了下行方向采用1 577 nm的波長（1 575～1 580 nm），因此，以WDM方式實現(xiàn)與GPON下行信號的共存。XG-PON1的上行中心波長為1 270 nm （1 260～1 280 nm），與10G-EPON系統(tǒng)與EPON系統(tǒng)上行波長上存在一定的重疊的情況不同，XG-PON1在上行方向上與GPON系統(tǒng)（其上行波長范圍為1 290～1 330 nm）不存在重疊，因此采用WDM的方式實現(xiàn)共存，而不采用10G-EPON雙速接收機的方式。具體原理如圖2所示。
在產(chǎn)業(yè)鏈方面，XG-PON1也受到了GPON陣營的運營商、設備廠商、芯片廠商的廣泛支持。但由于標準尚未完全定稿，目前尚未有成熟的光模塊和芯片解決方案。華為、阿朗、愛立信等設備廠商均已研發(fā)出或者即將研發(fā)出 XG-PON1樣機（基于廠商私有規(guī)范和自研FPGA）。PMC、Broadlight等GPON芯片供應商均有自己的XG-PON1芯片研發(fā)路標，2011年將有基于FPGA的TC層芯片解決方案出現(xiàn)。
運營商對下一代GPON技術的關注也持續(xù)升溫。AT&T、Verizon、法國電信、Telefonica等運營商都積極參加了XG-PON1的標準化工作，并在2009年開展了較多的10G-GPON的評估測試。中國電信、中國移動等國內(nèi)運營商和工業(yè)和信息化部電信研究院也積極參加了XG-PON1的標準化工作，在IPv6、基于邏輯標識的ONU認證、OMCI等方面提出了一系列建議并被采納。
XG-PON2的目標為10 Gbit/s對稱的PON系統(tǒng)，從FSAN目前的規(guī)劃來看，尚無明確的時間表。
5. 10G-EPON和XG-PON1的比較
從10G-EPON和NG-PON技術發(fā)展的現(xiàn)狀來看，下一代PON技術仍然分為兩個陣營，無法實現(xiàn)統(tǒng)一和融合。目前幾種主流下一代PON技術的比較見表3。
無論是10G-EPON還是XG-PON1，都具有明顯的帶寬優(yōu)勢，可以滿足未來相當長的一段時間內(nèi)高帶寬業(yè)務發(fā)展的需求。但從經(jīng)濟性來講，由于光模塊和芯片技術難度高，短期內(nèi)難以達到規(guī)模效應，所以在2～3年內(nèi)10G-EPON和XG-PON1的成本都將遠遠高于現(xiàn)有的EPON和GPON（10G-EPON和XG-PON1分為EPON 和GPON的4～6倍，芯片分別為EPON和GPON的2倍）。如何選擇合適的應用模式是關系到下一代PON技術和市場可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題。
7. 下一代PON技術的系統(tǒng)架構
下一代PON技術使得系統(tǒng)的接口速率提高了一個數(shù)量級，對OLT和ONU的系統(tǒng)架構提出了新的要求。對于OLT來講，背板總線帶寬必須從目前的10 Gbit/s提升到20 Gbit/s，甚至40 Gbit/s，總線架構也需要進一步優(yōu)化。一段時間內(nèi)，OLT將以N×10GE總線為主，未來將采用40GE等更高速總線。從技術上看，OLT各接口板到主交換板之間全部采用40GE的總線連接難度很大。另外，OLT設備的交換能力要達到500 Gbit/s以上（10 Gbit/s×4PON口×12槽位）。在FTTB/C/N場景下，每個PON口帶的用戶數(shù)一般超過256個，甚至1 000個，考慮到每個用戶的終端數(shù)量也在增長，所以對OLT設備的MAC地址容量要求也相應提高，需要支持256 K甚至更高。由OLT的主控板進行大用戶數(shù)（>1萬）集中的業(yè)務管理和控制，技術實現(xiàn)難度很大，采用分布式的業(yè)務控制和管理成為必然。下一代PON系統(tǒng)也對OLT和ONU的緩存能力、靈活QinQ能力、ACL條目。
在EPON和GPON技術逐步成熟并規(guī)模商用的基礎上，產(chǎn)業(yè)界開始考慮下一代PON技術，以進一步提高光接入網(wǎng)的能力。下一代PON技術主要包括10G-EPON和NG-PON1。目前10G-EPON技術進展非常迅速，產(chǎn)業(yè)鏈也已經(jīng)基本成熟，并在現(xiàn)網(wǎng)中得到了試驗，預計到2011年年中，10G-EPON將具備規(guī)模商用的條件。XG-PON1的標準受到了GPON陣營運營商、設備廠商、芯片廠商的廣泛支持，但標準尚未完全定稿，尚未有成熟的光模塊和芯片解決方案。
從技術能力和成本上來看，在相當長的時間內(nèi)下一代PON技術將主要適用于FTTB/C/N場景。下一代PON技術對OLT系統(tǒng)架構提出了一系列新的挑戰(zhàn)，包括總線結構、業(yè)務控制和管理、交換能力等方面。