接入網絡應用中的千兆無源光網絡技術分析

采用一種最合適的解決方案來實現(xiàn)最后幾英里的接入對網絡運營商的利益至關重要，而無源光網絡(PON)技術的高帶寬、高效率和易伸縮特性使其極具競爭力。本文對接入網絡應用中的PON技術的特性進行了詳細分析。

選擇最適合的解決方案來實現(xiàn)最后幾英里的網絡接入是網絡業(yè)務提供商面臨的一個挑戰(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爭的技術可供選擇，尤其是在很多競爭標準實施的早期。找出最適合的解決方案并不容易，必須考慮大量相互關聯(lián)的因素，而這種選擇通常具有很高的風險，因為這些涉及大規(guī)模投資的任何決策都將影響公司未來多年的運作。

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

無源光網絡標準

接入網絡的目標市場通常是市區(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電路的擴展有限，使業(yè)務提供商有充分的“新市場”機會引入新的先進多媒體和寬帶業(yè)務，不會因需要支持過時技術而受到阻礙。

PON是此類應用的理想解決方案。具體而言，一個PON由位于中央局端的一個光線路終端(OLT)和位于客戶端的一組關聯(lián)光網絡終端(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絡(ODN)(見圖1)。

在PON拓撲結構中，一個OLT可以有多個PON模塊，每一個PON模塊通過廉價的無源分路器驅動一個單獨的PON網絡，由分布光纖連接到多個ONT。光纖和無源光器件使接入網絡分布設備不再需要有源電子器件和相關維護。

PON中下行數(shù)據流和上行數(shù)據流的傳輸處理過程不同，下行數(shù)據從OLT廣播到每個ONT，各個ONT通過數(shù)據包/數(shù)據單元中的地址匹配確定并處理相關數(shù)據。由于ODN的共享特性，上行數(shù)據流的處理更加復雜，為了防止碰撞，需要協(xié)調各個ONT到OLT的傳輸流。上行數(shù)據按照OLT中的控制機制進行傳輸，采用時分多址(TDMA)協(xié)議，此協(xié)議對每個ONT分配專用的傳輸時隙。這些時隙是同步的，因此來自不同ONT的數(shù)據流不會產生碰撞。

像早期的DSL具有不同的可選技術一樣，業(yè)務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技術呢?

在上世紀九十年代中期，當時一個由主要網絡運營商組成的組織設立了全業(yè)務接入網(FSAN)聯(lián)盟，該組織的宗旨是為PON設備制定一個共同標準。該標準逐漸發(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小組(EFM)，專注于1Gbps以太網專用對稱系統(tǒng)的標準化。這兩個組織分別推出了APON和EPON技術標準。

在此期間，F(xiàn)SAN小組開始對工作于1Gbps以上速率的PON進行標準化。更為重要的是，在涵蓋了基本傳輸問題的同時，此標準還以一種高度可伸縮的方式提供對多種業(yè)務的支持，以及管理、維護和配置功能。此項工作最終產生了千兆位速率的PON標準，在實現(xiàn)高速率的同時還支持以極高效率傳輸IP和TDM等格式數(shù)據，如圖2所示。

特別重要的是，世界主要的業(yè)務提供商參與制定了GPON標準主要部分的系統(tǒng)要求，這反映在ITU G.984.1即千兆比特業(yè)務要求(GSR)標準中，目前GSR已經成為此領域所有工作的標準，保證了網絡的兼容性和互用性。

GPON技術的關鍵特性

正如GSR所定義的一樣，GPON的關鍵特性包括：

1. 全業(yè)務支持。包括語音(TDM，SONET/SDH)、以太網(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，包括對稱622Mbps、對稱1.25Gbps、2.5Gbps下行數(shù)據流和1.25Gbps上行數(shù)據流等;

4. 強大的OAMP功能，提供端對端業(yè)務管理;

5. 通過PON多播特性實現(xiàn)下行數(shù)據流在協(xié)議層的安全保護。

具體而言，這些功能向網絡運營商提供了千兆位速率、最高性能和網絡效率、卓越的靈活性和可伸縮性三個關鍵優(yōu)勢：

1. 速率和靈活性。GPON提供比其競爭技術更寬的數(shù)據速率范圍，高達2.488Gbps下行數(shù)據流和1.244Gbps上行數(shù)據流。它還使用一種全新的傳輸匯聚層(TC)，采用一種在針對業(yè)務映射的基于GEM和幀的協(xié)議，該協(xié)議是ITU-T G.7041 GFP的優(yōu)化版本。因為GEM以一種簡單高效傳輸不同業(yè)務的通用機制，所以GEM是GPON TC層的重要基礎。此外，采用GEM很顯然能支持TDM業(yè)務。

2. 效率。寬帶是運營商的一種有限資源，因此必須實現(xiàn)最大的網絡利用效率，在有限的帶寬條件下獲得最大收益。然而，由于不同PON技術具有不同的特點，因此必須綜合考慮解決方案的整體成本。不同PON技術的器件成本相似，以EPON系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)要求采用VoIP等相關設備，因此必須將這些設備計算在成本中。此外，考慮到每比特的成本以及可以從基礎設施中獲取的收入，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%的網絡更具吸引力。

本文討論的其它問題涉及不同PON協(xié)議的實際效率，這里必須考慮四個因素：線路編碼(line coding)、PON TC或MAC層效率、傳輸協(xié)議(ATM、以太網或GFP)效率和業(yè)務調整效率。將這兩種因素組合起來，向我們呈現(xiàn)出在網絡中定義為“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鍵問題是如何承載日益增多的多種協(xié)議和技術，我們當前必須支持很多TDM和數(shù)據業(yè)務，同時還必須支持存儲區(qū)域網絡(SAN)和數(shù)據視頻等新興應用。

GPON通過GFP的自適應方法，提供一個清晰的變換路徑來向PON添加這些業(yè)務，而且不會破壞現(xiàn)有設備或改變傳輸層。這與APON和EPON技術形成鮮明對比，后兩種技術均要求對各個業(yè)務采用特定的調整方法，尤其是在處理新興業(yè)務的時候。