无源光网络的过去、现在与未来

彭明鉴　彭承柱

迄今为止，仍没有任何一种单一技术能经济有效地满足接入网应用的需要，接入网应用技术和系统的多元化已成为接入网的基本特征。不过，在众多解决接入网应用的新技术和系统中，无源光网络（PON）应算是最主要最有发展前景的一种了。

无源光网络概述

无源光网络实际是无源光纤接入网，它是专门为了适应接入网的应用而发展的一种光网络。如图1所示，它是一种点对多点无源双星形结构的网络；从接入点光线路终端机（OLT）向下，网络中没有有源光器件，接入用户共享光纤传输媒质和光发送机（光网络单元ONU），故整个光网络的成本相对较其他点对多点的通信方式低；PON和现用的铜线网络类似，仅有光分路器或分光器和光纤，分支接入简便易行，组网灵活；原则上对使用的任何通信方式和传输速率透明，即业务透明度好，系统频带宽，容量大，信号质量好，升级和增容也比较容易。由于PON的无源光分配网（ODN）不用供电，不仅免去了供电的困难，避免了有源设备的电磁干扰和雷电影响，而且减少了线路和外部设备的故障，系统可靠性比有源设备高很多；同时节省了维护成本，比较简单经济地支持模拟广播电视业务，实现所谓三重功能（Triple Play）。

从图1可知，从本地交换机OLT到用户侧ONU下行的业务信息常采用时分复用（TDM）技术，以光功率分配的广播方式传送给用户，而从用户侧ONU到OLT上行的业务信息多采用时分复用码址接入（TDMA）的方式传送给OLT，实现用户对带宽和设备资源的共享。

由于光分路器和光纤等需要一次到位，OLT也较贵，故造成PON的主要缺点是一次性投入费用高；同时当用户数较少或用户分布超出某限定距离时，每个用户成本会较高；另外，要实现树形分支结构的保护功能，成本也较高。这些都成为PON长期发展过程中的制约因素；自然，这也与PON的关键技术解决有关。

无源光网络的关键技术

点对多点的网络结构必须解决的主要问题是同步。下行信息由OLT发送，经光分路器透明地传送给所有的ONU，是连续工作方式，易于实现同步。但上行信息则有以下突然发送和同步接收的技术问题：（1） 要求ONU的光发送机有突然发射能力。（2） 要求OLT的光接收机能对突发信息进行同步接收。（3） 要求实现测距。（4） 要求带宽动态分配。（5） 要求保密。

从上世纪90年代开始，传输话音业务的窄带PON网络得到了一定的应用和推广，但由于性能价格比差，也没有标准化，已经自然淘汰。到90年代末期，随着宽带业务的发展，应用 ATM技术的PON网络，即APON，人们一度寄以了厚望，曾经设想并实现利用ATM多业务承载平台和廉价可靠的PON网络相结合，作为宽带接入网实现FTTB,FTTC,FTTH的最终解决方案。但由于光纤带宽的大量剩余，以及ATM技术复杂和价格过高等原因，使APON发展也不尽如人意，逐步地淡出人门的视野了。然而，正是APON的发展推动了宽带PON网络，即BPON的发展。

BPON的发展

1998年3月由设备提供商和网络运营商共同组建了ITU-T全业务接入网络组FSAN（Full Service Access Network），研究建立面向多业务的，价格合理的宽带接入网；并推荐了建议书G.983系列。其中G.983.1定义了PON的物理层规范，采用基于ATM的传输汇聚层，下行速率为622.080/155.520Mbps,上行速率为155.520Mbps，下行每27个ATM信元均插入1个PON网络的OAM信元，上行每个ATM信元的包头含有3字节的PON网络开消（开支的消息，简称开消），分别用于防止发生数据冲突的保护间隙，用于比特同步的前导识别码，以及用于字节同步的定界码。建议G.983.3定义了BPON的物理层，支持CWDM功能和波长分配方案，使BPON可通过单独的波长传输CATV模拟业务，以便和HFC网络竞争。建议G.983.4定义了BPON的动态带宽分配方案；G.983.5定义了BPON可提供电信级的保护恢复功能；G.983.2和G.983.6~G.983.10详细地定义了BPON的网络管理功能。

BPON物理层参数主要支持3类光纤配线网ODN；使其光功率预算在分光比与网径参数间的调节上，更加灵活简明，例如减小分光比可增加网络半径，增加分光比将减小网络半径。修订后的BPON可充分利用光纤的WDM功能，容易实现CATV模拟电视广播。

由于ATM技术在QoS，网络管理和多业务承载等方面具有优势，而BPON网络是以ATM信元为基本承载单元的，故在ATM网络应用环境下，BPON有应用价值和用武之地；目前在美国和日本等国已有商用；据报道，日本已敷设了约50万线。然而，其市场前景由于ATM的衰落而变得很不确定。

近些年来随着IP的兴起和发展，网络逐渐IP化，同时IP的宽带接入业务逐渐丰富，例如TV over IP等需要的带宽不断扩大, 原有的BPON网络在非ATM网络环境中又需要额外的网关，因此，BPON网络的效率和性价比都无法令人满意。故在2001年FSAN又发起了另一种全新的PON网络，即GPON(General characteristic for Gigabit-capable Passive Optical Network.)，引起了广泛的关注。

GPON的发展

GPON网络的速率超过1Gbps，它的目标很明确，就是直接支持变长的基于包的IP业务和ATM信元。因此GPON可以看成是对BPON的修缮，同时又确保兼容BPON的原有技术，最大限度地利用BPON网络的成果。2003年1月ITU-T通过两个有关GPON方面的新建议G.984.1和G.984.2。按照此新建议，GPON可以提供1.244Gbps和2.488Gbps的下行速率，以及所有标准的上行速率；传输距离可大于20km，具有高速高效传输的特点。在传输汇聚（TC）层还采用了一个新标准GFP( Generic Framing Procedure 通用成帧规程 )，ITU-T G.7041定义了GFP分配方案，它现时已成为各厂商对以太网业务处理的唯一封装标准；它实际是一种通用的适配映射技术，能将IP/PPP, 以太网，光纤通路等数据业务，在通过SDH网传输之前对异步的，突发和可变帧长的业务进行适配，可以高效透明地将各种数据信号封装成现有网络的，通用开放的标准信号，这样就可以适应任何用户信号格式与任何传输网络制式，解决了网络传输多种业务的问题；它的优势在于可提供更高的监测和纠错能力，并能提供比传统封装方式更高的带宽效率。又由于GFP采用标准的SDH 125 μs帧长, 故GPON的传输汇聚层是同步的，即可以直接支持TDM业务。

由于GPON中不再是ATM信元，它同BPON分布式的OAM消息传送不同，OAM消息全部集中在帧的开始部分。对于ATM信元，GPON直接将其承载在净负荷区中，并在帧头中做有关标识。同BPON相比GPON提供了前向纠错功能（FEC）；引入FEC能在保证同样误码率前提下增大传输距离和分光比；这样一来就可降低网络对ONU的激光器的要求。GPON还在BPON基础上扩充了网络管理功能，包括对网络传输各种业务的管理，性能配置，网元的描述等，并形成了G.984.4标准。此外，BPON的QoS主要通过ATM技术保证，而GPON由于不单纯面对ATM业务，故GPON采用区分服务，即GPON在OLT和ONU中服务发起时，就根据业务的不同情况进行服务等级协商，并可在ONU内部实现。但GPON的保护恢复功能仍用BPON的方案。

总之，GPON网络强调全业务传送，QoS保证，充分考虑了网络IP化的趋势，同时又兼顾传统业务的传输。因此，不仅可提供10/100Mbps，1Gbps以太网业务，而且可提供VLAN业务，图像和话音业务；并支持TDM业务。实际上能适应任何现有和未来新业务的需要。

GPON是点对多点的树形网络，为了实现电信级的可靠性要求，需要通过不同路由的"1+1"光网络完成保护恢复，势必会提高网络成本。当前它的主要成本受到突发光发送/接收模块，以及核心控制芯片的限制，或因价格高而不适合市场需要，或因技术不够成熟还无法商用。此外，GPON的一次性投入成本较高，仅适合新建或改建的密集用户地区，而不大适合逐步投资扩容的电信部门。

EPON/GEPON的发展

EPON是以太网无源光网络，它是在与BPON类似的网络结构和ITU-T G.983建议的基础上，保留其精华，即物理层PON，用以太网代替ATM作为链路层规约，构成一个能提供更低成本，更大带宽或更高业务能力的新PON。这一概念得到了以太网界的积极支持和响应。FSAN在制订GPON网络标准的同时，其IEEE 802.3ah关于以太网的接入网部分也同时开展了研究工作，其中就包括EPON技术标准；目前已形成了千兆以太网无源光网络（GEPON）标准。作为以太网的一部分，EPON和GEPON要保证同以太网体系的兼容，以便降低成本，延续以太网在数据网上的优势和巨大成功。IEEE 802.3ah规定的EPON物理层和GEPON一样，线速率是1.25Gbps，沿用8B/10B的编码方案；实际带宽为1000Mbps。

EPON/GEPON的主要优点是：（1）消去了ATM和SDH层，简化了网络设备，降低了初始和运营成本；（2）下行业务速率高达1Gbps，每个用户可用带宽增大，还能提供图像业务和较好的QoS；（3）硬件简单，没有室外电气设备，安装调试工作简化；（4） 改进了业务的提供和重新配置的能力;（5） 上下行波长分别是1310nm和1490nm，又增加一个1550nm波长用于电视频道，可实现话音，数据和电视的三合一服务。

主要缺点是传输效率低,并难于支持以太网以外的业务；这是由于采用了8B/10B线路编码，有20%的带宽损失，而GPON采用NRZ加扰码作线路码，故没有带宽损失。再加承载层，传输汇聚层以及业务适配等效率的原因，使得EPON总的传输效率很低，大体仅为GPON的一半。

BPON,GPON,EPON/GEPON的现状

自上世纪90年代以来，BPON 已经发展至逐渐成熟，正日益完善。Alcatel,Agere, 华为等公司都有BPON产品；最近其市场又有发展;例如Freescale等公司相继推出了BPON的芯片级解决方案。最近几年随着GPON和EPON的发展，有人认为基于ATM的BPON已停止发展，实际并非如此，在有ATM网络的地方BPON仍是首选的方案。因G.983系列标准正进一步发展和完善，目前仍可以说是技术最成熟的宽带无源光网络。而EPON/GEPON和GPON标准很多都来自BPON标准。现在北美，欧洲等ATM资源丰富的国家，BPON并没有随着GPON,EPON的发展消失，反而其市场在逐步扩大。

GPON和EPON都可用于承载IP业务，二者优劣的争论一直不断；总的说来，GPON和EPON由于出发点不同，技术上就有很多差异。争论最多的是传输效率，多业务支持，QoS等方面。从技术上看，GPON是面向全业务的电信接入平台,充分考虑到电信网可靠性，QoS和全业务的需要，同时要求兼容传统业务，尤其是TDM业务，故对电信运营商有很大的吸引力。而EPON则可以同现有的以太网无缝接合，兼容以太网规约，继承了以太网简单经济和易于实现的特点。致于多业务承载，可靠性和QoS等则依赖以太网整体解决方案的实现。然而，GPON的这些技术优越的代价则是实现的复杂化。GPON是否会贏在技术上，却由于复杂的技术导致高昂的造价而失去市场呢？这也是争论的一个焦点。

PON的未来

进入21世纪以来，全世界宽带接入网开始了大发展；亚太地区，尤其是韩国和日本发展最迅猛；韩国经过3年大发展，宽带用户总数已突破1000万，宽带普及率居世界第一，占家庭用户数的70%，互联网用户的90%，市场规模达到40亿美元。日本的宽带用户总数为1500万，其中光纤到户（FTTH）是120万，计划到2005年将宽带用户发展到3000万，其中FTTH达到1000万；PON要占50%以上。美国也在大力发展FTTH，计划到2006年FTTH的家庭数将从2001年的89000户增加到265万户。尤其是当有线电视广播利用HFC提供电视，话音和数据等全业务服务时，传统电信运营公司将采用PON的全业务方案与之竞争。近2年我国宽带接入网也迅速发展；据初步统计，2001年到2003年底我国宽带互联网上网用户从200万增加到1740万，其中宽带注册用户数为1010万，年均增长率达385%，其中宽带用户增长率是上网用户增长率的5.7倍，表明我国宽带用户增长已进入高速发展期。国内利用PON实现FTTH的应用正在试验网上积极进行。随着光纤和光电器件，尤其是光电收发模块价格的不断下降，以及宽带业务和宽带内容的日益丰富多彩，GPON/GEPON和FTTH已经离我们越来越近了。

编辑/王砾瑟 wanglise@txbl.net