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无源光网络技术综述

菜鸟
2003-06-10 18:12:00    评分
■邓永红   一、无源光网络的概念   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.   PON(无源光网络)技术是一种点对多点的光纤传输和接入技术,下行采用广播方式、上行采用时分多址方式,可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓朴结构,在光分支点不需要节点设备,只需要安装一个简单的光分支器即可,因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。   PON包括ATM-PON(APON,即基于ATM的无源光网络)和Ethernet-PON(EPON,即基于以太网的无源光网络)两种。   二、无源光网络的优势   无源光网络(PON)是一种纯介质网络,避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响,减少了线路和外部设备的故障率,提高了系统可靠性,同时节省了维护成本,是电信维护部门长期期待的技术。无源光网络的优势具体体现在以下几方面:   (1)无源光网络设备简单,安装维护费用低,投资相对也较小。   (2)无源光设备组网灵活,拓扑结构可支持树型、星型、总线型、混合型、冗余型等网络拓扑结构。   (3)安装方便,它有室内型和室外型。其室外型可直接挂在墙上,或放置于"H"杆上,无须租用或建造机房。而有源系统需进行光电、电光转换,设备制造费用高,要使用专门的场地和机房,远端供电问题不好解决,日常维护工作量大。   (4)无源光网络适用于点对多点通信,仅利用无源分光器实现光功率的分配。   (5)无源光网络是纯介质网络,彻底避免了电磁干扰和雷电影响,极适合在自然条件恶劣的地区使用。   (6)从技术发展角度看,无源光网络扩容比较简单,不涉及设备改造,只需设备软件升级,硬件设备一次购买,长期使用,为光纤入户奠定了基础,使用户投资得到保证。   三、基于ATM的无源光网络   1.APON技术简介   近年来,在接入网上使用ATM技术以提供视频广播、远程教育以及数据通信等多种业务的趋势越来越明显。在无源光网络上使用ATM,不仅可以利用光纤的巨大带宽提供宽带服务,也可以利用ATM进行高效的业务管理。自1993年以来,许多国家都竞相开始研究ATM-PON技术及其应用,并认为ATM-PON是最有前途的、能以较低成本提供宽带接入的方案。   APON技术发展得比较早,它还具有综合业务接入、QoS服务质量保证等独有的特点,ITU-T的G.983建议规范了ATM-PON的网络结构、基本组成和物理层接口,我国信息产业部也已制定了完善的APON技术标准。   ATM-PON采用的是点到多点的无源光网络,主要由OLT、ODN、ONU组成,由无源光分路器件将OLT的光信号分到树形网络的各个ONU。其应用包括FTTH、FTTB/C、FTTCab等多种配置结构。FTTB/C和FTTCab网络结构只是在应用上略有区别,可以看成一类。   FTTB/C/Cab可以提供PSTN、ISDN业务以及其它对称或非对称的宽带业务。   FTTH应用提供的业务大致同上,另外,FTTH可以考虑使用户内置ONU,使ONU的工作环境得以改善,再加上网络全部为光纤,使得维护工作量减少、成本降低。对于网络将来可能的带宽或业务升能,ONU可不作改动。   根据G.983规范,ATM无源光网络中,OLT最多可寻址64个ONU,PON所支持的虚通路(VP)数为4096,PON寻址可以使用ATM信元头中的12位VP域。由于OLT具有VP交叉互连功能,所以局端VB5接口的VPI和PON上的VPI(OLT到ONU)是不同的。限制VP数为4096,使ONU的地址表不会很大,同时又保证了高效利用PON资源。   APON的业务开发是分阶段实施的,初期主要是VP专线业务。相对普通专线业务,APON提供的VP专线业务设备成本低,体积小,省电、系统可靠稳定、性能价格比有一定优势。第二步实现一次群和二次群电路仿真业务,提供企业内部网的连接和企业电话及数据业务。第三步实现以太网接口,提供互联网上网业务和VLAN业务。以后再逐步扩展至其它业务,成为名副其实的全业务接入网系统。   APON采用基于信元的传输系统,允许接入网中的多个用户共享整个带宽。这种统计复用的方式,能更加有效地利用网络资源。   2.APON技术的应用前景   目前许多国家都在实验PON接入网,如日本的π系统采用的是STM的PON技术、无源双星的网络结构,其ONU配置灵活,可以为单个用户提供1.5Mpbs的接入速率。欧洲关于PON的研究有ACTSAC094Expert项目、ACTSAC022Bonaparte项目和RACEIIR2024BAF项目等等。其中Bonaparte(在现实电信环境下使用ATM PON接入设备的宽带光网络)在4个国家分别进行用户实验,并根据用户的实际需求提供远程医疗、远程教学等多媒体宽带业务。在Bonaparte中使用的ATMPON连接32个终端,可以支持最大距离为10公里的81个用户。接入系统总的传输容量为上行和下行各622Mbps,每个用户使用的带宽可以从64Kbps到155Mbps灵活划分。   ATM-PON支持ISDN及B-ISDN业务的带宽需求,可以满足各类电信业务的全业务网(FSN)的共同要求,ATM-PON代表了宽带接入技术的最新发展方向,目前在英国、德国等已有实际应用,被认为是实现FTTC和FTTH的一种较好方法,其优点是可以节省光纤和光设备的费用,并可以实现宽带数据业务与CATV业务的共网传送。   在国内光通信领域,华为和烽火通信、北邮电信等厂商已经先后研制成功实用化的APON产品,这标志着APON技术已迈出实验室,进入了规模化商用的阶段。而目前中国电信已在多个城市开始试验采用APON技术,中国联通、中国网通等运营商也看好APON技术,准备在其网络中大量采用APON技术来实现商业大楼、企业用户的接入。   APON能否大量应用的一个重要因素是价格问题。目前第一代的实际APON产品的业务供给能力有限,成本过高,其市场前景由于ATM在全球范围内的受挫而不确定,但其技术优势是明显的。特别是综合考虑运行维护成本,在新建地区,高度竞争的地区或需要替代旧铜缆系统的地区,此时敷设PON系统,无论是FTTC,还是FTTB方式都是一种有远见的选择。在未来几年能否将性能价格比改进到市场能够接受的水平是APON技术生存和发展的关键。   四、基于以太网的无源光网络   随着Internet的高速发展,用户对网络带宽的需求不断的提高,传统的接入网已经成为整个网络中的瓶颈,以新的宽带接入技术取而代之已成为目前研究的热点。正是在这种背景下,IEEE与2000年底成立了EFM工作组(Ethernet in the First Mile Study Group),试图引入一种新的接入技术标准-Ethernet PON(或Ethernet over PON, 以下简称EPON)。顾名思义,EPON是利用PON(无源光网络)的拓扑结构实现以太网的接入。   1.EPON与APON的比较   ITU-T已经制定了APON技术的G.983建议。但是APON有两个问题:一是传输速率不够高,下行为622 Mbit/s或155 Mbit/s,上行为155 Mbit/s,带宽被16~32个ONU所分享,每个ONU只能得到5~20 Mbit/s。另一个更主要的问题是,与以太网设备相比,ATM交换机和ATM终端设备相当昂贵。而且,现在因特网工作于TCP/IP协议,用户终端设备都是IP设备,采用ATM技术必须将IP包拆分重新封装为ATM信元,这就大大增加了网络的开销,造成网络资源的浪费   而EPON融合了PON和以太数据产品的优点,形成了许多独有的优势.EPON系统能够提供高达1 Gbit/s的上下行带宽,这一带宽能够适应现在及将来10年内用户对带宽的需求。由于EPON采用复用技术,支持更多的用户,每个用户可以享受到更大的带宽.EPON系统不采用昂贵的ATM设备和SONET设备,能与现有的以太网相兼容,大大简化了系统结构,成本低,易于升级.由于无源光器件有很长的寿命,户外线路的维护费用大为减少。标准的以太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网络设备.而PON结构本身就决定了网络的可升级性比较强,只要更换终端设备,就可以使网络升级到10 Gbit/s或者更高速率.EPON不仅能综合现有的有线电视、数据和话音业务,还能兼容未来业务如数字电视、VoIP、电视会议和VOD等等,实现综合业务接入。   虽然APON对实时业务的支持性能优越,但随着多协议标签交换(MPLS)等新的IP服务质量(QoS)技术的采用,高层协议与EPON MAC协议相配合,EPON已完全可能以相对较低的成本提供足够的QoS保证.加之EPON的价格优势明显,因而被认为是解决电信接入瓶颈,最终实现光纤到家的优秀过渡方案。   2.EPON的系统结构   EPON由光线路终端(OLT)、光合/分路器和光网络单元(ONU)组成,采用树形拓扑结构。   OLT放置在中心局端,分配和控制信道的连接,并有实时监控、管理及维护功能。ONU放置在用户侧,OLT与ONU之间通过无源光合/分路器连接。   EPON使用波分复用(WDM)技术,同时处理双向信号传输,上、下行信号分别用不同的波长,但在同一根光纤中传送.EPON只在IEEE802.3的以太数据帧格式上做必要的改动,如在以太帧中加入时戳(Time Stamp)、PON-ID等内容.下行采用纯广播的方式,注册后,OLT为已注册的ONU分配PON-ID,由各个ONU监测到达帧的PON-ID,以决定是否接收该帧,如果该帧所含的PON-ID和自己的PON-ID相同,则接收该帧;反之则丢弃。上行采用时分多址接入(TDMA)技术。此外EPON还需通过已定义的接口与电信管理网相连,进行配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及计费管理,完成操作维护管理(OAM)功能。 3.EPON的关键技术   (1)上行信道复用技术   可以说上行的复用技术是EPON技术的核心,从目前的研究来看,大多数方案都使用了DWDM+TDMA的复用方法。DWDM的使用是发展的趋势,但主要取决于光器件。因此,主要讨论的焦点将是TDMA的实现方法,即如何使用TDMA的方法使上行信道的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求。其中,上行带宽的分配方法、ONu发送窗口固定还是可变、最大的ONu发送窗口应为多大、ONu发送窗口的间隔、以太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定。   (2)测距和时延补偿技术   由于光纤信道时延较大的特点,ONu与OLT之间的距离将会影响到上行信道的复用,如果准确测量各个ONu道OLT的距离并能精确的调整ONu的发送时延,则可以减小ONu发送窗口间的间隔,从而提高上行信道的利用率并减小时延。另外,测距过程应充分考虑到整个EPON的配置情况。例如,系统在工作中加入新的ONu,此时对它的测距不应对其它ONu有太大的影响。   (3)光器件   由于EPON上行信道是所有ONu分时复用的,每个ONu只能在指定的时间窗口内发送数据。因此,EPON上行信道中使用的是突发信号,这就要求在ONu和OLT中使用支持突发信号的光器件。现有的大部分光器件还不能满足这一要求,少数突发模式的光器件也只能工作在155Mbps的速率上,而且价格昂贵。可以说,这是EPON技术面临的一大问题,但是,目前已有厂商正在研制满足EPON要求的光器件,相信随着EPON标准的制定,会有更多的产品出现。   (4)突发信号的快速同步   由于OLT接收到的信号为突发信号,OLT必须能在很短的时间(几个bits)内实现相位的同步,进而接收数据。这一技术与APON中使用的类似,因此可以借鉴APON的经验。   除此之外,下行信道安全性、如何实现QoS、如何实现VLAN和网管等也是影响EPON应用前景的问题,必须加以考虑。   4.EPON的未来   EPON还处于商业开发的起始阶段。尽管ATM PON在市场上略微领先,但目前的趋势是数据业务快速增长和快速以太网、G比特以太网的地位提高,都倾向于EPON。以太网最后一公里研究组开发标准的工作已经起步,促进对FSAN最初的APON标准的升级。   通信产业已经为主角的转换准备了舞台,结果将出现完全基于广泛使用的光纤和以太网技术的设备。这种光IP以太网结构将会成为在单一网络中捆绑传输话音、数据和图像业务的主要方式。同时,这一技术会产生新的合作和战略伙伴,内容提供商、业务提供商、网络运营商和设备制造商都将使用Ethernet PON这种前所未有的方式传输通信业务。   接入网市场在我国的快速发展有目共睹,FTTx作为针对大客户、集团用户的解决方案而受到青睐,随着PON技术的规模应用和芯片成本的不断降低,以及光纤铺设规模的不断扩大,PON技术将很快成为FTTx的主要接入方式之一。   PON技术是实现FTTx最理想的宽带接入方式,因为它是一种低成本的传输,可以节省光纤和光设备的费用,并可以实现宽带数据业务与CATV(有线电视)业务的共网传送。 摘自 天极网



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