下一代PON技术的发展趋势

最早的PON系统主要是用于解决多个窄带接入网（数字用户环路）远端设备的互联，传送n×64 kb/s的语音时隙。但由于价格和业务保护方面均无法与环形拓扑的数字用户环路设备抗衡，因此成为失败的技术。

20世纪90年代，随着异步转移模式/宽带综合业务数字网（ATM/B—ISDN）的兴起，宽带第一次成为电信技术发展的重要方向，而带宽潜力巨大的光纤技术也成为信息传输技术的宠儿。因此，在1995年全球7个重要的运营商成立了全业务接入网组织（FSAN），致力于光纤接入网的标准和应用的推进工作。在FSAN和ITU—T的共同努力下，第一个关于PON系统的国际标准《基于无源光网络（PON）的宽带光接入系统》（ITU—T G.983.1）于1998年发布，该标准也被称为BPON标准。

BPON在当时的技术环境下采用了以ATM为内核的设计思路，且限于当时器件水平和价格的制约，PON设备的成本还比较高、光纤接入网的外部配套条件也不成熟，因此BPON仅在北美地区的电信运营商中有一定规模的部署，并未在全球获得广泛的应用。

随着ATM技术的衰落和互联网IP技术的迅速兴起，继BPON之后，业界希望开发一种新型的PON系统，取代过时的BPON技术。在这个背景下，IEEE和ITU—T相继在2000年和2001年启动了EPON和GPON的标准化工作，并分别于2004年发布了完成的标准，为今天EPON和GPON在现网中的大量应用奠定了基础。

EPON标准由IEEE的EFM（Ethernet in the First Mile）工作组完成，并在2004年9月被IEEE批准为IEEE 802.3ah标准。EPON标准的很多内容继承了以太网的设计思想，重用了吉比特以太网的速率和物理层编码等内容，并对MAC层协议和以太网帧前导码序列进行了修改，以适应PON的点到多点的网络拓扑结构。

GPON标准由ITU—T 第15研究组进行标准化工作，GPON相关的标准包括G.984.1～G.984.6共6个标准，分别涵盖了GPON系统的架构、物理媒质相关层、传输汇聚层、ONU控制管理协议以及对增强的波长使用和距离扩展的规定。GPON标准的设计比较全面地考虑了运营商的业务和运行维护需求，标准体系完备全面，但是内容也相对复杂。

EPON系统采用单纤双向传输，上行标称波长为1 310 nm，下行标称波长为1 490 nm。按照最大传输距离的不同，标准中将EPON接口光收发指标分为10 km（PX10）和20 km（PX20）两类规范，实际网络中为了获得较大的光功率预算多采用PX20类型接口，可实现20 km传输距离和1 ∶ 32分路比。EPON系统的每个PON口的实际有效带宽为800～950 Mb/s。

GPON同样采用单纤双向传输，上行标称波长为1 310 nm，下行标称波长为1 490 nm。GPON采用GEM封装方式进行多种业务适配，利用GEM封装方式可以直接承载以太网业务、ATM业务或TDM业务。与EPON的类以太网的变长帧传输方式不同，GPON采用125 μs固定帧长，这对于精确的传送时钟信号有所帮助。GPON信道编码采用NRZ码，下行速率为2.488 Gb/s，上行速率为1.244 Gb/s，除去系统开销后每个PON口的实际有效带宽约为下行2.45 Gb/s，上行1.1 Gb/s。目前主流的GPON系统采用B+类光器件，可实现20 km传输距离下的1 ∶ 64分路比，支持60 km的最大逻辑距离。

当前EPON和GPON分别可以提供大约1 G和2.4 G的下行带宽，在光纤到户（FTTH）场景下，如果不考虑并发，最大分路比下（32和64）的每个用户可以保证获得大约30 Mb/s的下行带宽。但在中国现网条件下，运营商大量采用光纤到楼（FTTB）的方式进行组网，即每个ONU下还连接16～32个用户，最终可能会达到每PON口连接1 000个（32×32）左右的用户。这样每个用户可获得的带宽将无法满足现网提速的需求。

从2005年开始，IEEE和ITU相继开展了对下一代PON系统的标准化研究。根据FSAN对几大运营商的关于下一代PON的意见的征求，绝大多数运营商指出应在现有的EPON和GPON的技术基础上提升速率，也有个别运营商希望可以发展像WDM—PON一类的新技术。(www.xing528.com)

IEEE于2006年立项开始制定10 Gb/s速率的EPON系统的标准IEEE 802.3av。该标准针对10 Gb/s速率的需求制定了新的EPON物理层规范，并对MAC层规范进行了更新。在该标准中，10 G EPON分为2个类型。其一是非对称方式，即下行速率为10 Gb/s，但上行速率与EPON相同仍然为1 Gb/s。其二是对称方式，即上、下行速率均为10 Gb/s。

相比来说，由于PON系统的上行传输技术难度较大，因此1 G上行10 G下行方式的10 G EPON系统较为容易实现。

ITU于2008年启动了下一代GPON标准的研究，目前称为10 G比特无源光网络（XG—PON）标准。XG—PON标准ITU—T G.987系列已陆续发布。XG—PON目前规定的物理层速率为非对称方式，即下行速率为10 Gb/s，上行速率为2.5 Gb/s。

10 G—EPON和XG—PON系统使用同样的波长规划，有利于两者共用部分光器件，扩大产业规模，降低器件成本。两者均规定上行选择1 260～1 280 nm的波长范围，下行选择1 575～1 580 nm的波长范围。下行方向与现有的 1 490 nm的EPON或GPOM系统可以采用WDM方式进行波长隔离。上行方向，由于EPON ONU使用的激光器谱宽较宽（1 310+50 nm），与1 260～1 280 nm波长重叠。因此，EPON与10 G—EPON的ONU共存在同一ODN时需采用TDMA方式，两者不能同时发射。GPON与XG—PON的ONU可以采用波长隔离，两者互不影响。

在功率预算方面，10 G EPON增加了PR/PRX30的功率预算档次，将光链路预算提升到29 dB。

下一代无源光网络第二阶段（NG—PON2）是现有的GPON/XG—PON的演进系统。由于TDM—PON发展到单波长10 Gb/s速率后，再进一步提升单波长速率面临技术和成本的双重挑战，于是在PON系统中引入WDM技术成为必然的选择。目前10 G—EPON和XG—PON在现网中是主流技术。

NG—PON2系统定位于全业务的光纤接入网，NG—PON2的标准中提出了几个基本特性：① 下行速率至少为40 Gb/s，上行速率至少为10 Gb/s，0 km。② 最大传输距离和最大差分距离为40 km。③ 最大支持1∶256分路比。④ 至少包含4个TWDM通道。⑤ 使用无色ONU。

NG—PON2在物理层采用的主要原理是TDM和WDM结合的方式，使用多个XG—PON在波长上进行堆叠，可以最大限度地重用GPON/XG—PON的技术，并与现有的采用功率分配分光器的ODN具有比较好的兼容性。NG—PON2系统的基本架构如图。

OLT采用多波长光模块配置4个或更多的上、下行波长，ONU侧采用波长可调光收发器技术实现ONU的无色化。OLT与ONU之间通过一个正在标准化的波长选择与分配协议控制ONU在分配的波长上工作。