宽带PON系统测试、设备进展和应用展望

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宽带正成为国内外运营商战略和业务转型的基础。
　　在国内，宽带已成为拉动固网运营商业务收入增长的主要动力。作为推动宽带业务发展的宽带接入技术正在不断发展和演进，特别是近两年新推出的宽带PON（无源光网络）技术由于带宽高、扩展性好、运维成本低等优点，正成为电信领域的热点。本文就主流宽带PON技术、系统测试、芯片和设备进展进行简要介绍，最后对其应用予以展望。
　　宽带正成为国内外运营商战略和业务转型的基础。在国内，宽带已成为拉动固网运营商业务收入增长的主要动力。作为推动宽带业务发展的宽带接入技术也在不断发展和演进，出现了ADSL2+、VDSL2、宽带PON（无源光网络）、WiMAX等新技术，特别是宽带PON技术由于带宽高、扩展性好、运维成本低等优点，正成为电信领域的热点，在业务、带宽需求不断增加的情况下，受到国内外运营商的广泛关注，尤其是在日本获得了快速发展、有上百万线的商用，中国国内运营商也对宽带PON技术十分关注，进行了较多的研究和试验工作。
　　1、宽带PON技术
　　采用无源光分支器的宽带PON技术，可以节省OLT（光线路终端）的光接口和光纤，系统扩展性好，便于维护管理，是光纤接入的主要实现方式。宽带PON技术主要包括基于ATM的BPON/APON（宽带无源光网络/ATM无源光网络）技术、基于以太网的EPON（无源光纤以太网）技术和具有Gbit/s传送能力的GPON（吉比特无源光网络）技术。APON/BPON技术发展最早，但由于技术复杂、成本高、速率有限、IP业务映射效率低等原因，目前中国国内基本不再采用。EPON、GPON技术是未来光纤接入的主要实现方式，受到业界的广泛关注。
　　1.1 EPON技术
　　EPON技术基于IEEE802.3ah标准，采用8B/10B线路编码，支持10km、20km两种最大传输距离和双向对称1 Gbit/s以太网速率，最大分光比可达32路，采用波分复用技术实现单纤双向传输。IEEE 802.3ah在传统以太网体系架构基础上定义了一种扩展的802.3 MAC MPCP（多点控制协议）作为EPON数据链路层协议，实现点到多点PON中以太帧的时分多址接入。EPON系统利用以太网控制帧传送多点控制拉信息，利用OAM（运营、维护、管理）帧传递OAM信息，具有较强的OAM&P（运营、维护、管理和配置）能力，可以实现对终端的远程管理；利用PON系统具有的广播功能实现单拷贝广播（SCB），适合视频组播业务的开展。
　　与BPON、GPON技术相比，EPON协议简单，对光收发模块的技术指标要求低，所以系统成本相对较低。由于成本较低、速率高、扩展性好、对数据业务的适配效率高，能够以较低成本高效率地传送IP业务，EPON成为目前光纤接入的主要实现技术之一。
　　目前EPON技术已基本成熟，从芯片到设备的产业链较为健全，国内外有较多的厂家提供EPON设备并获得了较大规模的应用。
　　1.2 GPON技术
　　GPON技术基于ITUG.984.x系列标准，定义了新的TC（传输汇聚）子层，规定TC子层可采用GEM和ATM两种封装方式，GEM封装方式采用ITU-TG.7041定义的GFP（通用成帧规程）实现多业务的映射封装，使得多业务接入环境下的总传输效率高；ATM封装方式主要是考虑对ATM业务的承载，不过由于ATM技术的复杂性和实际网络IP化趋势，基本上不采用这种方式。GPON可以支持622Mbit/s、1.25 Mbit/s和2.5 Gbit/s上下行对称或非对称速率,支持10 km和20 km两种最大传输距离，支持的最大分光比可达64甚至128。GPON采用125 μs的帧长及定时机制，能够很好地承载TDM和语音业务，提供了丰富的OAM&P功能，具有良好的扩展性。
　　与EPON技术相比，GPON技术具有传输速率高、业务承载效率高、OAM功能和扩展能力强等特点，具有较好的发展前景。但GPON协议较复杂，成本较高，技术不够成熟，尚无完整的商用芯片解决方案，目前主流设备厂商都是采用自主研发搭建FPGA（现场可编程门列阵）的方式实现GPON系统。
　　1.3 宽带PON系统测试
　　与其他技术一样，宽带PON技术在使用前需要经过严格测试，只有其功能、性能符合要求才可以规模应用。由于标准推出时间不长，关于宽带PON测试目前还没有成熟的国际标准和国内行业标准。为了推进技术的成熟和应用，中国国内的运营商纷纷根据自己的业务需求，编制相关企业标准用于设备评估。如中国电信已经制定了《中国电信EPON设备测试规范》和《中国电信GPON设备测试规范》，进行了EPON和GPON设备的测试评估工作。
　　宽带PON系统测试结构如图1所示，PON系统由局端OLT、ODN（光分配网络）和用户端ONU（光网络单元）组成，为单纤双向系统。在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU；在上行方向（ONU到OLT），各ONU在指定时间发送信号到OLT。ODN由光纤和无源光分路器等无源光器件组成，在OLT和ONU间提供光通道。


　　图1 宽带PON系统测试结构
　　宽带PON系统测试主要是验证其光口指标、功能、性能等是否满足相关行业和企业技术标准要求，测试过程中用得最多的仪表是数据流量发生、分析仪，要求仪表能提供GE、FE接口，支持组播和路由协议功能。目前有很多仪表可以选择，业界用得最多的仪表有Smartbit、AX4000、Routetester等。
　　1.4 EPON系统测试
　　EPON系统测试主要包括以下几个方面。
　　（1）光接口指标测试
　　光接口指标测试包括OLT和ONU测试两部分，主要验证被测试设备PON光口的平均发送光功率、工作波长、消光比、光接收机灵敏度、眼图、边模抑制比、无输入信号时的发射光功率、过载光功率等指标是否满足相关行业标准。需要使用的测试仪表有光谱分析仪、光功率计、光示波器等。
　　（2）PON的基本功能
　　PON基本功能主要包括PON测距和PON加密。PON测距功能主要验证OLT和ONU是否支持测距、支持的测距范围和测距精度，需要使用一定长度的光纤及验证测试过程中业务流是否正常的数据流量发生、分析仪表，要求测距功能不影响业务的正常运行。PON加密功能主要验证OLT到各个ONU下行方向数据的加密，要求只有符合加密规则的ONU才能接收属于自己的数据流，且采用加密功能时不影响业务性能。测试需要使用数据流量发生、分析仪验证业务性能是否受影响。
　　（3）多点控制协议功能
　　MPCP定义了点到多点光网络的MAC控制机制。MPCP功能在测试方面体现于OLT对ONU的认证功能，包括对单个ONU的认证、认证拒绝，对多个ONU的认证、认证拒绝及对特定ONU的强制解注册功能。要求正确序列号（或MAC地址）/密码的ONU能正常注册并收发数据，非法ONU注册失败、不能收发数据，且OLT可以强制去激活某个特定的ONU。测试需要使用数据流量发生、分析仪，以验证正常注册后的ONU是否能收发数据。
　　（4）动态带宽分配功能
　　DBA（动态带宽分配）功能主要验证OLT到各ONU的动态带宽分配功能、带宽控制精度。DBA功能是使EPON系统链路带宽得到有效利用的保证，要求系统支持DBA功能且带宽控制粒度不大于256kbit/s。测试需要使用数据流量发生、分析仪以确保DBA功能的正常支持和带宽控制粒度符合要求。
　　（5）传输能力
　　传输能力测试包括最大分路比、最大传输距离和以太吞吐量测试等内容。要求在10km距离条件下，最大分路比不小于32，在20km距离条件下，最大分路比不小于16；在32分路比情况下，传输距离大于10km，在16分路比情况下，传输距离大于20 km。以太吞吐量测试是针对不同帧长的数据包，测试无丢包情况下OLT到各ONU的以太流量之和，需要使用数据流量发生、分析仪产生流量进行测试和验证。
　　（6）TDM业务支持能力
　　TDM业务支持能力测试EPON系统提供TDM业务时的时延、抖动和12h误码率及提供TDM业务所需要的带宽和承载效率。要求系统支持的E1业务时延小于1.5ms，12h无误码。测试需要SDH分析仪和流量发生仪以验证其误码性能和TDM业务承载效率。
　　（7）组播功能
　　组播功能主要测试EPON系统所支持的IGMP（Internet组管理协议），包括组播复制、组播控制、组播管理和组播加入离开时延等内容。需要使用支持组播测试功能的数据流量发生仪表以测试系统支持的组播协议、组播相关功能。
　　（8）2、3层功能
　　2层功能测试跟其他以太网设备的测试方法相同，主要包括VLAN（虚拟局域网）、VLANStacking（VLAN堆叠）、MAC地址学习、802.1p优先级控制、广播包抑制和组播包控制等功能。测试需要数据流量发生、分析仪表。
　　由于PON系统属于接入设备，对其3层功能的要求不高，所以3层功能测试主要是验证系统支持的一些简单功能，包括支持的路由协议，基于源IP、目的IP、源TCP、目的TCP、源UDP、目的UDP、协议号的ACL（访问控制列表）功能和3层ToS控制功能等。测试需要使用支持路由协议和ToSQoS功能的流量发生仪表。
　　（9）OAM功能
　　EPON系统的OAM功能包括对OLT的配置、故障、性能和安全管理及OLT通过OAM方式对ONU的远程管理功能。IEEE802.3-2005定义了一些基本的OAM功能和一些扩展OAM功能，扩展功能没有明确，需要进行细化。为了满足运营需要，多数运营商对这些扩展功能进行了明确界定，形成了自己的企业标准。测试OAM功能需要网管系统和相关的远程管理功能模块。
　　（10）互通性测试
　　EPON互通目的是实现EPON终端的开放性，终端的开放有利于降低网络建设和运维成本，是EPON技术规模化发展的保障。EPON互通性包括传输、业务和管理3个层面的互通，只有3个层面实现了互通，才能保证终端的完全开放性。具体测试项主要包括验证不同厂商的OLT和ONU能否完成注册过程、实现正常的MPCP、DBA、OAM功能等。
　　1.5 GPON系统测试
　　GPON系统测试的主要测试项与EPON基本相同，包括光接口指标、PON基本功能、ONU认证、带宽和流量控制（含DBA功能）、传输能力、组播功能、TDM业务能力、2层功能、3层功能、OAM功能和互通能力等方面。测试方案和所采用的仪表与EPON系统相同。
　　2、宽带PON芯片和设备进展
　　2.1 EPON芯片和设备进展
　　EPON技术目前已基本成熟，从芯片到设备的产业链较为健全，商用芯片和设备均较多，成本不断下降，在国外有几百万线的规模商用，特别是在日本的NTT有上百万线的应用。规模生产EPON芯片的厂家主要有Passave（已被PMC收购）、Teknovus、格林威尔、Conexant和Immenstar。
　　中国国内的运营商对EPON技术十分关注，特别是中国电信一直在积极推动EPON技术的发展，在EPON技术研究、实验验证等方面做了很多工作：
　　●在技术研究和实验测试的基础上，制定了《中国电信EPON设备技术要求》企业标准，正在负责制定中国《EPON互通性技术要求》行业标准；
　　●根据技术要求，自2005年以来针对上述主流芯片厂家进行了两轮互联互通测试，基本实现了几个主流EPON芯片厂商之间的互通，在改进的MPCP注册方法、三重搅动、搅动密钥的更新与同步、扩展的OAM发现、DBA参数配置和Report帧格式、FEC等影响EPON互通的几个主要方面都实现了互通；
　　●组建了基于EPON技术的FTTH试验网，从现场试验情况来看，EPON系统基本运行稳定，能够满足当前主要宽带业务的发展要求。
　　不过，由于标准推出时间不长，产品开发时间短，EPON技术和设备还存在一些需要完善的地方：
　　●芯片互联互通还存在数据丢包、吞吐量达不到1Gbit/s、协议细节需要完善等问题，有待进一步改进；
　　●OAM能力不足，有待完善，特别是由于IEEE802.3ah仅规范了链路监控、环回测试等简单的OAM功能，企业定义的扩展OAM功能还需要不断完善，对ONU的远程管理功能不足，还没有足够多的厂家支持TR-069协议；
　　●设备的稳定性和可靠性有待加强，在实验测试和试验中还存在设备运行不稳定的现象。
　　2.2 GPON芯片和设备进展
　　由于GPON协议复杂且标准定稿较晚，目前技术不够成熟，尚无完整的商用芯片解决方案，GPON设备也不多。
　　主流芯片厂商Broadlight、Freescale、Broadcom、Conexant、PMC、AMCC等都在进行GPONASIC芯片的开发，其中AMCC和PMC两个厂家同时生产EPON和GPON芯片。但目前尚无完整的商用芯片解决方案，Broadlight公司的芯片进展最快，2005年推出了用户端ONT芯片，但局端OLT目前仍是FPGA产品，ASIC产品要2007年推出。Conexant也计划近期推出ONT芯片，其OLT芯片将在2006年第4季度或更晚的时间推出。现有的ASIC（专用集成电路）产品的成熟性也有待验证。总体来看，目前业界还没有真正可商用的包括OLT和ONU的完整的ASIC解决方案。
　　2004年，GPON的主体标准G.984.3推出后，只有Flexlight、OpticalSolutions两家新兴公司提供了GPON设备，Flexlight公司是最早推出GPON产品的厂商，其产品通过FPGA方式实现了核心功能，OpticalSolutions公司推出的是基于ATM封装的GPON产品。2005年G.984.4标准定稿后，GPON标准完整体系形成，更多设备商开始介入GPON领域。由于欧美和亚洲运营商对GPON技术的重视和推动，特别是北美大型运营商对GPON技术的明确选择，许多设备厂商对GPON的前景非常看好，开始加紧GPON设备的开发。由于OLT芯片开发的滞后，设备商为了尽快推出相关产品，均采用自主研发搭建FPGA的方式实现GPON系统。目前，市场上有少数厂家能提供GPON设备，但其功能、性能和成熟度有待评估。中国国内运营商对GPON技术也十分关注，部分运营商正在进行相关技术研究和设备评估测试工作，少数运营商已将GPON设备用于组建网络。
　　根据芯片厂商的相关开发计划，预计2006年底将出现OLT到ONU的完整ASIC解决方案。从DSLAM等设备规模化商用进程来看，芯片推出到设备成熟商用至少需二三年时间，所以，预计GPON技术完全成熟并能够大规模商用至少要到2008年以后。
　　3、宽带PON应用展望
　　宽带光纤接入具有传输容量大、传输距离远、传输质量高、可靠性好、维护成本低、抗电磁干扰和保密性强等优点，是宽带接入的发展方向。EPON、GPON技术由于成本相对较低、可扩展性好、维护管理能力强，是光纤接入的主要实现方式。EPON技术较成熟，成本在不断下降，速率高、扩展性好、对数据业务的适配效率较高，是目前光纤接入的主要实现技术之一。GPON技术将在芯片商、设备商、运营商的共同推动下逐步发展成熟，很可能成为未来光纤接入的首选，但EPON和GPON的最终走向还得靠市场来抉择。
　　光纤到户（FTTH）是光纤接入的最终发展方向。但由于技术成熟度、成本、业务需求等原因，FTTH的大规模实现还需要经历较长的时间，光纤接入将以FTTB+LAN、FTTN+ADSL2+、FTTN/B+VDSL2等方式长期存在。宽带PON将长期与DSL（数字用户线环路）、LAN（局域网）和其他接入方式互为补充，共同促进发展。