Gigabit光纤接入网络新技术

2019-11-03 18:18:22

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供稿：网友

　　为了解决接入网络与骨干网络之间的瓶颈问题，许多的网络业者研发了新的技术及解决方案，用以克服接入网络到骨干网络之间的瓶颈，于是光纤接入网络呈现了新的契机。

　　接入网络的建置，必须面对的另外一个挑战：高速带宽与建置支出是否能够快速得到回收？常规宽带建设是以SDH/SONET或以太光纤网络为主，以这两种技术所建设的光纤接入网络，有其成本高及扩充困难的缺点。于是无源光网络的生成特别是Giagabit无源光网络克服上述两种技术的缺点，能提供高成本效益，并具备带宽的弹性分配及良好的扩充性质。

什么是无源光网络

　　无源光网络（Passive Optical Network；PON）包括一个安装于中央控制站（CO）的光纤终端（OLT），以及安装于客户端的光纤网络单元（ONTs）。在OLT与ONT之间的光纤分布网络（ODN）包含了光纤以及无光源分波器或耦合器（见图一）。在PON的架构中，一个光纤终端（OLT）下可以有多个无源光网络（PON）的单元。每一个单元均可形成一个独立的PON网，藉由并不昂贵的分波器和光纤分布连接多种不同类型的ONT。对于接入网络的无源性设计，减少了对电子元件的需求，如此一来便可以降低维修成本的支出。

　　GPON的网络中上行的传输速率为1.244Gbs，下行传输速率可达2.488Gbs。除了上下行的传输速率不同外，两者的传输原理也不相同。数据的下行传输是利用广播的原理将从OLT发送到每个ONT，被传送的封包头上携带了目的地的住址，经由地址的比对可将数据流量准确地传达。

　　上行传输的情况则要复杂得多，因为光纤分布网络（ODN）具有媒介（media）共用的特性，所以必需协调每个ONT到OLT的数据传输，以避免ONT之间的网络拥塞。上行数据的传输是透过OLT所控制，利用TDMA（分时多任务）协定，分配给每个独立的ONT传输时槽。由于时槽是同步的，所以不同ONT所生成的数据流量互相是不会冲突的。

[■图一：PON Topical Architecture]

PON的由来

　　1990年代的中期，在各大网络运营商的发起下，成立了“全方位服务接入网络工作会议（FSAN）”。 FSAN组织的目标是制定一个标准，帮助设备制造商及网络供应商可以在无源光网络的发展有可遵循的目标。第一个经由该工作会议所制定标准是155/622 Mb /s PON的系统。这个系统就是现在所说的B-PON，它使用ATM作为其承载协定。

　　在2001年的初期，IEEE成立了一个工作团体，以Ethernet用于第一英里的解决方案（Ethernet in the First Mile；EFM）。这个工作团体预期了光纤将被大量使用在接入网络上。于是在IEEE 802.3工作团体的赞助下，研发出以以太无源网络传输速率上下行同为1.25Gb/s的技术。

　　就在同时FSAN组织也开始起草制订一个超过1Gb/s速率的PON网络标准。 GPON提供1.244和2.488Gb/s的上下行速率。标准的设置是基于不同服务需求，提供最有效率和理想的传输速率，同时兼顾OAM&P功能以及可扩充的能力。基于这样的设计原则下，GPON的技术得已成为光纤接入网络一种全新的解决方案。不但提供高速带宽，而且支持各种接入服务，特别是在Data及TDM的传输并且支持原有数据的格式无须再次转换。下图是一个PON的架构及GPON提供的服务。

■图二：PON/GPON Network Topology

Gigabit服务规范

　　FSAN明确定义了GPON系统系统的服务要求，这份规范的制定，综合了FSAN会员意见，由于这些会员包含设备制造商、电信市场常规区域电信公司及美国地区型电话服务公司RBOCs（Regional Bell Operating Companies）。于是这份规范（GSR-Gigabit Service Requirement）成为FSAN的官方规范，也代表当今电信及固网运营商对于营运服务的需求。

　　在GSR文档中所列举的要求主要有以下几点：

◆支持全方位服务－包括话音（TDM、PDH和SONET/SDH）、Ethernet（10/100 BaseT）、ATM、专线等等。

◆物理覆盖至少20公里，协定内逻辑支持范围60公里。

◆支持同一种协定下的多种速率模式，包括同步622Mb/s，同步1.25Gb/s，以及不同步的下行2.5Gb/s，上行1.25Gb/s及更多（将来可达到同步2.5G）。

◆针对点对点的服务管理需提供OAM&P（Operation、Administration、PRovisioning）的能力。

◆针对PON下行流量是以广播传送之特点，提供协定层的安全保护机制。

Gigabit无源光网络原理

　　GPON拥有高速宽带及高效率传输的特性。最初设计的理念是重新思考无源光网络的利用，摆脱之前APON的设计规范。于是GPON是依据一个全新传输收敛层（TC - Transmission Convergence Layer）的架构。FSAN采用FlexLight及其他几间设备供应商所提出的以GFP（Generic Framing Procedure）作为服务承载的通信协议。

GFP已是ITU－T的规范

　　G.7041. GFP提供一个通用的机制，来适应流量自高层客户信息至传输网络上的传送。传输网络可以是任何类型的，例如SONET/SDH、ITU-T G.709（ONT）。客户信息可以是以封包的模式，或者恒定速率的数据或其他类型的信息模式。

　　因为GFP提供一个通用机制，更有效率的将不同型态的服务，载送在一个同步传输的网络上，适合用于GPON的传输。正因为GFP通用机制，在当今的接入网络上繁多的协定及服务将可利用GFP的帧承载，这也正说明GPON的技术因采用GFP拥有良好扩充的机制。除此之外GPON的传输收敛层利用SONET/SDH 8KHz（125μs）的帧中继模式以支持TDM的服务传送。

■图三： GFP Relationship to Client Signals and Transport Path

系统的表现及效率

　　评估一个网络系统的好坏不外乎从其整体的传输效率及支出成本作考量。当前无源光网络的技术包括APON、EPON 及GPON。比较各个系统的表现及效率，可帮助固网运营商了解商品所带来的利润。假设每一种PON的系统原件皆使用成本相近的ASICs及其他标准材料，传输速率皆为1.25Gb/s，以此条件比较不同PON的系统对Line coding、PON TC（包括 Mac Layer）、Bearer Protocol （ATM、Ethernet、GFP）的能力及Service adaptation效率，有以下结论：

　　一个令人惊讶的发现，EPON在以太网络封包的传输上是效能最低的。这是因为庞大的封包头造成传输上的负担及缺乏有效率分开连续封包的能力。就整体比较来说GPON 不论是在常规语音及数据传输上皆优于其它两种系统。EPON在常规语音传输上需要外接其他的设备才能提供TDM的服务。

　　综合上述的数据，不同技术的PON提供不同的带宽速率。例如APON传输速率为622Mbps，但在扣除封包头及其他因素后实际可用来传送数据的速率是448 Mbps，这就是所谓的“收入比特”（Revenue bits）。图五分析不同技术PON的收入比特。

■图四：综合各种类型的PON结构上的效能分析

■图五：整体PON的效能分析

GPON系统的优势

　　GPON可在接入网络上提供10Mbps、 100Mbps 及1Gbps的服务。当今许多企业利用VLAN的架构作为母公司及子公司的连接。GPON同样可提供VLAN的服务，同时支持语音的服务包括VoIP及TDM也是GPON的另一特点。GPON也是当前众多解决接入网络瓶颈的技术中唯一可在单一波长下提供2.5G的带宽，同时可传送多个波长在一条光纤上。无论接入网络上使用者的数据格式及界面为何，皆可保有其原有格式传送。另外值得一提，GPON系统可提供物理覆盖至少20公里，优于ADSL的6公里达3倍之多。整个系统兼顾扩充性及提供完整的管理功能，也考虑到硬件保护及数据的安全。

GPON亚洲市场前景

　　大部分在亚洲地区的固网供应商将PON的建置列入在2003年的计划中。以往大都是使用ADSL的技术提供接入网络服务，不过由于其无法提供长距离及高速带宽的服务，渐渐已无法满足固网运营商所推出新的服务项目。同样的问题亦发生于其它亚洲综合GPON系统的特质，GPON系统非常适合亚洲地区的地理特性及网络需求。事实上新加坡已在今年一月安装了GPON系统提供服务，中国及日本也正在进行实际测试，预见不久的未来，GPON系统应该会被更多运营商用于接入网络的服务。

摘自《电信建设与技术》

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