第1章　光接入网技术概述

1.1　光接入网简述

光接入网由接入光纤、以太网无源光网络（EPON，Ethernet Passive Optical Network）、GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network）局侧的OLT光线路终端、用户侧的光网络单元（ONU）、分光器（ODN）和光连接器构成，如图1-1所示[1]。

图1-1　光接入网接入设备结构

1G xPON和NG-PON的区别在于OLT的PON端口S/R参考点速率为1Gbit/s或10Gbit/s。

光接入网技术标准发展概况如下。美国电气和电子工程师协会（IEEE）组织发起的EPON标准和国际电信联盟电信标准化部门/全业务接入网论坛（ITU-T/FSAN）标准组织发起的GPON标准成为PON技术的两大主流。2009—2011年，光纤城市主要以EPON技术为主；2011年下半年GPON标准和技术的不断成熟，已开始在联通规模化采购和应用，由于需要考虑后台开通方面的工作，于2012年下半年已大规模应用。2017年之前，电信运营商主要接入设备以1G EPON和1GE GPON技术为主。中国电信、中国联通以EPON技术为主，其中，中国电信对EPON技术规范贡献比较大。中国移动主要以GPON为主，利用后发优势参加竞争。

由于市场竞争的需要，用户端口带宽已经达到200Mbit/s，10G EPON和10G GPON技术已经成熟，价格趋于合理，所以在2017年10G xPON（NG-PON1）已在国内规模应用，从试用阶段进入到大规模商用阶段。应用业务主要面向FTTH、FTTB（光纤到大楼）。

2016年三大电信运营商PON设备采购情况见表1-1[5]。

表1-1　2016年三大电信运营商PON设备采购情况

中国移动主要采购XG-PON中的GPON设备；中国联通主要采购1/10G EPON设备；中国电信主要采购1/10G EPON设备和GPON设备；同时可以看到10G xPON已经开始规模使用。

1.1.1　EPON的技术演进情况

EPON是基于以太网的PON技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。

1.EPON原理简述

EPON技术由IEEE 802.3 EFM工作组进行标准化。2004年6月，IEEE 802.3 EFM工作组发布了EPON标准——IEEE 802.3ah（2005年并入IEEE 802.3-2005标准），在该标准中将以太网和PON（无源光网络）技术结合，在物理层采用PON技术，在数据链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现以太网接入。因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本、高带宽、扩展性强、与现有以太网兼容、方便管理等。

EPON系统采用WDM技术，单纤中采用不同的波长的光传输上下行光信号实现双向传输。

下行方向。OLT（光线路终端）发出的以太网数据报经过一个1∶n的无源光分路器或几级分路器传送到每一个ONU（光网络单元），n的典型取值是4～64（由可用的光功率预算所限制）。这种行为特征与共享媒质网络相同。在下行方向，因为以太网具有广播特性，与EPON结构匹配：OLT广播数据分组，目的ONU有选择的提取。采用广播的方式发送下行信号，使用多点控制协议（MPCP）把信号从OLT发送到不同的ONU。

上行方向。由于无源光合路器的方向特性，任何一个ONU发出的数据分组只能到达OLT，而不能到达其他的ONU。EPON在上行方向上的行为特点与点到点网络相同。但是，不同于一个真正的点到点网络，在EPON中，所有的ONU都属于同一个冲突域，如果来自不同的ONU的数据分组同时传输可能会冲突。因此，在上行方向，EPON需要采用TDMA（时分多址）方式传输上行信号，避免在OLT上产生数据冲突。具体技术详见第2章介绍。

2.EPON技术1G向10G（XG-PON）共存演进

（1）1G和10G EPON共存。

1G和10G EPON可以实现平滑演进，共存特点如下：

10G EPON全面兼容原有EPON ODN，保护了电信运营商光分配网建设投资；

10G EPON可以兼容原有EPON MDU，设备主体、电源与用户配线均保持不变，保护了电信运营商终端投资；

EPON升级到10G EPON，管理运维一脉相承，可以实现一键式升级，减少电信运营商管理维护的工作量。

OLT的10G/1G EPON接口可同时支持1G EPON ONU和10G/1G EPON ONU共存，OLT的10G/10G EPON接口同时支持1G EPON ONU、10G/1G EPON ONU和10G/10G EPON ONU的共存。

（2）1G和10G EPON技术参数对比。

在下行方向，EPON技术启用了1577nm新波长用于10G下行通道。10G EPON口通过不同的波长（10Gbit/s通道的中心波长为1577nm，波长范围为1575～1580nm；1Gbit/s通道的中心波长为1490nm，波长范围为1480～1500nm）使10G EPON ONU和1G EPON ONU可以同时接收数据。在上行方向，采用TDMA方式对10G EPON ONU和1G EPON ONU的数据发送进行制约。1G EPON ONU在OLT的10G EPON口下的MPCP注册协议需要与1G EPON ONU在OLT的1G EPON口的MPCP注册协议保持一致。10G EPON ONU在OLT的10G EPON口下的MPCP注册协议必须符合IEEE 802.3-2012第77章的规定。1G EPON和10G EPON的技术参数对比参见表1-2[1]。

表1-2　1G EPON和10G EPON的技术参数

在波长规划方面，为了实现与1G EPON的兼容，10G EPON没有使用1G EPON系统所使用的1490nm的下行波长，同时考虑避开模拟视频波长（1550nm）和OTDR（光时域反射仪）测试波长（1600～1650nm），IEEE 802.3av标准选择1577nm作为10Gbit/s下行信号的波长（波长范围为1574～1580nm）。因此，在下行方向，10Gbit/s信号与1Gbit/s信号为WDM方式。而上行方向，1Gbit/s信号的波长是1310nm（1260～1360nm），IEEE 802.3av标准规定10Gbit/s信号的上行波长是1270nm（1260～1280nm），二者有重叠，因此不能采用WDM方式，只能采用双速率TDMA方式。[2]

（3）1G EPON和10G EPON标准关系。

IEEE 802.3av标准专注于物理层技术的研究，最大限度沿用EPON的IEEE 802.3ah的MPCP，该标准具有很好的继承性。IEEE 802.3av标准不是取代IEEE 802.3ah，而是对IEEE 802.3ah的扩展。

IEEE 802.3av标准的核心有两点：一是扩大IEEE 802.3ah标准的上下行带宽，达到10Git/s的速率；二是10G EPON标准有很好的兼容性，10G EPON ONU和1G EPON ONU可以实现共存。

IEEE 802.3av标准大部分和IEEE 802.3ah标准保持一致。

1.1.2　GPON技术的演进情况

GPON技术基于ITU-TG.984.x标准，最早由FSAN（全业务接入网论坛）组织于2002年9月提出，在此基础上ITU-T于2003年3月完成了ITU-T G.984.1和G.984.2的制定，2004年2月和6月完成了G.984.3的标准化，最终完成了GPON标准。基于GPON技术的设备基本结构与已有的PON类似，也是由局端的OLT、用户端的ONT/ONU（光网络终端或称作光网络单元），连接前两种设备由单模光纤（SM Fiber）和无源分光器（Splitter）组成的ODN以及网管系统组成。

1.GPON的技术特点

GPON借鉴了ITU-T定义的通用成帧规程（GFP，Generic Framing Procedure）技术，扩展支持GEM（General Encapsulation Method）封装格式，将不同类型和速率的业务重组后由PON传输，而且GEM帧头包含帧长度指示字节，用于可变长度数据分组的传递，提高了传输效率，因此，能更简单、通用、高效地支持全业务。

（1）GPON速率。GPON（1G GPON）系统应支持上行1.244Gbit/s、下行2.488Gbit/s的线路速率，比EPON速率高1.5倍。

XG-PON（10G GPON）系统应支持上行2.48832Gbit/s、下行9.95328Gbit/s的线路速率。

（2）QoS保证的全业务接入。GPON能够同时承载ATM信元和/或GEM帧，具有提供服务等级、支持QoS保证和全业务接入的能力。目前，ATM承载语音、PDH、Ethernet等多业务的技术已经非常成熟，使用GEM承载各种用户业务的技术也得到一致认可，并已经开始广泛应用和发展。那么GPON的数据封装具体是如何实现的？ONU从用户网络接口（UNI，User Network Interface）接收到上行的ETH、TDM或SDH数据，把上行数据封装为GEM帧发送给OLT。OLT把GEM帧解封装为ETH、TDM或SDH数据，通过上联口发送出去。

（3）TDM业务。TDM业务映射到GEM帧中，由于GPON TC帧帧长为125μs，能够直接支持TDM业务。TDM业务也可映射到ATM信元中，提供有QoS保证的实时传输。

（4）简单、高效的适配封装。采用GEM对多业务流实现简单、高效的适配封装。

（5）OAM能力。针对以太网系统在网络管理和性能监测的不足，GPON从消费者需求和电信运营商运行维护管理的角度，提供了3种OAM通道：嵌入的OAM通道、PLOAM和OMCI。它们承担不同的OAM任务，形成C/M Plane（控制/管理平面），平面中的不同信息对各自的OAM功能进行管理。GPON还继承了G.983中规定的OAM相关要求，具有丰富的业务管理和电信级的网络监测能力。

（6）技术相对复杂，设备成本较高。GPON承载有QoS保证的多业务和强大的OAM能力等优势很大程度上是以牺牲技术和设备的复杂性得来的，从而使相关设备成本较高。但随着GPON技术的发展和大规模应用，GPON设备的成本可能会有相应的下降。自2009年以来，EPON应用速度高于GPON，目前已基本持平。

2.GPON系统构成

GPON系统通常由局侧的OLT、用户侧的ONU和ODN组成，采用点到多点的网络结构。ODN由单模光纤和光分路器、光连接器等无源光器件组成，为OLT和ONU之间的物理连接提供光传输媒质。当采用第三波长提供CATV等业务时，ODN中也包括用于分波合波的WDM器件。

应用场景。GPON系统的ONU/ONT可放置在交接箱、楼宇/分线盒、公司/办公室和家庭等不同的位置，形成FTTCab、FTTB/C、FTTO和FTTH等不同的网络结构。ONT是指FTTH网络结构中包括用户端口功能的ONU。

GPON在欧美应用比较多，在技术规范方面欧美占优势，而技术成熟和商品化程度比EPON略差，所以GPON大规模商用时间比EPON晚。中国的光接入速度快于欧美，通过对EPON做出多项改进，EPON技术才有更多的话语权。例如，LOID认证是经过改进后在EPON中增加的。发展到10G xPON后，GPON和EPON技术优势已不分伯仲。

1.1.3　XG-PON技术演进

2011年以来，影响10G xPON推广的主要因素为技术成熟度和10G xPON模块组、光模块的价格高于1G xPON。在业务需求上，用户带宽需求不大于30M。

技术成熟度应用举例，例如，2011年测试某厂商10G EPON其速率最大可达800Mbit/s，速率高于此值则出现分组丢失现象，技术只限于数据业务，其他操作维护功能尚需改进，语音功能未完善。

2015年再次测试其速率最大可达900Mbit/s的标称值，操作维护和语音操作功能已经完善，基本具备规模应用能力。

早期10G xPON模块组、光模块的价格高于1G xPON，如图1-2所示。

由于市场竞争，天津联通2015年用户端口带宽达到100Mbit/s，2017年用户端口带宽达到200Mbit/s，促进了10G EPON在天津规模应用。天津联通用户端口实际带宽分配如下。

IPTV：4K电视50M，高清电视10M（限制于本地城域网）。

互联网：200M端口实测，ONU FE 1GE端口测速可达200Mbit/s。

语音、视频电话不大于8Mbit/s带宽。

1.10G xPON模块组、光模块价格发展趋势回顾

过去，10G xPON模块组、光模块的价格高于1G xPON。2011年Qualcomm Atheros 10G EPON模组价格仍高于50美元，若要大规模布建，庞大的成本将造成电信运营商的压力。以10G EPON光模块价格与1G FPON光模块对比（以OLT为例），从图1-2[3]中可知，它们相差数十倍。到2015年变为原来的1/6。电信运营商一般推荐使用非对称模式，成本会进一步下降，用户模型为上下行流量不对称模式。10G xPON模块组、光模块价格发展趋势参见图1-2。

图1-2　光模块价格发展趋势

目前，10GPON技术已经成熟，最大的制约因素在于成本，一个10G ONU成本为800～1000元，电信运营商难以接受。10GPON设备的成本包含光模块、芯片组、PCD封装等方面的费用，而光模块和芯片组的成本是目前10GPON成本过高的根本原因。虽然目前10GPON成本较高，但在规模效益的拉动下，10GPON成本有望大幅下降。

10G GPON/10G EPON（非对称）的OLT/ONU光模块的长期价格趋同，如2015年在市场竞争、4K电视、VR、5G等用户带宽需求的情况下，10GPON可用于FTTH组网和FTTB/C组网场景。光模块成本摊薄后将不是10GPON成本过高的主要因素，FTTB/C/H会是10GPON可能应用的主要场景。

2.NG-PON演进概述

从2004年起，ITU-T SG15/Q2开始同步研究和分析从GPON向下一代PON（统称为NG-PON）演进的可能性。2007年11月，Q2正式确定NG-PON的标准化路标，并以“低成本、高容量、广覆盖、全业务、高互通”为目标，迅速推进下一代PON技术标准的研究和制订。根据Q2制订的工作计划，NG-PON标准化参见所示路标。

如图1-3所示[3]，NG-PON将经历两个标准阶段。

一个是与GPON共存、重利用GPON ODN的NG-PON1。（注：目前NG-PON1均支持重利用现网ODN，可以大大降低建设和维护成本，包括10G EPON。）

另一个是完全新建ODN的NG-PON2，不兼容ODN。我们通常说的10G GPON属于NGPON1阶段，标准号为G.987系列，又称为XG-PON。其中，非对称系统（上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s）称为XG-PON1，对称系统（上行10Gbit/s，下行10Gbit/s）称为XG-PON2。另外，ITU-T以GPON OMCI为基础进行扩展，形成新的标准G.988（G.omci），其核心概念是整合所有OMCI相关文档，作为ITU-T研究光接入系统的终端管理基础标准。目前，ITU-T只在XG-PON1上取得实质性进展。

NG-PON1中的XG-PON2正在演进，而对于NG-PON2、ITU-T SG15/Q2正在计划对NG-PON2进行技术选型（目前，可选的技术有WDM、更高速TDM、TWDM-PON、OFDM），OFDM PON目前未列入发展项目，目前已确定把WDM、更高速TDM和TWDM-PON作为NG-PON2的工作方向，并启动标准化工作。总的来看，目前的市场需求推动力不足，技术发展中NG-PON2 WDM和TWDM-PON不考虑共存将会提高部署成本。TDM PON考虑共存和单波长，成本将会低一些。

G.987和G.988系列标准的进展如下：

·G.987 Definitions、Abbreviations、Acronyms于2010年1月发布；

·G.987.1 General Requirements于2010年1月发布；

·G.987.2 Physical Media Dependent（PMD）Layer Specification于2010年1月发布；

·ITU-T G.988-2012《ONU Management and Control Interface Specification（OMCI）》；

·G.987.3 Transmission Convergence（TC）Layer Specification于2014正式发布；

·G.988 ONU Management and Control Interface Specification（OMCI）于2010年6月通过，正式发布。

中国联通GPON技术规范[4]采用ITUT G.988系列2012版。

1.1.4　NG-PON2技术演进之路

PON技术主要分为两大类：基于时分复用无源光网络（TDM-PON）和基于波分复用无源光网络（WDM-PON）。WDM-PON的技术构想最先是由贝尔实验室在1994年的RiteNet项目中提出的，但是当时由于光纤和光器件的成本原因而没有获得推广。

1.2014年以来光纤演进路标

2014年以来光纤演进路标参见图1-3，FSAN和ITU将光纤网络未来演进定义为两个阶段：NG-PON1（中期）和NG-PON2（长期）。NG-PON1是基于XG-PON1的技术实现，可提供10Gbit/s下行速率和2.5Gbit/s上行速率。然而当XG-PON1可实际商用投入市场后却遇到一定的阻碍，在中短期时间内市场对于10Gbit/s速率的接入业务需求并不明显，2016年由于市场竞争，用户端口带宽从30Mbit/s扩展到100Mbit/s，2017年扩展到200Mbit/s，在中国开始了规模部署XG-PON1。随着更新技术的出现，市场也逐步将注意力转移到了NG-PON2。

注：全业务接入网论坛（FSAN）于1995年在全球7个主要网络电信运营商的发起下宣布成立。联盟的宗旨是希望能提出一种光接入解决方案并制订光接入网设备标准，根据该标准制订的设备应能够同时提供语音、数据和图像等业务能力。

对于NG-PON2的发展，FSAN做了几个评估方案，认为可能会出现以下3个主要竞争技术：TDM-PON、DWDM-PON、TWDM-PON技术（不包含OFDM-PON）。

（1）TDM-PON演进方案在概念上与当前的PON系统非常接近，采用了更高速率的光电子，可以为用户提供非常高效的共享带宽，但该技术方案需要每个ONT在40Gbit/s的线速下运作，该速率已远超市场对个人用户需求的预测。基于高成本、色散问题无法解决的角度考虑，2014年FSAN组织已经放弃了TDM-PON技术。在2018年2月于ITU-T SG15全会中提交了50G TDM-PON标准研究和立项建议，并获得通过。

图1-3　NG-PON标准路标

（2）密波分复用PON（DWDM-PON）技术支持在一根光纤上传送很多波长，它可以为每个PON用户提供一根独享的1Gbit/s对称速率的波长（未来可实现10Gbit/s）。但最终由于该技术成本高，无法实现用户间的带宽共享，运维复杂（每个用户都需终结和管理一根波长）等问题，FSAN并不倾向于这种技术选择。但是DWDM-PON技术在小范围领域仍然存在价值，比如在GPON方案中叠加一根DWDM波长用于支持类似移动前传。在ITU标准的附录中描述了该特殊应用，被称为点到点WDM。

（3）TWDM-PON（基于时分和波分复用的PON技术）在每根光纤提供4个或更多波长，每个波长可提供2.5Gbit/s或10Gbit/s对称或非对称速率的传输能力。在2012年，FSAN将TWDM-PON技术定为NG-PON2架构实施的方案选择。目前已有样机并小规模商用。

2.2014—2018年以来NG-PON2演进情况

每个NG-PON2候选技术都会带来相比现有GPON技术更高的数据传输能力或灵活性。但是这些改进也会带来额外的成本。因此，必须清楚地鉴别出这些新技术在性能上的提升所付出的成本是否低于其所带来的价值，哪种技术在未来创造价值的成本最低，哪种对现网投资保护可平滑升级。

综上所述，NG-PON2不考虑与NG-PON1并存，TDM-PON使用单一波长，WDM-PON和TWDM-PON技术都是采用多波长通信，使用专用的ODN，造价成本高。

（1）TDM PON演进方案：在2014年被FSAN组织已经放弃了[6]。2018年2月ITU-T SG15全会中，在对多种下一代高速PON系统候选方案进行反复和充分的讨论后，50G TDM-PON得到了与会国专家的广泛认同，最终形成完善的50G TDM-PON标准体系，包含总体要求标准G.hsp.req、50G物理层标准G.hsp.50Gpmd以及统一传输汇聚层标准G.hsp.ComTC。[7]

2017年，国内产业界包括中国电信、中国联通、中国移动、中国信息通信研究院、华为、中兴、烽火、诺基亚上海贝尔、海信、光迅科技、索尔思、优博创、旭创科技在内的光接入网产业链上下游合作伙伴，针对下一代PON技术进行了深入研究和多次研讨，明确了50G固定单波长作为下一代PON的技术演进方向，并达成了促进10GPON下一代演进时融合的共识，实现产业链共赢。基于研究成果，在2017年12月ITU-T SG15Q2中间会议中，国内产业界正式联合提交了50G TDM-PON标准研究和立项建议，会议通过讨论形成初步研究意向。在2018年2月ITU-T SG15全会中通过。

50G TDM-PON采用技术分析，该技术采用点到多点架构和时分复用技术，PON技术具有传统优势。

50G TDM-PON通过单波长提供50Gbit/s速率能力（相比XG（S）-PON提升5倍，是目前研究项目的最高速率）。由于是在GPON上演进，该技术降低了设备复杂程度，提高了传输速率，为5G技术提供高速率回传通道。

因为支持现有ODN部署及传统网络的共存升级，现行网络存在大量ODN，所以无须更换ODN，这减少了工程和维护工作量，更容易获得电信运营商的支持。

国内光接入网产业界将继续密切合作，克服TDM-PON存在的潜在技术障碍，如降低成本、解决色散问题。

该技术需要政府、国内厂商和电信运营商合力推动50GPON在ITU和IEEE的标准化及融合，促进产业链健康发展。

（2）WDM-PON。国内已编制了行业（政府）和企业（三大电信运营商）的WDM-PON标准，并进行了测试和试商用，由于成本高，只在小范围领域应用。2014年，中国电信测试WDM-PON 4G前端回传光接入功能，目前WDM-PON已可用于LTE基站前端回传。

（3）TWDM-PON技术发展情况。国内已编制了行业（政府）和企业（三大电信运营商）的TWDM-PON标准，并进行了测试和试商用。TWDM技术既可以实现更高带宽（总带宽最高40Gbit/s，各用户最高可实现10Gbit/s），又可以提供最理想化的灵活性，用于各用户带宽的调整、光纤的管理、业务的融合和资源的共享等。这些改进使TWDM在设备资产投入（CAPEX）方面相比DWDM下降30%，同时维护复杂度也大大降低。由此可见，TWDM技术结合了TDM和DWDM两种系统的优势，是NG-PON2的选择之一。