PON简史

大家好,我是小枣君。

之前有不少同学问EPON、GPON、10G PON、XG-PON、NG-PON2到底是什么关系。今天通过这篇文章,我详细给大家介绍一下。

01. EPON和GPON

故事要从PON的起源开始说起。

上世纪80年代,计算机和多媒体技术崛起,越来越多的人开始拥有电脑,也开始接触网络(局域网或互联网)。于是,数据通信业务开始兴起,上网需求出现。

早期的时候,运营商能提供的上网服务,基本上都是通过电话线、双绞线(网线)、同轴电缆这样的铜制线缆。技术包括ADSL(非对称数字用户线路)和ISDN专线(综合业务数字网)等。

ADSL Modem

这些方式要么速率很慢,要么成本很高,并不能满足用户的需求。

于是,光纤作为一种新型通信介质,开始进入了人们的视野。

光纤维

自从1966年华裔科学家高锟先生通过一篇论文奠定了光纤通信理论基础之后,这项技术便进入了高速发展的阶段。光纤制造工艺不断成熟,产业链也日益成型。

到了80年代末,为了将光纤应用于宽带接入业务,陆续有厂商推出了自己的窄带PON技术。当时,这种技术速率很低,不超过2Mbps。而且,因为厂商们各自为战,所以一直没有形成统一的规范和标准。

1995年,包括BELLSOUTH、BT、France Telecom在内的7家网络运营商共同发起成立了全业务接入网联盟(FSAN),希望能提出一种统一的光接入网设备标准。

不久之后,1997年,根据FSAN的建议,ITU-T(国际电信联盟电信标准分局)推出了APON技术体系,也就是G.983.1标准。

APON,就是ATM PON。ATM可不是自动取款机,它是异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode)的缩写。ATM的本质,就是一种传输协议。老一辈通信人肯定对ATM很熟悉,它曾经是IP协议的竞争对手,一度非常流行。

到了2001年,FSAN和ITU-T对APON规范进行了升级修订,顺便改了个名,叫做BPON(Broadband PON,宽带无源光网络)。之所以改名,主要是他们不希望APON被人误解为只能提供ATM业务。

为了进一步提升PON的速率标准,2002年,FSAN启动了一项新的工作,对1Gbps以上的PON网络进行标准化。

2003年3月,在FSAN的建议基础上,ITU-T颁布G.984标准,也就是GPON(Gigabit-capable PON,千兆比特无源光网络)

就在FSAN和ITU-T干得热火朝天的同时,另一家标准化组织也没闲着,也开始捣鼓PON技术。它就是同样大名鼎鼎的IEEE(电气和电子工程师协会)。

IEEE是以太网(Ethernet)标准的制定者和大靠山。

IEEE在1998年发布了吉比特(Gigabit)以太网标准之后,就寻思着搞一个基于以太网的PON标准。

2000年,IEEE成立了EFM工作组,正式启动相关标准化工作。EFM工作组的全名很有趣,叫做第一英里以太网工作组(Ethernet for the First Mile),归属于制定以太网标准的IEEE 802.3组。

2004年4月,EFM工作组大功告成,正式推出了IEEE 802.3ah标准,也就是EPON(Ethernet PON,基于Ethernet以太网的PON)

随着时间推移,ATM在与IP的竞争中逐渐失势没落。APON(BPON)也因为成本、效率等原因被运营商们抛弃,退出了历史舞台。所以,APON(BPON)我就不多介绍了,大家也不需要了解太多。

我们重点看看当时已经成为行业主流的EPON和GPON。

EPON和GPON,是不同标准组织推出的不同技术体系。两者之间并没有升级演进或替代的关系,可以算是平行发展。

EPON和GPON,关键区别在二层(也就是数据链路层)。

EPON,在二层就是用以太网取代ATM。GPON呢,在二层采用的是全新定义的一种封装结构GEM(GPON Encapsulation Mode,GPON封装模式),对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射。

我们通过下面这张表格进行简单的对比:

总之,EPON和GPON各有优劣。简单来说,GPON带宽更大,带的用户更多,效率更高,但实现起来也更复杂,所以成本也更高。

从国内的市场份额来看,EPON当时在中国电信被普遍采用,而GPON更受中国联通和中国移动的欢迎。

02. 10G-EPON和XGS-PON

EPON和GPON,都是1Gbps这个级别的PON。注意,这个1Gbps,并不是用户侧的速率。EPON和GPON只能给用户提供100Mbps的速率。

很显然,随着时代的发展,这个速率无法满足家庭和企业用户的需求。于是,PON开始向10Gbps级别的演进。

2006年,IEEE开始立项制定10Gbit/s速率的EPON系统标准,也就是后来的IEEE 802.3av,10G-EPON

在该标准中,10G EPON分为2个类型:一是非对称方式,即下行速率为10 Gbps,上行速率为1 Gbps;另一个是对称方式,即上下行速率均为10 Gbps。

ITU-T的GPON那边呢,也在演进。

2008年,ITU启动了下一代GPON标准的研究。2010年,XG-PON标准诞生,也就是ITU-T G.987系列。

最开始的时候,XG-PON也有两种方式,一种是非对称方式XG-PON1,下行速率为10 Gbps,上行速率为2.5 Gbps;另一种是对称方式XG-PON2,上下行速率均为10 Gbps。

后来,2013年左右,因为XG-PON2这个对称方案难以实现,所以被建议取消。XG-PON1直接改名成为XG-PON。

再后来,2015年,对称方案又重启,采用了新名字,叫做XGS-PON(S代表symmetric,对称)。

2017年,ITU正式通过了G.9807 XGS-PON国际标准。

通过下面这个图,应该看得更明白:

值得一提的还有一个Combo-PON,运营商也有集采过。

Combo-PON是通过三合一光模块,在内部集成了GPON光模块、10G PON光模块和WDM1r合波器。这样一来,不论用户侧接GPON ONT还是10G PON ONT,都可以正常工作,有利于升级过渡。

Combo-PON方案(图片来自中兴官网)

2010年之后,视频、游戏等互联网应用飞速发展,用户对网络带宽有强烈的需求。这进一步刺激了10G PON的产业链成熟。

2013年开始,国内运营商就对10G PON进行了规模集采和批量部署。最近几年,随着“千兆宽带”的推广和普及,10G PON的集采达到了巅峰。

针对10G PON,国内运营商的升级策略也有一些不同。主要是中国电信。电信因为此前EPON存量较大,所以升级替换不可避免地还是采用了10G EPON的方案,不过新建的基本上已经改用GPON。

从技术的角度来说,10G PON的升级替换其实也很方便,基本上可以在现有硬件架构的基础上直接升级。

OLT、ODN、ONU三大部分中,ODN(光分配网)几乎是完全不变的,反正也是无源的,就是一个管道,估计用几十年都没问题。局端设备OLT的话,原有GPON/EPON平台可以不变,只需要升级更换大容量的接口板就行。用户端ONU更换比较简单,根据用户需求(换宽带套餐的时候),逐步淘汰替换即可。

总而言之,10G PON的升级改造没有太大难度,然而用户体验提升明显,可以让用户多掏钱,岂不美哉?这也是目前运营商大力推广的原因之一。

03. PON的未来

对于标准组织来说,10G PON并不是PON技术的终点,25G/50G/100G PON早已经被提上了议事日程。

先看看FSAN和ITU-T这边。

XG-PON标准制定完成之后,FSAN就启动了NG-PON2的标准研究(NG-PON1就是前面的10G PON,包括10G GPON和10G EPON)。NG-PON2的关键需求主要为40G下行和40G/10G上行,实现20km传输距离和1:64分光。

当时,NG-PON2的主流备选技术方案包括高速TDMA-PON、TWDM PON、OFDM-PON和WDM-PON。经过分析和对比,2012年4月,FSAN确定采用TWDM PON技术作为NG-PON2的实现方案,并启动制定G.989.x系列标准,最终于2015年完成。

TWDM PON采用4/8波长叠加方式,单波长10G TDM。

NG-PON2系统架构

再来看看IEEE方面。

2013年,IEEE开始启动NG-EPON研究,成立了IEEE ICCOM对NG-EPON的市场需求、技术方案进行分析。2015年3月,IEEE发布了NG-EPON技术白皮书。2015年7月,开始启动100G-EPON标准制定,命名为IEEE 802.3ca。根据最新的信息,将可能于2020年8月份发布。

100G-EPON系统架构

同样画个图,方便大家看懂:

在10G TDM的基础上,ITU-T的专家们也在考虑进一步提升单波容量,考虑方向主要集中在25G、50G和100G。

这其中,25G与10G差别太小,而100G难度太大。所以,50G被普遍认为是一个比较合适的演进方向。

2018年2月,国内光接入网产业界成功推动了50G TDM-PON标准立项,标志着ITU-T在下一代PON标准研究领域迈出关键一步,也进一步明确了PON的未来技术演进路线(至少国内很明确了)。

不过,IEEE这边并没有接受单波50G PON的立项。他们在下一代PON技术路线的选择上,与ITU-T存在较大的分歧,且短时间内无法达成共识。

综上所述,10G PON能够提供每用户100M~1G带宽,而25G/50G/100G PON可以为用户提供1G~10Gbps带宽。宽带接入平台的大规模部署时间通常会间隔约7-8年。2016~2018年,我们进入的10G PON的大规模部署期。

也就是说,预计2025年,我们将会迎来5Gbps、10Gbps光纤接入宽带的规模部署。

04.PON流派的融合

除了研究下一代PON技术之外,行业还在密切关注一个很重要的问题,那就是ITU-T和IEEE这两个技术流派的融合。

自从EPON和GPON诞生以来,两个派系长期共存,这其实对产业来说是非常不利的。

一方面,给运营商和设备的技术决策带来困难(选择题难做),另一方面,也增加了产业链的成本(产业链企业需要在两条线进行投入)。

对于中国这样庞大的光接入网市场,PON技术派系的分化带来的影响就更大,资源浪费也更多。所以,中国运营商和产业链对于PON融合有很强烈的意愿,也做了很多推动工作。

在国内外产业界的积极推动之下,ITU-T和IEEE也有一些积极的“示好”,包括发表联合声明、组成工作组、建立联络函机制等。但是,真正想要实现最终的融合,目前来看,还需要很长时间。

好啦,今天关于PON的介绍就到这里。感谢大家的耐心阅读,我们下期再见!

本文分享自微信公众号 - 鲜枣课堂(xzclasscom),作者:小枣君

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原始发表时间:2020-05-21

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