10G-EPON和10G-GPON标准的最新进展

摘要：IEEE和ITU-T分别于2004年和2005年启动了下一代PON标准的研究。截至目前，10G EPON和10G GPON的主体标准或已正式发布、或基本定稿，这必将加快器件商与设备商推出商用产品的进程。本文介绍了10G EPON与10G GPON标准化的主要内容及最新进展。

1  引言

近年来，随着全球范围内宽带接入市场的快速发展以及全业务运营的开展，已有的PON技术标准在带宽需求、业务支撑能力以及接入节点设备和配套设备的性能提升等方面都面临新的升级需求。IEEE和ITU-T分别于2004年和2005年启动了下一代PON标准的研究。截至目前，10G EPON和10G GPON的主体标准或已正式发布、或基本定稿，这必将加快器件商与设备商推出商用产品的进程。本文将详细介绍10G EPON与10G GPON已有标准的主要内容及最新进展。

2  10G EPON标准化进展及主要内容

（1）10G EPON标准简介

从2005年开始，IEEE开始进行10G EPON技术的研究和标准化工作，并取得突破进展；2009年9月，标准正式发布（标准号为IEEE 802.3av）。IEEE 802.3av规定了10Gbit/s下行和1Gbit/s上行的非对称模式（10/1G BASE-PRX）和10Gbit/s上/下行对称模式（10G BASE-PR）两种速率模式。

为了实现10G EPON与1G EPON的兼容和网络的平滑演进，IEEE 802.3av标准在波长分配、多点控制机制方面都有专门的考虑，以保证10G EPON与1G EPON系统在同一ODN下的共存。10G EPON尽可能沿用了1G EPON的MAC和MPCP等协议，对MPCP协议做了少量的修改，并定义了新的PHY层。

（2）PHY层主要变化

• 光功率预算

10G EPON标准规定了更高的链路光功率预算（Power Budget），除了定义了与EPON相同的20dB和24dB外，还根据实际组网的需要，定义了29dB的光信道插入损耗。10G EPON标准针对非对称和对称传输速率各定义了3类功率预算：

——非对称（10G/1G）：PRX10，PRX20，PRX30。
——对称（10G/10G）：PR10，PR20，PR30。

• 波长划分

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。10G EPON OLT可以同时发现10G/10G ONU，10G/1G ONU和1G/1G ONU三种ONU可以共存。

• 新的PCS层

10G EPON采用64B/66B编码，效率为97%，与1G EPON的8B/10B（效率为80%）相比有了明显提升。10G EPON的FEC功能采用RS（255，223）编码，可增加光功率预算5～6dB，与1G EPON的RS（255，239）编码相比FEC能力更强。

（3）MPCP层主要变化

10G EPON系统需要支持非对称、对称传输速率并兼容现有EPON技术，需要对EPON 的MPCP协议（IEEE 802.3）进行扩展，增加了10Gbit/s能力的通告与协商机制。这样可以充分利用现有EPON的实现方案，极大地降低了芯片和设备成本。

• 在发现GATE帧中增加Discovery Information字节来告知ONU OLT的能力，扩展下行GATE报文支持OLT给不同上行速率的ONU开不同的发现窗。
• 在Register Request帧中增加Discovery Information字节来告知OLT ONU的能力。

（4）Churning功能

在EPON系统中，采用三重搅动（Triple Churning）的方法对OLT下行数据进行加密，提高下行数据的安全性。但是，现有的三重搅动方案应用在10G EPON系统中存在着电路实现复杂、加密安全性较低的问题。为解决上述问题，IEEE 802.3av定义了一种适用于10G EPON系统的Churning方案，提高了10G EPON下行数据的安全性。

10G EPON系统的搅动采用3个级联的搅动器，每个搅动器执行规定的单重搅动操作，每次搅动使用的搅动密钥完全不同。第一级搅动器采用的24bit的密钥为（X1～X8，P1～P16）1；第二级搅动器采用的24bit的密钥为（X1～X8，P1～P16）2；第三级搅动器采用的24bit的密钥为（X1～X8，P1～P16）3。搅动密钥是ONU由上行用户数据中提取的3个3字节数据分别与3个3字节随机数异或相加（Exclusive OR，XOR)的结果，具体参见图1。

图1  10G EPON的三重搅动

10G EPON系统的搅动密钥更新和同步过程与EPON系统相同。密钥更新周期应可配置，默认缺省值为10s。10G EPON系统中用于搅动的密钥交互消息包括新密钥请求帧（New_Key_Request）和新密钥通知帧（New_Churning_Key）两种类型。新密钥请求帧的消息格式与EPON系统相同。

3  10G GPON标准化进展及主要内容

（1）10G GPON标准简介

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NGPON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定。根据Q2制定的工作计划，NGPON标准化遵循如图2所示路标。

图2   NGPON标准路标

如图2所示，NGPON将经历两个标准阶段：一个是与GPON共存、重利用GPON ODN的NG PON1；一个是完全新建ODN的NGPON2。我们通常说的10G GPON属于NG PON1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），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，NGPON1中的XG PON2尚无明确的时间表，而对于NGPON2，ITU-T SG15/Q2正在计划对NGPON2进行技术选型（目前可选的技术有波分，更高速TDM，OFDM等），以确定NGPON2的工作方向；启动标准化工作，预计在2015年完成标准化。

G.987和G.988系列标准的进展如下：
●G.987 Definitions，Abbreviations，and 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。
●G.987.3 Transmission Convergence (TC) Layer Specification于2010年6月通过，尚未正式发布。
●G.988 ONU Management and Control Interface Specification (OMCI)于2010年6月通过，尚未正式发布。

（2）XG PON1 PHY层主要特性

XG-PON1相比GPON在物理层要求上有明显提升，具体参见表1。

表1  XG PON1的物理层特性

（3）XG PON1的波长规划

XG-PON1的下行信号波段为1575~1580nm（室外应用时为1575~1581nm），上行信号波段为1260~1280nm。由于整网演进过程中不可避免的共存需求，XG-PON1 ONU需保留足够带宽用于现有GPON以及CATV信号，且应最大限度减少不同信号间串扰带来的影响。

图3所示为NGPON频谱规划。XG-PON1的工作波段称为“基础波段”，其他系统信号的带宽视为“增强波段”。对实际系统而言，增强波段包括GPON信号和CATV信号。其中，CATV的信号波长与ITU-T G.983.3中的定义保持一致。XG-PON1的工作波段与增强波段之间通过保护频带隔离。为解决干扰信号的过问题， XGPON1系统在终端上使用波长阻塞滤波器（Wavelength Blocking Filter，WBF），以获得较好的信号间隔离度。

图3  NG PON频谱规划

（4）XG PON1 TC层规范（G.987.3）草案概况

G.987.3尚未正式发布，但基本内容已经讨论确定，主要包括如下方面：
●XGTC层的各子层结构。
●业务适配子层的功能，包含XGEM帧封装、定界和数据帧分段。
●物理适配子层的功能，包含FEC和线路编码。
●XG PON的嵌入式管理功能，包含上行时分多址接入和动态带宽分配。
●XG PON的物理层OAM消息通道和功能。
●ONU的注册激活流程定义。
●XG PON安全功能的机制。
●XG PON的告警机制和定义。

XG PON1 TC层共分业务适配子层、成帧子层和物理层适配子层，分层模型参见图4。

图4  XG PON1的TC层架构

业务适配子层主要涵盖了XGEM帧封装以及XGEM-ID分配过滤等功能，支持数据单元的分段重组和XGEM帧的定界功能；成帧子层包含XGTC帧/突发数据帧封装和解析，嵌入式OAM功能，PLAM功能以及Alloc-ID过滤等；物理适配子层从图4中看实现了FEC功能、线路编码以及突发数据开销功能。

4  结束语

从已发布和即将发布的标准内容来看，10G EPON和10G GPON都充分考虑了同一ODN下与原有PON系统的兼容，并对功率预算、波长分配和TC层功能进行了相应的增强，并且都定义了非对称、对称两种模式的系统，应该说两种技术的业务承载能力和应用场景是极其相似的。但从标准化进程来看，10G EPON（对称、非对称模式）的发布时间约早于10G GPON（非对称模式，XG PON1）1年，而XG PON2（对称模式）的标准化尚无时间表。标准化的差距直接影响了芯片、光模块、设备的成熟度，我们希望符合10G EPON与XG PON1标准的设备能尽快成熟，并且希望ITU-T尽快明确XG PON2的后续研究计划。