光接入网用软件定义光模块技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研究 报告 要点 光接入网络需要满足多种用户类型，故并存多种制 式，技 术发展与升级换代快 。 由于设备硬件结构和软件接口不统一， 无法支持面向应用的快速转换、前后向兼容与平滑演进能力，导致网络设备应用效能低，成为设备制造商以及网络运营商投资的巨大负担。 采用软件定义光接入网可大大提升网络组网的灵活性。 本 研究报告 研究新一代光接入网用软件定义光模块的架构和关键技术，主要研究架构灵活、兼容性好，可支持持续演进的新型光接入网软件定义光模块，突破关键器件技术。 传送网与接入网 技术工作委员会 光器件工作组 研究单位： 中 兴通讯股份有限公司 、 中国信息通信研究院、 上海贝尔股份有限公司 、烽火科技集团有限公司 项目负责人： 匡国华 项目参加人： 赵文玉 、 郑锐之 、 周箴 、 曹丽 完成日期： 2016 年 1 月 目录 1 背景 介绍 . 1 2 术语及缩略语 . 1 3 软件定义网络技术 . 2 3.1. 标准化现状 . 2 3.2. 软件定义网络发展历史 . 2 4 光接入网标准现状 . 3 4.1. 光接入网 EPON 标准现状 . 3 4.2. 光接入网 GPON 标准现状 . 4 4.3. 光接入网 10G EPON 标准现状 . 4 4.4. 光接入网 XG-PON 标准现状 . 5 4.5. NG-PON2 标准现状 . 6 5 光接入收发一体模块关键技术 . 8 5.1. 光发射机技术 . 10 5.2. 光接收机技术 . 11 5.3. 多波长 MUX/DEMUX 技术 . 14 5.4. 光放大器 OA 技术 . 15 5.5. 其他关键技术 . 16 6 软件定义与光收发一体模块结合 . 16 6.1. 应用场景 . 16 6.2. 典型方案一 . 17 6.3. 典型方案二 . 20 6.4. 典型方案三 . 22 7 总结和建议 . 23 8 参考文献 . 23 1 光接入网 用软件定义光 模块 技术研究 1 背景介绍 软件定义网络（ Software Defined Network, SDN ） 在过去的 几年 发展迅速 ， 应用场景 逐步聚焦到电信运营商、数据中心以及互联网公司。 其中 光接入是下一代网络的 重要组成部分，作为 网络架构的 “神经末梢 ”，光接入网 具有巨大的应用市场前景，而且对各种业务和技术融 合开发的需求也不断增长。 现有的光接入技术包括 GPON（吉比特无源光网络） 、 EPON（以太网无源光网络） 、10GEPON (万兆 以太网无源光网络 )、 TWDM PON（时 分 波分复用无源光网络）等等技术。存在制式不同、硬件平台不兼容问题， 如何进一步地提高光接入网带宽以及如何更好地完成多业务的承载与融合是下一代光接入网所要面临的主要问题 。采用软件定义光接入网可大大提升网络组网的灵活性。 在物理媒介层， GPON（吉比特无源光网络） 、 EPON（以太网无源光网络） 、 10GEPON (万兆 以太网无源光网络 )、 TWDM PON（时 分波分复用无源光网络） 光收发模块采用的调制技术、激光器类型、复用方式等也存在不兼容的问题 。 本研究课题 重点关注光接入网 用软件定义 光 模块技术， 对 光接入网络 实现虚拟化 架构有重要研究意义。 2 术语及缩略语 本文使用的缩略语见 下表 略语 中文含义 原 文 SDN 软件定义网络 Software Defined Network BER 误码率 Bit Error Rate DFB 分布反馈 Distributed Feedback TL 可调谐激光器 Tunable Laser EML 电吸收调 制激光器 Electlro-absorption Modulated Laser AWG 阵列波导光栅 Arrayed Waveguide Grating APD 雪崩光电二极管 Avalanche Photo Diode MUX 复用器 Multiplexer DEMUX 解复用器 Demultiplexer TIA 跨阻抗放大器 Transimpedence Amplifier TEC 热电 制冷器 Thermoelectric Cooler EPON 以太无源光网络 Ethernet Passive Optical Network FEC 前向纠错 Forward Error Correction FTTB 光纤到大楼 Fiber to the Building 2 略语 中文含义 原 文 FTTH 光纤到户 Fiber to the Home GE 千兆以太网 Gigabits Ethernet GPON 千兆比特无源光网络 Gigabit Passive Optical Network MAC 媒体访问控制 Media Access Control MAN 城域网 Metropoliatan Area Network MDU 多住户单元 Multiple Dwelling Unit MTU 多租户单元 Multiple Tenant Unit OAM 操作管理维护 Operations Administration and Maintenance OAN 光接入网络 Optical Access Network ODN 光分布网络 Optical Distribution Network OLT 光线路终端 Optical Line Terminal ONU 光网络单元 Optical Network Unit RF 射频 Radio Frequency TDM 时分复用 Time Division Multiplexing 3 软件定义网络技术 3.1. 标准 化 现状 在国内，三大电信运营商对 SDN 有明确需求。适合于引入 SDN 的场景包括数据中心 、传送网 和 接入网。 随着我国 4G LTE 的大规模部署 ，光传送网的可编程化 ， SDN/NFV 已经成为电信运营商重点发力的方向 ，并展开标准讨论工作。 与此同时， 对光接入网的可编程化、软件定义网络也已进入运营商热点研 究的领域。 3.2. 软件定义 网络发展 历史 2006 年 SDN 诞生于美国 GENI 项目资助的斯坦福大学 Clean Slate 课题，斯坦福大学 Nick McKeown 教授为首的研究团队提出了 Openflow 的概念，后续基于 Openflow 给网络带来可编程的特性， 软件定义网络 SDN 的概念应运而生。 2011 年 3 月开放网络基金会 ONF 成立， 致力于推动 SDN 架构、技术的规范和发展工作。ONF 成员 96 家 ， 核心会员有 7 家 . 2011 年 12 月第一届开放网络峰会（ Open Networking Summit）在北京召开，为 SDN 在学术界和工业界做了 很好的介绍和推广。 2012 年 4 月 ONF 发布了 SDN 白皮书（ Software Defined Networking： The New Norm for Networks）。 2012 年德国电信等运营商开始开发和部署 SDN。谷歌宣布其主干网络已经全面运行在OpenFlow/SDN 上，并且通过 10G 网络链接分布在全球各地的 12 个数据中心。从而 SDN 完成学术界研究 到成熟应用的过程。 2012 年国家 “863”项目 “未来网络体系结构和创新环境 ” 获得科技部批准。它是一个符合3 SDN 思想的项目 ， 主要由清华大学牵头负责，中科 院计算所、北邮、东南大学、北京大学 等参与。 2012 年底 AT&T、英国电信 (BT)、德国电信、 Orange、意大利电信、西班牙电信公司和Verizon 联合发起成立了网络功能虚拟化产业联盟 (Network Functions Virtualisation， NFV)，旨在将 SDN 的理念引入电信业。由 52 家网络运营商、电信设备供应商、 IT 设备供应商以及技术供应商组建。 2013 年中国 SDN 与开放网络高峰会议 在 北 京召开， 大会组委会由中国通信标准化协会、中国互联网协会、开放数据中心联盟、云计算开放联盟、中关村云计算联 盟、中关村下一代互联网产业联盟、中国电信、清华大学等支持单位共同建立 。 研讨相关技术标准的发展与演进，进一步推动未来网络技术前行。 4 光接入网标准现状 4.1. 光接入网 EPON 标准现状 4.1.1. 基于以太网 IEEE 802.3ah 1Gbps PON (EPON) IEEE 802.3ah PON 标准旨在将 EPON 系统的数据速率从 100Mbps 的快速以太网 提高至 1Gbps，以适应 1Gbps 以太网接口 。 EPON 物理层 下行数据速率是 1Gbps。上行采用 8B/10B 模块线路代码，从而使线路速率达到 1.25Gbps。 采用 WDM 将上行与下行信号进行分离，以实现在同一 PON 光 纤实现下行与上行数据的传输。不同的上行下行信号所采用的波长如 图 1 所示。 EPON 上行信号 采用 1310nm 波长 ，下行信号采用 1490nm 波长。 图 1 EPON 波长分配 4.1.2. 用于 EPON 光收发合一模块 标准 中 国通信行业标准 YD/T 1688.2 xPON 光收发合一模块技术条件第 2 部分 :用于 EPON光线路终端 /光网络单元（ OLT/ONU）的光收发合一模块 规定了用于 EPON 光线路终端 /光网络单元（ OLT/ONU）光收发合一模块的术语 和定义、技术要求、测试方法、可靠性试验、检验规则、标志、包装、运输和贮存要求等。 光接口参数主要参考： IEEE 802.3ah-2004信息技术 -系统间通信和信息 -局域网和城域网特定要求 第 3 部分： CSMA/CD 接入方式和物理层规范 增补文件：用户接入网媒质接入控制参数、物理层和管理层参数。 4 4.2. 光接入网 GPON 标准现状 4.2.1. 基于 吉 比特 ITU-T 984 1Gbps PON (GPON) ITU-T 984 标准旨在规范吉比特无源光网络架构，传输线路的速率应当是 8 kHz 的倍数。目标具有下列标称 线路数率（下行 /上行）： 1244.16 Mbit/s/155.52 Mbit/s, 1244.16 Mbit/s/622.08 Mbit/s, 1244.16 Mbit/s/1244.16 Mbit/s, 2488.32 Mbit/s/155.52 Mbit/s, 2488.32 Mbit/s/622.08 Mbit/s, 2488.32 Mbit/s/1244.16 Mbit/s, 2488.32 Mbit/s/2488.32 Mbit/s. GPON 物理层 标准 ITU-T 984.2 规范 物理媒介从属 (PMD)层技术要求 ，目前规模部署的GPON 的下行数据速率是 2.488Gbps。 上行数据速率 1.244Gbps，采用 NRZ 线路码型。 采 用 WDM 将上行与下行信号进行分离，以实现在同一 PON 光 纤实现下行与上行数据的传输。上行下行信号所采用的波长如 图 2 所示。 GPON 上行信号 采用 1310nm 波长 ，下行信号采用 1490nm 波长。 图 2 GPON 波长分配 4.2.2. 用于 GPON 光收发 合一 模块 标准 中 国通信行业标准 YD/T 1688.3 xPON 光收发合一 模块技术条件 第 3 部分 ： 用于 GPON 光线路终端 /光网络单元 （ OLT/ONU）的光收发合一模块 规定了用于 GPON 光线路终端 /光网络单元（ OLT/ONU）光收发合一模块的术语和定义、技术要求、测试方法、可靠性试验、检验规则、标志、包装、运输和贮存要求等。 光接口参数主要参考： ITU-T 984.2 规范 物理媒介从属 (PMD)层技术要求 。 4.3. 光接入网 10G EPON 标准现状 4.3.1. 基于以太网 IEEE 802.3av 10Gbps PON (10G EPON) IEEE 802.3av PON 标准的开发旨在将 EPON 系统的数据速率从 1Gbps 提高至 10Gbps，以适应 10Gbps 以太网接口。 10G EPON 与 EPON 共享大部分协议，结合粗波分复用 (CWDM) 5 与时分多路复用 (TDM) ，以使 EPON 与 10G EPON 系统能够在同一 PON 上实现共存。与 EPON 一样， 10G EPON 也依靠 VoIP 技术进行语音通信，并通过电路仿真业务 (CES) 传输其它 TDM 客户端信号。 10GEPON 物理层 下行数据速率是 10Gbps。上行方向同时支持 1Gbps 和 10Gbps 速率。64B/66B 模块线路代码用于所有 10Gbps 信号，从而实现了 10.3125Gbps 的信号线路速率。1Gbps 上行采用与 EPON 相同的 8B/10B 模块线路代码，从而使线路速率达到 1.25Gbps。 采用 WDM 将上行与下行信号进行分离，以实现在同一 PON 光 纤实现下行与上行数据的传输。不同的上行下行信号所采用的波长如 下图 所示。 对于 1Gbps 上行操作， 10G EPON 采用与 EPON 上行信号相同的 1310nm 波长 。10Gbps 上行信号采用独立的波长频带，不过它会与 1Gbps 上行波长频带 发生重叠。如果 OLT 在同一 PON 上同时支持 1Gbps 和 10Gbps 操作， 其称为双速率模式。双速率 OLT 可通 过将信号分离到光域或电域中来实现 10Gbps 与 1Gbps 上行信号的分离。 图 3 10GEPON 波长分配 4.3.2. 用于 10GEPON 光收发合一模块标准 中 国通信行业标准 YD/T 1688.4 xPON 光收发合一模块技术条件 第 4 部分 ：用于 10G EPON 光线路终端光网络单元（ OLT/ONU)的光收发合一模块 ） ，规定了用于 l OGEPON 光线路终端与光 网络单元（ OLT/ONU）的光收 发合一模块的术语和定义、缩略语、技术要求、测试方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存要求等。 10GEPON 光收发一体模块光接口参数主要参考参考了 IEEE 802.3av-2009信息技术一系统间的通信和信息交换局域网和城域网特定要求一第 3 部分： CSMA/CD 的接入方式及物理层规范一增补文件： l0Gbit/s 无源光网络物理层规范和管理参数）中表 75-5、表 75-6、表 75-7、表 75-8、表 75-9、表 75-10、表 75-1 中相关参数和指标。 4.4. 光接入网 XG-PON 标准现状 4.4.1. 基于 10G 吉比特无源光网络 ITU-T 987 10Gbps GPON (XG-PON) ITU-T G.987 10G 吉比特无源光网络系统上行速率从 GPON 的 1.244G 提高至 2.488Gbps，下行速率从 GPON 的 2.488Gbps 提高到 9.95Gbps。 6 XG-PON 物理层 ITU-T G.987.2： 2010 10G 吉比特无源光网络（ XG-PON）物理介质相关层（ PMD）规范中规范 XG-PON 物理层 下行数据速率是 9.95Gbps，采用 1577nm 波长；采用 WDM 将上行与下行信号进行分离，以实现在同一 PON 光 纤实现下行与 上行数据的传输。 上行数据速率是 2.488Gbps，采用 1270nm 波长， 上行下行信号所采用的波长如 下图 4所示。 图 4 XG-PON 波长分配 4.4.2. 用于 XG-PON 光收发合一模块标准 中 国通信行业标准 YD/T 1688.5 xPON 光收发合一模块技术条件 第 5 部分 ：用于 XG-PON 光线路终端 /光网络单元（ OLT/ONU）的光收发合一模块 ，规定了用于 XG-PON 非对称性 光收发合一模块的术语定义、 缩略语、技术要求、测试方法等 要求。 XG-PON 非对称性光收发一体模块光接口 主要参考了 ITU-T G.987.2： 2010 10G 吉比特无源光网络（ XG-PON）：物理介质相关层（ PMD）规范中相关章节 。 4.5. NG-PON2 标准现状 4.5.1. ITU-T 989 40Gbps PON (NG-PON2) 根据 ITU-T G.989.1-2013， NG-PON2 定义为继 2.5Gbps 的 G-PON 和 10Gbps 的 XG-PON1之后能够支持 40Gbps 传输速率的下一代无源光网络。其具体要求为： NG-PON2 是一种基于多波长和时分复用的混合系统：由 4 到 8 个波长的 TWDM 信道对组成 (每对波长对包含一个下行和一个上行波长信道 )， 每信道的上行和下行线路速率分为基本速率和 2 个选项 ，详见下表 ： 下行 /上行 Gbit/s 基本速率 9.95328 / 2.48832 option 1 9.95328 / 9.95328 option 2 2.48832 / 2.48832 无源光纤距离至少 40km，最大差分距离为 40km，最大支持 1:256 分支比。 NG-PON2 需要在速率、距离和分支比之间支持灵活性的分配支持不同的应用，包括： 下行 40Gbit/s 速率， 20km 距离和至少 1:64 split； 上行 10Gbit/s 速率， 20km 距离和至少 1:64 split。 还可能包括：