英语原文共 18 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
对10GPON迁移来说的挑战和机遇
作者（S）：汉斯Mickelsson; 埃纳尔在德Betou; 比约恩Skubic; 斯特凡Dahlfort
单位：爱立信研究院，爱立信实验室，Fauml;rouml;gatan 6，SE-164 80 斯德哥尔摩，瑞典;
摘要
从GPON到10GPON迁移不同的技术挑战进行了讨论，也投入标准化方面。挑战包括如何处理通过使用突发模式接收机和DBA算法来增加上行容量。扩展范围和波长规划的未来光纤基础设施。最后对10GPON标准化路线图进行了讨论。
关键字：网络、光纤通信、无源光网络、突发模式接收机
- 介绍
如文件共享、高清视频、游戏等媒介消费驱动了带宽需求的不断增加，也就需要网络能够提供更多的用户接入并且要求更好的传送网。宽带的大规模推广依赖于GPON和点对点技术等技术,这些不同的技术在不同市场和不同类型的客户方面有不同的据点应用。另外爆炸式增长的移动宽带,主要服务于互联网用户,还因为要服务无线电基站所以需要高容量数据回程的链接,在未来LTE技术时代的基站需要能够处理吉比特字节数据的能力。对于大部分情形来说，光纤是最自然的选择，虽然VDSL2和微波链路有他们各自的应用领域，VDSL2主要用于室内业务或者短环回，而微波链路大规模应用于不使用线路连接而是基站连接的农村地区。这种演变就是典型的被称为深化的光纤接入（如图1所示），光纤在网络中的地位越来越重要，使用DSLAM设备以数据回程为基础由光纤作为介质提供服务，例如GPON，光纤与终端用户的距离更近了。对于新建网络或者扩建网络的场景来说，光纤入户的场景是最自然的选择，由街道边柜这些中介站点为终端用户提供服务，使用VSDL2接入技术，这是最佳的最方便的接入优良质量网络的技术。
图1 转换到深入的光纤接入技术示意图
GPON接入技术作为一个通用的访问方法为住宅用户提供服务（FTTH），还可以为公寓用户提供服务（即FTTB），还有街道网络柜（即FTTC）或者无线电基站（FTTN）提供服务。然而，预期的流量增长将要超过目前的32到64个用户分享网络，且带宽要求更大的带宽超过2.5Gpbs速率的带宽，所以10GPON网络解决方案研究的工作已经展开。本文将要讨论从2.5G升级到10G遇到的关键的挑战，延伸和上传数据能力的变化。
- 能力
10G的无源光网络呈现为非低速率的无源光网络会存在很多技术挑战，最主要的挑战就是网络的上传能力。10GPON网络的下载速率能够达到10G比特每秒，这是四倍于GPON网络的下载速率的，而这可以由速率达到10G比特每秒激光发射器轻松实现。伴随着下载能力的提高，上传能力也应该提高，为了避免将来的网络融合中出现过度的能力不对称。然而，在上传方向的突发模式传输被证实为是一个挑战。挑战在于设计一个有成本效益的具有几十秒而不是成千上万的响应时间的接收器作为例如SDH接收器的标准。通常认为2.5G比特每秒的上传速率在成本效率和按照规定将来网络接入技术要求的上传能力上已经达到了很好的平衡。
-
- 突发模式接收机
在上传方向，不同光网络终端（后文用ONT代替）的成组数据在到达光线路终端（后文用OLT代替）的时候会由于ONU与ONT之间的光纤的线路损耗不同导致他们的光功率不同。还有从不同方向传输过来的数据信号的相位也不同。为了允许OLT调整功率和相位，每一组数据都具有固定的开头：典型的例如：“101010...”这样的。在接受不同组数据之间如果没有上传信号的话，会有一小段的保护时间。这个开头和保护时间合起来被称作突发开销。为了使上传信道尽可能的有效率，突发开销占用的比例越小越好（如图2 所示）。500到1000字节之间的平均上传突发的数据表明，使用200到300比特的上传突发开销是可以使上传信道的效率保持在90%以上的。
图2 10GPON 各种上传开销情况下的上传效率图
突发模式接收机（BMR）由三部分构成，一个光电二极管，作为特色的是雪崩光电二极管（APD），一个跨阻抗放大器（TIA）和一个受限放大器（LIA）。一个精心挑选的APD在2.5G的情况下不会发生问题。最基础的突发模式接收机由交流耦合TIA或者LIA构成。在SONET/SDH系统中应用到的现成的集成电路就可以在这里使用。交流耦合电路去除了输入信号中的直流成分，然后通过幅度与0V的比较进行抽样判决来提取01信号。这种处理方法的一个问题就是当一个功率强的信号比一个功率弱的信号先要到达时，交流耦合电路需要放电才能检测到弱信号。因此需要一长段的开销。另一个问题是如果交流耦合电路的时间常数被做的很短，当有很长的连续的数据流是同样的信号时，还没有判决完毕，电容便会开始放电。此外，必须保证避免直流漂移问题。即使附加电路可以加快突发模式的电容放电速度，线路编码也需要8B或10B，或者使用长的突发模式开销。
为了避免这些问题，专用的直流耦合的TIA或者LIA芯片必须被使用。在直流耦合BMR中，临界值需要在接收OLT端信号之前调整。这是通过测量振幅为1和0位来实现的,这一过程通常被称为阈值提取。通常，阈值放置在所接收到的1和0位之间的中间水平。如果使用的APD，阈值应略设置比中间低（〜40-45％）。阈值提取过程是由来自OLT MAC芯片的复位信号使能。在OLT MAC具有当一个脉冲串传输是期望的，因为它的时间表在上传方向启动精确的定时信息。为了实现，复位信号应在BMR前直接或前导码期间到达。阈值提取机制存在各种实施方案。通常情况下，从长到短的时间常数，是通过复位信号控制的开关，来设置所述阈值电路的时间常数。短的时间常数是必要的，以便快速阈值提取。当复位信号被禁用，长的时间常数可以确保阈值保持恒定，即使长期运行在数据流中的数字（CID）是相同的。直流耦合BMR不需要线路编码，可以采用这样加扰的NRZ编码。直流耦合突发模式接收机已经成功在GPON系统中使用，它们似乎被青睐使用于10GPON。
由于10GPON系统是同步的，所以ONT是频率锁定到OLT的，但在OLT需要调整到传入脉冲串信号的相位。专为SONET / SDH系统设计的CDR设备通常并不适合为PON应用，因为他们的时间常数很长。要实现锁定时间在几十比特的话，可以使用过采样突发模式的CDR。无论信号在一个时钟速率比所述比特率，或提高5-8倍采样都是可以得到的。过取样电路后有一个模式检测器，用于对于数据流中的转换。相位选择电路选取最接近的数据的中间阶段（换言之，从数据的边缘过渡最远）。相位选择电路需要通过来自OLT MAC重置信号的前导码期间被激活。在2.5 Gbit / s的速率，过采样突发模式的CDR提供了一种直截了当的解决方案，以允许在OLT相位调整。
相比于连续模式接收器，突发模式接收器配备了一个突发模式判罚。在一个直流耦合BMR，在低光功率电平的阈值提取被噪音影响。因为阈值可能在这种情况下，非理想级别设置，有一个突发模式的判罚。对于过采样突发模式的CDR，采样是在一般在数据眼的中间理想点不这样做得。因此，人们需要相比连续模式接收器和CDR，预算出3-5 dB的灵敏度损失。除了突发模式判罚，还有从1.25 Gbit / s的（GPON）将2.5 Gbit / s的（10GPON）时3dB的灵敏度损失。以允许ge;29分贝的链路预算，OLT接收灵敏度需要在-29到 -31 dBm之间。由此里德 - 所罗门前向纠错（FEC）是必需的。
为了允许高效率的上传10GPON，NRZ码加扰编码应当被采用。此外，使用直流耦合的突发模式接收机会允许短脉冲的开销，以进一步促进上游的效率。由于今天的GPON系统重用技术，将有成本和性能之间的良好平衡。
2.2动态带宽分配
第二个挑战是动态带宽分配（DBA），这将是更重要的，由于较高的下行/上行的不对称以及潜在的更高的分流比为10GPON比GPON这将需要更有效地使用上行带宽。在一般的增加比特率将改变DBA的操作条件。增加的比特率的直接效果是每125微秒GPON传输汇聚（GTC）帧的增加有效负载大小。在从1.25至2.5 Gbps的上行速率的增加意味着有效载荷大小加倍。对于DBA的主要问题是在OLT与ONT通讯所使用的DBA相关的消息，开销和突发的以太网帧碎片。
为了协助DBA，对于OLT到ONT通信的特定通信的消息已被集成在GPON框架中。状态报告（SR）用于由ONT的通信缓冲器占用信息到OLT，和上行带宽映射（BW映射）指定为在一个特定的上行GTC帧的ONT的传输调度在每个下行GTC帧的报头被广播发送。有关DBA消息的效率损失与OLT的DBA预定逻辑队列数量成正比。对于一些PON标准，如EPON的DBA消息的大尺寸本作造成更分散的分层调度算法开发高效DBA2实施的障碍。这不是在GPON的情况下，由于这些消息字段的可忽略的大小。上传速率加倍到2.5G，而SR和BW映射字段的尺寸可以保持不变的（字节单位）。在上传速率进一步增加将要求的字段，以便扩展到能够完全引用较大GTC有效载荷和缓冲区的大小。因此，假设的DBA消息的大小保持相同（字节）为10GPON并且DBA周期仍然以时间为单位的同一，关系到DBA消息的开销将实际上可以由于减少到增加上行速率。因此，即使逻辑队列在10GPON系统潜在的数量增加，涉及到DBA信息的开销不会提供任何实质性的效率损失。
对于DBA一个更严重的问题是，由通过选择用于上行突发模式技术定义的保护时间和前导突发所构成的开销的大小。相关的效率损失与突发开销采用的ONT的数量有关。假定为10GPON，突发开销相对于GPON没有变化。然而，随着分流比的增大，引入更多的ONT的PON中，将有开销脉冲串相关的PON效率（如图3所示）的减少。在DBA算法中可构造成补偿和通过更仔细的调度来解决这种减少带来的问题。
在迈向更高比特率的TDM-PON发展中的另一个问题是，以太网帧碎片是否应该支持与否。以太网帧碎片化的好处是避免效率损失是由于未使用的插槽剩余物（USRs）。在不支持帧分片PON系统有在PON效率的损失，正是由于这一事实，即预定的时隙到逻辑队列时不会在队列匹配以太网帧的整数目。这意味着分配给逻辑队列的时隙不能被充分利用。这个问题首先出现在高负荷的PON队列被授予比要求更少的带宽时。然而，在高负荷情况下，该DBA算法的效率变得至关重要。该USR大小是相关的以太网帧的大小，在与0和1518字节之间。平均USR值取决于以太网帧大小分布。流量测量结果表明，网络流量的大部分可以是最小尺寸以太网帧或最大尺寸的以太网帧.利用基于50％的最低大小的帧和50％的最大尺寸的帧的模型中，平均USR等于730个字节。这个平均惩罚被添加到每一个非保证（NA）传输或尽力而为（BE）的队列，未授予全带宽的要求。在带宽需求预测系统的预测的惩罚被添加到每个队列。对于一个典型的GPON系统，具有32的ONT和两个BE或NA，每个队列，具有1每毫秒的平均突发率，效率降低的USR为15％，假设所有队列都是活动的。然而，具有增加的上行速率，假设其他都相同的，效率损失是由相同的因子减小的速率增加。增加的分流比将另一方面通过如增加的分流比的相同的因子提高效率惩罚。总之用增加的上行速率将被增加的分流比平衡掉，导致相同的折衷情形中的USR和帧分片为10GPON作为用于GPON的条款。由于USR的效率损失必须放在对比的以太网帧中。在足够高的速率，帧碎片不再是合理的。然而，以目前的速度，清除以太网帧碎片降低协议效率会导致增加的DBA复杂性。为了减少USR处罚，DBA算法必须被构造成以较不频繁安排某些队列的形式。
图3 拆分和存在的以太网帧碎片相对于每10毫秒连发数（每个ONT）上传效率的比较。突发开销被假定为相等（以时间为单位），用于GPON和10GPON。
10G-PON通信的特点将会对DBA算法具有意义。两种方案已经讨论过了：10GPON用于聚集更多的用户到PON的或在它被用于增加带宽给每个用户。在一般聚合流量趋向于较少突发。在例如其中在所述ONT的逻辑队列的流量包含来自多个用户，用于确定队列的带宽需求可以更有效的预测方案合计流量的FTTB布置。具有更多的业务类型的用户的聚集也应该导致PON负荷的减少，自然而然的提高之前出现短时间堵塞的服务的NA和BE。
10GPON的增长发展还在进行，以便为运营商能够使用的PON中心局位点的数目可以减少。各种不同的方案都被讨论过。同被DBA影响的情形是，PON的协议是在一个较长的范围操作。较长的覆盖增加了系统的往返时间，延长必要的有效带宽分配在OLT-ONT通信的延迟。与由DBA处理逻辑队列的数目的增加增大的分流比也可能延长DBA计算时间。这种发展的结果是，使用现有的DBA技术，导致增加的DBA响应时间。这意味着，新类型的算法用于与多个预测元件长距离10GPON可能需要用于支撑延迟和抖动敏感的服务。
- 网络规划升级到10GPON
3.1网络规划
光纤基础设施的部署代表了巨大的投资，并且该基础设施将用于今后多年，因此需要对分离器位置，路径，重要的是波长等进行精心策划。FSAN同意了波长共存的计划，两个GPON和10GPON系统用到的波长共存在同一光纤内。此外，它也分配用于RF-视频叠加的波长带也可用于其他类型的业务，例如回程蜂窝基站。通过与FSAN提出的计划波长符合光纤基础设施可以同时迎合GPON和10GPON。
增加路径或分光比可以通过引入范围扩展到网络来实现。更高的PON的容量和较长的覆盖可以用于覆盖较大的跨度和减少的中心局位点的数目。几个选项用于扩展覆盖范围存在，所有随链路的功率预算的目的。这些选项包括O-E-O型跨范围扩展，远程协议终止（RPT），或者使用光放大。他们各自具有不同的优点和缺点。
使用光放大，例如SOA（半导体光放大器）是可能的，但证明是昂贵的，因为需要每个方向一个放大器的。该RPT是GPON OLT的背板过光链路扩
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[153512]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
