光接入网实用技术(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:吴承英 吴航 张志强

出版社:人民邮电出版社有限公司

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光接入网实用技术

光接入网实用技术试读:

前言

当今通信网络正在向“互联网+”演进,目前网络基本具备语音、视频、数据、IPTV(交互式网络电视)承载功能。4G和FTTH接入网商业应用发展迅猛,5G技术已经起步,物联网从2014年起步到2018年进入快速发展期。2017年,天津市联通光接入网FTTH(光纤到户)用户端口带宽达到200Mbit/s,2017年年底,中国4.9亿互联网用户中[1]光纤接入用户占88.9%,光纤用户4.3561亿户。我国互联网用户、宽带接入用户规模位居全球第一。10G xPON已经广泛用于光接入网,实现了即插即用的自动开通模式。5G基站数据前传的带宽需求为100Gbit/s。密集波分复用(DWDM)技术将在光接入网汇聚层和5G基站数据接入网络中得到大量应用,对光谱特性(波长)和接入网汇聚层的带宽需求迅速增长,为了降低成本、提高带宽,DWDM技术必然会从长途传输网和本地骨干城域网向接入网汇聚层网络演进。所以DWDM技术的广泛应用决定了光谱测试技术的趋势。NFV(网络功能虚拟化)和vCPE(虚拟CPE)技术的发展将引入开源概念、弹性网络和云原生(Cloud Native),未来通信网发展将从硬件网络向SDN(软件定义网络)和NFV转换,引入云原生、弹性资源配置、微服务技术,提供快速开通业务和灵活的客户服务。

正如唐代诗人刘禹锡的《乌衣巷》中所述“旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家”。随着带宽需求和技术水平的提高,应用于长途传输网和骨干城域网的DWDM技术逐渐向汇聚接入层和用户层演进。NG-PON2和云原生这样的技术也将飞入寻常百姓家了,随之而来的是安装、维护人员的水平需要提高。

在通信系统中,信令和协议是通信系统的控制系统,上述所有技术的发展实际上是信令和协议的演进。本书以信令和协议为主线,通过介绍当代通信的网元、终端、信令、组网技术使读者了解当代网络技术知识。所谓纲举目张,信令和协议就是“纲”,通信系统和通信网就是“目”。本书区别于竖井式方法介绍技术原理的思路,采用横向方式从通信系统的角度介绍信令和协议,了解光接入网系统、测试技术、后台支撑技术。通信分为多个专业,通信管理和研发设备制造需要按专业分工,作为研发工程师,对于本专业进行竖井式挖掘是必要的,但作为网络通信系统工程师,从事安装、测试、集成、维护工作是必要的。应用开发工程师需要了解各专业知识才能实现最优组网和胜任通信网络工程、维护工作,真正实现一专多能。光接入网涉及光学原理、WDM(波分复用)、DWDM、数据专业、语音通信、IPTV、计算机、传输多种专业。本书介绍的技术是以目前国内通信网络在线运行的技术为主,同时介绍后台支撑技术、光纤测试技术、光接入网故障检测和处理技术以及NFV和vCPE技术发展演进测试、POC情况、下一代NG-PON1应用和NG-PON2(WDM-PON、TWDM-PON、TDM-PON)发展趋势。

同时笔者于2010年在天津联通利用现网设备组建了网络实验室,多年参与通信网络的组网、测试试验、建设、维护工作,提炼出相关工作经验,向读者介绍关键光传输网络技术和原理。2010年开始在天津联通建立了第一个省级公司的网络实验室,进行光接入网的入围测试,2015年,联通集团xPON解耦合测试在天津网络实验室进行测试。解耦合项目获得中国联通集团科技进步一等奖,并成功地应用于中国联通各分公司。目前,该实验室已经发展为4G、传输IPRAN、xPON、城域网设备的多功能网络实验室,为通信事业发展做出了贡献。该实验室xPON测试项目于2012年获得中国通信学会科技进步三等奖和中国联通2012年科技进步一等奖。实验室的测试项目获得国家发明专利两项,一项正在申请中,在国内一级期刊发表数十篇论文。解决在工程维护中遇到的技术问题,为培训员工和技术竞赛等提供网络环境。

本书以“文章合为时而著,歌诗合为事而作”(白居易《与元九书》)的风格来写作,面对现网业务需求,把握当代技术的发展脉搏,使初学者尽快融入现代通信网络,科学地进行相关研究总结,引用现场和实验室测试报告和相关论文及国标和企业标准与研究报告作为本书的参考,其中,主要介绍测试和实用技术。本书针对信令和协议发展中相关因素进行系统研究。本书是笔者通信职业的经验总结,历时两年,主要反映近些年科技发展现状,主要涉及光接入网、IPTV、FTTX(光纤接入)、4K电视、视频通信、IMS核心网、NFV、4G无线数据通信网、接入网、5G、物联网等多方面的内容。本书可以帮助读者尽快掌握协议的相关知识,胜任工程、研发、维护工作,尽量避免理论推导,以介绍实用技术为宗旨,介绍测试技术和故障处理方法,授读者以渔,达到“知行合一”的目的。

当代通信发展对于智慧城市市民、交通、能源、商业、通信、水和土地资源等关键资源管理需求有以下几点。

客户端:FTTH、高带宽、多业务(VoLTE、智慧家庭业务、绿网等)、视频通信、OTT、4K高清电视(50~100M)、VR(4K电视的10倍带宽)、企业客户业务(企业专网、企业网关等)。

电信网络:主要为4G、5G基站信号回传,5G无线接入以GE(吉比特以太网)计算,所以基站回传业务刺激了NG-PON2的发展,然而NG-PON2仍处于柳暗花明的阶段。

本书在创新方面做了如下介绍。

上述需求有对现有介绍光接入网的通信协议中的创新技术方法,例如,MPCP(多点控制协议)注册使用定时器创新方法、EPON(以太无源光网络)中LOID创新、H.248协议数据采集分析、数图定时器分析等创新的方法。基于H.248协议的相关发明专利的创新方法,在实际应用中可以解决很多疑难问题,提高技术人员的创新能力。

本书技术新颖,在介绍G/EPON的同时介绍NG-PON1(10G xEPON)技术和NG-PON2下一代PON演进技术和5G回传应用。本书介绍NFV和虚拟CPE技术,涉及未来云原生等技术发展。

本书知识架构创新,以电信业务为主线介绍电信网络中各专业的技术,使读者更深更广地掌握电信网络知识。

中国建成世界最大的接入网,应用的设备和服务人口也最多,应用的需求最大。随着时间的推移,光纤老化、传输速率不断提高(目前已达10Gbit/s,2020年会达到100Gbit/s)等问题和维护量越来越多,提高一线维护人员和后台支撑人员的技术水平非常重要。本书就此问题介绍通信网络现状以及提出解决问题的方法,同时介绍通信网络的演进方向。本书由浅入深,按照从终端到承载网,最后到核心网络设备的顺序进行介绍,通过描述客户端与核心网、网络之间的信令、协议,了解网络的工作原理和控制过程。本书通过讲述网络测试方法使读者加深对网络的了解,提高创新、研发、工程设计、维护能力,达到学以致用的目的。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)、[1]分光器(ODN)和光连接器构成,如图1-1所示。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)。[5]

2016年三大电信运营商PON设备采购情况见表1-1。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[1]定。1G EPON和10G EPON的技术参数对比参见表1-2。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[2]WDM方式,只能采用双速率TDMA方式。(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[3]格与1G FPON光模块对比(以OLT为例),从图1-2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。[3]

如图1-3所示,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。[4]

中国联通GPON技术规范采用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。[6](1)TDM PON演进方案:在2014年被FSAN组织已经放弃了。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[7]准G.hsp.ComTC。

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。1.2 光接入网技术在通信协议架构中的位置1.2.1 通信协议定义和特性

在通信系统中,信令(Signal)和协议(Protocol)是通信系统的控制系统,上述所有技术发展实际上是信令和协议的演进。本书以信令和协议为主线,通过介绍当代通信的网元、终端、信令、组网技术使读者了解当代网络技术知识,提高技术水平。所谓纲举目张,信令和协议就是“纲”,通信系统和通信网就是“目”。

通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式,信息单元应该包含的信息与含义,连接方式,信息发送和接收的时序、定时,从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。

通信协议的特点:层次性、可靠性和有效性。

通信协议的3个要素:

语法:如何通信,包括数据的格式、编码和信号等级(电平的高低)等。

语义:通信内容,包括数据内容、含义以及控制信息等。

定时规则(时序):何时通信,明确通信的顺序、速率匹配和排序。1.2.2 通信协议架构

通信协议按照OSI 7层架构分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。通信协议的结构如图1-4所示。图1-4 通信协议的结构

通信协议分层是为了便于理解和功能描述、灵活地应用适配各种需求、便于软硬件设计的功能实现,功能的后期维护、测试。协议设置了在不同的层级,数据通过不同层级进行功能处理,例如,IP数据分组通过不同层级在静荷中加不同的头部(标签)。数据在任何层级出现问题都可以回朔、定位。

应用层。应用层提供应用进程OSI环境的手段,负责管理和执行应用程序。应用层服务代表性协议主要有DHCPv4、DHCPv6、RADIUS、DIAMETER、HTTPS、HTTP、NTP、SNMP、POP3、IMAP、SMTP、SIP、H.248等,如表1-3所示。表1-3 应用层服务协议举例

Socket处于第7层(应用层),建立通信管道,实现以上通信过程,是客户端和服务器端的一个通信进程,双方进程通过Socket进行通信,而通信的规则采用指定的协议。Socket只是一种连接模式,不是协议,TCP、UDP是两个最基本的协议,很多其他协议都是基于这两个协议。例如,HTTP就是基于TCP的,用Socket可以创建TCP连接,也可以创建UDP连接,这意味着,用Socket可以创建任何协议的连接,因为其他协议都基于此。

表示层。把应用层的数据表示出来,由各协议解释。表示层在两个通信应用层协议实体之间负责数据的表示语法,目的在于解决格式和数据表示的差别。本层执行通用数据交换功能、提供标准应用接口以及公共通信服务。

会话层。会话层在两个应用层实体之间建立一次连接,称为会话。它负责组织和同步它们的会话并为管理它们的数据交换提供必要的手段,用于主机之间通信。如SS NO.7、H.264、MPEG4、LDAP(轻量级目录访问协议)。

传输层。传输层为端到端的连接,端口代表上层应用程序。如TCP、UDP、传送适配层协议(TALI)。

网络层。逻辑地址,选择最佳地址和网络路径。网络层在通信子网中传输信息分组或报文分组,向传输层提供信息分组传输服务,传输实体无须知道任何数据传输和用于连接系统的交换技术。网络层服务负责建立、保持和终止通过中间设备的连接,负责路径选择和拥挤控制功能。路由协议有中间系统到中间系统协议(IS-IS)、距离向量路由协议(RIP)、IPv6距离向量路由协议(RIPng)、开放最短路径优先(OSPF)、虚拟路由冗余协议(VRRP)、热备份路由协议(HSRP)、边界网关协议(BGP)、外部网关路由协议(EGP)、资源预留协议(RSVP);网络层还有IP、多播管理协议(ICMP)、地址解析协议(ARP)/反向地址解析协议(RARP)、BOOTP、多协议标签交换(MPLS)等。在光线路单元OLT上支持部分3层协议,支持3层组网及ICMP。

数据链路层。数据链路层在物理层提供的比特流基础上,建立相邻节点之间的数据链路,传送按一定格式组织起来的位组合,即数据帧。本层为网络层提供可靠的信息传送机制,将数据组成适于正确传输的帧形式,主要协议有VPN二层通道协议(L2TP)、L2F(二层转发)协议、点对点隧道协议(PPTP);EPON的数据链路层的多点控制协议(MPCP)、媒体访问控制(MAC)协议、GTC层协议(GPON)、10G EPON的数据链路层的MPCP、MAC。

OLT和ONU支持QinQ二层VLAN。ONU支持PPPoE协议、H.248、SIP、DHCP。

物理层。接口类型,电器类型。物理层包括设备之间物理连接的接口和用户设备与网络端设备之间数据传输规则。物理层的4个特性:机械特性、电气特性、功能特性和过程特性,主要用来传输由第二层(L2)封装以后的比特流。

目前,广泛应用的主要协议有802.3ae(10G光纤接口)、EPON 802.3ah(EPON接口)、中国EPON2.0接口。物理层为调和RS子层和PCS(物理编码)子层/物理媒质附加(PMA)。

IEEE 802.3av 10G EPON协议是EPON 802.3ah的扩展。GPON技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光,物理层为物理媒质相关(PMD)层。

G.fast协议是国际电信联盟(国际电联)的一个标准化建议。该技术可在长度小于250m的铜线上达到光纤上的速率,即超过1Gbit/s。相比光纤到户,它还有成本上的优势。双绞线可达1Gbit/s传输速率。

Xdsl技术:ADSL、VDSL双绞线数据传输技术。

WLAN:无线接入802.11g、802.11a、802.11b、802.11n协议。

蓝牙接入:802.15协议。

3G:通信WCDMA、CDMA2000。

4G:FDD-LTE、TDD-LTE无线接入部分(空口)。

5G:NB-IoT、eMTC物联网。

5G:5G NR宽带无线接入部分(空口协议NR),基于OFDM的全新空口设计的全球性5G标准。1.3 通信信令和协议的区别与关系

综上所述,信令是早期ITU-T编制的一种通信协议,采用14位和24位点码确定通信双方,基本限于语音通信领域。随着计算机和通信网络技术融合和互联网技术发展以及网络IP化,计算机网络的通信协议广泛应用于通信领域。传输层中ATM、SDH技术被IP技术替代了,应用层起源于计算机通信网络的SIP协议得到广泛的应用。从30年前提出的计算机和通信这两个领域到2018已经得到了充分融合,传输带宽和设备制造、维护成本大大降低了。1.3.1 通信信令和协议的区别

信令和协议起源不同但殊途同归。

1.协议

协议是两个以上实体为了相互通信,预先达成的规则,它是针对某一层的协议。应用于同等层之间的实体通信,通信规则的集合是该层协议,例如,OSI架构下,物理层协议、传输层协议、应用层协议等起源于计算机网络通信。以IP地址等唯一标识通信实体,各层协议可以根据组合应用于本层之间,该协议最大优点是在网络层采用IP协议族,通过分组交换传送数据,由于实现分组交换相对简单容易,有效降低了维护、制造成本,提高了数据传输速度并成倍地提高了数据带宽。网络层的IP协议族是网络IP化的基础,如图1-5所示。图1-5 协议族与IP的架构关系

图1-5中物理层为ATM、SDH、以太网络;链路层为PPP、AAL3/4、AAL5。AAL(ATM适配层):标准协议的一个集合,用于适配用户业务。AAL分为会聚子层(CS)和拆装子层(SCR)。AAL有4种协议类型:AAL1、AAL2、AAL3/AAL4和AAL5,分别支持各种AAL业务类型。

网络传输层为IP协议,传输层为TCP、UDP,应用层为H.248、SIP、H.263、H.264等协议。

媒体传输层采用PCM编码或各种压缩编码的语音、视频、多媒体信号经RTP封装后再经过UDP用户数据报协议封装,占用偶数端口(2n),在IP网上传送。RTCP实时传输控制协议,为应用程序提供会话质量或广播性能质量的信息、确定RTP用户源、传输最小进程控制信息,占用比RTP大1的奇数端口(2n+1)。RTCP检测传送的QoS。RSVP用于资源预留,保证传送的QoS,SIP协议基于文本,结构灵活,易于扩展;低层传输协议可用TCP或UDP,推荐首选UDP。

2.信令

信令是网络中传输的各种信号,其中,一部分是原始数据信号,例如,语音、上网的数据;另一部分是控制电路的控制信号,控制类型的信号被称为信令,信令在信令网上传输。信令最早应用于通信电话(移动、固定)网络。通信实体通过电话号码、信令点码唯一标识通信双方。信令是早期计算机在通信业应用的产物。对应于OSI 7层架构,No.7信令系统采用不同的××应用部分与各层进行对应(IUP、ISUP),参见表1-3,各应用部分独立于各层,因为No.7系统的私有性质,所以其无法独立于各层。最大的缺点是在网络层没有进行数据分组化,所以在IP化进程中,No.7信令系统又增加了信令传输协议(SIGTRAN,Signaling Transport),协议栈支持通过IP网络传输传统电路交换网(SCN,Switched Circuit Network)信令。这些措施仅仅是IP化后,No.7信令系统与IP的对接和对现有设备的后向兼容,随着SIP功能完善与发展,已逐渐被SIP替代。1.3.2 协议和信令的演进结果IP化导致融合异途同归

计算机应用于通信领域,从编解码和计算向控制发展,20世纪80年代初,TDM程控交换机实现了大规模商用。此时以No.7为代表的信令系统得到了大规模应用。21世纪初,核心网软交换技术出现,核心网采用集中控制的大容量网关和软交换替代分散控制的程控交换机,采用H.248协议通过IP技术接入电信语音业务。软交换技术的发展与接入网光纤化的发展密切相关,光纤接入用户必须采用IP语音技术接入,促进了核心网、传输网、接入网IP化进程。软交换使用的H.248协议只能满足语音接入。

软交换的局限性。IP语音业务采用H.248,无法提供视频业务;移动和固定电话核心网融合能力欠佳;软交换SIP协议不支持拍叉簧、反极性、安全认证等功能,限制了SIP大规模应用。

2008年,互联网多媒体子系统(IMS)通过采用SIP提供语音和视频业务及多媒体业务,从架构上IMS充分考虑了全国IP组网、固定电话、移动电话的融合需求,同时可以为3G、4G提供语音接入,即VoLTE,有效降低了移动网络切换电话时延,真正实现了IP化。SIP针对IMS做了多项功能改进和扩展。例如,适配ISUP、多媒体、多方通话、拍叉簧、反极性、安全认证等功能。由于SIP协议的可扩展性,该协议得到了广泛应用。1.3.3 针对通信网络架构的发展需求,信令和协议对比分析

综上所述,从通信网络架构发展对信令和协议的差别分析如表1-4所示。表1-4 信令和协议对比分析

从表1-4可知,信令是通信网的早期规则,由于信令采用各应用部分对应于OSI分层,初始设计没有考虑到IP分组交换承载,无法适应IP演进,为了保护投资和与网上大量运行的No.7系统对接,后续编制了SIGTRAN协议提供No.7与SIP对接和互通。SIP是当今移动、固定、多媒体业务广泛应用的协议,这里所提到的SIP起源于原始计算机通信,但是在安全性、个性化、多媒体业务,兼容现网业务应用改进后的SIP。SIP最大优点是文本化,容易根据需要扩充。

信令系统中实体之间通信引入了信令点编码来唯一标识通信局端(网络端)双方,用电话号码(移动、固定、区号、国家号)唯一标识用户。

协议在实体之间通信引入了IP地址、E.164号码映射、MAC地址、IMSI等多元数据来唯一标识通信双方的通信网络接口、用户接口。丰富了用户描述参数,用户参数扩展为移动和固定电话固有参数和业务属性。

SIP的设计思想是把协议的基本功能和扩展功能分开,基本功能提供SIP的基础业务,简单稳定。扩展功能适用于增值业务,扩展SIP不能改变原有的方法和语义,必须保持会话建立过程和会话描述之间的独立性。1.4 光接入技术在智慧城市通信网络应用简介

智慧城市以互联网、物联网、电信网、广电网、无线宽带网等网络为基础,是继工业化、电气化、信息化之后,世界科技革命又一次新的突破。利用智慧技术建设智慧城市,是当今世界城市发展的趋势和特征。利用物联网传感器把市民、交通、能源、商业、通信、水和土地资源等需求数据收集到客户端,客户端通过接入网接入到城域网(互联网),各项应用的云平台或服务器平台通过互联网接收客户端数据,并通过互联网控制客户端。该建设对城市的活动产生的各种需求做出智能响应,使城市具备感知、反应、服务和辅助城市管理功能。1.4.1 智慧城市数据流向简介

智慧城市决策的架构如图1-6所示,首先从接入层收集终端信息,然后上传到城域网。语音信息上传到电信级专网,通过智慧城市平台判断下发决策指令。智慧城市平台是市民、交通、能源、商业、通信、水和土地资源等需求的应用平台。物联网传感器数据通过移动通信(2G、3G、4G、5G、NB-IoT、eMTC技术)终端接入基站,通过无线接入数据汇聚层网络接入城域网(互联网)汇入智慧城市平台。此为上行数据流,物联网的特点是上行数据流大于下行数据流,对于一般互联网,下行数据流大于上行数据流。智慧城市平台对终端下发指令或下发数据称为下行数据流,该数据流通过城域网到接入网再下发到物联网传感器控制服务器。图1-6 智慧城市通信网络结构

生活中的案例介绍。以目前市场上销售的空调的远程控制功能为例解释数据流动情况,空调机通过Wi-Fi接入用户家庭的无线局域网,该局域网通过FTTH的ONU接入网和城域网。空调厂商的智能空调云服务器接入城域网。安装空调时,空调的智能Wi-Fi终端接入家庭Wi-Fi网络中,并通过图1-6上下行数据流完成终端在云服务器的认证和注册,一般每一个智能终端会分配唯一的MAC地址。利用3G/4G智能手机下载App实现空调远程遥控功能,在用户手机中下载、安装智能终端控制软件,通过App输入信息到空调云进行认证,并添加控制的空调,一般可控制1~8台空调,可提供温度、风量、定时、开关等控制功能。

物联网采用NB-IoT技术覆盖停车场、电表、气表、电缆井监测,环境(水、大气、土壤)监测通过上行数据流收集物联网传感器信息,使用LTE、5G高速率技术实现视频实时监控,满足智慧城市安全的需求。1.4.2 电信运营商语音视频数据流向简介

电信运营商固定电话、移动电话、IPTV、视频通话、数据业务数据流如图1-6所示。从图1-6中可知,上述业务依靠全IP化传输。

1.电信运营商固定电话业务

电信运营商固定电话通过软交换(SS)和互联网子系统(IMS)实现语音和视频数据交换,ONU通过RJ-11接口接入电话机。采用H.248协议提供语音业务,采用会话初始化协议(SIP)提供语音和视频业务。为了保证提供电信级的语音业务,语音数据通过ONU接入光接入数据汇聚层网络,进入电信专网接入SS或IMS。为了保证核心网络安全,引入边缘会话控制器电信(SBC)对网络进行隔离。

2.电信运营商移动电话语音业务

移动用户终端(手机)通过2G/3G/4G、5G无线信号就近接入基站,基站通过光纤构成的专用无线接入数据汇聚层网络接入电信级专网,接入SS和IMS,实现语音数据交换。

3.固定网络数据业务流向

固定网络数据业务通过接入网连入城域网,实现上网业务、IPTV业务和互联网视频(OTT)业务。为了保证IPTV业务和互联网视频业务在城域网采取质量保证技术,确保IPTV业务带宽和低时延需求。IPTV业务标清需要4M带宽、高清需要8M带宽、4K需要30M带宽。

4.移动网络数据业务

移动网络数据业务通过无线接入数据汇聚层网络连入城域网,实现上网业务、IPTV业务、视频通信业务。视频通信业务手机链接入无线基站,然后接入无线网,再接入城域网,从城域网经过SBC接入核心网中无线SS/IMS。

5.SIP视频业务

SIP视频业务可通过视频话机、手机、IPTV智能机顶盒接入ONU,接入ONU可采用Wi-Fi方式或RJ-45网口;通过光接入数据汇聚层网络接入城域网;通过SBC安全接入IMS实现视频通信业务;并可以通过IPTV智能机顶盒在TV和手机实现视频通信。1.4.3 智慧城市对通信网络的需求分析

智慧城市市民、交通、能源、商业、通信、水和土地资源等关键资源管理的需求,对网络的要求主要为高用户容量、低时延和高带宽接入以及网络多业务融合需求、网络自身演进的需求。上述需求对现有通信网络提出了挑战,必须解决这些问题才能满足智慧城市的需求。本书就此问题介绍通信网络现状以及解决问题的方法,同时介绍通信网络演进方向。本书将由浅入深,按照从终端到承载网,最后到核心网络设备的顺序进行介绍,通过描述客户端与核心之间、网络之间的信令、协议,了解网络的工作原理和控制过程。通过讲述网络测试方法使读者可以通过实践加深对网络的了解,提高创新、研发、工程设计、维护能力,达到学以致用的目的。

1.需求分析

用户容量需求是由于物联网、三网合一的引入造成用户终端从一家一户到个人再到物(机器)产生用户的爆炸式增长。这要求网络可以同时接收海量用户的访问,物联网海量接入(M-IoT)需求通过NB-IoT和eMTC技术来实现。

针对上述需求,每个入网终端需要IP地址,现有的IPv4地址将会用尽,只能采用IPv6地址。从而引出了网上地址分配、IPv4和IPv6地址兼容问题。

低时延需求。目前,城域网时延较大,浏览网页一般要求不高。

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