PON技术原理

yunkaka

  第一章  PON技术原理

随着以太网技术在城域网中的普及以及宽带接入技术的发展，人们提出了速率高达 1 Gbit/s 以上的宽带 PON 技术，主要包括 EPON 和 GPON 技术：“E”是指 Ethernet，“G”是指吉比特级。

1987 年英国电信公司的研究人员最早提出了 PON 的概念。1995 年，全业务网络 联盟 FSAN(Full Service Access Network)成立，旨在共同定义一个通用的 PON 标 准。1998 年，国际电信联盟 ITU-T 工作组，以 155Mbps 的 ATM 技术为基础，发 布了 G.983 系列 APON(ATM PON)标准。这种标准目前在北美、日本和欧洲应用较多，在这些地区都有 APON 产品的实际应用。但在中国，ATM 本身的推广并不 顺利，所以 APON 在我国几乎没有什么应用。

2000 年底，一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟(EFMA)，提出基于以太 网的 PON 概念——EPON(Ethernet Passive Optical Network)。EFMA 还促成电气电 子工程师协会(IEEE)在 2001 年成立第一英里以太网(EFM)小组，开始正式研究包 括 1.25Gbit/s 的 EPON 在内的 EFM 相关标准。EPON 标准 IEEE  802.3ah 在 2004 年 6 月正式颁布。

2001 年底，FSAN 更新网页把 APON 更名为 BPON(Broadband PON)。实际上，在2001 年 1 月左右 EFMA 提出 EPON 概念的同时，FSAN 也已经开始了带宽在 1Gbps 以上的 PON，也就是 Gigabit PON 标准的研究。FSAN/ITU 推出 GPON 技术的最 大原因是由于网络 IP 化进程加速和 ATM 技术的逐步萎缩导致之前基于 ATM 技 术的 APON/BPON 技术在商用化和实用化方面严重受阻，迫切需要一种高传输速 率、适宜 IP 业务承载同时具有综合业务接入能力的光接入技术出现。在这样的背 景下，FSAN/ITU 以 APON 标准为基本框架，重新设计了新的物理层传输速率和 TC 层，推出了新的 GPON 技术和标准。2003 年 3 月 ITU-T 颁布了描述 GPON 总 体特性的 G.984.1 和 ODN 物理媒质相关(PMD)子层的 G.984.2GPON 标准，2004 年 3 月和 6 月发布了规范传输汇聚(TC)层的 G.984.3 和运行管理通信接口的 G.984.4 标准。

1.1 PON 组成

PON，Passive Optical Network，无源光网络。

如图 1.1-1，PON 由光线路终端（OLT）、光合／分路器（Spliter）和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构。OLT 放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。ONU 放置在用户侧，OLT 与 ONU 之间通 过无源光合／分路器连接。

    所谓无源，是指在 OLT(光线路终端)和 ONU(光网络单元)之间的 ODN (光分配网络)没有任何有源电子设备。

图 1.1-1    PON 组成结构

PON 使用波分复用（WDM）技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送。OLT 到 ONU/ONT 的方向为下行方向， 反之为上行方向。下行方向采用 1490nm，上行方向采用 1310nm。如图 1.1-2 。

图 1.1-2    PON 单纤双向传输原理

1.2 PON 拓扑

PON 系统的组网方式如下图 1.2-1。有树型拓扑、环型拓扑、总线型拓扑、树型干冗余拓扑等4种，其中最常见的是树形拓扑。其中最常见的是树形拓扑。

图 1.2-1    PON 拓扑

1.3 PON 优势

相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。PON 结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省大。

无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。

PON 系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。提供非常高的带宽。EPON 目前可以提供上下行对称的 1.25Gb/s 的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到 10Gb/s。GPON 则是高达 2.5Gb/s 的带宽。

服务范围大。PON 作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省 CO 的资源， 服务大量用户。用户共享局端设备和光纤的方式更是节省了用户投资。

带宽分配灵活，服务有保证。G/EPON 系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。可以实现用户级的 SLA。

1.4 EPON 上下行工作原理

如图 1.4-1，下行采用纯广播的方式：

1． OLT 为已注册的 ONU 分配 标示号；

2． 由各个 ONU 监测到达帧的标示号，以决定是否接收该帧；

3． 如果该帧所含的标示号和自己的标示号相同，则接收该帧；反之则丢弃。

图 1.4-1  EPON 下行工作原理

如图 1.4-2，上行采用时分多址接入（TDMA）技术：

1． OLT 接收数据前比较标示号注册列表；

2． 每个 ONU 在由局方设备统一分配的时隙中发送数据帧；

3． 分配的时隙补偿了各个 ONU 距离的差距，避免了各个 ONU 之间的碰撞。

图 1.4-2  EPON 下行工作原理

1.5 GPON与EPON的区别

EPON和GPON作为光网络接入的两个主力成员,各有千秋,互有竞争,互有补充,互有借鉴,下面在各个方面对它们作个比较:

l  速率

EPON 提供固定上下行1.25 Gbps,采用8b/10b线路编码,实际速率为1Gbps，GPON支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，下行2.5Gbps 或 1.25Gbps，上行1.25Gbps 或 622 Mbps，根据实际需求来决定上下行速率，选择相对应光模块,提高光器件速率价格比。

l  分路比

所谓分路比是指一个OLT端口(局端)带多少个ONU(用户端)，EPON 标准定义分路比1：32。 GPON标准定义分路比下列几种 1:32； 1:64；1:128。其实，技术上EPON系统也可以做到更高的分路比,如1：64，1:128，EPON的控制协议可以支持更多的ONU。 分路比主要是受光模块性能指标的限制,大的分路比会造成光模块成本大幅度上升; 另外,PON插入损 失15～18dB，大的分路比会降低传输距离; 过多的用户分享带宽也是大分路比的代价。

l  QOS

QOS (Quality of Service)即服务等级，EPON在MAC层Ethernet包头增加了64字节的MPCP多点控制协议（multipointcontrolprotocol），MPCP 通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP点到多点的拓扑结构,实现DBA动态带宽分配。MPCP涉 及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带 宽。MPCP提供了对P2MP拓扑架构的基本支持,但是协议中并没有对业务的优先级进行分类处理,所有 的业务随机的竞争着带宽

GPON则拥有更加完善的DBA,具有优秀QoS服务能力。 GPON将业务带宽分配方式分成4种类型，优 先级从高到低分别是固定带宽（Fixed）、保证带宽（Assured）、非保证带宽（Non-Assured）和尽力而 为带宽（BestEffort）. DBA又定义了业务容器（traffic container, T-CONT）作为上行流量调度单位, 每 个T-CONT由Alloc-ID标识。每个T-CONT可包含一个或多个GEM Port-ID. T-CONT分为5种业务类型， 不同类型的T-CONT具有不同的带宽分配方式，可以满足不同业务流对时延、抖动、丢包率等不同的 QoS要求。T-CONT类型1的特点是固定带宽固定时隙，对应固定带宽（Fixed）分配,适合对时延敏感 的业务，如话音业务；类型2的特点是固定带宽但时隙不确定，对应保证带宽（Assured）分配,适合对 抖动要求不高的固定带宽业务，如视频点播业务；类型3的特点是有最小带宽保证又能够动态共享富余带宽，并有最大带宽的约束，对应非保证带宽（Non-Assured）分配,适合于有服务保证要求而又突发流量较大的业务，如下载业务；类型4的特点是尽力而为（BestEffort），无带宽保证，适合于时延和抖动要求不高的业务，如WEB浏览业务；类型5是组合类型，在分配完保证和非保证带宽后，额外的带宽需求尽力而为进行分配。

l  OAM

OAM（Operation  Administration and Maintenance）即操作、管理和维护，EPON没有对OAM进行过多的考虑,只是简单的定义了对ONT远端故障指示、环回和链路监测。并且是可选支持.GPON在物理层定义了PLOAM（Physical Layer OAM）,高层定义了OMC（I ONT Management and Control Interface）,在多个层面进行OAM管理. PLOAM用于实现数据加密、状态检测、误码监视等功能。  OMCI 信道协议用来管理高层定义的业务，包括ONU的功能参数集、T-CONT业务种类与数量、QoS参数， 请求配置信息和性能统计，自动通知系统的运行事件,实现OLT对ONT的配置、故障诊断、性能和安全 的管理。

l  业务承载

如图 1.5-1所示，EPON沿用了简单的以太网数据格式，只是在以太网包头增加了64字节的MPCP点到多点控制协议来实现EPON系统中的带宽分配,带宽轮讯,自动发现,测距等工作。对于数据业务以外的业务（如TDM同步业务）的支持没有作过多研究，。很多EPON厂家开发了一些非标准的产品来解决这个问题，但是都不理想, 很难满足电信级的QoS要求。

GPON基于完全新的传输融合（TC）层，该子层能够完成对高层多样性业务的适配，如图二所示，定义了ATM封装和GFP封装（通用成帧协议），可以选择二者之一进行业务封装．鉴于目前ATM应用并不普及,于是一种只支持GFP封装的GPON.lite设备应运而生,它把ATM从协议栈中去除以降低成本。 GFP是一种通用的适用于多种业务的链路层规程, ITU定义为G.7041。GPON中对GFP作了少量的修改, 在GFP帧的头部引入了Port ID，用于支持多端口复用；还引入了Frag（Fragment）分段指示以提高系统的有效带宽.并且只支持面向变长数据的数据处理模式而不支持面向数据块的数据透明处理模式 GPON具有强大的多业务承载能力。GPON的TC层本质上是同步的，使用了标准的8kHz（125µm）定 长帧，这使GPON可以支持端到端的定时和其他准同步业务，特别是可以直接支持TDM业务，就是所 谓的NativeTDM，GPON对TDM业务具备“天然”的支持。