PON技術
接入網未來發展的方向
業界一直認為無源光網路（PON）是接入網未來發展的方向。這一方面是由於它提供的帶寬可以滿足現在和未來各種寬頻業務的需要，所以在解決寬頻接入問題上被普遍看好；另一方面，無論在設備成本還是運維管理開銷方面，其費用都相對較低。綜合經濟技術分析表明，PON是實現FTTB/FTTH的主要技術。
1．PON的基本結構
圖1.11 PON系統參考結構
OLT位於網路側，放在中心局端，它可以是一個L2交換機或L3路由器，提供網路集中和接入，能完成光/電轉換，帶寬分配和控制各通道的連接，並有實時監控、管理及維護功能。ONU位於用戶側，實現各種電信號的處理與維護管理，提供用戶側介面。OLT與ONU之間通過無源光分路器連接，光分路器用於分發下行數據和集中上行數據。除了終端設備，PON系統中無需電器件，因此是無源的。
在下行方向，OLT將數據分組以廣播的方式傳輸給所有的ONU，每個分組攜帶一個具有傳輸到目的地ONU標識符的信頭。當數據分組到達ONU時，由ONU的MAC層進行地址解析，提取出屬於自己的數據分組，丟棄其他的數據分組。
上行方向使用時分復用技術（TDM），多個ONU的上行信息組成一個TDM信息流傳送到OLT。
2．光線路終端（OLT）
光線路終端（OLT）的作用是提供業務網路與ODN之間的光介面，提供各種手段來傳遞各種業務，OLT內部由核心層、業務層和公共層組成。業務層主要提供業務埠，支持多種業務；核心層提供交叉連接、復用、傳輸；公共層提供供電、維護管理功能。
OLT的存在可以降低上層業務網路對接入側設備之間的具體介面、承載手段、組網形式、設備管理等的緊耦合，並可以提供統一的光接入網的管理介面。
OLT核心功能包括：匯聚分發功能、DN適配功能。
OLT業務介面功能包括：業務埠功能、業務介面適配功能、介面信令處理、業務介面保護。
OLT公共功能主要包括OAM功能和供電功能。
從OLT發出的光功率主要消耗在如下幾處。
l 分路器：分路的數量越多損耗越大。
l 光纖：距離越長，損耗越大。
l ONU：數量越多，需要的OLT發射功率越大。為了保證每一個到達ONU的功率都高於接收靈敏度且有一定的余量，在設計時要根據實際的數量和地理分佈進行預算。
3．光分配網
光分配網（ODN）是OLT與ONU之間提供光傳輸手段，其主要功能是完成OLT與ONU之間的信息傳輸和分發作用，建立ONU與OLT之間的端到端的信息傳送通道。
ODN的配置通常為點到多點方式，即多個ONU通過一個ODN與一個OLT相連，這樣，多個ONU可以共享OLT到ODN之間的光傳輸媒質和OLT的光電設備。
（1）ODN的組成
（2）ODN的拓撲結構
ODN網路的拓撲結構通常是點到多點的結構，可分為星形、樹狀形、匯流排型和環形等。
（3）主備保護的設置
ODN網路的主備保護設置主要是對其傳輸的光信號設置有主備兩個光傳輸波道，當主通道發生故障時則可自動轉換到備用通道來傳輸光信號，包括光纖、OLT、ONU和傳輸光纖的主備保護設置。主備傳輸光纖可以處於同一光纜中，也可以處於不同的光纜中，更可以將主備光纜安裝設置在不同的管道中，這樣其保護性能更好。
（4）ODN的光傳輸特性
ODN的設計特性應能保證可以提供任何可以預見到的業務，而無需較大的改動，這一要求對各種無源器件的特性存在較大影響。可能直接影響ODN光特性的要求如下。
l 光波長透明性：各種光無源器件不應影響傳輸光信號的透明性，對設計的光網路要求的光信號所佔用的波段應當能全透明地傳送，這樣為將來的WDM系統應用提供了基礎。
l 可逆性：將ODN網路的輸出端和輸入端互換時，其ODN網路的傳輸特性不應發生明顯的變化，即其傳輸帶寬和光損耗特性的變化應微乎其微。這樣可以簡化網路的設計。
l 全網性能的一致性：ODN網路對於傳輸的光信號應保持一致性，即ODN網路的傳輸特性應當與整個OFSAN乃至整個通信網保持一致，其傳輸帶寬和光損耗特性應適合於整個OFSAN的要求。
（5）ODN的性能參數
決定整個系統光通道損耗性能的參數主要有如下3項。
l ODN光通道損耗：即最小發送功率和最高接收靈敏度的差。
l 最大容許通道損耗：即最大發送功率和最高接收靈敏度的差。
l 最小容許通道損耗：即最小發送功率和最低接收靈敏度（過載點）的差。
（6）ODN的反射
ODN的反射取決於構成ODN的各種器件的回損以及光通道上的任意反射點。一般來講，所有離散反射必須優於−35dB，光纖接入的最大離散反射則應優於−50dB。
4．光網路單元（ONU）
光網路單元（ONU）位於ODN和用戶設備之間，提供用戶與ODN之間的光介面和與用戶側的電介面，實現各種電信號的處理與維護管理。ONU內部由核心層、業務層和公共層組成，業務層主要指用戶埠；核心層提供復用、光介面；公共層提供供電、維護管理。
5．PON的應用模式
PON的業務透明性較好，原則上可適用於任何制式和速率信號。與點到點的有源光網路相比，PON技術的主要特點在於維護簡單、成本較低（節省光纖和光介面）、傳輸帶寬較高和高性能價格比。這些特點會使其在很長時間內保持競爭優勢，PON一直被視為接入網未來的發展方向。
PON最適合的應用是：接入網路靠近客戶的末端的部分；ONU服務的客戶不強調必須要冗餘或迂迴保護；OLT可以設立在生存性能好的節點處（例如有迂迴保護的節點），用戶地理位置相對集中的地方。PON主要有3種應用模式。
圖1.13 PON替代現有二層網路
1．APON技術
20世紀90年代中期，一些主要網路運營商成立了全業務接入網聯盟（FSAN），其目的是制定PON設備的統一標準，以使設備商和運營商一起進入PON設備市場，開展競爭。第一個成果是在ITU-T G.983建議系列中規範了155Mbit/s PON系統的標準。由於使用ATM做為承載協議，該系統稱為APON系統，后因常被人誤解為只能提供ATM業務，故又改稱為寬頻無源光網路（BPON）系統，以表明這種系統能提供乙太網接入、視頻分配、高速租用線等寬頻業務。但是，對這一代FSAN系統來說，最常用的稱呼還是APON。後來，APON標準增強，開始支持下行622Mbit/s的速率，並且在保護方式、動態帶寬分配（DBA）和其他方面增加了新的特性。
APON以ATM做為承載協議，下行傳輸的是連續的ATM流，比特率為155.52Mbit/s或622.08Mbit/s，在數據流中插有專門的物理層運行管理維護（PLOAM）信元。上行傳輸的是突發形式的ATM信元，為了實現突發發送和接收，每53個位元組的信元前面附加一個3位元組的物理開銷。對155.52Mbit/s的基本速率而言，傳輸協議基於包含56個ATM信元（每信元53位元組）的下行幀；當比特率提高到622.08Mbit/s時，下行幀要擴展到224個信元。在155.52Mbit/s基本速率時，上行幀的格式是53個信元，每信元56位元組（53個ATM信元位元組加3位元組開銷）。下行幀除了54個數據信元，還有兩個PLOAM信元，一個在幀的開始，另一個在幀的中間，每個PLOAM信元包含對上行幀內具體信元的上行發送授權（53個上行幀信元有53個授權被映射入PLOAM信元）以及OAM&P信息。APON提供非常豐富完備的OAM功能，包括誤碼率監測、告警、自動發現與自動搜索，作為一種安全機制可對下行數據進行擾碼加密等。
從數據處理方面來看，在APON中，用戶數據必須要在協議轉化（TDM用AAL1/2，數據分組傳輸用AAL5）下傳送。這種轉換對於高帶寬難以適應，而執行這種功能的設備，包括一些相關的附屬設備，如信元在存儲器（Cell Memory）、膠合邏輯（Glue Logic）等，這也給系統增加了不少成本。
無論是長距離的核心傳輸網路還是城域接入網匯聚層部分，數字通信技術已經從以ATM為中心，逐漸轉移到以IP為基礎來提供視頻、音頻和數據通信了。所以，只有既能適應當前接入又能適應於未來網路核心技術的接入網路結構，才能使得未來的全光IP網路成為現實。
APON由於其複雜性和低數據傳輸效率，已經在競爭中逐步退出市場。
2．EPON
幾乎與APON系統同時，IEEE也成立了第一英里乙太網（EFM）研究組，在光纖接入網方面推出基於乙太網的EPON（乙太網無源光網路），展示了很好的市場前景。該研究組歸屬於制定乙太網標準的IEEE 802.3組。同樣，它的研究範圍也限於體系結構，並要符合現有802.3的媒體接入控制（MAC）層功能。研究組於2004年4月推出了EPON的標準IEEE 802.3ah，上下行速率1Gbit/s（採用8B/10B編碼后，線路速率1.25Gbit/s），結束了各EPON廠家採用私有協議開發設備的無標準狀態。
EPON是基於乙太網技術的寬頻接入系統，它利用PON的拓撲結構實現以太網的接入。數據鏈路層的關鍵技術主要包括：上行通道的多址控制協議（MPCP）、ONU的即插即用問題、OLT的測距和時延補償協議及協議兼容性問題。
IEEE 802.3ah的物理層既包括點對點（P2P）連接的光纖與銅線，也包括用於點對多點（P2MP）的PON網路情形，為了便於網路運行與故障修復，還包括了OAM機制。對於P2MP網路拓撲，EPON基於一種叫做多點控制協議（MPCP）的機制，MPCP是MAC子層內的一種功能。MPCP利用消息、狀態機和定時器來控制向P2MP網路拓撲的接入，在P2MP網路拓撲中的每一個光網路單元（ONU）都有一個MPCP協議實體，它與OLT中的MPCP協議實體進行通信。
EPON/MPCP協議的基礎是點到點模擬子層，它使一個P2MP網看上去如同P2P鏈路向較高協議層的集合。
為了降低ONU的成本，EPON物理層的關鍵技術集中於OLT，包括突發信號的快速同步、網同步、光收發模塊的功率控制和自適應接收等。
EPON融合了PON和以太數據產品的優點，形成了許多獨有的優勢。EPON系統能夠提供高達1Gbit/s的上下行帶寬，可以滿足未來相當長時期內的用戶需要。EPON採用復用技術，支持更多的用戶，每個用戶可以享受到更大的帶寬。EPON系統不採用昂貴的ATM設備和SONET設備，能與現有的乙太網相兼容，大大簡化了系統結構，成本低，易於升級。由於無源光器件有很長的壽命，戶外線路的維護費用大為減少。與此同時，標準的乙太網介面可以利用現有的價格低廉的乙太網設備，也節約了成本。PON結構本身決定了網路的可升級性比較強，只要更換終端設備，就可以使網路升級到10Gbit/s或者更高速率。EPON不僅能綜合現有的有線電視、數據和語音業務，還能兼容未來業務如數字電視、VoIP、電視會議和VOD等，實現綜合業務接入。
EPON承載與其他接入技術的綜合運用，進一步豐富了寬頻接入技術解決方案。
使用EPON能使DSL突破傳統距離限制，擴大覆蓋範圍。當把ONU集成到DSLAM（Digital Subscriber Line Access Multiplexer）時，DSL可以到達的範圍和其潛在用戶群都會大大增加。
同樣，通過集成ONU的CMTS（Cable Modem Termination System），EPON可以給現有的Cable連接提供帶寬，而且可以讓有線電視運營商實現真正意義上的互動式服務，同時降低建設和運營成本。
在上述兩種情況中，運營商都可以在他們現有的網路結構和投資基礎上，增加他們的用戶群體。EPON還可以在距離上拓展點到點的MSPP（Multiple Services Provision Platform）和IP/Ethernet。
此外，EPON技術還可以用來解決無線接入技術中基站上行數據彙集到核心網的問題。
3．GPON
2001年，FSAN啟動了一項新的工作，對工作在1Gbit/s以上的PON網路進行標準化。除了支持高速率以外，整個協議一直是開放的，以便重新考慮和尋找在支持多業務、OAM&P功能和擴展性方面的最佳和最有效的方案。做為GPON工作的一部分，FSAN先彙集了其所有成員（包括世界各地的主要運營商）的要求，然後在此基礎上寫成名為吉比特業務要求（GSR）的文件，並做為正式建議（G.GON.GSR）提交給ITU-T。GSR文件中描述的GPON主要需求如下。
l 支持全業務，包括語音（TDM、SONET/SDH）、乙太網（10/100 Base-T）、ATM、租用線等。
l 覆蓋的物理距離至少為20km，邏輯距離限於60km以內。
l 用同一協議可支持各種比特率，包括對稱622Mbit/s，對稱1.25Gbit/s，下行2.5Gbit/s與上行1.25Gbit/s以及其他比特率。
l 能提供端到端業務管理的OAM&P強大功能。
l 由於PON的廣播特性，要在協議層面保證下行業務的安全性。
FSAN提出，GPON標準的設計應達到如下目標。
l 幀結構可以從622Mbit/s擴展到2.5Gbit/s，並支持不對稱比特率。
l 對任何業務都保證高帶寬利用率和高效率。
l 把任何業務（TDM和分組）都通過GFP封裝入125ms的幀中。
l 對純TDM業務做高效率的無開銷傳送。
l 通過帶寬指針（pointer）為每一個ONU動態分配上行帶寬。
由於GPON一開始就自下而上地重新考慮了PON的應用和要求，為新的方案奠定了基礎，不再基於早先的APON標準，故有些廠家將其稱為native PON（本色模式PON）。一方面，GPON保留了與PON不是直接相關的許多功能，如OAM消息、DBA等，另一方面，GPON又基於全新的TC（傳輸匯聚）層。FSAN選擇的GFP（通用通用成幀程序，general framing procedure）是以幀為基礎的一個協議，它通過一種通用機制適配來自傳送網高層客戶的業務信息。傳送網可以是任何類型的網路，如SONET/SDH和ITU-T G.709（OTN）等，客戶信息可以是基於分組的（如IP/PPP，即IP/Point to Point protocal，或Ethernet MAC幀等），也可以是恆定比特率流或其他類型的業務信息。GFP已經正式被標準化成為ITU-T標準G.7041。由於GFP提供高效簡單的方式在同步傳送網上傳送不同業務，故將它用作GPON TC層的基礎是十分理想的。此外，使用GFP時，GPON TC本質上是同步的，並使用標準的SONET/SDH 8kHz（125ms）幀，這使GPON能夠直接支持TDM業務。在正式發布的G.984.3標準中採用了FSAN關於GFP作為TC層適配技術的建議，並做了進一步的簡化處理，命名為GPON封裝方法（GEM，GPON Encapsulation Method）。
EPON作為一種新的寬頻接入技術，是一個全業務提供平台，能支持數據業務，也能支持語音和視頻等實時性業務。
EPON的光路設計可以使用3個波長。如果不考慮支持CATV或者DWDM業務，一般使用兩個波長。在使用3個波長時，上行波長為1310nm，下行波長為1490nm，另外增加一個1550nm波長，增加的1550nm波長用來直接傳輸模擬視頻信號。因為，當前模擬視頻信號仍然是廣播電視業務的主導，估計要到2015年才能完全被數字視頻業務所取代，所以，設計的EPON系統應該既支持數字視頻業務又支持模擬視頻業務。原有的1490nm仍然攜帶下行數據、數字視頻和語音業務，1310nm傳輸上行用戶語音信號、數字視頻點播（VOD）和下載數據的請求信息。
語音信號對時延和抖動要求嚴格，而乙太網不提供端到端的分組延時、分組丟失率和帶寬控制能力，因此，EPON在疊加語音信號時如何保證服務質量是一個亟需解決的問題。
1．TDM業務
對EPON多業務能力質疑最多的就是它傳輸傳統TDM業務的能力。
這裡提及的TDM業務包括語音業務（POTS，Popular Old Telephone Service）和電路業務（T1/El，N´64kbit/s等租用線）兩大類。
EPON系統承載數據專線業務（2048kbit/s或13´64kbit/s數據業務）時，推薦採用TDM over Ethernet方式。EPON系統承載語音業務時，可採用電路交換方式或VolP方式。
今後幾年內，因電路業務的市場需求仍然很大，所以，要求EPON系統既要承載分組交換業務，又要承載電路交換業務，EFM對TDM如何在EPON上承載，如何保證TDM業務的質量，在技術上沒有做具體規定，但必須兼容乙太網幀格式。多業務EPON（MS-EPON）採用E1 Over Ethernet技術，在乙太網幀上高效解決TDM業務的適配問題，使得EPON實現多業務傳送與接入，同時，MS-EPON克服了OLT與ONU之間的共享帶寬爭用現象，向乙太網用戶提供可承諾的帶寬保證。
Ethernet的封裝方式使得EPON技術非常適於承載IP業務的同時也使其面臨一個重大的難題—難以承載語音或電路方式數據等TDM業務。EPON是基於乙太網的非同步傳送網路，它沒有全網同步的高精度時鐘，難以滿足TDM業務的定時和同步要求。要解決TDM業務的定時同步問題同時又要保證TDM業務的QoS等技術難題不僅要在EPON系統自身設計上做改進，同時也需要採用一些特定的技術。
電路交換方式語音業務性能指標指出，當EPON系統採用電路交換方式承載語音業務時，應滿足YDN 065-1997《郵電部電話交換設備總技術規範書》和YD/T 1128-2001《電話交換設備總技術規範（補充件1）》對純電路交換語音質量的要求。因此，EPON對TDM業務存在如下幾方面的問題。
① TDM業務的QoS保證：儘管TDM業務佔用的帶寬較小，但對延時、抖動、漂移、誤碼率等指標都有很高的要求。這就要求不僅在上行動態帶寬分配時考慮如何減小TDM業務的傳送延時和抖動，也必須在下行帶寬控制策略中保證TDM業務對延時和抖動等的嚴格控制。
② TDM業務的定時與同步：TDM業務對定時和同步的要求特別嚴格。而EPON本質上是基於乙太網技術的非同步傳送網路，沒有全網同步的高精度電信時鐘。乙太網定義的時鐘精度為±100´10而傳統TDM業務要求的時鐘精度為±50´10。此外，在提供全網同步的電信時鐘的同時，還必須儘可能周期性地傳送TDM數據，以滿足其抖動和誤碼要求。
③ EPON的生存性：TDM業務還要求承載網路必須具有良好的生存性，在發生重大故障時，能在儘可能短的時間內實現業務的可靠倒換。由於EPON主要用於接入網建設，離用戶距離較近，各種應用和使用環境複雜，很容易受城市建設等不可知因素的影響，造成鏈路中斷等事故。因此，迫切要求EPON系統能提供經濟高效的系統保護方案。
2．IP業務
EPON傳輸IP數據分組無需協議轉換，效率高，非常適合用於數據業務。
VolP技術作為一項發展中的熱門技術，近些年已實現了一定範圍的規模應用，是IP網路承載語音業務的一個有效手段。在EPON系統中，同樣可以通過增加某些VoIP設備或功能，實現傳統電話業務的接入。利用VoIP技術，只要保證EPON語音業務上/下行的延時和抖動特性，其他功能都留給用戶側的綜合接入設備（IAD，Integrated Access Device）和局端的接入網關設備處理，就可以實現語音業務的傳輸。此種方式實現起來相對簡單，可以直接移植現有技術，但需要昂貴的局端接入網關設備，建網成本較高，且會受限於VoIP技術本身的缺陷。此外，也無法提供E1和N´64kbit/s數據業務的接入。
當EPON系統採用VoIP方式承載語音業務時，應滿足以下VoIP方式語音業務的性能指標要求。
① 語音編碼動態切換時間<60ms。
② 應具有80ms緩衝存儲能力，以保證不發生語音斷續和抖動。
③ 語音的客觀評定：網路條件很好時，PSQM的平均值<1.5；網路條件較差時（丟包率=1%，抖動=20ms，時延=100ms），PSQM的平均值<1.8；網路條件惡劣時（丟包率=5%，抖動=60ms，時延=400ms），PSQM的平均值<2.0。
④ 語音的主觀評定：網路條件很好時，MOS的平均值>4.0；網路條件較差時（丟包率=1%，抖動=20ms，時延=100ms），MOS的平均值<3.5；網路條件惡劣時（丟包率=5%，抖動=60ms，時延=400ms），MOS的平均值<3.0。
⑤ 編碼率：G.711，編碼率=64kbit/s。對於G.729a，要求編碼率<18kbit/s。對於G.723.1，要求G.723.1（5.3）編碼率<18kbit/s，G.723.1（6.3）編碼率<15kbit/s。
⑥ 時延指標（環回時延）：VoIP的時延包括編解碼時延、收端輸入緩衝時延和內部隊列時延等。採用G.729a編碼時，環回時延<150ms。採用G.723.1編碼時，環回時延<200ms。
3．CATV業務
對模擬的CATV業務，EPON也可以採用和GPON一樣的方式承載：增加一個波長（其實這屬於WDM技術，跟EPON和GPON本身無關）。
PON技術是實現FTTx最佳寬頻接入的方式，EPON是結合了乙太網技術與PON技術而產生的一種新的光接入網技術，它可以用於傳輸語音、數據和視頻業務，並且兼容未來的一些新業務，EPON將以其高帶寬、高效率和易擴展等絕對優勢成為全業務寬頻光接入的主導技術。
為了提高網路可靠性和生存性，可在PON系統中採用光纖保護倒換機制。光纖保護倒換機制可按兩種方式進行：①自動倒換，由故障發現觸發；②強制倒換，由管理事件觸發。
光纖保護主要的有三種類型：主幹光纖冗餘保護、OLT PON口冗餘保護、全保護，如圖1.16所示。
主幹光纖冗餘保護（圖1.16（a））：採用單個PON埠，在OLT PON口處內置1´2光開關；採用2∶N光分路器，由OLT檢測線路狀態，倒換由OLT完成，對ONU無特殊要求。
OLT PON口冗餘保護（圖1.16（b））：備用的PON埠處於冷備用狀態，採用2∶N光分路器；由OLT檢測線路狀態，倒換由OLT完成，對ONU無特殊要求。
全保護（圖1.16（c））：主、備用的PON埠均處於工作狀態；採用2個2∶N光分路器；在ONU PON口前內置光開關，由ONU檢測線路狀態並決定主用線路，倒換由ONU完成。
PON系統保護倒換機制可以支持被保護業務的自動返回或人工返回。對於自動返回方式，在消除造成倒換的故障后，經過一定的返回等待時間，被保護業務應自動返回到原來的工作路由，返回等待時間可以設置。
圖1.16 光纖保護倒換示意圖
PON（Passive Optical Network：無源光纖網路）。 PON（無源光網路）是指（光配線網中）不含有任何電子器件及電子電源，ODN全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成，不需要貴重的有源電子設備。一個無源光網路包括一個安裝於中心控制站的光線路終端（OLT），以及一批配套的安裝於用戶場所的光網路單元（ONUs）。在OLT與ONU之間的光配線網（ODN）包含了光纖以及無源分光器或者耦合器。
基本信息
- 應用學科
- 通信
- 領域
- 信息科學
- 中文名
- PON技術
- 外文名
- PON technology