[科普中国]-PON技术

业界一直认为无源光网络（PON）是接入网未来发展的方向。这一方面是由于它提供的带宽可以满足现在和未来各种宽带业务的需要，所以在解决宽带接入问题上被普遍看好；另一方面，无论在设备成本还是运维管理开销方面，其费用都相对较低。综合经济技术分析表明，PON是实现FTTB/FTTH的主要技术。

PON技术简介1．PON的基本结构

PON是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网络。PON系统由局端的光线路终端（OLT）、光分配网络（ODN）和用户侧的光网络单元（ONU）组成，为单纤双向系统。在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU。在上行方向（ONU到OLT），ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。为了避免数据冲突并提高网络效率，上行方向采用TDMA多址接入方式，并对各ONU的数据发送进行管理。ODN在OLT和ONU间提供光通道。PON的参考结构如图1.11所示。

OLT位于网络侧，放在中心局端，它可以是一个L2交换机或L3路由器，提供网络集中和接入，能完成光/电转换，带宽分配和控制各信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。ONU位于用户侧，实现各种电信号的处理与维护管理，提供用户侧接口。OLT与ONU之间通过无源光分路器连接，光分路器用于分发下行数据和集中上行数据。除了终端设备，PON系统中无需电器件，因此是无源的。

PON在单根光纤上采用下行1490nm/上行1310nm波长组合的波分复用技术（WDM），上行方向是点到点方式，下行方向是广播方式。图1.12表示了PON的基本结构。

在下行方向，OLT将数据分组以广播的方式传输给所有的ONU，每个分组携带一个具有传输到目的地ONU标识符的信头。当数据分组到达ONU时，由ONU的MAC层进行地址解析，提取出属于自己的数据分组，丢弃其他的数据分组。

上行方向使用时分复用技术（TDM），多个ONU的上行信息组成一个TDM信息流传送到OLT。1

2．光线路终端（OLT）

光线路终端（OLT）的作用是提供业务网络与ODN之间的光接口，提供各种手段来传递各种业务，OLT内部由核心层、业务层和公共层组成。业务层主要提供业务端口，支持多种业务；核心层提供交叉连接、复用、传输；公共层提供供电、维护管理功能。

OLT的存在可以降低上层业务网络对接入侧设备之间的具体接口、承载手段、组网形式、设备管理等的紧耦合，并可以提供统一的光接入网的管理接口。

OLT核心功能包括：汇聚分发功能、DN适配功能。

OLT业务接口功能包括：业务端口功能、业务接口适配功能、接口信令处理、业务接口保护。

OLT公共功能主要包括OAM功能和供电功能。

从OLT发出的光功率主要消耗在如下几处。

l 分路器：分路的数量越多损耗越大。

l 光纤：距离越长，损耗越大。

l ONU：数量越多，需要的OLT发射功率越大。为了保证每一个到达ONU的功率都高于接收灵敏度且有一定的余量，在设计时要根据实际的数量和地理分布进行预算。

3．光分配网

光分配网（ODN）是OLT与ONU之间提供光传输手段，其主要功能是完成OLT与ONU之间的信息传输和分发作用，建立ONU与OLT之间的端到端的信息传送通道。

ODN的配置通常为点到多点方式，即多个ONU通过一个ODN与一个OLT相连，这样，多个ONU可以共享OLT到ODN之间的光传输媒质和OLT的光电设备。

（1）ODN的组成

组成ODN的主要无源器件有：单模光纤和光缆、连接器、无源光分路器（OBD）、无源光衰减器、光纤接头。

（2）ODN的拓扑结构

ODN网络的拓扑结构通常是点到多点的结构，可分为星形、树状形、总线型和环形等。

（3）主备保护的设置

ODN网络的主备保护设置主要是对其传输的光信号设置有主备两个光传输波道，当主信道发生故障时则可自动转换到备用信道来传输光信号，包括光纤、OLT、ONU和传输光纤的主备保护设置。主备传输光纤可以处于同一光缆中，也可以处于不同的光缆中，更可以将主备光缆安装设置在不同的管道中，这样其保护性能更好。

（4）ODN的光传输特性

ODN的设计特性应能保证可以提供任何可以预见到的业务，而无需较大的改动，这一要求对各种无源器件的特性存在较大影响。可能直接影响ODN光特性的要求如下。

l 光波长透明性：各种光无源器件不应影响传输光信号的透明性，对设计的光网络要求的光信号所占用的波段应当能全透明地传送，这样为将来的WDM系统应用提供了基础。

l 可逆性：将ODN网络的输出端和输入端互换时，其ODN网络的传输特性不应发生明显的变化，即其传输带宽和光损耗特性的变化应微乎其微。这样可以简化网络的设计。

l 全网性能的一致性：ODN网络对于传输的光信号应保持一致性，即ODN网络的传输特性应当与整个OFSAN乃至整个通信网保持一致，其传输带宽和光损耗特性应适合于整个OFSAN的要求。

（5）ODN的性能参数

决定整个系统光通道损耗性能的参数主要有如下3项。

l ODN光通道损耗：即最小发送功率和最高接收灵敏度的差。

l 最大容许通道损耗：即最大发送功率和最高接收灵敏度的差。

l 最小容许通道损耗：即最小发送功率和最低接收灵敏度（过载点）的差。

（6）ODN的反射

ODN的反射取决于构成ODN的各种器件的回损以及光通道上的任意反射点。一般来讲，所有离散反射必须优于−35dB，光纤接入的最大离散反射则应优于−50dB。

4．光网络单元（ONU）

光网络单元（ONU）位于ODN和用户设备之间，提供用户与ODN之间的光接口和与用户侧的电接口，实现各种电信号的处理与维护管理。ONU内部由核心层、业务层和公共层组成，业务层主要指用户端口；核心层提供复用、光接口；公共层提供供电、维护管理。

5．PON的应用模式

PON的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率信号。与点到点的有源光网络相比，PON技术的主要特点在于维护简单、成本较低（节省光纤和光接口）、传输带宽较高和高性能价格比。这些特点会使其在很长时间内保持竞争优势，PON一直被视为接入网未来的发展方向。

PON最适合的应用是：接入网络靠近客户的末端的部分；ONU服务的客户不强调必须要冗余或迂回保护；OLT可以设立在生存性能好的节点处（例如有迂回保护的节点），用户地理位置相对集中的地方。PON主要有3种应用模式。

（1）替代现有的二层汇聚网络：PON可以替代现有的二层交换机和光纤收发器，将LAN的接入网引至IP城域网，如图1.13所示。

（2）替代相关段落的接入光缆：PON系统可以替代现有的部分光缆和光交换设备，从而节省相关段落的接入光缆，如图1.14所示。

（3）多业务接入方式（实现FTTH）：PON系统可以提供满足不同QoS要求的多业务、多速率接入，能适应用户的多样性和业务发展的不确定性的要求，如图1.15所示。

PON技术种类1．APON技术

20世纪90年代中期，一些主要网络运营商成立了全业务接入网联盟（FSAN），其目的是制定PON设备的统一标准，以使设备商和运营商一起进入PON设备市场，开展竞争。第一个成果是在ITU-T G.983建议系列中规范了155Mbit/s PON系统的标准。由于使用ATM做为承载协议，该系统称为APON系统，后因常被人误解为只能提供ATM业务，故又改称为宽带无源光网络（BPON）系统，以表明这种系统能提供以太网接入、视频分配、高速租用线等宽带业务。但是，对这一代FSAN系统来说，最常用的称呼还是APON。后来，APON标准增强，开始支持下行622Mbit/s的速率，并且在保护方式、动态带宽分配（DBA）和其他方面增加了新的特性。

APON以ATM做为承载协议，下行传输的是连续的ATM流，比特率为155.52Mbit/s或622.08Mbit/s，在数据流中插有专门的物理层运行管理维护（PLOAM）信元。上行传输的是突发形式的ATM信元，为了实现突发发送和接收，每53个字节的信元前面附加一个3字节的物理开销。对155.52Mbit/s的基本速率而言，传输协议基于包含56个ATM信元（每信元53字节）的下行帧；当比特率提高到622.08Mbit/s时，下行帧要扩展到224个信元。在155.52Mbit/s基本速率时，上行帧的格式是53个信元，每信元56字节（53个ATM信元字节加3字节开销）。下行帧除了54个数据信元，还有两个PLOAM信元，一个在帧的开始，另一个在帧的中间，每个PLOAM信元包含对上行帧内具体信元的上行发送授权（53个上行帧信元有53个授权被映射入PLOAM信元）以及OAM&P信息。APON提供非常丰富完备的OAM功能，包括误码率监测、告警、自动发现与自动搜索，作为一种安全机制可对下行数据进行扰码加密等。

从数据处理方面来看，在APON中，用户数据必须要在协议转化（TDM用AAL1/2，数据分组传输用AAL5）下传送。这种转换对于高带宽难以适应，而执行这种功能的设备，包括一些相关的附属设备，如信元在存储器（Cell Memory）、胶合逻辑（Glue Logic）等，这也给系统增加了不少成本。

无论是长距离的核心传输网络还是城域接入网汇聚层部分，数字通信技术已经从以ATM为中心，逐渐转移到以IP为基础来提供视频、音频和数据通信了。所以，只有既能适应当前接入又能适应于未来网络核心技术的接入网络结构，才能使得未来的全光IP网络成为现实。

APON由于其复杂性和低数据传输效率，已经在竞争中逐步退出市场。

2．EPON

几乎与APON系统同时，IEEE也成立了第一英里以太网（EFM）研究组，在光纤接入网方面推出基于以太网的EPON（以太网无源光网络），展示了很好的市场前景。该研究组归属于制定以太网标准的IEEE 802.3组。同样，它的研究范围也限于体系结构，并要符合现有802.3的媒体接入控制（MAC）层功能。研究组于2004年4月推出了EPON的标准IEEE 802.3ah，上下行速率1Gbit/s（采用8B/10B编码后，线路速率1.25Gbit/s），结束了各EPON厂家采用私有协议开发设备的无标准状态。

EPON是基于以太网技术的宽带接入系统，它利用PON的拓扑结构实现以太网的接入。数据链路层的关键技术主要包括：上行信道的多址控制协议（MPCP）、ONU的即插即用问题、OLT的测距和时延补偿协议及协议兼容性问题。

IEEE 802.3ah的物理层既包括点对点（P2P）连接的光纤与铜线，也包括用于点对多点（P2MP）的PON网络情形，为了便于网络运行与故障修复，还包括了OAM机制。对于P2MP网络拓扑，EPON基于一种叫做多点控制协议（MPCP）的机制，MPCP是MAC子层内的一种功能。MPCP利用消息、状态机和定时器来控制向P2MP网络拓扑的接入，在P2MP网络拓扑中的每一个光网络单元（ONU）都有一个MPCP协议实体，它与OLT中的MPCP协议实体进行通信。

EPON/MPCP协议的基础是点到点仿真子层，它使一个P2MP网看上去如同P2P链路向较高协议层的集合。

为了降低ONU的成本，EPON物理层的关键技术集中于OLT，包括突发信号的快速同步、网同步、光收发模块的功率控制和自适应接收等。

EPON融合了PON和以太数据产品的优点，形成了许多独有的优势。EPON系统能够提供高达1Gbit/s的上下行带宽，可以满足未来相当长时期内的用户需要。EPON采用复用技术，支持更多的用户，每个用户可以享受到更大的带宽。EPON系统不采用昂贵的ATM设备和SONET设备，能与现有的以太网相兼容，大大简化了系统结构，成本低，易于升级。由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维护费用大为减少。与此同时，标准的以太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网设备，也节约了成本。PON结构本身决定了网络的可升级性比较强，只要更换终端设备，就可以使网络升级到10Gbit/s或者更高速率。EPON不仅能综合现有的有线电视、数据和语音业务，还能兼容未来业务如数字电视、VoIP、电视会议和VOD等，实现综合业务接入。

EPON承载与其他接入技术的综合运用，进一步丰富了宽带接入技术解决方案。

使用EPON能使DSL突破传统距离限制，扩大覆盖范围。当把ONU集成到DSLAM（Digital Subscriber Line Access Multiplexer）时，DSL可以到达的范围和其潜在用户群都会大大增加。

同样，通过集成ONU的CMTS（Cable Modem Termination System），EPON可以给现有的Cable连接提供带宽，而且可以让有线电视运营商实现真正意义上的交互式服务，同时降低建设和运营成本。

在上述两种情况中，运营商都可以在他们现有的网络结构和投资基础上，增加他们的用户群体。EPON还可以在距离上拓展点到点的MSPP（Multiple Services Provision Platform）和IP/Ethernet。

此外，EPON技术还可以用来解决无线接入技术中基站上行数据汇集到核心网的问题。

3**．GPON**

2001年，FSAN启动了一项新的工作，对工作在1Gbit/s以上的PON网络进行标准化。除了支持高速率以外，整个协议一直是开放的，以便重新考虑和寻找在支持多业务、OAM&P功能和扩展性方面的最佳和最有效的方案。做为GPON工作的一部分，FSAN先汇集了其所有成员（包括世界各地的主要运营商）的要求，然后在此基础上写成名为吉比特业务要求（GSR）的文件，并做为正式建议（G.GON.GSR）提交给ITU-T。GSR文件中描述的GPON主要需求如下。

l 支持全业务，包括语音（TDM、SONET/SDH）、以太网（10/100 Base-T）、ATM、租用线等。

l 覆盖的物理距离至少为20km，逻辑距离限于60km以内。

l 用同一协议可支持各种比特率，包括对称622Mbit/s，对称1.25Gbit/s，下行2.5Gbit/s与上行1.25Gbit/s以及其他比特率。

l 能提供端到端业务管理的OAM&P强大功能。

l 由于PON的广播特性，要在协议层面保证下行业务的安全性。

FSAN提出，GPON标准的设计应达到如下目标。

l 帧结构可以从622Mbit/s扩展到2.5Gbit/s，并支持不对称比特率。

l 对任何业务都保证高带宽利用率和高效率。

l 把任何业务（TDM和分组）都通过GFP封装入125ms的帧中。

l 对纯TDM业务做高效率的无开销传送。

l 通过带宽指针（pointer）为每一个ONU动态分配上行带宽。

由于GPON一开始就自下而上地重新考虑了PON的应用和要求，为新的方案奠定了基础，不再基于早先的APON标准，故有些厂家将其称为native PON（本色模式PON）。一方面，GPON保留了与PON不是直接相关的许多功能，如OAM消息、DBA等，另一方面，GPON又基于全新的TC（传输汇聚）层。FSAN选择的GFP（通用通用成帧程序，general framing procedure）是以帧为基础的一个协议，它通过一种通用机制适配来自传送网高层客户的业务信息。传送网可以是任何类型的网络，如SONET/SDH和ITU-T G.709（OTN）等，客户信息可以是基于分组的（如IP/PPP，即IP/Point to Point protocal，或Ethernet MAC帧等），也可以是恒定比特率流或其他类型的业务信息。GFP已经正式被标准化成为ITU-T标准G.7041。由于GFP提供高效简单的方式在同步传送网上传送不同业务，故将它用作GPON TC层的基础是十分理想的。此外，使用GFP时，GPON TC本质上是同步的，并使用标准的SONET/SDH 8kHz（125ms）帧，这使GPON能够直接支持TDM业务。在正式发布的G.984.3标准中采用了FSAN关于GFP作为TC层适配技术的建议，并做了进一步的简化处理，命名为GPON封装方法（GEM，GPON Encapsulation Method）。2

EPON系统的应用EPON作为一种新的宽带接入技术，是一个全业务提供平台，能支持数据业务，也能支持语音和视频等实时性业务。

EPON的光路设计可以使用3个波长。如果不考虑支持CATV或者DWDM业务，一般使用两个波长。在使用3个波长时，上行波长为1310nm，下行波长为1490nm，另外增加一个1550nm波长，增加的1550nm波长用来直接传输模拟视频信号。因为，当前模拟视频信号仍然是广播电视业务的主导，估计要到2015年才能完全被数字视频业务所取代，所以，设计的EPON系统应该既支持数字视频业务又支持模拟视频业务。原有的1490nm仍然携带下行数据、数字视频和语音业务，1310nm传输上行用户语音信号、数字视频点播（VOD）和下载数据的请求信息。

语音信号对时延和抖动要求严格，而以太网不提供端到端的分组延时、分组丢失率和带宽控制能力，因此，EPON在叠加语音信号时如何保证服务质量是一个亟需解决的问题。3

1．TDM业务

对EPON多业务能力质疑最多的就是它传输传统TDM业务的能力。

这里提及的TDM业务包括语音业务（POTS，Popular Old Telephone Service）和电路业务（T1/El，N´64kbit/s等租用线）两大类。

EPON系统承载数据专线业务（2048kbit/s或13´64kbit/s数据业务）时，推荐采用TDM over Ethernet方式。EPON系统承载语音业务时，可采用电路交换方式或VolP方式。

今后几年内，因电路业务的市场需求仍然很大，所以，要求EPON系统既要承载分组交换业务，又要承载电路交换业务，EFM对TDM如何在EPON上承载，如何保证TDM业务的质量，在技术上没有做具体规定，但必须兼容以太网帧格式。多业务EPON（MS-EPON）采用E1 Over Ethernet技术，在以太网帧上高效解决TDM业务的适配问题，使得EPON实现多业务传送与接入，同时，MS-EPON克服了OLT与ONU之间的共享带宽争用现象，向以太网用户提供可承诺的带宽保证。

Ethernet的封装方式使得EPON技术非常适于承载IP业务的同时也使其面临一个重大的难题—难以承载语音或电路方式数据等TDM业务。EPON是基于以太网的异步传送网络，它没有全网同步的高精度时钟，难以满足TDM业务的定时和同步要求。要解决TDM业务的定时同步问题同时又要保证TDM业务的QoS等技术难题不仅要在EPON系统自身设计上做改进，同时也需要采用一些特定的技术。

电路交换方式语音业务性能指标指出，当EPON系统采用电路交换方式承载语音业务时，应满足YDN 065-1997《邮电部电话交换设备总技术规范书》和YD/T 1128-2001《电话交换设备总技术规范（补充件1）》对纯电路交换语音质量的要求。因此，EPON对TDM业务存在如下几方面的问题。

① TDM业务的QoS保证：尽管TDM业务占用的带宽较小，但对延时、抖动、漂移、误码率等指标都有很高的要求。这就要求不仅在上行动态带宽分配时考虑如何减小TDM业务的传送延时和抖动，也必须在下行带宽控制策略中保证TDM业务对延时和抖动等的严格控制。

② TDM业务的定时与同步：TDM业务对定时和同步的要求特别严格。而EPON本质上是基于以太网技术的异步传送网络，没有全网同步的高精度电信时钟。以太网定义的时钟精度为±100´10而传统TDM业务要求的时钟精度为±50´10。此外，在提供全网同步的电信时钟的同时，还必须尽可能周期性地传送TDM数据，以满足其抖动和误码要求。

③ EPON的生存性：TDM业务还要求承载网络必须具有良好的生存性，在发生重大故障时，能在尽可能短的时间内实现业务的可靠倒换。由于EPON主要用于接入网建设，离用户距离较近，各种应用和使用环境复杂，很容易受城市建设等不可知因素的影响，造成链路中断等事故。因此，迫切要求EPON系统能提供经济高效的系统保护方案。

2．IP业务

EPON传输IP数据分组无需协议转换，效率高，非常适合用于数据业务。

VolP技术作为一项发展中的热门技术，近些年已实现了一定范围的规模应用，是IP网络承载语音业务的一个有效手段。在EPON系统中，同样可以通过增加某些VoIP设备或功能，实现传统电话业务的接入。利用VoIP技术，只要保证EPON语音业务上/下行的延时和抖动特性，其他功能都留给用户侧的综合接入设备（IAD，Integrated Access Device）和局端的接入网关设备处理，就可以实现语音业务的传输。此种方式实现起来相对简单，可以直接移植现有技术，但需要昂贵的局端接入网关设备，建网成本较高，且会受限于VoIP技术本身的缺陷。此外，也无法提供E1和N´64kbit/s数据业务的接入。

当EPON系统采用VoIP方式承载语音业务时，应满足以下VoIP方式语音业务的性能指标要求。

① 语音编码动态切换时间