PON技术原理

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E thernet，“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F SAN(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A PON 产品的实际应用。但在中国，ATM 本身的推广并不顺利，所以A PON 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E FMA 提出E PON 概念的同时，FSAN 也已经开始了带宽在1Gbps 以上的P ON，也就是G igabit 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A PON/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I P 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G PON 技术和标准。2003 年3月I TU-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O NU 之间通过无源光合／分路器连接。

所谓无源，是指在O LT(光线路终端)和O NU(光网络单元)之间的O DN (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O NU/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O NU 分配标示号；

2．由各个O NU 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O NU 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O NU 距离的差距，避免了各个O NU 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:

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。

●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。

●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