PON技術簡介

1.PON的基本結構

PON是一種采用點到多點(P2MP)結構的單纖雙向光接入網絡。PON系統(tǒng)由局端的光線路終端(OLT)、光分配網絡(ODN)和用戶側的光網絡單元(ONU)組成，為單纖雙向系統(tǒng)。在下行方向(OLT到ONU)，OLT發(fā)送的信號通過ODN到達各個ONU。在上行方向(ONU到OLT)，ONU發(fā)送的信號只會到達OLT，而不會到達其他ONU。為了避免數(shù)據(jù)沖突并提高網絡效率，上行方向采用TDMA多址接入方式，并對各ONU的數(shù)據(jù)發(fā)送進行管理。ODN在OLT和ONU間提供光通道。PON的參考結構如圖1.11所示。

OLT位于網絡側，放在中心局端，它可以是一個L2交換機或L3路由器，提供網絡集中和接入，能完成光/電轉換，帶寬分配和控制各信道的連接，并有實時監(jiān)控、管理及維護功能。ONU位于用戶側，實現(xiàn)各種電信號的處理與維護管理，提供用戶側接口。OLT與ONU之間通過無源光分路器連接，光分路器用于分發(fā)下行數(shù)據(jù)和集中上行數(shù)據(jù)。除了終端設備，PON系統(tǒng)中無需電器件，因此是無源的。

PON在單根光纖上采用下行1490nm/上行1310nm波長組合的波分復用技術(WDM)，上行方向是點到點方式，下行方向是廣播方式。圖1.12表示了PON的基本結構。

在下行方向，OLT將數(shù)據(jù)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?shù)侥康牡豋NU標識符的信頭。當數(shù)據(jù)分組到達ONU時，由ONU的MAC層進行地址解析，提取出屬于自己的數(shù)據(jù)分組，丟棄其他的數(shù)據(jù)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(yè)務網絡與ODN之間的光接口，提供各種手段來傳遞各種業(yè)務，OLT內部由核心層、業(yè)務層和公共層組成。業(yè)務層主要提供業(yè)務端口，支持多種業(yè)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(yè)務網絡對接入側設備之間的具體接口、承載手段、組網形式、設備管理等的緊耦合，并可以提供統(tǒng)一的光接入網的管理接口。

OLT核心功能包括:匯聚分發(fā)功能、DN適配功能。

OLT業(yè)務接口功能包括:業(yè)務端口功能、業(yè)務接口適配功能、接口信令處理、業(yè)務接口保護。

OLT公共功能主要包括OAM功能和供電功能。

從OLT發(fā)出的光功率主要消耗在如下幾處。

l 分路器:分路的數(shù)量越多損耗越大。

l 光纖:距離越長，損耗越大。

l ONU:數(shù)量越多，需要的OLT發(fā)射功率越大。為了保證每一個到達ONU的功率都高于接收靈敏度且有一定的余量，在設計時要根據(jù)實際的數(shù)量和地理分布進行預算。

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(fā)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

組成ODN的主要無源器件有:單模光纖和光纜、連接器、無源光分路器(OBD)、無源光衰減器、光纖接頭。

(2)ODN的拓撲結構

ODN網絡的拓撲結構通常是點到多點的結構，可分為星形、樹狀形、總線型和環(huán)形等。

(3)主備保護的設置

ODN網絡的主備保護設置主要是對其傳輸?shù)墓庑盘栐O置有主備兩個光傳輸波道，當主信道發(fā)生故障時則可自動轉換到備用信道來傳輸光信號，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于同一光纜中，也可以處于不同的光纜中，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目前可以預見到的業(yè)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，對設計的光網絡要求的光信號所占用的波段應當能全透明地傳送，這樣為將來的WDM系統(tǒng)應用提供了基礎。

l 可逆性:將ODN網絡的輸出端和輸入端互換時，其ODN網絡的傳輸特性不應發(fā)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。這樣可以簡化網絡的設計。

l 全網性能的一致性:ODN網絡對于傳輸?shù)墓庑盘枒３忠恢滦?，即ODN網絡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于整個OFSAN的要求。

(5)ODN的性能參數(shù)

決定整個系統(tǒng)光通道損耗性能的參數(shù)主要有如下3項。

l ODN光通道損耗:即最小發(fā)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(fā)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(fā)送功率和最低接收靈敏度(過載點)的差。

(6)ODN的反射

ODN的反射取決于構成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(yōu)于?35dB，光纖接入的最大離散反射則應優(yōu)于?50dB。

4.光網絡單元(ONU)

光網絡單元(ONU)位于ODN和用戶設備之間，提供用戶與ODN之間的光接口和與用戶側的電接口，實現(xiàn)各種電信號的處理與維護管理。ONU內部由核心層、業(yè)務層和公共層組成，業(yè)務層主要指用戶端口;核心層提供復用、光接口;公共層提供供電、維護管理。

5.PON的應用模式

PON的業(yè)務透明性較好，原則上可適用于任何制式和速率信號。與點到點的有源光網絡相比，PON技術的主要特點在于維護簡單、成本較低(節(jié)省光纖和光接口)、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(yōu)勢，PON一直被視為接入網未來的發(fā)展方向。

PON最適合的應用是:接入網絡靠近客戶的末端的部分;ONU服務的客戶不強調必須要冗余或迂回保護;OLT可以設立在生存性能好的節(jié)點處(例如有迂回保護的節(jié)點)，用戶地理位置相對集中的地方。PON主要有3種應用模式。

(1)替代現(xiàn)有的二層匯聚網絡:PON可以替代現(xiàn)有的二層交換機和光纖收發(fā)器，將LAN的接入網引至IP城域網，如圖1.13所示。

(2)替代相關段落的接入光纜:PON系統(tǒng)可以替代現(xiàn)有的部分光纜和光交換設備，從而節(jié)省相關段落的接入光纜，如圖1.14所示。

(3)多業(yè)務接入方式(實現(xiàn)FTTH):PON系統(tǒng)可以提供滿足不同QoS要求的多業(yè)務、多速率接入，能適應用戶的多樣性和業(yè)務發(fā)展的不確定性的要求，如圖1.15所示。

EPON作為一種新的寬帶接入技術，是一個全業(yè)務提供平臺，能支持數(shù)據(jù)業(yè)務，也能支持語音和視頻等實時性業(yè)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(yè)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(yè)務的主導，估計要到2015年才能完全被數(shù)字視頻業(yè)務所取代，所以，目前設計的EPON系統(tǒng)應該既支持數(shù)字視頻業(yè)務又支持模擬視頻業(yè)務。原有的1490nm仍然攜帶下行數(shù)據(jù)、數(shù)字視頻和語音業(yè)務，1310nm傳輸上行用戶語音信號、數(shù)字視頻點播(VOD)和下載數(shù)據(jù)的請求信息。

語音信號對時延和抖動要求嚴格，而以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(yè)務

目前對EPON多業(yè)務能力質疑最多的就是它傳輸傳統(tǒng)TDM業(yè)務的能力。

這里提及的TDM業(yè)務包括語音業(yè)務(POTS，Popular Old Telephone Service)和電路業(yè)務(T1/El，N′64kbit/s等租用線)兩大類。

EPON系統(tǒng)承載數(shù)據(jù)專線業(yè)務(2048kbit/s或13′64kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務)時，推薦采用TDM over Ethernet方式。EPON系統(tǒng)承載語音業(yè)務時，可采用電路交換方式或VolP方式。

今后幾年內，因電路業(yè)務的市場需求仍然很大，所以，要求EPON系統(tǒng)既要承載分組交換業(yè)務，又要承載電路交換業(yè)務，EFM對TDM如何在EPON上承載，如何保證TDM業(yè)務的質量，在技術上沒有做具體規(guī)定，但必須兼容以太網幀格式。多業(yè)務EPON(MS-EPON)采用E1 Over Ethernet技術，在以太網幀上高效解決TDM業(yè)務的適配問題，使得EPON實現(xiàn)多業(yè)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(xiàn)象，向以太網用戶提供可承諾的帶寬保證。

Ethernet的封裝方式使得EPON技術非常適于承載IP業(yè)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(shù)據(jù)等TDM業(yè)務。EPON是基于以太網的異步傳送網絡，它沒有全網同步的高精度時鐘，難以滿足TDM業(yè)務的定時和同步要求。要解決TDM業(yè)務的定時同步問題同時又要保證TDM業(yè)務的QoS等技術難題不僅要在EPON系統(tǒng)自身設計上做改進，同時也需要采用一些特定的技術。

電路交換方式語音業(yè)務性能指標指出，當EPON系統(tǒng)采用電路交換方式承載語音業(yè)務時，應滿足YDN 065-1997《郵電部電話交換設備總技術規(guī)范書》和YD/T 1128-2001《電話交換設備總技術規(guī)范(補充件1)》對純電路交換語音質量的要求。因此，目前EPON對TDM業(yè)務存在如下幾方面的問題。

① TDM業(yè)務的QoS保證:盡管TDM業(yè)務占用的帶寬較小，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(tài)帶寬分配時考慮如何減小TDM業(yè)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(yè)務對延時和抖動等的嚴格控制。

② TDM業(yè)務的定時與同步:TDM業(yè)務對定時和同步的要求特別嚴格。而EPON本質上是基于以太網技術的異步傳送網絡，沒有全網同步的高精度電信時鐘。以太網定義的時鐘精度為±100′10而傳統(tǒng)TDM業(yè)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，還必須盡可能周期性地傳送TDM數(shù)據(jù)，以滿足其抖動和誤碼要求。

③ EPON的生存性:TDM業(yè)務還要求承載網絡必須具有良好的生存性，在發(fā)生重大故障時，能在盡可能短的時間內實現(xiàn)業(yè)務的可靠倒換。由于EPON主要用于接入網建設，離用戶距離較近，各種應用和使用環(huán)境復雜，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(tǒng)能提供經濟高效的系統(tǒng)保護方案。

2.IP業(yè)務

EPON傳輸IP數(shù)據(jù)分組無需協(xié)議轉換，效率高，非常適合用于數(shù)據(jù)業(yè)務。

VolP技術作為一項發(fā)展中的熱門技術，近些年已實現(xiàn)了一定范圍的規(guī)模應用，是IP網絡承載語音業(yè)務的一個有效手段。在EPON系統(tǒng)中，同樣可以通過增加某些VoIP設備或功能，實現(xiàn)傳統(tǒng)電話業(yè)務的接入。利用VoIP技術，只要保證EPON語音業(yè)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(xiàn)語音業(yè)務的傳輸。此種方式實現(xiàn)起來相對簡單，可以直接移植現(xiàn)有技術，但需要昂貴的局端接入網關設備，建網成本較高，且會受限于VoIP技術本身的缺陷。此外，也無法提供E1和N′64kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務的接入。

當EPON系統(tǒng)采用VoIP方式承載語音業(yè)務時，應滿足以下VoIP方式語音業(yè)務的性能指標要求。

① 語音編碼動態(tài)切換時間<60ms。

② 應具有80ms緩沖存儲能力，以保證不發(fā)生語音斷續(xù)和抖動。

③ 語音的客觀評定:網絡條件很好時，PSQM的平均值<1.5;網絡條件較差時(丟包率=1%，抖動=20ms，時延=100ms)，PSQM的平均值<1.8;網絡條件惡劣時(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:網絡條件很好時，MOS的平均值>4.0;網絡條件較差時(丟包率=1%，抖動=20ms，時延=100ms)，MOS的平均值<3.5;網絡條件惡劣時(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。對于G.729a，要求編碼率<18kbit/s。對于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(huán)回時延):VoIP的時延包括編解碼時延、收端輸入緩沖時延和內部隊列時延等。采用G.729a編碼時，環(huán)回時延<150ms。采用G.723.1編碼時，環(huán)回時延<200ms。

3.CATV業(yè)務

對模擬的CATV業(yè)務，EPON也可以采用和GPON一樣的方式承載:增加一個波長(其實這屬于WDM技術，跟EPON和GPON本身無關)。

PON技術是實現(xiàn)FTTx最佳寬帶接入的方式，EPON是結合了以太網技術與PON技術而產生的一種新的光接入網技術，它可以用于傳輸語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務，并且兼容未來的一些新業(yè)務，EPON將以其高帶寬、高效率和易擴展等絕對優(yōu)勢成為全業(yè)務寬帶光接入的主導技術。

為了提高網絡可靠性和生存性，可在PON系統(tǒng)中采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(fā)現(xiàn)觸發(fā);②強制倒換，由管理事件觸發(fā)。

光纖保護主要的有三種類型:主干光纖冗余保護、OLT PON口冗余保護、全保護，如圖1.16所示。

主干光纖冗余保護(圖1.16(a)):采用單個PON端口，在OLT PON口處內置1′2光開關;采用2∶N光分路器，由OLT檢測線路狀態(tài)，倒換由OLT完成，對ONU無特殊要求。

OLT PON口冗余保護(圖1.16(b)):備用的PON端口處于冷備用狀態(tài)，采用2∶N光分路器;由OLT檢測線路狀態(tài)，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端口均處于工作狀態(tài);采用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(tài)并決定主用線路，倒換由ONU完成。

PON系統(tǒng)保護倒換機制可以支持被保護業(yè)務的自動返回或人工返回。對于自動返回方式，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(yè)務應自動返回到原來的工作路由，返回等待時間可以設置。

PON技術現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的PON系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)流采用廣播技術、上行數(shù)據(jù)流采用TDMA技術，以解決多用戶每個方向信號的復用問題。傳統(tǒng)PON技術采用WDM技術，在光纖上實現(xiàn)單纖雙向傳輸，解決2個方向信號的復用傳輸。PON一般由光線路終端(OLT)、分光器(ODU)、用戶終端(ONU)3個部分構成。目前在現(xiàn)網中廣泛應用的PON技術包括EPON和GPON 2種主流技術，EPON上下行帶寬均為1.25 Gbit/s，GPON下行帶寬為2.5 Gbit/s，上行帶寬為1.25 Gbit/s.

目前在實際的FTTx應用場景中，大多數(shù)EPON/GPON只配置了以太接口，可選配置POTS和2M接口。但從技術標準要求上，EPON/GPON均可實現(xiàn)IP業(yè)務和TDM業(yè)務等多業(yè)務接入，并可實現(xiàn)QoS分類。

EPON/GPON均可傳遞時鐘同步信號，可通過OLT的STM-1接口或GE接口，從外部線路中提取頻率同步信號，此時OLT需要支持同步以太網;也可以在OLT設備上從外部BITS輸入時鐘信號，作為該PON的公共時鐘源，ONU與該時鐘源保持頻率同步。

PON技術標準的發(fā)展

雖然10G EPON和PON尚未大規(guī)模商用，但10 Gbit/s以上速率的PON技術是近2年ITU-T和FSAN研究的重點和熱點。XG-PON1的相關技術標準已經趨于成熟，XG-PON1之后的NG-PON2標準 框架也已基本完成。向多波長擴展是近期技術研究的重點，F(xiàn)SAN已經明確TWDM-PON是未來NG-PON2的技術選擇，但在ITU-T SG15中規(guī)范多種技術的G.multi標準也已基本完成，這說明有關多波長擴展的多個技術流派之爭遠沒有結束。表1是ITU-T關于GPON、XG-PON1和NGPON2相關標準的制定和成熟情況。

pon無源光纖網絡的英文縮寫，與有源光接入技術相比，PON由于消除了局端與用戶端之間的有源設備，從而使得維護簡單、可靠性高、成本低，而且能節(jié)約光纖資源，是未來FTTH的主要解決方案。隨著PON成本的逐步降低，不但在FTTB/FTTC場合PON有了一定的應用市場，而且利用PON來實現(xiàn)FTTH在日本等發(fā)達國家也取得了很大的進展。目前PON技術主要有APON、EPON 和GPON等幾種，其主要差異在于采用了不同的二層技術。

APON是上世紀90年代中期就被ITU和全業(yè)務接入網論壇(FSAN)標準化的PON技術，F(xiàn)SAN在2001年底又將APON更名為BPON，APON的最高速率為622Mbps，二層采用的是ATM封裝和傳送技術，因此存在帶寬不足、技術復雜、價格高、承載IP業(yè)務效率低等問題，未能取得市場上的成功。

為更好適應IP業(yè)務，第一英里以太網聯(lián)盟(EFMA)在2001年初提出了在二層用以太網取代ATM的EPON技術，IEEE 802.3ah工作小組對其進行了標準化，EPON可以支持1.25Gbps對稱速率，將來速率還能升級到10Gbps。EPON產品得到了更大程度的商用，由于其將以太網技術與PON技術完美結合，因此成為了非常適合IP業(yè)務的寬帶接入技術。對于Gbit/s速率的EPON系統(tǒng)也常被稱為GE-PON。

在EFMA提出EPON概念的同時，F(xiàn)SAN又提出了GPON，F(xiàn)SAN與ITU已對其進行了標準化，其技術特色是在二層采用ITU-T定義的GFP(通用成幀規(guī)程)對Ethernet、TDM、ATM等多種業(yè)務進行封裝映射，能提供1.25和2.5Gb/s下行速率和所有標準的上行速率，并具有強大OAM功能。在高速率和支持多業(yè)務方面，GPON有明顯優(yōu)勢，但成本目前要高于EPON，產品的成熟性也遜于EPON。

1、PON設備的網絡規(guī)劃- OLT的部署。xPON建設初期，宜采用集中設置，在傳輸匯聚節(jié)點設置OLT節(jié)點覆蓋一定區(qū)域內的零散用戶。在xPON應用成熟期，宜采用分散設置的原則，將OLT設置在條件較好的有線接入或無線接入點機房，逐步向接入網接入和無線接入點相統(tǒng)一進行過渡，充分實現(xiàn)基礎資源的綜合利用。采用大容量的OLT設備，充分利用光接入的距離優(yōu)勢，減少局所，降低維護成本。

2、PON設備的網絡規(guī)劃-分光器的部署。分光器分光:目前PON可以采取兩級分光方式來保證部署的靈活和端口的充分利用;當用戶滲透率提高時，將二級分光調整為一級分光;就目前接入PON網絡宜采用一級分光，盡量不超過兩級分光。用戶規(guī)模較小時，分光器應集中設置;用戶規(guī)模較大時，分光器可適當分散設置，以便盡量靠近用戶。分光器布放位置:分光器可以根據(jù)工程的實際情況布放在交接箱、小區(qū)機房、樓道和弱電井等地方。

3、PON設備的網絡規(guī)劃- ONU的部署。建設PON網絡實現(xiàn)接入網/FTTB時，宜盡量選用內置語音模塊的設備實現(xiàn)綜合業(yè)務接入。ONU應根據(jù)FTTx網絡的應用模式、業(yè)務需求進行設置。對于接入網應用，應盡量將ONU設置在用戶家里，避免安裝在門口或樓道內。對普通公眾用戶，可將ONU設置在用戶終端智能盒內提供保護，或者放置于桌面(采用光纖信息插座)。對于FTTB應用，可選擇將ONU設置在大樓樓道或豎井內機柜、室外光交接箱等不同位置集中放置。ONU原則上采用本地供電方式，盡量不采用遠端供電方式。為保證斷電時語音業(yè)務的正常開展，可以根據(jù)提供電池模塊提供備用電源。

4、PON設備的網絡規(guī)劃-網管。集中建設廠家網管，開放北向接口，便于接入傳輸綜合網管。

補充:PON 在環(huán)境里面代表顆粒有機氮。

PON的復雜性在于信號處理技術 。在下行方向上，交換機發(fā)出的信號是廣播式發(fā)給所有的用戶。在上行方向上，各ONU必須采用某種多址接入?yún)f(xié)議如時分多路訪問TDMA(Time Division Multiple Access)協(xié)議才能完成共享傳輸通道信息訪問。目前用于寬帶接入的PON技術主要有: EPON和GPON。