PON

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PON(Passive Optical Network：無源光纖網路/無源光網路)

　　無源光網路是一種點對多點的光纖傳輸和接入技術，下行採用廣播方式，上行採用時分多址接入方式，可以靈活地組成樹型、星型和匯流排型等各種拓撲結構。

　　對於下行傳輸，採用基於時分復用的廣播方式，由無源光分離器把由饋線光纖輸入的光信號按功率平均分配到若幹輸出用戶線光纖上，一般有1分16、1分32或1分64三種分配方案。對於上行傳輸，採用時分多址接入方式，由無源光分路器把由用戶線光纖上傳的光信號耦合到饋線光纖並傳輸至光線路終端。整個系統可以同時傳送語音／電話、數據和視頻信號。

　　1988年，基於電話業務的TPON(電話無源光網路)設想首先在英國被提出。

　　1995年，由某些電信運營商組建的(Full Service Access Network，FSAN)國際研究組共同研究了全業務接入網技術。1997年，根據FSAN建議，ITU-T提出了以ATM為基礎的，上下行速率均為155Mbit／s的APON標準G．983．1。在2001年，有關規範又被修正為上行155Mbit／s和下行622Mbi／s的不對稱傳輸系統和上、下行均為622Mbit／s的對稱系統，被稱為Broadband PON(即BPON)。BPON在日本有相當規模的應用。

　　鑒於數據流量的劇增，APON和BPON所採用的物理層結構其速率已難以提高，而且它們在傳送IP流量時效率很低，因此FSAN致力於推出一種速率大於Gbit／s的PON，並以採用通用組幀程式(Generic Framing Procedure，GRP)的方法來提高效率。GFP允許可變長度的幀與ATM單元混合組幀。2003年，在FSAN的建議基礎上，ITU-T提出了有關Gigabit-capable PON(GPON)的C．984．1和G．984．2建議。GPON的上、下；行速率提高到了2．5Gbit／s，效率也大為提高。

　　與此同時，IEEE在1998年發佈了吉比特乙太網標準之後，從2000年開始通過成立802．3ah(即第一英里乙太網(Ethernet for the First Mile，EFM)工作組)的方式開始了EPON的標準化工作。EFM指出了以Ethernet技術為核心的EPON的許多優點，包括協議成熟、技術簡單、易於擴展、面向用戶等，並堅信Ethernet PON可以消除WAN／LAN連接中ATM和真P之間的協議轉換。為了加速EPON的標準化工作，EFM計劃將其工作重點放在EPON的MAC協議上，其餘將主要參照ITU-TC．983建議，因為C．983並不排除非ATM協議，並留有較大餘地，因此C．983的大部分現有內容都可以被有效引用，從而能以最快速度完成有關EPON的標準，並投入商用。

　　EFM制定EPON標準的基本原則是儘量在802．3體繫結構內進行EPON的標準化工作，最小程度地擴充乙太網MAC協議。為了支持PON這一新應用和新介質，EFM在研究點到點(Point to Point，P2P)光纖乙太網，速率最低1000Mbit／s，距離至少lOkm的基礎上，定義了新的網路拓撲和相應的物理層：點到多點(Pointto Multi Point，P2MP)光纖乙太網，速率最低1000Mbit／s，距離至少10km。

　　在EFM制定的EPON標準中，EPON以MAC控制子層的MPCP(Multi Point Control Protocol)機製為基礎，MPCP通過消息、狀態機和定時器來控制訪問P2MP的拓撲結構。MPCP涉及的內容包括ONU發送時隙的分配、ONU的自動發現和加入、向高層報告擁塞情況以便動態分配帶寬。P2MP拓撲中的每個ONU都包含一個MPCP實體，它可以和OLT中的MPCP實體進行消息交互。MPCP在OLT和ONU之間規定了一種控制機制，來協調數據的有效發送和接收：系統運行過程中上行方向在一個時刻只允許一個ONU發送，位於OLT的高層負責處理髮送的定時、不同ONU的擁塞報告，從而優化PON系統內部的帶寬分配。P2P模擬子層是EPON／MPCP協議中的關鍵組件，通過給每個分組包增加LLID(Logical Link Identification)，從而替代2位元組的首碼，它可使P2MP網路拓撲對於高層來說表現為多個點對點鏈路的集合。另外，EPON通過在MAC層中實現802．1p來提供與APON類似的QoS。EFM還規定了系統同步方式、ONU的自動識別方式、乙太網的管理和維護以及信息安全等功能的實現方式。

　　為了實現系統同步，EPON系統的時鐘同步採用時間標簽方式：在OLT側有一個全局的計數器，OLT根據本地計數器在下行方向插入時鐘標簽，ONU根據收到的時鐘標簽修正本地計數器，完成系統同步；ONU根據本地的計數器在上行方向插入時鐘標簽，OLT根據收到的時鐘標簽完成測距。

　　EFM對解決ONU的註冊衝突提出了兩種方案：隨機延遲時間法和隨機跳過開窗法。採用隨機延遲時間的方法可以縮短ONU加入系統的時間，但是需要增大註冊開窗的長度，這樣會降低系統的帶寬利用率。採用隨機跳過開窗的方法比採用隨機延遲時間的方法時延要大，但是不需增大註冊開窗，不會影響系統的帶寬利用率。

　　EFM要求EPON應具有完整的電信級的管理能力，OLT應可以監測業務網和用戶駐地網之間的物理鏈路和設備的一些重要的信息。EFM已經決定提供的OAM功能包括：遠端錯誤指示、遠端環回、鏈路監視。

　　在乙太網基礎上發展起來的EPON，是遵循IEE802．3工作組規範的無源光網路。IEEE802．3ah工作組還規範了Gbit／s速率以上(eg.10Gbit／s etc)EPON。與電信運營商不同，他們認為保持IP乙太網沒有拘束、無所不在和低成本等優點，不過度規範其標準的作法，將使EPON更有發展前景。在未來的廣播TV節目、IP多播技術、VOD、單線Karaoke、IP電話、DVD級多播及登錄、電子旅游、電子游戲等充分普及後，究竟GPON還是EPON是贏家，現在還難以預料。

　　WDM-PON採用波分復用與無源光網路技術組合而成。它具有可採用不同波長作為上、下行通道，並可綜合利用GPON與EPON等技術組織多種業務的優點，因此受到了人們的青睞。隨著成本的不斷降低，在未來全業務光接入網的發展中，WDM-PON將發揮巨大作用。

　　按承載的內容來分類，PON主要包括基於ATM的無源光網路(APON)／寬頻無源光網路(BPON)，基於Ethernet(乙太網)的以太無源光網路(EPON)，基於GFP(通用成幀規程)的吉比特無源光網路(GPON)等。它們主要差異在於採用了不同的二層技術。APON二層採用的是ATM技術，最高速率為622Mbps。EPON二層採用的是Ethernet技術，可以支持1．25Gbps速率，將來速率還能升級到10Gbps。GPON二層則採用GFP(通用成幀規程)對Ethernet、TDM、ATM等多種業務進行封裝映射技術。

　　①PON使端局到用戶的距離延長。基於PON的本地環路的距離可達20km，遠遠超過DSL的最大覆蓋範圍。

　　②PON提供更寬的帶寬(由於光纖更靠近用戶)。光纖到樓(FTTB)、光纖到家(FTTH)，甚至光纖到電腦(PC)，達到了光纖貫穿到用戶所有路徑的目標，而光纖到小區／路邊(FTTC)是目前最經濟的形式。

　　③作為點對多點的網路拓撲結構，PON適合彙集多用戶，適合下行視頻組播／廣播業務。

　　④因為無源的光分／合路器對信號傳輸是完全“透明”的，PON可通過波分復用技術實現速率升級，可疊加其他通道到PON上而不用改變設備電路。PON去掉了遠置的復用／解復用設備，可將無源光分／合路器埋在地下，免去了網路運營商供電、維護之“苦”。

　　⑤PON本身是一種多用戶共用系統，即多個用戶共用同一前端設備，端局僅需要一根光纖和一個光分路器，這就最小化了戶外和端局內光纖鋪設工程量，使端局設備耗電更少、占空間根少，降低了系統安裝、開通、維護和運營成本。

　　要探討PON的應用模式，首先要瞭解其面對的用戶群。我國的寬頻用戶可細分為普通居民用戶、高端居民用戶、中小商業／企業用戶、集團用戶4類：

　　1)普通居民用戶數有限，對於網路的可靠性、服務質量、安全性等方面要求都不高，現有DSL接入和LAN接入因具有成熟和廉價的特點，是此類用戶目前的主要選擇。這類用戶在短期內不會成為PON的目標客戶。

　　2)高端居民用戶比較註重服務的品牌，會成為PON早期的潛在客戶。

　　3)對於中小商業／企業用戶，基於LAN的業務提供方式在帶寬和成本方面都可以比較好地滿足此類用戶的需要，所以從投資收益比的角度來看，PON並不受這些客戶的重視。但是如果將PON的成本和帶寬由若幹用戶分擔，此類用戶可以成為PON的客戶。

　　4)集團用戶註重可靠性，對服務質量的要求高，業務種類多，對價格不太敏感，因此是PON的主要客戶群。

　　因此，當前PON可能在某些具有較高帶寬需求的商業用戶群、高檔住宅小區和網吧應用。目前，在網吧的應用比較多，據瞭解，重慶市已有多家網吧採用EPON技術上網。

　　PON是一種點對多點的光纖傳輸系統，下行採用廣播方式，上行採用時分多址方式，在光分支點不需要節；點設備，只需安裝一個簡單的光分路器即可。其拓撲結構取決於ODN的結構。通常ODN具有四種基本拓撲結構：單星型、多星型(也即樹型)、匯流排型和環型，相應地PON也具有這四種基本拓撲結構。

　　1．單星型結構

　　如圖所示，用戶端的每一個ONU分別通過一根或一對光纖與局端的同一OLT相連，以OLT為中心形成星型拓撲結構。OLT輸出的信號光通過一個光分路器均勻分到各個ONU，適合於用戶均勻分散在OLT附近的情況。

　　單星型結構的特點：線路中沒有有源電子設備，是一個純無源網路，線路維護簡單；光纖通道相互獨立，各ONU之間互不影響，保密性能好，易於升級；但光纜需要量大，無法實現光纖和光源的共用，成本高。

　　2．多星型(樹型)結構

　　如圖所示，該結構中，ODN由很多OBD串聯組成。連接OLT的第一個OBD將光分成n路，每路通向下一級的OBD。它是以增加光功率預算的要求來擴大PON的應用範圍的。

　　多星型結構的特點：實現了光信號的透明傳輸，線路維護容易；不存在雷電及電磁干擾，可靠性高；用戶可共用一部分光設施，如光纜的饋線段和配線段以及局端的發送光源。但由於所有ONU的功率都由OLT中的一個光源提供，光源的光功率有限，從而限制了光信號的傳輸距離及所連接的ONU數量。

　　在這種結構中，所有串聯的OBD可以按兩種方法分光：均勻分光和按額定比例的非均勻分光。均勻分光OBD組成的網路一般稱為多星型網路，非均勻分光OBD組成的網路常稱為樹型網路。對於通常的接入網用戶分佈環境，這兩種結構的PON應用範圍最廣。

　　3．匯流排型結構

　　如圖所示，在匯流排型結構中，常常採用非均勻分光的光分路器OBD實現，各OBD沿線狀排列。OBD負責從光匯流排中分出OLT傳輸的光信號，或者將每個ONU傳出的光信號插入到光匯流排上。非均勻的OBD只給匯流排引入少量的光損耗，而且也只從光匯流排中分出少量的光功率，其分路比根據最大的ONU數量和ONU最小的輸入光功率等具體要求確定。由於光纖線路上存在損耗，使得在靠近OLT和遠離OLT處接收到的光信號強度差別較大。因此，對ONU中光接收機的動態範圍要求較高。

　　此結構適合於沿街道、公路呈線狀分佈的用戶環境。

　　4．環型結構

　　如圖所示，把匯流排結構中的OBD與OLT組成一個閉合環就構成了環型結構。環型結構中所用的器件以及信號的傳輸方式與匯流排型結構類似，只是OBD可從兩個不同的方向通到OLT，從而形成可靠的自愈環型網，可靠性大大優於匯流排型結構。

　　上述四種拓撲結構中，樹型和匯流排型是兩種最基本的拓撲結構，單星結構和多星結構是樹型結構的特例，環型結構則可看成是兩個匯流排型結構的結合。

　　實際應用中，由於受歷史條件、地貌條件和經濟發展等各種因素的影響，用戶的分佈非常複雜，同時又要考慮到降低建造費用和提高網路的運行效率，因此，PON的實際拓撲結構往往非常複雜。

　　選擇PON的拓撲結構時，一般應考慮以下因素：用戶的分佈拓撲、OLT和ONU的距離、可獲得的技術、提供各種業務的光通道、光功率預算、波長分配、升級要求、可靠性要求、安全以及光纜的容量等。

　　1)替代現有的二層匯聚網路：EPON可以替代現有的二層交換機和光纖收發器，將LAN的接入網引至IP城域網，如圖所示。

　　2)替代相關段落的接入光纜：PON系統可以替代現有的部分光纜和光交換設備，從而節省相關段落的接入光纜，如圖所示。

　　3)多業務接入方式(實現FTTH)：PON系統可以提供不同QoS要求的多業務、多速率接入，能適應用戶的多樣性和業務發展的不確定性的要求，如圖所示。