PON系统知识简介

1、1 PON 基础知识1.1 PON 技术概念PON(Passive Optical Network) 即无源光网络，一种基于点到多点 (P2MP)拓扑的技术。无源”指ODN(光分配网络)中不包含有任何电子器件及电子电源， ODN 全部由光分路器 Splitter 等无源器件组成，不需要 贵重的有源电子设备。目前的 PON 技术分为以下几种：APON : ATM PON，基于 ATM的无源光接入技术。上世纪 90年代 中期由 ITU 和 FSAN 提出并标准化，由于容易被用户认为只能提供ATM业务，2001年被改称 BPON.遵循ITU-T G.983系列标准。EPON : Ether PON

2、，基于以太网的无源光接入技术。 2000 年 11月成 立 IEEE 研究小组 (即后来的 EFM 工作组 )，2004 年 4 月工作组形成 IEEE 802.3ah 系列标准。现统称为 IEEE 802.3-2005 。GPON : Gigabit(千兆)PON，基于 ATM/GEM 的无源光接入技术。FSAN在2001年初提出，ITU和FSAN进行标准化，遵循ITU-TG.984 系列标准。WDM-PON ：基于波分复用的无源光接入技术，尚无统一标准。PON 是一种接入网技术，定位在常说的 “最后一公里”，即在服务提 供商、电信局端和商业用户或家庭用户之间的解决方案。PON 网络的突出优

3、点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功 能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小， 大部分资金可以等到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤 接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设机房，维护容 易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。优点：1) 多业务： PON 系统要求提供语音，数据，视频等业务接入，业务透明性好，实现真正意义的全业务接入与三网合一 ”。2) 高带宽: 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。3) 长距离接入:光纤的

4、传输距离高达数百公里，所以实际上物理传输 层的距离瓶颈在收发光信号的设备光器件上， 目前 PON 标准规定距 离为 20km ，这样的长度对社区网络来说已是绰绰有余；4) 成本相对低:由于 PON 系统的 ODN 部分没有电子部件，无需电源供应，因此容易铺设，基本不用维护，建设维护成本低。设备相对 简单，系统对局端的资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。5）扩展性好：目前PON网络一般采用树型网络结构，作为一种点到多 点网络，以一种扇出的结构既节省光纤的资源，同时这种共享带宽 的网络结构能够提供灵活的带宽分配。对终端的接入无需增加主干 部分的线路，另外，系统在设计增加了动态测距

5、和分配时隙的技术， 终端的增加和拆除不影响整个系统的稳定运行，所以，当系统需要 扩充时，所需改动的部分最小，为工程实施提供了灵活的解决方案。6）良好的QoS保证；PON系统设计中，由于本身就是为电信运营商提供多业务接入而设计的技术方案，G/EPON系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。在不同业务的服务质量、优先级保证等技术措施上，提供了多种应用解决手段，实现用户级的SLA，因此,用户可根据接入的设备重要性的不同，分别设置不同的服务等级， 对重要的用户或重要的应用设备，设置及时、可靠的响应机制，从 而实现了多业务、不同服务等级的综合接入系统。7）无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷

6、电影响，极适 合在自然条件恶劣的地区使用。缺点：1）建网需要重新布线，但布线成本低于铜缆。2）网络拓扑以星树形为主。虽然有环形保护的变通方案，但成本效率 不是最优，PON最适合的就是末端接入。3）国内应用规模尚小，设备成本降低尚未到位。2 PON系统模型以EPON（以太网无源光网络）系统为例。EPON就是将信息封装成以 太网帧进行传输的 PON。由于以太网相关器件价格相对低廉，并且对于 在通信业务量中所占比例越来越大的以太网承载的数据业务而言， EPON免去了 IP数据传输的协议和格式转化，效率高，传输速率达1.25Gbit/s，且有进一步升级的空间，因此EPON受到了普遍关注。PON系统参考

7、结构如下图所示：图1.1 PON系统参考结构EPON是一种采用点到多点结构的单纤双向光接入网络，其典型拓 扑结构为树型。EPON系统由局侧的 OLT（光线路终端）、用户侧的光网 络单元ONU/ONT（光网络单元/终端）和ODN （光分配网络）组成，为单纤 双向系统。在下行方向（OLT到ONU，广播），OLT发送的信号通过 ODN 到达各个ONU。在上行方向（ONU到OLT，点到点），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利 用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式并对各 ONU的数据发送进行仲裁。ODN也指POS（Passive Optical S

8、plitter），由光纤和一个或多个 无源光分路器等无源光器件组成，在OLT和ONU间提供光通道。一般而言，OLT位于网络侧，放在中心局端 （CentralOffice，CO），多 为以太网络交换机或媒体转换器平台，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（如路边、建筑物或用户住处 ），采用以太网协议， 实现以太网第二层第三层交换功能。PON系统构成如下：3 PON工作原理基本思想：在一定的物理限制和带宽限制条件下，让尽可能多的终 端设备ONT来共享局端设备 OLT和馈送光纤。工作原理：OLT将送达各个ONU的下行业务组

9、装成帧，以广播的方式发给多个ONU，即通过光分路器分为 N路独立的信号，每路信号都 含有发给所有特定 ONU的帧，各个ONU只提取发给自己的帧，将其它 ONU的帧丢弃；上行方向从各个 ONU到OLT的上行数据通过时分多址（TDMA）方式共享信道进行传输，OLT为每个ONU都分配一个传输时隙。 这些时隙是同步的，因此当数据包耦合到一根光纤中时，不同ONU的数据包之间不会产生碰撞。仍以EPON系统为例，EPON下行串行传输原理图如下:图1.3 PON工作原理一下行广播对应于 N个ONU , OLT有N个MAC端口（接口）。在下行方向，OLT 为每个已注册成功的 ONU分配一个唯一的链路 ID（LL

10、ID）。EPON下行 帧由一个被分成固定长度帧的连续信息流组成，每帧携带多个可变长度 的数据包（时隙）。OLT在帧中插入发出该帧的 MAC端口的LLID，并将 数据以可变长度的数据包广播传送给所有在EPON上与OLT相连的ONU。数据到达ONU时，由ONU的MAC层进行地址解析，提取出符 合自己的LLID的数据包，丢弃其他的数据包。注意，每个ONU只能在预先分配的时隙内接入并取出属于自己的信息。EPON上行串行传输原理图如下：图1.4 PON 工作原理 一上行TDMA上行方向采用时分方式共享系统，通过接入控制机制将各个 ONU有序接入。如图2.4所示，将上行传输时间分为若干时隙，OLT在每个时

11、隙只安排一个 ONU发送信息。各ONU在每个传送帧的前导码中插入分 配的LLID，并按OLT规定的时间顺序依次向OLT发送，多个 ONU的上行信息组成一个 TDM信息流传送到 OLT。这样，各ONU的数据包（包 含1个或多个以太帧）汇合到公共光纤时， 就不会发生互相碰撞。 OLT接 收数据时比较LLID注册列表，基于特定的LLID将帧解码到合适的 MAC 端口。3.1 FTTx 业务模型EPON 系统可能承载的业务类型包括以太网 /IP 业务、语音业务、 TDM 业务和 CATV 业务等，其中 TDM 业务为 E1 电路仿真业务。 EPON 系统 应具有承载以太网 /IP 业务的能力，可选支持

12、语音业务、 TDM 业务和 CATV 业务。EPON ONU 设备的应用场景主要有以下五种类型：1）SFU（ 单住户单元 ）型 ONU主要用于单独家庭用户，仅支持宽带接入终端功能，具有 1 或 4 个 以太网接口，提供以太网/IP业务，可以支持VoIP业务（内置IAD）或CATV 业务，主要应用于 FTTH 的场合 （可与家庭网关配合使用，以提供更强的业务能力 ）。2）HGU（ 家庭网关单元 ）型 ONU主要用于单独家庭用户，具有家庭网关功能，相当于带EPON 上联接口的家庭网关，具有 4个以太网接口、 1个 WLAN 接口和至少 1个 USB接口，提供以太网/IP业务，可以支持 VoIP业务

13、（内置IAD）或CATV 业务，支持 TR-069 远程管理。主要应用于 FTTH 的场合。3）MDU（ 多住户单元 ）型 ONU主要用于多个住宅用户，具有宽带接入终端功能，具有至少8 个用户侧接口 （包括以太网接口、 ADSL2+ 接口或 VDSL2 接口 ），提供以太网 /IP 业务、可以支持 VoIP 业务（内置 IAD） 或 CATV 业务，主要应用于 FTTB/FTTC/FTTCab 的场合。4）SBU（单商户单元）型ONU主要用于单独企业用户和企业里的单个办公室，支持宽带接入终端 功能，具有以太网接口和 E1 接口，提供以太网 /IP 业务和 TDM 业务， 可选支持 VoIP 业

14、务。主要应用于 FTTO 的场合。5）MTU（ 多商户单元 ）型 ONU 主要用于多个企业用户或同一个企业内的多个个人用户，具有宽带接入终端功能，具有多个以太网接口 （至少8个）、E1接口和POTS接口， 提供以太网/IP业务、TDM 业务和 VoIP业务（内置IAD），主要应用于 FTTB/FTTBiz 的场合。按照 ONU 在接入网中所处的位置不同， EPON 系统可以有几种网络 应用类型：光纤到家庭用户 （FTTH） 、光纤到公司 /办公室 （FTTO） 、光纤 到楼宇 /分线盒 （FTTB/C） 、光纤到交接箱 （FTTCab） 。SNIUNI图1.5 FTTx接入网应用类型光纤到家庭

15、用户 FTTH :仅利用光纤传输媒质连接通信局端和家庭住 宅的接入方式，引入光纤由单个家庭住宅独享。光纤到公司/办公室FTTO :仅利用光纤传输媒质连接通信局端和公 司或办公室用户的接入方式，引入光纤由单个公司或办公室用户独 享，ONU/ONT之后的设备或网络由用户管理。光纤到楼宇/分线盒FTTB/C :以光纤替换用户引入点之前的铜线电 缆，ONU部署在传统的分线盒（用户引入点）即DP点（DP, Distribution Point 分配点）ONU下采用其他介质接入用户。光纤到交接箱FTTCab :以光纤替换传统馈线电缆，ONU部署在交接箱即FP点处，ONU下采用其他介质接入到用户。图1.6

16、FTTx业务模型表1-1中进一步给出FTTx业务能力的若干参数表格1-1 FTTx 业务能力项目FTTCabFTTB/CFTTOFTTH常见应用模式FTTCabi netFTTBuildi ng/FTTCurbFTTOfficeFTTHomeONU容量数百线数十线单企业/办公室单住户OLT-ONU 距离5Km100Km<20Km<20Km<20KmONU距离用户的典型距离1 3Km300米以下050米020米每用户带宽能力2 25Mbps50/100Mbps100M GE100M或以上ONU侧用户接 口常用技术POTSADSL/ADSL2+VDSL2VDSL2/TDMFEPO

17、TSFE/GETDMWLANATMFE POTS WLANRFONU设备类型ONU(此处特 指数百线的)MDU/MTUSBUSFU4 EPON协议要求4.1 EPON基本特征遵循标准 IEEE 802.3-2005 section 5.OLT与ONU之间信号传输基于 IEEE 802.3以太网帧传输线路速率下行 /上行：1.25Gbit/s / 1.25Gbit/s编码方式为8B /10B码逻辑分光比1 : 32(1 : 64)两种物理层接口类型：1000BASE-PX10和1000BASE-PX20，分别支持10km传输和20km传输以MAC控制子层的 MPCP机制为基础，MPCP通过消息、

18、状态机和 定时器来控制访问 P2MP的拓扑结构P2P仿真子层是 EPON/MPCP协议中的关键组件4.2 EPON协议栈下图描述了 EPON系统的协议分层及其与 0SI参考模型之间的关系0$1參号LM1佔上层上层iACCitni表:見閔引.'.*冲乩么话庄IZ4C&MII *1PH,1FHYPU£=：1己溟询千民PH¥=W理层 尸陆心=辽任婢齐花址FEC=r'评別疗GMII =千比十壬匿匸 01=握庐相壬菇OAM=运忡、彗思碑护心 rTiTTIc pwQienia entClientOAMOfiMcjnl-1爭丸VI AC店刖ButACI vl AC

19、MACGtulllPMOJ WDH *MCI*元時-识J稲=傭和孑层ONU 代声皓Hi元图2.1 EPON协议分层和 OSI参考模型间的关系EPON数据链路层：控制物理传输媒质的访问，包括LLC、OAM（可选）、MAC Control（可选）和MAC四个子层。EPON物理层（PHY）:通过GMII接口与 RS层相连，为 MAC层传 送可靠数据。物理层定义了PCS、PMA和PMD三个子层。其中，PCS将GMII发送的数据进行编码/解码，使之适合在物理媒体上传 送；PMA生成并接收线路上的信号；PMD提供与传输介质的物理连接。从图中可以看出，EPON协议分层与传统的千兆以太网分层结构相 比，物理层定义几乎相同 （主要改动是增加功率控制功能），主要的区别是在扩展了三个子层：MAC控制子层、RS子层及OAM子层。多点接入子层用于支持上行和下行链路的多点接入；仿真子层将一点对多点的 通信等效为传统以太网的对等实体的通信（P2P）；安全子层主要用于下行链路的MAC帧加密（仿真子层和安全子层在 MAC层下）。仿真子层对以 太网帧贴上每个 ONU所特有的标签，这些标签称为链路ID”加在每个帧的前导码里。在 EPON内，MAC被它们的LLID所唯一地标识。为 保证链路ID的唯一性，在初始化注册阶段，OLT为每个ONU分配一个或多个标签。在MAC Control层增加了 MPCP子层作