【PON的网络架构概述4500字】

PON的网络架构概述目录TOC\o"1-3"\h\u12489PON的网络架构概述 1239841.1PON简述 1205871.2PON的发展历程 2194201.1.1窄带PON技术 3242731.1.2APON技术 3218931.1.3EPON技术 3256921.1.4GPON技术 466421.1.5三种PON技术的分析比较 6251061.3GPON的关键技术 7249551.3.1GEM帧结构 7257471.3.2测距技术 8320731.3.3动态带宽分配技术 870051.3.4GPON的QOS特性 91.1PON简述PON是一种一点到多点的无源光纤网络，在配线网中不含有有源的电子器件，它由光分路器ODN等器件组成，没有有源的电子设备。PON网络也是一种纯介质的网络，与有源网络相比具有很大的优势，例如抗雷电干扰能力强等，可以大大减少故障率，提高了整个系统的稳定性，同时相比有源设备，PON网络大大节约了成本，节省了机房的投资，并且PON的带宽资源丰富，建网速度也相比有源网络快很多[5]。当前的PON无源技术是由多种技术组成，其中包括APON、GPON、EPON，这几种PON网络技术，在二层的架构上有所不同，但是在很多应用和技术方面都是相同的，在不同的情况场合适合不同的技术，并且GPON是其中最为重要的一种技术[6]。一个PON网络是由一个一批光网络单元（ONUS）和一个光线路终端（OLT）组成。光线路终端（OLT）一般安装在中心控制站，网络单元（ONU）一般安装在用户场所。ODN位于纤路终端（OLT）和光网络单元（ONU）之间，并且ODN还包含了光纤以及无源分光器或耦合器。其典型的网络拓扑结构如下：图2-1PON无源光网络结构PON的发展历程无源光网络（PON）的概念最早是英国电信公司的研究人员于1987年提出的，逐渐发展为APON、EPON、GPON以及目前的10GPON等。其也主要分为：时分多址接入TDMA-PON、波分多址接入WDMA-PON、码分多址接入CDMA-PON等[5]。图2-2为PON网络架构图，由此我们可以了解到PON网络的简洁性并且所需的设备都是性价比相对较低的设备，都是采用无源设备ODN、OLT、ONU等和光纤接入光线，经济实用，贴合社会的发展。PON技术通过使用下行1490纳米、上行1310纳米的波长，利用码分技术在光纤中处理上下行传输的信号，并且PON网络通常是采用P2MP（点对多点）的树形拓扑方式，OLT向下广播传输数据，将数据分组传递给所有下挂的网络单元（ONU），并且在每一个分组中都包含一个信头，由此可可以判断ONU到达目的地及ONU的传输路径，当数据分组传递到ONU时，ONU的物理层可以解析地址ONUID，分析出并留下与自己地址匹配的数据，丢弃其他的数据分组上行；使用时分复用的方式，仅有一个数据通道，该数据通道被分割为不同的时隙，根据下行顿的字段，不同的ONU占用不同的时隙，ONU只在分配时隙内发送数据，就不会引起为了争夺时隙而产生数据传输冲突，GPON每倾共9120个时隙[5]。图2-2PON网络拓扑结构示意图窄带PON技术窄带PON技术是最早被提出的无源光网络技术，在当时研发完成后才发现窄带PON仅能提供业务接入速率在2Mbit/s以下的POTS或者ISDN等窄带业务[5]。但是当时各厂商听说无源的窄带PON到来，于是各厂商开始生产窄带PON产品，但那个时候还没有统一的规范标准，于是各厂商规范便不统一，各厂商之间也有各自的见解，无法将标准达成一致[5]。标准不统一会导致维护成本高，更换零配件昂贵，自然窄带PON的产品价格也始终居高不下。并且窄带PON是无源光网络的第一代产品所支持的接入业务类型单一并且传输速率过低，远远不能满足当前互联网发展的需要，窄带PON技术已经基本退出历史舞台，被宽带PON技术所替代，仅在少数农村边远地区有所应用。APON技术APON技术是20世纪90年代中期开发完成的，相比于窄带PON技术而言，APON技术就有了更加可圈可点的地方，APON技术是有ATM协议和PON原理共同结合运用所得到的一种无源光网络技术，又由于PON技术是当时性价比最高的技术，因此，将数据链路层ATM技术与物理层PON技术相结合，在当时APON技术成为了网络建设的最佳选择[5]。并且APON在当时协议成熟度也较高，各大厂商也开始联合制定标准化规范。但随着Ethernet技术的产生，ATM协议也始终没有改进，并且APON的产品价格也偏高，因此APON产品也始终不能得到推广和应用。EPON技术随着Ethernet技术的高速发展，把简单经济的Ethernet技术与PON的传输结构结合起来的EthernetoverPON概念开始引起技术界和网络运营商的广泛重视[7]。与基于ATM协议的APON相比，EPON最大的优越性在于允许设备制造商运营商放弃复杂昂贵的ATM和SONET器件，消除WAN/LAN连接中ATM和IP之间的协议转换，从而使网络大为简化，成本降低[7]。同时，以Ethernet技术为核心的EPON还有许多其他优点，包括协议成熟，技术简单，易于扩展，面向用户等，非常适合目前IP业务量飞速发展的应用环境[7]。随着10G以太网技术的成熟，EPON系统的传输的速率将会由目前的1000Mbit/s增加至10Gbit/s[7]。EPON在一根光纤上传送收发信号，使用到的技术是波分复用，分别用用下行1490nm，上行1310nm波长通道实现上下行数据传输，实现在一根光纤上同时传输上下行数据流而相互不影响[16]。下行方向，OLT发出的信号以广播式发给所有的用户[16]。上行方向，各ONU采用时分复用TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）技术[7]。下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽。EPON技术中，单纤双向通信的实现方式如下图2-3：图2-3EPON单纤双向实现方式GPON技术GPON技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。GPON标准提供了前所未有的高带宽，下行速率高达1.5Gbit/s，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场[9]。提供Qos的全业务保障，同时承载ATM信元和GEM帧，有很好的提供服务等级、支持Qos保证和全业务接入的能力[9]。承载GEM帧时，可以将TDM业务映射到GEM帧中，使用标准的8kHz(125μs)帧能够直接支持TDM业务。作为电信级的技术标准，GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能[8]。在GPON标准中，明确规定需要支持的业务类型包括数据业务(Ethernet业务，包括IP业务和MPEG视频流)、PSTN业务(POTS，ISDN业务)、专用线(T1，E1，DS3，E3和ATM业务)和视频业务(数字视频)[8]。表2-1展示GPON可实现上下行对称与非对称的数据传输速率，并能很好的提供对各种业务的支持。表2-1GPON上下行传输速率三种PON技术的分析比较从表2-2中可分析得出，EPON技术采用8B/10B线路编码，每10bit中有效数据为8bit，当上行线路速率为1.25Gbit/s时，上行传输总带宽为1Gbit。GPON技术采用非归零编码，上行总带宽与上行传输速率的一致，效率更高。不同技术各有利弊，可是在广电网络接入中，由于当今社会互联网快速发展，广电也必须提升自身带宽，将电视也转换为宽带电视，并提供给用户宽带体验，因此在高带宽，高速率的影响下，我们应当参照表2-2选择GPON技术作为我们广电网络规划的无源光网络技术。GPON技术作为目前先进的光接入网技术，其优势主要有：（1）更远的传输距离：全程采用光纤，光纤相比铜线受环境干扰小，所传输的距离远，端到端设备最大传输距离达到20KM；（2）更高的带宽：GPON技术下网络带宽能达到下行1.5Gbit/s、上行1.25Gbit/s的传输速率，可用满足用户日常网络的需求，如高清电视、网络直播、网络游戏等[10]。（3）分光特性：GPON技术所采用的分光一般到达用户终端时，次数不会超过两次，光纤的损耗降低，传输效率提高。（4）ODN侧无需提供电源：ODN光分配网网络中采用的都是无源设备无需供电，只有局端的OLT光线路终端和终端网络单元ONU需要供电。表2-2三种PON技术参数比较而且EPON相比GPON还有很多劣势，例如EPON技术投入使用时间较长、技术成熟且成本较低，所对于成本敏感、低QOS安全保障的客户群适用EPON技术。但越来越多的客户要求提升应用感知，接入带宽高、QOS保障好，且要求数据安全，还有部分用户骨干网主用ATM技术，此种情况下，GPON技术脱颖而出，它能全业务接入高带宽、承载下行业数据加密功能，在QOS安全保证和全业务接入方面比EPON更有优势[11]。在互通性上，EPON缺少权威的组织推动互通性，相关的标准不明确，但厂商在积极的推动其互通性。GPON有标准的组织推动其互通性发展，但因技术尚未成熟，巧片厂家规模不成熟相对限制[8]。综上在当今互联网高速发展的时代，在旧小区重改网络时，我们应采用GPON技术对小区网络进行规划与优化，为广电网络的宽带和智能网络电视等打下坚实基础[11]。GPON的关键技术GEM帧结构GPON技术的优点在于它可以高速传输业务，是因为GPON技术在FTTH接入网中传输时利用自己独特的传输方式进行封装：GEM是一种高效的封装方式，GEM在单帧结构上和其他的数据业务的成帧方法类似。但GEM是嵌入在PON的内部的，只有在ONU和OLT两个端口间才能被识别出来，和OLT的SNI以及ONU的UNI端口是独立开来的。GEM是存在于传输汇聚层的一种帧结构方式，提供和ATM一样的面向连接的通信。GEM高效封装的另一个因素是将帧统一处理。GEM是由净荷和帧头组成的。其中一个帧头包含了5个字节，分别是PLI(PayloadLengthIndicator，净荷长度指示)、PortID(PortIndicator，端口指示)、PTI(PayloadTypeIndicator，净荷类型指示)、和HEC（HeaderErrorCheck，帧头错误检验)5个部分，每个字节都有其不同的作用，但总的来说GEM帧头字节负责承载控制信息的作用[12]。而净荷的字节长度最大为4095个字节，总的是为了帮助用户承载用户自身的数据。GEM帧的结构如图2-4所示:图2-4GEM帧结构GEM帧结构各部分功能如下:PLI:12bit，指示净荷的长度，指示GEM的下一个帧头位置。当净荷的长度超过限制时，GEM就会采用分片机制对数据进行分割。PortID:总的有12bit的字节长度，用于支持多端口复用。PTI：区分净荷的类型。其中PTI的最高位用来判断是否为OAM信息，次高位判断用户数据的堵塞情况，最低位用于判断GEM帧在分片机制时是否在帧的末尾。HEC:13bit，具有纠错和检查的作用，主要用于检查GEM帧的正确性。GPON技术中同EPON技术相比，GPON可以支持TDM业务，TDM中有多种业务并且在不同频段，GEM可以将其映射到不同的帧上传输，大大减少了传输时间。测距技术时分多址（TDMA）技术是用于将上行链路数据从用户侧的ONU传输到局端的OLT。但是，由于ONU物理位置不同、环境变化、光器件老化程度等因素的影响下，上传数据时会出现时延，在传输过程中容易发生重叠或冲突，就会造成误码和数据丢失的情况发生，为了弥补掉这段时延误差，使数据有序地向OLT传输。GPON测距方法如下：a.在设备安装或调试过程中，采用静态粗测来补偿由于物理距离差引起的延迟；b.在整个动态精密测量过程中，对温度和老化引起的时间延迟进行补偿[10]。动态带宽分配技术GPON技术还包括DBA（dynamicbandwidthallocation，动态带宽分配）技术，它根据实际带宽需求在物理层提供各种QoS服务。上行带宽实时动态分配，避免业务冲突，提高带宽利用率。分配的实现过程如下：每个ONU上传数据，首先检测链路拥塞状态，然后检测链路拥塞状态，OLT接收到消息后，快速计算并分配相应的时隙帧来下载ONU特定的数据。不同的业务数据将在不同的T_cont（数据传输容器）中进行区分和实现。T_cont只是一个逻辑概念。OLT根据T_cont的身份分配带宽，目前带宽分配有四个优先级：最大带宽、无保证带宽、保证带宽和固定带宽，为各种GPON业务提供QoS保证[11]。GPON中的DBA有两种分配模式：分别为NSR-DBA(非状态报告DBA，或称TM-DBA)和SR-DBA（状态报告DBA)。NSR-DBA意味着ONU不必向OLT报告状态。根据监控到的OLT状态，来计算带宽，比较极限值分析和网络过载程度后，OLT自动将带宽分配给ONU；SR-DBA是指ONU在指定的时隙通过T-Cont向OLT发送自己的状态和服务级别消息，OLT在接收到消息后通过D