PON系統(tǒng)知識簡介

1、1 PON基礎知識1.1 PON技術概念PON(Passive Optical Network)即無源光網絡，一種基于點到多點(P2MP)拓撲的技術?！盁o源”指ODN(光分配網絡)中不包含有任何電子器件及電子電源，ODN全部由光分路器Splitter等無源器件組成，不需要貴重的有源電子設備。 目前的PON技術分為以下幾種：l APON：ATM PON，基于ATM的無源光接入技術。上世紀90年代中期由ITU和FSAN提出并標準化，由于容易被用戶認為只能提供ATM業(yè)務，2001年被改稱BPON.遵循ITU-T G.983系列標準。l EPON：Ether PON，基于以太網的無源光接入技術。200

2、0年11月成立IEEE研究小組(即后來的EFM工作組)，2004年4月工作組形成IEEE 802.3ah系列標準?，F統(tǒng)稱為IEEE 802.3-2005。l GPON：Gigabit(千兆) PON，基于ATM/GEM的無源光接入技術。FSAN在2001年初提出，ITU和FSAN進行標準化，遵循ITU-TG.984系列標準。l WDM-PON：基于波分復用的無源光接入技術，尚無統(tǒng)一標準。 PON是一種接入網技術，定位在常說的“最后一公里”，即在服務提供商、電信局端和商業(yè)用戶或家庭用戶之間的解決方案。 PON網絡的突出優(yōu)點是消除了戶外的有源設備，所有的信號處理功能均在交換機和用戶宅內設備完成。而

3、且這種接入方式的前期投資小，大部分資金可以等到用戶真正接入時才投入。它的傳輸距離比有源光纖接入系統(tǒng)的短，覆蓋的范圍較小，但它造價低，無需另設機房，維護容易。因此這種結構可以經濟地為居家用戶服務。l 優(yōu)點：1) 多業(yè)務：PON系統(tǒng)要求提供語音，數據，視頻等業(yè)務接入，業(yè)務透明性好，實現真正意義的全業(yè)務接入與“三網合一” 。2) 高帶寬：EPON目前可以提供上下行對稱的1.25Gb/s的帶寬，并且隨著以太技術的發(fā)展可以升級到10Gb/s。GPON則是高達2.5Gb/s的帶寬。3) 長距離接入：光纖的傳輸距離高達數百公里，所以實際上物理傳輸層的距離瓶頸在收發(fā)光信號的設備光器件上，目前PON標準規(guī)定距離

4、為20km，這樣的長度對社區(qū)網絡來說已是綽綽有余；4) 成本相對低：由于PON系統(tǒng)的ODN部分沒有電子部件，無需電源供應，因此容易鋪設，基本不用維護，建設維護成本低。設備相對簡單，系統(tǒng)對局端的資源占用很少，系統(tǒng)初期投入低，擴展容易，投資回報率高。5) 擴展性好：目前PON網絡一般采用樹型網絡結構，作為一種點到多點網絡，以一種扇出的結構既節(jié)省光纖的資源，同時這種共享帶寬的網絡結構能夠提供靈活的帶寬分配。對終端的接入無需增加主干部分的線路，另外，系統(tǒng)在設計增加了動態(tài)測距和分配時隙的技術，終端的增加和拆除不影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，所以，當系統(tǒng)需要擴充時，所需改動的部分最小，為工程實施提供了靈活的解決

5、方案。6) 良好的QoS保證；PON系統(tǒng)設計中，由于本身就是為電信運營商提供多業(yè)務接入而設計的技術方案， G/EPON系統(tǒng)對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。在不同業(yè)務的服務質量、優(yōu)先級保證等技術措施上，提供了多種應用解決手段，實現用戶級的SLA，因此，用戶可根據接入的設備重要性的不同，分別設置不同的服務等級，對重要的用戶或重要的應用設備，設置及時、可靠的響應機制，從而實現了多業(yè)務、不同服務等級的綜合接入系統(tǒng)。7) 無源光網絡是純介質網絡，徹底避免了電磁干擾和雷電影響，極適合在自然條件惡劣的地區(qū)使用。l 缺點：1) 建網需要重新布線，但布線成本低于銅纜。2) 網絡拓撲以星樹形為主。雖然有環(huán)形

6、保護的變通方案，但成本效率不是最優(yōu)，PON最適合的就是末端接入。3) 國內應用規(guī)模尚小，設備成本降低尚未到位。2 PON系統(tǒng)模型以EPON(以太網無源光網絡)系統(tǒng)為例。EPON就是將信息封裝成以太網幀進行傳輸的PON。由于以太網相關器件價格相對低廉，并且對于在通信業(yè)務量中所占比例越來越大的以太網承載的數據業(yè)務而言，EPON免去了IP數據傳輸的協(xié)議和格式轉化，效率高，傳輸速率達1.25 Gbit/s，且有進一步升級的空間，因此EPON受到了普遍關注。PON系統(tǒng)參考結構如下圖所示：圖1.1 PON系統(tǒng)參考結構 EPON是一種采用點到多點結構的單纖雙向光接入網絡，其典型拓撲結構為樹型。EPON系統(tǒng)由

7、局側的OLT(光線路終端)、用戶側的光網絡單元ONU/ONT(光網絡單元/終端)和ODN (光分配網絡)組成，為單纖雙向系統(tǒng)。在下行方向(OLT到ONU，廣播)，OLT發(fā)送的信號通過ODN到達各個ONU。在上行方向(ONU到OLT，點到點)，ONU發(fā)送的信號只會到達OLT，而不會到達其他ONU。為了避免數據沖突并提高網絡利用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式并對各ONU的數據發(fā)送進行仲裁。ODN也指POS(Passive Optical Splitter)，由光纖和一個或多個無源光分路器等無源光器件組成，在OLT和ONU間提供光通道。 一般而言，OLT位于網絡側，放在中心局端(Centra

8、lOffice，CO)，多為以太網絡交換機或媒體轉換器平臺，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(如路邊、建筑物或用戶住處)，采用以太網協(xié)議，實現以太網第二層第三層交換功能。PON系統(tǒng)構成如下：圖1.2 PON的網絡位置3 PON工作原理基本思想：在一定的物理限制和帶寬限制條件下，讓盡可能多的終端設備ONT來共享局端設備OLT和饋送光纖。工作原理：OLT將送達各個ONU的下行業(yè)務組裝成幀，以廣播的方式發(fā)給多個ONU，即通過光分路器分為N路獨立的信號，每路信號都含有發(fā)給所有特定ONU的幀，各個ONU只提取發(fā)給自己的幀，將

9、其它ONU的幀丟棄；上行方向從各個ONU到OLT的上行數據通過時分多址(TDMA)方式共享信道進行傳輸，OLT為每個ONU都分配一個傳輸時隙。這些時隙是同步的，因此當數據包耦合到一根光纖中時，不同ONU的數據包之間不會產生碰撞。 仍以EPON系統(tǒng)為例，EPON下行串行傳輸原理圖如下：圖1.3 PON工作原理下行廣播 對應于N個ONU，OLT有N個MAC端口(接口)。在下行方向，OLT為每個已注冊成功的ONU分配一個唯一的鏈路ID(LLID)。EPON下行幀由一個被分成固定長度幀的連續(xù)信息流組成，每幀攜帶多個可變長度的數據包(時隙)。OLT在幀中插入發(fā)出該幀的MAC端口的LLID，并將數據以可變

10、長度的數據包廣播傳送給所有在EPON上與OLT相連的ONU。數據到達ONU時，由ONU的MAC層進行地址解析，提取出符合自己的LLID的數據包，丟棄其他的數據包。注意，每個ONU只能在預先分配的時隙內接入并取出屬于自己的信息。EPON上行串行傳輸原理圖如下：圖1.4 PON工作原理上行TDMA 上行方向采用時分方式共享系統(tǒng)，通過接入控制機制將各個ONU有序接入。如圖2.4所示，將上行傳輸時間分為若干時隙，OLT在每個時隙只安排一個ONU發(fā)送信息。各ONU在每個傳送幀的前導碼中插入分配的LLID，并按OLT規(guī)定的時間順序依次向OLT發(fā)送，多個ONU的上行信息組成一個TDM信息流傳送到OLT。這樣

11、，各ONU的數據包(包含1個或多個以太幀)匯合到公共光纖時，就不會發(fā)生互相碰撞。OLT接收數據時比較LLID注冊列表，基于特定的LLID將幀解碼到合適的MAC端口。3.1 FTTx業(yè)務模型 EPON系統(tǒng)可能承載的業(yè)務類型包括以太網/IP業(yè)務、語音業(yè)務、TDM業(yè)務和CATV業(yè)務等，其中TDM業(yè)務為E1電路仿真業(yè)務。EPON系統(tǒng)應具有承載以太網/IP業(yè)務的能力，可選支持語音業(yè)務、TDM業(yè)務和CATV業(yè)務。 EPON ONU設備的應用場景主要有以下五種類型：1) SFU(單住戶單元)型ONU主要用于單獨家庭用戶，僅支持寬帶接入終端功能，具有1或4個以太網接口，提供以太網/IP業(yè)務，可以支持VoIP業(yè)

12、務(內置IAD)或CATV業(yè)務，主要應用于FTTH的場合(可與家庭網關配合使用，以提供更強的業(yè)務能力)。2) HGU(家庭網關單元)型ONU 主要用于單獨家庭用戶，具有家庭網關功能，相當于帶EPON上聯(lián)接口的家庭網關，具有4個以太網接口、1個WLAN接口和至少1個USB接口，提供以太網/IP業(yè)務，可以支持VoIP業(yè)務(內置IAD)或CATV業(yè)務，支持TR-069遠程管理。主要應用于FTTH的場合。3) MDU(多住戶單元)型ONU 主要用于多個住宅用戶，具有寬帶接入終端功能，具有至少8個用戶側接口(包括以太網接口、ADSL2+接口或VDSL2接口)，提供以太網/IP業(yè)務、可以支持VoIP業(yè)務(

13、內置IAD)或CATV業(yè)務，主要應用于FTTB/FTTC/FTTCab的場合。4) SBU(單商戶單元)型ONU 主要用于單獨企業(yè)用戶和企業(yè)里的單個辦公室，支持寬帶接入終端功能，具有以太網接口和E1接口，提供以太網/IP業(yè)務和TDM業(yè)務，可選支持VoIP業(yè)務。主要應用于FTTO的場合。5) MTU(多商戶單元)型ONU 主要用于多個企業(yè)用戶或同一個企業(yè)內的多個個人用戶，具有寬帶接入終端功能，具有多個以太網接口(至少8個)、E1接口和POTS接口，提供以太網/IP業(yè)務、TDM業(yè)務和VoIP業(yè)務(內置IAD)，主要應用于FTTB/FTTBiz的場合。 按照ONU在接入網中所處的位置不同，EPON系

14、統(tǒng)可以有幾種網絡應用類型：光纖到家庭用戶(FTTH)、光纖到公司/辦公室(FTTO)、光纖到樓宇/分線盒(FTTB/C)、光纖到交接箱(FTTCab)。圖1.5 FTTx接入網應用類型l 光纖到家庭用戶FTTH：僅利用光纖傳輸媒質連接通信局端和家庭住宅的接入方式，引入光纖由單個家庭住宅獨享。l 光纖到公司/辦公室FTTO：僅利用光纖傳輸媒質連接通信局端和公司或辦公室用戶的接入方式，引入光纖由單個公司或辦公室用戶獨享，ONU/ONT之后的設備或網絡由用戶管理。l 光纖到樓宇/分線盒FTTB/C：以光纖替換用戶引入點之前的銅線電纜，ONU部署在傳統(tǒng)的分線盒(用戶引入點)即DP點(DP, Distr

15、ibution Point分配點)ONU下采用其他介質接入用戶。l 光纖到交接箱FTTCab：以光纖替換傳統(tǒng)饋線電纜，ONU部署在交接箱即FP點處，ONU下采用其他介質接入到用戶。 下圖形象地給出了FTTx業(yè)務模型。圖1.6 FTTx業(yè)務模型表1-1中進一步給出FTTx 業(yè)務能力的若干參數。表格1-1 FTTx 業(yè)務能力項目FTTCabFTTB/CFTTOFTTH常見應用模式FTTCabinetFTTBuilding/FTTCurbFTTOfficeFTTHomeONU容量數百線數十線單企業(yè)/辦公室單住戶OLT-ONU距離5Km100Km20Km20Km20KmONU距離用戶的典型距離13Km

16、300米以下050米020米每用戶帶寬能力225Mbps50/100Mbps100MGE100M或以上ONU側用戶接口常用技術POTSADSL/ADSL2+VDSL2VDSL2/TDMFEPOTSFE/GETDMWLANATMFEPOTSWLANRFONU設備類型ONU(此處特指數百線的)MDU/MTUSBUSFU4 EPON協(xié)議要求4.1 EPON基本特征l 遵循標準IEEE 802.3-2005 section 5.l OLT與ONU之間信號傳輸基于IEEE 802.3以太網幀l 傳輸線路速率下行/上行：1.25Gbit/s / 1.25Gbit/sl 編碼方式為8B /10B碼l 邏輯分

17、光比1：32(1：64)l 兩種物理層接口類型：1000BASE-PX10和1000BASE-PX20，分別支持10km傳輸和20km傳輸l 以MAC控制子層的MPCP機制為基礎，MPCP通過消息、狀態(tài)機和定時器來控制訪問P2MP的拓撲結構l P2P仿真子層是EPON/MPCP協(xié)議中的關鍵組件4.2 EPON協(xié)議棧 下圖描述了EPON系統(tǒng)的協(xié)議分層及其與OSI參考模型之間的關系。圖2.1 EPON協(xié)議分層和OSI參考模型間的關系l EPON數據鏈路層：控制物理傳輸媒質的訪問，包括LLC、OAM(可選)、MAC Control(可選)和MAC四個子層。l EPON物理層(PHY)：通過GMII接

18、口與RS層相連，為MAC層傳送可靠數據。物理層定義了PCS、PMA和PMD三個子層。其中，PCS將GMII發(fā)送的數據進行編碼/解碼，使之適合在物理媒體上傳送；PMA生成并接收線路上的信號；PMD提供與傳輸介質的物理連接。 從圖中可以看出，EPON協(xié)議分層與傳統(tǒng)的千兆以太網分層結構相比，物理層定義幾乎相同(主要改動是增加功率控制功能)，主要的區(qū)別是在擴展了三個子層：MAC控制子層、RS子層及OAM子層。多點接入子層用于支持上行和下行鏈路的多點接入；仿真子層將一點對多點的通信等效為傳統(tǒng)以太網的對等實體的通信(P2P)；安全子層主要用于下行鏈路的MAC幀加密(仿真子層和安全子層在MAC層下)。仿真子層對以太網幀貼上每個ONU所特有的標簽，這些標簽稱為“鏈路ID”，加在每個幀的前導碼里。在EPON內，MAC被它們的LLID所唯一地標識。為保證鏈路ID的唯一性，在初始化注冊階段，OLT為每個ONU分配一個或多個標簽。 在MAC Control層增加了MPCP子層作為EPON的控制層，MAC層不做改變。MPCP子層使用了