PON技术原理和组成结构

1. PON简介

随着以太网技术在城域网中的普及以及宽带接入技术的发展，人们提出了速率高达1Gbit/s 以上的宽带PON技术，主要包括EPON和GPON技术,“E”是指 Ethernet，“G”是指吉比特级。

1987年英国电信公司的研究人员最早提出了 PON 的概念。1995 年，全业务网络 联盟 FSAN(Full Service Access Network)成立，旨在共同定义一个通用的 PON 标 准。1998 年，国际电信联盟 ITU-T 工作组，以 155Mbps 的 ATM 技术为基础，发 布了 G.983 系列 APON(ATM PON)标准。这种标准目前在北美、日本和欧洲应用 较多，在这些地区都有 APON 产品的实际应用。但在中国，ATM 本身的推广并不 顺利，所以 APON 在我国几乎没有什么应用。

2000年底，一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟(EFMA)，提出基于以太网的PON概念——EPON(Ethernet Passive Optical Network)。EFMA 还促成电气电 子工程师协会(IEEE)在 2001 年成立第一英里以太网(EFM)小组，开始正式研究包 括 1.25Gbit/s 的 EPON 在内的 EFM 相关标准。EPON 标准 IEEE 802.3ah 在 2004 年 6 月正式颁布。

2001年底，FSAN 更新网页把 APON 更名为 BPON(Broadband PON)。实际上，在2001 年 1 月左右 EFMA 提出 EPON 概念的同时，FSAN 也已经开始了带宽在 1Gbps 以上的 PON，也就是Gigabit PON标准的研究。FSAN/ITU 推出 GPON 技术的最大原因是由于网络 IP 化进程加速和 ATM 技术的逐步萎缩导致之前基于 ATM 技术的 APON/BPON 技术在商用化和实用化方面严重受阻，迫切需要一种高传输速率、适宜 IP 业务承载同时具有综合业务接入能力的光接入技术出现。在这样的背景下，FSAN/ITU 以 APON 标准为基本框架，重新设计了新的物理层传输速率和TC层，推出了新的 GPON技术和标准。2003 年 3 月 ITU-T 颁布了描述 GPON 总 体特性的 G.984.1 和 ODN 物理媒质相关(PMD)子层的 G.984.2GPON 标准，2004 年 3 月和 6 月发布了规范传输汇聚(TC)层的 G.984.3 和运行管理通信接口的 G.984.4 标准。

2. PON组成

PON，Passive Optical Network，无源光网络。如图1，PON 由光线路终端（OLT）、光合／分路器（Spliter）和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构。OLT 放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。ONU 放置在用户侧，OLT 与 ONU 之间通过无源光合／分路器连接。

所谓无源，是指在 OLT(光线路终端)和 ONU(光网络单元)之间的 ODN (光分配网络)没有任何有源电子设备。

图 1. PON组成结构

PON 使用波分复用（WDM）技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送。OLT 到 ONU/ONT 的方向为下行方向， 反之为上行方向。下/下行方向分别采用 1490/1310nm。如图2.所示。

图 2. PON单纤双向传输原理图

3. PON拓扑结构

PON 系统的组网方式如图 3。有树型拓扑、环型拓扑、总线型拓扑、树型干冗余拓扑等4种，其中最常见的是树形拓扑。

图3. PON网路拓扑图

4. PON优势

相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。PON 结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省大。

无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。

PON 系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。提供非常高的带宽。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。

服务范围大。PON 作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省 CO 的资源， 服务大量用户。用户共享局端设备和光纤的方式更是节省了用户投资。

带宽分配灵活，服务有保证。G/EPON 系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。可以实现用户级的 SLA。

5. EPON上下行工作原理

如图 4，下行采用纯广播的方式：

OLT 为已注册的 ONU 分配 标示号；

由各个 ONU 监测到达帧的标示号，以决定是否接收该帧；

如果该帧所含的标示号和自己的标示号相同，则接收该帧；反之则丢弃。

图4. EPON 下行工作原理

如图 5，上行采用时分多址接入（TDMA）技术：

OLT 接收数据前比较标示号注册列表；

每个 ONU 在由局方设备统一分配的时隙中发送数据帧；

分配的时隙补偿了各个 ONU 距离的差距，避免了各个 ONU 之间的碰撞。

图5. EPON上行工作原理

6. 应用示例 ：光纤到楼

FTTB+LAN(简称FTTB)：即Fiber to The Building（光纤到楼），是一种基于优化光纤网络技术的宽带接入方式，我们称为FTTB+LAN的宽带接入网（简称FTTB）。它是利用数字宽带技术，光纤直接到小区里，再通过双绞线（超五类双绞线或4对非屏蔽双绞线）到各个用户。FTTB提供最高上下行速率是10Mbps（独享）,这是一种最合理、最实用、最经济有效的宽带接入方法。传统的“FTTB＋LAN”的模式基本上是基于点到点有源以太网光纤，这种模式光纤需求量大，光纤利用率低，组网不灵活，中间有过多的有源设备，而采用PON部署“FTTB+LAN”,不仅节约光缆资源，组网灵活，还为用户提供语音接入业务。

1）传统的以太网交换机接入模式：

图6. 以太网交换机接入模式

FTTB+LAN传统的以太网交换机接入模式，是采用点对点的接入模式，即从汇接局到每个小区需要独立纤芯，同时小区内安装园区汇聚交换机，各楼道交换机通过小区光缆上联至园区汇聚交换机。

2）PON网络接入模式：

图7. PON网络接入模式

FTTB+LAN PON网络接入模式，是采用一点对多点的接入模式，即多个小区至汇接局可共享1芯主干纤芯（接入到汇接局OLT设备同一PON口下）。在小区就近接入点（或就近光交接箱）安装分光器，并通过小区光缆将各楼道的ONU设备接入网络。

3） 两种接入模式的比较：

传统的以太网交换机接入模式需要在小区设置园区汇聚交换机，成本投资高，而采用PON网络接入，只需在小区接入安装分光器（分光比以接入的ONU数量而定），相比交换机接入模式成本投资低。

传统的以太网交换机接入模式的楼道交换机很多情况是通过光电转换器接入园区汇聚交换机，增加了故障点及维护成本。而采用PON网络接入模式，各楼道安装的是ONU，ONU设备直接可以接入光纤，增强了网络安全和稳定性。

传统的以太网交换机接入模式只能为终端用户提供宽带上网业务，而采用PON网络接入模式，不仅可以为终端用户提供宽带上网业务，而且还可以提供语音、IPTV等多种业务。

因此，采用PON网络实现FTTB+LAN具有很大的优势。