PON系統(tǒng)知識(shí)簡(jiǎn)介

1、1 PON 基礎(chǔ)知識(shí)1.1 PON 技術(shù)概念PON(Passive Optical Network) 即無源光網(wǎng)絡(luò)，一種基于點(diǎn)到多點(diǎn) (P2MP)拓?fù)涞募夹g(shù)。無源”指ODN(光分配網(wǎng)絡(luò))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(shè)備。目前的 PON 技術(shù)分為以下幾種：APON : ATM PON，基于 ATM的無源光接入技術(shù)。上世紀(jì) 90年代 中期由 ITU 和 FSAN 提出并標(biāo)準(zhǔn)化，由于容易被用戶認(rèn)為只能提供ATM業(yè)務(wù)，2001年被改稱 BPON.遵循ITU-T G.983系列標(biāo)準(zhǔn)。EPON : Ether PON

2、，基于以太網(wǎng)的無源光接入技術(shù)。 2000 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(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)統(tǒng)稱為 IEEE 802.3-2005 。GPON : Gigabit(千兆)PON，基于 ATM/GEM 的無源光接入技術(shù)。FSAN在2001年初提出，ITU和FSAN進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，遵循ITU-TG.984 系列標(biāo)準(zhǔn)。WDM-PON ：基于波分復(fù)用的無源光接入技術(shù)，尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。PON 是一種接入網(wǎng)技術(shù)，定位在常說的 “最后一公里”，即在服務(wù)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(wǎng)絡(luò)的突出優(yōu)

3、點(diǎn)是消除了戶外的有源設(shè)備，所有的信號(hào)處理功 能均在交換機(jī)和用戶宅內(nèi)設(shè)備完成。而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(shí)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(jià)低，無需另設(shè)機(jī)房，維護(hù)容 易。因此這種結(jié)構(gòu)可以經(jīng)濟(jì)地為居家用戶服務(wù)。優(yōu)點(diǎn)：1) 多業(yè)務(wù)： PON 系統(tǒng)要求提供語音，數(shù)據(jù)，視頻等業(yè)務(wù)接入，業(yè)務(wù)透明性好，實(shí)現(xiàn)真正意義的全業(yè)務(wù)接入與三網(wǎng)合一 ”。2) 高帶寬: EPON 目前可以提供上下行對(duì)稱的 1.25Gb/s 的帶寬，并 且隨著以太技術(shù)的發(fā)展可以升級(jí)到10Gb/s 。 GPON 則是高達(dá) 2.5Gb/s 的帶寬。3) 長(zhǎng)距離接入:光纖的

4、傳輸距離高達(dá)數(shù)百公里，所以實(shí)際上物理傳輸 層的距離瓶頸在收發(fā)光信號(hào)的設(shè)備光器件上， 目前 PON 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定距 離為 20km ，這樣的長(zhǎng)度對(duì)社區(qū)網(wǎng)絡(luò)來說已是綽綽有余；4) 成本相對(duì)低:由于 PON 系統(tǒng)的 ODN 部分沒有電子部件，無需電源供應(yīng)，因此容易鋪設(shè)，基本不用維護(hù)，建設(shè)維護(hù)成本低。設(shè)備相對(duì) 簡(jiǎn)單，系統(tǒng)對(duì)局端的資源占用很少，系統(tǒng)初期投入低，擴(kuò)展容易，投資回報(bào)率高。5）擴(kuò)展性好：目前PON網(wǎng)絡(luò)一般采用樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為一種點(diǎn)到多 點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，以一種扇出的結(jié)構(gòu)既節(jié)省光纖的資源，同時(shí)這種共享帶寬 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠提供靈活的帶寬分配。對(duì)終端的接入無需增加主干 部分的線路，另外，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)增加了動(dòng)態(tài)測(cè)距

5、和分配時(shí)隙的技術(shù)， 終端的增加和拆除不影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，所以，當(dāng)系統(tǒng)需要 擴(kuò)充時(shí)，所需改動(dòng)的部分最小，為工程實(shí)施提供了靈活的解決方案。6）良好的QoS保證；PON系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于本身就是為電信運(yùn)營(yíng)商提供多業(yè)務(wù)接入而設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，G/EPON系統(tǒng)對(duì)帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。在不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量、優(yōu)先級(jí)保證等技術(shù)措施上，提供了多種應(yīng)用解決手段，實(shí)現(xiàn)用戶級(jí)的SLA，因此,用戶可根據(jù)接入的設(shè)備重要性的不同，分別設(shè)置不同的服務(wù)等級(jí)， 對(duì)重要的用戶或重要的應(yīng)用設(shè)備，設(shè)置及時(shí)、可靠的響應(yīng)機(jī)制，從 而實(shí)現(xiàn)了多業(yè)務(wù)、不同服務(wù)等級(jí)的綜合接入系統(tǒng)。7）無源光網(wǎng)絡(luò)是純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，徹底避免了電磁干擾和雷

6、電影響，極適 合在自然條件惡劣的地區(qū)使用。缺點(diǎn)：1）建網(wǎng)需要重新布線，但布線成本低于銅纜。2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟孕菢湫螢橹?。雖然有環(huán)形保護(hù)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(guó)內(nèi)應(yīng)用規(guī)模尚小，設(shè)備成本降低尚未到位。2 PON系統(tǒng)模型以EPON（以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)為例。EPON就是將信息封裝成以 太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸?shù)?PON。由于以太網(wǎng)相關(guān)器件價(jià)格相對(duì)低廉，并且對(duì)于 在通信業(yè)務(wù)量中所占比例越來越大的以太網(wǎng)承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言， EPON免去了 IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議和格式轉(zhuǎn)化，效率高，傳輸速率達(dá)1.25Gbit/s，且有進(jìn)一步升級(jí)的空間，因此EPON受到了普遍關(guān)注。PON系統(tǒng)參考

7、結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1.1 PON系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)EPON是一種采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，其典型拓 撲結(jié)構(gòu)為樹型。EPON系統(tǒng)由局側(cè)的 OLT（光線路終端）、用戶側(cè)的光網(wǎng) 絡(luò)單元ONU/ONT（光網(wǎng)絡(luò)單元/終端）和ODN （光分配網(wǎng)絡(luò)）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(hào)通過 ODN 到達(dá)各個(gè)ONU。在上行方向（ONU到OLT，點(diǎn)到點(diǎn)），ONU發(fā)送的信號(hào) 只會(huì)到達(dá)OLT,而不會(huì)到達(dá)其他 ONU。為了避免數(shù)據(jù)沖突并提高網(wǎng)絡(luò)利 用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式并對(duì)各 ONU的數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行仲裁。ODN也指POS（Passive Optical S

8、plitter），由光纖和一個(gè)或多個(gè) 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(wǎng)絡(luò)側(cè)，放在中心局端 （CentralOffice，CO），多 為以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或媒體轉(zhuǎn)換器平臺(tái)，提供網(wǎng)絡(luò)集中和接入，能完成光/電轉(zhuǎn)換、帶寬分配和控制各信道的連接，并有實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理及維護(hù)功 能；ONU位于用戶側(cè)（如路邊、建筑物或用戶住處 ），采用以太網(wǎng)協(xié)議， 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)第二層第三層交換功能。PON系統(tǒng)構(gòu)成如下：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(shè)備ONT來共享局端設(shè)備 OLT和饋送光纖。工作原理：OLT將送達(dá)各個(gè)ONU的下行業(yè)務(wù)組

9、裝成幀，以廣播的方式發(fā)給多個(gè)ONU，即通過光分路器分為 N路獨(dú)立的信號(hào)，每路信號(hào)都 含有發(fā)給所有特定 ONU的幀，各個(gè)ONU只提取發(fā)給自己的幀，將其它 ONU的幀丟棄；上行方向從各個(gè) ONU到OLT的上行數(shù)據(jù)通過時(shí)分多址（TDMA）方式共享信道進(jìn)行傳輸，OLT為每個(gè)ONU都分配一個(gè)傳輸時(shí)隙。 這些時(shí)隙是同步的，因此當(dāng)數(shù)據(jù)包耦合到一根光纖中時(shí)，不同ONU的數(shù)據(jù)包之間不會(huì)產(chǎn)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工作原理一下行廣播對(duì)應(yīng)于 N個(gè)ONU , OLT有N個(gè)MAC端口（接口）。在下行方向，OLT 為每個(gè)已注冊(cè)成功的 ONU分配一個(gè)唯一的鏈路 ID（LL

10、ID）。EPON下行 幀由一個(gè)被分成固定長(zhǎng)度幀的連續(xù)信息流組成，每幀攜帶多個(gè)可變長(zhǎng)度 的數(shù)據(jù)包（時(shí)隙）。OLT在幀中插入發(fā)出該幀的 MAC端口的LLID，并將 數(shù)據(jù)以可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包廣播傳送給所有在EPON上與OLT相連的ONU。數(shù)據(jù)到達(dá)ONU時(shí)，由ONU的MAC層進(jìn)行地址解析，提取出符 合自己的LLID的數(shù)據(jù)包，丟棄其他的數(shù)據(jù)包。注意，每個(gè)ONU只能在預(yù)先分配的時(shí)隙內(nèi)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 一上行TDMA上行方向采用時(shí)分方式共享系統(tǒng)，通過接入控制機(jī)制將各個(gè) ONU有序接入。如圖2.4所示，將上行傳輸時(shí)間分為若干時(shí)隙，OLT在每個(gè)時(shí)

11、隙只安排一個(gè) ONU發(fā)送信息。各ONU在每個(gè)傳送幀的前導(dǎo)碼中插入分 配的LLID，并按OLT規(guī)定的時(shí)間順序依次向OLT發(fā)送，多個(gè) ONU的上行信息組成一個(gè) TDM信息流傳送到 OLT。這樣，各ONU的數(shù)據(jù)包（包 含1個(gè)或多個(gè)以太幀）匯合到公共光纖時(shí)， 就不會(huì)發(fā)生互相碰撞。 OLT接 收數(shù)據(jù)時(shí)比較LLID注冊(cè)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(wù)模型EPON 系統(tǒng)可能承載的業(yè)務(wù)類型包括以太網(wǎng) /IP 業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、 TDM 業(yè)務(wù)和 CATV 業(yè)務(wù)等，其中 TDM 業(yè)務(wù)為 E1 電路仿真業(yè)務(wù)。 EPON 系統(tǒng) 應(yīng)具有承載以太網(wǎng) /IP 業(yè)務(wù)的能力，可選支持

12、語音業(yè)務(wù)、 TDM 業(yè)務(wù)和 CATV 業(yè)務(wù)。EPON ONU 設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)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(dú)家庭用戶，僅支持寬帶接入終端功能，具有 1 或 4 個(gè) 以太網(wǎng)接口，提供以太網(wǎng)/IP業(yè)務(wù)，可以支持VoIP業(yè)務(wù)（內(nèi)置IAD）或CATV 業(yè)務(wù)，主要應(yīng)用于 FTTH 的場(chǎng)合 （可與家庭網(wǎng)關(guān)配合使用，以提供更強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力 ）。2）HGU（ 家庭網(wǎng)關(guān)單元 ）型 ONU主要用于單獨(dú)家庭用戶，具有家庭網(wǎng)關(guān)功能，相當(dāng)于帶EPON 上聯(lián)接口的家庭網(wǎng)關(guān)，具有 4個(gè)以太網(wǎng)接口、 1個(gè) WLAN 接口和至少 1個(gè) USB接口，提供以太網(wǎng)/IP業(yè)務(wù)，可以支持 VoIP業(yè)務(wù)

13、（內(nèi)置IAD）或CATV 業(yè)務(wù)，支持 TR-069 遠(yuǎn)程管理。主要應(yīng)用于 FTTH 的場(chǎng)合。3）MDU（ 多住戶單元 ）型 ONU主要用于多個(gè)住宅用戶，具有寬帶接入終端功能，具有至少8 個(gè)用戶側(cè)接口 （包括以太網(wǎng)接口、 ADSL2+ 接口或 VDSL2 接口 ），提供以太網(wǎng) /IP 業(yè)務(wù)、可以支持 VoIP 業(yè)務(wù)（內(nèi)置 IAD） 或 CATV 業(yè)務(wù)，主要應(yīng)用于 FTTB/FTTC/FTTCab 的場(chǎng)合。4）SBU（單商戶單元）型ONU主要用于單獨(dú)企業(yè)用戶和企業(yè)里的單個(gè)辦公室，支持寬帶接入終端 功能，具有以太網(wǎng)接口和 E1 接口，提供以太網(wǎng) /IP 業(yè)務(wù)和 TDM 業(yè)務(wù)， 可選支持 VoIP 業(yè)

14、務(wù)。主要應(yīng)用于 FTTO 的場(chǎng)合。5）MTU（ 多商戶單元 ）型 ONU 主要用于多個(gè)企業(yè)用戶或同一個(gè)企業(yè)內(nèi)的多個(gè)個(gè)人用戶，具有寬帶接入終端功能，具有多個(gè)以太網(wǎng)接口 （至少8個(gè)）、E1接口和POTS接口， 提供以太網(wǎng)/IP業(yè)務(wù)、TDM 業(yè)務(wù)和 VoIP業(yè)務(wù)（內(nèi)置IAD），主要應(yīng)用于 FTTB/FTTBiz 的場(chǎng)合。按照 ONU 在接入網(wǎng)中所處的位置不同， EPON 系統(tǒng)可以有幾種網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)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） 。SNIUNI圖1.5 FTTx接入網(wǎng)應(yīng)用類型光纖到家庭

15、用戶 FTTH :僅利用光纖傳輸媒質(zhì)連接通信局端和家庭住 宅的接入方式，引入光纖由單個(gè)家庭住宅獨(dú)享。光纖到公司/辦公室FTTO :僅利用光纖傳輸媒質(zhì)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(gè)公司或辦公室用戶獨(dú) 享，ONU/ONT之后的設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)由用戶管理。光纖到樓宇/分線盒FTTB/C :以光纖替換用戶引入點(diǎn)之前的銅線電 纜，ONU部署在傳統(tǒng)的分線盒（用戶引入點(diǎn)）即DP點(diǎn)（DP, Distribution Point 分配點(diǎn)）ONU下采用其他介質(zhì)接入用戶。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(diǎn)處，ONU下采用其他介質(zhì)接入到用戶。圖1.6

16、FTTx業(yè)務(wù)模型表1-1中進(jìn)一步給出FTTx業(yè)務(wù)能力的若干參數(shù)表格1-1 FTTx 業(yè)務(wù)能力項(xiàng)目FTTCabFTTB/CFTTOFTTH常見應(yīng)用模式FTTCabi netFTTBuildi ng/FTTCurbFTTOfficeFTTHomeONU容量數(shù)百線數(shù)十線單企業(yè)/辦公室單住戶OLT-ONU 距離5Km100Km<20Km<20Km<20KmONU距離用戶的典型距離1 3Km300米以下050米020米每用戶帶寬能力2 25Mbps50/100Mbps100M GE100M或以上ONU側(cè)用戶接 口常用技術(shù)POTSADSL/ADSL2+VDSL2VDSL2/TDMFEPO

17、TSFE/GETDMWLANATMFE POTS WLANRFONU設(shè)備類型ONU(此處特 指數(shù)百線的)MDU/MTUSBUSFU4 EPON協(xié)議要求4.1 EPON基本特征遵循標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3-2005 section 5.OLT與ONU之間信號(hào)傳輸基于 IEEE 802.3以太網(wǎng)幀傳輸線路速率下行 /上行：1.25Gbit/s / 1.25Gbit/s編碼方式為8B /10B碼邏輯分光比1 : 32(1 : 64)兩種物理層接口類型：1000BASE-PX10和1000BASE-PX20，分別支持10km傳輸和20km傳輸以MAC控制子層的 MPCP機(jī)制為基礎(chǔ)，MPCP通過消息、

18、狀態(tài)機(jī)和 定時(shí)器來控制訪問 P2MP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)P2P仿真子層是 EPON/MPCP協(xié)議中的關(guān)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 0SI參考模型之間的關(guān)系0$1參號(hào)LM1佔(zhàn)上層上層iACCitni表:見閔引.'.*沖乩么話莊IZ4C&MII *1PH,1FHYPU£=：1己溟詢千民PH¥=W理層 尸陸心=遼任婢齊花址FEC=r'評(píng)別療GMII =千比十壬匿匸 01=握廬相壬菇OAM=運(yùn)忡、彗思碑護(hù)心 rTiTTIc pwQienia entClientOAMOfiMcjnl-1爭(zhēng)丸VI AC店刖ButACI vl AC

19、MACGtulllPMOJ WDH *MCI*元時(shí)-識(shí)J稲=傭和孑層ONU 代聲皓Hi元圖2.1 EPON協(xié)議分層和 OSI參考模型間的關(guān)系EPON數(shù)據(jù)鏈路層：控制物理傳輸媒質(zhì)的訪問，包括LLC、OAM（可選）、MAC Control（可選）和MAC四個(gè)子層。EPON物理層（PHY）:通過GMII接口與 RS層相連，為 MAC層傳 送可靠數(shù)據(jù)。物理層定義了PCS、PMA和PMD三個(gè)子層。其中，PCS將GMII發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)；PMD提供與傳輸介質(zhì)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(wǎng)分層結(jié)構(gòu)相 比，物理層定義幾乎相同 （主要改動(dòng)是增加功率控制功能），主要的區(qū)別是在擴(kuò)展了三個(gè)子層：MAC控制子層、RS子層及OAM子層。多點(diǎn)接入子層用于支持上行和下行鏈路的多點(diǎn)接入；仿真子層將一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的 通信等效為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的對(duì)等實(shí)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(duì)以 太網(wǎng)幀貼上每個(gè) ONU所特有的標(biāo)簽，這些標(biāo)簽稱為鏈路ID”加在每個(gè)幀的前導(dǎo)碼里。在 EPON內(nèi)，MAC被它們的LLID所唯一地標(biāo)識(shí)。為 保證鏈路ID的唯一性，在初始化注冊(cè)階段，OLT為每個(gè)ONU分配一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽。在MAC Control層增加了 MPCP子層作