无源光网络技术PON

什么是PON

光纤接入从技术上可分为两大类:有源光网络(AON,ActiveOptical Network)和无源光网络(PON,Passive Optical Network)。PON是一种点到多点的光纤接入技术,它由局侧的OLT(光线路终端)、用户侧的ONU(光网络单元)以及ODN(光分发复用网络)组成。一般其下行采用TDM广播方式、上行采用TDMA(时分多址接入)方式,而且可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构(典型结构为树形结构)。所谓“无源”,是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源,全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成,消除了局端与客户端之间的有源设备,它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响,减少线路和外部设备的故障率,提高系统可靠性,同时可节省维护成本,是电信维护部门长期期待的技术。

 

目前基于PON的实用技术主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等几种。

PON 标准演进

它们之间的区别主要是采用了不同的二层技术,APON/BPON均使用ATM承载语音、IP数据、视频等全业务,虽然ATM稳定可靠但传输效率太低,且技术太复杂。GPON则在更快速和更高效率(满足多种需求,适应多种业务)方面重点考虑,在二层技术上既支持ATM又引入了GEM。GEM是SDH中比较流行的通用成帧协议GFP的变种,它继承了SDH在语音以及TDM业务方面效率和性能双优的特点,同时还能很高效的封装IP数据,真正做到支持Ethernet、TDM、ATM等全业务的同时还能保持高效。EPON则在二层采用Ethernet技术来承载所有的业务,并在第二层采用成熟的全双工以太技术,使用TDM,由于ONU在自己的时隙内发送数据报,因此没有碰撞,不需CDMA/CD,从而充分利用带宽;另外,EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON/GPON类似的QoS。

EPON技术介绍

EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构,利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的。EPON的系统结构如下图所示:

EPON 系统结构图

一个典型的EPON系统由OLT、ONU、POS组成。OLT放在中心机房,ONU放在用户设备端附近或与其合为一体。POS是无源光纤分支器,是一个连接OLT和ONU的无源设备,它的功能是分发下行数据,并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤,采用波分复用技术(上行波长:1310nm,下行波长:1490nm,另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长,来传递模拟电视信号);同时定义了1000 BASE-PX-10 U/D和1000 BASE-PX-20 U/D两种PON光接口,分别支持10 km和20 km的最大距离传输。EPON系统下行采用TDM广播方式,每个ONU丢弃不属于自己的数据包,上行采用无需冲突检测的TDMA接入方式,每个ONU在不同的时隙发送数据。

OLT既是一个交换机或路由器,又是一个多业务提供平台,它提供面向无源光纤网络的光纤接口(PON接口)。OLT上将提供多个1Gbps和10Gbps的以太接口,可以支持WDM传输。OLT还支持ATM、FR以及OC3/12/48/192等速率的SONET的连接。如果需要支持传统的TDM话音,普通电话线(POTS)和其他类型的TDM通信(T1/E1)可以被复用连接到出接口,OLT除了提供网络集中和接入的功能外,还可以针对用户的QoS/SLA的不同要求进行带宽分配,网络安全和管理配置。OLT根据需要可以配置多块OLC(Optical Line Card),OLC与多个ONU通过POS(无源分光器)连接,POS是一个简单设备,它不需要电源,可以置于相对宽松的环境中,一般一个POS的分光比为8、16、32、64,并可以多级连接,一个OLT-PON端口下最多可以连接的ONU数量与设备密切相关,一般是固定的。在EPON中系统,OLT到ONU间的距离最大可达20km。

通过数据链路层的多点MAC控制协议(MPCP)的功能,每个ONU相对于OLT来说都是一个独立的MPCP的实体,使得主设备OLT可以对其下属从设备ONU进行唯一的标识、主动发现并注册、上行时隙(时隙时间长度固定)资源在多个ONU间的分配、带宽分配、统计ONU本地拥塞状况等实时的OAM功能。同时EPON也支持对用户信息的加密功能,提供网络安全功能。

EPON技术的优点:

带宽高。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽,并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。

相对成本低,维护简单。EPON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很大。

容易扩展,易于升级。EPON系统对局端资源占用很少,模块化程度高,系统初期投入低,扩展容易,投资回报率高。

它继承了以太网的可扩展性强、对IP数据业务适配效率高等优点,同时支持高速Internet接入、语音、IPTV、TDM专线甚至CATV等多种业务综合接入,并具有很好的QoS保证和组播业务支持能力,是一个多业务平台,对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。

EPON部署方式:

根据ONU在所处位置的不同,EPON的应用模式又可分为FTTC(光纤到路边)、FTTB(光纤到大楼)、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。

在FTTC结构中,ONU放置在路边或电线杆的分线盒边,从ONU到各个用户之间采用双绞线铜缆;传送宽带图像业务,则采用同轴电缆。FTTC的主要特点之一是到用户家里面部分仍可采用现有的铜缆设施,可以推迟入户的光纤投资。从目前来看,FTTC在提供2Mbps以下窄带业务时是OAN(称光纤接入网)中最现实、最经济的方案,但如需提供窄带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想。

在FTTB结构中,ONU被直接放到楼内,光纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN,即FTTB+ADSL、FTTB+Cable和FTTB+LAN等方式接入用户家中。FTTB与FTTC相比,光纤化程度进一步提高,因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区。

FTTO和FTTH结构均在路边设置无源分光器,并将ONU移至用户的办公室或家中,是真正全透明的光纤网络,它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束,是光纤接入网络发展的理想模式和长远目标。

GPON vs EPON

目前,EPON技术已经成熟,经过各标准化组织、设备和芯片制造商、运营商的共同努力,EPON商用芯片和光模块已经成熟,在中国电信的主导下,已经实现了EPON芯片级和系统级的互通测试;EPON产业链也在进一步成熟,形成了良性的市场竞争格局,设备成本进一步下降,已达到规模商用水平。

GPON在二层采用ITU-T定义的GEM对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射,能提供1.25和2.5Gb/s下行速率和所有标准的上行速率,并具有强大OAM功能;在高速率和支持多业务方面,GPON有明显优势,但成本目前要高于EPON,产业链还不完整,产品的成熟性也逊于EPON。

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从技术上看,GPON比EPON带宽更大、传输距离更远、分路比更高,在机房少、光纤资源紧张的条件下,更加满足扁平化接入网建设需求。从产业链看,GPON的系统、芯片和光模块厂家规模和实力均超过EPON,所有大的系统厂家都支持GPON,7家芯片厂家支持GPON,只有3家支持EPON,并且GPON芯片厂家规模和实力更强,但产品的成熟性逊于EPON。

 

名词解释:

APON:ATM-based passive optical networking

BPON:ATM-based broadband passive optical networking

GPON:ATM-based Gigabit passive optical networking

EPON:Ethernet passive optical networking

FSAN:Full Service Access Network 全业务接入网论坛

EFMA:Ethernet in the First Mile 第一英里以太网联盟

GEM:GPON Encapsulation Method

POS:Passive Optical Splitter 无源光纤分支器