PON
- PON(Passive Optical Network：无源光纤网络/无源光网络)
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什么是PON[1]
无源光网络是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式，上行采用时分多址接入方式，可以灵活地组成树型、星型和总线型等各种拓扑结构。
对于下行传输，采用基于时分复用的广播方式，由无源光分离器把由馈线光纤输入的光信号按功率平均分配到若干输出用户线光纤上，一般有1分16、1分32或1分64三种分配方案。对于上行传输，采用时分多址接入方式，由无源光分路器把由用户线光纤上传的光信号耦合到馈线光纤并传输至光线路终端。整个系统可以同时传送语音／电话、数据和视频信号。
PON的起源和发展[2]
1988年，基于电话业务的TPON(电话无源光网络)设想首先在英国被提出。
1995年，由某些电信运营商组建的(Full Service Access Network，FSAN)国际研究组共同研究了全业务接入网技术。1997年，根据FSAN建议，ITU-T提出了以ATM为基础的，上下行速率均为155Mbit／s的APON标准G．983．1。在2001年，有关规范又被修正为上行155Mbit／s和下行622Mbi／s的不对称传输系统和上、下行均为622Mbit／s的对称系统，被称为Broadband PON(即BPON)。BPON在日本有相当规模的应用。
鉴于数据流量的剧增，APON和BPON所采用的物理层结构其速率已难以提高，而且它们在传送IP流量时效率很低，因此FSAN致力于推出一种速率大于Gbit／s的PON，并以采用通用组帧程序(Generic Framing Procedure，GRP)的方法来提高效率。GFP允许可变长度的帧与ATM单元混合组帧。2003年，在FSAN的建议基础上，ITU-T提出了有关Gigabit-capable PON(GPON)的C．984．1和G．984．2建议。GPON的上、下；行速率提高到了2．5Gbit／s，效率也大为提高。
与此同时，IEEE在1998年发布了吉比特以太网标准之后，从2000年开始通过成立802．3ah(即第一英里以太网(Ethernet for the First Mile，EFM)工作组)的方式开始了EPON的标准化工作。EFM指出了以Ethernet技术为核心的EPON的许多优点，包括协议成熟、技术简单、易于扩展、面向用户等，并坚信Ethernet PON可以消除WAN／LAN连接中ATM和真P之间的协议转换。为了加速EPON的标准化工作，EFM计划将其工作重点放在EPON的MAC协议上，其余将主要参照ITU-TC．983建议，因为C．983并不排除非ATM协议，并留有较大余地，因此C．983的大部分现有内容都可以被有效引用，从而能以最快速度完成有关EPON的标准，并投入商用。
EFM制定EPON标准的基本原则是尽量在802．3体系结构内进行EPON的标准化工作，最小程度地扩充以太网MAC协议。为了支持PON这一新应用和新介质，EFM在研究点到点(Point to Point，P2P)光纤以太网，速率最低1000Mbit／s，距离至少lOkm的基础上，定义了新的网络拓扑和相应的物理层：点到多点(Pointto Multi Point，P2MP)光纤以太网，速率最低1000Mbit／s，距离至少10km。
在EFM制定的EPON标准中，EPON以MAC控制子层的MPCP(Multi Point Control Protocol)机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP实体，它可以和OLT中的MPCP实体进行消息交互。MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制，来协调数据的有效发送和接收：系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告，从而优化PON系统内部的带宽分配。P2P仿真子层是EPON／MPCP协议中的关键组件，通过给每个分组包增加LLID(Logical Link Identification)，从而替代2字节的前缀，它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。另外，EPON通过在MAC层中实现802．1p来提供与APON类似的QoS。EFM还规定了系统同步方式、ONU的自动识别方式、以太网的管理和维护以及信息安全等功能的实现方式。
为了实现系统同步，EPON系统的时钟同步采用时间标签方式：在OLT侧有一个全局的计数器，OLT根据本地计数器在下行方向插入时钟标签，ONU根据收到的时钟标签修正本地计数器，完成系统同步；ONU根据本地的计数器在上行方向插入时钟标签，OLT根据收到的时钟标签完成测距。
EFM对解决ONU的注册冲突提出了两种方案：随机延迟时间法和随机跳过开窗法。采用随机延迟时间的方法可以缩短ONU加入系统的时间，但是需要增大注册开窗的长度，这样会降低系统的带宽利用率。采用随机跳过开窗的方法比采用随机延迟时间的方法时延要大，但是不需增大注册开窗，不会影响系统的带宽利用率。
EFM要求EPON应具有完整的电信级的管理能力，OLT应可以监测业务网和用户驻地网之间的物理链路和设备的一些重要的信息。EFM已经决定提供的OAM功能包括：远端错误指示、远端环回、链路监视。
在以太网基础上发展起来的EPON，是遵循IEE802．3工作组规范的无源光网络。IEEE802．3ah工作组还规范了Gbit／s速率以上(eg.10Gbit／s etc)EPON。与电信运营商不同，他们认为保持IP以太网没有拘束、无所不在和低成本等优点，不过度规范其标准的作法，将使EPON更有发展前景。在未来的广播TV节目、IP多播技术、VOD、单线Karaoke、IP电话、DVD级多播及登录、电子旅游、电子游戏等充分普及后，究竟GPON还是EPON是赢家，现在还难以预料。
WDM-PON采用波分复用与无源光网络技术组合而成。它具有可采用不同波长作为上、下行通道，并可综合利用GPON与EPON等技术组织多种业务的优点，因此受到了人们的青睐。随着成本的不断降低，在未来全业务光接入网的发展中，WDM-PON将发挥巨大作用。
PON的分类[3]
按承载的内容来分类，PON主要包括基于ATM的无源光网络(APON)／宽带无源光网络(BPON)，基于Ethernet(以太网)的以太无源光网络(EPON)，基于GFP(通用成帧规程)的吉比特无源光网络(GPON)等。它们主要差异在于采用了不同的二层技术。APON二层采用的是ATM技术，最高速率为622Mbps。EPON二层采用的是Ethernet技术，可以支持1．25Gbps速率，将来速率还能升级到10Gbps。GPON二层则采用GFP(通用成帧规程)对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射技术。
PON的优势[3]
①PON使端局到用户的距离延长。基于PON的本地环路的距离可达20km，远远超过DSL的最大覆盖范围。
②PON提供更宽的带宽(由于光纤更靠近用户)。光纤到楼(FTTB)、光纤到家(FTTH)，甚至光纤到计算机(PC)，达到了光纤贯穿到用户所有路径的目标，而光纤到小区／路边(FTTC)是目前最经济的形式。
③作为点对多点的网络拓扑结构，PON适合汇集多用户，适合下行视频组播／广播业务。
④因为无源的光分／合路器对信号传输是完全“透明”的，PON可通过波分复用技术实现速率升级，可叠加其他信道到PON上而不用改变设备电路。PON去掉了远置的复用／解复用设备，可将无源光分／合路器埋在地下，免去了网络运营商供电、维护之“苦”。
⑤PON本身是一种多用户共享系统，即多个用户共享同一前端设备，端局仅需要一根光纤和一个光分路器，这就最小化了户外和端局内光纤铺设工程量，使端局设备耗电更少、占空间根少，降低了系统安装、开通、维护和运营成本。
PON的用户群[2]
要探讨PON的应用模式，首先要了解其面对的用户群。我国的宽带用户可细分为普通居民用户、高端居民用户、中小商业／企业用户、集团用户4类：
1)普通居民用户数有限，对于网络的可靠性、服务质量、安全性等方面要求都不高，现有DSL接入和LAN接入因具有成熟和廉价的特点，是此类用户目前的主要选择。这类用户在短期内不会成为PON的目标客户。
2)高端居民用户比较注重服务的品牌，会成为PON早期的潜在客户。
3)对于中小商业／企业用户，基于LAN的业务提供方式在带宽和成本方面都可以比较好地满足此类用户的需要，所以从投资收益比的角度来看，PON并不受这些客户的重视。但是如果将PON的成本和带宽由若干用户分担，此类用户可以成为PON的客户。
4)集团用户注重可靠性，对服务质量的要求高，业务种类多，对价格不太敏感，因此是PON的主要客户群。
因此，当前PON可能在某些具有较高带宽需求的商业用户群、高档住宅小区和网吧应用。目前，在网吧的应用比较多，据了解，重庆市已有多家网吧采用EPON技术上网。
PON的拓扑结构[4]
PON是一种点对多点的光纤传输系统，下行采用广播方式，上行采用时分多址方式，在光分支点不需要节；点设备，只需安装一个简单的光分路器即可。其拓扑结构取决于ODN的结构。通常ODN具有四种基本拓扑结构：单星型、多星型(也即树型)、总线型和环型，相应地PON也具有这四种基本拓扑结构。
- 1．单星型结构
如图所示，用户端的每一个ONU分别通过一根或一对光纤与局端的同一OLT相连，以OLT为中心形成星型拓扑结构。OLT输出的信号光通过一个光分路器均匀分到各个ONU，适合于用户均匀分散在OLT附近的情况。
单星型结构的特点：线路中没有有源电子设备，是一个纯无源网络，线路维护简单；光纤信道相互独立，各ONU之间互不影响，保密性能好，易于升级；但光缆需要量大，无法实现光纤和光源的共享，成本高。
- 2．多星型(树型)结构
如图所示，该结构中，ODN由很多OBD串联组成。连接OLT的第一个OBD将光分成n路，每路通向下一级的OBD。它是以增加光功率预算的要求来扩大PON的应用范围的。
多星型结构的特点：实现了光信号的透明传输，线路维护容易；不存在雷电及电磁干扰，可靠性高；用户可共享一部分光设施，如光缆的馈线段和配线段以及局端的发送光源。但由于所有ONU的功率都由OLT中的一个光源提供，光源的光功率有限，从而限制了光信号的传输距离及所连接的ONU数量。
在这种结构中，所有串联的OBD可以按两种方法分光：均匀分光和按额定比例的非均匀分光。均匀分光OBD组成的网络一般称为多星型网络，非均匀分光OBD组成的网络常称为树型网络。对于通常的接入网用户分布环境，这两种结构的PON应用范围最广。
- 3．总线型结构
如图所示，在总线型结构中，常常采用非均匀分光的光分路器OBD实现，各OBD沿线状排列。OBD负责从光总线中分出OLT传输的光信号，或者将每个ONU传出的光信号插入到光总线上。非均匀的OBD只给总线引入少量的光损耗，而且也只从光总线中分出少量的光功率，其分路比根据最大的ONU数量和ONU最小的输入光功率等具体要求确定。由于光纤线路上存在损耗，使得在靠近OLT和远离OLT处接收到的光信号强度差别较大。因此，对ONU中光接收机的动态范围要求较高。
此结构适合于沿街道、公路呈线状分布的用户环境。
- 4．环型结构
如图所示，把总线结构中的OBD与OLT组成一个闭合环就构成了环型结构。环型结构中所用的器件以及信号的传输方式与总线型结构类似，只是OBD可从两个不同的方向通到OLT，从而形成可靠的自愈环型网，可靠性大大优于总线型结构。
上述四种拓扑结构中，树型和总线型是两种最基本的拓扑结构，单星结构和多星结构是树型结构的特例，环型结构则可看成是两个总线型结构的结合。
实际应用中，由于受历史条件、地貌条件和经济发展等各种因素的影响，用户的分布非常复杂，同时又要考虑到降低建造费用和提高网络的运行效率，因此，PON的实际拓扑结构往往非常复杂。
选择PON的拓扑结构时，一般应考虑以下因素：用户的分布拓扑、OLT和ONU的距离、可获得的技术、提供各种业务的光通道、光功率预算、波长分配、升级要求、可靠性要求、安全以及光缆的容量等。
PON的3种应用模式[2]
1)替代现有的二层汇聚网络：EPON可以替代现有的二层交换机和光纤收发器，将LAN的接入网引至IP城域网，如图所示。
2)替代相关段落的接入光缆：PON系统可以替代现有的部分光缆和光交换设备，从而节省相关段落的接入光缆，如图所示。
3)多业务接入方式(实现FTTH)：PON系统可以提供不同QoS要求的多业务、多速率接入，能适应用户的多样性和业务发展的不确定性的要求，如图所示。
