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：l 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)。l EPON：Ether PON，基于以太網(wǎng)的無源光接入技術(shù)。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(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)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(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)。l 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)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

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(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)。l 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

4、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

5、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電影響，極適合在自然條件惡劣的地區(qū)使用。l 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

6、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)腜ON。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)1.25 Gbit/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?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹型。EPON系統(tǒng)由

7、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 Splitter)，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(Centra

8、lOffice，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：圖1.2 PON的網(wǎng)絡(luò)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(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

9、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(LLID)。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

10、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)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

11、，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)

12、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)(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)(

13、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)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

14、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)。圖1.5 FTTx接入網(wǎng)應(yīng)用類型l 光纖到家庭用戶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。l 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。l 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, Distr

15、ibution Point分配點(diǎn))ONU下采用其他介質(zhì)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(diǎn)處，ONU下采用其他介質(zhì)接入到用戶。 下圖形象地給出了FTTx業(yè)務(wù)模型。圖1.6 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FTTCabinetFTTBuilding/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(cè)用戶接口常用技術(shù)POTSADSL/ADSL2+VDSL2VDSL2/TDMFEPOTSFE/GETDMWLANATMFEPOTSWLANRFONU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l 遵循標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3-2005 section 5.l OLT與ONU之間信號(hào)傳輸基于IEEE 802.3以太網(wǎng)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(jī)制為基礎(chǔ)，MPCP通過消息、狀態(tài)機(jī)和定時(shí)器來控制訪問P2MP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)l 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OSI參考模型之間的關(guān)系。圖2.1 EPON協(xié)議分層和OSI參考模型間的關(guān)系l 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。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(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子層作為EPON的控制層，MAC層不做改變。MPCP子層使用了