无源光网络技术(pon)原理及技术应用

无源光网络技术(PON)

1、概述

光接入网技术通常有两种：有源光网络(AON)和无源光网络(PON)。 有源光网络的局端设备和远端设备通过有源光传输设备相连，其传输技术在骨干网中已经大量采用，如SDH和PDH技术，以SDH技术为主。有源光网络的拓扑结构通常采用星型或环型，其技术特点是：传输容量大，目前SDH传输设备一般提供155Mbps、622Mbps、2.5Gbps的速率；无中继情况下传输距离可达100公里以上；用户信息隔离度好，有源光网络的拓扑结构无论是星型还是环型，从逻辑上看，其传输方式一般采用点到点方式。

无源光网络(PON)有APON(BPON)、EPON(GEPON)、GPON之分。其中APON(BPON)、GPON是由ITU制定的标准，其主要特点是以ATM技术为基础。1998年，ITU-T以ATM技术为基础，发布了G.983系列APON(ATM PON)标准，后于2001年更名为BPON，即“宽带的PON”。2003年3月～2004年6月，ITU-T在APON的基础上先后颁布了G.984系列GPON(Gbit PON)标准。

EPON是英文Ethernet over Passive Optical Networks即以太无源光网络的缩

写，是IEEE于2004年6月，颁布文号为IEEE 802.3ah的基于以太网技术的无源光网络标准。

APON、GPON、EPON的网络拓扑结构相似，其主要差异在于不同的二层技术。APON、GPON采用的是ATM技术，APON的最高速率为622Mbps，二层采用的是ATM封装和传送技术，由于存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题，一直未能取得市场上的成功。而GPON在二层采用ITU-T定义的GFP(通用成帧规程)对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射，能提供1.25Gbps和2.5Gbps下行速率和所有标准的上行速率，并具有OAM功能。

第一英里以太网联盟(EFM- Ethernet in the First Mile)在2001年初定义了两种EPON的光接口：1000BASE-PX10-U/D和1000BASE-PX20-U/D，分别工作在

10km范围和20km范围的EPON光接口；定义了MPCP(多点控制协议)，使EPON系统具备了下行广播发送，上行TDMA(时分多址接入)的工作机制；定义了可选的OAM层功能，为EPON系统提供了一种运营、维护、管理的机制。IEEE 802.3ah工作小组对其进行了标准化，EPON可以支持1.25Gbps对称速率，并能升级到10Gbps。

以下是几种光接入技术的比较： 项目 技术特点 利用ATM的集中和统计复价格高，不适应现在网络向IPA/BPON 用，业务开发是分阶段实发展的趋势，且升级困难,一施，运营成本低 般只能升级到下行622Mbps上行155Mbps。 用最简单的方式实现点到根据测试，实际吞吐量下行可EPON 多点Gbit以太网光纤接入达950Mbps，上行可达系统，支持接入速率从900Mbps。 1Gbps升级到10Gbps 采用动态带域分割技术，可目前正在开发商用芯片 实现1Gbps的速率，对TDMGPON 业务的支持具有较高的效率，可用带宽最大(2.5Gbps)

2、技术原理

PON PON技术原理仅介绍EPON技术。EPON是在PON的基础上，用以太网

(Ethernet)协议取代ATM作为数据链路层协议，将以太网技术与PON技术结合，构成了一个可以提供宽带、低成本和多业务能力的新一代光接入网技术。EPON采用点到多点结构、无源光纤传输方式，上、下行速率目前可达到1.25Gbps，因此也称GEPON(G= Gigabit 吉比特)。其标准制定的一条基本原则是尽量在802.3体系结构内进行标准化工作，扩充标准以太网的MAC协议。目前，IEEE已经建立8023av工作组来制定10G EPON标准。

EPON是一项采用点到多点拓扑结构、利用光纤和光无源器件进行物理层传

输、通过以太网协议提供多种业务的宽带接入技术。这项技术充分结合了无源光网络技术和以太网技术的优势，为在局端中心机房(CO)和终端客户现场之间配置宽带接入光纤线路提供了一种低成本的方法。无源光网络技术具备点到多点的拓扑结构、无源器件、后期维护成本低等特点。

EPON系统主要由以下几部分组成：

ONU(Optical Network Unit/ ONT：Optical Network Termination，光网络单元)：ONU位于用户端，为用户提供数据、视频和电话等业务接口。根据ONU放置的位置，又有光纤到楼、光纤到户的区别。

OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)：OLT为光接入网提供EPON系统与服务提供商的核心数据、视频和电话等业务接口，并经一个或多个ODN与ONU通信，OLT与ONU的关系是主从通信关系。OLT可以直接设置在网络的前端(分前端)，也可以设置在光节点。OLT在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能(如混合、复用)集成在一个设备內。

POS(Passive Optical Splitter，无源光分路器/耦合器)：POS是一个连接OLT和ONU的无源器件，它的功能是分发下行数据和集中上行数据。

ODN(Optical Distribution Network)：位于OLT和ONU之间的由POS和光纤组成的无源光分配网，其主要功能是完成光功率的分配，按IEEE 802.3-2005的要求分光比例最低能达到1:16或1:32，依据光纤的实际敷设距离分光比例也可以达到1:64或1:128。ODN通常呈星-树型结构，也可以用环型结构。

EMS(Element Management System网元管理系统)：EMS是对EPON接入网设备进行统一管理的后台网管系统。

图A1 EPON无源光网络简图

从结构上看，光信号通过光分路器(POS)把光纤线路终端(OLT)一根光纤下行的信号分成多路给每一个光网络单元(ONU)，每个ONU上行的信号通过光耦合器合成在一根光纤传输到OLT。EPON通过采用时分复用TDM或波分复用WDM方式，通过光分路器将信号分送给最终用户。总带宽为1Gbps到2.4Gbps(时分复用)，或1.6Gbps到160Gbps(波分复用)。最大传输距离为10-20 Km(时分复用)，或60Km(波分复用)。

在一个EPON系统中，OLT既是一个多业务平台，又是一个交换机或路由器，还是一个控制中心，提供网络控制和网络管理功能。它向下提供面向无源光纤网络的光纤接口，向上提供面向服务提供商的光纤接口。上行方向，OLT提供千兆以太网接口，支持WDM传输，还可以支持ATM、FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口标准，其PSTN接口支持传统的TDM话音、普通电话线(POTS)和其他类型的TDM通信(T1/E1)的复用。OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以提供网管功能，根据用户的QOS/SLA的不同需求进行带宽分配、网络安全和管理配置。OLT可以根据需要配置多块OLC(Optical Line Card)，OLC与多个ONU通过POS(无源光分路器)连接。OLT既负责向每个ONU广播信息，还接受各ONU发来的信息，并根据各ONU所携带信息的流量和优先级，动态地为它们分配带宽，并且为运行在同一ONU上的不同业务，如IP-TV、VoD、互联网和电话，分别提供独立的服务质量(QoS)。

EPON在下行方向采用802.3帧广播技术，上行方向执行时分复用相关接入

协议。由于上行方向上的给定时刻只允许一个用户传输，为了避免不同用户的冲突，采用了多点控制协议(Multi-point control protocol，MPCP)。通过多点控制协议(MPCP)，实现多个用户共享光网络单元(ONU)，多个光网络单元(ONU)共享光线路终端(OLT)，实现光接入网。EPON系统其传输方案一般可采用单纤波分复用技术或分纤传输等技术，大多数EPON系统采用波分复用传输技术。EPON系统可以利用不同波长在一根光纤中同时传输TDM、IP数据和视频广播信号：双向数据通信采用1490nm下行、采用1310nm上行，并可通过叠加第三个波长(通常为1550nm)实现射频电视广播，其中TDM和IP数据采用IEEE802.3以太帧的格式进行封装。

3、技术实现方式

EPON系统可以采用波分复用技术进行数据和电视信号的单纤传输。使用1490nm波长传输EPON下行数据信号，使用1310nm波长传输EPON上行数据信号，使用1550nm波长传输射频模拟和数字电视广播信号。合成光波到达ONU后，利用解波分复用技术将其分解为数据光波和电视广播光波，分别接收处理后还原为数据和电视信号，最后通过5类线和同轴电缆或单纯通过同轴电缆传输给最终用户。

EPON系统也可以采用空分复用技术进行数据和电视信号的双纤传输。其中一根光纤用于EPON数据信号的波分复用传输(1490nm波长下行，1310nm波长上行)，另一根光纤用于射频模拟和数字电视广播信号的传输(1310nm波长下行)。数据光波和电视广播光波到达用户驻地后，分别使用ONU和CATV光接收机接收处理，还原为数据和电视信号，再通过5类线和同轴电缆或单纯通过同轴电缆传输给最终用户。

在单纤和双纤方式中，射频模拟和数字电视广播信号都占用有线电视的下行频段(85－862MHz)。由于数据传输在EPON上进行，有线电视的上行频段(5－65MHz)不再利用。

4、业务承载能力

可承载包括高清/标清数字电视业务、广播、IPTV、VOD、VOIP、高速数据等多种业务应用。

5、技术特点及应用分析

1、PON技术消除了OLT和ONU一般采用点到多点的结构，减少了局端与用户端之间的光有源设备，网络拓扑结构简单；

2、相对有源系统成本和运维管理开销方面，费用均相对较低； 3、带宽资源丰富、配置灵活，可以满足用户多种宽带业务的需要； 4、建设投资低、易于扩容升级、业务扩展灵活；

尚未开始网络双向化改造的有线电视网络运营单位，并且光纤管道资源丰富，可以考虑采用PON技术进行网络双向化改造。

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