PON技术原理

第一章PON技术原理随着以太网技术在城域网中的普及以及宽带接入技术的发展，人们提出了速率高达1Gbit/s以上的宽带PON技术，主要包括EPON和GPON技术：“E”是指Ethernet，“G”是指吉比特级。1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。1995年，全业务网络联盟FSAN(FullServiceAccessNetwork)成立，旨在共同定义一个通用的PON标准。1998年，国际电信联盟ITU-T工作组，以155Mbps的ATM技术为基础，发布了G.983系列APON(ATMPON)标准。这种标准目前在北美、日本和欧洲应用较多，在这些地区都有APON产品的实际应用。但在中国，ATM本身的推广并不顺利，所以APON在我国几乎没有什么应用。2000年底，一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟(EFMA)，提出基于以太网的PON概念——EPON(EthernetPassiveOpticalNetwork)。EFMA还促成电气电子工程师协会(IEEE)在2001年成立第一英里以太网(EFM)小组，开始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在内的EFM相关标准。EPON标准IEEE802.3ah在2004年6月正式颁布。2001年底，FSAN更新网页把APON更名为BPON(BroadbandPON)。实际上，在2001年1月左右EFMA提出EPON概念的同时，FSAN也已经开始了带宽在1Gbps以上的PON，也就是GigabitPON标准的研究。FSAN/ITU推出GPON技术的最大原因是由于网络IP化进程加速和ATM技术的逐步萎缩导致之前基于ATM技术的APON/BPON技术在商用化和实用化方面严重受阻，迫切需要一种高传输速率、适宜IP业务承载同时具有综合业务接入能力的光接入技术出现。在这样的背景下，FSAN/ITU以APON标准为基本框架，重新设计了新的物理层传输速率和TC层，推出了新的GPON技术和标准。2003年3月ITU-T颁布了描述GPON总体特性的G.984.1和ODN物理媒质相关(PMD)子层的G.984.2GPON标准，2004年3月和6月发布了规范传输汇聚(TC)层的G.984.3和运行管理通信接口的G.984.4标准。1.1PON组成PON，PassiveOpticalNetwork，无源光网络。如图1.1-1，PON由光线路终端（OLT）、光合／分路器（Spliter）和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。ONU放置在用户侧，OLT与ONU之间通过无源光合／分路器连接。所谓无源，是指在OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)之间的ODN(光分配网络)没有任何有源电子设备。图1.1-1PON组成结构PON使用波分复用（WDM）技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送。OLT到ONU/ONT的方向为下行方向，反之为上行方向。下行方向采用1490nm，上行方向采用1310nm。如图1.1-2。图1.1-2PON单纤双向传输原理1.2PON拓扑PON系统的组网方式如下图1.2-1。有树型拓扑、环型拓扑、总线型拓扑、树型干冗余拓扑等4种，其中最常见的是树形拓扑。其中最常见的是树形拓扑。图1.2-1PON拓扑1.3PON优势相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。PON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大。无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。PON系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。GPON则是高达2.5Gb/s的带宽。服务范围大。PON作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省CO的资源，服务大量用户。用户共享局端设备和光纤的方式更是节省了用户投资。带宽分配灵活，服务有保证。G/EPON系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。可以实现用户级的SLA。1.4EPON上下行工作原理如图1.4-1，下行采用纯广播的方式：1．OLT为已注册的ONU分配标示号；2．由各个ONU监测到达帧的标示号，以决定是否接收该帧；3．如果该帧所含的标示号和自己的标示号相同，则接收该帧；反之则丢弃。图1.4-1EPON下行工作原理如图1.4-2，上行采用时分多址接入（TDMA）技术：1．OLT接收数据前比较标示号注册列表；2．每个ONU在由局方设备统一分配的时隙中发送数据帧；3．分配的时隙补偿了各个ONU距离的差距，避免了各个ONU之间的碰撞。图1.4-2EPON下行工作原理1.5GPON与EPON的区别EPON和GPON作为光网络接入的两个主力成员,各有千秋,互有竞争,互有补充,互有借鉴,下面在各个方面对它们作个比较:速率EPON提供固定上下行1.25Gbps,采用8b/10b线路编码,实际速率为1Gbps，GPON支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，下行2.5Gbps或1.25Gbps，上行1.25Gbps或622Mbps，根据实际需求来决定上下行速率，选择相对应光模块,提高光器件速率价格比。分路比所谓分路比是指一个OLT端口(局端)带多少个ONU(用户端)，EPON标准定义分路比1：32。GPON标准定义分路比下列几种1:32；1:64；1:128。其实，技术上EPON系统也可以做到更高的分路比,如1：64，1:128，EPON的控制协议可以支持更多的ONU。分路比主要是受光模块性能指标的限制,大的分路比会造成光模块成本大幅度上升;另外,PON插入损失15～18dB，大的分路比会降低传输距离;过多的用户分享带宽也是大分路比的代价。QOSQOS(QualityofService)即服务等级，EPON在MAC层Ethernet包头增加了64字节的MPCP多点控制协议（multipointcontrolprotocol），MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP点到多点的拓扑结构,实现DBA动态带宽分配。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。MPCP提供了对P2MP拓扑架构的基本支持,但是协议中并没有对业务的优先级进行分类处理,所有的业务随机的竞争着带宽GPON则拥有更加完善的DBA,具有优秀QoS服务能力。GPON将业务带宽分配方式分成4种类型，优先级从高到低分别是固定带宽（Fixed）、保证带宽（Assured）、非保证带宽（Non-Assured）和尽力而为带宽（BestEffort）.DBA又定义了业务容器（trafficcontainer,T-CONT）作为上行流量调度单位,每个T-CONT由Alloc-ID标识。每个T-CONT可包含一个或多个GEMPort-ID.T-CONT分为5种业务类型，不同类型的T-CONT具有不同的带宽分配方式，可以满足不同业务流对时延、抖动、丢包率等不同的QoS要求。T-CONT类型1的特点是固定带宽固定时隙，对应固定带宽（Fixed）分配,适合对时延敏感的业务，如话音业务；类型2的特点是固定带宽但时隙不确定，对应保证带宽（Assured）分配,适合对抖动要求不高的固定带宽业务，如视频点播业务；类型3的特点是有最小带宽保证又能够动态共享富余带宽，并有最大带宽的约束，对应非保证带宽（Non-Assured）分配,适合于有服务保证要求而又突发流量较大的业务，如下载业务；类型4的特点是尽力而为（BestEffort），无带宽保证，适合于时延和抖动要求不高的业务，如WEB浏览业务；类型5是组合类型，在分配完保证和非保证带宽后，额外的带宽需求尽力而为进行分配。OAMOAM（OperationAdministrationandMaintenance）即操作、管理和维护，EPON没有对OAM进行过多的考虑,只是简单的定义了对ONT远端故障指示、环回和链路监测。并且是可选支持.GPON在物理层定义了PLOAM（PhysicalLayerOAM）,高层定义了OMC（IONTManagementandControlInterface）,在多个层面进行OAM管理.PLOAM用于实现数据加密、状态检测、误码监视等功能。OMCI信道协议用来管理高层定义的业务，包括ONU的功能参数集、T-CONT业务种类与数量、QoS参数，请求配置信息和性能统计，自动通知系统的运行事件,实现OLT对ONT的配置、故障诊断、性能和安全的管理。业务承载如图1.5-1所示，EPON沿用了简单的以太网数据格式，只是在以太网包头增加了64字节的MPCP点到多点控制协议来实现EPON系统中的带宽分配,带宽轮讯,自动发现,测距等工作。对于数据业务以外的业务（如TDM同步业务）的支持没有作过多研究，。很多EPON厂家开发了一些非标准的产品来解决这个问题，但是都不理想,很难满足电信级的QoS要求。GPON基于完全新的传输融合（TC）层，该子层能够完成对高层多样性业务的适配，如图二所示，定义了ATM封装和GFP封装（通用成帧协议），可以选择二者之一进行业务封装．鉴于目前ATM应用并不普及,于是一种只支持GFP封装的GPON.lite设备应运而生,它把ATM从协议栈中去除以降低成本。GFP是一种通用的适用于多种业务的链路层规程,ITU定义为G.7041。GPON中对GFP作了少量的修改,在GFP帧的头部引入了PortID，用于支持多端口复用；还引入了Frag（Fragment）分段指示以提高系统的有效带宽.并且只支持面向变长数据的数据处理模式而不支持面向数据块的数据透明处理模式GPON具有强大的多业务承载能力。GPON的TC层本质上是同步的，使用了标准的8kHz（125µm）定长帧，这使GPON可以支持端到端的定时和其他准同步业务，特别是可以直接支持TDM业务，就是所谓的NativeTDM，GPON对TDM业务具备“天然”的支持。图1.5-1GPON与EPON协议栈比较第二章典型的PON终端根据PON网络现网应用情况，本章从PON终端的型号、产品功能、产品接口及功能以及指示灯几个方面学习典型的中兴、华为ONU设备，以便于今后的业务开通及维护。2.1中兴EPON系列小型终端以上图标列举了中兴EPON系列小型终端，其主要应用于集团单位宽带业务接入，提供的接口类型和数量相对较少，无法扩展。以上图表中终端接口类型说明如下：POTS接口：接入电话机；以太网接口：接入局域网络；WiFi接口：接入无线终端；USB：接入USB存储设备或打印机；CATV：接入IPTV；E1接口：接入SDH网络终端。2.2中兴ZXA10F460:中兴ZXA10F460做为中兴小型ONU系列的一款，主要应用于集团单位语音、有线宽带、无线宽带综合接入。1）产品接口及功能如下表：型号端口功能ZXA10F460B4个GE口、2个POTS口、1个WIFI口、2个USB口支持VOIP功能、支持WLAN功能2）．前面板及指示灯：3）．指示灯功能：指示灯状态描述LAN1LAN2LAN3LAN4绿灯常亮网口已连接，无数据传输灭系统未上电或网口未连接网络设备闪烁有数据传输VoIP1VoIP2绿灯常亮已经成功注册到软交换机，但无业务流灭系统未上电或无法注册到软交换机闪烁有业务流传输电源指示灯蓝灯常亮系统正常上电灭系统未上电WLAN指示灯绿灯常亮无线接口已启用灭系统未上电或无线接口被禁用闪烁有数据传输LOS故障指示灯红灯常亮光链路连接故障闪烁设备故障或下载版本时，与运行指示灯交替闪烁PON状态指示灯（仅仅对EPON接入设备）绿灯常亮ONU/T的OAM链路已经激活灭ONU/T未完成OAM发现和注册闪烁ONU/T正在试图建立连接4）．后面及侧面设备接口图：5）．接口及按键说明：端口、按钮描述LAN1LAN2LAN3L