PON－“最后一公里”的解决之路

2019-11-03 18:21:28

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供稿：网友

北京邮电大学光通信中心杨旭

　　摘要：本文主要介绍了无源光网络（PON）的三种主要技术：APON、EPON和GPON，将它们做了比较，并展望PON的未来发展前景。

　　关键词：PON；APON；EPON；GPON

　　随着光通信技术的飞速发展和国内电信运营商的增多，目前国内的骨干网已基本实现光纤化、数字化、宽带化，但处于网络边缘的用户接入网一直发展缓慢，技术落后。这已经成为国内通信网从原有的电话、传真、低速数据等业务向结合了可视电话、视频点播、图文检索等高速数据业务的宽带综合业务发展的瓶颈。当前摆在电信运营商面前的主要问题是如何建立一个宽带高速、数字化的接入网。由于光纤的传输距离远、抗干扰强、容量大，因此成为接入网传输介质的首选。无源光网络（PON，Passive Optical Network）在光纤接入方式中相对成本低，能平滑升级，因而将是未来的发展方向。

1 何为PON？

　　PON（无源光网络）是指ODN（光配线网）中不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端（OLT），以及一批配套的安装于用户场所的光网络单元（ONUs）。在OLT与ONU之间的光配线网（ODN）包含了光纤以及无源分光器或者耦合器（见图1）。

图1 PON的功能参考配置

　　PON网络的上下行数据传输过程是不同的。数据的下行传输是从OLT发送到每个ONU，ONU通过识别分组头/信元头的匹配地址来接收处理相应的数据；因为ODN具有媒介的共享性质，所以上行数据的传输由OLT的控制机制协调，采用某种多址接入协议，如TDMA（Time Division Multiple access）协议，才能完成共享传输通道信息访问。如OLT需要，ONU还可向OLT报告它的分组缓冲长度，OLT可根据分组缓冲长度向这个ONU分配合适的带宽来适应ONU通讯的需要，只要相应调整ONU的传输权限就可以了。

　　PON作为用户接入网的解决方案之一，它的优势体现在以下几方面：　　PON允许在CO（交换局）与用户之间的远距离接入，距离可以到达20km；

　　无源光设备组网灵活，体积小，设备简单，安装维护费用低，投资相对也较小；

　　PON可以使CO和本地环网之间的光纤配置达到最小化；

　　下行是广播的网络，可以广播传送IP视频或模拟视频的视频广播。

　　目前用于宽带接入的PON技术主要有：ATM PON（APON）和Ethernet PON（EPON）以及Gigabit PON（GPON），下面将逐一介绍。

2 APON（ATM PON）

　　APON（ATM-PON）是FSAN（Full Service Access Network，全业务接入网）于20世纪90年代中期开发完成的，并将其定为ITU的标准，即G.983协议。APON是结合ATM多业务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能力的解决方案。它是基于信元的传输系统，为点到多点的传输系统的复用和多路接入方式提供了良好的基础，这种传输结构为多用户共享整个带宽提供了基础。APON传送的是固定长度的数据，可采用两种速率结构：即上下行均为155.52 Mb/s的对称结构和下行622.08 Mb/s、上行155.52 Mb/s的不对称结构，见图2。对于155.52 Mb/s的下行速率，下行帧含有56个ATM信元（每个信元53字节）；对于622.08 Mb/s的下行速率，下行帧含有224个ATM信元。上行帧是53个时隙，每个时隙发送56个字节（3个字节的物理信元头+53个字节的ATM信元）。

　　下行帧每隔27个时隙插入一个物理层维护管理信元（PLOAM，Physical Layer OAM）。PLOAM信元携带用来指示上行信元时隙的授权（GRANT）信息（53个授权对应上行的53个时隙），以及OAM&P消息（message）。上行传输的信元可以是包含ATM信元的数据信元，也可以是包含ONU信息发送给OLT的PLOAM信元。

图2 155.52 Mb/s PON的帧结构

　　APON的工作原理如下：OLT（光线路终端）将到达各个ONU（光网络单元）的下行业务组装成帧，以广播的方式发送到下行信道上，各个ONU收到所有的下行信元后，根据信元头信息从中取出属于自己的信元；在上行方向上，由OLT轮询各个ONU，得到ONU的上行带宽要求，OLT合理分配带宽后，以上行授权（Grant）的形式允许ONU发送上行信元，即只有收到有效上行授权的ONU才有权利在上行帧中占有指定的时隙。

　　实现APON的关键技术有多址和接入控制技术(在使用TDMA上行接入时包括测距、带宽分配等)、突发信号的发送和接收技术、快速比特同步技术以及安全保密等方面的技术。

　　APON提供了非常完备的运行维护管理（OAM），包括误码率（BER）监测、告警和检测、自动发现和自动测距和下行加密的搅动机制等。APON系统还是有两个缺点，一个是低的数据传输效率；一个是在ATM层面上提供服务上的复杂性。这些原因致使APON虽然发展多年，但是仍没有真正进入市场。

3 EPON（Ethernet PON）

　　由于以太（Ethernet）技术的高速发展，把简单经济的以太技术与PON的传输结构结合起来的Ethernet over PON概念开始引起技术界和网络运营商的广泛重视。2000年11月，IEEE组织“以太网最后一公里（EFM，Ethernet for the first mile）”研究组，研究和制定EPON标准。Ethernet PON最大的优越性在于允许运营商放弃复杂昂贵的ATM和SONET器件，从而使网络大为简化。

　　EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。目前，IP／Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，成为连接接入网最终用户的一种有效的通信方法。

　　EPON不需任何复杂的协议，光信号就能精确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各ONU与OLT之间突发性数据通信和实时的TDM通信。在协议的第二层，EPON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包，因此没有碰撞，不需CDMA/CD，从而充分利用带宽。另外，EP0N通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON类似的QoS。

　　在下行方向上，OLT通过1：N的无源分路器将Ethernet帧发送给每个ONU。N通常为4～64。这类似于共享媒质网络。EPON的下行方向是广播式的发送以太帧，各个ONU根据各自的MAC地址提取属于自己的数据信息。如下图3：

图3 EPON下行方向的广播式发送

　　在上行方向上，由于无源光合路器（passive optical combiner）的方向属性，从ONU来的数据帧只能到达OLT，而不能到达其它ONU。从这一点上来说，上行方向的EPON网络就如同一个点－点（point-to-point）网络。然而，不同于其它的点－点网络，来自不同ONU的EPON数据帧可能会发生数据冲突。因此，在上行方向（用户-网络）ONU需要一些仲裁机制来避免数据冲突和公平地分配信道资源。

　　为了解决OLT的带宽分配问题，IEEE 802.3ah工作组提议了多点控制协议（MPCP，Multi-Point Control PRotocol）协议。这个协议依靠两个Ethernet消息：GATE和REPORT。GATE消息是从OLT发送到ONU来分配传输时隙；REPORT消息用来传送ONU本地的状态信息（如缓冲容量）给OLT来帮助OLT智能地分配带宽。GATE和REPORT消息都是MAC控制帧（类型是88-08），由MAC控制子层来处理。MPCP有两种操作模式：自动发现auto-discovery（初始化）模式和普通模式。自动发现模式用来检测新连接的ONU，测量环路延时和ONU的MAC地址。普通模式给所有已经初始化的ONU分配传输带宽。

　　EPON中的ONU采用了技术成熟而又经济的以太网络协议，在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第二层第三层交换功能。这种类型的ONU可以通过层叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。因为都使用以太协议，在通信的过程中，就不再需要协议转换，实现ONU对用户数据的透明传送。ONU也支持其他传统的TDM协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。在更高带宽的ONU中，将提供大量的以太接口和多个T1／E1接口。对于光纤到家（FTTH）的接入方式，ONU和NIU可以被集成在一个简单的设备中，不需要交换功能，从而可以在极低的成本下给终端用户分配所需的带宽。

4 GPON（Gigabit PON）

　　在2001年，FSAN组织开始起草超过1Gb/s速率的PON网络标准。速率范围的设定是基于一个认识：不同服务需求对应不同的系统容量。除了需要支持更高比特率，FSAN还需重新考虑所有现行的协议，寻找一个最优化最有效的解决方案以支持多种服务、OAM&P功能以及可升级能力。

　　由于FSAN的努力，使GPON（Gigabit PON）成为光接入网一种全新的解决方案――不但提供高速的比特率，而且支持各种接入服务，特别是非常有效地支持原有格式的数据分组和TDM流。GPON提供1.244和2.488Gb/s的下行速率和所有标准的上行速率，具有高速宽带及高效率传输的特性。而且它的帧结构不基于任何指定类型的格式，是基于各种用户信号原有格式的封装。如图4和图5所示。

图4 GPON的下行帧格式

图5 GPON的上行帧格式

　　GPON是依据一个全新的传输会聚敛层（TC - Transmission Convergence Layer）的架构――通用成帧协议（GFP，Generic Framing Procedure）作为服务承载的通信协议。GFP提供了一种通用机制来适应来自传输网络高层的用户信息的传送。传输网络可以是任何类型，如SONET/SDH还有ITU-T G.709。用户信号可以基于IP/PPP打包或者是基于以太网媒体接入控制，恒定的比特速率流或者是其它类型的信号。GFP已经制定了官方的标准即G.7041。

　　GPON可在接入网络上提供10Mbps、 100Mbps 及1Gbps的服务。当今许多企业利用VLAN的架构作为母公司及子公司的连接。GPON同样可提供VLAN的服务，同时支持语音的服务包括VoIP及TDM也是GPON的另一特点。

　　GPON也是当前众多解决接入网络瓶颈的技术中唯一可在单一波长下提供2.5G的带宽，同时可传送多个波长在一条光纤上。无论接入网络上使用者的数据格式及界面为何，皆可保有其原有格式传送。另外值得一提，GPON系统可提供物理覆盖至少20公里，优于ADSL的6公里达3倍之多。整个系统兼顾扩充性及提供完整的管理功能，也考虑到硬件保护及数据的安全。

　　以往使用ADSL的技术提供接入网络服务由于无法提供长距离及高速带宽的服务，渐渐已无法满足固网运营商所推出的新兴服务项目。GPON系统非常适合亚洲地区的地理特性及网络需求。事实上新加坡已在今年一月安装了GPON系统提供服务，中国及日本也正在进行实际测试，预见不久的未来，GPON系统应该会被更多运营商用于接入网的服务。

5 APON/EPON/GPON的比较

　　关于PON的三种主要技术APON、EPON和GPON的各方面的比较结果如下表：

　　其中APON由于其复杂性和低的数据传输效率，已经逐步退出市场的竞争。FSAN（ITU-T）与EFMA/IEEE802.3ah之间的争论焦点在于GPON和EPON的争战。争论的中心在于是“多业务通用帧”和“Ethernet专用帧”。

　　因为EFMA是“制造商联盟”，所以EPON反映的更多的是生产厂家的利益，是生产厂家的方案，而缺少对运营商一级的QoS的支持，缺少完善的OAM功能和保护能力等。此外，由上表比较可以看出，EPON的总体效率不高，采用8b/10b编码作为线路编码，本身就引入了20%的带宽损失，再加上它适配业务的开销只有60-70%左右，从而EPON的总体效率只有49%。

　　而FSAN提出的GPON系统，具有高比特速率（最高2.4Gb/s）、传输时不改变原有格式（即透明传输）、极高的传输效率（94%）和对多种业务（TDM和数据）的支持，已成为备受瞩目的光接入网的解决方案。

　　虽然EPON的标准要到明年才能推出，但是一些基于Ethernet的系统已经上市了，并添加了额外的类似于MPLS的协议来满足客户的对Qos的需求。GPON在今年1月份ITU刚通过了两个新的标准：G.984.1和G.984.2协议之后的一个月，FlexLight网络公司就宣布推出符合ITU最新规定的GPON设备－"Optimate"。该设备已经发往欧洲和亚洲主要运营商开展测试。GPON虽然有高速和高效的优点，但是它是否适应这个市场的需求，还要通过产品的最终批量应用才能验证。

6 PON的前景

　　PON作为一种接入网的发展方向，顺应了目前Internet业务不断增长的趋势。特别是当前用户对Internet的应用不仅仅满足于网页的浏览、收发E-mail等低速业务，更迫切的需求网络数据的快速下载、视频会议、VOD等高速业务的情况下，运营商急需宽带、稳定、能平滑升级的接入网。由于PON的低成本、高容量、易维护等特点，它应当为接入网的首选解决方案。PON的局端设备配置灵活，既能使用ATM，也能使用IP交换机。在今后有线电视网、电话网和数据网三网合一的时候，PON接入更具有得天独厚的优势。

　　从以上的讨论可以看出PON肯定将是解决接入网问题的最好方案。但是将什么样的技术（ATM、Ethernet）与PON技术结合还有待进一步研究。从PON的发展历程来看，其发展的总的内在规律是以市场需求为导向，以高效廉价综合化为目标，所以究竟是 “多业务通用帧”和“Ethernet专用帧”统领今后的接入网市场，我们还将拭目以待。

参考文献

[1] G.983：“High Speed optical access systems based on Passive Optical Network(PON) techniques”， ITU-T, 1998

[2] IEEE Std 802.3ah-2003，P2MP Ethernet Standardization Trends

[3] GPON-The Next Big Thing in Optical Access Networks，www.flexlight-networks.com

[4] 全弘林，新一代无源光网络技术－GPON，通信世界，2003年4月

摘自　赛迪网

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