无源光网络技术综述

一、无源光网络的概念
　　无源光网络（PON），是指在OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)之间的光分配网络(ODN)没有任何有源电子设备. 
　　PON（无源光网络）技术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、上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓朴结构，在光分支点不需要节点设备，只需要安装一个简单的光分支器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。
　　PON包括ATM-PON（APON，即基于ATM的无源光网络）和Ethernet-PON（EPON，即基于以太网的无源光网络）两种。
二、无源光网络的优势
　　无源光网络（PON）是一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。无源光网络的优势具体体现在以下几方面：
　　（1）无源光网络设备简单，安装维护费用低，投资相对也较小。
　　（2）无源光设备组网灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总线型、混合型、冗余型等网络拓扑结构。
　　（3）安装方便，它有室内型和室外型。其室外型可直接挂在墙上，或放置于"H"杆上，无须租用或建造机房。而有源系统需进行光电、电光转换，设备制造费用高，要使用专门的场地和机房，远端供电问题不好解决，日常维护工作量大。
　　（4）无源光网络适用于点对多点通信，仅利用无源分光器实现光功率的分配。
　　（5）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。
　　（6）从技术发展角度看，无源光网络扩容比较简单，不涉及设备改造，只需设备软件升级，硬件设备一次购买，长期使用，为光纤入户奠定了基础，使用户投资得到保证。
三、基于ATM的无源光网络
　　1．APON技术简介
　　近年来，在接入网上使用ATM技术以提供视频广播、远程教育以及数据通信等多种业务的趋势越来越明显。在无源光网络上使用ATM，不仅可以利用光纤的巨大带宽提供宽带服务，也可以利用ATM进行高效的业务管理。自1993年以来，许多国家都竞相开始研究ATM-PON技术及其应用，并认为ATM-PON是最有前途的、能以较低成本提供宽带接入的方案。
　　APON技术发展得比较早，它还具有综合业务接入、QoS服务质量保证等独有的特点，ITU-T的G.983建议规范了ATM-PON的网络结构、基本组成和物理层接口，我国信息产业部也已制定了完善的APON技术标准。
　　ATM-PON采用的是点到多点的无源光网络，主要由OLT、ODN、ONU组成，由无源光分路器件将OLT的光信号分到树形网络的各个ONU。其应用包括FTTH、FTTB／C、FTTCab等多种配置结构。FTTB／C和FTTCab网络结构只是在应用上略有区别，可以看成一类。
　　FTTB／C／Cab可以提供PSTN、ISDN业务以及其它对称或非对称的宽带业务。
　　FTTH应用提供的业务大致同上，另外，FTTH可以考虑使用户内置ONU，使ONU的工作环境得以改善，再加上网络全部为光纤，使得维护工作量减少、成本降低。对于网络将来可能的带宽或业务升能，ONU可不作改动。
　　根据G.983规范，ATM无源光网络中，OLT最多可寻址64个ONU，PON所支持的虚通路（VP）数为4096，PON寻址可以使用ATM信元头中的12位VP域。由于OLT具有VP交叉互连功能，所以局端VB5接口的VPI和PON上的VPI（OLT到ONU）是不同的。限制VP数为4096，使ONU的地址表不会很大，同时又保证了高效利用PON资源。
  　APON的业务开发是分阶段实施的，初期主要是VP专线业务。相对普通专线业务，APON提供的VP专线业务设备成本低，体积小，省电、系统可靠稳定、性能价格比有一定优势。第二步实现一次群和二次群电路仿真业务，提供企业内部网的连接和企业电话及数据业务。第三步实现以太网接口，提供互联网上网业务和VLAN业务。以后再逐步扩展至其它业务，成为名副其实的全业务接入网系统。
　　APON采用基于信元的传输系统，允许接入网中的多个用户共享整个带宽。这种统计复用的方式，能更加有效地利用网络资源。
　　2．APON技术的应用前景
　　目前许多国家都在实验PON接入网，如日本的π系统采用的是STM的PON技术、无源双星的网络结构，其ONU配置灵活，可以为单个用户提供1.5Mpbs的接入速率。欧洲关于PON的研究有ACTSAC094Expert项目、ACTSAC022Bonaparte项目和RACEIIR2024BAF项目等等。其中Bonaparte（在现实电信环境下使用ATM　PON接入设备的宽带光网络）在4个国家分别进行用户实验，并根据用户的实际需求提供远程医疗、远程教学等多媒体宽带业务。在Bonaparte中使用的ATMPON连接32个终端，可以支持最大距离为10公里的81个用户。接入系统总的传输容量为上行和下行各622Mbps，每个用户使用的带宽可以从64Kbps到155Mbps灵活划分。
　　ATM-PON支持ISDN及B-ISDN业务的带宽需求，可以满足各类电信业务的全业务网（FSN）的共同要求，ATM-PON代表了宽带接入技术的最新发展方向，目前在英国、德国等已有实际应用，被认为是实现FTTC和FTTH的一种较好方法，其优点是可以节省光纤和光设备的费用，并可以实现宽带数据业务与CATV业务的共网传送。
　　在国内光通信领域，华为和烽火通信、北邮电信等厂商已经先后研制成功实用化的APON产品，这标志着APON技术已迈出实验室，进入了规模化商用的阶段。而目前中国电信已在多个城市开始试验采用APON技术，中国联通、中国网通等运营商也看好APON技术，准备在其网络中大量采用APON技术来实现商业大楼、企业用户的接入。
　　APON能否大量应用的一个重要因素是价格问题。目前第一代的实际APON产品的业务供给能力有限，成本过高，其市场前景由于ATM在全球范围内的受挫而不确定，但其技术优势是明显的。特别是综合考虑运行维护成本，在新建地区，高度竞争的地区或需要替代旧铜缆系统的地区，此时敷设PON系统，无论是FTTC，还是FTTB方式都是一种有远见的选择。在未来几年能否将性能价格比改进到市场能够接受的水平是APON技术生存和发展的关键。
　　四、基于以太网的无源光网络
　　随着Internet的高速发展，用户对网络带宽的需求不断的提高，传统的接入网已经成为整个网络中的瓶颈，以新的宽带接入技术取而代之已成为目前研究的热点。正是在这种背景下，IEEE与2000年底成立了EFM工作组（Ethernet in the First Mile Study Group），试图引入一种新的接入技术标准－Ethernet PON（或Ethernet over PON， 以下简称EPON）。顾名思义，EPON是利用PON（无源光网络）的拓扑结构实现以太网的接入。
　　1．EPON与APON的比较
　　ITU－T已经制定了APON技术的G．983建议。但是APON有两个问题：一是传输速率不够高，下行为622 Mbit／s或155 Mbit／s，上行为155 Mbit／s，带宽被16～32个ONU所分享，每个ONU只能得到5～20 Mbit／s。另一个更主要的问题是，与以太网设备相比，ATM交换机和ATM终端设备相当昂贵。而且，现在因特网工作于TCP／IP协议，用户终端设备都是IP设备，采用ATM技术必须将IP包拆分重新封装为ATM信元，这就大大增加了网络的开销，造成网络资源的浪费
　　而EPON融合了PON和以太数据产品的优点，形成了许多独有的优势．EPON系统能够提供高达1 Gbit／s的上下行带宽，这一带宽能够适应现在及将来10年内用户对带宽的需求。由于EPON采用复用技术，支持更多的用户，每个用户可以享受到更大的带宽．EPON系统不采用昂贵的ATM设备和SONET设备，能与现有的以太网相兼容，大大简化了系统结构，成本低，易于升级．由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维护费用大为减少。标准的以太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网络设备．而PON结构本身就决定了网络的可升级性比较强，只要更换终端设备，就可以使网络升级到10 Gbit／s或者更高速率．EPON不仅能综合现有的有线电视、数据和话音业务，还能兼容未来业务如数字电视、VoIP、电视会议和VOD等等，实现综合业务接入。
　　虽然APON对实时业务的支持性能优越，但随着多协议标签交换（MPLS）等新的IP服务质量（QoS）技术的采用，高层协议与EPON MAC协议相配合，EPON已完全可能以相对较低的成本提供足够的QoS保证．加之EPON的价格优势明显，因而被认为是解决电信接入瓶颈，最终实现光纤到家的优秀过渡方案。
　　2．EPON的系统结构 
　　EPON由光线路终端（OLT）、光合／分路器和光网络单元（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。
　　EPON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．EPON只在IEEE802．3的以太数据帧格式上做必要的改动，如在以太帧中加入时戳（Time Stamp）、PON－ID等内容．下行采用纯广播的方式，注册后，OLT为已注册的ONU分配PON－ID，由各个ONU监测到达帧的PON－ID，以决定是否接收该帧，如果该帧所含的PON－ID和自己的PON－ID相同，则接收该帧；反之则丢弃。上行采用时分多址接入（TDMA）技术。此外EPON还需通过已定义的接口与电信管理网相连，进行配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及计费管理，完成操作维护管理（OAM）功能。
3．EPON的关键技术
　　（1）上行信道复用技术
　　可以说上行的复用技术是EPON技术的核心，从目前的研究来看，大多数方案都使用了DWDM＋TDMA的复用方法。DWDM的使用是发展的趋势，但主要取决于光器件。因此，主要讨论的焦点将是TDMA的实现方法，即如何使用TDMA的方法使上行信道的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求。其中，上行带宽的分配方法、ONu发送窗口固定还是可变、最大的ONu发送窗口应为多大、ONu发送窗口的间隔、以太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定。
　　（2）测距和时延补偿技术
　　由于光纤信道时延较大的特点，ONu与OLT之间的距离将会影响到上行信道的复用，如果准确测量各个ONu道OLT的距离并能精确的调整ONu的发送时延，则可以减小ONu发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。另外，测距过程应充分考虑到整个EPON的配置情况。例如，系统在工作中加入新的ONu，此时对它的测距不应对其它ONu有太大的影响。
　　（3）光器件
　　由于EPON上行信道是所有ONu分时复用的，每个ONu只能在指定的时间窗口内发送数据。因此，EPON上行信道中使用的是突发信号，这就要求在ONu和OLT中使用支持突发信号的光器件。现有的大部分光器件还不能满足这一要求，少数突发模式的光器件也只能工作在155Mbps的速率上，而且价格昂贵。可以说，这是EPON技术面临的一大问题，但是，目前已有厂商正在研制满足EPON要求的光器件，相信随着EPON标准的制定，会有更多的产品出现。
　　（4）突发信号的快速同步
　　由于OLT接收到的信号为突发信号，OLT必须能在很短的时间（几个bits）内实现相位的同步，进而接收数据。这一技术与APON中使用的类似，因此可以借鉴APON的经验。
　　除此之外，下行信道安全性、如何实现QoS、如何实现VLAN和网管等也是影响EPON应用前景的问题，必须加以考虑。
　　4．EPON的未来
　　EPON还处于商业开发的起始阶段。尽管ATM PON在市场上略微领先，但目前的趋势是数据业务快速增长和快速以太网、G比特以太网的地位提高，都倾向于EPON。以太网最后一公里研究组开发标准的工作已经起步，促进对FSAN最初的APON标准的升级。
　　通信产业已经为主角的转换准备了舞台，结果将出现完全基于广泛使用的光纤和以太网技术的设备。这种光IP以太网结构将会成为在单一网络中捆绑传输话音、数据和图像业务的主要方式。同时，这一技术会产生新的合作和战略伙伴，内容提供商、业务提供商、网络运营商和设备制造商都将使用Ethernet PON这种前所未有的方式传输通信业务。
　　接入网市场在我国的快速发展有目共睹，FTTx作为针对大客户、集团用户的解决方案而受到青睐，随着PON技术的规模应用和芯片成本的不断降低，以及光纤铺设规模的不断扩大，PON技术将很快成为FTTx的主要接入方式之一。
　　PON技术是实现FTTx最理想的宽带接入方式，因为它是一种低成本的传输，可以节省光纤和光设备的费用，并可以实现宽带数据业务与CATV（有线电视）业务的共网传送。(天极网)