PON在光纖通信網絡中的應用與設計

周振亞

摘要：隨著互聯網通信技術的發展和進步，人類社會已經進入到信息化、智能化、自動化時代，促進了電子商務、電子政務、金融證券、電力通信、物流倉儲等領域的信息傳輸、交換和共享。經過多年的應用和改進，互聯網通信從ADsL模式開始向PON光網絡轉變，誕生了EPON、GPON網絡，促進了光纖通信網絡接入具有高帶寬、高速率、高安全性。本文詳細地分析了光纖通信網絡應用與發展現狀，介紹了PON網絡在光纖通信中的應用種類，重點描述了EPON技術和GPON技術，為光纖通信網絡建設提供有效支撐。

關鍵詞：光纖通信；EPON；GPON；動態帶寬分配

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2017.03.056

中圖分類號：F49

文獻標識碼：A

文章編號：1671-1580（2017）03-0184-03

伴隨著我國經濟改革開放的深入，互聯網事業正在經歷高速增長階段，從當初的數量級增長模式開始向質轉變，成為了一個在世界上具有較深影響力的互聯網大國，互聯網也覆蓋了工業設計、文化教育、物流運輸、金融證券、政企辦公等多個領域，新興產業模式不斷涌現，促進了大眾創新、萬眾創新，能夠實現國家社會穩就業、調結構和促升級。隨著社會對寬帶的需求，大型互聯網游戲、海量音視頻資源、多媒體通信都需要較高較快的通信傳輸帶寬，傳統的ADSL（Asymmetric Digital SubscriberLine）已經無法支持數據高速傳輸、共享和交換能力，不能夠實現數以億計的網絡用戶并發使用網絡資源，嚴重影響寬帶業務發展。光纖通信網絡利用光傳輸數據，具有多模傳輸、動態帶寬分配、全雙工工作模式，已經開始逐漸取代銅纜，提高數據傳輸的可靠性、傳輸質量等。光纖通信過程中，PON是一種非常重要的技術，其可以構建一個完整的光纖通信系統，實現FTTH、FTTB等網絡接人，為互聯網發展提供了新契機。

一、光纖通信網絡應用發展現狀

PON（Passive Optical Network）是一個無源光網絡，是指部署在OLT（光線路終端）和ONU（光網絡單元）之間的ODN設備不需要使用任何的電子設備作為動力源，PON網絡組成內容包括三個關鍵部分，分別是光網絡單元、光纖路終端和光合/分路器（spliter）。PON網絡組網采用的模式也非常多，比如星型網絡拓撲結構、樹型網絡拓撲結構等，其中主流組網結構為樹形網絡拓撲結構，可以將OLT部署在光網通信的中心局端，并且為用戶分配數據傳輸通道，構建一個連接控制命令，提供實時化的網絡運行監控、維護和管理功能。ONU設備可以部署在用戶側，OLT使用無源光合路器、ONU使用光分路器可以與光纖直接連接。PON技術經過多年的發展和改進，已經得到了廣泛普及和使用，誕生的種類也越來越多，比如BPON、EPON、GPON、WD.MPON和窄帶PON。窄帶PON采用了ITU-TG.982標準，其傳輸的最高速率為2Mbit/s，可以承載電路型的業務，比如語音數據、窄帶數據專線等，但是無法支持新型的高速寬帶數據。BPON采用ITU.TG.983標準，這種標準的核心技術就是ATM，目前該技術已經非常成熟，在歐美國家得到了大規模的商用，并且該模式增加了動態帶寬資源分配、可擴展波長資源分配、增強了光纖網絡生存性、ONT控制管理接口等相關機制，使得BPON的下行速率已經達到了622Mbit/s、155Mbit/s，其中上行速率為155Mbit/s，BPON技術采用的下行速率分光比是1：32，并且傳輸距離已經達到了20Km。GPON采用TDMPON技術，不同用戶的ONU設備利用時分多址接入網絡；隨著WDM技術的快速發展，人們提出了WDMPON技術，不同用戶的ONU設備采用邏輯獨立的波長接入網絡；經過多年發展，人們又提出了EPON技術，利用EPON技術可以實現點對多點接入光纖物理網絡，更適合現代互聯網的應用和發展，具有更加廣闊的前景。

二、PON技術在光纖通信網絡中的應用

（一）EPON技術應用

EPON（Ethemet passive optical network，以太網無源光網絡）采用的組網結構是點對多點結構，使用以太網傳輸協議可以實現數據、語音等多媒體信息傳輸，實現了互聯網業務的全接入，EPON光網絡主要采用OLT、ODN和ONU三種設備組成。OLT是EPON網絡的關鍵節點，其可以完成ONU設備注冊認證和運行管理，能夠確保EPON網絡的同步和管理，并且實現網絡協議轉換。ONU是用戶端設備，能夠完成OLT設備之間的路由通信，提供用戶端到端的接人模式。ODN是連接OLT和ONU的光纖線路，包括光纜線路、配線線路和分光器/合路器等設備，也是整個EPON網絡數據通信和交換的載體。目前，EPON網絡已經在多個領域得到廣泛應用，可以劃分為四個類別，分別是FTTB（光纖到大樓）、FTTC（光纖到路邊）、光纖到家（FTTH）和光纖到辦公室（FTTO）等。

EPON網絡在使用過程中具有較高的優勢：EP.ON網絡拓撲結構相對成本非常低，運行較為簡單，并且EPON網絡易于擴展，在升級維護過程中也比較簡單。EPON網絡拓撲結構在運行過程中不需要任何電源，因此在鋪設過程中比較容易，基本不需要實施任何的維護，因此對未來系統運行成本、管理成本都會大大的節省。EPON是一個純介質的無源光網絡，其可以徹底避免雷電和電磁干擾的相關影響，非常適合在較為惡劣的自然條件下使用。EP.ON網絡占用的局端資源非常少，系統初期建設的過程中投人非常低，在運行過程中系統也具有較高的可擴展性，投資回報率也非常高，能夠為用戶提供非常高的帶寬資源。比如，EPON可以為用戶提供上下行對稱的、速度高達1.25Gb/s的帶寬資源，并且隨著以太網技術的快速提升，EPON已經達到了10Gb/s的光纖傳輸速度。EPON網絡覆蓋和服務范圍非常大。EPON作為一種點對多點的全光纖網絡，其可以覆蓋較大的網絡資源，能夠為非常多的用戶進行服務，用戶可以共享局端設備資源，使用光纖的覆蓋模式為用戶投入更多的資源，節省用戶投資。EPON網絡帶寬分配較為靈活，保證EPON網絡具有較高的服務。

（二）GPON技術應用

GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Net-work，吉比特無源光網絡）技術是一種基于ITU-TG.984.x標準的最新寬帶無源光綜合接人標準，GPON具有高帶寬、高效率、大覆蓋范圍和用戶接口豐富等許多優點，GPON網絡主要包括OLT、ONT和ODN等三種設備組成，一個OLT可以擁有多個GPON模塊，每一個模塊可以引人多個獨立的GPON接入網絡，并且可以由無源光分支器和光纖連接到不同類型的ONU設備上GPON網絡的OLT設備負責廣域網、骨干網的高速傳輸和連接，其可以將高速連接的數據信息通過ODN設備傳輸給遠程接人設備ONU。GPON作為一個高性能網絡平臺，其可以在GPON構架上支持IP/SONET/SDH/ATM/CWDM等傳輸格式的分組數據與TDM應用，并且可以透明地傳輸應用信息業務，滿足TDM實時性、抖動性嚴格要求，具有一個完整的服務保障機制和故障處理能力，GPON網絡下行速率高達1.244Gb/s或2.488Gb/S。GPON網絡采用的關鍵技術非常多，其中關鍵技術包括動態帶寬資源分配、多點仿真及控制協議兩種技術。

動態帶寬資源分配（DBA）技術是指OLT可以根據用戶的業務等級協議，結合ONU的數據本地隊列排隊情況的相關匯報、業務預測模式等，動態的給ONU分配數據傳輸的上行帶寬資源技術，這個分配過程能夠在微秒或毫秒級的時間間隔內完成，因此不影響數據傳輸的效率。動態帶寬資源分配（DBA）技術的優點是能夠高效的利用EPON上行帶寬資源，保證業務的公平性和服務質量。動態帶寬資源分配（DBA）技術可以采用輪詢ONU的模式，比如可以在lms中給PON下所有的ONU分配一次相關的Grant，每一個ONU獲得的grant都是不同的，輪詢周期可以使用Cycletime進行控制，在上行業務傳輸時存在一定的影響。DBA的詳細工作流程描述為Gate-Report-Gate-Report，如此循環往復轄區，OLT給ONU發布grant可以在Gate消息中進行承載運輸，ONU可以采取相關的Report消息使得OLT可以更好的獲取本地數據隊列狀況和業務流量。動態帶寬資源分配擁有以下幾個方面的優勢：一是動態帶寬資源分配算法需要支持固定帶寬、保證帶寬、盡力而為帶寬等三種常用的帶寬類型，確保DBA算法具有豐富的功能；二是動態帶寬資源分配算法需要盡可能的簡單、高校，保證算法調度的精確性、精細度和實時性，保證算法具有較高的性能；動態帶寬資源分配至少可以支持32個ONU設備同時在線滿足調度功能，并且在線ONU數量的不影響算法的可擴展性；動態帶寬資源分配算法需要滿足軟硬件運行過程中需要具有較強的穩定性和可靠性。EPON的物理拓撲結構支持點多多點結構，多點仿真和控制協議先可以對ONU進行測距、注冊，以便能夠使ONU自動化的加入到EP.ON系統中，通過MPCP完成多個ONU接人到OLT的控制規則；MPCP還為用戶接人寬帶提供了動態帶寬分配的功能機制；MPCP使用動態帶寬分配算法實現多個ONU、用戶數據的統計復用，促進EP.ON網絡系統承載數據業務，充分利用PON網絡的資源。

目前，GPON網絡已經在工業區、商業區組網過程中得到普及和使用。工業廠區面積較大，使用用戶多為企業用戶，因此可以使用GPON組網，并且將ONU設備部署于企業專業的機房中，由于工業區的用戶線路較為緊密，可以使用分光模式使用等功率分光模式，并且使用強大的一節分光模式，便于用戶進行管理和維護，OLT放置于中心機房，分光器可以設置于光交接箱，并且將光交接箱植入到專業機房中，充分利用現有的光纜資源，并且實現雙路由保護，實現寬帶的安全數據傳輸。商務街區的用戶分布的比較廣泛，大多是沿街分布許多的公司、企業、商戶，因此為了能夠將ONU更好的支持數據傳輸，可以將其設置到公司、企業的內部，并且把光纖部署到辦公室，使用ONU或交換機進行網絡連接，支持用戶上網。對于獨立的商戶或別墅區，可以采用ONU放置到戶的模式，也即是FTTH，分光器放置于室外光交接箱。

三、結束語

隨著“Ni聯網+”時代的到來，人們已經進入到了高速互聯互通時代，高清晰視頻、大型網絡游戲、智能家居控制、工業生產監控等對帶寬的需求越來越大，采用光纖線纜鋪設的網絡物理信道可以使用PON技術進行組網，根據不同的同步技術、頻段技術等組建了不同的EPON、GPON、BPON接人模式，實現網絡的高效連接，在工業園區、住宅小區、商業區等得到廣泛應用，大大提高了人類社會的信息化水平。