PON在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與設(shè)計

周振亞

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展和進步，人類社會已經(jīng)進入到信息化、智能化、自動化時代，促進了電子商務(wù)、電子政務(wù)、金融證券、電力通信、物流倉儲等領(lǐng)域的信息傳輸、交換和共享。經(jīng)過多年的應(yīng)用和改進，互聯(lián)網(wǎng)通信從ADsL模式開始向PON光網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，誕生了EPON、GPON網(wǎng)絡(luò)，促進了光纖通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了PON網(wǎng)絡(luò)在光纖通信中的應(yīng)用種類，重點描述了EPON技術(shù)和GPON技術(shù)，為光纖通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供有效支撐。

關(guān)鍵詞：光纖通信；EPON；GPON；動態(tài)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(jīng)濟改革開放的深入，互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)正在經(jīng)歷高速增長階段，從當(dāng)初的數(shù)量級增長模式開始向質(zhì)轉(zhuǎn)變，成為了一個在世界上具有較深影響力的互聯(lián)網(wǎng)大國，互聯(lián)網(wǎng)也覆蓋了工業(yè)設(shè)計、文化教育、物流運輸、金融證券、政企辦公等多個領(lǐng)域，新興產(chǎn)業(yè)模式不斷涌現(xiàn)，促進了大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)國家社會穩(wěn)就業(yè)、調(diào)結(jié)構(gòu)和促升級。隨著社會對寬帶的需求，大型互聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)的ADSL（Asymmetric Digital SubscriberLine）已經(jīng)無法支持數(shù)據(jù)高速傳輸、共享和交換能力，不能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)以億計的網(wǎng)絡(luò)用戶并發(fā)使用網(wǎng)絡(luò)資源，嚴重影響寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展。光纖通信網(wǎng)絡(luò)利用光傳輸數(shù)據(jù)，具有多模傳輸、動態(tài)帶寬分配、全雙工工作模式，已經(jīng)開始逐漸取代銅纜，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、傳輸質(zhì)量等。光纖通信過程中，PON是一種非常重要的技術(shù)，其可以構(gòu)建一個完整的光纖通信系統(tǒng)，實現(xiàn)FTTH、FTTB等網(wǎng)絡(luò)接人，為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了新契機。

一、光纖通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

PON（Passive Optical Network）是一個無源光網(wǎng)絡(luò)，是指部署在OLT（光線路終端）和ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）之間的ODN設(shè)備不需要使用任何的電子設(shè)備作為動力源，PON網(wǎng)絡(luò)組成內(nèi)容包括三個關(guān)鍵部分，分別是光網(wǎng)絡(luò)單元、光纖路終端和光合/分路器（spliter）。PON網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)采用的模式也非常多，比如星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等，其中主流組網(wǎng)結(jié)構(gòu)為樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，可以將OLT部署在光網(wǎng)通信的中心局端，并且為用戶分配數(shù)據(jù)傳輸通道，構(gòu)建一個連接控制命令，提供實時化的網(wǎng)絡(luò)運行監(jiān)控、維護和管理功能。ONU設(shè)備可以部署在用戶側(cè)，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(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和改進，已經(jīng)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?shù)淖罡咚俾蕿?Mbit/s，可以承載電路型的業(yè)務(wù)，比如語音數(shù)據(jù)、窄帶數(shù)據(jù)專線等，但是無法支持新型的高速寬帶數(shù)據(jù)。BPON采用ITU.TG.983標準，這種標準的核心技術(shù)就是ATM，目前該技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在歐美國家得到了大規(guī)模的商用，并且該模式增加了動態(tài)帶寬資源分配、可擴展波長資源分配、增強了光纖網(wǎng)絡(luò)生存性、ONT控制管理接口等相關(guān)機制，使得BPON的下行速率已經(jīng)達到了622Mbit/s、155Mbit/s，其中上行速率為155Mbit/s，BPON技術(shù)采用的下行速率分光比是1：32，并且傳輸距離已經(jīng)達到了20Km。GPON采用TDMPON技術(shù)，不同用戶的ONU設(shè)備利用時分多址接入網(wǎng)絡(luò)；隨著WDM技術(shù)的快速發(fā)展，人們提出了WDMPON技術(shù)，不同用戶的ONU設(shè)備采用邏輯獨立的波長接入網(wǎng)絡(luò)；經(jīng)過多年發(fā)展，人們又提出了EPON技術(shù)，利用EPON技術(shù)可以實現(xiàn)點對多點接入光纖物理網(wǎng)絡(luò)，更適合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展，具有更加廣闊的前景。

二、PON技術(shù)在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

（一）EPON技術(shù)應(yīng)用

EPON（Ethemet passive optical network，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）采用的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)是點對多點結(jié)構(gòu)，使用以太網(wǎng)傳輸協(xié)議可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音等多媒體信息傳輸，實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的全接入，EPON光網(wǎng)絡(luò)主要采用OLT、ODN和ONU三種設(shè)備組成。OLT是EPON網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，其可以完成ONU設(shè)備注冊認證和運行管理，能夠確保EPON網(wǎng)絡(luò)的同步和管理，并且實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換。ONU是用戶端設(shè)備，能夠完成OLT設(shè)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(shè)備，也是整個EPON網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和交換的載體。目前，EPON網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(wǎng)絡(luò)在使用過程中具有較高的優(yōu)勢：EP.ON網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)相對成本非常低，運行較為簡單，并且EPON網(wǎng)絡(luò)易于擴展，在升級維護過程中也比較簡單。EPON網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)在運行過程中不需要任何電源，因此在鋪設(shè)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(tǒng)運行成本、管理成本都會大大的節(jié)省。EPON是一個純介質(zhì)的無源光網(wǎng)絡(luò)，其可以徹底避免雷電和電磁干擾的相關(guān)影響，非常適合在較為惡劣的自然條件下使用。EP.ON網(wǎng)絡(luò)占用的局端資源非常少，系統(tǒng)初期建設(shè)的過程中投人非常低，在運行過程中系統(tǒng)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(wǎng)技術(shù)的快速提升，EPON已經(jīng)達到了10Gb/s的光纖傳輸速度。EPON網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)范圍非常大。EPON作為一種點對多點的全光纖網(wǎng)絡(luò)，其可以覆蓋較大的網(wǎng)絡(luò)資源，能夠為非常多的用戶進行服務(wù)，用戶可以共享局端設(shè)備資源，使用光纖的覆蓋模式為用戶投入更多的資源，節(jié)省用戶投資。EPON網(wǎng)絡(luò)帶寬分配較為靈活，保證EPON網(wǎng)絡(luò)具有較高的服務(wù)。

（二）GPON技術(shù)應(yīng)用

GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Net-work，吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)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(yōu)點，GPON網(wǎng)絡(luò)主要包括OLT、ONT和ODN等三種設(shè)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(wǎng)絡(luò)，并且可以由無源光分支器和光纖連接到不同類型的ONU設(shè)備上GPON網(wǎng)絡(luò)的OLT設(shè)備負責(zé)廣域網(wǎng)、骨干網(wǎng)的高速傳輸和連接，其可以將高速連接的數(shù)據(jù)信息通過ODN設(shè)備傳輸給遠程接人設(shè)備ONU。GPON作為一個高性能網(wǎng)絡(luò)平臺，其可以在GPON構(gòu)架上支持IP/SONET/SDH/ATM/CWDM等傳輸格式的分組數(shù)據(jù)與TDM應(yīng)用，并且可以透明地傳輸應(yīng)用信息業(yè)務(wù)，滿足TDM實時性、抖動性嚴格要求，具有一個完整的服務(wù)保障機制和故障處理能力，GPON網(wǎng)絡(luò)下行速率高達1.244Gb/s或2.488Gb/S。GPON網(wǎng)絡(luò)采用的關(guān)鍵技術(shù)非常多，其中關(guān)鍵技術(shù)包括動態(tài)帶寬資源分配、多點仿真及控制協(xié)議兩種技術(shù)。

動態(tài)帶寬資源分配（DBA）技術(shù)是指OLT可以根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)等級協(xié)議，結(jié)合ONU的數(shù)據(jù)本地隊列排隊情況的相關(guān)匯報、業(yè)務(wù)預(yù)測模式等，動態(tài)的給ONU分配數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲袔捹Y源技術(shù)，這個分配過程能夠在微秒或毫秒級的時間間隔內(nèi)完成，因此不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。動態(tài)帶寬資源分配（DBA）技術(shù)的優(yōu)點是能夠高效的利用EPON上行帶寬資源，保證業(yè)務(wù)的公平性和服務(wù)質(zhì)量。動態(tài)帶寬資源分配（DBA）技術(shù)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(guān)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(yè)務(wù)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(huán)往復(fù)轄區(qū)，OLT給ONU發(fā)布grant可以在Gate消息中進行承載運輸，ONU可以采取相關(guān)的Report消息使得OLT可以更好的獲取本地數(shù)據(jù)隊列狀況和業(yè)務(wù)流量。動態(tài)帶寬資源分配擁有以下幾個方面的優(yōu)勢：一是動態(tài)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(tài)帶寬資源分配算法需要盡可能的簡單、高校，保證算法調(diào)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(tài)帶寬資源分配至少可以支持32個ONU設(shè)備同時在線滿足調(diào)度功能，并且在線ONU數(shù)量的不影響算法的可擴展性；動態(tài)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(wěn)定性和可靠性。EPON的物理拓撲結(jié)構(gòu)支持點多多點結(jié)構(gòu)，多點仿真和控制協(xié)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(tǒng)中，通過MPCP完成多個ONU接人到OLT的控制規(guī)則；MPCP還為用戶接人寬帶提供了動態(tài)帶寬分配的功能機制；MPCP使用動態(tài)帶寬分配算法實現(xiàn)多個ONU、用戶數(shù)據(jù)的統(tǒng)計復(fù)用，促進EP.ON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，充分利用PON網(wǎng)絡(luò)的資源。

目前，GPON網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)組網(wǎng)過程中得到普及和使用。工業(yè)廠區(qū)面積較大，使用用戶多為企業(yè)用戶，因此可以使用GPON組網(wǎng)，并且將ONU設(shè)備部署于企業(yè)專業(yè)的機房中，由于工業(yè)區(qū)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(jié)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(shè)置于光交接箱，并且將光交接箱植入到專業(yè)機房中，充分利用現(xiàn)有的光纜資源，并且實現(xiàn)雙路由保護，實現(xiàn)寬帶的安全數(shù)據(jù)傳輸。商務(wù)街區(qū)的用戶分布的比較廣泛，大多是沿街分布許多的公司、企業(yè)、商戶，因此為了能夠?qū)NU更好的支持數(shù)據(jù)傳輸，可以將其設(shè)置到公司、企業(yè)的內(nèi)部，并且把光纖部署到辦公室，使用ONU或交換機進行網(wǎng)絡(luò)連接，支持用戶上網(wǎng)。對于獨立的商戶或別墅區(qū)，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(jié)束語

隨著“Ni聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，人們已經(jīng)進入到了高速互聯(lián)互通時代，高清晰視頻、大型網(wǎng)絡(luò)游戲、智能家居控制、工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控等對帶寬的需求越來越大，采用光纖線纜鋪設(shè)的網(wǎng)絡(luò)物理信道可以使用PON技術(shù)進行組網(wǎng)，根據(jù)不同的同步技術(shù)、頻段技術(shù)等組建了不同的EPON、GPON、BPON接人模式，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高效連接，在工業(yè)園區(qū)、住宅小區(qū)、商業(yè)區(qū)等得到廣泛應(yīng)用，大大提高了人類社會的信息化水平。