基于PON的FTTH接入技術(shù)

朱建劍 張華艷

（中國移動通信集團(tuán)廣西有限公司南寧分公司 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530022）

1 FTTH簡介

隨著科學(xué)家技術(shù)的不斷提升，不管是移動終端還是移動通信技術(shù)都展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，但是受限于終端體積、帶寬等多種因素的影響，人們對有線接入的網(wǎng)絡(luò)更加認(rèn)同其優(yōu)越的性能。在用戶中進(jìn)入光纖，具有較強的優(yōu)勢，其中最顯著的就是帶寬很大，這是解決互聯(lián)網(wǎng)最后一公里評價的最好措施。

光纖接入是指局端與用戶之間完全以光纖作為傳輸介質(zhì)，光波傳輸技術(shù)是其主要技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，當(dāng)前光纖傳輸復(fù)用技術(shù)更加實用，根據(jù)用戶使用光纖的情況，可以劃分為多個類型，比如為FTTO、FTTH、FTTC、FTTB、FTTD 等。

FTTH（Fiber To The Home）是指將光網(wǎng)絡(luò)單元安裝在用戶家，是FTTx 接入系列中除FTTD 之外最接近用戶的光接入應(yīng)用組網(wǎng)方式。其最顯著的優(yōu)勢就是速率更快，帶寬更大，數(shù)據(jù)格式、波長、協(xié)議、速率扥透明性進(jìn)一步增強，對周圍環(huán)境和對供電配置的相關(guān)需求進(jìn)一步放寬，工程安裝及相應(yīng)的維護(hù)管理得到進(jìn)一步的簡化。

根據(jù)信號的轉(zhuǎn)換方式，F(xiàn)TTH 可以分為有源接入和無源接入兩種方式。具體而言就是根據(jù)信號傳送過程中是否經(jīng)過了光電轉(zhuǎn)換，如果經(jīng)過了光電轉(zhuǎn)換就稱為“有源”，譬如點對點方式；如果沒有經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換就稱為“無源”，譬如點對多點方式的APON/BPON、EPON 和GPON 等。

FTTH 分為點對點（P2P）方式和點對多點（P2MP）方式。

結(jié)構(gòu)形式對點對待式，每一個終端用戶都有光纖連接，對單路由FTTH 系統(tǒng)來講，其具有終端用戶數(shù)目為N 個，距離為M 千米，要是組網(wǎng)方案為點對點形式，則需要的光纖長度為NM 千米，光收發(fā)器為2N 個。要是組網(wǎng)方案為點對多點的的形式，僅需要大約M km 的光纖、分光器也只需要一個或多個、光收發(fā)器為N+1 個。由此我們可以看出其顯著的優(yōu)勢：采用點對多點的方案，極大地降低了光纖用量、局端設(shè)備端口和光收發(fā)器的數(shù)量，并且節(jié)省了中心機房或節(jié)點機房所需的機架空間。

2 FTTH網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

FTTH 系統(tǒng)由OLT（光線路終端）、ODN（光分配網(wǎng)）和ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）組成，其網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)如圖1所示。

OLT 按照業(yè)務(wù)類型把各個終端用戶的數(shù)據(jù)分別向?qū)?yīng)的業(yè)務(wù)網(wǎng)中流送，同時匯聚各種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流，并且根據(jù)簽署協(xié)議的信號形式把接入端口送入，以便于傳輸至終端用戶。

作為介于ONU 和OLT 直接的媒介傳輸，ODN 的傳輸手段為光傳輸性質(zhì)，ODN 可以組合為多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如環(huán)型、總線型等；P2MP 方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型也有很多種，其中FTTH 系統(tǒng)的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是以PON 系統(tǒng)為主。

ONU 通過用戶網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的方式提供用戶接入，并實現(xiàn)與OLT 之間的信息傳遞。

圖2：PON 結(jié)構(gòu)示意圖

3 FTTH實現(xiàn)技術(shù)

FTTH 的兩種實現(xiàn)方式：P2P 和P2MP。

3.1 P2P有源以太網(wǎng)系統(tǒng)

P2P 主要是把電信號向光信號予以轉(zhuǎn)換，借此實現(xiàn)傳輸距離的不斷提升。不管是終端設(shè)備還是局端設(shè)備，都有相應(yīng)的光線占據(jù)，上行帶寬可以和下行帶寬相同，均為100 兆，這是以往接入方式所不能媲美的。

在P2P 有源以太網(wǎng)系統(tǒng)中交換機在中心機房位置放置，也可以在節(jié)點機房出下沉，也即意味著客戶并不需要把交互機在樓道中放置，有效的減少組網(wǎng)階段，可以實現(xiàn)維護(hù)成本和投入資金的降低。這種技術(shù)簡便了終端自動識別和上行同步技術(shù)，最重要的為，一個終端可以全部占用上行帶寬，這樣對于帶寬的擴展極為方便。該方式主要有以下優(yōu)點：一是產(chǎn)品成熟；二是結(jié)構(gòu)簡單；三是利于擴展；四是安全性比較好；五是采取單纖雙向傳輸方式，上下行均可達(dá)到100M。缺點是，隨著FTTH 用戶數(shù)量的增加，明顯增加光纖的數(shù)量和局端設(shè)備的數(shù)量，這設(shè)備和光纖上的成本其所具備的優(yōu)勢是不能抵消的。

3.2 P2MP無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

P2MP 方式的FTTH 系統(tǒng)即稱為PON 系統(tǒng)，當(dāng)下根據(jù)所采取的的技術(shù)，市場上的PON 產(chǎn)品有很多種，比如APON/BPON、GPON、EPON 等，其中GPON 的標(biāo)準(zhǔn)化程度最高，使用的最為廣泛，具有更高程度的產(chǎn)品化。

PON 是一種純介質(zhì)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，首先，在接入網(wǎng)中去掉了有源設(shè)備，可以有效避免電磁干擾，減少了接入網(wǎng)線路及相關(guān)設(shè)備故障帶來的影響，把供電設(shè)備去掉，網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜程度進(jìn)一步降低，運維成本顯著減少。其二，PON 網(wǎng)絡(luò)具有較好的業(yè)務(wù)通明度，具有較大的帶寬，對各種形式和速率的業(yè)務(wù)都能夠很好的適應(yīng)。其三，下面所有的用戶共享光纖資源和局端設(shè)備，因此可以把大量的光線資源和設(shè)備資源予以節(jié)約。尤其是隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展和提升，其優(yōu)勢更加的綜合和顯著。隨著OLT 下帶用戶數(shù)的增加，PON 網(wǎng)絡(luò)的每用戶成本而不斷且顯著降低，所以對分散的商戶、小微企業(yè)及居民等尤其適用，特別是在區(qū)域內(nèi)具有分散的用戶，每一處區(qū)域用戶又在用戶區(qū)域內(nèi)顯著集中的。最后，單纖雙向傳輸技術(shù)為PON網(wǎng)絡(luò)采用的技術(shù)形式，上行波長和下行波長不盡相同：上行波長為1310nm，下行波長為1490nm，要是提供的業(yè)務(wù)中含有CATV，就需要使用的波長為1550nm。PON 網(wǎng)絡(luò)的主要缺點是前期一次性投資較大，因為OLT 設(shè)備具有較貴的價格，還必須一次性配備到位分光器和光纖等設(shè)備，要是使用的客戶較少，分?jǐn)偟矫恳粋€客戶上的成本會更高，導(dǎo)致沉積大量的成本。不僅如此，由于使用的結(jié)構(gòu)為樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，因此要想實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)則需要更高的成本，這對大規(guī)模發(fā)展用戶造成一定程度的影響。雖然目前PON 技術(shù)還有一定的缺陷，但是從FTTH 在國外的實踐來講，PON 技術(shù)是目前實現(xiàn)FTTH 的最佳技術(shù)方案，因次，多數(shù)電信運營商傾向于選擇PON 技術(shù)。

PON 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成部分有多種，如OLT（Optical Line Terminal）、ONU（Optical Network Unit）和無源分光器POS（Passive Optical Splitter）組成，如圖2所示。POS 負(fù)責(zé)發(fā)送光的方向，向多條光纖上分散傳進(jìn)來的光信號，或者在一條光纖上匯聚多條光纖的光信號。ONU 主要任務(wù)就是收集、適配、傳輸并完成業(yè)務(wù)；OLT主要任務(wù)就是適配接口并進(jìn)行傳輸、復(fù)用等，以及向網(wǎng)管系統(tǒng)提供網(wǎng)管接口。

PON 系統(tǒng)采用WDM 技術(shù)，實現(xiàn)單纖雙向傳輸。上行時通過TDMA 方式傳輸數(shù)據(jù)，每個ONU 分配上行時隙的時候我們需要依托下行幀的upstream bandwidth map 字段進(jìn)行，通過這樣的方式劃分上行鏈路為多個時隙且分成不同，所有ONU 可以對既定的順序予以使用對自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，從而避免產(chǎn)生時隙沖突。下行時采用廣播方式，相同的數(shù)據(jù)會被所有的ONU 接收到，最終借助Gemport ID，ONU 來對自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和過濾。

3.2.1 APON/BPON

APON/BPON 技術(shù)根據(jù)ATM 中集中和統(tǒng)計復(fù)用方式，和無源分光器加以結(jié)合，對光線路終端及光纖的共享作用，可以提供從窄帶到寬帶等多種業(yè)務(wù)，它的上行速率為155Mb/s，下行速率為622Mb/s。APON/BPON 主要缺點體現(xiàn)在技術(shù)實現(xiàn)相對復(fù)雜，具有有限的提供業(yè)務(wù)的能力，同時具有較低的傳輸數(shù)據(jù)效率和速率，需要花費較多的成本進(jìn)行運營，帶寬提升較為困難。從業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢看，APON/BPON 的可用帶寬滿足不了用戶日益增長需求。主干下行速率很低，僅僅為622Mbit/s，對其進(jìn)行分路之后，將會大大降低每個用戶的帶寬。比如我們按照按1:16 計算分光比，這樣每個用戶僅僅具有38.8Mbit/s 的可用帶寬。顯然，這樣的網(wǎng)絡(luò)性能難以滿足現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。

3.2.2 EPON

EPON 在保留傳統(tǒng)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上以以太網(wǎng)代替ATM作為鏈路層協(xié)議，在協(xié)議上層看來使得P2MP 網(wǎng)絡(luò)和多個P2P 鏈路比較相似，進(jìn)而實現(xiàn)無源光網(wǎng)絡(luò)中在P2MP 接入為太網(wǎng)幀的時分多址接入。

EPON 采用點對多點通信方式，一般采用單纖波分復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)單纖雙向傳輸。上行時采取TDMA 方式，來自不同時隙的ONU 數(shù)據(jù)流按既定規(guī)則匯聚到OLT。下行時采用TDM 方式，在所有的ONU 中廣播所有數(shù)據(jù)流，根據(jù)以太幀的MAC 地址ONU 設(shè)備決定取舍。連續(xù)的光傳輸模式為傳統(tǒng)以太網(wǎng)經(jīng)常使用的方式，不管是發(fā)出還是收入的方向都是連續(xù)的比特流形式，因此相對簡單的實現(xiàn)收端定時和判決的技術(shù)。上行比特流對EPON 來講是對突發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送。

其有下述幾種優(yōu)勢：

（1）把SDH、ATM 層去掉，因此在剛開始的投入資金上有效降低，同時運行成本也顯著下降；

（2）具有高達(dá)1Gbit/s 的下行速率，因此用戶數(shù)量和帶寬更大；

（3）不在對室外有源設(shè)備予以使用，因此安裝部署工作更加簡化；

（4）以太網(wǎng)芯片使用的更多，具有較低的成本；

（5）電路的靈活指配予以改進(jìn)，其重配置能力更高；

（6）安全機制更加豐富和多樣化。

EPON 的主要缺點是設(shè)備互操作性差；其次，由于EPON 的線路編碼為8B/10B 形式，因此帶寬損失降低為20%，再加上其他的花費，因此只有50%左右的可用負(fù)荷，導(dǎo)致其總效率較低。

3.2.3 GPON

GPON 系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：

（1）支持多種速率模式，可以靈活地提供對稱和非對稱速率，包括同步的622Mbit/s 及1.25Gbit/s。GPON 的協(xié)定內(nèi)邏輯支持范圍為60km，傳輸距離至少可達(dá)20km。也就意味著，在遠(yuǎn)距離傳輸、靈活性和分光比等方面其優(yōu)勢更大。

（2）GPON 使用的適配方式有兩種，除了以往使用的ATM 之外，還把GFP 在傳輸匯聚層使用，這種技術(shù)主要以SDH 為基礎(chǔ)，其可以把各種各樣的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行高效、透明的在現(xiàn)有SDH 網(wǎng)絡(luò)中封裝，可以對各種用戶信號格式給予適應(yīng)，對多種傳輸網(wǎng)絡(luò)制式予以適合，并不需要其他的IP 封裝層或者ATM，因此封裝效率較高、業(yè)務(wù)也更為靈活。

（3）GFP 映射技術(shù)是其使用的技術(shù)形式，從本質(zhì)上看該傳輸匯聚層是同步的。延時和抖動性能很好，因此就可以對端到端和其他業(yè)務(wù)同步，特別是對TDM 語音業(yè)務(wù)進(jìn)行靈活且高質(zhì)量的支持。

（4）GPON 具備豐富的網(wǎng)管功能，包括鏈路狀態(tài)監(jiān)測、保護(hù)倒換測試、動態(tài)帶寬分配、帶寬授權(quán)分配等功能。從QoS的角度來看，可以借助指針GPON 對ONU 的授權(quán)周期等進(jìn)行調(diào)整，借此滿足帶寬、延時等要求。

（5）各類業(yè)務(wù)GPON 都可以提供，除了相應(yīng)的業(yè)務(wù)之外，還可以對語音、VLAN 業(yè)務(wù)予以提供，事實上其可以對當(dāng)下所有業(yè)務(wù)予以滿足。

GPON 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置基于不同服務(wù)需求，對各種介入業(yè)務(wù)都支持，尤其是在傳輸Data 及TDM 等方面，對原有格式予以支持，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換；不但把更好的帶寬和傳輸速率予以提供，同時還能對擴充能力予以兼顧，這對接下來的擴容非常方便。正是在這樣的設(shè)計情況下，對FTTH 來講，GPON 技術(shù)已成為更好的解決措施。

3.3 PON是實現(xiàn)FTTH的最佳技術(shù)

采用PON 無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)FTTH 接入帶來的好處是多方面的，PON 無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比較于點對點有源以太網(wǎng)系統(tǒng)而言，具有以下優(yōu)勢：

（1）可以對多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)予以靈活的組成。

（2）由于一個局端設(shè)備可以支持?jǐn)?shù)量眾多的用戶，節(jié)省了大量的設(shè)備資源及光纖資源；

（3）具有較好的業(yè)務(wù)透明度及較高的標(biāo)準(zhǔn)化程度，理論上來講可對多種信號予以適用；

（4）由于具有巨大的光纖寬帶容量，后面可以擴容網(wǎng)絡(luò)，并不需要改造已經(jīng)鋪設(shè)的光纖，可以對現(xiàn)有的投資予以充分的保護(hù)，科學(xué)的兼顧未來的發(fā)展需要；

（5）PON 網(wǎng)絡(luò)無源器件的設(shè)備故障少，運維成本較低，并不需要對機房額外建設(shè)，很好的把供電成本予以節(jié)省，一旦建立起來網(wǎng)絡(luò)，都可以在中心機房中進(jìn)行管理和提供服務(wù)，從而把維護(hù)成本和管理予以降低；

（6）PON 網(wǎng)絡(luò)采用單纖雙向傳輸方式，上下行可以采用不同的波長，便于業(yè)務(wù)的管理。

綜上所述，基于PON 實現(xiàn)的FTTH 接入在日常維護(hù)管理、業(yè)務(wù)提供能力以及后期的擴容成本等方面均優(yōu)于點對點實現(xiàn)的FTTH接入。