无源光网络PON的原理

一、光纤接入网的接入方案

(a)    P2P，点对点的网络传输成本太高，浪费光纤资源。

(b)    光纤到路边交换机，降低了传输成本，但是在接入侧增加了带电设备，增加了故障点，也相应的增加了维护成本。

(c)    PON网络以点到多点的方式，不仅降低了传输成本，也避免了接入侧故障点的增加。

 

二、PON网络架构

无源光网络（PON）是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网络，其典型拓扑结构为树型。

PON系统由局侧的光线路终端（OLT）、用户侧的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成，为单纤双向系统。在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU。在上行方向（ONU到OLT），ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。ODN在OLT和ONU间提供光通道。

 

三、FTTx场景

FTTC (Fiber to the Curb) 光纤到路边

FTTB (Fiber to the Building) 光纤到楼

FTTH (Fiber to the Home) 光纤到户

 

四、PON技术标准化情况

 

五、EPON数据复用方式

lEPON系统采用WDM（Wavelength Division Multiplexing）技术，实现单纤双向传输

下行数据流采用广播技术

上行数据流采用TDMA (Time Division Multiple Access)技术

 

 

六、EPON下行数据

广播方式：EPON的下行为广播方式，所有的ONU都能收到相同的数据，但是通过LLID来区分不同的ONU的数据，ONU 过滤广播报文来接收属于自己的数据。

 

七、EPON上行数据

TDMA: OLT统筹管理ONU发送上行信号的时刻，发出时隙分配帧。ONT根据时隙分配帧，在OLT分配给它的时隙中发送自己的上行信号。（相关技术：测距、DBA）

八、EPON协议简介

lMAC Client：MAC地址主机（通常指一个ONT或者ONU）

lOAM：  Operation Administration Maintenance 运行、管理和维护子层

lMPMC：Multi-Point MACControl 多点MAC控制子层

lMAC：   Media Access Control 媒体访问控制

lRS：       Reconciliation Sublayer 调和子层

lGMII：   Gigabit Media Independent Interface 千兆比媒质独立接口

lPCS：     Physical Code Sublayer 物理编码子层

lFEC：     Forward Error Correction 前向纠错

lPMA：   Physical Medium Attachment 物理媒质附加子层

lPMD：   Physical Medium Dependent 物理媒质相关

lMDI：    Medium Dependent Interface 媒质相关接口

 

 

九、MPCP子层

MPCP：Multi-point Control Protocol 多点控制协议

OLT和多个ONU通过MPCP协议对话，实现：

    控制MAC帧的发送和接收；

    Gate Processing；

    Discovery Processing；

    Report Processing。

从而完成“多点MAC控制层”的功能。

 

EPON系统通过一条共享光纤将多个DTE连接起来，其拓扑结构为不对称的基于无源分光器的树形分支结构。MPCP就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制机制。 EPON作为EFM讨论标准的一部分，建立在MPCP（Muti-Point Control Protocol多点控制协议）基础上，该协议是MACcontrol 子层的一项功能。MPCP使用消息，状态机，定时器来控制访问P2MP（点到多点）的拓扑结构。在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体，用以和OLT中的MPCP的一个实体相互通信。作为EPON/MPCP的基础，EPON实现了一个P2P仿真子层，该子层使得P2MP网络拓扑对于高层来说就是多个点对点链路的集合。该子层是通过在每个数据报的前面加上一个LLD（Logical Link Identification）逻辑链路标识来实现的。该LLID将替换前导码中的两个字节。PON将拓扑结构中的根结点认为是主设备，即OLT；将位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即ONU。MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收。系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告、以便优化PON系统内部的带宽分配。EPON系统通过MPC PDU来实现OLT与ONU之间的带宽请求、带宽授权、测距等。 MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配，ONU的自动发现和加入，向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。MPCP多点控制协议位于MAC Control子层。MAC Control向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。

 

十、多点MAC控制层（ ONU自动注册）

 

自动发现技术：

发现是指新连接或者非在线的ONU接入PON的进程。该进程由OLT发起，它周期性地产生合法的发现时间窗口(Discovery Time Windows)，使OLT有机会检测到非在线的ONU。发现时间窗口的周期没有定义，由厂商定。

在EPON系统中，最开始的也是至关重要的一步就是要解决光网络单元ONU的注册问题.。为实现PON系统良好的可扩展性和方便的操作维护管理，在系统开通运行后，随业务发展需要增加新的ONU或故障修复后的ONU要重新加入到系统时，希望这些ONU能够自动地加入而不影响正常工作的ONU。因此ONU的自动加入是PON系统的关键技术之一。

发现处理

步骤1：OLT通过广播一个发现GATE消息来通知ONU发现窗口的周期。发现GATE消息包含发现窗口的开始时间和长度；

步骤2：非在线ONU接收到该消息后将等待该周期的开始，然后向OLT发送REGISTER_REQ消息（REGISTER_REQ消息中包括ONU的MAC地址以及最大等待授权（Pending Grant）的数目）；

步骤3：OLT接收到有效的REGISTER_REQ消息后，将注册该ONU，分配和指定新端口的标识(LLID)，并将相应的MAC和LLID绑定。OLT向新发现的ONU发送注册(Register)消息，该消息包含ONU的LLID以及OLT要求的同步时间。同时，OLT还对ONU最大等待授权的数目进行响应；

 

十一、EPON与Ethernet帧比较

 

十二、EPON关键技术

 

突发控制

EPON的点对多点（P2MP）的特殊结构和时分多址（TDMA）的接入方式了决定了OUN发送机工作在突发发送的模式下。ONU在什么时候发送数据，是由OLT来指示的，当OUN发送数据时，打开激光器，发送数据；当ONU不发送数据时，为了避免对其他ONU的上行数据造成干扰，必须完全关闭激光器。这样，ONU上的激光器就需要不断地快速（ns级别）打开和关闭。因此，传统的针对连续传输设计的APC（自动功率控制）回路，不能在突发模式发送的情况下正常工作（连续模式的自动功率控制回路之所以不能正常工作在突发模式下，是由于当激光器关闭时，直流偏置切断，当激光器被重新打开时，自动功率控制回路已丢失了原来的状态，直流偏置呈现不连续的变化）。

为实现突发发送有2个方案：

1、采用数字APC电路；

2、改进传统的自动功率控制系统。

具体实现方式不在这里描述。方案1相比方案2存在一个缺点：它需要有一个微控制器的参与，并需要一块高速的RAM，不利于模块的集成，成本较高。

测距

EPON系统点对多点的特殊结构导致了各ONU的数据帧延时不同，为防治数据在时域碰撞，并支持ONU的即插即用，必须引入测距技术。

各个ONU和OLT的物理距离不同、环境温度的变化和光电器件的老化等因素都会产生传输时延。在ONU的注册阶段，为补偿由于物理距离差异造成的的试验，进行静态测距；而在通信过程中，为校正温度变化、期间老化等因素引起的时延漂移，会进行动态测距。

DBA

DBA算法就是实时地改变EPON的各ONU上行带宽的机制。EPON中如果用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适合，如按峰值速率静态分配带宽则整个系统带宽很快就被耗尽，带宽利用率很低，而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。

通过DBA，我们可以根据ONU突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带宽来提高PON上行带宽效率。

DBA具有如下的功能：

1、提高上行带宽的效率

2、允许灵活的SLA策略

3、充分支持增强型业务特性

DBA采用集中控制方式：

所有的ONU的上行信息发送，都要向OLT申请带宽，OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权，ONU根据分配的时隙发送信息。其分配准许算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割时隙反应信元到达的时间分布并请求带宽，OLT根据各ONU的请求公平合理地分配带宽，并同时考虑处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况的处理。

 

光纤衰减和光功率预算