光纤到户 - 快速指南

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光纤到户 - 简介

对于网络技术的接入，通常有两种方式，一是固定方式，二是无线方式。在本教程中，我们将讨论“固定”方法，技术上称为FTTH技术。

什么是光纤到户？

光纤到户或简称FTTH是一种使用光纤从中心点直接到达住宅小区的技术（如下图所示）。它提供不间断的高速互联网服务。这里，“H”包括家庭和小型企业。

FTTH 是最终的光纤接入解决方案，其中每个用户都连接到光纤。本教程中讨论的部署选项基于从光线路终端(OLT) 到用户驻地的完整光纤路径。

这种选择有助于为每个客户提供高带宽服务和内容，并确保满足未来新服务需求的最大带宽。因此，涉及“部分”光纤和“部分”铜缆基础设施网络的混合选项不包括在内。

作为光纤接入家庭的一种方式，光纤到户（FTTH）场景主要针对单户单元（SFU），提供数量较少的端口，包括以下类型：POTS、10/100/1000 BASE- T 和 RF (18dBmV)。

光纤方式有两种部署方式：有源方式和无源方式。当前的大规模FTTH部署是基于无源方法。因此，让我们详细讨论被动方法。

无源方法- 此方法中使用的两种典型技术是以太网无源光网络(EPON) 和千兆位无源光网络(GPON)。请参考下图。

• 极高比特率数字用户环路(VDSL) 支持最大 55 bps 的比特率。VDSL2具有更好的QoS和更好的SNR。

• ADSL（非对称数字用户线路）支持的最大比特率为 8Mbps，而 ADSL2 最高可达 12Mbps。

• SHDSL 代表对称高比特率数字用户线路。电话的直径越大，可以到达的距离越远。传输速率取决于电话线的直径。

• 综合业务数字网（ISDN）基于电路交换网络。

为什么选择光纤到户？

与以前的技术（铜）相比，光纤具有许多优势。最重要的如下 -

• 巨大的信息承载能力
• 易于升级
• 易于安装
• 允许完全对称的服务
• 降低运营和维护成本
• 覆盖很长的距离
• 坚固、灵活、可靠
• 允许使用小直径和轻质​​电缆
• 安全又可靠
• 抗电磁干扰 (EMI)
• 更低的花费

下表列出了可以通过 FTTH 提供的高级服务及其带宽。

FTTH 与 xDSL

下表显示了 FTTH 和 xDSL 设备在带宽和距离（最大范围）方面的典型比较 -

• 距离对 xDSL 的性能影响深远。

• 对于FTTH来说，距离不是问题，最大覆盖范围超过20公里。

• FTTH 支持所有可用的服务。

距离和带宽

以下几点解释了距离和带宽参数 -

• ISDN − 2B + D = 2 × 64 + 16 = 144 Kbps
• HDSDN – 美国标准0.51mm，2M最大5km。
• ADSL − 3-5 公里 8 Mbps
• ADSL2 - 3-5 公里 12 Mbps
• ADSL2+ − 3-5 公里 24 Mbps
• VDSL − ≤ 1.3 公里，55 Mbps；VDSL2上行/下行100Mbps

光纤到户术语

现在让我们简要讨论通常与 FTTH 相关的术语。

光纤距离差

一个OLT连接多个ONU/ONT。光纤距离差是指距OLT最近和最远ONU/ONT之间的距离差。在GPON中，最大差分光纤距离为20公里。这会影响测距窗口的大小，并且符合 ITU-T G.983.1。

逻辑范围

逻辑范围定义为特定传输系统可以覆盖的最大距离，无论光学预算如何。因为，逻辑范围是ONU/ONT和OLT之间除物理层限制之外的最大距离——在GPON中，最大逻辑范围被定义为60公里。

平均信号传输延迟

平均信号传输延迟是参考点之间的上行和下行延迟值的平均值。该值是通过测量往返延迟然后除以 2 来确定的。GPON 必须适应需要最大平均信号传输延迟为 1.5 Ms 的业务。具体来说，GPON 系统的最大平均信号传输延迟时间必须小于 1.5 Ms。电视参考点之间的女士。

光接入网（OAN）

光接入网是面向网络侧的接入网，也称为SNI（Service Network Interface）。OLT的上行端口与接入网的L2 Switch Ring连接。所有其他中间组件（例如连接到 SNI 的 ODF/FDMS）都属于光接入网络。

光分配网络（ODN）

在面向下游侧的PON技术中，从OLT的PON端口到ONT的PON端口的所有无源器件都属于光分配网络。通常，分路器和 ODF/FDMS 属于此类。

光线路终端 (OLT)

中心局 (CO) 设备为 PON 提供各种网络接口。一个OLT通过PON为多个ONT提供下行传输，即从OLT到ONT通常是TDM。上行流量，即从ONT到OLT，通常是TDMA。PON系统可以是对称的或非对称的。

光网络终端（ONT）/光网络单元（ONU）

光网络终端是一种向客户提供用户界面的客户驻地设备。

物理范围

物理距离定义为特定传输系统可以达到的最大物理距离。“物理距离”是ONU/ONT和OLT之间的最大物理距离。在GPON中，为物理覆盖范围定义了两个选项：10公里和20公里。

服务

服务定义为运营商所需的网络服务。服务是用一个大家都清楚认识的名称来描述的，无论是框架结构名称还是通用名称。

比特率

GPON 的目标是传输速度大于或等于 1.2 Gbps。因此，GPON 识别两种传输速度组合如下 -

• 向上 1.2 Gbps，向下 2.4 Gbps
• 向上 2.4 Gbps，向下 2.4 Gbps

最重要的比特率是1.2 Gbps上行比特率和2.4 Gbps下行比特率，几乎构成了所有已部署和计划部署的GPON系统。

分流比

GPON的分光比越大，从成本角度来看越经济。然而，较大的分流比意味着更大的光功率和带宽分流，这就需要增加功率预算来支持物理范围。

鉴于当前技术，物理层的分流比达到 1:64 是现实的。然而，随着光模块的不断发展，TC层必须考虑高达1:128的分光比。

数据速率

光纤到户-无源光网络

PON是具有一对多点架构的无源光网络。如下图所示，它由光线路终端（OLT）、光网络单元和无源分光器组成。

无源光网络（PON）的历史

第一个无源光网络 (PON) 活动由 FSAN 小组于 20 世纪 90 年代中期发起。最初的标准涵盖基于 ATM 的 155 Mbps 传输，称为APON/BPON标准。后来，该标准增强到覆盖 622 Mbps。

2001 年，IEEE 开始开发基于以太网的标准，称为EPON。

2001年，FSAN小组开始制定千兆位速度标准，即GPON，并得到ITU-T的批准。

PON网络架构

下图显示了 PON 的网络架构 -

在哪里，

• SNI - 服务节点接口

• IFPON - PON 接口

• UNI - 用户节点接口

如上图所示，ODN可以配置一个或多个具有多个级联的分路器。

PON – 复用

PON 使用 WDM 在单纤上实现双向传输（见下图） -

为了区分两个不同方向的信号，采用了两种复用技术，它们是 -

• 时分复用

• 时分多址

让我们详细讨论它们 -

下行时分复用 (TDM) - 这是一种通过公共信号路径发送和接收单独信号的技术。为此，它在传输线的每一端使用同步开关；因此，每个信号仅以交替模式出现在线路上一小部分时间。

上行时分多址 () - 该技术通过将信号划分为不同的时隙，方便许多用户共享相同的频道。

PON：下行

广播模式- 下行数据广播到所有ONU。但是，在ONU处，仅处理特定数据包，其余数据包被丢弃。

PON：上行（TDMA 模式）

下图描述了 TDMA 模式。

下图显示了这两种技术 -

无源光网络术语

以下是 PON 术语 -

• ODN（光分配网络）- ODN 实现从 OLT 到用户的光传输，反之亦然。它利用无源光学元件。

• OLT（光线路终端）- OLT 是 PON 的服务提供商端点，放置在 CO 或头端中。

• ONT/ONU（光网络终止）- ONT 是终止 PON 并向用户提供本地服务接口的设备。ONT 通常位于客户场所。

PON接入网

无源光网络 (PON) 本质上是一种经济高效的基于光纤的接入系统，为企业和住宅客户提供三重播放（语音、视频和数据）服务。除下图所示的简单拓扑外，PON还可以工作在其他拓扑中。例如 – 总线或线性、分布式拆分等。

使用的不同类型的拓扑取决于客户分布概况。

ONT 可以以任何方式连接到 PON，只要：

• 满足从 ONT 到 OLT 的光预算，反之亦然。

• 满足不同ONT之间的最大差分距离规范。

• ONT到OLT的光纤长度在允许范围内。

• 不超过PON系统可支持的最大ONT数量限制。

PON 中的无源模块

以下是 PON 系统中的无源模块 -

• 波分复用耦合器
• 1 × N 分路器
• 光纤光缆
• 连接器
• ODF/机柜/插框

PON 中有源模块

以下是 PON 系统中的有源模块 -

在 OLT 中 -

• 激光发射器（1490 nm）
• 激光接收器（1310 nm）
• 用于有线电视应用
• 激光放大器（1550 nm）
• EDFA 用于放大视频信号

在ONU中-

• X`ONU电源/电池
• 激光发射器（1310 nm）
• 激光接收器（1490 nm）
• CATV 信号接收器 (1550 nm)

在下一章中，我们将了解什么是千兆位无源光网络。

光纤到户-GPON

GPON（千兆位无源光网络）是一种用于接入网络的光系统，基于 ITU-T 规范G.984系列。通过使用具有 1:32 分光比的 B+ 级光学器件，它可以提供 20 公里的覆盖范围和 28dB 的光学预算（如下图所示）。

GPON系统支持以下速率 -

• 上行 155 Mbps，下行 1.24416 Gbps
• 622 Mbps 上行，1.24416 Gbps 下行
• 上行 1.24416 Gbps，下行 1.24416 Gbps
• 上行 155Mbps，下行 2.48832 Gbps
• 上行 622 Mbps，下行 2.48832 Gbps
• 上行 1.24416 Gbps，下行 2.48832 Gbps
• 上行 2.48832 Gbps，下行 2.48832 Gbps

GPON同时支持ATM和GEM封装。GEM（GPON 封装方法）支持本机 TDM 和数据。

GPON特性

该演进技术基于 BPON GEM。以下是它的特点 -

下行传输

• 2.4Gbps
• 一个 ONT 的带宽足以提供多个 HDTV 信号
• QOS 允许对延迟敏感的流量（语音）

上行传输

• 1.24Gbps
• 可以保证最小BW
• 未使用的时隙可以分配给重度用户
• QoS 允许延迟敏感流量（语音）

为什么选择GPON？

GPON 提供综合服务解决方案，例如 -

• 它支持三重播放服务。

• 为了打破双绞线接入的带宽障碍，支持高带宽传输。

• 减少了网络节点。

• 支持最远20公里的服务覆盖。

GPON标准

GPON 标准建立在之前的 BPON 规范之上。规格是 -

• G.984.1 - 本文件描述了千兆位无源光网络的一般特性。

• G.984.2 - 本文档描述了千兆位无源光网络物理介质相关层规范。

• G.984.3 - 本文档描述了千兆位无源光网络传输汇聚层规范。
• G.984.4 - 本文档描述了千兆位无源光网络 ONT 管理和控制接口规范 (OMCI)。

GPON架构

GPON OLT通过PON端口为多个ONT提供服务。下行传输，即从OLT到ONT，通常采用TDM；而上行流量，即从ONT到OLT，通常是TDMA。

PON系统可以是对称的或非对称的。PON 和光纤基础设施还可用于支持任何单向分布式服务。例如 – 不同波长的视频。

GPON 物理媒体相关层

G.984.2是GPON系统物理层的规范。物理层解决以下领域 -

• 数据速率方面的光学性能。
• 光纤组件的类别。
• 光功率的定时和控制。
• 前向纠错。

光学系统的基本要求之一是提供具有足够能力的组件，以将光信号扩展到预期范围。根据功率和灵敏度，组件可分为三类或三类。组件的类别是 -

• A 类光学器件：5 至 20dB
• B 类光学器件：10 至 25dB
• C 类光学器件：15 至 30dB

光线路终端（OLT）

OLT 向核心网络提供服务节点接口 (SNI)（通常为 1 Gbps 和/或 10 Gbps 以太网 LAN 接口），并控制 GPON。OLT 由三个主要部分组成 -

• 服务口接口功能
• 交叉连接功能
• 光分配网络 (ODN) 接口

下图显示了典型的 OLT 功能框图。

PON核心壳

PON核心外壳由两部分组成。第一部分是ODN接口功能，第二部分是PON TC功能。PON TC功能包括OAM、媒体访问控制、成帧、DBA、用于交叉连接功能和ONU管理的协议数据单元（PDU）的划分。

• 交叉连接外壳- 该外壳提供 PON 核心外壳和服务外壳之间的通信路径。

• 服务外壳- 该外壳用于服务接口和 PON 部分的 TC 帧接口之间的转换。

ONU/ONT

光网络单元( ONU) 使用单个 PON 接口或最多两个接口运行，以实现链路保护目的。当这两根光纤中的任何一根光纤被切断时，ONU都可以通过另一根光纤接入。这称为 PON 保护或链路保护。链路保护也称为链路聚合，它可以保护链路，同时也可以聚合流量。

服务MUX和DEMUX功能将客户设备连接到 PON 侧。光网络终端（ONT）专为单用户使用而设计，而ONU（光网络单元）则为多用户使用而设计。分路器允许最多 128 个 ONT 或 ONU 共享 PON。

ONT/ONU接口

光网络终端(ONT)，上行连接到OLT，作为业务网络接口，具有多个用户网络接口端口。通常，有四个通向 UNI 的 FE/GE 端口。

• 用于住宅 ONT 的 UNI 端口- 通常是用户服务接口，例如 10/100Base-T 高速互联网 (HSI) 和 IP 视频、用于 RF 视频覆盖系统的 RF 同轴电缆以及用于 VoIP PSTN 语音的模拟 FXS 电话接口。

• 用于商业 ONT 的 UNI 端口- 除上述端口外，还可能包括用于关键系统的 10/100/100Base-T 路由器和 L2/L3 交换机接口以及 DS1/E1 PBX。

光网络单元 (ONU) 端接 GPON 光纤，并为多个用户提供更多的用户网络接口 (UNI)。UNI 接口可以是ADSL2+、VDSL2、Power Line、MoCA或HPNA，到用户的距离（10/100 Base-T 限制为 100m，即 330 英尺）。

根据接口端口的类型，UN UNI可能无法直接连接到用户CPE 设备。在这种情况下，UN UNI 连接到网络终端 (NT)，该终端位于用户的最终位置。NT终结用户的CPE设备，例如PC、无线路由器、电话、IP视频机顶盒或RF视频机顶盒等。

本质上，ONT 将 ONU 和 NT 的功能结合在单个设备中。两者的结合；两者的结合使 ONT 成为向本地和单户、中小型企业提供 GPON 服务的最具成本效益的解决方案。然而，如果客户在校园内，如学生、宿舍、学校、学院、医院或公司办公室，并且已经铺设了 CAT-5 铜缆，ONU 可以作为更合适的解决方案。

光分配网络

GPON ODN，由单模光纤和光缆组成；光纤带状电缆、接头、光连接器、无源光分路器和无源分支元件都是非常无源的。

ODN分光器将单根光纤分成多根光纤，到达不同的建筑物和个人家庭。分路器可以放置在 ODN 中的任何位置，从中心局 (CO)/本地交换机 (LE) 到客户驻地，并且分路器的大小可以是任意的。分离器指定为 [n:m]，其中“n”是输入数量（朝向 OLT）= 1 或 2，“m”是输出数量（朝向 ONT）= 2,4,8,16 ,32,64。

GPON 复用/成帧

GPON 复用或成帧通过以下因素进行解释。

GPON封装方法（GEM）

是规定的GPON传输汇聚层的数据传输方案。GEM 提供面向连接的可变长度成帧机制，用于通过无源光网络 (PON) 传输数据服务。GEM 被设计为独立于OLT 处的服务节点接口类型以及ONU 处的UNI 接口类型。

下行流量（OLT 至 ONU/ONT）

对于下行流量，流量复用功能集中在OLT中。GEM端口ID以12位数字的形式由OLT分配给各个逻辑连接，标识属于不同下游逻辑连接的GEM帧。每个 ONU 根据其 GEM Port-ID 过滤下游 GEM 帧，并仅处理属于该 ONU 的 GEM 帧。

上行流量（ONU/ONT 至 OLT）

ONU内的业务承载实体由OLT授予上行传输机会（或带宽分配）。这些流量承载实体由分配 ID (Alloc-ID) 标识。分配标识符（Alloc-ID）是OLT分配给ONU的12位数字，用于标识流量承载实体。它是 ONU 内上行带宽分配的接收者。

对不同 Alloc-ID 的带宽分配按照 OLT 在下行传输的带宽映射中指定的时间进行复用。在每个带宽分配中，ONU使用GEM Port-ID作为复用密钥来识别属于不同上行逻辑连接的GEM帧。

传输容器（T-CONT）是代表一组逻辑连接的ONU对象。它表现为单个实体，用于 PON 上行带宽分配。根据映射方案，业务流量被承载到不同的GEM Port，然后承载到不同的T-CONT。

GEM Port与T-CONT之间的映射非常灵活。一个GEM Port可以对应一个T-CONT；或者多个GEM Port可以对应同一个T-CONT。

G-PON 传输汇聚层 (GTC)

G-PON 协议套件的协议层，位于物理介质相关(PMD) 层和 G-PON 客户端之间。GTC层由GTC成帧子层和GTC适配子层组成。

在下行方向，GEM帧携带在GTC净荷中，到达所有ONU。ONU 成帧子层提取帧，GEM TC 适配器根据帧的 12 位端口 ID 过滤帧。只有具有适当端口 ID 的帧才允许通过 GEM 客户端功能。

在上行方向，GEM流量通过一个或多个T-CONT承载。OLT 接收与 T-CONT 相关的传输，并将帧转发到 GEM TC 适配器，然后转发到 GEM 客户端。

GTC 层框架

下行帧的持续时间为125微秒，长度为38880字节，对应的下行数据速率为2.48832 Gbit/s。下游 GTC 帧由下游物理控制块 (PCBd) 和 GTC 有效负载部分组成。

GPON 传输汇聚帧的长度始终为 125 毫秒 -

• 1244.16 速率为 19440 字节/帧
• 2488.32 速率为 38880 字节/帧

每个GTC帧由下行物理控制块+有效负载组成

• PCBd包含sync、OAM、DBA信息等。

有效负载可能具有 ATM 和 GEM 分区（其中之一或两者）

上行GTC帧持续时间为125μs。在上行链路速率为1.24416 Gbit/s的G-PON系统中，上行GTC帧大小为19,440字节。每个上行帧包含来自一个或多个ONU的多个传输突发。

每个上行传输突发包含上行物理层开销(PLOu)部分以及与各个Alloc-ID相关联的一个或多个带宽分配间隔。下行GTC帧为PON提供公共时间参考，为上行提供公共控制信令。

GPON 有效负载

GTC 有效负载可能有两个部分 -

• ATM分区（Alen * 53字节长度）
• GEM 分区（现在首选方法）

ATM机隔断

ATM分区具有以下特点。

• Alen（12 位）在 PCBd 中指定。
• Alen 指定 ATM 分区中 53B 信元的数量。
• 如果 Alen = 0，则没有 ATM 分区。
• 如果 Alen = 有效负载长度/53，则没有 GEM 分区。
• ATM 信元与 GTC 帧对齐。
• ONU 根据 ATM 报头中的 VPI 接受 ATM 信元。

创业板分区

GEM分区具有以下特点。

• 与 ATM 信元不同，GEM 描绘的帧可以具有任意长度。
• GEM 分区中可以包含任意数量的 GEM 帧。
• ONU 根据 GEM 标头中的 12b Port-ID 接受 GEM 帧。

GPON封装方式

对 BPON 的常见抱怨是 ATM 信元税导致效率低下。GEM类似于ATM。它具有恒定大小的 HEC 保护标头。然而，它通过允许可变长度帧来避免大量开销。GEM 是通用的——支持任何数据包类型（甚至 TDM）。GEM 支持分片和重组。

GEM 基于 GFP，标头包含以下字段 -

• 有效负载长度指示符 - 以字节为单位的有效负载长度。
• 端口 ID - 标识目标 ONU。
• 有效负载类型指示器（GEM OAM，拥塞/碎片指示）。
• 报头纠错字段（BCH(39,12,2)码+1b偶校验）

GEM 标头在传输前与 B6AB31E055 进行异或。

GEM 上的以太网/TDM

通过 GEM 传输以太网流量时

• 仅封装 MAC 帧（无前导码、SFD、EFD）
• MAC 帧可能会分段（参见下一张幻灯片）。

GEM 以太网

通过 GEM 传输 TDM 流量时 -

• TDM 输入缓冲区每 125 毫秒轮询一次。
• TDM 的 PLI 字节被插入到有效负载字段中。
• 由于频率偏移，TDM 片段的长度可能会变化 ± 1 字节。
• 往返延迟限制为 3 毫秒。

GEM 上的 TDM

GEM 可以对其有效负载进行分段。例如，未分段的以太网帧，如下图所示。

下图描述了分段以太网帧。

GEM 出于以下两个原因之一对有效负载进行分段 -

原因 1 - GEM 框架不能跨过 GTC 框架。

原因 2 - GEM 帧可能会被延迟敏感数据抢占。

GPON加密

OLT 在计数器模式下使用 AES-128 进行加密。仅加密有效负载（不加密 ATM 或 GEM 标头）。加密块与 GTC 帧对齐。计数器由 OLT 和所有 ONU 共享，如下 -

• 46b = 16b 帧内 + 30 位帧间。
• 帧内计数器每 4 个数据字节递增。
• 在 DS GTC 帧开始时重置为零。

OLT 和每个 ONU 必须就唯一的对称密钥达成一致。OLT 向 ONU 请求密码（在 PLOAMd 中）。ONU 以明文形式向我们发送密码（在 PLOAMu 中） -

• 密钥发送 3 次以确保稳健性

OLT通知ONU开始使用新密钥的准确时间。

服务质量——GPON

GPON 明确对待 QoS。恒定长度的帧有利于时间敏感应用程序的 QoS。有 5 种类型的传输容器 -

• 类型 1 - 固定带宽。
• 类型 2 - 有保证的 BW。
• 类型 3 - 分配的 BW + 无保证的 BW。
• 类型 4 - 尽力而为。
• 类型 5 - 以上所有类型的超集。

GEM 添加了几个 PON 层 QoS 功能 -

• 碎片可以抢占大型低优先级帧。
• PLI - 排队算法可以使用显式数据包长度。
• PTI 位携带拥塞指示。

在下一章中，我们将了解什么是以太网无源光网络。

光纤到户-EPON

以太网无源光网络（EPON）是一种将数据与以太网封装在一起的PON，可以提供1 Gbps至10 Gbps的容量。EPON 遵循 PON 的原始架构。这里，DTE 连接到树干，称为光线路终端(OLT)，如下图所示。

它通常位于服务提供商处，所连接的树状 DTE 分支称为光网络单元(ONU)，位于用户的场所。来自 OLT 的信号通过无源分路器到达 ONU，反之亦然。

第一英里的以太网

标准化进程始于 2000 年 11 月成立的一个名为“第一英里以太网” (EFM) 的新研究小组，其主要目标是研究以太网点对多点 (P2MP) 光纤和以太网铜缆。以太网通过点对点（P2P）光纤和网络运行机制、管理和维护（OAM）来促进网络操作和故障排除。EFM 工作组于 2004 年 6 月批准了IEEE Std 802.3ah，结束了标准化过程。

EFM（第一英里以太网）的产品。一种基于以太网的PON技术。它基于主要标准 – IEEE 802.3ah。基于多点控制协议 (MPCP)，定义为 MAC 控制子层内的一项功能，用于控制对 P2MP 拓扑的访问。

EPON/MPCP 协议的基础在于点对点（P2P）仿真子层。其传输速率为→对称1.25G；距离：10KM/20KM; 分光比：>1:32。EFM指出了以以太网为核心技术的EPON的诸多优点，包括协议成熟、技术简单、扩展灵活、面向用户等。

EPON系统没有选择昂贵的ATM硬件和SONET设备，使其能够兼容现有的以太网网络。简化了系统结构，降低了成本，升级灵活。设备厂商注重功能和实用性的优化。

BPON ATM 系统

基于 BPON ATM 的系统已被证明效率非常低，因为接入网络中的绝大多数流量由大型 IP 帧和可变大小组成。它为基于纯以太网的EPON、享有QoS 的GigE 密码以及与其他新兴以太网设备的经济高效集成的发展创造了机会。随着时间的推移，以太网已被证明是 IP 流量的理想传输器。

因此，IEEE 802.3ah标准802.3指示“第一英里的以太网”工作组制定点对点和点对多点接入网络的标准，后者指的是以太网PON。EPON 目前是以太网标准的一部分。

在FSAN成员（Quantum Bridge，Al）提出ATM/以太网PON解决方案之后，无源光网络（GPON）即千兆位标准（G.984系列）的开发才真正开始。独立于协议的 Gbps 在 IEEE 802.3ah 工作组中并不是很受欢迎。FSAN 决定将此作为与 ITU 不同的竞争标准。

当涉及到运行良好的一般概念（运营 PON光分配网络(ODN)、波长规划和应用）时，EPON 和 GPON 很大程度上借鉴了 BPON 标准 G.983 。它们都提供了自己的增强版本，以适应可变速率 Gbps 的更大尺寸的 IP/以太网帧。

IEEE 802.3ah以太网标准指定了接入网络，也称为第一英里以太网。IEEE802.3ah 的第五节构成了 IEEE Std 802.3，对应于服务和协议元素的定义。它允许用户接入网络中的站之间交换 IEEE 802.3 格式帧。

EPON的概念

EFM 引入了 EPON 的概念，其中使用无源分光器实现点对多点 (P2MP) 网络拓扑。然而，以太网点对点光纤以合理的成本提供最高的带宽。以太网点对多点光纤以较低的成本提供相对较高的带宽。IEEE Std 802.3ah 的目的是将以太网的应用扩展到包括接入用户网络，以显着提高性能，同时最大限度地降低设备的运营和维护成本。

IEEE 802.3ah EFM 标准的制定极大地扩展了以太网传输在接入网和城域网中的使用范围和范围。该标准为服务提供商提供了各种灵活且具有成本效益的解决方案，用于在接入网和城域网中提供宽带以太网服务。

EFM 涵盖了媒体类型和信令速度不同的一系列技术 - 它设计用于部署在一种或多种 FSM 媒体的网络中，并与混合 10/100/1000/10000 Mb 交互/s 以太网。IEEE 802.3 中定义的任何网络拓扑都可以在用户的​​本地使用，然后连接到以太网用户接入网络。EFM技术允许不同类型的拓扑实现最大的灵活性。

IEEE 标准 802.3ah

IEEE Std 802.3ah 包括用户以太网接入网络的规范，IEEE Std 802.3ah EPON 支持每个通道约 1 Gb/s（可扩展至 10 Gb/s）的标称速率。它们由两种波长定义：一种是下行波长，另一种是用户设备之间共享的上行方向。

EFM 支持全双工链路，因此可以定义全双工简化媒体访问控制（MAC）。以太网架构将物理层分为物理介质相关（PMD）、物理介质附件（PMA）和物理编码子层（PCS）。

EPON 实现了 P2MP 网络拓扑，并对底层和协调子层 MAC 控制进行了适当的扩展，并通过底层物理介质相关 (PMD) 光纤来支持该拓扑。

物理层

对于 P2MP 拓扑，EFM 引入了一系列源自 1000BASE-X 的物理层信令系统。然而，它包括 RS、PCS 和 PMA 的扩展，以及可选的前向纠错(FEC) 功能。1000BASE-X PCS 和 PMA 子层映射接口的特性。PMD子层（包括MDI）提供底层调和所期望的服务。1000BASE-X可扩展以支持其他全双工介质——仅要求环境与PMD级别一致。

中等负载接口 (MDI)

它是 PMD 和物理介质之间的接口。它描述了信号、物理介质以及机械和电气接口。

物理介质相关 (PMD)

PMD 负责传输介质的接口。PMD 根据所连接的物理介质的性质生成电信号或光信号。通过 PON 的 1000BASE-X 连接至少 10 公里和 20 公里（底层 1000BASE-PX10 和 1000BASE-PX20 PMD）提供 P2MP。

在PON以太网中，D和U后缀表示链路两端的PMD，在这些方向上发送并在相反方向上接收，即单个下游PMD被标识为1000BASE-PX10-D，上行被标识为1000BASE-PX10 U PMD。两个方向同时使用相同的纤维。

1000BASE-PX-U PMD 或 1000BASE-PX-D PMD 连接到相应的 PMA 1000BASE-X 并通过 MDI 提供支持。PMD 可以选择与可通过管理界面访问的管理功能相结合。为了允许在 10 公里或 20 公里 Pons 的情况下进行升级，1000BASE-PX20-D 1000BASE-PX10 PMD 和 PMDU 都可以相互操作。

物理介质附件 (PMA)

PMA 包括发送、接收、时钟恢复和对齐功能。PMA为PCS提供了一种独立的中间方式来支持一系列面向比特的物理介质系列的使用。物理编码(PCS)子层包括编码位功能。PCS 接口是千兆位媒体独立接口(GMII)，它为 1000 Mb/s PHY 的所有实现提供了到协调子层的统一接口。

千兆位媒体独立接口 (GMII)

GMII接口是指千兆位MAC层和物理层之间的接口。它允许多个 DTE 与千兆位物理层速度的多种实现方式混合。PCS 服务接口允许 1000BASE-X PCS 与 PCS 客户之间传输信息。PCS客户包括MAC（通过底层协调）和中继器。PCS 接口被精确地定义为千兆位媒体独立接口（GMII）。

协调子层(RS) 确保定义服务访问控制介质的 GMII 信号的匹配。GMII 和 RS 用于提供独立的介质，以便访问控制器相同的介质可以与任何类型的铜缆和光纤 PHY 一起使用。

数据链路层（多点MAC控制）

MAC控制协议被指定为支持，新功能将同时实现并添加到标准中。多点控制协议（MPCP）就是这种情况。P2MP的管理协议是多点控制协议定义的功能之一。

实现多点MAC控制功能以访问包含点对多点物理层设备的订户设备。通常，MAC 仿真管辖区在 OLT 和 ONU 之间提供点对点服务，但现在一次为所有 ONU 的通信目标包含一个附加实例。

MPCP（多点控制协议）

MPCP非常灵活，易于实现。MPCP 使用五种类型的消息（每个消息是一个 MAC 控制帧），ONU/ONT 报告多个数据包边界，OLT 在数据包边界上授予权限 – 无描述开销。

MPCP 指示 OLT 和 ONU 之间的系统与点对多点 (P2MP) PON 部分相关联，以允许在 UPSTREAM 标题中有效传输信息。

MPCP 执行以下功能 -

• MPCP 控制自动发现过程。
• ONT 的时隙/带宽分配。
• 提供时序参考以同步 ONT。

MPCP 引入了五种新的 MAC 控制消息 -

• 门、报告
• 注册需求
• 登记
• 注册确认
• 自动发现

消息发现序列摘要

下图描述了消息发现序列摘要。

DBA EPON

在EPON中，OLT和ONY之间的通信被视为下游，OLT使用整个带宽向ONT广播下游数据，而另一端ONT使用以太网帧上可用的信息接收帧。ONT到OLT的上行采用单通道通信，意味着一个通道将被多个ONT使用，这意味着数据冲突。

为了避免这个问题，需要有效的带宽分配方案，在保证QoS的同时，将资源平均分配给ONT，该方案被称为动态带宽分配（DBA）算法。DBA 使用报告和门消息来构建要传送到 ONT 的传输时间表。

数据库管理员的特点

EPON的一个重要特点是为不同的服务提供最佳的QoS，并使用不同的DBA分配来有效地分配带宽，以满足当前和未来应用的需求。

目前，以下是可用于 EPON 的两种不同类型的 DBA 算法 -

• 第一个是为了适应交通波动。
• 第二个是为不同类型的流量提供QoS。

其他特性是避免帧冲突、通过 QoS 管理实时流量、每个用户的带宽管理以及减少低优先级流量的延迟。

EPON帧格式

EPON操作基于以太网MAC，EPON帧基于GbE帧，但需要扩展 -

• 第64条-多点控制协议PDU。这是实现所需逻辑的控制协议。

• 第 65 条- 点对点仿真（协调）。这使得 EPON 看起来像点对点链路，并且 EPON MAC 有一些特殊的限制。

• 它们不是 CSMA/CD，而是在授予时进行传输。

• 通过 MAC 堆栈的时间必须恒定（± 16 位持续时间）。

• 必须保持准确的当地时间。

EPON头

标准以太网以基本无内容的 8B 前导码开始 -

• 7B 交替的 1 和 0 10101010
• SFD 10101011 的 1B

为了隐藏新的 PON 标头，EPON 覆盖了一些前导码字节。

LLID 字段包含以下因素 -

模式 (1b) -

• ONU 始终为 0
• 0 表示OLT 单播，1 表示OLT 组播/广播

实际逻辑链路 ID (15b) -

• 识别已注册的ONU
• 7FFF 广播

CRC 从 SLD（字节 3）到 LLID（字节 7）提供保护。

安全

下行流量广播到所有 ONU，因此恶意用户很容易对 ONU 进行重新编程并捕获所需的帧。

上行流量尚未暴露给其他ONU，因此不需要加密。不要考虑光纤分路器，因为 EPON 不提供任何标准加密方法，但是 -

• 可以补充 IPsec 或 MACsec 以及
• 许多供应商添加了基于 AES 的专有机制。

BPON 使用一种称为搅动的机制— 搅动是一种低成本硬件解决方案（24b 密钥），具有多个安全缺陷，例如 -

• 引擎是线性的——简单的已知文本攻击。
• 24b 密钥在 512 次尝试中被证明是可推导的。

因此，G.983.3增加了AES支持，目前已在GPON中使用。

服务质量——EPON

许多 PON 应用需要高 QoS（例如 IPTV），而 EPON 将 QoS 留给更高层，例如：

• VLAN 标记。
• P 位或 DiffServ DSCP。

除此之外，LLID 和 Port-ID 之间还有一个至关重要的区别 -

• 每个 ONU 始终有 1 个 LLID。
• 每个输入端口有 1 个端口 ID - 每个 ONU 可能有多个端口 ID。
• 这使得基于端口的 QoS 在 PON 层实现起来变得简单。

EPON 与 GPON

下表说明了 EPON 和 GPON 的比较特性 -

下图显示了EPON和GPON的不同结构 -

FTTH - XPON 评估

下图描述了 XPON 评估。

下表解释了 XPON 评估的不同方法。

GPON 开发完成后，FSAAN 和 ITU-T 开始开发 NG-PON，具有以下特点：

• 低成本产品
• 大容量
• 覆盖面广
• 向后兼容性

FSAN根据当前的应用需求和技术将NG-PON分为两个阶段 -

• NG PON1 - NGPON1 向后兼容传统 GPON ODN。NG-PON1 具有非对称 10G 系统，具有 10G 下行/下载和 2.5G 上行/上传速度。该 NG-PON1 是 GPON 的增强型 TDM PON 系统。

• NG PON2 - NGPON2 是长期 PON 评估，可以支持新的 ODN 并可以在新的 ODN 上部署。

与 NG-PON1 不同，NG-PON2 的开发方法有很多，可以将带宽速率从 10G 提高到 40G -

• 使用与 NG-PON1 相同的 TDM 技术。

• WDM PON（使用粗波分复用（CWDM）或密集波分复用（DWDM）。

• ODSM PON（TDMA+WDMA）。

• OCDMA PON（使用CDMA技术）。

• O-OFDMA PON（使用FDMA技术）。

共存 – NG-PON1

NG-PON1的主要特点是同时提供比GPON更高的带宽。它应该向后兼容现有的GPON网络，这将降低运营商的成本。这种由 FSAN 和 ITU-T 定义的 NG-PON 称为XG-PON1。

FSAN 和 ITU-T 为 XG-PON1 定义了以下数据速率 -

• 下行数据速率 - 10G
• 上行数据速率 - 2.5G

2.5G上行数据速率是GPON上行数据速率的两倍。除了GPON的所有元素之外，ODN（光分配网络）可以在XG-PON1网络中复用。

通过在现有GPON OLT上仅添加10G下行卡，GPON增强为XG-PON1。

网络架构和共存

如上所述，XG-PON1 是对现有 GPON 的增强，可以支持不同的 GPON 部署，例如 -

• GPON 点对多点 (P2MP) 架构
• 光纤到户 (FTTH)
• 光纤到小区（FTTCell）
• 光纤到楼 (FTTB)
• 光纤到路边 (FTTCurb)
• 光纤到机柜（FTTCabinet）

下图显示了不同的 GPON 部署，可以使用 XG-PON1 进一步增强 -

一般来说，有两种类型的部署 -

• 绿地部署
• 棕色现场部署

绿地用于需要全新部署的地方，而在棕地部署中，将使用现有基础设施。因此，对于 Brown Field（仅限 GPON 网络）部署，可以使用 XG-PON1。如果铜缆网络需要更换为光纤网络，则将在绿地网络下考虑，因为现有网络将完全被新网络取代。

物理层

XG-PON1 的物理层规范于 2009 年 10 月制定，并由 ITU-T 于 2010 年 3 月发布。FSAN选择下行波长1575-1580 nm。C波段。在上行波长选择上比较了L波段和O波段，但C波段因与RF视频通道重叠而被淘汰。由于L频段上没有足够的带阻，因此也被排除，所有优缺点的比较都选择O-频段，因为O+对滤波器的要求更高。

根据上表，XG-PON1 的下行速率为 10 Gbps，数据速率为 9.5328 Gbps，以与典型 ITU-T 速率保持一致，这与 IEEE 10GE-PON 的 10.3125 Gbps 不同。

HTC层

传输层（TC Layer）称为XGTC（XG-PON1）传输汇聚层，优化了基本处理机制。传输汇聚层增强了成帧结构、激活机制、DBA。

XG-PON1 帧结构的增强是通过匹配 XG-PON1 的速率，将帧和字段设计与字边界对齐。DBA机制随着升级更加灵活，而激活机制遵循GPON相同的原理。

XGTC 层的两个重要特征是 -

• 省电
• 安全

数据加密是 GPON 中的可选功能，而在 xG-PON1 中，有三种身份验证方法 -

• 第一个是基于注册ID（逻辑ID）

• 第二种是基于OMCI通道（继承自GPON）

• 第三种是基于IEEE 802.1x协议，这是一种新的双向认证方案。

还通过 XGTC 层提供上游加密和下游多播加密。

管理与配置

对于管理和配置，XG-PON1 采用了 ITU-T (G.984.4) 建议，并且向后兼容 GPON。由于 GPON 使用 OMCI 技术进行管理和配置，同样，XG-PON1 使用了大约 90% 的技术，并对 ITU-T (G.984.4) 进行了较小的更改。

在这两种情况下（对于 GPON 和 XG-PON1），就服务而言，采用较低层技术并不是一个大问题。重要的是配置二层通道，以保证业务数据的正确转发。OMCI L2模型涵盖了从网络侧到用户侧的所有L2配置。

OMCI L2模型用于这两种技术，即GPON和XG-PON1，因为这两种技术的网络侧和用户侧的定义是相同的。

互操作性

GPON 和 XG-PON1 最令人印象深刻的部分是互操作性。XG-PON1向下兼容GPON，即与GPON OLT连接的ONT/ONU也可以与XG-PON1 OLT一起工作。FSAN 于 2008 年成立了一个小组，称为 OISG（OMSI 实施研究小组）。

该小组仅限于研究有关 ONT 管理和控制通道 (OMCC)、QoS 管理、多播配置、S/W 版本更新和 L2 配置的 OMCI 互操作性的 (G.984.4) 建议。[G.984.4]的官方编号是[ITU-T G.impl984.4]，也被称为OMCI实施指南。

波分复用无源光网络

下图适用于 WDM-PON，其中还显示了波导光栅 (AWG) 阵列。它们用于 MUX 和 DEMUX 波长。

P2MP WDM-PON

在WDM-PON中，不同的ONT需要不同的波长。每个ONT拥有专属的波长，并享有该波长的带宽资源。换句话说，WDM-PON 在逻辑点对多点(P2MP) 拓扑上工作。

在WDM-PON中，OLT和ONT之间需要有AWG。AWG 的每个端口都与波长相关，每个 ONT 上的光收发器以 AWG 上的端口确定的指定波长传输光信号。

在WDM技术中，具有特定波长的光模块称为有色光模块，而可用于任何波长的光模块称为无色光模块。使用彩色光收发器很复杂，其处理服务是配置和设计存储。

由于AWG组件对温度敏感，WDMPON在解决光模块与连接AWG端口之间的波长以及本地AWG（CO处）端口波长之间的实时一致性方面存在一定的挑战以及远程 AWG 上的端口。

ODSM-PON

在ODSM-PON中，从CO到用户驻地的网络保持不变，除了一个变化，即有源WDM分路器。WDM 分路器将放置在 OLT 和 ONT 之间，取代无源分路器。在ODSM-PON中，下行采用WDM，意味着到ONT的数据对于不同的ONT使用不同的波长，而在上行，ODSN-PON采用动态TDMA+WDMA技术。

XGPON 标准

下表描述了 XGPON 标准。

GPON—— 2005年ITU和FSAN标准化，符合G.984×系列标准。

NGPON1 -

• G.987/G.988 XGPON标准已于2011年发布。

• 它将 XGPON 标准化为 2.5 Gbps 上行/10 Gbps 下行。

• GPON和XGPON使用不同的波长共存于一个网络中。

NGPON2 -

• 不考虑与现有ODN网络兼容，PON技术的标准更加开放。

• 现在重点关注WDM PON 和40G PON。

XG-PON1的主要特点

下表描述了XG-PON1的主要特性。