基于PON的FTTH接入技術

朱建劍 張華艷

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

1 FTTH簡介

隨著科學家技術的不斷提升，不管是移動終端還是移動通信技術都展現出很大的優勢，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絡更加認同其優越的性能。在用戶中進入光纖，具有較強的優勢，其中最顯著的就是帶寬很大，這是解決互聯網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，光波傳輸技術是其主要技術。隨著科學技術的不斷發展和進步，當前光纖傳輸復用技術更加實用，根據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）是指將光網絡單元安裝在用戶家，是FTTx 接入系列中除FTTD 之外最接近用戶的光接入應用組網方式。其最顯著的優勢就是速率更快，帶寬更大，數據格式、波長、協議、速率扥透明性進一步增強，對周圍環境和對供電配置的相關需求進一步放寬，工程安裝及相應的維護管理得到進一步的簡化。

根據信號的轉換方式，FTTH 可以分為有源接入和無源接入兩種方式。具體而言就是根據信號傳送過程中是否經過了光電轉換，如果經過了光電轉換就稱為“有源”，譬如點對點方式；如果沒有經過光電轉換就稱為“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。

結構形式對點對待式，每一個終端用戶都有光纖連接，對單路由FTTH 系統來講，其具有終端用戶數目為N 個，距離為M 千米，要是組網方案為點對點形式，則需要的光纖長度為NM 千米，光收發器為2N 個。要是組網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、光收發器為N+1 個。由此我們可以看出其顯著的優勢：采用點對多點的方案，極大地降低了光纖用量、局端設備端口和光收發器的數量，并且節省了中心機房或節點機房所需的機架空間。

2 FTTH網絡架構

FTTH 系統由OLT（光線路終端）、ODN（光分配網）和ONU（光網絡單元）組成，其網絡組織架構如圖1所示。

OLT 按照業務類型把各個終端用戶的數據分別向對應的業務網中流送，同時匯聚各種業務的數據流，并且根據簽署協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，ODN 可以組合為多種拓撲結構，比如環型、總線型等；P2MP 方式的拓撲結構類型也有很多種，其中FTTH 系統的樹型拓撲結構主要是以PON 系統為主。

ONU 通過用戶網絡接口設備的方式提供用戶接入，并實現與OLT 之間的信息傳遞。

圖2：PON 結構示意圖

3 FTTH實現技術

FTTH 的兩種實現方式：P2P 和P2MP。

3.1 P2P有源以太網系統

P2P 主要是把電信號向光信號予以轉換，借此實現傳輸距離的不斷提升。不管是終端設備還是局端設備，都有相應的光線占據，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 有源以太網系統中交換機在中心機房位置放置，也可以在節點機房出下沉，也即意味著客戶并不需要把交互機在樓道中放置，有效的減少組網階段，可以實現維護成本和投入資金的降低。這種技術簡便了終端自動識別和上行同步技術，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點：一是產品成熟；二是結構簡單；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，上下行均可達到100M。缺點是，隨著FTTH 用戶數量的增加，明顯增加光纖的數量和局端設備的數量，這設備和光纖上的成本其所具備的優勢是不能抵消的。

3.2 P2MP無源光網絡系統

P2MP 方式的FTTH 系統即稱為PON 系統，當下根據所采取的的技術，市場上的PON 產品有很多種，比如APON/BPON、GPON、EPON 等，其中GPON 的標準化程度最高，使用的最為廣泛，具有更高程度的產品化。

PON 是一種純介質的傳輸網絡，首先，在接入網中去掉了有源設備，可以有效避免電磁干擾，減少了接入網線路及相關設備故障帶來的影響，把供電設備去掉，網關的復雜程度進一步降低，運維成本顯著減少。其二，PON 網絡具有較好的業務通明度，具有較大的帶寬，對各種形式和速率的業務都能夠很好的適應。其三，下面所有的用戶共享光纖資源和局端設備，因此可以把大量的光線資源和設備資源予以節約。尤其是隨著光纖技術的不斷發展和提升，其優勢更加的綜合和顯著。隨著OLT 下帶用戶數的增加，PON 網絡的每用戶成本而不斷且顯著降低，所以對分散的商戶、小微企業及居民等尤其適用，特別是在區域內具有分散的用戶，每一處區域用戶又在用戶區域內顯著集中的。最后，單纖雙向傳輸技術為PON網絡采用的技術形式，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，要是提供的業務中含有CATV，就需要使用的波長為1550nm。PON 網絡的主要缺點是前期一次性投資較大，因為OLT 設備具有較貴的價格，還必須一次性配備到位分光器和光纖等設備，要是使用的客戶較少，分攤到每一個客戶上的成本會更高，導致沉積大量的成本。不僅如此，由于使用的結構為樹型拓撲結構形式，因此要想實現對網絡的保護則需要更高的成本，這對大規模發展用戶造成一定程度的影響。雖然目前PON 技術還有一定的缺陷，但是從FTTH 在國外的實踐來講，PON 技術是目前實現FTTH 的最佳技術方案，因次，多數電信運營商傾向于選擇PON 技術。

PON 網絡系統組成部分有多種，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 負責發送光的方向，向多條光纖上分散傳進來的光信號，或者在一條光纖上匯聚多條光纖的光信號。ONU 主要任務就是收集、適配、傳輸并完成業務；OLT主要任務就是適配接口并進行傳輸、復用等，以及向網管系統提供網管接口。

PON 系統采用WDM 技術，實現單纖雙向傳輸。上行時通過TDMA 方式傳輸數據，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據進行發送，從而避免產生時隙沖突。下行時采用廣播方式，相同的數據會被所有的ONU 接收到，最終借助Gemport ID，ONU 來對自己的數據進行識別和過濾。

3.2.1 APON/BPON

APON/BPON 技術根據ATM 中集中和統計復用方式，和無源分光器加以結合，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務，它的上行速率為155Mb/s，下行速率為622Mb/s。APON/BPON 主要缺點體現在技術實現相對復雜，具有有限的提供業務的能力，同時具有較低的傳輸數據效率和速率，需要花費較多的成本進行運營，帶寬提升較為困難。從業務發展趨勢看，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，這樣的網絡性能難以滿足現有網絡和業務的發展需求。

3.2.2 EPON

EPON 在保留傳統以太網體系結構基礎上以以太網代替ATM作為鏈路層協議，在協議上層看來使得P2MP 網絡和多個P2P 鏈路比較相似，進而實現無源光網絡中在P2MP 接入為太網幀的時分多址接入。

EPON 采用點對多點通信方式，一般采用單纖波分復用技術，實現單纖雙向傳輸。上行時采取TDMA 方式，來自不同時隙的ONU 數據流按既定規則匯聚到OLT。下行時采用TDM 方式，在所有的ONU 中廣播所有數據流，根據以太幀的MAC 地址ONU 設備決定取舍。連續的光傳輸模式為傳統以太網經常使用的方式，不管是發出還是收入的方向都是連續的比特流形式，因此相對簡單的實現收端定時和判決的技術。上行比特流對EPON 來講是對突發數據包進行發送。

其有下述幾種優勢：

（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1Gbit/s 的下行速率，因此用戶數量和帶寬更大；

（3）不在對室外有源設備予以使用，因此安裝部署工作更加簡化；

（4）以太網芯片使用的更多，具有較低的成本；

（5）電路的靈活指配予以改進，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%左右的可用負荷，導致其總效率較低。

3.2.3 GPON

GPON 系統主要有以下優點：

（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 的協定內邏輯支持范圍為60km，傳輸距離至少可達20km。也就意味著，在遠距離傳輸、靈活性和分光比等方面其優勢更大。

（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，這種技術主要以SDH 為基礎，其可以把各種各樣的數據信號進行高效、透明的在現有SDH 網絡中封裝，可以對各種用戶信號格式給予適應，對多種傳輸網絡制式予以適合，并不需要其他的IP 封裝層或者ATM，因此封裝效率較高、業務也更為靈活。

（3）GFP 映射技術是其使用的技術形式，從本質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務同步，特別是對TDM 語音業務進行靈活且高質量的支持。

（4）GPON 具備豐富的網管功能，包括鏈路狀態監測、保護倒換測試、動態帶寬分配、帶寬授權分配等功能。從QoS的角度來看，可以借助指針GPON 對ONU 的授權周期等進行調整，借此滿足帶寬、延時等要求。

（5）各類業務GPON 都可以提供，除了相應的業務之外，還可以對語音、VLAN 業務予以提供，事實上其可以對當下所有業務予以滿足。

GPON 標準的設置基于不同服務需求，對各種介入業務都支持，尤其是在傳輸Data 及TDM 等方面，對原有格式予以支持，不需要進行轉換；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。正是在這樣的設計情況下，對FTTH 來講，GPON 技術已成為更好的解決措施。

3.3 PON是實現FTTH的最佳技術

采用PON 無源光網絡系統實現FTTH 接入帶來的好處是多方面的，PON 無源光網絡系統相比較于點對點有源以太網系統而言，具有以下優勢：

（1）可以對多種拓撲結構予以靈活的組成。

（2）由于一個局端設備可以支持數量眾多的用戶，節省了大量的設備資源及光纖資源；

（3）具有較好的業務透明度及較高的標準化程度，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，后面可以擴容網絡，并不需要改造已經鋪設的光纖，可以對現有的投資予以充分的保護，科學的兼顧未來的發展需要；

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

（6）PON 網絡采用單纖雙向傳輸方式，上下行可以采用不同的波長，便于業務的管理。

綜上所述，基于PON 實現的FTTH 接入在日常維護管理、業務提供能力以及后期的擴容成本等方面均優于點對點實現的FTTH接入。