基于PON的FTTH接入技术

朱建剑 张华艳

（中国移动通信集团广西有限公司南宁分公司 广西壮族自治区南宁市 530022）

1 FTTH简介

随着科学家技术的不断提升，不管是移动终端还是移动通信技术都展现出很大的优势，但是受限于终端体积、带宽等多种因素的影响，人们对有线接入的网络更加认同其优越的性能。在用户中进入光纤，具有较强的优势，其中最显著的就是带宽很大，这是解决互联网最后一公里评价的最好措施。

光纤接入是指局端与用户之间完全以光纤作为传输介质，光波传输技术是其主要技术。随着科学技术的不断发展和进步，当前光纤传输复用技术更加实用，根据用户使用光纤的情况，可以划分为多个类型，比如为FTTO、FTTH、FTTC、FTTB、FTTD 等。

FTTH（Fiber To The Home）是指将光网络单元安装在用户家，是FTTx 接入系列中除FTTD 之外最接近用户的光接入应用组网方式。其最显著的优势就是速率更快，带宽更大，数据格式、波长、协议、速率扥透明性进一步增强，对周围环境和对供电配置的相关需求进一步放宽，工程安装及相应的维护管理得到进一步的简化。

根据信号的转换方式，FTTH 可以分为有源接入和无源接入两种方式。具体而言就是根据信号传送过程中是否经过了光电转换，如果经过了光电转换就称为“有源”，譬如点对点方式；如果没有经过光电转换就称为“无源”，譬如点对多点方式的APON/BPON、EPON 和GPON 等。

FTTH 分为点对点（P2P）方式和点对多点（P2MP）方式。

结构形式对点对待式，每一个终端用户都有光纤连接，对单路由FTTH 系统来讲，其具有终端用户数目为N 个，距离为M 千米，要是组网方案为点对点形式，则需要的光纤长度为NM 千米，光收发器为2N 个。要是组网方案为点对多点的的形式，仅需要大约M km 的光纤、分光器也只需要一个或多个、光收发器为N+1 个。由此我们可以看出其显著的优势：采用点对多点的方案，极大地降低了光纤用量、局端设备端口和光收发器的数量，并且节省了中心机房或节点机房所需的机架空间。

2 FTTH网络架构

FTTH 系统由OLT（光线路终端）、ODN（光分配网）和ONU（光网络单元）组成，其网络组织架构如图1所示。

OLT 按照业务类型把各个终端用户的数据分别向对应的业务网中流送，同时汇聚各种业务的数据流，并且根据签署协议的信号形式把接入端口送入，以便于传输至终端用户。

作为介于ONU 和OLT 直接的媒介传输，ODN 的传输手段为光传输性质，ODN 可以组合为多种拓扑结构，比如环型、总线型等；P2MP 方式的拓扑结构类型也有很多种，其中FTTH 系统的树型拓扑结构主要是以PON 系统为主。

ONU 通过用户网络接口设备的方式提供用户接入，并实现与OLT 之间的信息传递。

图2：PON 结构示意图

3 FTTH实现技术

FTTH 的两种实现方式：P2P 和P2MP。

3.1 P2P有源以太网系统

P2P 主要是把电信号向光信号予以转换，借此实现传输距离的不断提升。不管是终端设备还是局端设备，都有相应的光线占据，上行带宽可以和下行带宽相同，均为100 兆，这是以往接入方式所不能媲美的。

在P2P 有源以太网系统中交换机在中心机房位置放置，也可以在节点机房出下沉，也即意味着客户并不需要把交互机在楼道中放置，有效的减少组网阶段，可以实现维护成本和投入资金的降低。这种技术简便了终端自动识别和上行同步技术，最重要的为，一个终端可以全部占用上行带宽，这样对于带宽的扩展极为方便。该方式主要有以下优点：一是产品成熟；二是结构简单；三是利于扩展；四是安全性比较好；五是采取单纤双向传输方式，上下行均可达到100M。缺点是，随着FTTH 用户数量的增加，明显增加光纤的数量和局端设备的数量，这设备和光纤上的成本其所具备的优势是不能抵消的。

3.2 P2MP无源光网络系统

P2MP 方式的FTTH 系统即称为PON 系统，当下根据所采取的的技术，市场上的PON 产品有很多种，比如APON/BPON、GPON、EPON 等，其中GPON 的标准化程度最高，使用的最为广泛，具有更高程度的产品化。

PON 是一种纯介质的传输网络，首先，在接入网中去掉了有源设备，可以有效避免电磁干扰，减少了接入网线路及相关设备故障带来的影响，把供电设备去掉，网关的复杂程度进一步降低，运维成本显著减少。其二，PON 网络具有较好的业务通明度，具有较大的带宽，对各种形式和速率的业务都能够很好的适应。其三，下面所有的用户共享光纤资源和局端设备，因此可以把大量的光线资源和设备资源予以节约。尤其是随着光纤技术的不断发展和提升，其优势更加的综合和显著。随着OLT 下带用户数的增加，PON 网络的每用户成本而不断且显著降低，所以对分散的商户、小微企业及居民等尤其适用，特别是在区域内具有分散的用户，每一处区域用户又在用户区域内显著集中的。最后，单纤双向传输技术为PON网络采用的技术形式，上行波长和下行波长不尽相同：上行波长为1310nm，下行波长为1490nm，要是提供的业务中含有CATV，就需要使用的波长为1550nm。PON 网络的主要缺点是前期一次性投资较大，因为OLT 设备具有较贵的价格，还必须一次性配备到位分光器和光纤等设备，要是使用的客户较少，分摊到每一个客户上的成本会更高，导致沉积大量的成本。不仅如此，由于使用的结构为树型拓扑结构形式，因此要想实现对网络的保护则需要更高的成本，这对大规模发展用户造成一定程度的影响。虽然目前PON 技术还有一定的缺陷，但是从FTTH 在国外的实践来讲，PON 技术是目前实现FTTH 的最佳技术方案，因次，多数电信运营商倾向于选择PON 技术。

PON 网络系统组成部分有多种，如OLT（Optical Line Terminal）、ONU（Optical Network Unit）和无源分光器POS（Passive Optical Splitter）组成，如图2所示。POS 负责发送光的方向，向多条光纤上分散传进来的光信号，或者在一条光纤上汇聚多条光纤的光信号。ONU 主要任务就是收集、适配、传输并完成业务；OLT主要任务就是适配接口并进行传输、复用等，以及向网管系统提供网管接口。

PON 系统采用WDM 技术，实现单纤双向传输。上行时通过TDMA 方式传输数据，每个ONU 分配上行时隙的时候我们需要依托下行帧的upstream bandwidth map 字段进行，通过这样的方式划分上行链路为多个时隙且分成不同，所有ONU 可以对既定的顺序予以使用对自己的数据进行发送，从而避免产生时隙冲突。下行时采用广播方式，相同的数据会被所有的ONU 接收到，最终借助Gemport ID，ONU 来对自己的数据进行识别和过滤。

3.2.1 APON/BPON

APON/BPON 技术根据ATM 中集中和统计复用方式，和无源分光器加以结合，对光线路终端及光纤的共享作用，可以提供从窄带到宽带等多种业务，它的上行速率为155Mb/s，下行速率为622Mb/s。APON/BPON 主要缺点体现在技术实现相对复杂，具有有限的提供业务的能力，同时具有较低的传输数据效率和速率，需要花费较多的成本进行运营，带宽提升较为困难。从业务发展趋势看，APON/BPON 的可用带宽满足不了用户日益增长需求。主干下行速率很低，仅仅为622Mbit/s，对其进行分路之后，将会大大降低每个用户的带宽。比如我们按照按1:16 计算分光比，这样每个用户仅仅具有38.8Mbit/s 的可用带宽。显然，这样的网络性能难以满足现有网络和业务的发展需求。

3.2.2 EPON

EPON 在保留传统以太网体系结构基础上以以太网代替ATM作为链路层协议，在协议上层看来使得P2MP 网络和多个P2P 链路比较相似，进而实现无源光网络中在P2MP 接入为太网帧的时分多址接入。

EPON 采用点对多点通信方式，一般采用单纤波分复用技术，实现单纤双向传输。上行时采取TDMA 方式，来自不同时隙的ONU 数据流按既定规则汇聚到OLT。下行时采用TDM 方式，在所有的ONU 中广播所有数据流，根据以太帧的MAC 地址ONU 设备决定取舍。连续的光传输模式为传统以太网经常使用的方式，不管是发出还是收入的方向都是连续的比特流形式，因此相对简单的实现收端定时和判决的技术。上行比特流对EPON 来讲是对突发数据包进行发送。

其有下述几种优势：

（1）把SDH、ATM 层去掉，因此在刚开始的投入资金上有效降低，同时运行成本也显著下降；

（2）具有高达1Gbit/s 的下行速率，因此用户数量和带宽更大；

（3）不在对室外有源设备予以使用，因此安装部署工作更加简化；

（4）以太网芯片使用的更多，具有较低的成本；

（5）电路的灵活指配予以改进，其重配置能力更高；

（6）安全机制更加丰富和多样化。

EPON 的主要缺点是设备互操作性差；其次，由于EPON 的线路编码为8B/10B 形式，因此带宽损失降低为20%，再加上其他的花费，因此只有50%左右的可用负荷，导致其总效率较低。

3.2.3 GPON

GPON 系统主要有以下优点：

（1）支持多种速率模式，可以灵活地提供对称和非对称速率，包括同步的622Mbit/s 及1.25Gbit/s。GPON 的协定内逻辑支持范围为60km，传输距离至少可达20km。也就意味着，在远距离传输、灵活性和分光比等方面其优势更大。

（2）GPON 使用的适配方式有两种，除了以往使用的ATM 之外，还把GFP 在传输汇聚层使用，这种技术主要以SDH 为基础，其可以把各种各样的数据信号进行高效、透明的在现有SDH 网络中封装，可以对各种用户信号格式给予适应，对多种传输网络制式予以适合，并不需要其他的IP 封装层或者ATM，因此封装效率较高、业务也更为灵活。

（3）GFP 映射技术是其使用的技术形式，从本质上看该传输汇聚层是同步的。延时和抖动性能很好，因此就可以对端到端和其他业务同步，特别是对TDM 语音业务进行灵活且高质量的支持。

（4）GPON 具备丰富的网管功能，包括链路状态监测、保护倒换测试、动态带宽分配、带宽授权分配等功能。从QoS的角度来看，可以借助指针GPON 对ONU 的授权周期等进行调整，借此满足带宽、延时等要求。

（5）各类业务GPON 都可以提供，除了相应的业务之外，还可以对语音、VLAN 业务予以提供，事实上其可以对当下所有业务予以满足。

GPON 标准的设置基于不同服务需求，对各种介入业务都支持，尤其是在传输Data 及TDM 等方面，对原有格式予以支持，不需要进行转换；不但把更好的带宽和传输速率予以提供，同时还能对扩充能力予以兼顾，这对接下来的扩容非常方便。正是在这样的设计情况下，对FTTH 来讲，GPON 技术已成为更好的解决措施。

3.3 PON是实现FTTH的最佳技术

采用PON 无源光网络系统实现FTTH 接入带来的好处是多方面的，PON 无源光网络系统相比较于点对点有源以太网系统而言，具有以下优势：

（1）可以对多种拓扑结构予以灵活的组成。

（2）由于一个局端设备可以支持数量众多的用户，节省了大量的设备资源及光纤资源；

（3）具有较好的业务透明度及较高的标准化程度，理论上来讲可对多种信号予以适用；

（4）由于具有巨大的光纤宽带容量，后面可以扩容网络，并不需要改造已经铺设的光纤，可以对现有的投资予以充分的保护，科学的兼顾未来的发展需要；

（5）PON 网络无源器件的设备故障少，运维成本较低，并不需要对机房额外建设，很好的把供电成本予以节省，一旦建立起来网络，都可以在中心机房中进行管理和提供服务，从而把维护成本和管理予以降低；

（6）PON 网络采用单纤双向传输方式，上下行可以采用不同的波长，便于业务的管理。

综上所述，基于PON 实现的FTTH 接入在日常维护管理、业务提供能力以及后期的扩容成本等方面均优于点对点实现的FTTH接入。