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無源光網絡PON的工程原理

【發布時間：2018-06-13 17:01:50】

一、光纖接入網的接入方案

(a) P2P，點對點的網絡傳輸成本太高，浪費光纖資源。

(b) 光纖到路邊交換機，降低了傳輸成本，但是在接入側增加了帶電設備，增加了故障點，也相應的增加了維護成本。

二、PON網絡架構

無源光網絡（PON）是一種采用點到多點（P2MP）結構的單纖雙向光接入網絡，其典型拓撲結構為樹型。

PON系統由局側的光線路終端（OLT）、用戶側的光網絡單元（ONU）和光分配網絡（ODN）組成，為單纖雙向系統。在下行方向（OLT到ONU），OLT發送的信號通過ODN到達各個ONU。在上行方向（ONU到OLT），ONU發送的信號只會到達OLT，而不會到達其他ONU。ODN在OLT和ONU間提供光通道。

三、FTTx場景

FTTC (Fiber to the Curb) 光纖到路邊

FTTB (Fiber to the Building) 光纖到樓

FTTH (Fiber to the Home) 光纖到戶

四、PON技術標準化情況

五、EPON數據復用方式

lEPON系統采用WDM（Wavelength Division Multiplexing）技術，實現單纖雙向傳輸

下行數據流采用廣播技術

上行數據流采用TDMA (Time Division Multiple Access)技術

六、EPON下行數據

廣播方式：EPON的下行為廣播方式，所有的ONU都能收到相同的數據，但是通過LLID來區分不同的ONU的數據，ONU 過濾廣播報文來接收屬于自己的數據。

七、EPON上行數據

TDMA: OLT統籌管理ONU發送上行信號的時刻，發出時隙分配幀。ONT根據時隙分配幀，在OLT分配給它的時隙中發送自己的上行信號。（相關技術：測距、DBA）

八、EPON協議簡介

lMAC Client：MAC地址主機（通常指一個ONT或者ONU）

lOAM： Operation Administration Maintenance 運行、管理和維護子層

lMPMC：Multi-Point MACControl 多點MAC控制子層

lMAC： Media Access Control 媒體訪問控制

lRS： Reconciliation Sublayer 調和子層

lGMII： Gigabit Media Independent Interface 千兆比媒質獨立接口

lPCS： Physical Code Sublayer 物理編碼子層

lFEC： Forward Error Correction 前向糾錯

lPMA： Physical Medium Attachment 物理媒質附加子層

lPMD： Physical Medium Dependent 物理媒質相關

lMDI： Medium Dependent Interface 媒質相關接口

九、MPCP子層

MPCP：Multi-point Control Protocol 多點控制協議

OLT和多個ONU通過MPCP協議對話，實現：

控制MAC幀的發送和接收；

Gate Processing；

Discovery Processing；

Report Processing。

從而完成“多點MAC控制層”的功能。

EPON系統通過一條共享光纖將多個DTE連接起來，其拓撲結構為不對稱的基于無源分光器的樹形分支結構。MPCP就是使這種拓撲結構適用于以太網的一種控制機制。 EPON作為EFM討論標準的一部分，建立在MPCP（Muti-Point Control Protocol多點控制協議）基礎上，該協議是MACcontrol 子層的一項功能。MPCP使用消息，狀態機，定時器來控制訪問P2MP（點到多點）的拓撲結構。在P2MP拓撲中的每個ONU都包含一個MPCP的實體，用以和OLT中的MPCP的一個實體相互通信。作為EPON/MPCP的基礎，EPON實現了一個P2P仿真子層，該子層使得P2MP網絡拓撲對于高層來說就是多個點對點鏈路的集合。該子層是通過在每個數據報的前面加上一個LLD（Logical Link Identification）邏輯鏈路標識來實現的。該LLID將替換前導碼中的兩個字節。PON將拓撲結構中的根結點認為是主設備，即OLT；將位于邊緣部分的多個節點認為是從設備，即ONU。MPCP在點對多點的主從設備之間規定了一種控制機制以協調數據有效的發送和接收。系統運行過程中上行方向在一個時刻只允許一個ONU發送，位于OLT的高層負責處理發送的定時、不同ONU的擁塞報告、以便優化PON系統內部的帶寬分配。EPON系統通過MPC PDU來實現OLT與ONU之間的帶寬請求、帶寬授權、測距等。 MPCP涉及的內容包括ONU發送時隙的分配，ONU的自動發現和加入，向高層報告擁塞情況以便動態分配帶寬。MPCP多點控制協議位于MAC Control子層。MAC Control向MAC子層的操作提供實時的控制和處理。

十、多點MAC控制層（ ONU自動注冊）

自動發現技術：

發現是指新連接或者非在線的ONU接入PON的進程。該進程由OLT發起，它周期性地產生合法的發現時間窗口(Discovery Time Windows)，使OLT有機會檢測到非在線的ONU。發現時間窗口的周期沒有定義，由廠商定。

在EPON系統中，最開始的也是至關重要的一步就是要解決光網絡單元ONU的注冊問題.。為實現PON系統良好的可擴展性和方便的操作維護管理，在系統開通運行后，隨業務發展需要增加新的ONU或故障修復后的ONU要重新加入到系統時，希望這些ONU能夠自動地加入而不影響正常工作的ONU。因此ONU的自動加入是PON系統的關鍵技術之一。

發現處理

步驟1：OLT通過廣播一個發現GATE消息來通知ONU發現窗口的周期。發現GATE消息包含發現窗口的開始時間和長度；

步驟2：非在線ONU接收到該消息后將等待該周期的開始，然后向OLT發送REGISTER_REQ消息（REGISTER_REQ消息中包括ONU的MAC地址以及最大等待授權（Pending Grant）的數目）；

步驟3：OLT接收到有效的REGISTER_REQ消息后，將注冊該ONU，分配和指定新端口的標識(LLID)，并將相應的MAC和LLID綁定。OLT向新發現的ONU發送注冊(Register)消息，該消息包含ONU的LLID以及OLT要求的同步時間。同時，OLT還對ONU最大等待授權的數目進行響應；

十一、EPON與Ethernet幀比較

十二、EPON關鍵技術

突發控制

EPON的點對多點（P2MP）的特殊結構和時分多址（TDMA）的接入方式了決定了OUN發送機工作在突發發送的模式下。ONU在什么時候發送數據，是由OLT來指示的，當OUN發送數據時，打開激光器，發送數據；當ONU不發送數據時，為了避免對其他ONU的上行數據造成干擾，必須完全關閉激光器。這樣，ONU上的激光器就需要不斷地快速（ns級別）打開和關閉。因此，傳統的針對連續傳輸設計的APC（自動功率控制）回路，不能在突發模式發送的情況下正常工作（連續模式的自動功率控制回路之所以不能正常工作在突發模式下，是由于當激光器關閉時，直流偏置切斷，當激光器被重新打開時，自動功率控制回路已丟失了原來的狀態，直流偏置呈現不連續的變化）。

為實現突發發送有2個方案：

1、采用數字APC電路；

2、改進傳統的自動功率控制系統。

具體實現方式不在這里描述。方案1相比方案2存在一個缺點：它需要有一個微控制器的參與，并需要一塊高速的RAM，不利于模塊的集成，成本較高。

測距

EPON系統點對多點的特殊結構導致了各ONU的數據幀延時不同，為防治數據在時域碰撞，并支持ONU的即插即用，必須引入測距技術。

各個ONU和OLT的物理距離不同、環境溫度的變化和光電器件的老化等因素都會產生傳輸時延。在ONU的注冊階段，為補償由于物理距離差異造成的的試驗，進行靜態測距；而在通信過程中，為校正溫度變化、期間老化等因素引起的時延漂移，會進行動態測距。

DBA

DBA算法就是實時地改變EPON的各ONU上行帶寬的機制。EPON中如果用帶寬靜態分配，對數據通信這樣的變速率業務很不適合，如按峰值速率靜態分配帶寬則整個系統帶寬很快就被耗盡，帶寬利用率很低，而動態帶寬分配使系統帶寬利用率大幅度提高。

通過DBA，我們可以根據ONU突發業務的要求，通過在ONU之間動態調節帶寬來提高PON上行帶寬效率。

DBA具有如下的功能：

1、提高上行帶寬的效率

2、允許靈活的SLA策略

3、充分支持增強型業務特性

DBA采用集中控制方式：

所有的ONU的上行信息發送，都要向OLT申請帶寬，OLT根據ONU的請求按照一定的算法給予帶寬（時隙）占用授權，ONU根據分配的時隙發送信息。其分配準許算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割時隙反應信元到達的時間分布并請求帶寬，OLT根據各ONU的請求公平合理地分配帶寬，并同時考慮處理超載、信道有誤碼、有信元丟失等情況的處理。

光纖衰減和光功率預算