FTTH 快速指南

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FTTH - 简介

对于网络技术的接入，通常有两种方式，即固定方式和无线方式。在本教程中，我们将讨论“固定”方式，在技术上称为FTTH技术。

什么是 FTTH？

光纤到户或简称为FTTH是一种技术，它使用光纤从中心点直接连接到住宅场所（如下面的图片所示）。它提供不间断的高速互联网服务。“H”包括家庭和小企业。

FTTH 是最终的光纤接入解决方案，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）到用户场所的完整光纤路径。

这种选择方便为每个客户提供高带宽服务和内容，并确保为未来新服务的需求提供最大带宽。因此，不包括涉及“部分”光纤和“部分”铜基础设施网络的混合选项。

作为通过光纤接入家庭，光纤到户 (FTTH) 方案主要用于单户住宅 (SFU)，提供相对较少的端口，包括以下类型——POTS、10/100/1000 BASE-T 和 RF (18dBmV)。

光纤方法可以以两种方式部署：主动方法和被动方法。当前的大规模 FTTH 部署基于被动方法。因此，让我们详细讨论被动方法。

被动方法 - 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。

• 超高速率数字用户线 (VDSL) 支持最大比特率 55 bps。VDSL2 具有更好的 QoS 和更好的信噪比。

• ADSL（非对称数字用户线）支持最大比特率 8Mbps，但 ADSL2 可以达到 12Mbps。

• SHDSL 代表对称高速率数字用户线。电话线直径越大，它所能达到的距离越长。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。

为什么要选择 FTTH？

与以前的（铜）技术相比，光纤具有许多优势。最重要的优势如下所示 -

• 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、灵活且可靠
• 允许小直径和轻型电缆
• 安全可靠
• 不受电磁干扰 (EMI) 的影响
• 成本更低

下表列出了可以通过 FTTH 提供的先进服务及其带宽。

FTTH 与 xDSL

下表显示了 FTTH 和 xDSL 设备在带宽和距离（最大覆盖范围）方面的一些典型比较 -

• 距离深刻影响着 xDSL 的性能。

• 对于 FTTH，距离不是问题，因为最大覆盖范围超过 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 km 8 Mbps
• ADSL2 - 3-5 km 12 Mbps
• ADSL2+ - 3-5 km 24 Mbps
• VDSL - ≤ 1.3 km，55 Mbps；VDSL2 上行/下行 100 Mbps

FTTH 术语

现在让我们简要讨论一下通常与 FTTH 相关的术语。

差分光纤距离

一个 OLT 连接到多个 ONU/ONT。差分光纤距离是 OLT 到最近和最远 ONU/ONT 之间距离的差值。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 标准。

逻辑覆盖范围

逻辑覆盖范围定义为特定传输系统可以覆盖的最大距离，而不管光预算如何。由于逻辑覆盖范围是 ONU/ONT 和 OLT 之间最大距离，但物理层的限制除外 - 在 GPON 中，最大逻辑覆盖范围定义为 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上行和下行延迟值的平均值。此值通过测量往返延迟然后除以 2 来确定。GPON 必须适应需要最大平均信号传输延迟为 1.5 毫秒的服务。具体来说，GPON 系统在 T-V 参考点之间必须具有小于 1.5 毫秒的最大平均信号传输延迟时间。

光接入网 (OAN)

光接入网是朝向网络侧的接入网络，也称为 SNI（服务网络接口）。OLT 的上行端口连接到接入网络的 L2 交换环。所有其他中间组件（如 ODF/FDMS）连接到 SNI，都属于光接入网。

光分配网络 (ODN)

在 PON 技术的下行侧，从 OLT 的 PON 端口到 ONT 的 PON 端口的所有无源组件都属于光分配网络。通常，分光器和 ODF/FDMS 属于此类别。

光线路终端 (OLT)

中央局 (CO) 设备为 PON 提供各种网络接口。一个 OLT 通过 PON 下行传输为多个 ONT 提供服务，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)

光网络终端是客户机设备，为客户提供用户接口。

物理覆盖范围

物理覆盖范围定义为特定传输系统可以达到的最大物理距离。“物理覆盖范围”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。服务由一个名称描述，无论它是帧结构名称还是通用名称，每个人都能清楚地识别。

比特率

GPON 的目标是传输速度大于或等于 1.2 Gbps。因此，GPON 识别以下两种传输速度组合 -

• 上行 1.2 Gbps，下行 2.4 Gbps
• 上行 2.4 Gbps，下行 2.4 Gbps

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

分光比

GPON 的分光比越大，从成本角度来看就越经济。但是，较大的分光比意味着更大的光功率和带宽分割，这需要增加功率预算以支持物理覆盖范围。

鉴于当前技术，高达 1:64 的分光比对于物理层来说是现实的。但是，预计光模块将持续发展，TC 层必须考虑高达 1:128 的分光比。

数据速率

FTTH - PON

PON 是无源光网络，具有一对多点架构。如下图所示，它包括光线路终端 (OLT)、光网络单元和无源光分路器。

PON 的历史

第一个无源光网络 (PON) 活动是由 FSAN 小组在 20 世纪 90 年代中期发起的。最初的标准涵盖了基于 ATM 的 155 Mbps 传输，称为APON/BPON 标准。后来，该标准得到了增强，涵盖了 622 Mbps。

2001 年，IEEE 开始开发一个基于以太网的标准，称为EPON。

2001 年，FSAN 小组开始开发一个千兆位速度标准，即GPON，由 ITU-T 批准。

PON 网络架构

下图显示了 PON 的网络架构 -

其中，

• 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分光器，并级联多个分光器。

PON - 多路复用

PON 使用 WDM 在一根光纤上实现双向传输（参见下图） -

为了区分两个不同方向的信号，采用了两种多路复用技术，它们是 -

• TDM

• TDMA

让我们详细讨论一下 -

时分多路复用 (TDM) 用于下行 - 这是一种通过公共信号路径传输和接收独立信号的技术。为此，它在传输线的每一端使用同步开关；因此，每个信号仅在一定时间内以交替模式出现在线路中。

时分多址 (TDMA) 用于上行 - 此技术使许多用户能够通过将信号分成不同的时隙来共享同一个频率信道。

PON：下行

广播模式 - 下行数据广播到所有 ONU。但在 ONU 上，只会处理特定的数据包，其余数据包会被丢弃。

PON：上行 (TDMA 模式)

下图描绘了 TDMA 模式。

下图显示了这两种技术一起使用。

PON 术语

以下是 PON 术语 -

• ODN（光分配网络） - ODN 实现从 OLT 到用户以及反向的光传输。它利用无源光学组件。

• OLT（光线路终端） - OLT 是 PON 的服务提供商端点，位于 CO 或前端。

• ONT/ONU（光网络终端） - ONT 是一种终止 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 接入网络

无源光网络 (PON) 本质上是一种经济高效的光纤接入系统，可为企业和住宅客户提供三合一服务（语音、视频和数据）。此外，除了下图所示的简单拓扑结构外，PON 还可以以其他拓扑结构工作。例如 - 总线或线性、分布式分光等。

使用的不同类型的拓扑结构取决于客户的分布情况。

只要满足以下条件，ONT 就可以以任何方式连接到 PON -

• 从ONT到OLT以及反向的光预算满足要求。

• 满足不同ONT之间最大差异距离的规范。

• 从ONT到OLT的光纤长度在允许范围内。

• PON系统所能支持的ONT最大数量限制未超过。

PON中的无源模块

PON系统中的无源模块如下：

• 波分复用耦合器
• 1×N分路器
• 光纤和光缆
• 连接器
• ODF/机柜/子架

PON中的有源模块

PON系统中的有源模块如下：

在OLT中：

• 激光发射器（1490纳米）
• 激光接收器（1310纳米）
• 用于CATV应用
• 激光放大器（1550纳米）
• 用于放大视频信号的EDFA

在ONU中：

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

在下一章中，我们将了解什么是千兆无源光网络。

FTTH - GPON

GPON（千兆无源光网络）是一种基于ITU-T规范**G.984**系列的接入网络光学系统。它可以通过使用1:32分路比的B+类光器件，实现20公里的覆盖范围和28dB的光预算（如下图所示）。

GPON系统支持以下速率：

• 上行155 Mbps，下行1.24416 Gbps
• 上行622 Mbps，下行1.24416 Gbps
• 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支持ATM和GEM封装。GEM（GPON封装方法）支持原生TDM和数据。

GPON特性

这项演进型技术基于BPON GEM。其特性如下：

下行传输

• 2.4 Gbps
• 一个ONT的带宽足以提供多个高清电视信号
• QoS允许延迟敏感的流量（语音）

上行传输

• 1.24 Gbps
• 可以保证最小带宽
• 未使用的时隙可以分配给流量较大的用户
• QoS允许延迟敏感的流量（语音）

为什么选择GPON？

GPON提供集成的服务解决方案，例如：

• 它支持三重播放服务。

• 为了打破双绞线接入的带宽瓶颈，它支持高带宽传输。

• 它减少了网络节点。

• 它支持高达20公里的服务覆盖范围。

GPON标准

GPON标准建立在以前的BPON规范的基础上。规范如下：

• **G.984.1** - 本文档描述了千兆无源光网络的一般特性。

• **G.984.2** - 本文档描述了千兆无源光网络物理介质相关层规范。

• **G.984.3** - 本文档描述了千兆无源光网络传输收敛层规范。
• **G.984.4** - 本文档描述了千兆无源光网络ONT管理和控制接口规范（OMCI）。

GPON架构

GPON OLT通过PON端口服务于多个ONT。下行传输（即从OLT到ONT）通常是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和光纤基础设施也可以用于支持任何单向分发服务。例如 - 不同波长的视频。

GPON物理介质相关层

G.984.2是GPON系统物理层的规范。物理层涉及以下方面：

• 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。

光学系统的一个基本要求是提供具有足够容量的组件，以将光信号扩展到预期的范围。根据功率和灵敏度，组件分为三类或三个等级。组件的类别如下：

• A类光器件：5到20dB
• B类光器件：10到25dB
• C类光器件：15到30dB

光线路终端（OLT）

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

• 服务端口接口功能
• 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核心外壳

PON核心外壳由两部分组成。第一部分是**ODN接口功能**，另一部分是**PON TC功能**。PON TC功能包括OAM、介质访问控制、帧结构、DBA、为交叉连接功能和ONU管理划定协议数据单元（PDU）。

• **交叉连接外壳** - 该外壳在PON核心外壳和服务外壳之间提供通信路径。

• **服务外壳** - 该外壳用于服务接口与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用于链路保护目的。如果这两根光纤中任何一根被切断，则可以通过另一根光纤访问ONU。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，同时还可以聚合流量。

服务**MUX**和**DEMUX**功能将用户设备连接到PON侧。光网络终端（ONT）设计用于单个用户使用，而ONU（光网络单元）设计用于多个用户使用。分路器允许PON最多由128个ONT或ONU共享。

ONT/ONU接口

光网络终端（ONT）在上行侧连接到OLT以进行服务网络接口，它有多个用户网络接口端口。通常，将有四个FE/GE端口朝向UNI。

• **住宅ONT的UNI端口** - 通常，用户服务接口如10/100Base-T高速互联网（HSI）和IP视频、用于RF视频叠加系统的RF同轴电缆以及用于VoIP PSTN语音的FXS电话接口模拟。

• **企业ONT的UNI端口** - 除了上述端口外，还可以包括10/100/100Base-T路由器和L2/L3交换机接口以及用于关键系统的DS1/E1 PBX。

光网络单元（ONU）终止GPON光纤，并具有更多用户网络接口（UNI）连接到多个用户。UNI接口可以是**ADSL2+、VDSL2、电力线、MoCA**或**HPNA**，并且到用户的距离（10/100 Base-T限制为100米，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的CPE设备。在这种情况下，UN UNI连接到网络终端（NT），后者位于用户的最终位置。NT终止用户的CPE设备，例如PC、无线路由器、电话、IP视频机顶盒或机顶盒、RF视频等。

本质上，ONT在一个设备中结合了ONU和NT的功能。这两个功能的结合使ONT成为为本地和单户家庭、中小型企业提供GPON服务的经济高效的解决方案。但是，如果客户端在校园（如学生宿舍、学校、学院、医院或公司办公室）中，并且已经铺设了CAT-5铜缆，则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；光纤带缆、熔接点、光连接器、无源光分路器和无源分支组件都是无源的。

ODN光分路器将单根光纤分成多根光纤，连接到不同的建筑物和住宅。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）到客户场所，并且可以是任何尺寸。分路器被指定为[n:m]，其中“n”是输入（朝向OLT）的数量=1或2，“m”是输出（朝向ONT）的数量=2,4,8,16,32,64。

GPON复用/帧结构

GPON复用或帧结构通过以下因素解释。

GPON封装方法（GEM）

它是指定的GPON传输收敛层中的数据传输方案。GEM为通过无源光网络（PON）传输数据服务提供了一种面向连接的可变长度帧结构机制。GEM的设计独立于OLT处服务节点接口的类型以及ONU处UNI接口的类型。

下行流量（OLT朝向ONU/ONT）

对于**下行流量**，流量复用功能集中在OLT中。GEM端口ID以OLT分配给单个逻辑连接的12位数字的形式，识别属于不同下行逻辑连接的GEM帧。每个ONU根据其GEM端口ID过滤下行GEM帧，并且只处理属于该ONU的GEM帧。

上行流量（ONU/ONT朝向OLT）

ONU内的承载流量实体由OLT授予上行传输机会（或带宽分配）。这些承载流量的实体由**分配ID**（Alloc-ID）识别。分配标识符（Alloc-ID）是OLT分配给ONU以识别承载流量实体的12位数字。它是ONU内上行带宽分配的接收者。

对不同Alloc-ID的带宽分配按时间复用，如OLT在下行传输的带宽图中指定。在每个带宽分配内，ONU使用GEM端口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）是表示一组逻辑连接的ONU对象。它在PON上的上行带宽分配方面表现为一个单一实体。根据映射方案，服务流量被传输到不同的GEM端口，然后传输到不同的T-CONT。

GEM端口和T-CONT之间的映射是灵活的。一个GEM端口可以对应一个T-CONT；或者多个GEM端口可以对应同一个T-CONT。

G-PON传输收敛层（GTC）

G-PON协议套件的一个协议层，位于**物理介质相关**（PMD）层和G-PON客户端之间。GTC层由GTC帧结构子层和GTC适配子层组成。

在下行方向，GEM帧承载在GTC有效载荷中，到达所有ONU。ONU帧结构子层提取帧，GEM TC适配器根据其12位端口ID过滤帧。只有具有适当端口ID的帧才能通过到GEM客户端功能。

在上行方向，GEM流量通过一个或多个T-CONT传输。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层帧结构

**下行帧**的持续时间为125微秒，长度为38880字节，这对应于2.48832 Gbit/s的下行数据速率。下行GTC帧由物理控制块下行（PCBd）和GTC有效载荷部分组成。

GPON传输收敛帧始终为125毫秒长：

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

每个GTC帧由物理控制块下行+有效载荷组成

• PCBd包含同步、OAM、DBA信息等。

有效载荷可能具有ATM和GEM分区（一个或两个）。

**上行GTC帧**持续时间为125μs。在具有1.24416 Gbit/s上行链路的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一个上行物理层开销 (PLOu) 部分和一个或多个与各个 Alloc-ID 关联的带宽分配间隔。下行 GTC 帧提供 PON 的公共时间参考和上行的公共控制信号。

GPON 负载

GTC 负载可能包含两个部分 -

• ATM 分区（长度为 Alen * 53 字节）
• GEM 分区（现在是首选方法）

ATM 分区

ATM 分区具有以下特性。

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

GEM 分区

GEM 分区具有以下特性。

• 与 ATM 单元不同，GEM 分隔帧可以具有任何长度。
• GEM 分区中可以包含任意数量的 GEM 帧。
• ONU 根据 GEM 报头中的 12b 端口 ID 接收 GEM 帧。

GPON 封装模式

对 BPON 的一个常见抱怨是由于 ATM 单元开销导致的效率低下。GEM 类似于 ATM。它具有恒定大小的 HEC 保护报头。但是，它通过允许可变长度帧来避免大的开销。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，报头包含以下字段 -

• 负载长度指示器 - 以字节为单位的负载长度。
• 端口 ID - 识别目标 ONU。
• 负载类型指示器（GEM OAM、拥塞/分片指示）。
• 报头错误校正字段 (BCH(39,12,2) 码 + 1b 偶校验)

GEM 报头在传输前与 B6AB31E055 进行异或运算。

以太网/TDM 通过 GEM

通过 GEM 传输以太网流量时

• 仅封装 MAC 帧（没有前导码、SFD、EFD）
• MAC 帧可以被分片（见下一张幻灯片）。

以太网通过 GEM

通过 GEM 传输 TDM 流量时 -

• 每 125 毫秒轮询 TDM 输入缓冲区。
• 将 PLI 字节的 TDM 插入到负载字段中。
• 由于频率偏移，TDM 片段的长度可能变化 ± 1 字节。
• 往返延迟限制在 3 毫秒内。

TDM 通过 GEM

GEM 可以分片其负载。例如，如下所示的未分片以太网帧。

下图显示了一个分片以太网帧。

GEM 由于以下两个原因之一而分片负载 -

原因 1 - GEM 帧不能跨越 GTC 帧。

原因 2 - GEM 帧可能会被抢占以用于延迟敏感数据。

GPON 加密

OLT 使用 AES-128 以计数器模式进行加密。仅加密负载（不加密 ATM 或 GEM 报头）。加密块与 GTC 帧对齐。计数器由 OLT 和所有 ONU 共享，如下所示 -

• 46b = 16b 帧内 + 30 位帧间。
• 帧内计数器每 4 个数据字节递增一次。
• 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 要求 ONU 提供密码（在 PLOAMd 中）。ONU 明文发送密码 US（在 PLOAMu 中） -

• 密钥发送 3 次以提高鲁棒性

OLT 通知 ONU 开始使用新密钥的确切时间。

QoS – GPON

GPON 显式处理 QoS。恒定长度帧有助于为时间敏感的应用程序提供 QoS。有 5 种类型的传输容器 -

• 类型 1 - 固定带宽。
• 类型 2 - 保证带宽。
• 类型 3 - 分配带宽 + 非保证带宽。
• 类型 4 - 最佳努力。
• 类型 5 - 以上所有类型的超集。

GEM 添加了一些 PON 层 QoS 功能 -

• 分片能够抢占大型低优先级帧。
• PLI - 显式数据包长度可由排队算法使用。
• 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。

FTTH - EPON

以太网无源光网络 (EPON) 是一种 PON，它使用以太网封装数据，并且可以提供 1 Gbps 到 10 Gbps 的容量。EPON 遵循 PON 的原始架构。这里，连接到树干的 DTE 称为光线路终端 (OLT)，如下图所示。

它通常位于服务提供商处，连接的 DTE 树枝称为光网络单元 (ONU)，位于用户的场所。来自 OLT 的信号通过无源分光器到达 ONU，反之亦然。

第一英里的以太网

标准化过程始于 2000 年 11 月成立的一个名为第一英里的以太网 (EFM) 的新研究小组，其主要目标是研究以太网点到多点 (P2MP) 光纤和以太网铜缆。以太网通过点到点 (P2P) 光纤和网络操作系统、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 月完成了规范化过程，批准了IEEE Std 802.3ah。

EFM（第一英里的以太网）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 控制子层内的功能，以控制对 P2MP 拓扑的访问。

EPON/MPCP 协议的基础在于点到点 (P2P) 模拟子层。其传输速率为→对称 1.25G；距离：10KM/20KM；分光器比率：> 1:32。EFM 指出了基于以太网作为核心技术的 EPON 的许多优势，包括协议成熟度、技术简单、扩展灵活性以及以用户为中心。

EPON 系统不选择昂贵的 ATM 硬件和 SONET 设备，使其与现有的以太网网络兼容。它简化了系统结构，降低了成本，并使其易于升级。设备供应商专注于优化功能和实用性。

BPON ATM 系统

BPON ATM 系统已被证明效率非常低下，因为接入网络中绝大多数流量都由大型 IP 帧和可变大小组成。这为开发纯基于以太网的 EPON、支持 QoS 的 GigE 密码以及与其他新兴以太网设备的经济高效集成创造了机会。事实证明，以太网是 IP 流量的理想传输方式。

因此，IEEE 802.3ah 标准 802.3 指示“第一英里的以太网”工作组制定点到点和点到多点接入网络的标准，后者表示以太网 PON。EPON 目前是以太网标准的一部分。

无源光网络 (GPON) 的发展，即配备千兆位的标准 (G.984 系列)，实际上是在FSAN 成员（Quantum Bridge、Al）提出 ATM/以太网 PON 解决方案后才开始的。Gbps 与协议无关，在 IEEE 802.3ah 工作组中并不十分流行。FSAN 决定将其作为与 ITU 竞争的不同标准来追求。

在涉及运行良好的通用概念（操作 PON光分配网络 (ODN)、波长规划和应用）时，EPON 和 GPON 借鉴了 BPON 的标准 G.983。它们都提供了自己的增强版本，以更好地适应各种速率 Gbps 下的可变大小 IP/以太网帧。

IEEE 802.3ah 以太网标准指定了接入网络，它也被称为第一英里的以太网。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。它允许在用户接入网络中的站点之间交换 IEEE 802.3 格式的帧。

EPON 的概念

EFM 引入了 EPON 的概念，其中使用无源光分路器实现了点到多点 (P2MP) 网络拓扑。但是，以太网点到点光纤以合理的成本提供最高的带宽。以太网点到多点光纤以较低的成本提供相对较高的带宽。IEEE Std 802.3ah 的目的是扩展以太网的应用范围，使其涵盖接入用户网络，从而显着提高性能，同时最大限度地降低设备运营和维护成本。

IEEE 802.3ah EFM 标准的结论极大地扩展了以太网传输在接入和城域网中的应用范围。该标准允许服务提供商为在接入和城域网中提供宽带以太网服务提供各种灵活且经济高效的解决方案。

EFM 涵盖了一系列在介质类型和信号速度方面有所不同的技术 - 它旨在部署在一种或多种 FSM 介质类型的网络中，并与混合的 10/100/1000/10000 Mb/s 以太网网络进行交互。IEEE 802.3 中定义的任何网络拓扑都可以在用户场所使用，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以实现最大的灵活性。

IEEE Std 802.3ah

IEEE Std 802.3ah 包含用户以太网接入网络的规范，IEEE Std 802.3ah EPON 支持每个信道的标称速率约为 1 Gb/s（可扩展至 10 Gb/s）。这些由两个波长定义：一个用于下行波长，一个用于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的介质访问控制 (MAC)。以太网架构将物理层划分为物理介质相关 (PMD)、物理介质连接 (PMA) 和物理编码子层 (PCS)。

EPON 实现了一个 P2MP 网络拓扑，并对底涂和协调子层 MAC 控制以及光纤底层物理介质相关 (PMD) 进行了适当的扩展，以支持此拓扑。

物理层

对于 P2MP 拓扑，EFM 引入了一系列源自 1000BASE-X 的物理层信号系统。但是，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）提供底涂协调预期的服务。1000BASE-X 可以扩展以支持其他全双工介质 - 只要求环境与 PMD 的级别一致。

介质加载接口 (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 负责与传输介质的接口。PMD 根据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 连接至少可以达到 10 公里和 20 公里（底涂 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，它们在这些方向上进行传输并在相反方向上接收，即单个下行 PMD 被识别为 1000BASE-PX10-D，上行 1000BASE-PX10 U PMD。相同的纤维同时在这两个方向上使用。

1000BASE-PX-U PMD 或 1000BASE-PX-D PMD 连接到相应的 PMA 1000BASE-X，并通过 MDI 进行支持。PMD 可选择与可以通过管理接口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 彼此之间可以互操作。

物理介质连接 (PMA)

PMA 包括传输、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，以支持使用一系列面向位的物理介质系列。物理编码（PCS）子层包含位编码功能。PCS 接口是千兆位介质独立接口 (GMII)，它为所有 1000 Mb/s PHY 的实现提供了一个统一的接口到协调子层。

千兆位介质独立接口 (GMII)

GMII接口指的是**千兆MAC层**与**物理层**之间的接口。它允许多种DTE与各种速度的千兆**物理层**实现混合使用。PCS服务接口允许1000BASE-X PCS在PCS客户之间传输信息。PCS客户包括MAC（通过协调子层）和中继器。PCS接口被精确定义为千兆媒体独立接口（GMII）。

**协调子层**(RS)确保了定义服务访问控制介质的GMII信号的匹配。GMII和RS用于提供独立的媒体，以便相同的访问控制器媒体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并同时在标准中实现和添加新功能。这就是多点控制协议（MPCP）的情况。对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控制功能是为了访问包含物理层设备的用户的设备，这些设备指向多点。通常，MAC仿真管辖区在OLT和ONU之间提供点对点服务，但现在还包括一个额外的实例，其通信目标是同时针对所有ONU。

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（每条消息都是一个MAC控制帧），并且ONU/ONT报告多个数据包边界，OLT在数据包边界上授予权限——没有分界开销。

MPCP指示OLT与关联到点到多点（P2MP）PON部分的ONU之间的系统，以允许在向上行方向上有效地传输信息。

MPCP执行以下功能：

• MPCP控制自动发现过程。
• 向ONT分配时隙/带宽。
• 提供时间参考以同步ONT。

MPCP引入了五种新的MAC控制消息：

• 门控，报告
• 注册请求
• 注册
• 注册确认
• 自动发现

消息发现序列摘要

下图显示了消息发现序列摘要。

EPON中的DBA

在EPON中，OLT和ONY之间的通信被视为下行链路，OLT使用整个带宽向下行链路广播数据到ONT，而另一端的ONT使用以太网帧中可用的信息接收帧。从ONT到OLT的上行链路使用单通道通信，这意味着一个通道将被多个ONT使用，这意味着数据冲突。

为了避免此问题，需要有效的带宽分配方案，该方案可以同时为ONT分配资源，并确保QoS，此方案称为**动态带宽分配**(DBA)算法。DBA使用报告和门控消息来构建要传达给ONT的传输调度。

DBA特性

EPON的一个重要特性是通过使用不同的DBA分配来提供具有最佳QoS和有效带宽分配的不同服务，以满足当前和未来应用的需求。

目前，EPON有两种不同的DBA算法：

• 第一个用于适应流量波动。
• 第二个是为不同类型的流量提供QoS。

其他特性包括避免帧冲突、通过QoS管理实时流量以及管理每个用户的带宽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款** - **多点控制协议**(MPCP) PDU。这是实现所需逻辑的控制协议。

• **第65款** - 点对点仿真（协调）。这使得EPON看起来像一个点对点链路，并且EPON MAC有一些特殊的约束。

• 他们不是使用CSMA/CD，而是在获得授权时传输。

• 通过MAC堆栈的时间必须是恒定的（±16位持续时间）。

• 必须维护准确的本地时间。

EPON报头

标准以太网以一个基本上不包含内容的8B前导码开始：

• 7B交替的1和0 10101010
• 1B的SFD 10101011

为了隐藏新的PON报头，EPON覆盖了一些前导码字节。

**LLID字段**包含以下因素：

模式(1b)：

• 对于ONU始终为0
• OLT单播为0，OLT组播/广播为1

实际逻辑链路ID(15b)：

• 标识已注册的ONU
• 广播为7FFF

CRC保护从SLD（字节3）到LLID（字节7）。

安全

**下行链路流量**广播到所有ONU，因此恶意用户很容易重新编程ONU并捕获所需帧。

**上行链路流量**未公开给其他ONU，因此不需要加密。不要考虑光纤窃听者，因为EPON没有提供任何标准的加密方法，但是：

• 可以补充使用IPsec或MACsec，并且
• 许多供应商添加了专有的基于AES的机制。

BPON使用了一种称为**抖动**的机制——抖动是一种低成本的硬件解决方案（24b密钥），存在一些安全缺陷，例如：

• 引擎是线性的——简单的已知明文攻击。
• 24b密钥最终可以在512次尝试中推导出来。

因此，G.983.3添加了AES支持，现在在GPON中使用。

QoS – EPON

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

• VLAN标签。
• P位或DiffServ DSCP。

除了这些之外，LLID和端口ID之间还有一个关键区别：

• 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。
• 这使得基于端口的QoS易于在PON层实现。

EPON与GPON

下表显示了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

下图显示了XPON评估。

下表解释了XPON评估的不同方法。

在GPON开发之后，FSAN和ITU-T开始研究具有以下特性的NG-PON：

• 低成本产品
• 大容量
• 广覆盖
• 向后兼容性

根据当前的应用需求和技术，FSAN将NG-PON分为两个阶段：

• **NG PON1** - NGPON1向后兼容旧版GPON ODN。NG-PON1是一个非对称的10G系统，下行链路/下载速度为10G，上行链路/上传速度为2.5G。此NG-PON1是GPON的增强型TDM PON系统。

• **NG PON2** - NGPON2是长期的PON评估，可以支持并且可以部署在新ODN上。

与NG-PON1不同，有很多方法可以开发NG-PON2，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的主要特性是同时提供比GPON更高的带宽。它应该与现有的GPON网络向后兼容，这将降低运营商的成本。FSAN和ITU-T定义的此NG-PON称为**XG-PON1**。

FSAN和ITU-T已为XG-PON1定义了以下数据速率：

• 下行链路数据速率 - 10G
• 上行链路数据速率 - 2.5G

2.5G的上行链路数据速率是GPON上行链路数据速率的两倍。除了GPON的所有元素外，ODN（光分配网络）可以在XG-PON1网络中重复使用。

只需在现有的GPON OLT中添加10G下行链路卡，即可将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的点到多点(P2MP)架构
• 光纤到户(FTTH)
• 光纤到小区(FTTCell)
• 光纤到楼宇(FTTB)
• 光纤到路边(FTTCurb)
• 光纤到机柜(FTTCabinet)

下图显示了不同的GPON部署，这些部署可以通过XG-PON1进一步增强：

通常，有两种类型的部署：

• 绿地部署
• 棕地部署

绿地用于需要完全新部署的地方，而在棕地部署中，将使用现有的基础设施。因此，对于棕地（仅限GPON网络）部署，可以使用XG-PON1。如果需要用光纤网络替换铜缆网络，则将其视为绿地网络，因为现有的网络将被完全替换为新网络。

物理层

XG-PON1的物理层规范于2009年10月冻结，并于2010年3月由ITU-T发布。FSAN选择了1575-1580 nm的下行链路波长。在选择上行链路波长时，比较了C波段、L波段和O波段，但由于与射频视频通道重叠，C波段被淘汰。由于L波段上没有足够的保护带，因此也将其淘汰，并且所有关于优缺点的比较都选择了O波段，因为O+对滤波器的要求更高。

根据上表，XG-PON1的下行链路速率为10 Gbps，数据速率为9.5328 Gbps，以保持与典型的ITU-T速率的一致性，这与IEEE 10GE-PON（为10.3125 Gbps）不同。

HTC层

传输层（TC层）称为XGTC（XG-PON1）传输收敛层，它优化了基本处理机制。传输收敛层增强了帧结构、激活机制和DBA。

XG-PON1帧结构的增强是通过将帧和字段设计与字边界对齐，并与XG-PON1的速率匹配来实现的。DBA机制随着升级变得更加灵活，而激活机制遵循GPON的相同原理。

XGTC层的两个重要特性是：

• 节电
• 安全

数据加密在GPON中是可选功能，而在xG-PON1中，有三种身份验证方法：

• 第一种基于注册ID（逻辑ID）

• 第二种基于OMCI信道（继承自GPON）

• 第三种方案基于IEEE 802.1x协议，这是一种新的双向认证方案。

上行加密和下行组播加密也在XGTC层提供。

管理和配置

对于管理和配置，XG-PON1采用了ITU-T (G.984.4)建议，并且与GPON向后兼容。GPON使用OMCI技术进行管理和配置，类似地，XG-PON1或多或少地使用了90%的OMCI技术，并在ITU-T (G.984.4)中进行了微小的修改。

在两种情况下（GPON和XG-PON1），采用底层技术对服务本身影响不大。重要的因素是配置第2层通道以正确转发服务数据。从网络侧到用户侧的所有L2配置都在OMCI L2模型下涵盖。

OMCI L2模型用于两种技术，即GPON和XG-PON1，因为网络侧和用户侧的定义对于这两种技术都是相同的。

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与GPON向后兼容，换句话说，连接到GPON OLT的ONT/ONU也可以与XG-PON1 OLT一起工作。FSAN于2008年成立了一个名为OISG（OMCI实施研究小组）的小组。

该小组的任务是研究OMCI互操作性的(G.984.4)建议，包括ONT管理和控制通道(OMCC)、QoS管理、组播配置、软件版本更新和L2配置。[G.984.4]的官方编号为[ITU-T G.impl984.4]，也称为OMCI实施指南。

WDM-PON

下图是WDM-PON的示意图，它还显示了一组波导光栅（AWG）。这些用于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获得一个独占的波长并享受该波长的带宽资源。换句话说，WDM-PON基于逻辑点到多点（P2MP）拓扑结构。

在WDM-PON中，需要在OLT和ONT之间使用AWG。AWG的每个端口都依赖于波长，每个ONT上的光收发器以由AWG上端口确定的特定波长传输光信号。

在WDM技术中，具有指定波长的收发器称为彩色光收发器，可以用于任何波长的收发器称为无色收发器。使用彩色光收发器会带来一些复杂性，例如服务配置和设备存储。

AWG组件对温度敏感，因此，WDMPON面临一些挑战，例如解决光收发器波长与连接的AWG端口之间以及本地AWG（在CO处）上的端口与远程AWG上的端口之间的实时一致性问题。

ODSM-PON

在ODSM-PON中，从CO到用户端网络保持不变，只有一个变化，即有源WDM分路器。将WDM分路器放置在OLT和ONT之间，取代无源分路器。在ODSM-PON中，下行采用WDM，这意味着朝向ONT的数据对不同的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 - ITU和FSAN于2005年标准化，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/10Gbps下行。

• GPON和XGPON使用不同的波长在同一个网络中共存。

NGPON2 -

• 不考虑与现有ODN网络的兼容性，是一种更开放的PON技术标准。

• 现在重点关注WDM PON和40G PON。

XG-PON1的主要特性

下表描述了XG-PON1的主要特性。

XG-PON光功率等级

下表描述了XG-PON光功率等级的最小和最大损耗。

FTTH - 光分配网络

在本章中，让我们了解光分配网络（ODN）中的分路比、最大覆盖范围和流量管理。

OLT光端口到ONT输入之间允许的最大光功率衰减为28dB，这是通过使用所谓的B类光网络元件实现的。ODN A类、B类和C类主要在“光发射器功率输出”和“比特率光接收器灵敏度”方面有所区别。A类提供最小的光预算，C类提供最大的光预算，而成本方面则按相同的顺序排列。对于最大1:64分路比，B类光器件通常在商业基础上部署。

A类、B类和C类ODN光器件的比较如下表所示：

ODN A类、B类和C类光器件的比较

光信号分路

从OLT开始的单根光纤通过无源光分路器分路，以服务于64个用户端ONT。同一条光纤承载下行（OLT到ONT）和上行（ONT到OLT）两种比特流，即2.488 Mbps/1490 nm（1480 - 1500nm窗口）和1.244 Mbps/1310 nm（1260-1360nm窗口）。

用于电视服务的RF叠加

电视信号（来自卫星前端）可以选择性地以1550nm的第三个光波长广播到同一（或附加）光纤上，该光纤通过RF叠加子系统引入FTTx系统。CATV信号可以通过EDFA放大后与GPON信号耦合。RF CATV信号调制到1550 nm波长上。它通过ONT内部构建的解复用功能提取，并路由到STB/TV的后端服务连接。