PON无源光网络的定义、技术发展、波段划分以及PLC分路器的介绍

1、光接入网的三种网络架构(P2P, RING, P2MP)

光接入网络中 (OAN) 有三种不同架构进行部署:点对点(P2P)或点对多点(Ring 环形或P2MP)。在这三种架构中,P2MP(基于PON的架构)已被证明是最受欢迎的运营商光纤到 x (FTTx) 的部署,因为它能够降低基础设施成本。

光接入网的三种网络架构(P2P, RING, P2MP)

点对点(P2P, Point to Point)网络架构主要应用于有源光网络(Active optical network)。点对点顾名思义就是每个用户都有一个从中心局(CO)发出的专用光纤线路。ODN是Optical Distribution Network,光配线网,是OLT和ONU之间的光传输物理通道。ODN由光纤光缆、光连接器、光分路器等组成,其中分光器是最关键的部件。ODN负责将光信号双向传输,将OLT发送的信号传输到各个ONU用户终端设备。为什么称为有源光网络,有源是指信号在传输过程中,从局端设备到用户单元之间部署了一些由电力驱动的设备(通俗说法就是带电的),比如路由器、交换设备、有源光器件等。P2P结构下,每个ONT(Optical Network Terminal,是FTTH的最末端单元,俗称“光猫”)都需要独立的光纤连接OLT(Optical Line Terminal,光线路终端),具备更高的带宽和信道资源独立性。但是相对于P2MP结构,此结构的安装和运营成本会更高。

点对多点Ring环形拓扑网络架构,正如其名字一样,是一个环一样的闭合链路。在环形网中,所有的通信共享一条物理通道,每个节点都可以提出发送数据的请求,每个收到信息包的站点分发到下游站点。

点对多点P2MP(Point 2 Multiple Point),简单说就是一对多连接,OLT通过单一光纤与所有ONT连接,数据只在下行路径上传输,ONT之间互相不通信。优点是多个用户共享光纤,占用光纤少,带宽高经济性好。在光纤到户部署中,基于PON技术的此种网络架构被应用的最多。

2、什么是PON?

PON是一种点到多点(P2MP)结构的无源光网络(PON, Passive Optical Network)。与AON有源光网络对应,PON无源光网络就是指信号在传输网中通过不含任何有电子器件或电源驱动的设备组成,其中重要的器件之一是光分路器(Splitter)。这样的点对多点组网方式具有节省光缆资源、带宽资源共享、组网快、成本低的优势。PON技术由局端的OLT、用户端的ONU以及ODN组成。

3、什么是OLT、ONU、ODN?

OLT全称是Optical Line Terminal,光线路终端。OLT位于电信运营商的局端,类似于传统通信网络中的交换机或路由器,提供语音、数据、视频业务网络的互联接口,并实现网络管理的主要功能。简单来说就是实现两个功能,对上游,完成PON网络的上行接入;对下游, 将获取到的数据通过ODN网络发送分配到所有ONU用户终端设备。

ONU就是Optical Network Unit 光网络单元,是安装在用户家中或企业内部的设备,通过光纤与OLT相连。ONU对OLT发送的广播信号进行选择性接收,并按照分配的窗口向OLT发送用户需要发送的数据。它起到了光信号的调解和转换作用。

OLT、ONU、ODN

3、EPON、GPON、10G PON、XGS-PON、NG-PON2到底是什么?

PON技术起源于20世纪90年代,并经历了多个阶段的发展和演进。从最初的窄带PON技术发展到现在的各种宽带PON技术,不断地迭代更新,在不同时期发展出的不同传输模式以及传输标准的技术。xPON技术的发展从APON, BPON, 到后来的GPON以及EPON,以及近期的XGS-PON, NG-PON2。

窄带PON技术是最早被提出的PON技术,但窄带PON没有形成统一完整的标准,应用时间不多,很快就被宽带PON技术所替代。也就是APON技术的诞生。

介绍PON技术之前,我们先看看这两个标准组织ITU和IEEE。ITU-T的中文名称是国际电信联盟电信标准分局(ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector), 它是国际电信联盟管理下的专门制定电信标准的分支机构。IEEE是电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers),是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会,也是全球最大的非营利性专业技术学会。

PON的演进

1997年,根据FSAN的建议,ITU-T(国际电信联盟电信标准分局)推出了APON技术体系,也就是G.983.1标准。APON(ATM Passive Optical Network)是采用非同步传输模式(ATM)进行数据通信。APON利用ATM的统计复用和无源分配器的共享作用,提供了经济高效的宽带光纤解决方案。然而,APON并未广泛应用,并逐渐被后来的BPON所取代。

2001年,FSAN和ITU-T对APON规范进行了升级修订,顺便改了个名,叫做BPON宽带无源光网络。BPON(Broadband Passive Optical Network)基于ATM协议,提供上下行速率分别为155Mbps和622Mbps的宽带传输。BPON引入了动态带宽分配和保护机制,支持以太网接入、视频传输等多种业务。然而,由于BPON的部署成本较高,后来被更具性价比的EPON和GPON技术所取代。

EPON和GPON是不同标准组织推出的不同技术体系,两者平行发展。EPON(Ethernet PON)是ITU-T(国际电信联盟电信标准分局)提出的,GPON(Gigabit-capable PON)是IEEE(电气和电子工程师协会)提出。

EPON以太网无源光网络,综合了PON技术和以太网技术的优点,采用点到多点的结构,通过无源光纤传输,并在以太网上提供多种业务。EPON的部署成本低,并且效率高,因此成为实现“三网合一”和“最后一公里”通信的有效方法。

GPON是千兆无源光网络,也称为吉比特无源光网络。与EPON采用不同的标准相比,GPON具备更高的传输速率和更大的带宽承载能力。然而,GPON的技术较为复杂,并且成本相对较高。目前,EPON和GPON是应用最广泛的PON技术,选择哪种技术更多地取决于光纤接入成本和业务需求。

随着用户端高速率需求的不断增加,传统只能给用户提供百兆级别速率的EPON和GPON技术也开始向10Gbps演进,开启了千兆光纤时代。

10G-EPON取代了EPON, XG(S)-PON取代了GPON。10G-EPON最大限度沿用了EPON的协议,扩大EPON标准的上下行带宽,速率达到10Gbps,满足用户高带宽需求,支持语音、视频、以太网等多种业务。

由GPON演进的XG(S)-PON包括非对称XG-PON和对称XGS-PON。对称和非对称的区别是,非对称的上行速率为2.5G,下行为10G,而对称的上下行都是10G。对称XGS-PON完全兼容非对称XG-PON。

XG-PON标准制定完成之后,FSAN就启动了NG-PON2的标准研究。NG-PON2的主流备选技术方案包括高速TDMA-PON、TWDM PON、OFDM-PON和WDM-PON。经过分析和对比,2012年4月,FSAN确定采用TWDM PON技术作为NG-PON2的实现方案,并启动制定G.989.x系列标准,最终于2015年完成。

PON的演进

4、PON网络中数据是怎么传输?

PON网络中通过一根光纤进行点对多点的传输,要实现上下行数据在一根光纤中传输可通过划分不同的波长。比如EPON/GPON同属于1G PON技术,它们下行波长规划是1490nm,上行波长规划是1310nm,这样就实现了双向全双工的通信。将1310nm放到上行波长范围主要是考虑到成本较低,将较低成本器件放在多点侧来降低网络部署成本。

图片5.jpg

不同时期的PON技术选择了对应不同的波段划分:

PON技术波段划分

了解了波段划分,我们还要再来看OLT是怎么将数据分发到ONU,以及ONU如何将数据上传至OLT,同时能够做到数据的安全和不冲突。

下行方向为TDM(Time-division Multiplexing,时分复用)广播方式:

所有数据从OLT端广播到所有的ONU上,ONU再选择接收属于自身的数据,将其他数据直接丢弃。OLT分发数据时会进行加密,加密的密钥由每个ONU产生并发给OLT,ONU只会接收属于自己的数据,并不会知道其它ONU的密钥,这样也就保证了数据传输的安全性。

TDM时分复用广播方式

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上行方向为TDMA方式:

ONU在向OLT发送数据 时只能在OLT提前许可的时隙内发送数据,这样可以保证每个ONU都按照要求按次序发送数据,避免了上行数据冲突。ONU什么时候才能发送数据到OLT,就由TDMA(Time division multiple access,时分多址)技术来进行调节,它将上行链路分成不同的时隙,再将这些时隙根据需要分给不同的ONU,ONU在属于自己的时隙发送数据。

TDMA

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5、PLC分路器如何应用于PON网络中?

PON技术凭借其点对多点的网络架构及无源等优势,成为运营商部署FTTx采用最多的解决方案。FTTx部署PON网络中PLC分路器是一个核心关键设备,用于将从OLT接收的光束分成多个光束以传输到ONU。 PLC分路器还接收从多个ONU返回的光束并将它们组合回一束光束。 通常位于无源光网络内的中心局或分配点。

PLC分路器是基于平面光波导技术(Planar Lightwave Circuit)来实现光功率分路的器件,是将一根光纤信号按照既定的比例分解为两路或多路光信号输出;PLC分路器为全波段工作1260~1660nm。

在一个完整的ODN网络架构中,主要分为OLT、光分配点、入户分配点、ONU四个单元,其中PLC分路器主要应用于光分配点和入户分配点两个地方,分为一级分光和二级分光。

PON网络

什么是一级分光、二级分光?

简单地说,一级分光就是从OLT到ONU之间只用了一个光分器。二级分光就是从OLT之间到ONU之间串联了两个分光器。一级分光一般都是用在用户比较集中的地方,这样光缆的成本会降低很多,而且网络节点少易于维护。二级分光一般是用在用户比较分散的地方,采取博覆盖的方式,节约资源,节约成本。如现在的高楼层住宅或大厦,一般只采用一级分光,通常使用1x32、1x64、1x128等。

 什么是一级分光、二级分光

PLC分路器的分光比有很多,常用的是均分分光比的,1:N, 例如1:2, 1:4, 1:8…;2:N, 2:4, 2:6, 2:8… 目前最高应该可扩展至256通道的。GPON 技术通常可以处理高达 1:64 的分流比。 EPON处理1:32的分流比。

随着光纤到屋FTTR的开始应用,不等比/非均分光分路器的需求也在快速增长。在PON网络中,不等比光分路器更多的应用在低密度用户地区如农村等光纤到户的建设中,可以节省大量光纤资源和成本。

6、PLC光分路器有不同的封装方式应用于各种应用场景中

PLC分路器钢管器件一般应用熔纤盘、接续盒内部,方便与传输的主干光缆进行熔接;该类属于一级分光,一般为少通道需求,1x2、1x4、1x8等,应用于村镇等网络需求密度不高的场景。

PLC分路器

PLC分路器微模、ABS、LGX类产品一般应用分纤盘或机架内部,通过适配器快速连接,类似一级分光(也可能是二级分光),通常采用1x8、1x16、1x32等,用于是较大型网络部署场景,如学校、社区、商业中心。

PLC分路器

PLC分路器插片、ABS模块类产品一般应用分纤箱内部,通过适配器快速连接,属于二级分光,一般为用户端分光场景,如低楼层、商场等。

PLC分路器

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