无源光网络(PON)技术综述

简述PON技术沿革

第一代的PON采用TDM信号，例如DS1/E1信号等。其下行帧(downstream frame)是一个TDM帧，其时间槽是被指派给每一ONT之数据资料。对任何TDMA协定来说，上传的数据资料必需被分割成几个区块，以脉冲的方式传输。这些早期的PON从它们的上传TDM时间槽收集数据资料，并在所指定的上传脉冲时间槽中以较高的速度传送。对语音信号来说，这样可反应出许多语音样品。对封包数据资料来说，在一个对应的点对点信号中，就只是包在帧里要传输的一堆封包字节。

第二代的PON采用ATM，在将上传资料分割成区块做上传脉冲时提供了一个方便的协议。ATM则提供一个运载TDM流量和封包的机制来支持QoS。此时的ATM被认为是下一代网路的基础，并已经被用在DSL系统中的宽带接入。由OLT分配给ONT的上传脉冲时间槽主要是所允许传送的ATM信元数目。ITU-T G.983 Broadband PON (B-PON) 系列定义了一个由Full-Service Access Network (FSAN) 联盟所发展出的ATM PON (APON) 系统和协定。

由於IP封包包括更多的用户数据资料，同时IP封包一般都是在以太网帧中，因此在路由的过程中采用封包技术是有道理的。所以為了避免复杂性以及和ATM相关的高带宽用量，第三代的PON系统就采用了以太网帧。两个主要的高速PON标准包括了ITU-T(G.984 系列)的Gigabit PON(GPON)和 IEEE(802.3ah)的Ethernet PON (EPON)。

一、B-PON

目前大部份在北美和欧洲所采用的PON系统包括了Verizon的雄心勃勃的FiOS专案，它采用ITU-T G.983系列的B-PON。此G.983系列包括ONT和OLT功能区块的规格、上行和下行帧率及格式、TDMA上行接入协议、实体接口、ONT管理以及控制接口、存活度之强化、以及DBA。表一是B-PON功能特性之摘要。

下行传输是一串ATM信元的传输，对于155Mbit/s的下行速率，一个下行帧包含56个单元槽，每个单元槽发送53个字节；对于622 Mbit/s的下行速率，下行帧含有4 x 56=224个单元槽。每28个单元槽中有一个物理层OAM(PLOAM)信元。PLOAM包含一个帧定位比特(framing bit)以找出PLOAM 信元。此外，PLOAM信元是可程控的，并包括一些资讯，例如上行带宽以及OAM消息。这些ONT使用ATM VPI/VCI地址在下行信号中找出它们的数据资料。

上行帧包含53个时间槽，每个时间槽发送56个字节。每一个时间槽包含一个ATM/PLOAM信元和24比特(3字节)的其他用量。该用量包括了防护时间(guard time)、一个前导码(preamble)好让OLT来复原计时以及信号水平，还有一个分隔符号来指示此资料的终点。该资料群之长度及内容可由OLT来程控。ONT会根据OLT的要求定时传送PLOAM信元。

从OLT分配的带宽资料会告知每一ONT会使用哪一个上行时间槽(upstream time slots)来传送它的上行资料。B-PON DBA 协定可让OLT知道ONT带宽的需求，方式是经由ONT明确的报告或观察ONT传送出来的ATM 空闲信元数目。在ONT传送空闲信元时OLT会减少其分配带宽，在ONT的上行时间槽中充满了数据资料时，OLT则会增加其带宽。

OLT会定期中止上传，因此可以请任何新的ONT来宣告自己。新的ONT在此期间传来一个反应，如果有多个新ONT时，会使用随机时间延迟以降低碰撞的风险。该OLT会给新的ONT发送一个范围的讯息并测量接到此反应之时间，来确定至每一新ONT的距离。然后该OLT会发送给该ONT一个等化的延迟时间值，让每一个 ONT都会有相同的来回和等化延迟。如此可使从各ONT出来的上行传输译最小的防护时间到达OLT。

表1 – B-PON、GPON和EPON之特性比较

二、EPON

IEEE 802.3ah EPON的发展原先是为了发挥以太网技术优势使其成为下一个主要可标准化的TDMA PON协议。表一为EPON特性摘要。

下行传输是一串以太网络帧。在点对点的Gigabit以太网连接中，这些帧都是相同的， 只有前导码和分隔符号是被修改过的，这样便于搭载逻辑链路标示(logical_link_id field, LLID)， 而只有LLID才能识别ONU对应的MAC。在上传的方向中，ONU会在OLT所分配的时间槽中传送以太网络帧的脉冲。

多点控制协议(Multi-Point Control Protocol PDUs, MPCPDUs)是基本的802.3 MAC控制帧，由ONU发送Report消息来请求带宽，OLT则发送Gate消息分配带宽。OLT会定期传送Gate讯息至ONU让它们有机会报告它们的带宽需求。这些ONU亦可将它们的Reports和一个上传数据资料一起传送。Gate讯息中包括ONU所需的传送开始时间和期间。带宽请求和分配包括帧间间隔(inter-frame gap)和前向纠（Forward Error Correction）所需的任何带宽。EPON亦可执行DBA。

EPON之上传时间槽和范围协定和B-PON与GPON不同，因为它没有一个正规的下行和上行帧架构。OLT和各ONU分别有自己的计数器，每16 ns计数一次。每一MPCPDU搭载一个时间戳(timestamp)，它是发送者计数器之值。而ONU会将其计数器设至接收到的timestamp值。OLT通过比较接收到的值和自己的计数器值以决定来回之延迟。当OLT指派ONU上传开始时间会将此来回延迟列入考虑。

关於ranging和 activation则和B-PON类似，只是当地计数器会帮助OLT不需要将等化延迟时间传送至ONU。

三、GPON

第二个FSAN TDMA PON协定是ITU-T G.984系列GPON，是根据B-PON和EPON的经验所建构的。如同EPON一般，GPON被最优化以搭载以太网帧。表一为GPON特性摘要。

虽然GPON支援ATM 负载，它亦引入一个新的负载机制，称之为GPON Encapsulation Method (GEM)，同时被最优化以便搭载以太网帧。GEM是采用G.7041 通用成帧规程(Generic Framing Procedure, GFP)， 不同处是GEM为PON的应用作了帧开销(Frame Overhead)的最佳化，让映射片段(mapping fragments)和整个以太网帧进入GEM 负载，并支持TDM映射。

来源：中电网