FTTH 快速指南

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FTTH - 簡介

對於網路技術的接入，通常有兩種方式，即固定方式和無線方式。在本教程中，我們將討論“固定”方式，在技術上稱為FTTH技術。

什麼是 FTTH？

光纖到戶或簡稱為FTTH是一種技術，它使用光纖從中心點直接連線到住宅場所（如下面的圖片所示）。它提供不間斷的高速網際網路服務。“H”包括家庭和小企業。

FTTH 是最終的光纖接入解決方案，每個使用者都連線到光纖。本教程中討論的部署選項基於從光線路終端（OLT）到使用者場所的完整光纖路徑。

這種選擇方便為每個客戶提供高頻寬服務和內容，並確保為未來新服務的需求提供最大頻寬。因此，不包括涉及“部分”光纖和“部分”銅基礎設施網路的混合選項。

作為透過光纖接入家庭，光纖到戶 (FTTH) 方案主要用於單戶住宅 (SFU)，提供相對較少的埠，包括以下型別——POTS、10/100/1000 BASE-T 和 RF (18dBmV)。

光纖方法可以以兩種方式部署：主動方法和被動方法。當前的大規模 FTTH 部署基於被動方法。因此，讓我們詳細討論被動方法。

被動方法 - 此方法中使用的兩種典型技術是乙太網無源光網路 (EPON) 和千兆位無源光網路 (GPON)。請參考下圖。

• 超高速率數字使用者線 (VDSL) 支援最大位元率 55 bps。VDSL2 具有更好的 QoS 和更好的信噪比。

• ADSL（非對稱數字使用者線）支援最大位元率 8Mbps，但 ADSL2 可以達到 12Mbps。

• SHDSL 代表對稱高速率數字使用者線。電話線直徑越大，它所能達到的距離越長。傳輸速率取決於電話線的直徑。

• 綜合業務數字網 (ISDN) 基於電路交換網路。

為什麼要選擇 FTTH？

與以前的（銅）技術相比，光纖具有許多優勢。最重要的優勢如下所示 -

• 巨大的資訊承載能力
• 易於升級
• 易於安裝
• 允許完全對稱的服務
• 降低運營和維護成本
• 覆蓋很長的距離
• 堅固、靈活且可靠
• 允許小直徑和輕型電纜
• 安全可靠
• 不受電磁干擾 (EMI) 的影響
• 成本更低

下表列出了可以透過 FTTH 提供的先進服務及其頻寬。

FTTH 與 xDSL

下表顯示了 FTTH 和 xDSL 裝置在頻寬和距離（最大覆蓋範圍）方面的一些典型比較 -

• 距離深刻影響著 xDSL 的效能。

• 對於 FTTH，距離不是問題，因為最大覆蓋範圍超過 20 公里。

• FTTH 支援所有可用的服務。

距離和頻寬

以下幾點解釋了距離和頻寬引數 -

• ISDN - 2B + D = 2 × 64 + 16 = 144 Kbps
• HDSDN - 美國標準 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 術語

現在讓我們簡要討論一下通常與 FTTH 相關的術語。

差分光纖距離

一個 OLT 連線到多個 ONU/ONT。差分光纖距離是 OLT 到最近和最遠 ONU/ONT 之間距離的差值。在 GPON 中，最大差分光纖距離為 20 公里。這會影響測距視窗的大小，並且符合 ITU-T G.983.1 標準。

邏輯覆蓋範圍

邏輯覆蓋範圍定義為特定傳輸系統可以覆蓋的最大距離，而不管光預算如何。由於邏輯覆蓋範圍是 ONU/ONT 和 OLT 之間最大距離，但物理層的限制除外 - 在 GPON 中，最大邏輯覆蓋範圍定義為 60 公里。

平均訊號傳輸延遲

平均訊號傳輸延遲是參考點之間上行和下行延遲值的平均值。此值透過測量往返延遲然後除以 2 來確定。GPON 必須適應需要最大平均訊號傳輸延遲為 1.5 毫秒的服務。具體來說，GPON 系統在 T-V 參考點之間必須具有小於 1.5 毫秒的最大平均訊號傳輸延遲時間。

光接入網 (OAN)

光接入網是朝向網路側的接入網路，也稱為 SNI（服務網路介面）。OLT 的上行埠連線到接入網路的 L2 交換環。所有其他中間元件（如 ODF/FDMS）連線到 SNI，都屬於光接入網。

光分配網路 (ODN)

在 PON 技術的下行側，從 OLT 的 PON 埠到 ONT 的 PON 埠的所有無源元件都屬於光分配網路。通常，分光器和 ODF/FDMS 屬於此類別。

光線路終端 (OLT)

中央局 (CO) 裝置為 PON 提供各種網路介面。一個 OLT 透過 PON 下行傳輸為多個 ONT 提供服務，即從 OLT 到 ONT 通常是 TDM。上行流量，即從 ONT 到 OLT 通常是 TDMA。PON 系統可以是對稱的或非對稱的。

光網路終端 (ONT)/光網路單元 (ONU)

光網路終端是客戶機裝置，為客戶提供使用者介面。

物理覆蓋範圍

物理覆蓋範圍定義為特定傳輸系統可以達到的最大物理距離。“物理覆蓋範圍”是 ONU/ONT 和 OLT 之間的最大物理距離。在 GPON 中，為物理覆蓋範圍定義了兩個選項：10 公里和 20 公里。

服務

服務定義為運營商所需的網路服務。服務由一個名稱描述，無論它是幀結構名稱還是通用名稱，每個人都能清楚地識別。

位元率

GPON 的目標是傳輸速度大於或等於 1.2 Gbps。因此，GPON 識別以下兩種傳輸速度組合 -

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

最重要的位元率是上行 1.2 Gbps 和下行 2.4 Gbps，幾乎構成了所有已部署和計劃部署的 GPON 系統。

分光比

GPON 的分光比越大，從成本角度來看就越經濟。但是，較大的分光比意味著更大的光功率和頻寬分割，這需要增加功率預算以支援物理覆蓋範圍。

鑑於當前技術，高達 1:64 的分光比對於物理層來說是現實的。但是，預計光模組將持續發展，TC 層必須考慮高達 1:128 的分光比。

資料速率

FTTH - PON

PON 是無源光網路，具有一對多點架構。如下圖所示，它包括光線路終端 (OLT)、光網路單元和無源光分路器。

PON 的歷史

第一個無源光網路 (PON) 活動是由 FSAN 小組在 20 世紀 90 年代中期發起的。最初的標準涵蓋了基於 ATM 的 155 Mbps 傳輸，稱為APON/BPON 標準。後來，該標準得到了增強，涵蓋了 622 Mbps。

2001 年，IEEE 開始開發一個基於乙太網的標準，稱為EPON。

2001 年，FSAN 小組開始開發一個千兆位速度標準，即GPON，由 ITU-T 批准。

PON 網路架構

下圖顯示了 PON 的網路架構 -

其中，

• SNI - 服務節點介面

• IFPON - PON 介面

• UNI - 使用者節點介面

如上圖所示，ODN 可以配置一個或多個分光器，並級聯多個分光器。

PON - 多路複用

PON 使用 WDM 在一根光纖上實現雙向傳輸（參見下圖） -

為了區分兩個不同方向的訊號，採用了兩種多路複用技術，它們是 -

• TDM

• TDMA

讓我們詳細討論一下 -

時分多路複用 (TDM) 用於下行 - 這是一種透過公共訊號路徑傳輸和接收獨立訊號的技術。為此，它在傳輸線的每一端使用同步開關；因此，每個訊號僅在一定時間內以交替模式出現線上路中。

分時多重進接 (TDMA) 用於上行 - 此技術使許多使用者能夠透過將訊號分成不同的時隙來共享同一個頻率通道。

PON：下行

廣播模式 - 下行資料廣播到所有 ONU。但在 ONU 上，只會處理特定的資料包，其餘資料包會被丟棄。

PON：上行 (TDMA 模式)

下圖描繪了 TDMA 模式。

下圖顯示了這兩種技術一起使用。

PON 術語

以下是 PON 術語 -

• ODN（光分配網路） - ODN 實現從 OLT 到使用者以及反向的光傳輸。它利用無源光學元件。

• OLT（光線路終端） - OLT 是 PON 的服務提供商端點，位於 CO 或前端。

• ONT/ONU（光網路終端） - ONT 是一種終止 PON 並向用戶提供本地服務介面的裝置。ONT 通常位於客戶場所。

PON 接入網路

無源光網路 (PON) 本質上是一種經濟高效的光纖接入系統，可為企業和住宅客戶提供三合一服務（語音、影片和資料）。此外，除了下圖所示的簡單拓撲結構外，PON 還可以以其他拓撲結構工作。例如 - 匯流排或線性、分散式分光等。

使用的不同型別的拓撲結構取決於客戶的分佈情況。

只要滿足以下條件，ONT 就可以以任何方式連線到 PON -

• 從ONT到OLT以及反向的光預算滿足要求。

• 滿足不同ONT之間最大差異距離的規範。

• 從ONT到OLT的光纖長度在允許範圍內。

• PON系統所能支援的ONT最大數量限制未超過。

PON中的無源模組

PON系統中的無源模組如下：

• 波分複用耦合器
• 1×N分路器
• 光纖和光纜
• 聯結器
• ODF/機櫃/子架

PON中的有源模組

PON系統中的有源模組如下：

在OLT中：

• 雷射發射器（1490奈米）
• 雷射接收器（1310奈米）
• 用於CATV應用
• 雷射放大器（1550奈米）
• 用於放大影片訊號的EDFA

在ONU中：

• ONU的X`電源/電池
• 雷射發射器（1310奈米）
• 雷射接收器（1490奈米）
• CATV訊號接收器（1550奈米）

在下一章中，我們將瞭解什麼是千兆無源光網路。

FTTH - GPON

GPON（千兆無源光網路）是一種基於ITU-T規範**G.984**系列的接入網路光學系統。它可以透過使用1:32分路比的B+類光器件，實現20公里的覆蓋範圍和28dB的光預算（如下圖所示）。

GPON系統支援以下速率：

• 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支援ATM和GEM封裝。GEM（GPON封裝方法）支援原生TDM和資料。

GPON特性

這項演進型技術基於BPON GEM。其特性如下：

下行傳輸

• 2.4 Gbps
• 一個ONT的頻寬足以提供多個高畫質電視訊號
• QoS允許延遲敏感的流量（語音）

上行傳輸

• 1.24 Gbps
• 可以保證最小頻寬
• 未使用的時隙可以分配給流量較大的使用者
• QoS允許延遲敏感的流量（語音）

為什麼選擇GPON？

GPON提供整合的服務解決方案，例如：

• 它支援三重播放服務。

• 為了打破雙絞線接入的頻寬瓶頸，它支援高頻寬傳輸。

• 它減少了網路節點。

• 它支援高達20公里的服務覆蓋範圍。

GPON標準

GPON標準建立在以前的BPON規範的基礎上。規範如下：

• **G.984.1** - 本文件描述了千兆無源光網路的一般特性。

• **G.984.2** - 本文件描述了千兆無源光網路物理介質相關層規範。

• **G.984.3** - 本文件描述了千兆無源光網路傳輸收斂層規範。
• **G.984.4** - 本文件描述了千兆無源光網路ONT管理和控制介面規範（OMCI）。

GPON架構

GPON OLT透過PON埠服務於多個ONT。下行傳輸（即從OLT到ONT）通常是TDM；而上行流量（即從ONT到OLT）通常是TDMA。

PON系統可以是對稱的或非對稱的。PON和光纖基礎設施也可以用於支援任何單向分發服務。例如 - 不同波長的影片。

GPON物理介質相關層

G.984.2是GPON系統物理層的規範。物理層涉及以下方面：

• 資料速率方面的光學效能。
• 光纖元件的類別。
• 光功率的定時和控制。
• 前向糾錯。

光學系統的一個基本要求是提供具有足夠容量的元件，以將光訊號擴充套件到預期的範圍。根據功率和靈敏度，元件分為三類或三個等級。元件的類別如下：

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

光線路終端（OLT）

OLT提供服務節點介面（SNI）（通常為1 Gbps和/或10 Gbps乙太網LAN介面）到核心網路，並控制GPON。OLT主要由三個部分組成：

• 服務埠介面功能
• 交叉連線功能
• 光分配網路（ODN）介面

下圖顯示了典型的OLT功能框圖。

PON核心外殼

PON核心外殼由兩部分組成。第一部分是**ODN介面功能**，另一部分是**PON TC功能**。PON TC功能包括OAM、介質訪問控制、幀結構、DBA、為交叉連線功能和ONU管理劃定協議資料單元（PDU）。

• **交叉連線外殼** - 該外殼在PON核心外殼和服務外殼之間提供通訊路徑。

• **服務外殼** - 該外殼用於服務介面與PON部分的TC幀介面之間的轉換。

ONU/ONT

**光網路單元**（ONU）使用單個PON介面或最多兩個介面用於鏈路保護目的。如果這兩根光纖中任何一根被切斷，則可以透過另一根光纖訪問ONU。這稱為PON保護或鏈路保護。鏈路保護也稱為**鏈路聚合**，它可以保護鏈路，同時還可以聚合流量。

服務**MUX**和**DEMUX**功能將使用者裝置連線到PON側。光網路終端（ONT）設計用於單個使用者使用，而ONU（光網路單元）設計用於多個使用者使用。分路器允許PON最多由128個ONT或ONU共享。

ONT/ONU介面

光網路終端（ONT）在上行側連線到OLT以進行服務網路介面，它有多個使用者網路介面埠。通常，將有四個FE/GE埠朝向UNI。

• **住宅ONT的UNI埠** - 通常，使用者服務介面如10/100Base-T高速網際網路（HSI）和IP影片、用於RF影片疊加系統的RF同軸電纜以及用於VoIP PSTN語音的FXS電話介面模擬。

• **企業ONT的UNI埠** - 除了上述埠外，還可以包括10/100/100Base-T路由器和L2/L3交換機介面以及用於關鍵系統的DS1/E1 PBX。

光網路單元（ONU）終止GPON光纖，並具有更多使用者網路介面（UNI）連線到多個使用者。UNI介面可以是**ADSL2+、VDSL2、電力線、MoCA**或**HPNA**，並且到使用者的距離（10/100 Base-T限制為100米，即330英尺）。

根據介面埠的型別，**UN UNI**可能無法直接連線到使用者的CPE裝置。在這種情況下，UN UNI連線到網路終端（NT），後者位於使用者的最終位置。NT終止使用者的CPE裝置，例如PC、無線路由器、電話、IP影片機頂盒或機頂盒、RF影片等。

本質上，ONT在一個裝置中結合了ONU和NT的功能。這兩個功能的結合使ONT成為為本地和單戶家庭、中小型企業提供GPON服務的經濟高效的解決方案。但是，如果客戶端在校園（如學生宿舍、學校、學院、醫院或公司辦公室）中，並且已經鋪設了CAT-5銅纜，則ONU可以作為更合適的解決方案。

光分配網路

GPON ODN由單模光纖和光纜組成；光纖帶纜、熔接點、光聯結器、無源光分路器和無源分支元件都是無源的。

ODN光分路器將單根光纖分成多根光纖，連線到不同的建築物和住宅。分路器可以放置在ODN中的任何位置，從中心局（CO）/本地交換機（LE）到客戶場所，並且可以是任何尺寸。分路器被指定為[n:m]，其中“n”是輸入（朝向OLT）的數量=1或2，“m”是輸出（朝向ONT）的數量=2,4,8,16,32,64。

GPON複用/幀結構

GPON複用或幀結構透過以下因素解釋。

GPON封裝方法（GEM）

它是指定的GPON傳輸收斂層中的資料傳輸方案。GEM為透過無源光網路（PON）傳輸資料服務提供了一種面向連線的可變長度幀結構機制。GEM的設計獨立於OLT處服務節點介面的型別以及ONU處UNI介面的型別。

下行流量（OLT朝向ONU/ONT）

對於**下行流量**，流量複用功能集中在OLT中。GEM埠ID以OLT分配給單個邏輯連線的12位數字的形式，識別屬於不同下行邏輯連線的GEM幀。每個ONU根據其GEM埠ID過濾下行GEM幀，並且只處理屬於該ONU的GEM幀。

上行流量（ONU/ONT朝向OLT）

ONU內的承載流量實體由OLT授予上行傳輸機會（或頻寬分配）。這些承載流量的實體由**分配ID**（Alloc-ID）識別。分配識別符號（Alloc-ID）是OLT分配給ONU以識別承載流量實體的12位數字。它是ONU內上行頻寬分配的接收者。

對不同Alloc-ID的頻寬分配按時間複用，如OLT在下行傳輸的頻寬圖中指定。在每個頻寬分配內，ONU使用GEM埠ID作為複用金鑰來識別屬於不同上行邏輯連線的GEM幀。

**傳輸容器**（T-CONT）是表示一組邏輯連線的ONU物件。它在PON上的上行頻寬分配方面表現為一個單一實體。根據對映方案，服務流量被傳輸到不同的GEM埠，然後傳輸到不同的T-CONT。

GEM埠和T-CONT之間的對映是靈活的。一個GEM埠可以對應一個T-CONT；或者多個GEM埠可以對應同一個T-CONT。

G-PON傳輸收斂層（GTC）

G-PON協議套件的一個協議層，位於**物理介質相關**（PMD）層和G-PON客戶端之間。GTC層由GTC幀結構子層和GTC適配子層組成。

在下行方向，GEM幀承載在GTC有效載荷中，到達所有ONU。ONU幀結構子層提取幀，GEM TC介面卡根據其12位埠ID過濾幀。只有具有適當埠ID的幀才能透過到GEM客戶端功能。

在上行方向，GEM流量透過一個或多個T-CONT傳輸。OLT接收與T-CONT相關的傳輸，並將幀轉發到GEM TC介面卡，然後轉發到GEM客戶端。

GTC層幀結構

**下行幀**的持續時間為125微秒，長度為38880位元組，這對應於2.48832 Gbit/s的下行資料速率。下行GTC幀由物理控制塊下行（PCBd）和GTC有效載荷部分組成。

GPON傳輸收斂幀始終為125毫秒長：

• 1244.16速率為19440位元組/幀
• 2488.32速率為38880位元組/幀

每個GTC幀由物理控制塊下行+有效載荷組成

• PCBd包含同步、OAM、DBA資訊等。

有效載荷可能具有ATM和GEM分割槽（一個或兩個）。

**上行GTC幀**持續時間為125μs。在具有1.24416 Gbit/s上行鏈路的G-PON系統中，上行GTC幀大小為19,440位元組。每個上行幀包含來自一個或多個ONU的多個傳輸突發。

每個上行傳輸突發包含一個上行物理層開銷 (PLOu) 部分和一個或多個與各個 Alloc-ID 關聯的頻寬分配間隔。下行 GTC 幀提供 PON 的公共時間參考和上行的公共控制訊號。

GPON 負載

GTC 負載可能包含兩個部分 -

• ATM 分割槽（長度為 Alen * 53 位元組）
• GEM 分割槽（現在是首選方法）

ATM 分割槽

ATM 分割槽具有以下特性。

• Alen（12 位）在 PCBd 中指定。
• Alen 指定 ATM 分割槽中 53B 單元的數量。
• 如果 Alen = 0，則沒有 ATM 分割槽。
• 如果 Alen = 負載長度/53，則沒有 GEM 分割槽。
• ATM 單元與 GTC 幀對齊。
• ONU 根據 ATM 報頭中的 VPI 接收 ATM 單元。

GEM 分割槽

GEM 分割槽具有以下特性。

• 與 ATM 單元不同，GEM 分隔幀可以具有任何長度。
• GEM 分割槽中可以包含任意數量的 GEM 幀。
• ONU 根據 GEM 報頭中的 12b 埠 ID 接收 GEM 幀。

GPON 封裝模式

對 BPON 的一個常見抱怨是由於 ATM 單元開銷導致的效率低下。GEM 類似於 ATM。它具有恆定大小的 HEC 保護報頭。但是，它透過允許可變長度幀來避免大的開銷。GEM 是通用的 - 支援任何資料包型別（甚至 TDM）。GEM 支援分片和重組。

GEM 基於 GFP，報頭包含以下欄位 -

• 負載長度指示器 - 以位元組為單位的負載長度。
• 埠 ID - 識別目標 ONU。
• 負載型別指示器（GEM OAM、擁塞/分片指示）。
• 報頭錯誤校正欄位 (BCH(39,12,2) 碼 + 1b 偶校驗)

GEM 報頭在傳輸前與 B6AB31E055 進行異或運算。

乙太網/TDM 透過 GEM

透過 GEM 傳輸乙太網流量時

• 僅封裝 MAC 幀（沒有前導碼、SFD、EFD）
• MAC 幀可以被分片（見下一張幻燈片）。

乙太網透過 GEM

透過 GEM 傳輸 TDM 流量時 -

• 每 125 毫秒輪詢 TDM 輸入緩衝區。
• 將 PLI 位元組的 TDM 插入到負載欄位中。
• 由於頻率偏移，TDM 片段的長度可能變化 ± 1 位元組。
• 往返延遲限制在 3 毫秒內。

TDM 透過 GEM

GEM 可以分片其負載。例如，如下所示的未分片乙太網幀。

下圖顯示了一個分片乙太網幀。

GEM 由於以下兩個原因之一而分片負載 -

原因 1 - GEM 幀不能跨越 GTC 幀。

原因 2 - GEM 幀可能會被搶佔以用於延遲敏感資料。

GPON 加密

OLT 使用 AES-128 以計數器模式進行加密。僅加密負載（不加密 ATM 或 GEM 報頭）。加密塊與 GTC 幀對齊。計數器由 OLT 和所有 ONU 共享，如下所示 -

• 46b = 16b 幀內 + 30 位幀間。
• 幀內計數器每 4 個數據位元組遞增一次。
• 在 DS GTC 幀開始時重置為零。

OLT 和每個 ONU 必須就唯一的對稱金鑰達成一致。OLT 要求 ONU 提供密碼（在 PLOAMd 中）。ONU 明文傳送密碼 US（在 PLOAMu 中） -

• 金鑰傳送 3 次以提高魯棒性

OLT 通知 ONU 開始使用新金鑰的確切時間。

QoS – GPON

GPON 顯式處理 QoS。恆定長度幀有助於為時間敏感的應用程式提供 QoS。有 5 種類型的傳輸容器 -

• 型別 1 - 固定頻寬。
• 型別 2 - 保證頻寬。
• 型別 3 - 分配頻寬 + 非保證頻寬。
• 型別 4 - 最佳努力。
• 型別 5 - 以上所有型別的超集。

GEM 添加了一些 PON 層 QoS 功能 -

• 分片能夠搶佔大型低優先順序幀。
• PLI - 顯式資料包長度可由排隊演算法使用。
• PTI 位攜帶擁塞指示。

在下一章中，我們將瞭解什麼是乙太網無源光網路。

FTTH - EPON

乙太網無源光網路 (EPON) 是一種 PON，它使用乙太網封裝資料，並且可以提供 1 Gbps 到 10 Gbps 的容量。EPON 遵循 PON 的原始架構。這裡，連線到樹幹的 DTE 稱為光線路終端 (OLT)，如下圖所示。

它通常位於服務提供商處，連線的 DTE 樹枝稱為光網路單元 (ONU)，位於使用者的場所。來自 OLT 的訊號透過無源分光器到達 ONU，反之亦然。

第一英里的乙太網

標準化過程始於 2000 年 11 月成立的一個名為第一英里的乙太網 (EFM) 的新研究小組，其主要目標是研究乙太網點到多點 (P2MP) 光纖和乙太網銅纜。乙太網透過點到點 (P2P) 光纖和網路作業系統、管理和維護 (OAM) 來促進網路操作和故障排除。EFM 工作組於 2004 年 6 月完成了規範化過程，批准了IEEE Std 802.3ah。

EFM（第一英里的乙太網）的產品。一種基於乙太網的 PON 技術。它基於主要標準 – IEEE 802.3ah。基於多點控制協議 (MPCP)，定義為 MAC 控制子層內的功能，以控制對 P2MP 拓撲的訪問。

EPON/MPCP 協議的基礎在於點到點 (P2P) 模擬子層。其傳輸速率為→對稱 1.25G；距離：10KM/20KM；分光器比率：> 1:32。EFM 指出了基於乙太網作為核心技術的 EPON 的許多優勢，包括協議成熟度、技術簡單、擴充套件靈活性以及以使用者為中心。

EPON 系統不選擇昂貴的 ATM 硬體和 SONET 裝置，使其與現有的乙太網網路相容。它簡化了系統結構，降低了成本，並使其易於升級。裝置供應商專注於最佳化功能和實用性。

BPON ATM 系統

BPON ATM 系統已被證明效率非常低下，因為接入網路中絕大多數流量都由大型 IP 幀和可變大小組成。這為開發純基於乙太網的 EPON、支援 QoS 的 GigE 密碼以及與其他新興乙太網裝置的經濟高效整合創造了機會。事實證明，乙太網是 IP 流量的理想傳輸方式。

因此，IEEE 802.3ah 標準 802.3 指示“第一英里的乙太網”工作組制定點到點和點到多點接入網路的標準，後者表示乙太網 PON。EPON 目前是乙太網標準的一部分。

無源光網路 (GPON) 的發展，即配備千兆位的標準 (G.984 系列)，實際上是在FSAN 成員（Quantum Bridge、Al）提出 ATM/乙太網 PON 解決方案後才開始的。Gbps 與協議無關，在 IEEE 802.3ah 工作組中並不十分流行。FSAN 決定將其作為與 ITU 競爭的不同標準來追求。

在涉及執行良好的通用概念（操作 PON光分配網路 (ODN)、波長規劃和應用）時，EPON 和 GPON 借鑑了 BPON 的標準 G.983。它們都提供了自己的增強版本，以更好地適應各種速率 Gbps 下的可變大小 IP/乙太網幀。

IEEE 802.3ah 乙太網標準指定了接入網路，它也被稱為第一英里的乙太網。IEEE802.3ah 的第五節構成了 IEEE Std 802.3，對應於服務和協議元素的定義。它允許在使用者接入網路中的站點之間交換 IEEE 802.3 格式的幀。

EPON 的概念

EFM 引入了 EPON 的概念，其中使用無源光分路器實現了點到多點 (P2MP) 網路拓撲。但是，乙太網點到點光纖以合理的成本提供最高的頻寬。乙太網點到多點光纖以較低的成本提供相對較高的頻寬。IEEE Std 802.3ah 的目的是擴充套件乙太網的應用範圍，使其涵蓋接入使用者網路，從而顯著提高效能，同時最大限度地降低裝置運營和維護成本。

IEEE 802.3ah EFM 標準的結論極大地擴充套件了乙太網傳輸在接入和都會網路中的應用範圍。該標準允許服務提供商為在接入和都會網路中提供寬頻乙太網服務提供各種靈活且經濟高效的解決方案。

EFM 涵蓋了一系列在介質型別和訊號速度方面有所不同的技術 - 它旨在部署在一種或多種 FSM 介質型別的網路中，並與混合的 10/100/1000/10000 Mb/s 乙太網網路進行互動。IEEE 802.3 中定義的任何網路拓撲都可以在使用者場所使用，然後連線到乙太網使用者接入網路。EFM 技術允許不同型別的拓撲以實現最大的靈活性。

IEEE Std 802.3ah

IEEE Std 802.3ah 包含使用者乙太網接入網路的規範，IEEE Std 802.3ah EPON 支援每個通道的標稱速率約為 1 Gb/s（可擴充套件至 10 Gb/s）。這些由兩個波長定義：一個用於下行波長，一個用於使用者裝置之間共享的上行方向。

EFM 支援全雙工鏈路，因此可以定義全雙工簡化的介質訪問控制 (MAC)。乙太網架構將物理層劃分為物理介質相關 (PMD)、物理介質連線 (PMA) 和物理編碼子層 (PCS)。

EPON 實現了一個 P2MP 網路拓撲，並對底塗和協調子層 MAC 控制以及光纖底層物理介質相關 (PMD) 進行了適當的擴充套件，以支援此拓撲。

物理層

對於 P2MP 拓撲，EFM 引入了一系列源自 1000BASE-X 的物理層訊號系統。但是，它包括 RS、PCS 和 PMA 的擴充套件，以及可選的前向糾錯 (FEC) 功能。1000BASE-X PCS 和 PMA 子層對映介面的特性。PMD 子層（包括 MDI）提供底塗協調預期的服務。1000BASE-X 可以擴充套件以支援其他全雙工介質 - 只要求環境與 PMD 的級別一致。

介質載入介面 (MDI)

它是 PMD 和物理介質之間的介面。它描述了訊號、物理介質以及機械和電氣介面。

物理介質相關 (PMD)

PMD 負責與傳輸介質的介面。PMD 根據連線的物理介質的性質生成電訊號或光訊號。透過 PON 的 1000BASE-X 連線至少可以達到 10 公里和 20 公里（底塗 1000BASE-PX10 和 1000BASE-PX20 PMD）提供 P2MP。

在 PON 乙太網中，D 和 U 字尾表示鏈路兩端的 PMD，它們在這些方向上進行傳輸並在相反方向上接收，即單個下行 PMD 被識別為 1000BASE-PX10-D，上行 1000BASE-PX10 U PMD。相同的纖維同時在這兩個方向上使用。

1000BASE-PX-U PMD 或 1000BASE-PX-D PMD 連線到相應的 PMA 1000BASE-X，並透過 MDI 進行支援。PMD 可選擇與可以透過管理介面訪問的管理功能相結合。為了允許在 10 公里或 20 公里 Pons 的情況下進行升級，1000BASE-PX20-D 1000BASE-PX10 PMD 和 PMDU 彼此之間可以互操作。

物理介質連線 (PMA)

PMA 包括傳輸、接收、時鐘恢復和對齊功能。PMA 為 PCS 提供了一種獨立的中間方式，以支援使用一系列面向位的物理介質系列。物理編碼（PCS）子層包含位編碼功能。PCS 介面是千兆位介質獨立介面 (GMII)，它為所有 1000 Mb/s PHY 的實現提供了一個統一的介面到協調子層。

千兆位介質獨立介面 (GMII)

GMII介面指的是**千兆MAC層**與**物理層**之間的介面。它允許多種DTE與各種速度的千兆**物理層**實現混合使用。PCS服務介面允許1000BASE-X PCS在PCS客戶之間傳輸資訊。PCS客戶包括MAC（透過協調子層）和中繼器。PCS介面被精確定義為千兆媒體獨立介面（GMII）。

**協調子層**(RS)確保了定義服務訪問控制介質的GMII訊號的匹配。GMII和RS用於提供獨立的媒體，以便相同的訪問控制器媒體可以與任何型別的銅纜和光纖PHY一起使用。

資料鏈路層（多點MAC控制）

MAC控制協議被指定為支援並同時在標準中實現和新增新功能。這就是多點控制協議（MPCP）的情況。對P2MP的管理協議是多點控制協議定義的功能之一。

實現多點MAC控制功能是為了訪問包含物理層裝置的使用者的裝置，這些裝置指向多點。通常，MAC模擬管轄區在OLT和ONU之間提供點對點服務，但現在還包括一個額外的例項，其通訊目標是同時針對所有ONU。

MPCP（多點控制協議）

MPCP非常靈活，易於實現。MPCP使用五種型別的訊息（每條訊息都是一個MAC控制幀），並且ONU/ONT報告多個數據包邊界，OLT在資料包邊界上授予許可權——沒有分界開銷。

MPCP指示OLT與關聯到點到多點（P2MP）PON部分的ONU之間的系統，以允許在向上行方向上有效地傳輸資訊。

MPCP執行以下功能：

• MPCP控制自動發現過程。
• 向ONT分配時隙/頻寬。
• 提供時間參考以同步ONT。

MPCP引入了五種新的MAC控制訊息：

• 門控，報告
• 註冊請求
• 註冊
• 註冊確認
• 自動發現

訊息發現序列摘要

下圖顯示了訊息發現序列摘要。

EPON中的DBA

在EPON中，OLT和ONY之間的通訊被視為下行鏈路，OLT使用整個頻寬向下行鏈路廣播資料到ONT，而另一端的ONT使用乙太網幀中可用的資訊接收幀。從ONT到OLT的上行鏈路使用單通道通訊，這意味著一個通道將被多個ONT使用，這意味著資料衝突。

為了避免此問題，需要有效的頻寬分配方案，該方案可以同時為ONT分配資源，並確保QoS，此方案稱為**動態頻寬分配**(DBA)演算法。DBA使用報告和門控訊息來構建要傳達給ONT的傳輸排程。

DBA特性

EPON的一個重要特性是透過使用不同的DBA分配來提供具有最佳QoS和有效頻寬分配的不同服務，以滿足當前和未來應用的需求。

目前，EPON有兩種不同的DBA演算法：

• 第一個用於適應流量波動。
• 第二個是為不同型別的流量提供QoS。

其他特性包括避免幀衝突、透過QoS管理即時流量以及管理每個使用者的頻寬以及減少低優先順序流量的延遲。

EPON幀格式

EPON操作基於乙太網MAC，EPON幀基於GbE幀，但需要擴充套件：

• **第64款** - **多點控制協議**(MPCP) PDU。這是實現所需邏輯的控制協議。

• **第65款** - 點對點模擬（協調）。這使得EPON看起來像一個點對點鏈路，並且EPON MAC有一些特殊的約束。

• 他們不是使用CSMA/CD，而是在獲得授權時傳輸。

• 透過MAC堆疊的時間必須是恆定的（±16位持續時間）。

• 必須維護準確的本地時間。

EPON報頭

標準乙太網以一個基本上不包含內容的8B前導碼開始：

• 7B交替的1和0 10101010
• 1B的SFD 10101011

為了隱藏新的PON報頭，EPON覆蓋了一些前導碼位元組。

**LLID欄位**包含以下因素：

模式(1b)：

• 對於ONU始終為0
• OLT單播為0，OLT組播/廣播為1

實際邏輯鏈路ID(15b)：

• 標識已註冊的ONU
• 廣播為7FFF

CRC保護從SLD（位元組3）到LLID（位元組7）。

安全

**下行鏈路流量**廣播到所有ONU，因此惡意使用者很容易重新程式設計ONU並捕獲所需幀。

**上行鏈路流量**未公開給其他ONU，因此不需要加密。不要考慮光纖竊聽者，因為EPON沒有提供任何標準的加密方法，但是：

• 可以補充使用IPsec或MACsec，並且
• 許多供應商添加了專有的基於AES的機制。

BPON使用了一種稱為**抖動**的機制——抖動是一種低成本的硬體解決方案（24b金鑰），存在一些安全缺陷，例如：

• 引擎是線性的——簡單的已知明文攻擊。
• 24b金鑰最終可以在512次嘗試中推匯出來。

因此，G.983.3添加了AES支援，現在在GPON中使用。

QoS – EPON

許多PON應用需要高QoS（例如IPTV），而EPON將QoS留給更高級別，例如：

• VLAN標籤。
• P位或DiffServ DSCP。

除了這些之外，LLID和埠ID之間還有一個關鍵區別：

• 每個ONU始終有1個LLID。
• 每個輸入埠有1個埠ID——每個ONU可能有多個。
• 這使得基於埠的QoS易於在PON層實現。

EPON與GPON

下表顯示了EPON和GPON的比較特性：

下圖顯示了EPON和GPON的不同結構：

FTTH - XPON 評估

下圖顯示了XPON評估。

下表解釋了XPON評估的不同方法。

在GPON開發之後，FSAN和ITU-T開始研究具有以下特性的NG-PON：

• 低成本產品
• 大容量
• 廣覆蓋
• 向後相容性

根據當前的應用需求和技術，FSAN將NG-PON分為兩個階段：

• **NG PON1** - NGPON1向後相容舊版GPON ODN。NG-PON1是一個非對稱的10G系統，下行鏈路/下載速度為10G，上行鏈路/上傳速度為2.5G。此NG-PON1是GPON的增強型TDM PON系統。

• **NG PON2** - NGPON2是長期的PON評估，可以支援並且可以部署在新ODN上。

與NG-PON1不同，有很多方法可以開發NG-PON2，以將頻寬速率從10G提高到40G：

• 使用與NG-PON1相同的TDM技術。

• WDM PON（使用粗波分複用（CWDM）或密集波分複用（DWDM）。

• ODSM PON（TDMA + WDMA）。

• OCDMA PON（使用CDMA技術）。

• O-OFDMA PON（使用FDMA技術）。

共存 – NG-PON1

NG-PON1的主要特性是同時提供比GPON更高的頻寬。它應該與現有的GPON網路向後相容，這將降低運營商的成本。FSAN和ITU-T定義的此NG-PON稱為**XG-PON1**。

FSAN和ITU-T已為XG-PON1定義了以下資料速率：

• 下行鏈路資料速率 - 10G
• 上行鏈路資料速率 - 2.5G

2.5G的上行鏈路資料速率是GPON上行鏈路資料速率的兩倍。除了GPON的所有元素外，ODN（光分配網路）可以在XG-PON1網路中重複使用。

只需在現有的GPON OLT中新增10G下行鏈路卡，即可將GPON增強為XG-PON1。

網路架構和共存

如上所述，XG-PON1是對現有GPON的增強，可以支援不同的GPON部署，例如：

• GPON的點到多點(P2MP)架構
• 光纖到戶(FTTH)
• 光纖到小區(FTTCell)
• 光纖到樓宇(FTTB)
• 光纖到路邊(FTTCurb)
• 光纖到機櫃(FTTCabinet)

下圖顯示了不同的GPON部署，這些部署可以透過XG-PON1進一步增強：

通常，有兩種型別的部署：

• 綠地部署
• 棕地部署

綠地用於需要完全新部署的地方，而在棕地部署中，將使用現有的基礎設施。因此，對於棕地（僅限GPON網路）部署，可以使用XG-PON1。如果需要用光纖網路替換銅纜網路，則將其視為綠地網路，因為現有的網路將被完全替換為新網路。

物理層

XG-PON1的物理層規範於2009年10月凍結，並於2010年3月由ITU-T釋出。FSAN選擇了1575-1580 nm的下行鏈路波長。在選擇上行鏈路波長時，比較了C波段、L波段和O波段，但由於與射頻影片通道重疊，C波段被淘汰。由於L波段上沒有足夠的保護帶，因此也將其淘汰，並且所有關於優缺點的比較都選擇了O波段，因為O+對濾波器的要求更高。

根據上表，XG-PON1的下行鏈路速率為10 Gbps，資料速率為9.5328 Gbps，以保持與典型的ITU-T速率的一致性，這與IEEE 10GE-PON（為10.3125 Gbps）不同。

HTC層

傳輸層（TC層）稱為XGTC（XG-PON1）傳輸收斂層，它優化了基本處理機制。傳輸收斂層增強了幀結構、啟用機制和DBA。

XG-PON1幀結構的增強是透過將幀和欄位設計與字邊界對齊，並與XG-PON1的速率匹配來實現的。DBA機制隨著升級變得更加靈活，而啟用機制遵循GPON的相同原理。

XGTC層的兩個重要特性是：

• 節電
• 安全

資料加密在GPON中是可選功能，而在xG-PON1中，有三種身份驗證方法：

• 第一種基於註冊ID（邏輯ID）

• 第二種基於OMCI通道（繼承自GPON）

• 第三種方案基於IEEE 802.1x協議，這是一種新的雙向認證方案。

上行加密和下行組播加密也在XGTC層提供。

管理和配置

對於管理和配置，XG-PON1採用了ITU-T (G.984.4)建議，並且與GPON向後相容。GPON使用OMCI技術進行管理和配置，類似地，XG-PON1或多或少地使用了90%的OMCI技術，並在ITU-T (G.984.4)中進行了微小的修改。

在兩種情況下（GPON和XG-PON1），採用底層技術對服務本身影響不大。重要的因素是配置第2層通道以正確轉發服務資料。從網路側到使用者側的所有L2配置都在OMCI L2模型下涵蓋。

OMCI L2模型用於兩種技術，即GPON和XG-PON1，因為網路側和使用者側的定義對於這兩種技術都是相同的。

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與GPON向後相容，換句話說，連線到GPON OLT的ONT/ONU也可以與XG-PON1 OLT一起工作。FSAN於2008年成立了一個名為OISG（OMCI實施研究小組）的小組。

該小組的任務是研究OMCI互操作性的(G.984.4)建議，包括ONT管理和控制通道(OMCC)、QoS管理、組播配置、軟體版本更新和L2配置。[G.984.4]的官方編號為[ITU-T G.impl984.4]，也稱為OMCI實施指南。

WDM-PON

下圖是WDM-PON的示意圖，它還顯示了一組波導光柵（AWG）。這些用於MUX和DEMUX波長。

P2MP WDM-PON

在WDM-PON中，不同的ONT需要不同的波長。每個ONT獲得一個獨佔的波長並享受該波長的頻寬資源。換句話說，WDM-PON基於邏輯點到多點（P2MP）拓撲結構。

在WDM-PON中，需要在OLT和ONT之間使用AWG。AWG的每個埠都依賴於波長，每個ONT上的光收發器以由AWG上埠確定的特定波長傳輸光訊號。

在WDM技術中，具有指定波長的收發器稱為彩色光收發器，可以用於任何波長的收發器稱為無色收發器。使用彩色光收發器會帶來一些複雜性，例如服務配置和裝置儲存。

AWG元件對溫度敏感，因此，WDMPON面臨一些挑戰，例如解決光收發器波長與連線的AWG埠之間以及本地AWG（在CO處）上的埠與遠端AWG上的埠之間的即時一致性問題。

ODSM-PON

在ODSM-PON中，從CO到使用者端網路保持不變，只有一個變化，即有源WDM分路器。將WDM分路器放置在OLT和ONT之間，取代無源分路器。在ODSM-PON中，下行採用WDM，這意味著朝向ONT的資料對不同的ONT使用不同的波長，而在上行，ODSN-PON採用動態TDMA + WDMA技術。

XGPON標準

下表描述了XGPON標準。

GPON - ITU和FSAN於2005年標準化，符合G.984×系列標準。

NGPON1 -

• G.987/G.988 XGPON標準已於2011年釋出。

• 它將XGPON標準化為2.5 Gbps上行/10Gbps下行。

• GPON和XGPON使用不同的波長在同一個網路中共存。

NGPON2 -

• 不考慮與現有ODN網路的相容性，是一種更開放的PON技術標準。

• 現在重點關注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光功率等級

下表描述了XG-PON光功率等級的最小和最大損耗。

FTTH - 光分配網路

在本章中，讓我們瞭解光分配網路（ODN）中的分路比、最大覆蓋範圍和流量管理。

OLT光埠到ONT輸入之間允許的最大光功率衰減為28dB，這是透過使用所謂的B類光網路元件實現的。ODN A類、B類和C類主要在“光發射器功率輸出”和“位元率光接收器靈敏度”方面有所區別。A類提供最小的光預算，C類提供最大的光預算，而成本方面則按相同的順序排列。對於最大1:64分路比，B類光器件通常在商業基礎上部署。

A類、B類和C類ODN光器件的比較如下表所示：

ODN A類、B類和C類光器件的比較

光訊號分路

從OLT開始的單根光纖透過無源光分路器分路，以服務於64個使用者端ONT。同一條光纖承載下行（OLT到ONT）和上行（ONT到OLT）兩種位元流，即2.488 Mbps/1490 nm（1480 - 1500nm視窗）和1.244 Mbps/1310 nm（1260-1360nm視窗）。

用於電視服務的RF疊加

電視訊號（來自衛星前端）可以選擇性地以1550nm的第三個光波長廣播到同一（或附加）光纖上，該光纖透過RF疊加子系統引入FTTx系統。CATV訊號可以透過EDFA放大後與GPON訊號耦合。RF CATV訊號調製到1550 nm波長上。它透過ONT內部構建的解複用功能提取，並路由到STB/TV的後端服務連線。