光通信——APON/EPON/GPON/10G PON

APON

EPON

GPON

上下行对称和非对称速率

OAM功能

汇聚子层

ATM封装方式

GEM封装方式

10G EPON

EPON/GPON技术原理和特点

工作原理

关键技术

（1）测距、同步

（2）突发发送和接收

（3）用户安全

（4）动态带宽调整（DBA）

技术优势

EPON与GPON技术比较

EPON技术特点

GPON技术特点

APON，基于ATM的无源光接入技术，遵循ITU-T C.983系列标准。
EPON，基于以太网的无源光接入技术，遵循IEEE 802.3ah系列标准。
GPON，基于ATM/GEM的无源光接入技术，遵循ITU-T G.984系列标准。

从20世纪90年代开始，PON技术经历了不成功的窄带PON和基于ATM的无源光网络（APON/BPON,ITU-T G.983）。现在应用比较广泛的主要包括以太网无源光网络（EPON,IEEE802.3ah）、具有Gbit/s传送能力的无源光网络（GPON,ITU-T G.984）以及10Gbit/s速率的PON技术。

APON

APON是一种宽带传输能力的解决措施，它具备ATM的多个Byte Rate及多种数据形态和业务的支撑能力，当然还有无源光纤网络的优越特性。打下了坚实而优良的基础，从而使得多路连接形式和单点对多个点的传输模式的实现成为了可能。这样的通信传输构造使得全部带宽分享给多个不同的用户变为了现实。

APON的数据传输的特点是长度是固定不变的。有两种差别较大的速度频率构造:分为不对称和对称两种，不对称的结构是上行155.52Mbitls，下行622.08Mbit/s；对称的构造是:上行和下行均为155.52Mb/s。从远期发展形式来看，ATM化的宽带/无源光纤网络的可以使用的带宽存在巨大的不足:下行速率虽然可以达到622 Mbitls，但是由于采用分配话路方式，最终分配到各个用户的带宽将会极大的降低。这种方式造成不能适应用户的不断增长的需求，不能大面积推广。

EPON

EPON支持上下行对称1.25Gbit/s速率，支持10km和20km两种最大传输距离，支持的用户分支数普遍为32。

EPON系统具有技术简单、成本低、速率高、可扩展性强，对数据业务的适配效率高等优点，能够以较低成本高效率地传送IP业务。目前在国内得到了以中国电信为代表的运营商的规模应用，并且呈现出规模逐年递增的发展态势。

GPON

上下行对称和非对称速率

对称速率：上行（从用户到网络）和下行（从网络到用户）速率相同。这种配置适用于需要均衡上传和下载速度的应用。
非对称速率：上行和下行速率不同，通常下行速率更高。这种配置适合于大多数互联网使用场景，因为下载需求通常大于上传需求。

GPON采用了125μs的帧长及定时机制，能够比较容易地支持TDM业务和话音业务。GPON可以支持622Mbit/s、1.25Gbit/s和2.5Gbit/s上下行对称速率或非对称速率，支持10km和20km两种最大传输距离，支持的用户分支数可达64甚至128。
GPON除了支持更高的速率和更大的分路比外，综合业务接入环境下的总传输效率高，而且能够很好地承载TDM业务和话音业务，信号传输时延和抖动能够得到保证，而且提供丰富的OAM&P功能和良好的扩展性。

具有Gbit/s传送能力的无源光网络。GPON技术的目标是形成传输速率更高、能高效承载多种业务（包括实时业务、数据业务等）并具有强大OAM功能和扩展能力的宽带PON技术。GPON标准引入了一个新的传输汇聚（TC）子层，并规定TC子层可以采用ATM和GEM两种封装方式。

GPON技术中，传输汇聚（TC）子层是负责将用户数据转化为适合光纤传输的数据格式的一层。它起着数据封装、复用和解复用的作用，使不同类型的数据能够在同一个光纤网络中高效传输。

在GPON技术中，OAM代表操作、管理和维护（Operations, Administration, and Maintenance）。它是一组功能和工具，用于确保网络的可靠性和性能。以下是OAM的主要功能：

OAM功能

操作（Operations）：监控和控制网络日常运行，确保网络正常运作。
管理（Administration）：配置网络设备和资源，分配带宽，进行用户管理。
维护（Maintenance）：检测和修复故障，执行预防性维护，确保网络稳定性。

汇聚子层

功能：将各种用户数据（如语音、视频、互联网流量）进行统一处理和传输。
作用：提高网络的传输效率和灵活性，支持多种业务类型。

ATM封装方式

ATM（Asynchronous Transfer Mode）：一种面向连接的技术，用于将数据分割成固定大小的单元（53字节的信元），适合于需要严格带宽和时延控制的应用，如语音和视频。
特点：支持QoS（服务质量）管理，能够提供可靠的传输服务。

GEM封装方式

GEM（GPON Encapsulation Method）：GPON特有的一种封装方法，用于将数据封装成可变大小的帧。
特点：灵活性更高，适合多种类型的数据业务，效率比ATM更高，因为它没有固定的信元大小限制。

通过这两种封装方式，GPON可以灵活地适应不同类型的业务需求，实现高效的数据传输和管理。

10G EPON

10G EPON系统采用了更高速率的传输技术，显著提高了系统的下行传输能力。IEEE 802.3av规定了10Gbit/s下行、1Gbit/s上行的非对称模式（10/1G BASE-PRX）和10Gbit/s上下行对称模式（10G BASE-PR）两种速率模式。

其中10G PON中上、下行波长分别选用1270nm和1577nm，究其原因，这两个波长能够轻松地实现WDM共存方案。在此方案中，无源光分离器能够复用现有和新建的系统，ONU的闭塞滤波器能够有效地防止干扰。

EPON/GPON技术原理和特点

工作原理

EPON/GPON采用不同的波长，实现单纤双向传输，其工作原理如图所示。

下行标称波长为1490nm。OLT发送的混合数据广播到每个ONU，通过过滤机制，ONU仅接收属于自己的数据帧。上行标称波长为1310nm。上行方向通过TDMA方式进行业务传输， ONU根据OLT发送的带宽授权发送上行业务，每个ONU在OLT允许的时间段内向OLT发送数据，无需冲突检测。
还可以叠加第3波（标称波长1550nm）用于承载CATV业务。

CATV业务指的是有线电视业务（Cable Television）。在GPON中，CATV信号可以通过第3波长（标称波长1550nm）进行传输。这样，除了数据和语音服务外，还能提供电视内容的传输。这种方式利用光纤网络的高带宽，实现多种服务的综合传输。

关键技术

（1）测距、同步

系统需补偿因ONU和OLT距离不同产生的时延差异，以及通过测距解决ONU注册冲突的问题。

在GPON系统中，测距用于解决ONU注册冲突问题，主要通过以下步骤：

测距过程：OLT向各个ONU发送测距信号，每个ONU根据收到信号的时间计算与OLT的距离。
时延补偿：根据测距结果，OLT为每个ONU分配合适的时隙，以补偿不同距离导致的时延差异。
避免冲突：通过时隙分配，确保每个ONU在不同的时间段发送数据，避免上行信号的冲突。

这样GPON系统能够协调多个ONU的上行数据传输，确保所有ONU都能高效地注册和通信。

（2）突发发送和接收

上行信号采用TDMA方式工作，这就要求在ONU和OLT中使用支持突发信号的光器件。由于OLT接收到的信号为突发信号，OLT必须能在很短的时间内实现相位同步，进而接收数据。

突发信号：由于每个ONU在不同时间段发送数据，OLT接收到的数据是不连续的，而是一个个突发信号。
支持突发信号：ONU和OLT中的光器件必须能快速启动和停止，以适应这些不连续的数据传输。
快速相位同步：OLT在接收到不同ONU的突发信号时，必须在极短时间内实现相位同步，以准确解码和处理数据。

这种设计确保了多个ONU能够高效地共享同一个上行通道，而不会产生冲突或数据丢失。

（3）用户安全

下行信号采用广播方式由所有ONU共享，因而OLT与ONU需协同对下行数据流进行加密。加密过程如下：

密钥分发：OLT生成并分发加密密钥给每个ONU。这通常通过安全信道进行，确保密钥传输的安全性。
数据加密：OLT使用分配的密钥对下行数据进行加密。这样，即使数据被其他ONU接收到，也无法解密。
数据解密：每个ONU使用接收到的密钥对属于自己的数据进行解密。只有拥有正确密钥的ONU才能读取相应的数据。

（4）动态带宽调整（DBA）

根据业务的优先级，系统需对每个ONU设置SLA，对业务的带宽进行限制，OLT需根据业务流量、SLA及ONU的实际情况进行带宽授权，优先级高的可得到更高的带宽分配率，满足业务需求。

SLA定义了服务的质量和性能标准，包括带宽、延迟和可用性等指标。

具体来说：

动态带宽调整（DBA）：这是一个智能调度机制，允许网络根据实时流量需求动态分配带宽。
服务等级协议（SLA）：这是在服务提供者与客户之间达成的协议，确保服务在某些方面（如带宽、延迟等）满足特定标准。高优先级的业务会获得更高的带宽分配，以满足其需求。
带宽授权：OLT（光线路终端）根据实际流量、SLA和ONU的使用情况，授权带宽给每个ONU。这意味着如果某个业务的需求增加，而其SLA允许，那么OLT可以动态地增加它的带宽分配。