【光电通信】PON网络架构及数据传输方式

今日光电 2023-05-12 18:00

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目前固定网络接入的主流技术是PON。早些年，主要应用于运营商家庭/商业用户接入，现在逐渐向大型企业园区扩展（POL），甚至行业网扩展（F5G），发展势头一发不可收拾。

那么PON技术到底是什么样的技术呢？网络架构为何？数据传输方式为何？下面我们来看一看。

PON技术是一类技术的总称，包含了早期的窄带PON、APON、BPON，当下流行的EPON、GPON、10G EPON、XG-PON、XGS-PON，以及以后的50G-PON……

所有这些PON技术的根基都是一样的，那就是PON的网络架构和数据传输方式。

PON网络架构

关于PON的网络架构，我们不得不搬出这张经典的组网图。

【技术要点总结】：

PON是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络；
PON由光线路终端OLT、光网络单元 ONU和光分配网ODN组成；
PON之所以被称为“无源光网络”，特指的是ODN部分无源（POS，无源分光器，是一个物理的光学器件，不需要外接电源）；
PON内部可以采用一级分光，也可以采用二级分光（实际工程中，二级居多）；
PON的接入半径（OLT与ONU的距离）一般规划在20公里以内（20公里是物理距离）。其中，城市接入一般在5-10公里，偏远的山村或稀疏地区可能存在大于10公里甚至15公里的情况。

PON网络的数据传输方式

了解了PON的网络架构，我们再来分析一下基于这个架构，数据是如何传输的。一般网络的数据传输都是基于双向的：既有从发端到收端，也有从收端到发端，我们也称为下行和上行。

从前面的PON网络架构我们了解到，PON是点到多点的。

【答案】：划分不同的车道，即规划不同的波长。
【解析】：在PON网络中，上下行通信所采用的波长是不一样的，比如EPON/GPON同属于1G PON技术，它们下行波长规划的是1490nm，上行波长规划的是1310nm，互不影响，完全可以实现双向全双工的通信。此外，还有广电的CATV业务，单独的波长规划时1550nm。

【答案】：成本考虑。
【解析】：标准制定的时候，1310nm的光器件已经相对来说比较成熟，成本较低，而1490nm成本较高。PON是一个点到多点的架构，那么我们自然要将成本比较低器件放在多点侧的发端，这样才会大量的降低PON网络初期的部署成本。

下面我们继续回到PON网络的数据传输的介绍。PON下行采用广播的方式传输数据，上行采用的是TDMA的方式传输数据。

【答案】：因为简单实用。
【解析】：PON的下行方向是指从OLT到ONU的这个方向，这个方向发端与收端的数量对比关系是“1对多”的关系，那我们自然就会选择用广播的方式来发送数据，因为这样最省事。同时，下行因受限于无源分路器的物理特性，PON口发出的数据经过无源分路器后平均分配至每一分路，其无源物理特性无法控制某一分路的通与不通，仅能实现单纯分路功能，故下行依据物理分路特性实现了被动广播的现象。

【答案】：ONU主动过滤，同时数据有加密。
【解析】：一方面，ONU会根据相应的过滤条件主动过滤属于自己的数据，如通过ONU ID（GEM-PORT ID）过滤接收属于自己的数据；另一方面，OLT给每个ONU发送的数据会进行加密（如GPON的AES-128），且加密的密钥是由每个ONU产生并发给OLT的，ONU不会知道其他ONU的密钥，故也难解密属于其他ONU的数据。

【答案】：实现多ONU同时传输数据，公平竞争。
【解析】：PON的上行方向跟下行方向是反的，即指ONU到OLT的方向，这个方向发端与收端的数量对比关系是“多对一”的关系。既然是“多对一”的关系，肯定就不能让每个ONU想当然的发送数据了，否则就会存在同波长光信号叠加（如GPON的1310nm），OLT接收后也无法读取数据，出现误码帧或未知帧提示，并将其丢弃。

所以这种情况就必须要有一种仲裁机制，来保护我们的上行数据传输不发生冲突。这个仲裁机制便是TDMA，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。