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【原】深度解析：PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸方式

通信百科 2023-10-23 發(fā)布于陜西

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目前固定網(wǎng)絡(luò)接入的主流技術(shù)是PON。早些年，主要應(yīng)用于運營商家庭/商業(yè)用戶接入，現(xiàn)在逐漸向大型企業(yè)園區(qū)擴(kuò)展（POL），甚至行業(yè)網(wǎng)擴(kuò)展（F5G），發(fā)展勢頭一發(fā)不可收拾。

那么PON技術(shù)到底是什么樣的技術(shù)呢？網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為何？數(shù)據(jù)傳輸方式為何？下面我們來看一看。

PON技術(shù)是一類技術(shù)的總稱，包含了早期的窄帶PON、APON、BPON，當(dāng)下流行的EPON、GPON、10G EPON、XG-PON、XGS-PON，以及以后的50G-PON……

所有這些PON技術(shù)的根基都是一樣的，那就是PON的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方式。

關(guān)于PON的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，我們不得不搬出這張經(jīng)典的組網(wǎng)圖。

【技術(shù)要點總結(jié)】：

PON是一種點到多點（P2MP）結(jié)構(gòu)的無源光網(wǎng)絡(luò)；
PON由光線路終端OLT、光網(wǎng)絡(luò)單元 ONU和光分配網(wǎng)ODN組成；
PON之所以被稱為“無源光網(wǎng)絡(luò)”，特指的是ODN部分無源（POS，無源分光器，是一個物理的光學(xué)器件，不需要外接電源）；
PON內(nèi)部可以采用一級分光，也可以采用二級分光（實際工程中，二級居多）；
PON的接入半徑（OLT與ONU的距離）一般規(guī)劃在20公里以內(nèi)（20公里是物理距離）。其中，城市接入一般在5-10公里，偏遠(yuǎn)的山村或稀疏地區(qū)可能存在大于10公里甚至15公里的情況。

了解了PON的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，我們再來分析一下基于這個架構(gòu)，數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)?。一般網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸都是基于雙向的：既有從發(fā)端到收端，也有從收端到發(fā)端，我們也稱為下行和上行。

從前面的PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)我們了解到，PON是點到多點的。

那在OLT與POS之間其實只有一根光纖，如何實現(xiàn)上下行的數(shù)據(jù)在一根光纖中傳輸呢？

【答案】：劃分不同的車道，即規(guī)劃不同的波長。

【解析】：在PON網(wǎng)絡(luò)中，上下行通信所采用的波長是不一樣的，比如EPON/GPON同屬于1G PON技術(shù)，它們下行波長規(guī)劃的是1490nm，上行波長規(guī)劃的是1310nm，互不影響，完全可以實現(xiàn)雙向全雙工的通信。此外，還有廣電的CATV業(yè)務(wù)，單獨的波長規(guī)劃時1550nm。

到這里，有小伙伴又有疑問了：

為什么規(guī)定下行波長是1490nm，上行是1310nm，而不是反過來呢？

【答案】：成本考慮。

【解析】：標(biāo)準(zhǔn)制定的時候，1310nm的光器件已經(jīng)相對來說比較成熟，成本較低，而1490nm成本較高。PON是一個點到多點的架構(gòu)，那么我們自然要將成本比較低器件放在多點側(cè)的發(fā)端，這樣才會大量的降低PON網(wǎng)絡(luò)初期的部署成本。

下面我們繼續(xù)回到PON網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕榻B。PON下行采用廣播的方式傳輸數(shù)據(jù)，上行采用的是TDMA的方式傳輸數(shù)據(jù)。一連串的疑問又來了：

PON下行為何采用廣播的方式傳輸數(shù)據(jù)呢？

【答案】：因為簡單實用。

【解析】：PON的下行方向是指從OLT到ONU的這個方向，這個方向發(fā)端與收端的數(shù)量對比關(guān)系是“1對多”的關(guān)系，那我們自然就會選擇用廣播的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)，因為這樣最省事。同時，下行因受限于無源分路器的物理特性，PON口發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過無源分路器后平均分配至每一分路，其無源物理特性無法控制某一分路的通與不通，僅能實現(xiàn)單純分路功能，故下行依據(jù)物理分路特性實現(xiàn)了被動廣播的現(xiàn)象。

PON下行采用廣播，每個ONU都能收到其他ONU的數(shù)據(jù)，如何保證數(shù)據(jù)安全？

【答案】：ONU主動過濾，同時數(shù)據(jù)有加密。

【解析】：一方面，ONU會根據(jù)相應(yīng)的過濾條件主動過濾屬于自己的數(shù)據(jù)，如通過ONU ID（GEM-PORT ID）過濾接收屬于自己的數(shù)據(jù)；另一方面，OLT給每個ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)會進(jìn)行加密（如GPON的AES-128），且加密的密鑰是由每個ONU產(chǎn)生并發(fā)給OLT的，ONU不會知道其他ONU的密鑰，故也難解密屬于其他ONU的數(shù)據(jù)。

PON上行為何采用TDMA的方式傳輸數(shù)據(jù)呢？

【答案】：實現(xiàn)多ONU同時傳輸數(shù)據(jù)，公平競爭。

【解析】：PON的上行方向跟下行方向是反的，即指ONU到OLT的方向，這個方向發(fā)端與收端的數(shù)量對比關(guān)系是“多對一”的關(guān)系。既然是“多對一”的關(guān)系，肯定就不能讓每個ONU想當(dāng)然的發(fā)送數(shù)據(jù)了，否則就會存在同波長光信號疊加（如GPON的1310nm），OLT接收后也無法讀取數(shù)據(jù)，出現(xiàn)誤碼幀或未知幀提示，并將其丟棄。

所以這種情況就必須要有一種仲裁機(jī)制，來保護(hù)我們的上行數(shù)據(jù)傳輸不發(fā)生沖突。這個仲裁機(jī)制便是TDMA，它將上行鏈路分成不同的時隙，再將這些時隙根據(jù)需要分給不同的ONU，ONU在屬于自己的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。

因此，我們這里也看到，ONU的發(fā)光時間嚴(yán)格受OLT指定，它是不會主動發(fā)光的，也不會長時間發(fā)光的。一旦某個ONU主動發(fā)光了或者長時間發(fā)光了，這個ONU就是一個“流氓ONU”，會影響整個PON口下的業(yè)務(wù)。