无源光网络 (PON)

什么是无源光网络

无源光网络 (PON) 是一种光纤网络，利用点对多点拓扑和光分路器将数据从单个传输点传送到多个用户端点。在此上下文中，无源是指光纤和拆分/组合组件的未通电状态。

与有源光网络相比，仅在发送和接收点需要电力，从运行成本的角度来看，这使得 PON 具有固有的效率。无源光网络用于同时在上行和下行方向上向用户端点和从用户端点传输信号。

无源光网络组件和设备

光纤和分路器是 PON 真正的“无源”构件，不需要供电。光分路器不是波长选择性的，只是在下行方向上分割任何光波长，当然，光信号的分割会引起功率损耗，这取决于信号分割的方式数量。分路器不需要有源网络组件（例如光放大器）固有的冷却或其他持续维护，如果不受干扰，可以持续数十年。除了无源组件外，完全创建 PON 网络还需要有源终端设备。

光线路终端 (OLT) 是无源光网络的起点。它通过以太网可插拔设备连接到核心交换机。OLT 的主要功能是对 PON 网络的信号进行转换、成帧和传输，并协调光网络终端 (ONT) 复用以实现共享的上行传输。您还可以看到称为光网络单元 (ONU) 的最终用户设备，这只是两个主要标准机构（使用 ONT 的 ITU-T 和使用 ONU 的 IEEE）在术语上的不同，这两个术语实际上是可互换的，但取决于所使用的 PON 服务和标准（见下文）。

ONT 是位于网络的相对（用户）端的无源光网络系统的供电设备，并且包括用于家庭设备或网络连接的以太网端口。

无源光网络架构

PON 网络采用点对多点 (P2MP) 结构，利用光分路器将来自单个 OLT 的下行信号分成多条到达最终用户的下行路径，由相同的分路器将从最终用户返回到 OLT 的多条上行路径组合在一起。

点对多点光纤接入网具有光纤共享和低功耗的固有效率，被选为最可行的无源光网络架构。此架构于 1998 年通过 ATM-PON G.983.1 规范进行了标准化。

今天，由于不再使用异步传输模式 (ATM)，用于 G-PON 的 ITU-T G.984 标准已经取代了 ATM 标准。

PON 网络从位于服务提供商源位置的光线路终端 (OLT) 开始，通常称为本地或中心局，有时称为交换机或头端。从那里，光纤馈线电缆（或馈线光纤）被路由到无源分路器，以及备用光纤（如果使用的话）。然后，分配光纤从分路器连接到引入终端，引入终端可以位于街道机柜中，也可以位于安装在坑中、电线杆上甚至建筑物侧面的加固外壳中。然后，引入光纤提供从引入终端端口到最终用户 ONT/ONU 的最终一对一连接。在某些情况下，串联使用多个分路器，这称为级联分路器架构。

馈线光纤上承载的信号可以被拆分，以向多达 256 个用户提供服务，其中 ONU 或 ONT 转换信号并为用户提供互联网接入。下行 OLT 信号在到达最终用户之前被分割或拆分的方式的数量被称为分路器或分流比（例如 1:32 或 1:64）。 

在更复杂的配置中，其中射频视频与 PON 数据业务并行广播，或者附加的 PON 业务在相同的 PON 网络上共存，在中心/本地局使用无源 (MUX) 组合器来将视频覆盖波长和附加的 PON 业务波长合并到出站 OLT 馈线光纤上。

无源光网络操作

PON 操作中不可或缺的一项创新是波分复用 (WDM)，用于根据激光的波长（颜色）分离数据流。一个波长可用于传输下行数据，而另一个波长用于传输上行数据。这些专用波长因使用的 PON 标准而异，可以同时存在于同一根光纤上。 

时分多址 (TDMA) 是另一种技术，用于在由 OLT 管理的特定时间段内为每个最终用户分配上行带宽，以防止由于多个 ONT/ONU 同时上行传输数据而导致的 PON 分路器或 OLT 处的波长/数据冲突。这也被称为用于 PON 上行的突发模式传输。 

PON 业务的类型

自 20 世纪 90 年代问世以来，无源光网络 (PON) 技术不断发展，形成了多次迭代的 PON 网络拓扑结构。最初的无源光网络标准 APON 和 BPON 已经逐渐让位于新版本的带宽和整体性能优势。 

• G-PON

  由 ITU-T 开发的千兆位无源光网络（或 G-PON）利用基于 IP 的协议，因其在业务类型（包括语音、互联网和电视的“三网融合”应用）方面的出色灵活性而被公认。通用 G-PON 封装方法能够封装 IP、以太网、VoIP 等多种数据类型。

  G-PON 被认为是当今使用的事实上的 PON 标准，单模光纤上的网络覆盖距离在 20 到 40 千米之间，具体取决于采用的分流比。下行波长配置为 1490 纳米，上行波长配置为 1310 纳米，下行速率为 2.4 Gbps，上行速率为 1.2 Gbps。

• E-PON

  IEEE 的另一个无源光网络标准是以太网 PON（或 E-PON），它是为与以太网设备无缝兼容而开发的。基于 IEEE 802.3 标准，E-PON 不需要额外的封装或转换协议就可以连接到基于以太网的网络。这适用于上行和下行数据传输方向。

  传统的 E-PON 可以支持高达 1.25 Gbps 的上行和下行对称速度。与 G-PON 非常相似，E-PON 同样根据分流比提供 20 到 40 千米的范围，并且使用类似的 1310 纳米上行波长和 1490 纳米下行波长，因为此 E-PON 和 G-PON 不能部署在相同的 PON 网络上。

• 10G-EPON

  更先进的 10G-EPON 标准将上行和下行的速度提高到对称的 10 Gbps，此外，它使用 1577 纳米的下行波长和 1270 纳米的上行波长在与 E-PON 不同的波长上操作，这使得相同的 PON 能够同时用于 E-PON 和 10G-EPON，作为允许在现有的 PON 网络上无缝服务升级和容量增加的机制。

• XG(S)-PON

  10G 版本的 G-PON 称为 XG-PON。此新协议支持下行 10 Gbps 和上行 2.5 Gbps 的速度。虽然物理光纤和数据格式化约定与最初的 G-PON 相同，但与 10G-EPON 非常相似，波长已变化为下行 1577 纳米，上行 1270 纳米。同样，此调整使得相同的 PON 网络能够同时用于 G-PON 和 XG-PON。XG-PON 的增强版本是 XGS-PON，它使用与 XG-PON 相同的波长，并提供对称的 10 Gbps 上行和下行速率。

• NG-PON2

  超越 XG(S) 的是 NG-PON2，该技术利用具有多个 10G 波长的波分复用（上行和下行）来提供对称的 40 Gbps 服务。同样，NG-PON2 对 G-PON 和 XG/XGS-PON 使用不同的波长，使得这三种波长可以在同一个 PON 网络上共存。

  随着速度需求逐年持续增长，XG-PON、XGS-PON 和 NG-PON2 将提供一条升级路径，在大型多租户或企业客户端设置中以及作为无线 5G 网络的一部分，应该特别有益。

• 射频视频覆盖

  通过将射频 TV 信号（模拟或数字）调制到通常使用 1550 纳米波长的单个波长的光上，可以在 PON 上广播射频 TV 信号，这称为射频视频覆盖。

PON 应用

PON 有时被称为提供商和用户之间的“最后一英里”，或者光纤到 X (FTTX)，其中“X”表示家庭 (FTTH)、建筑物 (FTTB)、驻地 (FTTP) 或其他位置，具体取决于光纤的终端位置。到目前为止，光纤到户 (FTTH) 是 PON 的主要应用。 

无源光网络减少的布线基础设施（无有源元件）和灵活的媒体传输属性使其成为家庭互联网、语音和视频应用的理想选择。随着 PON 技术的不断完善，其潜在的应用领域也在不断扩大。

5G 的推出仍在继续，PON 网络出现了一个新的应用，即 5G 前传。前传是基带控制器和基站远程无线电头端之间的连接。 

由于 5G 对带宽和延迟的要求，利用 PON 网络完成前传连接可以在不影响性能的情况下减少光纤数量并提高效率。就像 FTTH 的源信号在用户之间进行分配一样，来自基带单元的信号可以分配到一系列远程无线电头端。

非常适合无源光网络的其他应用包括大学校园和商业环境。对于校园应用，PON 网络在速度、能耗、可靠性和接入距离方面具有明显优势，但主要会有建设/部署和持续运行的成本。 

PON 通过减少专用设备、布线和管理系统，实现了建筑物管理、安全和停车等校园功能的集成。同样，大中型商业综合体可以从无源光网络的实施中立即获益，安装和维护成本的降低会直接影响利润。

无源光网络的优势

• 高效使用电力

  PON 部署的固有优势是多方面的。这些优势中最基本的是接入网络不需要供电。由于只需要在信号的源端和接收端供电，系统中的电气元件更少，降低了维护要求，减少了用电设备发生故障的可能性。

• 简化的基础设施，易于升级

  无源架构还消除了对配线箱、冷却基础设施或中跨电子设备的需求。随着技术的发展，只有终端设备（OLT、ONT/ONU）需要升级或更换，因为光纤和分路器基础设施保持不变。

• 基础设施的有效利用

  所有运营商都需要从新的或现有的基础设施中获得尽可能多的服务，并在现有网络覆盖范围内获得服务容量。各种 PON 标准与 RF over Glass (RFoG) 或射频视频覆盖等服务相结合，可以在同一个 PON 上共存，以提供多种服务（三网融合），并在同一光纤上获得更多带宽。

• 易于维护

  被 PON 取代的铜缆网络非常容易受到电磁干扰和噪声的影响。由于是光网络，PON 网络不容易受到这种干扰，并且能在计划的距离内保持信号完整性。在 PON 网络中，我们主要需要关心的是有源设备（ONT、ONU 和 OLT）是否正确地管理了定时和信号传输，以及无源元件是否造成了过多的信号损失（光衰减）。损耗很容易看到，并且很容易在 PON 元件上确定原因，使得这些网络易于维护和进行故障排查。

无源光网络的限制

• 距离

  尽管有许多好处，但与有源光网络相比，无源光网络存在潜在的缺点。无源光网络的范围被限制在 20 到 40 千米之间，而有源光网络可以达到 100 千米。

• 测试接入

  故障排查在某些情况下可能具有挑战性，因为在设计 PON 时可能会忘记或忽略测试接入，并且测试工具必须允许进行在线故障排查，而不会中断对同一 PON 上的其他最终用户的服务。如果存在测试接入，则可以使用便携式或集中式测试解决方案（使用带外波长，例如 1650 纳米）执行测试，以避免与现有的 PON 波长发生任何冲突。如果不计划测试接入，则必须在 OLT 或 ONT 从一个或另一个端点获得接入，或者 PON 的一段必须暂时停止服务。

• 馈线线路或 OLT 极易发生故障

  由于 P2MP 架构的原因，馈线线路和 OLT 为多个最终用户（可能多达 256 个）提供服务。几乎没有冗余，在意外光纤切断或 OLT 故障的情况下，服务中断可能会很严重。

总体而言，无源光网络的固有优势大大超过了这些限制。

随着 PON 技术的不断提高，PON 部署的战略优势和经济优势越来越引人注目。未来几代产品的设计师面临的挑战包括更高的范围容量和更高的分路器比率，以进一步降低电缆成本。这些改进，加上现在达到 10 Gbps 及以上的速度，将有助于无源光网络继续扩展到智能城市、大学、医院和企业，构成未来的互联世界。