無源光網絡

無源光纖網路（Passive optical network）又稱被動式光纖網路，為光纖通訊網路的一種，其特色為不用電源就可以完成信號處理，就像家裡的鏡子，不需要電就能反射影像，除了終端設備需要用到電以外，其中間的節點則以精緻小巧的光纖元件構成。

以新一代網路NGN（Next Generation Network）通信觀念，電信網絡可以粗分為核心網路與接入網路兩部份。核心網路相當於傳統的中繼及長途線路。接入網路則有光纜環。核心網路與接入網路的功能不同，其傳輸形態也不同，因此PON的應用又可分為核心網路的PON及接入網路PON兩大類型。前者以分波多工（WDM）為主，後者光分路器與分波多工元件均用到。

## 標準

- ITU-T G.983
- APON（異步傳輸模式PON， ATM Passive Optical Network）。這是第一種被動式光網路標準，它基於ATM，主要用於商業應用。
- BPON（寬頻PON，Broadband Passive Optical Network）這是一個基於APON的標準.這個標準增加了對WDM，動態和高速上聯帶寬分配，和耐久性的支持。BPON也創立了一個管理接口標準OMCI，在OLT和 ONU/ONT之間的授權混合供應商網路
- IEEE 802.3ah
- EPON或GEPON（乙太網絡PON Ethernet Passive Optical Network）這是一個為使用乙太網絡包數據的IEEE/EFM標準。802.3ah標準現在是IEEE 802.3標準的一部分。現在大約有一千五百萬正在使用的EPON埠。2008年，中國大力發展EPON技術。據估算，截止至2008年底，中國總共有200萬個EPON安裝使用者。
- ITU-T G.984
- GPON（千兆PON，Gigabit Passive Optical Network）這是BPON標準的發展。GPON支持更高的速率，增強的安全性和可選擇的第二層協議（ATM、GEM、Ethernet）。在2008年中旬，弗萊森電訊已經安裝80萬線。英國電信（British Telecom）和美國電話電報公司（AT&T）正在進行高級試驗。其它一些公司如獨立光網路有限公司（Independent fiber networks LTD）正和服務提供商如See the Light合作提供更高速的GPON連接和光纖到戶。
- ITU-T G.984.x
- XGS-PON（10G對稱光無源網路，10-Gigabit-capable Symmetric Passive Optical Network）是一種新一代光纖技術，提供對稱的 10 Gbps 上傳和下載速度，顯著快於舊的 GPON，支持即時文件傳輸、無延遲流媒體以及對雲/物聯網的強力支持。它使用不同的光波長（上行 1270nm，下行 1577nm）來與 GPON 共享光纖，便於平滑升級且不影響服務中斷，適合對家庭和企業的高要求需求。
- IEEE P802.3av
- 10G-EPON（10千兆乙太網PON）是一個為達到10Gbit/s速率的IEEE專門工程，向下兼容802.3ah標準的EPON。10GigEPON將會使用分隔波長給10G和1G下行。802.3av繼續使用單獨波長TDMA隔離為在10G和1G間的上行。10G-EPON也與WDM-PON兼容（依據WDM-PON的定義)。這使得使用多波長在兩個方向之間變為可能。
- SCTE IPS910
- RFoG（RFoverGlass）是一個 SCTE的接口實踐分委員會標準，應用於有波長計劃兼容數據PON解決方案的點對多點（P2MP）操作，例如EPON、GEPON或10GigEPON。RFoG提供了一個光纖到戶PON（FTTH PON）就像不一定要選擇或者部署PON的MSOs架構。

## 歷史

早期工作在有效光纖到家的接口開始於20世紀九十年代。全服務接入網路（Full Service Access Network）工作小組，隸屬於大的電信運營商和設備系統廠家。自從制訂了兩代PON的標準後，國際電信聯盟（ITU）做了更多的工作。更老的ITU-T G.983標準是基於異步傳輸模式（ATM），這樣的PON稱為APON（ATM PON）。然後，最原始的APON標準被改進了。和逐漸完善的ATM協議一樣，最全的最終版本為ITU-T G.983，被通常稱為寬頻PON（Broadband PON）。雖然APON/BPON 宣稱一個很高的速率帶寬，但是一個典型的APON/BPON 提供622兆比特每秒（Mbit/s）（OC-12）的下行帶寬和155兆每秒的上行帶寬。

ITU-T G.984（GPON）標準代表著對BPON的推動和比較，有著更高的總帶寬和帶寬使用效率，不同長度的包。這個標準准許比特率的一些選擇，但是工業標準集合2.488千兆比特每秒（Gbit/s）的下行速率和1.244 Gbit/s的上行速率。GPON封裝方法（GEM）允許非常有效率的包的使用者調度。基於幀斷鏈，從而允許為延遲敏感調度如語音和影片通信提供更高的服務質量（QoS）。

IEEE 802.3乙太網PON（EPON或GEPON）標準在2004年完成，作為乙太網第一英里項目的一部分，EPON使用標準的802.3乙太網幀和對稱的1千兆比特每秒的上行和下行速率。EPON是以數據為核心的網路的一個應用包括全業務語音，數據和影片網路。10千兆比特每秒（Gbps）的EPON（10G-EPON）現在是P802.3av的一個小組任務。

PON設備具有波長方向多工復用（WDM）的優點，使用一個波長給下行調度和另一個波長給上行調度在一個單獨的無零分散漂移光纖（ITU-T G.652）。BPON、EPON、GEPON和 GPON有相同的基本波長計劃，上行使用1490納米波長和下行調度使用1310納米波長。1550納米是預留給隨意疊加服務的，通常為RF影片。

同比特率一樣，這個標準描述了一些光功率，BPON和GPON通常是28dB的小功率的，但是產品也通常宣稱使用更小的功率。28dB符合20公里的32路分裂。前向糾錯編碼（FEC）可以為GPON系統提供另外的2-3分貝衰耗預算。隨著光的改進，28分貝預算將會被增加。雖然GPON和EPON協議允許大的分配比率。（高於128使用者的GPON，大於32,768使用者的EPON）。在實際中大部分PON設備是以1個上聯帶32個或更少的使用者。

一個PON設備包含一個中央辦公節點，稱為光連結終端（OLT），一個或多個使用者節點，稱為光纖網路單元（ONU）或者光纖網路終端（ONT），和一個光纖和一個稱為光分布網路（ODN）的分隔器在這兩個設備之間。光纖網路終端是一個ITU-T術語，而ONU是一個IEEE術語。在多用戶單元中，ONT可以使用傳統的乙太網的雙絞線、Coax MoCA，或者DSL技術來橋接使用者自己的設備和獨立住戶單元。一個ONT是一個EPON設備和服務提供網路服務商到使用者的終端接口。一些ONU提供單獨的使用者單元來提供服務例如電話、乙太網數據或者影片。

OLT保證了PON和網路服務提供商之間的接口，這通常包括：

- IP協議（IP）調度超過千兆、10千兆或者100兆比特每秒的乙太網
- 標準時間分配復用（TDM）接口，例如SONET或者SDH
- ATM UNI在155-622 Mbit/s

ONT終止PON和現在的國家服務接口到最終使用者。這些服務能夠提供普通老式電話服務（POTS）或者IP語音（VoIP）、數據（通常為網際網路或者V.35、影片和/或遙測——TTL、ECL、RS530等等）。通常ONT的功能分割成兩部分：

- ONU：終止PON和表現的融合接口– 例如xDSL、coax或者多服務乙太網
- 網路終端環境（NTE），NTE提供了分離，國家網路接口指向使用者。

一個PON是一個分享網路，在這些OLT發送一個單獨的可以被所有ONT看到的流下行調度。每一個ONT只能讀到那些對應本ONT的包的內容。加密用於防止對下行數據的偷聽。

## 上行帶寬分配

OLT負責分配上行帶寬到ONT。因為光分布網路（ODN）是共享的，若ONT在隨機時間發送數據則可能造成ONT上行傳輸的衝突（collide）。由於每個ONT與OLT的距離一定，其傳輸延遲也一定。這就使得OLT可以測量延遲並且記錄下來，然後通過PLOAM（physical layer operations and maintenance，物理層操作和維護）資訊均衡延遲。

當所有的ONT延遲被確定，OLT傳輸就授權給獨立的ONT。一個授權允許使用一個清晰間隔的時間向上行發送數據。這個授權的映射每一毫秒動態重計算的。這個映射分配帶寬到所有ONT，例如每一個ONT接收時間帶寬為它的服務的需要。

一些服務——例如POTS，要求實質上的固定的上行帶寬，OLT可以提供一個固定的帶寬分配給每一個這樣的被提供服務。DS1和一些數據提供課程也許會要求固定上行比特率。但是很多數據調度，例如網上衝浪，是突發和高可變的。雖然動態帶寬分配（DBA），一個PON能夠度量預定的上行調度，遵守traffic engineering，機率復用概念。(下行調度能夠也被過量預定的，用同樣的方法任何區域網都可以被過量預定。為一個下行預定過量特性在PON中是ONT必須可以接受所有任意的包括時間和大小的下行時間縫概念。

在GPON中這是DBA的兩種形式，狀態報告（SR）和沒有狀態報告（NSR）。

在NSR DBA中，OLT繼續分配一個小額額外帶寬到每一個ONT。如果ONT沒有發送調度，那它將會傳送空閒幀通過它的過量分配。如果OLT觀察一個給的ONT沒有發送空閒幀，則就會增加帶寬分配到這個ONT。一旦ONT突發傳送，OLT觀察到指定的ONT有很多的空閒幀，然後相應減少它的分配。NSR DBA有在ONT實行沒有要求的優點，同時也存在OLT沒有辦法得知怎樣最佳的分配帶寬到通過幾個需要更多的ONT上。

在SR DBA中，OLT選舉ONT為了它們的待辦事項。一個給定的ONT也許有一些所謂的地調度容器（T-CONT），每一個有它本身的優先權或者調度類。ONT報告每一個T-CONT分開到OLT。這些報告資訊包含一個對數的代辦事務的測量在T-CONT隊列中。通過了解整個PON上每個T-CONT的服務級別許可，以及每個T-CONT的積壓大小，OLT可以優化PON上的備用帶寬的分配。

EPON系統使用一個DBA機構相等於GPON中的SR DBA解決方案。OLT選擇ONU為它們的隊列狀態，並同意帶寬使用MPCP GATE資訊，當ONU報告它們的狀態使用MPCP GATE資訊

## PON的不同技術

### TDM-PON

APON/BPON和EPON/GEPON都被廣泛發展了，但2008年絕大多數網路設計使用GPON或者GEPON。GPON有至少2百萬個已安裝埠。GEPON有將近一千五百萬已發展埠。

### DOCSIS over EPON 或稱為 DPON

有線電纜數據傳輸系統服務接口規範（DOCSIS）PON，或者稱為D-PON/DPON，是由幾家公司提議，並由Cable Labs負責領導推動的，以現有的基於乙太網的無源光網絡（EPON、GEPON或10GigEPON）上的 媒體接入控制（MAC）和物理層（PHY）標準來實現DOCSIS服務層接口的一個無源光網絡。對應的標準是DPoE（Docsis Provisioning of EPON）。截止2011年3月，該規範的I01版本已經由Cable Labs發布。

總體說來，DPON設備保持了運營商現有的基於DOCSIS的運營管理平台，並以EPON的大帶寬能力取代基於HFC的有限帶寬。

DPoE技術使得EPON的OLT像一個DOCSIS電纜數據機終端系統（CMTS）平台，而ONU/ONT則可以對應於CM。

一些DPON系統為了發送包括乙太網LAN和乙太網虛有私有連結（EVPL），和點到點乙太網傳輸（ELINE）服務的乙太網傳輸服務，也許可以選擇支持城域乙太網論壇（MEF）9和14標準。在這些實例中DPON系統也可一扮演一個IP/MPLS提供者邊緣（PE）路由器。

### RF-PON，或稱RFoG

廣播頻率PON或者玻璃上的廣播頻率（RFOG）或者混合光纖同軸PON（HFC-PON）或者電纜PON，是傳輸現有通過PON電纜傳輸（通常是通過混合光纖和同軸電纜）的RF信號的一種無源光網絡，傳輸在RF-PON的正向是一個獨立的點到多點系統 或者一個通過現存PON如GPON或者GEPON/EPON的光覆蓋。RF-PON的覆蓋工作是和一些CWDM PON或者潛在的WDM-PON覆蓋工作相同的。相反RF支持是被傳輸上聯或者返回RF到一個單獨的lamda從PON返回波長提供的。因為標準沒有完成所以實施根據提供者有所不同。電纜和電信工程師社會（SCTE）接口實施子委員會（IPS）第五工作組正在致力於IPS 910 RF 在玻璃上。RF-PON提供對於現有RF模式技術的向後兼容，但沒有對RF基礎服務提供額外的帶寬。這意味著在只有光纖可以到達而電纜不能提供或者可行的地點支持RF技術。這項技術是標記於向電纜電視操作者和他們現有的HFC網路。

### WDM-PON

波分復用PON，或者稱為WDM-PON，這是一種被一些公司最先使用，並利用多光波長從而增加到終端用戶的上聯和下聯可用帶寬的無源光網絡。

WDM-PON能夠在更長距離上提供更多帶寬通過奉獻更多的生光帶寬給每一個使用者，並且通過增加連結損失預算到每一個波長，使在每一個分束器導致的光衰耗降低敏感，WDM-PON的多波長是一個能夠被應用到每一個單獨的光網路單元（ONU）到一些虛擬PONs的共存在一些物理公共建設。或者波長能夠被收集通過通過統計復用從而保證波長唯一和ONU更低的延遲經驗。沒有一個WDM-PON標準被沒有異議的被所有組織接受。根據一些WDM-PON的定義，WDM-PON對每一個ONU都有一個專用的波長一些其他更自由的定義建議在任何一個方向上使用了多於一個波長的PON就是WDM-PON。在沒有一個無異議的定義的情況下，讓WDM-PON的提供商指出一個沒有偏見的列表是困難的。

## 無源光網絡的賦能技術

依據PON的拓撲結構，它的上聯傳輸模式（如ONU到OLT）和下聯傳輸模式（如OLT到ONU）是不同的。對下聯傳輸來講，OLT以連續模式（CM）向使用者發送光信號廣播。舉例來說，下聯通道總存在數據光信號。然而，在下聯通道，ONU能夠以連續模式傳輸光數據信號。這樣所有的從ONU傳輸的信號都會通過功率分配器（作為功率耦合器）匯聚（隨著衰減）和重疊到一個光纜。為了解決這一問題，上聯通道採用了突發模式傳輸（BM）。當被分配一個時隙和需要被傳送時，給定的ONU傳送一個光包，並且所有的ONU通過時分復用模式（TDM）來分享上聯通道。當ONU不是在同一間隔同步傳輸光包時，或者OLT和給定的ONU之間的距離是隨機的時候，這個突發模式光包，包與包之間通過OLT被接受的間隔是不相同的。當OLT與ONU之間的距離是不同一的時候，被OLT接受的光包可能有不同的振幅。,補償間隔不同和振幅不同突發模式時鐘和數據恢復（BM-CDR）和突發模式放大器（例如，突發模式 TIA）需要被分別調用。此外，突發模式傳輸點要求傳輸者工作在突發模式下。這樣一個突發模式傳輸者能夠在短時間之內被打開或者關閉。上述三種電路在PON中的副本在點對點連續模式光通信連結中是非常不同的。

## 光纖到戶

無源光網絡不用使用電源組件去劃分信號。信號分布的使用分束器。區別於製造商，每一個分束器通常把一根光纖劃分成16，32或者64根子光纖，並且一些分束器能夠聚合一個單獨的電纜。一個分束器不能提供任何交換或者緩衝能力；這種連接被稱為點到多點連結對於這樣的連接，使用者端光網路終端必須執行一些要求不能被其他方法實現的特殊功能。例如，依據路由能力的缺失，每一個信號離開中央辦公室（co）必須被廣播給所有的被同一分光器下的使用者（包括那些不是被預期的信號）。因此在光網路終端過濾掉預期給其他使用者的信號。還有，當分束器不能執行緩衝，每一個單獨的光網路終端必須和一個復用系統協調工作以保障離開使用者的信號在交叉點上不發生碰撞。兩種復用方式都可以實現：波分復用和時分復用。波分復用中，每一個使用者使用一個單獨的波長來傳輸信號。在時分復用中，使用者「輪流」傳輸資訊。在2007年早期，只有時分復用是技術上可行的。和有源光網路相比，無源光網絡的優點和缺點都非常明顯。無源光網絡避免了調用複雜的室外電子設備。無源光網絡也同時允許傳輸簡單的模擬電視信號的模擬信號廣播。然而，因為每一個信號必須被推送給所有同一個分束器下的使用者（相對於僅一個信號的交換設備），中央辦公室必須配備一個特別強有力的稱為光路終端（OLT）的傳輸設備。另外，因為每一個使用者的光網路終端必須傳送所有的通路到中央辦公室（而不是僅僅發到最近的交換設備），使用者不能像有源光網路一樣的遠離中央辦公室。

## 參考文獻

- Kramer, Glen, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill Communications Engineering, 2005.
- Blake, Victor R. Chasing Verizon FiOS, Communications Technology, August 2008
- Rubenstein, Roy. Broadband Access Networks: PON Life