无源光纤网络

**無源光纖網路**（英語：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訊號處理，就像家裡的鏡子，不需要電就能反射影像，除了終端裝置需要用到電以外，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（英語：Next Generation Network）通訊觀念，電信網路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，後者光分歧器與分波多工元件均用到。

## 標準

* ITU-T G.983
  * **APON**（非同步傳輸模式 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，動態和高速上聯頻寬分配，和耐久性的支援。BPON 也創立了一個管理介面標準 OMCI，在 OLT 和 ONU/ONT 之間的授權混合供應商網路
* IEEE 802.3ah
  * **EPON 或 GEPON**（乙太網路 PON Ethernet Passive Optical Network）這是一個為使用乙太網路包資料的 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 支援更高的速率，增強的安全性和可選擇的第二層協定（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 ）正在進行進階試驗。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。
* IEEE P802.3av
  * **10G-EPON**（10 千兆乙太網路 PON）是一個為達到 10Gbit/s 速率的 IEEE 專門工程，向下相容 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 相容（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 的介面實踐分委員會標準，應用於有波長計劃相容資料 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介面開始於 20 世紀九十年代。全服務接入網路（Full Service Access Network）工作小組，隸屬於大的電信業者和裝置系統廠家。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 標準是基於非同步傳輸模式（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 協定一樣，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頻寬，但是一個典型的 APON/BPON 提供 622 兆位元每秒（Mbit/s）（OC-12）的下行頻寬和 155 兆每秒的上行頻寬。

ITU-T G.984（GPON）標準代表著對 BPON 的推動和比較，有著更高的總頻寬和頻寬使用效率，不同長度的包。這個標準准許位元速率的一些選擇，但是工業標準集合 2.488 千兆位元每秒（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排程。基於影格斷鏈，從而允許為延遲敏感排程如語音和影片通訊提供更高的服務品質（QoS）。

IEEE 802.3 乙太網路 PON（EPON 或 GEPON）標準在 2004 年完成，作為乙太網路第一英里專案的一部分，EPON 使用標準的 802.3 乙太網路影格和對稱的 1 千兆位元每秒的上行和下行速率。EPON 是以資料為核心的網路的一個應用包括全業務語音，資料和影片網路。10 千兆位元每秒（Gbps）的 EPON（10G-EPON）現在是 P802.3av 的一個小組任務。

PON 裝置具有波長方向多工復用（WDM）的優點，使用一個波長給下行排程和另一個波長給上行排程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 奈米波長和下行排程使用 1310 奈米波長。1550 奈米是預留給隨意疊加服務的，通常為 RF 影片。

同位元速率一樣，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。正向錯誤校正編碼（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 協定允許大的分配比率。（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 裝置是以 1 個上聯帶 32 個或更少的使用者。

一個 PON 裝置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）的分隔器在這兩個裝置之間。光纖網路終端是一個 ITU-T 術語，而 ONU 是一個 IEEE 術語。在多使用者單元中，ONT 可以使用傳統的乙太網路的雙絞線、Coax MoCA，或者 DSL 技術來橋接使用者自己的裝置和獨立住戶單元。一個 ONT 是一個 EPON 裝置和服務提供網路服務商到使用者的終端介面。一些 ONU 提供單獨的使用者單元來提供服務例如電話、乙太網路資料或者影片。

OLT 保證了 PON 和網路服務提供商之間的的介面，這通常包括：

* IP 協定（IP）排程超過千兆、10 千兆或者 100 兆位元每秒的乙太網路
* 標準時間分配復用（TDM）介面，例如 SONET 或者 SDH
* ATM UNI 在 155-622 Mbit/s

ONT 終止 PON 和現在的國家服務介面到終端使用者。這些服務能夠提供普通老式電話服務（POTS）或者 IP 語音（VoIP）、資料（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 和表現的融合介面– 例如 xDSL、coax 或者多服務乙太網路
* 網路終端環境（NTE），NTE 提供了分離，國家網路介面指向使用者。

一個 PON 是一個分享網路，在這些 OLT 傳送一個單獨的可以被所有 ONT 看到的流下行排程。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資料的偷聽。

## 上行頻寬分配

OLT 負責分配上行頻寬到 ONT。因為光分布網路（ODN）是共享的，若 ONT 在隨機時間傳送資料則可能造成 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，實體層操作和維護）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傳送資料。這個授權的對映每一毫秒動態重計算的。這個對映分配頻寬到所有 ONT，例如每一個 ONT 接收時間頻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頻寬，OLT 可以提供一個固定的頻寬分配給每一個這樣的被提供服務。DS1 和一些資料提供課程也許會要求固定上行位元速率。但是很多資料排程，例如網上衝浪，是突發和高可變的。雖然動態頻寬分配（DBA），一個 PON 能夠度量預定的上行排程，遵守 traffic engineering，概率復用概念。(下行排程能夠也被過量預定的，用同樣的方法任何區域網路都可以被過量預定。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頻寬到每一個 ONT。如果 ONT 沒有傳送排程，那它將會傳送空閒影格通過它的過量分配。如果 OLT 觀察一個給的 ONT 沒有傳送空閒影格，則就會增加頻寬分配到這個 ONT。一旦 ONT 突發傳送，OLT 觀察到指定的 ONT 有很多的空閒影格，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頻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排程容器（T-CONT），每一個有它本身的優先權或者排程類。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 佇列中。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 可以最佳化 PON 上的備用頻寬的分配。

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 為它們的佇列狀態，並同意頻寬使用 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

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

有線電纜資料傳輸系統服務介面規範（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路的無源光網路（EPON、GEPON 或 10GigEPON）上的 媒體接入控制（MAC）和實體層（PHY）標準來實現 DOCSIS 服務層介面的一個無源光網路。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 裝置保持了運營商現有的基於 DOCSIS 的運營管理平台，並以 EPON 的大頻寬能力取代基於 HFC 的有限頻寬。
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 系統為了傳送包括乙太網路 LAN 和乙太網路虛有私有連結（EVPL），和點到點乙太網路傳輸（ELINE）服務的乙太網路傳輸服務，也許可以選擇支援城域乙太網路論壇（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 訊號的一種無源光網路，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 支援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）介面實施子委員會（IPS）第五工作群組正在致力於 IPS 910 RF 在玻璃上。RF-PON 提供對於現有 RF 模式技術的向下相容，但沒有對 RF 基礎服務提供額外的頻寬。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援 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

波長分波多工 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使用者的上聯和下聯可用頻寬的無源光網路。 
WDM-PON 能夠在更長距離上提供更多頻寬通過奉獻更多的生光頻寬給每一個使用者，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。

## 無源光網路的賦能技術

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）向使用者傳送光訊號廣播。舉例來說，下聯通道總存在資料光訊號。然而，在下聯通道，ONU 能夠以連續模式傳輸光資料訊號。這樣所有的從 ONU 傳輸的訊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）。當被分配一個時槽和需要被傳送時，給定的 ONU 傳送一個光包，並且所有的 ONU 通過分時多工模式（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資料恢復（BM-CDR）和突發模式放大器（例如，突發模式 TIA）需要被分別呼叫。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 中的副本在對等連續模式光通訊連結中是非常不同的。

## 光纖到戶

無源光網路不用使用電源組件去劃分訊號。訊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，使用者端光纖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，每一個訊號離開中央辦公室（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訊號）。因此在光纖網路終端過濾掉預期給其他使用者的訊號。還有，當分束器不能執行緩衝，每一個單獨的光纖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訊號在交叉點上不發生碰撞。兩種復用方式都可以實現：波長分波多工和分時多工。波長分波多工中，每一個使用者使用一個單獨的波長來傳輸訊號。在分時多工中，使用者「輪流」傳輸資訊。在 2007 年早期，只有分時多工是技術上可行的。和有源光網路相比，無源光網路的優點和缺點都非常明顯。無源光網路避免了呼叫複雜的室外電子裝置。無源光網路也同時允許傳輸簡單的類比電視訊號的類比訊號廣播。然而，因為每一個訊號必須被推播給所有同一個分束器下的使用者（相對於僅一個訊號的交換裝置），中央辦公室必須配備一個特別強有力的稱為光路終端（OLT）的傳輸裝置。另外，因為每一個使用者的光纖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裝置），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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Rubenstein, Roy. Broadband Access Networks: PON Life （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）