无源光网络-PON

一、无源光网络-PON简介1.1 无源光网络定义无源光网络PON是一种点到多点的光纤接入技术全程采用无源光器件光分路器、光纤、光接头等无电源、无电子电路实现信号传输。1.2 核心要点1.2.1 特点无源中间分光器线路无电源、无电子设备可靠性高、成本低、易维护。点到多点一根主干光纤通过分光器分给多个用户共享。单纤双向上下行数据在同一根光纤传输通常用波分复用WDM或时分复用TDM1.2.2 组网1.2.3 功能光路终端-OLTOLT 真机设备参考图OLT 机框槽位布局示意图OLT 功能模块参考图1. ODN 接口功能概述这是 OLT 的光物理层接口负责与 ODN光纤和分光器进行连接。简介主要功能包括光信号的发送Tx和接收Rx实现电光 / 光电转换以及光功率控制、链路检测等。它是整个 PON 网络的物理入口。2. PON TC 功能概述这是 PON 的传输汇聚层负责处理 PON 特有的协议和数据封装。简介核心功能包括帧封装与解封装将上层数据封装成 PON 帧如 GPON 的 GTC 帧、EPON 的以太网帧或反之。媒质接入控制MAC通过 TDMA时分多址技术管理和调度多个 ONU 的上行数据传输避免冲突。测距与同步测量各 ONU 到 OLT 的距离实现精确的时间同步确保数据准确到达。OAM操作、管理、维护处理链路状态、故障检测、性能监控等管理信息。3. 交叉连接功能区概述这是 OLT 的核心交换矩阵负责在不同的 PON 端口和业务端口之间进行数据转发。简介它像一个高速交换机能够将从某个 PON 端口ODN 接口接收到的用户数据根据目的地址或 VLAN 信息转发到对应的业务端口业务适配反之亦然。它实现了 OLT 内部的高效数据交换和路由。4. 业务功能区概述负责将 PON 网络的数据格式与运营商提供的各种业务进行适配。简介业务适配主要功能是进行协议转换和数据映射。例如将 PON TC 层的 GEM 帧GPON映射为标准的以太网帧或者将 TDM 业务如 E1/T1封装到 PON 帧中。它确保了来自不同业务如互联网、语音、IPTV的数据都能在 PON 网络中透明传输并在对端正确还原。光网络单元-ONUONU 功能模块参考图ONU 真机设备参考图二、GPON-工作原理2.1 数据转发2.1.1 下行数据-广播下行数据转发方式-广播-示意图GPON 下行采用广播方式帧长固定为 125μs所有 ONU 均可收到相同数据通过GEM PORT ID区分不同 ONU 的数据ONU 再通过过滤只接收属于自己的部分。OLT 为每条用户业务流如宽带、IPTV分配唯一的GEM PORT ID封装在下行 GEM 帧中并将其映射到对应的 ONU 端口或业务类型。2.1.2 上行数据-TDMA上行数据转发方式-TDMA-示意图GPON 上行采用TDMA时分多址方式传输数据OLT 将上行链路划分为多个时隙并通过下行帧中的upstream bandwidth map字段为每个 ONU 分配专属的上行发送时隙避免多 ONU 同时发送造成数据冲突。PON对比传统以太网PON是点对多点架构逻辑上多个ONU通过一根光纤与 OLT 连接而传统以太网是点对点汇聚设备的每个物理接口连接一独立的接入设备。通过TDMA技术OLT按照时隙分辨数据属于哪个ONU例如时隙1收到的数据是ONU1从而避免信号冲突导致OLT无法分辨数据属于哪个ONU。2.2 GPON 业务映射关系上下行数据帧-结构示意图2.2.1 上行复用GEM PortGEM Port 就是 GPON 里用来承载同一 ONU 下同一类业务的最小虚通道。同一个 ONU 物理口比如 LAN1里的相同业务 / 相同 VLAN映射到相同 GEM Port由 OLT 分配唯一的GEM PORT ID用于唯一标识 OLT 与单个 ONU 之间一条业务虚通道 ** 的 12 位 ID 号0~4095用于在下行广播中精准区分不同业务。T-CONT是承载多个 GEM Port 的 “容器”用于管理和调度上行带宽。每个 T-CONT 会被 OLT 分配一个Alloc-ID用于在 TDMA 机制中标识和分配上行时隙。一个 ONU 可以拥有多个 T-CONT以承载不同优先级或类型的业务如语音视频。ONU 端口Port是用户侧的物理接口如以太网口、POTS 口直接连接用户设备。一个 ONU 端口的业务流会被封装到对应的 GEM Port 中再由 T-CONT 进行统一调度2.2.2 下行复用2.2.3 数据封装以太网数据帧-GEM数据帧-封装示意图数据提取从以太网帧中剥离物理层同步信息帧间隙、前导码、SFD 等将DA目的 MAC、SA源 MAC、长度 / 类型、MAC 客户端数据、FEC等核心数据部分完整提取。GEM 封装将提取的以太网核心数据作为GEM Payload并自动添加一个5 字节的 GEM 帧头包含 PLI、Port ID、PTI、HEC 字段形成完整的 GEM 帧。映射优势这种映射方式对用户数据透明传输格式清晰、设备易实现同时通过 Port ID 等字段实现了业务隔离与管理兼容性良好是 GPON 承载以太网业务的标准方式。三、GPON-关键技术3.1 ONU-测距假设OLT分配时隙1属于ONU1、时隙2属于ONU2然而ONU2距离OLT比ONU1近若不测距ONU2在时隙2发送的数据比ONU1提前到达OLTOLT会误认为该数据属于ONU1从而进行错误转发。测距就是补偿传输延迟让所有 ONU 的信号准时落到自己的时隙不冲突、不错乱保证 TDMA 正常工作。PON 中 ONU 测距原理基于图示获取往返延迟RTDOLT 对每个 ONU 单独执行Ranging 测距发送测距帧并记录往返时间Round Trip Delay, RTD再根据光在光纤中的传播速度约200,000 km/s计算物理距离。例RTD110 μs→ 距离 (10 μs × 200,000 km/s) / 2 1 km例RTD220 μs→ 距离 2 km例RTD330 μs→ 距离 3 km计算均衡延迟EqDOLT 基于各 ONU 物理距离分配均衡延迟EqD对远距离 ONU 分配更小 EqD更早发送对近距离 ONU 分配更大 EqD延迟发送通过时延补偿让所有 ONU 上行数据逻辑上同时到达 OLT再配合 TDMA 时隙实现有序传输、避免冲突。3.2 上行动态带宽分配-DBA核心作用高效复用带宽多个 ONU 共享同一根上行光纤DBA 会根据各 ONU 的实时带宽需求动态分配时隙避免固定时隙造成的带宽浪费提升整体带宽利用率。保障业务 QoS对不同业务如语音、视频、数据划分优先级优先保障高优先级业务如 VoIP、IPTV的带宽需求实现时延、抖动的可控。公平分配资源在满足各 ONU 最小带宽承诺的基础上合理分配剩余带宽避免个别 ONU 独占资源保证接入公平性。适配突发流量对突发型数据业务如网页浏览、文件下载可快速响应带宽申请提升用户体验。3.2.1 工作机制 SR-DBASR-DBA 实现过程演示图SR-DBA 是基于状态报告的动态带宽分配机制核心是 ONU 主动上报带宽需求OLT 动态调度并授权时隙。核心流程结合图示需求上报ONU 内各业务队列T-CONT统计待发送数据量生成DBA 报告并通过上行控制通道上报给 OLT。带宽计算OLT 接收所有 ONU 的 DBA 报告后通过DBA 算法逻辑结合各 T-CONT 的优先级、最小带宽承诺和总上行带宽计算每个队列应分配的时隙。授权下发OLT 将计算结果封装为BW Map带宽映射表通过下行通道广播给所有 ONU明确每个 ONU 及对应 T-CONT 的发送时隙和时长。数据发送ONU 收到 BW Map 后由ONU 调度器按授权时隙控制各 T-CONT 队列在指定时间窗口发送上行数据最终在 OLT 侧按时间片Time slot有序接收。类型中文名称核心特性Type 1固定带宽100% 预留不参与共享无论是否有流量都占用带宽用于语音等实时业务Type 2保证带宽承诺最小带宽空闲时可被共享有流量时优先保障用于IPTV等视频业务Type 3非保证带宽共享带宽无最低保障仅在剩余带宽中分配用于企业专线Type 4尽力而为带宽完全共享优先级最低剩余多少用多少用于普通上网Type 5全类型组合用于多业务综合承载3.3 GPON组网保护3.3.1 Type B 保护项目Type B 单归属Type B 双归属主备位置同一台 OLT 的两个 PON 口主OLT1备OLT2保护范围PON 口、主干光纤、板卡整台 OLT 主干光纤优点配置简单、成本低、倒换快单机掉电 / 故障不影响业务缺点OLT 整机故障 → 业务中断配置复杂、需要两台 OLT适用场景普通政企、园区、可靠性一般高可靠、需防 OLT 单点故障3.3.2 Type C保护项目Type BType CONU 端口单 PON 口双 PON 口保护范围OLT、主干光纤、分光器全链路OLT、主干、分光、分支光纤、ONU 光口分支光纤故障不保护保护成本低高部署复杂度简单复杂双分光、双路由倒换速度快≤50ms稍慢适用场景常规高可靠企业、园区极高可靠政务、金融、医疗