无源光网络（PON）是一种光纤电信技术，用于向最终用户提供宽带网络访问。 它的体系结构实现了点对多点拓扑，其中单根光纤通过使用无源（无源）光纤分路器在多个接入点之间分配光纤带宽，为多个端点提供服务。 无源光网络通常被称为Internet服务提供商（ISP）及其客户之间的“最后一英里”。[1] 1组成和特点 2历史 2.1 FSAN和ITU 2.2安全性 2.3 IEEE 3网络元素 4上行带宽分配 5个变体 5.1 TDM-PON 5.2 EPON或DPoE的DOCSIS设置 5.3玻璃上的射频 5.4 WDM-PON 5.5 TWDM-PON 5.6远程光接入网 6项技术 7光纤到处 8无源光学组件 9另请参见 10参考 11进一步阅读 12个外部链接

组成和特点

无源光网络由服务提供商中心办公室（hub）的光线路终端（OLT）和靠近最终用户的多个光网络单元（ONU）或光网络终端（ONT）组成。与点对点架构相比，PON减少了所需的光纤和中央局设备数量。无源光网络是光纤接入网络的一种形式。

在大多数情况下，下行信号会广播到共享多条光纤的所有场所。加密可以防止窃听。

上游信号使用多址协议（通常是时分多址（TDMA））进行组合。

历史

电气和电子工程师协会（IEEE）和国际电信联盟（ITU-T）的电信标准化部门这两个主要的标准组与许多其他行业组织一起制定了标准。电缆电信工程师协会（SCTE）还指定了玻璃上的射频，以便通过无源光网络传输信号。

FSAN和国际电联

从1995年开始，由主要电信服务提供商和系统供应商组成的全面服务访问网络（FSAN）工作组完成了光纤到家庭体系结构的工作。[2]国际电信联盟（ITU）进行了进一步的工作，并在两代PON上进行了标准化。较旧的ITU-T G.983标准基于异步传输模式（ATM），因此被称为APON（ATM PON）。对原始APON标准的进一步改进，以及逐渐不支持ATM的协议，导致完整的ITU-T G.983最终版本被更多地称为宽带PON或BPON。典型的APON / BPON提供了每秒622兆比特（Mbit / s）（OC-12）的下行带宽和155兆比特/秒（OC-3）的上行流量，尽管该标准适应更高的速率。

与BPON相比，ITU-T G.984支持千兆位的无源光网络（GPON）标准通过使用较大的可变长度数据包，在总带宽和带宽效率方面均表现出提高。同样，这些标准允许几种比特率选择，但是行业已经收敛到2.488吉比特/秒（Gbit / s）的下行带宽和1.244 Gbit / s的上行带宽。 GPON封装方法（GEM）允许通过帧分段非常有效地打包用户流量。

到2008年中，Verizon已安装了80万条生产线。英国电信，BSNL，沙特电信公司，Etisalat和AT＆T分别在英国，印度，沙特阿拉伯，阿联酋和美国进行了高级测试。 GPON网络现已在全球众多网络中部署，并且趋势表明GPON的增长高于其他PON技术。

G.987定义的10G-PON具有10 Gbit / s的下行速率和2.5 Gbit / s的上行速率–帧类似于“ G-PON”，旨在与同一网络上的GPON设备共存。[3]

安全

安全无源光网络（SPON）由电缆制造业务部门于2009年开发，以满足美国空军的SIPRNet要求，集成了千兆位无源光网络（GPON）技术和保护性分配系统（PDS）。

对NSTISSI 7003对PDS的要求的更改以及美国联邦政府对GREEN技术的要求，使得美国联邦政府可以考虑将这两种技术作为有源以太网和加密设备的替代方案。

美国陆军部首席信息官发布了一项指令，要求该技术在2013财年之前采用。该技术由Telos Corporation等公司销售给美军。[4] [5] [6] [7]

电气工程师学会

2004年，在IEEE 802.3的第一个英里项目中，以太网PON（EPON或GEPON）标准802.3ah-2004被批准为以太网的一部分。 EPON是使用以太网数据包，光纤电缆和单个协议层的“短途”网络。[1] EPON还使用标准的802.3以太网帧，具有每秒1 Gb对称的上行和下行速率。 EPON适用于以数据为中心的网络以及全方位服务的语音，数据和视频网络。已批准将10 Gbit / s EPON或10G-EPON作为IEEE 802.3av的修订版。 10G-EPON支持10/1 Gbit / s。下游波长计划支持同时在同一PON上同时运行IEEE 802.3av和IEEE 802.3ah的同时在一个波长上同时运行10 Gbit / s和在单独的波长上同时运行1 Gbit / s。上游通道可以在单个共享（1310 nm）通道上同时支持IEEE 802.3av和1 Gbit / s 802.3ah的同时运行。

2014年，已安装超过4000万个EPON端口，使其成为全球部署最广泛的PON技术。作为PON的DOCSIS规定（DPoE）规范的一部分，EPON还是电缆运营商业务服务的基础。

10G EPON与其他以太网标准完全兼容，无需转换或封装即可连接到上游或下游端的基于以太网的网络。这项技术可以与任何类型的基于IP的通信或分组通信无缝连接，并且由于在家庭，工作场所和其他地方普遍存在以太网安装，因此EPON的实施通常非常便宜。[1]

网络元素

PON利用波分复用（WDM）的优势，在一个单模光纤上将一个波长用于下行业务，而另一波长用于上行业务（ITU-T G.652）。 BPON，EPON，GEPON和GPON具有相同的基本波长计划，并且将1490纳米（nm）波长用于下行流量，并将1310 nm波长用于上行流量。 1550 nm保留用于可选的覆盖服务，通常是RF（模拟）视频。

与比特率一样，这些标准描述了几种光功率预算，最常见的是BPON和GPON的损耗预算为28 dB，但是已经宣布了使用更便宜的光学器件的产品。 28 dB对应约32 km的20 km。前向纠错（FEC）可能会在GPON系统上提供另外2-3 dB的损耗预算。随着光学性能的提高，28 dB的预算可能会增加。尽管GPON和EPON协议均允许较大的拆分比率（GPON最多可支持128个用户，EPON最多可支持32,768个用户），但实际上，大多数PON的拆分比率为1:32或更小。

PON由称为光线路终端（OLT）的中心局节点，称为光网络单元（ONU）或光网络终端（ONT）的一个或多个用户节点以及它们之间的光纤和分路器（称为光网络）组成分销网络（ODN）。 “ ONT”是ITU-T术语，用于描述单租户ONU。在多租户单元中，可以使用诸如双绞线以太网，G.hn（可以在任何现有家庭布线上运行的高速ITU-T标准）之类的技术将ONU桥接到单个住宅单元内的客户房屋设备。 -电源线，电话线和同轴电缆）或DSL。 ONU是终结PON并向用户提供客户服务接口的设备。一些ONU实现了一个单独的用户单元来提供诸如电话，以太网数据或视频之类的服务。

OLT提供PON和服务提供商的核心网络之间的接口。这些通常包括：

快速以太网，千兆以太网或10千兆以太网上的IP流量；
标准TDM接口，例如SDH / SONET；
ATM UNI的速度为155-622 Mbit / s。

ONT或ONU终结PON并向用户提供本机服务接口。这些服务可以包括语音（普通老式电话服务（POTS）或IP语音（VoIP）），数据（通常是以太网或V.35），视频和/或遥测（TTL，ECL，RS530等）。 ONU功能分为两部分：

ONU端接PON，并向用户提供融合接口，例如DSL，同轴电缆或多服务以太网。
网络终端设备（NTE），它接收聚合的接口并向用户输出本机服务接口，例如以太网和POTS。

PON是共享网络，因为OLT发送所有ONU都能看到的单个下行流量流。每个ONU仅读取寻址到它的那些数据包的内容。加密用于防止窃听下游流量。

上行带宽分配

OLT负责为ONU分配上行带宽。因为光分配网络（ODN）是共享的，所以ONU上游传输如果在随机时间传输会发生冲突。 ONU与OLT的距离可能不同，这意味着来自每个ONU的传输延迟是唯一的。 OLT测量延迟，并通过PLOAM（物理层操作，管理和维护）消息在每个ONU中设置一个寄存器，以均衡其相对于PON上所有其他ONU的延迟。

一旦设置了所有ONU的延迟，OLT就将所谓的授权发送给各个ONU。授权是允许使用定义的时间间隔进行上游传输。授予映射每几毫秒动态地重新计算一次。该映射为所有ONU分配带宽，以便每个ONU都能及时收到带宽以满足其服务需求。

某些服务（例如POTS）需要基本恒定的上行带宽，并且OLT可以为已提供的每个此类服务提供固定的带宽分配。 DS1和某些类别的数据服务也可能需要恒定的上游比特率。但是，许多数据流量（例如浏览网站）是突发性的且高度可变的。通过动态带宽分配（DBA），根据统计复用的流量工程概念，可以为上游流量超额订购PON。 （下游流量也可以被超额预订，就像任何LAN都可以被超额预订一样。PON架构中用于下游超额预订的唯一特殊功能是，ONU必须能够在时间上接受完全任意的下游时隙和大小。）

在GPON中，有两种形式的DBA：状态报告（SR）和非状态报告（NSR）。

在NSR DBA中，OLT连续为每个ONU分配少量的额外带宽。如果ONU没有流量要发送，它将在其多余的分配期间发送空闲帧。如果OLT观察到给定的ONU没有发送空闲帧，则会增加对该ONU的带宽分配。一旦传输了ONU的突发，OLT就从给定的ONU观察到大量空闲帧，并相应地减少了其分配。 NSR DBA的优点是不对ONU施加任何要求，而缺点是OLT无法知道如何最好地在需要更多的多个ONU之间分配带宽。

在SR DBA中，OLT轮询ONU的积压。一个给定的ONU可能有几个所谓的传输容器（T-CONT），每个都有自己的优先级或流量类别。 ONU将每个T-CONT分别报告给OLT。报告消息在T-CONT队列中包含积压的对数度量。通过了解整个PON中每个T-CONT的服务水平协议以及每个T-CONT的积压量，OLT可以优化PON上的备用带宽分配。

EPON系统使用与GPON的SR DBA解决方案等效的DBA机制。 OLT轮询ONU的队列状态，并使用MPCP GATE消息授予带宽，而ONU使用MPCP REPORT消息报告其状态。

变体

时分多址

APON / BPON，EPON和GPON已被广泛部署。 2014年11月，EPON部署了约4000万个端口，在部署中排名第一。[8]

截至2015年，GPON的市场份额较小，但预计到2020年将达到105亿美元。[9]

对于TDM-PON，在光分配网络中使用无源分光器。 在上行方向上，每个ONU（光网络单元）或ONT（光网络终端）突发都会为分配的时隙（在时域中复用）发送。 这样，OLT在任何时间点仅从一个ONU或ONT接收信号。 在下游方向上，OLT（通常）连续发送（或可以突发发送）。 ONU或ONT通过信号中嵌入的地址标签查看自己的数据。

EPON或DPoE的DOCSIS设置

电缆无绳数据服务接口规范（DOCSIS）的配置以太网无源光网络或DPoE是一组有线电视实验室规范，用于在现有以太网PON（EPON，GEPON或10G-EPON）媒体访问控制上实现DOCSIS服务层接口（MAC）和物理层（PHY）标准。简而言之，它在现有EPON设备上实现DOCSIS运营管理维护和配置（OAMP）功能。它使EPON OLT的外观和行为类似于DOCSIS电缆调制解调器终端系统（CMTS）平台（在DPoE术语中称为DPoE系统）。除了提供与CMTS相同的IP服务功能外，DPoE还支持城域以太网论坛（MEF）9和14服务，以便为企业客户提供以太网服务。

玻璃上的射频

玻璃上的射频（RFoG）是一种无源光网络，可传输以前通过PON在铜上（主要通过混合光纤同轴电缆）传输的RF信号。在正向，RFoG是一个独立的P2MP系统，或是一个用于现有PON（例如GEPON / EPON）的光覆盖。 RFoG的覆盖图基于波分复用（WDM）-单束玻璃上的波长的无源组合。通过将上游或返回RF传输到与PON返回波长不同的波长上，可以提供反向RF支持。电缆和电信工程师协会（SCTE）接口实践小组委员会（IPS）第5工作组目前正在研究Glass上的IPS 910 RF。 RFoG提供与现有RF调制技术的向后兼容性，但不为基于RF的服务提供额外的带宽。尽管尚未完成，但RFoG标准实际上是标准化选项的集合，这些选项彼此不兼容（不能在同一PON上混合使用）。一些标准可能与其他PON互操作，而另一些则可能不会。它提供了一种在仅光纤可用或不允许或不可行的位置支持RF技术的方法。该技术针对有线电视运营商及其现有的HFC网络。

波分复用

波分复用PON（WDM-PON）是一些公司开发的非标准类型的无源光网络。

WDM-PON的多个波长可用于将光网络单元（ONU）分离为在同一物理基础结构上共存的几个虚拟PON。可替代地，可以通过统计复用来共同使用波长，以提供有效的波长利用率和ONU所经历的较低延迟。

WDM-PON没有通用的标准，也没有一致同意的术语定义。根据某些定义，WDM-PON是每个ONU的专用波长。其他更宽松的定义建议在PON的任何一个方向上使用不止一个波长的就是WDM-PON。当没有这样的一致定义时，很难指出一个公正的WDM-PON供应商列表。 PON比传统的基于铜的接入网提供更高的带宽。由于每个ONU仅接收自己的波长，因此WDM-PON具有更好的保密性和更好的可伸缩性。

优点：因为OLT和ONU之间的P2P连接是在波长域中实现的，所以简化了MAC层，因此不需要P2MP媒体访问控制。在WDM-PON中，每个波长可以以不同的速度和协议运行，因此可以轻松实现按需购买的升级。

挑战：初始设置的成本很高，WDM组件的成本也很高。温度控制是另一个挑战，因为波长会随着环境温度的变化而趋于漂移。

TWDM-PON

时分和波分多路复用无源光网络（TWDM-PON）是2012年4月全面服务接入网络（FSAN）为下一代无源光网络第二阶段（NG-PON2）的主要解决方案。TWDM-PON与商业部署的千兆位PON（G-PON）和10千兆位PON（XG-PON）系统共存。

远程光接入网

长距离光接入网（LROAN）的概念是用从客户到网络核心的连续光路代替在本地交换机上进行的光/电/光转换。英国电信公司的戴维和佩恩的工作表明，减少本地交易所或电汇中心所需的电子设备和房地产可以节省大量成本。[10]概念验证演示者表明，可以以100 Gb / s的速度为100公里的距离服务1024个用户。[11]

这项技术有时被称为长距离PON，但是许多人认为PON不再适用，因为在大多数情况下，只有分布保持被动。

支持技术

由于PON的拓扑结构，下游（即从OLT到ONU）和上游（即从ONU到OLT）的传输模式是不同的。对于下行传输，OLT以连续模式（CM）向所有ONU广播光信号，即下行通道始终具有光数据信号。但是，在上行信道中，ONU无法在CM中传输光数据信号。 CM的使用将导致从ONU传输的所有信号都被功率分配器（用作功率耦合器）会聚（衰减）成一条光纤并重叠。为了解决该问题，上行信道采用突发模式（BM）传输。给定的ONU仅在分配了时隙并且需要发送时才发送光分组，并且所有ONU在时分复用（TDM）模式下共享上游信道。 OLT接收到的BM光数据包的相位在数据包之间是不同的，这是因为ONU不在同一相位上同步传输光数据包，并且OLT与给定ONU之间的距离是随机的。由于OLT和ONU之间的距离不均匀，因此OLT接收到的光分组可能具有不同的幅度。为了在短时间内（例如，对于GPON [12]在40 ns之内）补偿相位变化和幅度变化，需要突发模式时钟和数据恢复（BM-CDR）和突发模式放大器（例如突发模式TIA）分别被雇用。此外，BM传输模式要求发送器以突发模式工作。这种突发模式发射器能够在短时间内打开和关闭。 PON中的上述三种电路与点对点连续模式光通信链路中的三种电路有很大不同。

光纤到处

主要文章：纤维对x

无源光网络不使用电动组件来分离信号。而是使用分束器分配信号。每个分路器通常根据制造商的不同，将信号从单根光纤分为16根，32根或最多256根光纤，几个分路器可以集合在一个机柜中。分束器不能提供任何切换或缓冲功能，并且不使用任何电源。产生的连接称为点对多点链接。对于这种连接，客户端的光网络终端必须执行某些特殊功能，而这些功能在其他情况下是不需要的。例如，由于没有交换，离开中心局的每个信号都必须广播给该分离器所服务的所有用户（包括不希望接收信号的用户）。因此，由光网络终端来过滤掉要发送给其他客户的任何信号。另外，由于分离器没有缓冲，因此每个单独的光网络终端必须以多路复用方案进行协调，以防止客户发送的信号彼此冲突。实现此目的的两种类型的复用是可能的：波分复用和时分复用。通过波分复用，每个客户都使用唯一的波长传输信号。利用时分复用（TDM），客户可以“轮流”传输信息。 TDM设备在市场上销售时间最长。由于没有“ WDM-PON”设备的唯一定义，因此许多供应商声称已经发布了“第一款” WDM-PON设备，但是对于哪种产品是市场上的“第一款” WDM-PON产品没有达成共识。

与有源网络相比，无源光网络既有优点也有缺点。它们避免了使电子设备在户外运行所涉及的复杂性。它们还允许进行模拟广播，从而可以简化模拟电视的传送。但是，由于必须将每个信号发送到分配器服务的每个人（而不是单个交换设备），因此中心局必须配备一个功能特别强大的传输设备，称为光线路终端（OLT）。另外，由于每个客户的光网络终端都必须一直传输到中心局（而不是仅到最近的交换设备），因此需要扩展器来实现与中心局之间的距离，而基于外部设备的有源光缆可能会达到该距离网络。

光纤分配网络也可以设计成点对点“本地运行”拓扑，其中分路器和/或活动网络都位于中心局，从而允许用户接入光纤分配框架中所需的任何网络。

无源光学元件

现代无源光网络背后的驱动力是高可靠性，低成本和无源功能。

单模无源光学组件包括分支设备，例如波分复用器/解复用器（WDM），隔离器，循环器和滤波器。这些组件用于办公室间，环路馈送器，环路光纤（FITL），混合光纤同轴电缆（HFC），同步光网络（SONET）和同步数字体系（SDH）系统中；以及其他采用光通信系统的电信网络，这些光通信系统利用光纤放大器（OFA）和密集波分复用器（DWDM）系统。这些组件的建议要求由Telcordia Technologies于2010年发布。[13] [14]

无源光学组件的广泛应用包括多通道传输，分配，用于监视的光抽头，用于光纤放大器的泵浦组合器，比特率限制器，光学连接，路由分集，偏振分集，干涉仪和相干通信。

WDM是其中根据光信号的波长成分来分配或合并功率的光学组件。密集波分复用器（DWDM）是在至少四个波长上分配功率的光学组件。波长不敏感耦合器是无源光学组件，其中功率独立于光信号的波长成分进行分配或组合。给定的组件可以同时组合和划分光信号，就像在单根光纤上进行双向（双工）传输一样。无源光学组件是透明的数据格式，无论信号的信息内容如何，​​都以一定的预定比率（耦合比率）组合和分配光功率。 WDM可以被认为是波长分离器和组合器。波长不敏感的耦合器可以被认为是功率分配器和组合器。

光学隔离器是一种两端口无源组件，它使光（在给定波长范围内）在一个方向上具有低衰减地通过，而在反向方向上传播的光被隔离（为此提供高衰减）。隔离器既用作激光二极管模块和光学放大器中的集成组件，又用作串联组件，以减少高比特率和模拟传输系统中多路径反射引起的噪声。

光环行器的工作方式与光隔离器类似，不同之处在于，反向传播的光波被引导到第三端口进行输出，而不是丢失。光环行器可以用作双向传输，作为一种分支组件，可以根据光波的传播方向在光纤之间分配（和隔离）光功率。

光纤滤波器是具有两个或多个端口的组件，可提供对波长敏感的损耗，隔离和/或回波损耗。光纤滤光片是在线的，波长选择性的组件，允许特定范围的波长以低衰减通过（或反射），以对滤光片类型进行分类。