2.1.1 光纤接入组网技术

对于铜缆而言，光纤拥有几乎无限的带宽。光纤光缆代替铜缆的光进铜退的应用，极大地降低了接入网的维护成本，同时提高了网络整体的质量。

无源光网络（PON）的出现为运营商最后一公里（从中心局到用户的部分）提供了一个可行的解决方案。PON技术以光纤为主干传输媒质，光纤、铜缆或者无线作为用户末端传输媒质，可以使多个用户共享一个连接，在中间路径中不需要任何有源器件，大大降低了维护成本。

PON的光分配网络（Optical Distribution Network，ODN）由光分路器（Splitter）、光纤连接器、光分纤盒等无源器件组成。PON通过无源光分路器分配或汇聚各个光网络单元/光网络终端（ONU/ONT）的信号，图 2-1 阐明了其典型结构。

在运营商的局端电信机房，数据和语音业务合成在一起通过 1 490 nm波长向下行方向传送；上行数据流使用 1 310 nm波长；视频业务使用 1 550 nm波长从局端向用户端传送。PON由设置在局端机房的光线路终端（OLT）、临近终端用户的ONU/ONT以及光分配网络ODN组成。OLT是PON和上层城域网之间的接口；ONU作为终端用户的服务接口；光分配网络ODN通过无源器件将一路光信号分成多路光信号传输至各个终端ONU。光分路器的分路比范围可以是 2～64，比较典型的分路比值为 8，16，32 或 64。现网中部署的PON系统通常情况下从局端机房到终端用户的光传输距离最大可达 20 km。

OLT 通常设置于运营商的局端机房，控制通过ODN传输的整个PON的双向数据流，OLT支持的传输距离通常要求达到 20 km。在下行数据方向，OLT将来自骨干网、城域网或者其他上层网络的语音、数据、视频等业务信号通过ODN向其下所有的ONU进行广播式传输。在上行数据方向，OLT对来自各终端用户的各种业务信号进行接收和分离。在实际商用的OLT设备中，通常要求支持多个PON接口，即OLT设备的子框需要支持多个PON接口卡，同时每个接口卡上又可以支持多个PON接口。假设一个OLT设备子框有 16个槽位可以支持 16 个PON接口卡，每个接口卡可以提供 8 个PON接口，按照 1:64 的分光比，每个PON接口可以支持 64 个用户。那么这个OLT设备可以支持 16×8×64= 8 192个终端ONU设备。

不同的PON技术，使用的上下行数据速率有 155 Mb/s，622 Mb/s，1.25 Gb/s，2.5 Gb/s等多种。例如，EPON的上、下行速率都是 1.25 Gb/s，类似这样的PON称为对称速率PON；GPON的下行速率是 2.5 Gb/s，上行速率是 1.25 Gb/s，类似这样的PON称为非对称速率PON。不同的PON对于数据封装的帧格式也有所不同。

ONU/ONT通常设置在用户的驻地或者用户的家里，相对于OLT来说，ONU/ONT的运行环境不如OLT稳定、优越。普通家用的ONU设备的外观和尺寸与非对称数字用户环路（ADLS）网络中使用的调制解调器类似。ONU的功能是提供与上游无源光网络相连的光接口，将其光纤信号引入用户的驻地或家里，同时提供连接各个终端设备的电接口，如电话接口、以太网接口、视频接口等。ONU将来自OLT侧的视频、语音、数据等业务分离并传送到相应的本地接口，同时将来自于用户侧的各个本地业务信号，进行交换、综合、复用等处理，送入上行数据通道，传送至OLT。

OLT有两个最基本的功能，一个是控制用户的业务流，另一个是给ONU用户动态分配带宽。考虑到多达 64 个ONU用户使用同一波长共享同一根光纤链路，因此必须使用时钟同步技术来避免不同ONU之间传输数据的冲突。最简单的方法就是使用时分多址复用技术TDMA（Time Division Multiple Access），每个用户都使用预先分配的时隙发送和接收数据。EPON和GPON都是使用的时分复用（TDM）技术，属于TDM-PON的范畴。TDM的不足之处在于带宽利用率不是很高，所有时隙中并不是每个时隙总是有用户传输数据。如果从某个用户到局端或者从局端到某个用户没有数据传输，此时就会造成该时隙空闲，降低带宽的使用效率。

TDM-PON系统更有效的机制是动态带宽分配（Dynamic Bandwidth Allocation，DBA）。当某个时隙空闲或者低使用率时，该时隙可用带宽会被动态地分配给需要使用带宽的用户。动态带宽分配是通过OLT 来控制的，根据用户的优先级、特殊用户的服务保证策略、带宽分配相应时间、单客户要求带宽等因素，按照一定的算法来实现带宽的动态分配。

在PON技术中，对于下行的数据，OLT中时分复用的数据以广播的形式传送到每个ONU，如图 2-2 所示。所有的ONU都会收到OLT发来的广播信息，根据每个时隙数据的帧头中包含的标识符ID（Identifier）信息，ONU接收或者丢弃相应的数据包。为了保证数据的安全性和私有性，数据必须以加密的形式传送。

上行方向的时分复用原理更复杂一些。为了避免不同用户之间的数据冲突，PON系统一般采用TDMA协议，如图 2-3 所示。OLT发送命令给各个ONU，控制和调整其发送数据的时间，例如， t ₁ 时刻允许ONU1 发送数据， t ₂ 时刻允许ONU2 发送数据，这样的话， t ₁ 时刻发送的数据将进入数据流时隙 1， t ₂ 时刻发送的数据将进入数据流时隙 2。由于OLT和ONU之间的数据是同步的，因此可以尽量避免不同时隙数据的冲突。由于各个终端到局端机房的距离不等，因此OLT采用距离修正技术来测量不同用户到局端机房的逻辑距离，根据测量的逻辑距离来控制ONU调整发送数据的时间，从而避免不同用户数据时隙间的冲突。

在实际应用的光纤到某处（FTTx）的网络中，通常是从运营商局端机房铺设一条光缆线路到人口密集的地区或者商业区，然后使用无源光分路器将信号分送至各条连接到终端用户的光纤，或者根据用户分布情况进一步使用分光器来连接更多的终端用户。整个ODN网络中一般有一个光分路器（一级分光）或者两个光分路器（二级分光）。FTTx根据光纤距离用户的远近以及光接入网的构建分为几种，如图 2-4 所示；国内电信运营商常用的包括光纤到节点（FTTN）、光纤到大楼（FTTB）和光纤到户（FTTH）。连接局端OLT机房和小区机房或者小区主光分路器的光缆称为主干光缆，从主光分路器到各子光分路器，以及从子光分路器到小区内光配线架或ONU设备的光缆称为配线光缆，从小区光配线架或ONU到终端用户的光缆称为引入光缆。

光纤到节点（FTTN）如图 2-5 所示，2008 年以前是光纤网络建设的主要模式，现在广泛地用于农村宽带网络的新建以及提速改造。OLT设备集中部署在乡镇或县的中心机房中，对于分布相对分散的村落采用二级分光，而对于分布相对集中的村落采用一级分光。当在城市地区使用时，OLT设备集中设置在城市里的端局中，在小区集中的位置放置分光器，ONU设备设置在小区的机房内。到用户的铜缆不应超过 2 km，以提供 8 Mb/s以上的接入带宽。

光纤到楼（FTTB）如图 2-6 所示，在 2008 年和 2009 年是我国城市地区新建和改造的主要模式。当前在实装率较高的场景（城中村、大学等）以及开发商预先布置好五类线的楼宇还有较多应用。和FTTN的情况类似，OLT集中部署在运营商的局端机房，小区内集中部署分光器。对于多层楼宇，可以每个单元放置一个ONU，覆盖多个用户。对于高层楼宇，可以在各个楼层中间，集中部署ONU设备。FTTB最后入户的铜缆长度应在 500 m之内，以提供 20 Mb/s以上的带宽给用户。

光纤到户（FTTH）是完全利用光纤传输媒质连接运营商局端和家庭住宅的接入方式，如图 2-7 所示。FTTH是 2010 年开始国内运营商广泛采用的新建和改造模式。OLT还是集中部署在局端，分光器可以小区内集中部署，也可以楼层内集中部署。楼内的水平部分采用蝶形光缆入户，终端放在家庭智能箱内。FTTH是当前接入网的终极形态，可以按需为用户提供 100 Mb/s以上的带宽。