无源光网络 (PON) 自 20 世纪 90 年代起开始开发,在互联网服务提供商 (ISP) 向住宅客户提供数据、语音和视频服务方面发挥了关键作用。其核心特性在于减少连接家庭所需的光纤数量,且在中央办公室与最终用户间无需有源设备,这使得其具备成本低廉、易于安装及维护量少等显著优势。随着住宅用户对高带宽需求的持续攀升,尤其是在疫情期间及居家办公模式兴起后,PON 于企业的光纤到户 (FTTH) 和光纤到楼 (FTTB) 应用中仍占据极为重要的地位。并且,PON 技术不断演进,除 FTTH 外,还广泛应用于商业与大学校园网络、城域网部署、智能物联网以及 5G 服务的移动回程等多种场景。
一、PON 技术概述
(1)PON 网络的应用主体与功能
PON 网络主要被网络运营商、城域网运营商及 ISP 所采用,通过 FTTH 和 FTTB 实现向最终客户的 “最后一公里” 宽带接入。其借助单根光纤,利用无源光纤分路器,采用时分复用 (TDM) 或波分复用 (WDM) 技术,达成向多个端点或最终用户的数据传输。由于分路器无需电力驱动,仅网络源端与交付点使用电力,故被称为 “无源” 网络。相较于点对点网络(需专用光纤与供电路由器分发数据至各客户),PON 网络运营成本更低,所需设备与光纤数量亦更少。
(2)PON 标准的发展历程—从 APON 到 XGS-PON 及以后……
无源光网络 (PON) 标准由国际电信联盟 (ITU) 和 IEEE 共同制定
1、ITU PON 标准
APON:首个 PON 解决方案为异步传输模式 PON (ATM - PON),即 APON,于 20 世纪 90 年代依据 ITU 的 PON 网络标准开发,速率达 622 Mbps,使 ISP 可通过单个路由器服务多个客户,并借助无源分路器向最终用户发送数据。
BPON:2007 年,ITU 标准 APON 演进为宽带 PON (BPON),上行传输速率高达 622 Mb/s,下行传输速率介于 155 Mbps 至 622 Mbps 之间。
GPON:21 世纪初,ITU 的 G.984 标准诞生,即千兆级 PON (GPON),采用异步传输 (ATM),可针对每个用户设定数据通信速度,下行数据速率提升至 2.5Gbps,上行数据速率达 1.25Gbps,同时指定了纠错、加密 (AES)、线路控制 (OMCI) 及密码或序列号验证协议,2014 年该标准扩展至包含波分复用 (WDM),以实现多服务(视频、数据与语音)在同一光纤的传输。
XG - PON/10G PON:2010 年 ITU 制定的下一代标准 G.987 即 10G - PON(亦称为 XG - PON),非对称 10G - PON(XG - PON1)可达成 10Gbps 下行与 2.5Gbps 上行速率,采用波分复用,且波长与 G - PON 标准不同,便于 GPON 用户升级至 10G - PON 同时保障其他 GPON 用户服务不受影响。
NG - PON2/TWDM - PON:2015 年 ITU 制定的 NG - PON2 标准提供一种基于时间波分复用 (TWDM) 的架构,每根光纤具备 4 个或更多波长,每个波长可提供 2.5Gbps 或 10 Gbps 的对称比特率。
XGS - PON:2016 年推出的 XGS - PON 标准可实现高达 10 Gbps 的下行与上行同步传输,它并非 XG - PON 的演进,而是 NG - PON2 标准的发展,使用与原始 GPON 标准不同的波长传输,允许 GPON、XGS - PON 和 NG - PON2 同时传输。ITU 仍在持续开发更高速度的无源光网络标准,如 25G - PON 和 50G PON。
2、IEEE PON 标准
EPON:2004 年,IEEE 发布基于双向以太网协议通信的 ITU 标准替代方案 EPON,以太网无源光网络 (EPON) 采用数据包进行同步通信(区别于 GPON 中的 ATM - 异步传输模式),可提供高达 1 Gbps 的带宽。
GEPON:IEEE 后续发布的标准,可实现 10G 的速度。
10G - EPON:2009 年由 IEEE 批准,该标准提供 10Gbps 下行与上行的对称传输,或 10G 下行与 1G 上行的非对称传输。
二、PON 网络的工作原理与关键组件
(1)关键组件
OLT:OLT 作为网络提供商中央办公室的设备,承担将服务提供商设备的电信号转换为光纤信号,并通过无源光纤网络发送的任务。其负责多路复用,经单根光纤电缆将数据传输至无源光纤分束器,再由分束器将光纤信号分发至多个 ONT/ONU。
ONT/ONU:位于家庭或办公楼接收端的光纤网络终端 / 单元,负责过滤出属于自身的光纤信号,并将信号回传至 OLT。
无源光网络分路器:使从 OLT 接收的光纤信号能够借助相同光纤介质传输至更多单个终端客户,且不会干扰对其他用户的传输。
(2)复用技术
PON 网络运用时分复用或波分复用技术,通过光纤在指定带宽上向各最终客户连接进行数据传输。PON 和 GPON 均利用 WDM,在单根光纤上分别使用不同波长处理下行与上行流量。而 EPON 则采用以太网数据包通过时分复用 (TDM) 在单根光纤上传输,其中 TDM 用于下行流量,时分多址 (TDMA) 用于上行流量。NG - PON2 作为下一代无源光网络标准,利用时分和波分复用 (TWDM) 在每根光纤的 4 个或更多波长上提供 2.5Gbps 或 10 Gbps 的对称比特率。
三、PON 网络的主要优势
(1)广泛的覆盖能力
能够满足大量家庭和场所的光纤接入需求,且可适配不同的带宽要求。
(2)强大的服务保障
为消费者提供语音、视频和数据服务的同时,确保为居家办公员工提供关键任务服务,保障网络服务的稳定性与可靠性。
(3)低延迟特性
对于企业所依赖的数据分析、机器自动化、机器人及实时决策等应用,可有效降低延迟,提升应用性能。
(4)灵活的升级能力
不同的 PON 标准可在隔离的波长上共享同一光纤,便于网络轻松升级至不同标准与带宽,适应技术发展与业务拓展需求。
(5)节能、易安装与扩展性
具备节能优势,安装过程简便,且易于扩展,可有效降低网络建设与运营成本,提高网络部署效率。
四、PON 网络的未来展望
尽管 PON 网络主要应用于 FTTH 和 FTTB 领域,但目前已逐步拓展至 “光纤到户” 的其他实施场景,为 5G、智慧城市和工业 4.0 等对高性能光纤基础设施有需求的领域提供支持,同时助力商业和住宅宽带服务的扩展。GPON、10 - GPON 和 XGS - PON 是 FTTH 和 FTTB 的理想选择,25G PON 可满足大型企业及大规模应用对更高比特率的需求。无源光网络因其能适配不同波长的不同比特率而极具灵活性,为未来 50G PON(2021 年推出标准)和 100G PON 应用奠定了坚实基础,有望在未来网络通信领域持续发挥重要作用并不断创新发展。