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（TDM）

1.2.2 组网

1.2.3 功能

光路终端-OLT

OLT 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-ONU

ONU 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 Port
- GEM 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OLT，OLT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（RTD）： OLT 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：RTD1=10 μs → 距离 = (10 μs × 200,000 km/s) / 2 = 1 km
- 例：RTD2=20 μs → 距离 = 2 km
- 例：RTD3=30 μs → 距离 = 3 km
计算均衡延迟（EqD）： OLT 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-DBA

SR-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 B	Type C
ONU 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