光纤到户(FTTH)的原理和实现方式

光纤到户(FTTH)的原理和实现

方式

审核签名 年 月 日

电子科技大学中山学院毕业设计（论文）成绩评定表

评语：

设

计

（

撰

写

）

过

程

宽带的发展离不开光纤网络的普及。黎学宏同学在毕设过程

中认真学习了FTTH的相关理论，并在联通老师的指导下，研习

了实际的工程实例。论文文理流畅，有较为详实的实例支撑优化

理论，是一篇合格的毕设论文。

成绩

论

文

评

阅

成绩

论

文

答

辩

指导教师：王桓

82

2012年05月02日

评语：

评阅教师：

年 月 日

评语：

成绩

答辩组长：

年 月 日

总分

审核人： 年 月 日

光纤到户（FTTH）的原理和实现方

式

摘 要

光纤到户（FTTH）是光网接入的一种理想实现方案。将光网络单元（ONU）直接设

置于用户家庭或者企事业单位办公室，是一种全光纤的接入网，具有端到端的高带宽传输

能力，对业务的内容、格式等都有高度的透明性。近年来，随着业务种类和数量的不断增

加，用户侧的业务从传统的话音为主逐渐向包括话音、视频及各种交互式数据业务融合的

方向发展。国内对于FTTH的讨论逐渐升温，市场的需求、日渐降低的成本以及前所未有

的历史机遇，正推动着FTTH在我国的应用。

本论文首先概述了FTTH的系统结构，对EPON、GPON等接入方式作论述和比较，

其次，分析和阐述GPON的原理和关键技术。本文重点阐述了GPON FTTH在通信运营

商（以中国联通为例）网络规划建设中的组网模式、带宽预算、光分配网络（ODN）规划

等关键技术，最后介绍了中山市三乡前陇恒安街FTTH接入新建工程。

关键词：宽带；光纤到户（FTTH）；以太无源光网络（EPON）；千兆比特兼容的无源光

接入网（GPON）

I

The principle and implementation of

Fiber To The Home (FTTH)

Abstract

Fiber to the home ( FTTH ) is a kind of ideal optical network access scheme. Optical

network unit ( ONU ) is directly t up in the ur families or enterpris office, it is a kind

of all optical fiber access network ,having high bandwidth of end-to-end transmission

capacity, and its altitudinal transparency of the rvice content and format. In recent years,

with the increasing of quantity and type of business, the ur side of the business developed

from traditional voice to business amalgamation included voice ,video and interactive data.

The discussion of the FTTH in our state ris gradually, the demand of the market,

reducing cost and the unprecedented historical opportunity, the are promoting the

application of the FTTH in China.

Firstly prent paper will first introduce the system structure of FTTH , describes and

compares the access methods in EPON and GPON. Secondly, analys and explains the

principle and key technology of GPON .This article emphatically introduced the key

technologies of the GPON FTTH in the network model in network planning

construction ,the budget of the bandwidth and the planning of the optical distribution

network ( ODN ) in telecommunications operators( China Unicom ,for example). Finally

introduced the villas, office buildings, residential corridor and cafe / customer EPON

solutions.Finally , introduced the solutions in GPON basis of villas, office buildings,

residential corridor and Internet bar/ major account.

Keywords: Broad Band ；Fiber to the home (FTTH) ； Ethernet passive optical

network ( EPON ) ；Gigabit compatible passive optical access network ( GPON )

II

目 录

1.1.项目背景 ....................................................................................................................... 1

1.2.项目的主要任务 ........................................................................................................... 2

2、FTTH的网络结构 ................................................................................................................... 2

2.1.光接入网介绍 ................................................................................ 错误!未定义书签。

2.2 光接入网的应用类型 .................................................................................................... 3

2.3PON和AON................................................................................................................. 5

1、 绪论 ......................................................................................................................................... 1

3、FTTH的实现方式和关键技术 ............................................................................................... 6

3.1.基于Ethernet的无源光接入网 .................................................................................. 7

3.2.千兆比特兼容的无源光接入网 ................................................................................... 7

3.2.1 GPON的网络架构与标准协议 .................................................................................... 7

3.2.2 GPON的关键技术 ........................................................................................................ 8

3.2.3光模块突发控制 ............................................................................................................ 9

3.2.4上行动态带宽分配 ........................................................................................................ 9

3.2.5下行AES加密 .............................................................................................................. 9

3.2.6 PON终端认证 ............................................................................................................. 10

3.2.7 GPON终端管理模型 .................................................................................................. 11

4、三乡前陇恒安街FTTH的设计与实现 ................................................................................ 16

4.1.系统总体架构 ............................................................................................................. 16

4.2.系统设备 ..................................................................................................................... 18

4.3.OND ............................................................................................................................ 20

4.4.光缆布线 ..................................................................................................................... 20

4.3.GPON光功率指标 .................................................................................................... 20

4.3.系统评价和结论 ......................................................................................................... 21

致 谢 ........................................................................................................................................... 22

参考文献 ....................................................................................................................................... 23

附 录 ............................................................................................................................................. 24

III

1 绪论

1.1 项目背景

在宽带接入领域，目前大多数家庭都是使用ADSL(非对称数字用户线路)技术来实现，

用户的各种业务通过接入网进入核心网。随着互联网的持续快速发展，网上新业务层出不

穷，特别是近年来开始风靡的网络游戏，MSN和QQ等实时网络通信工具，使得人们对网

络接入带宽的需求持续增加。主流接入技术从拨号逐渐过渡到速度更快的ADSL和以太网，

核心网上的可用带宽由于SDH的发展而迅速增长，用户侧的业务量也由于Internet业务的

爆炸式增长而急剧增加，作为用户与核心网之间桥梁的接入网测由于入户媒质的带宽限制

而跟不上骨干网和用户业务需求的发展，成为用户与核心网之间的接入“瓶颈”。由于普

通的ADSL技术无法提供长距离及高速带宽等系列服务，渐渐已无法适应固网运营商在原

有带宽基础上推出更多新的服务项目，满足用户需求。所以，可提供业务、高速率的光纤

到户（FTTH）光接入网就成为了宽带接入网的最有效的解决方案。

光纤接入技术与其它接入技术相比，最大优势在于可用带宽宽，而且还有巨大潜力可

以开发，在这方面其它接入技术无法与其相比。光纤接入网还有传输质量好、传输距离长、

抗烦扰能力强、网络可靠性高和节约管道资源的优点。

当然，与其他接入技术相比，光纤接入网也存在一定的劣势。最大的问题是成本还比

较高，尤其是光节点离用户越近，每个用户分摊的接入设备成本就越高。另外，与无线接

入相比，光纤接入网还血药管道资源。但这些都不能阻止光纤到户，光纤到桌面成为光通

信的发展趋势。光纤是最佳的接入媒体，一纤到家彻底解决了接入带宽的问题，支持数据，

视频以及语音等多种借口。光通信发展到现在，骨干网络，城域网络等发展都接近成熟，

只有在接入网络还是不足，只有实现光纤到户才能最终发挥光纤网络的巨大潜力，光纤到

户是信息社会的标志，将是国家竞争力的根本体现。

2010年以来，全球FTTH/FTTB部署发展势头强劲，亚洲依然是FTTH/FTTB发展最好

的地区，美国和俄罗斯也都在扩大自己的FTTH网络覆盖，东欧成为欧洲FTTH发展最快

的地区。到2010年年底，全球FTTH/FTTB家庭普及率超过1%的经济体达到26个，其中韩

国、日本、美国、中国大陆、俄罗斯、意大利和法国都属于G20国家和地区。韩国以超过

50%的家庭普及率继续领跑全球宽带市场，日本以35%的普及率紧随其后。立陶宛、斯洛

文尼亚、爱沙尼亚和保加利亚则呈加速追赶的态势。

在亚太地区，越来越多的国家开始了不同程度的FTTH部署。其中有些是政府主导，

有些是运营商主导。另外，更多的房地产商已经卷入到FTTH的部署中来，特别是公寓和

科技园区的开发项目。韩国、日本和新加坡三个国家都表示，在未来2-5年中将1Gbit/s宽

带服务的家庭普及率提升到90%以上。澳大利亚也推出了宏伟的NBN FTTP发展计划。

在北美，除了政府的宽带计划投入之外，美国的电信公司和其他宽带业务提供者也积

极采用光纤技术升级宽带网络性能，以满足用户对带宽的需求。美国FTTH部署的领头羊

1

Verizon已经接近完成自己的网络部署目标，另外北美地区750多个中小运营商也加快了光

纤接入建设的步伐。

2010年以来，欧洲一些国家加大了FTTH的发展力度，FTTH/FTTB用户及FTTH/FTTB

家庭覆盖增速回升，欧洲传统的电信运营商积极建设FTTH/FTTB网络，几乎都已经推出

或计划部署大规模的FTTH/FTTB网络。截至2010年12月底，欧洲有约800多万FTTH/FTTB

用户，FTTH/FTTB家庭/建筑物覆盖数近3300万。2010年，法国政府宣布提供价值20亿欧

元的低息货款，以刺激FTTH网络的建设。这些货款将鼓励电信运营商开发主要大城市的

FTTH网，让更多的百姓得以接入宽带业务。

其中，法国运营商Orange和SFR已达成协议，在巴黎附近的城市建设光纤网，包括多

个共享点的建设；英国电信(BT)以BT Infinity为品牌，推出了第一个光纤宽带业务，下行

速率为40Mbit/s，上行速率为10Mbit/s；葡萄牙已成为全球领先的FTTH国家，这得益于三

家运营商——葡萄牙电信、Sonaecom和有线电视ZON多媒体公司间的竞争。

另外，目前中东地区的阿联酋的FTTH/FTTB家庭普及率已经跃居全球第四位，仅位

于韩国、日本和中国香港之后。

随着各国宽带政策的实施，以及光纤接入技术的不断成熟、价格不断下降，全球FTTX

建设将加快，2011年，全球FTTX用户也将继续稳步增长。由于各国的经济情况不同，各

国发展FTTH/FTTB的策略和速度不一样，但是全球各国的共识是，FTTH是宽带的未来，

并且更多的国家开始建设FTTH/FTTB网络，全球的FTTH/FTTB建设将加速。根据GIA公

司的预测，到2015年，全球FTTH/FTTB用户数将达到1.839亿。

亚洲将继续成为FTTH/FTTB发展最好的市场。以前，亚太地区FTTH/FTTB用户数的

增长主要受韩国和日本市场的驱动，而未来五年，中国将成为FTTH/FTTB主要市场，中

国用户数将持续增长，FTTH/FTTB将逐步成为下一代宽带接入网络建设的主要模式。

中国的FTTH建设在一个建设高峰，FTTH的发展对于光通信市场的带队有着不可低估

的巨大作用，FTTH的出现导致的宽带生活甚至将深刻影响到我们根本生活方式。

1.2 项目的主要任务

本文研究了光纤到户（FTTH）的原理与实现方式，详细阐述了光接入网的构成和各

个组成本分。重点介绍了实现FTTH的关键技术。了解国内外FTTH的现状并了解使用情

况，分析EPON与GPON的差异，重点分析GPON技术在现今的实现方式，分析了解中山

市三乡前陇恒安街FTTH接入新建工程设计方案。

2

2 FTTH的网络结构

2.1光接入网介绍

光纤接入网（Optical Access Network , OAN）是指在接入网中采用光纤作为主要传输

媒质来实现信息传送的网络形式。它不是传统意义上的光纤传输系统，而是针对接入网环

境所设计的特殊的光纤传输网络。

光纤接入网采用光纤作为主要传输媒质，而局侧和用户侧发出和接收的均为电信号，

所以在局侧要进行电-光变换，在用户侧要进行光-电变换，才可实现中间线路的光信号传

输。一个一般意义上的光纤接入网示意图如图2-1所示。

图2-1 光纤接入网示意图

从图2-1中可以看出，一个光接入网主要由光纤路终端（OLT）、光分配网络（OND）

和光网络单元（ONU）等组成（CO/SN为端局或业务节点）。下面检验介绍这几个主要模

块的功能。

1、光线路终端（OLT）的作用是提供网络与光分配网（ODN）之间的光接口，并提

供必要的手段来传送不同的业务。OLT可以分离交换业务，对来自ONU的心灵和监控信

息进行管理，从而为ONU和自身提供维护和供给功能。

OLT可以设置在本地交换机的接口处，也可以设置在远端。可以是独立的设备，也

可以是与其他设备集成在一个总设备内，OLT的内部由核心部分、业务部分和公共部分组

成。OLT提供语音、数据、视频业务网络的互联接口，并实现网络管理的主要功能。

2、光网络单元（ONU）位于ODN和用户之间。ONU的网络具有光接口，而用户则

3

为点接口，因此需要具有光-电变换功能，并能实现对各种电信号的处理与维护功能。ONU

内部由核心部分、业务部分和公共部分组成。

3、光分配网络位于ONU和OLT之间，其主要功能是完成光信号的管理分配任务。

以无源光网络（PON）为例，其中的ODN主要由无源光器件和光纤构成无源光路分配网

络。通常采用树形拓扑结构。如图2-2。

图2-2 树形拓扑结构示意图

2.2 光接入网的应用类型

根据ONU位置的不同，可以将OAN划分为几种基本的应用类型，即光纤到路边

（FTTC）、光纤到楼（FTTB）、光纤到家或办公室（FTTH/FTTO）等。

1. FTTC

FTTC是光纤接入网应用较早时期的典型方案。ONU设置在路边或街角的人孔或电杆

上的分线盒处，有时也可以设置在交接箱处。此时在用对绞铜线或同轴电缆引入用户。

FTTC的优点是可以利用部分用户侧的铜线资源，缺点是作为一种光纤/铜线混合系统，其

维护运行的成本较高，用户侧较长的铜线不利于要求较高的宽带业务的应用，且长远来看

铜线仍然会面临淘汰。

2. FTTB

4

FTTB是FTTC的变型，不同之处是将ONU直接置于楼宇内部（包括居民住宅、商用

建筑等），再由高质量铜线如5类或6类非屏蔽双绞线（UTP）将业务分送至各个终端用户。

FTTB的光纤化较FTTC高，因此适应于较高用户密度的场合。FTTB目前也用较多和综合

布线系统共同使用。

3. FTTH/FTTO

FTTH/FTTO是光接入网理想的实现方案。将ONU直接设置于用户家庭或企事业单位

办公室，是一种全光纤的接入网。具有端到端的高带宽传输能力，对业务的内容、格式等

都具有高度的透明性。缺点是目前在推广时还存在成本等的限制。

ONT

OLTODN

ONT

图 2-3 FTTH网络结构图

4. FTTPC

FTTPC（包括光纤到桌面FTTD）是目前一种新的提法。持此观点的人认为，将来用

户侧的业务种类和数量可能远远超过现有的预计，FTTH也未必能够满足需求，需要更进

一步地将光纤连接至用户终端，包括未来用户侧终端设备可能都会内置ONU。当然对此也

有不同的认识，另一种观点认为FTTH已经足够，用户侧可以采用其他方法，比如无线接

入实现小范围内多个终端共享一个ONU。

从发展来看，光接入网的普及主要受到成本和内容等多方面的制约，从长远来看，以

FTTH/O+家庭（办公室）无线网的形式实现宽带接入可能是一种较好的选择。本文主要

介绍FTTH的实现方案。

2.3 PON和AON

从系统配置上可以将OAN分为无源光网络（PON）和有源光网络（AON）。

无源光网络（PON）是指在OLT和ONU之间没有任何有源的设备而只使用光纤等无

源器件。PON对各种业务透明，易于升级扩容，便于维护管理等优点备受业界关注。从最

初的基于ATM的PON技术，到基于Ethernet的EPON技术和GPON技术，每一次PON标准

的提出都促进了接入网的迅猛发展和新业务的支撑，更有效支持包括诸如话音、数据业务、

视频业务、电子商务、远程教育和远程医疗等增值业务。

有源光网络（AON）中，用有源设备或网络系统（SDH环网）的光远程终端ODT代替

无源光网络中的ODN，传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，网络规划和运行的灵活

性大，不足的是有源设备需要机房、供电和维护等辅助设施。

5

1、PON中的ODN部分仅由光分路器、光缆等无源器件组成，因此PON具有极高的可

靠性，同时对环境的依赖程度小，是光接入网中最为看好的技术。

考虑到实际用户环境的复杂性，PON的结构也具有多种形式，一般来说星型、树型和

总线型结构都可以使用，但是考虑到FTTH等最终实现形式，采用点到多点的星型结构是

比较合适的。

2、有源光接入网（AON）中的ODN由包括PDH或SDH的有源节点设备构成。AON

的本质是一个点对多点的光纤传输系统，主要适用于大客户环境。根据复用体质的不同，

又可以分为基于PDH的AON和基于SDH的AON，期中后者目前应用较多，再次主要简单

介绍基于SDH的AON：

SDH技术已经在核心网络和城域网络中得到了广泛的应用，在接入网环境中使用SDH

有源接入可以实现与城域网的无缝互连，因此是目前应用较多的一种形式。但是在干线系

统中使用的SDH设备并不能在接入环境中使用，还必须解决小型化、低成本以及安装和维

护等问题。

考虑到SDH体制在现在有的干线网络中占有绝大多数的份额，因此接入侧选用SDH的

AON具有一定的优势。但是必须注意到的是，接入侧的业务类型越来越多的是基于IP类业

务和应用，包括各种Ethernet业务，而面向电路连接的SDH对IP业务的承载存在一定的缺

陷，需要采用一些特殊的适配技术才能高效率的承载IP业务。同时从维护角度出发，在接

入网中存在大量的有源节点，不仅对于供电等保障要求较高，也使得应用上存在一定的局

限性。基于SDH的AON对于像政府、金融的租用线业务较为适宜，接入网技术向多元化演

进这是接入网市场长期格局，但从长远来看光接入网的发展趋势是无源化。

3 FTTH的实现方式和关键技术

3.1 基于Ethernet的无源光接入网

基于Ethernet的无源光接入网（EPON）是由国际电气电子工程师协会IEEE提出并标

准化的。IEEE的第一英里以太网EFM（Ethernet in the Mile Study）工作组于2002年7月

制定了EPON草案。

EPON是几种最佳的技术和网络结构的结合。EPON采用点到多点结构，无源光纤传

输方式，在以太网上提供多种业务。目前，IP／Ethernet应用占到整个局域网通信的95％

以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，从而成为连接接入网最终用户的一种最有

效的通信方法。10Gbit／s以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中虽佳的

最后一公里的解决方案。

在一个EPON中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终用户，来自最

终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，

同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)

6

与光线路终端(0LT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，在协议的第二层，EPON采

用成熟的全双工以太技术，使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据报，因此没有

碰撞，不需CDMA／CD，从而充分利用带宽。另外，EPON通过在MAC层中实现802．1p

来提供与APON类似的QOS。

1、 EPON的上行接入技术

EPON上行接入技术可以使用时分多址复用（TDMA）、波分多址复用（WDMA）、

码分多址复用（CDMA）等方式。码分复用的缺点有：信道间的干扰由ONU的数量决定；

但如果开发出便宜的、适用于WDMA方式接入网的光发射和光接收器件，使用WDMA是

发展的趋势。时分复用具有N个ONU只需要一个OLT转发器和极少的波长等优点，但十分

复用还是需要高速电子器件。综合以上考虑，现在一般都是采用时分复用多址接入方式，

波分复用多址接入方式从长远来看也具有较大的竞争力。为了保证上行带宽的动态分配能

力，EPON还提出了轮询机制等对时分多址接入进行补充。

2、 EPON的安全机制

对于普通用户，即对信息的加密与否无所谓的用户，安全性问题并不突出，但

EPON的发展目标是全业务汇聚网。在实际的应用中，对于那些通过接入网与广域网相连，

并通过接入网、城域网和广域网与异地用户进行通信的用户，若还只是用扰码加密这样的

保密措施来对通信进行简易的加密将是非常不可靠的。在加密领域里，人们已经做了大量

的研究实践，有很多研究成果已经商用化。在接入网中完全可以借用这些加密措施，提高

接入网的安全性。不过采用这些方法势必将在各用户终端配置额外的加密设备，这不但增

加了网络广利的复杂程度，使网络管理的成本上升，而且会导致用户的成本增加。因此，

加密机制需要满足可靠性和成本之间的平衡。

3.2 千兆比特兼容的无源光接入网

3.21 GPON的网络架构与标准协议

鉴于EPON和APON/BPON的各自优劣，许多国际标准化组织都投入了大量精力试图

提出一种兼具双方优点的方案。ITU-T在APON基础上，提出了千兆比特兼容的无源光接

入网（GPON）。GPON的主要设想是在PON上传送多业务时保证高比特率和高效率。由

于GPON一开始就自下而上的重新考虑了PON的应用和要求，不在基于早先的APON标准，

因此为新的方案奠定了基础。它一方面保留了与PON不是直接相关的许多功能，如OAM

消息、DBA等；另一方面GPON则基于完全新的传输会聚（TC）层。GPON采用的是一个

以帧为基础的协议，用通用程序（GFP）作业务映射。

GPON的总体目标包括：

1、帧结构可以从622Mbit/s扩展到2.5Gbit/s，并支持不对称比特率；

2、对任何业务都保证高带宽利用率和高效率；

3、把任何业务（TDM和分组）都通过GFP装入125μs的帧中；

4、对纯TDM业务做高效率的无开销传送；

7

5、通过带宽指示器为每一ONT动态分配上行带宽。

GPON网络基本性能参数（数据来自：中国联通培训教材）

上行速率 下行速率

（Gbps） （Gbps）

0.15552 1.24416

0.62208 1.24416

1.24416 1.24416

0.15552 2.48832

0.62208 2.48832

1.24416 2.48832

2.48832 2.48832

上行1.24416 Gbit/s，下行2.48832 Gbit/s是目前支持的主要速率，可升级到10G GPON。

最大逻辑距离 60km

最大物理传输距离 20km

最大差分距离 20km

最大分离器比 1：128

GPON的数据复用方式：GPON实现单纤双向传输，系统采用WDM技术。为了分离同

一根光纤上多个用户的信号，下行数据流采用广播技术，上行数据流采用TDMA技术。其

中：

1、 广播方式：GPON的下行帧长为固定的125μs，下行为广播方式，所有的ONU

都能收到相同的数据，但是通过GEM PORTID来区分不同的ONU的数据，

ONU通过过滤来接手属于自己的数据。

2、 TDMA方式：GPON的上行是通过TDMA（时分复用）的方式传输数据，

上行链路被分成不同的时隙，根据下行帧的upstream bandwidth map字段

来给每个ONU分配上行时隙。

GPON的标准协议：

1、 ITU-T G.984.1 （GPON网络参数说明）

求，1.244Gbs上行光接口参数规格要求，物理层开销

分配）

3、 ITU-T G.984.3 （GPON TC层规格要求，GTC帧结构介绍，ONU注册

激活流程，告警和性能）

4、 ITU-T G.984.4 （OMCI消息结构介绍，OMCI设备管理框架，OMCI

实现原理简述）

5、 ITU-T G.984.5 （GPON波长规划）

8

2、 ITU-T G.984.2 （PMD层规格要求，2.488Gbps下行光接口参数规格要

6、 ITU-T G.984.6 （GPON传输距离延长方案）

3.22 GPON的关键技术

光接入网的环境是典型的点到多点方式，各个ONU和OLT的距离都不一样，光信

号在光纤上的传输时间不一样，到达ONU的时刻不一样，为了防止各个ONU锁发送的上

行信号发生冲突，OLT需要一套测距功能，以保证不同物理距离的ONU与OLT之间的“逻

辑距离”相等，即传输延迟一致，以避免碰撞和冲突的出现。

PON上行传输采用TDMA方式接入，一个OLT可以接多个ONU。ONU至OLT之

间的距离最短可以是几十米，最长的可达20公里。光在光纤上传输，每公里的传输延时为

5ps。由于环境温度的变化和器件的老化，传输延时也在不断发生变化。为了实现TDMA

接入，保证每一个ONU的上行数据在共用光纤汇合后，插入指定的时隙，彼此间不发生碰

撞，也不要间隙太大，OLT必须对每一个ONU与OLT之间的距离进行精确测定，以便控

制每个ONU发送上行数据的时刻。

测距的过程：1、OLT通过Ranging测距过程获取ONU的往返延迟RTD（Round Trip

Delay），计算出每个ONU的物理距离。

2、然后指定合适的均衡延时参数EqD（Equalization Delay）

3、Ranging的过程需要开窗，即Quiet Zone，暂停其他ONU的上行发

送通道。OLT开窗通过将BWmap设置为空，不授权任何时隙来实

现。

测距的结果：1、 通过RTD和EqD，是的各个ONU发送的数据帧同步，保证每个

ONU发送数据时不会在分光器上产生冲突

2、 相当于所有ONU都在统一逻辑距离上，在对应的时隙发送数据即

可。

3.23 光模块突发控制

在采用测距机制控制ONU上行发送后，上行信号还是有一定的相位漂移的。GPON系

统是一个P2MP的网络，OLT侧的GPON借口通过分光器同时连接到多个ONU的GPON借

口上。GPON的下行是按照广播的方式将所有数据发送到ONU侧，因此，要求OLT侧的光

模块必须连续发光，ONU侧的光模块也是连续接手方式工作。GPON的上行方向采用

TDMA的方式工作，每个ONU必须在许可的时隙上才能发送数据，不属于自己的时隙必须

关闭光模块的发送信号，才不至于影响到其他的ONU的正常工作。对于OLT侧上行接手来

讲，必须要根据时隙进行突发接手每个ONU的伤心数据，因此，为了保证GON系统的正

常工作，OLT侧的光模块必须支持突发接手功能，ONU侧的光模块必须支持突发发送功能。

例如对于采用TDMA的ONU而言，每个ONU只能在每一帧的热定时刻发送上行信号，

因此需要有快速的功率开启和切断功能。同时对于光接入网中发送上行信号，因其他所有

ONU都应处于关断状态，此时要求其余所有ONU的残留光之和不能对正在发光的ONU产

9

生影响。

OLT侧也有类似的问题。如多个ONU发送的信号到达OLT侧会有功率的波动，OLT

的接收机需要能灵活快速地调整接手电平，迅速地接收和恢复数据。

3.24 上行动态带宽分配

在上行方向，任意时刻不同ONU对带宽的需求不一样的，这就涉及到带宽分配及其算

法问题。带宽分配要求提供一套最有效的在尽可能保证每个ONU需求的同时高效利用网络

资源的手段。带宽分配算法既要考虑连接业务的性能特点和其服务质量的要求，又要考虑

接入控制的实时性。通常的算法分为两大类：一是建立连接时采用了缓冲存储，但为了满

足实时性要求很难有效地对系统资源进行统计复用，只在业务量较大时获取较好的性能；

二是建立连接时无缓冲存储，它既可满足实时性要求又能很好地对系统资源进行统计复

用，但在业务量较大时会产生信元丢失。

动态带宽分配（DBA）可以通过包括消息和状态机等技术来实现。DBA能在微秒或毫

秒级的时间内完成对上行带宽的动态分配。利用DBA可以提高PON端口的上行线路带宽利

用率；可以在PON口上增加更多的用户；用户可以享受到更高带宽的服务，特别是那些对

带宽突变比较大的业务。

3.25 下行AES加密

GPON下行采用广播技术，同一PON口下的主干线和分光后的数据都是一样的，所以

需要保证ONU的数据不被其他ONU所获取解析。GPON支持下行广播数据进行AES128加

密处理，这是一种国际通用的加密算法，只对GEM帧中的Payload进行加密处理，GPON

系统定期的进行AES弥月交换更新，提高了线路数据的可靠性。

GPON系统的AES加密处理如下图：

10

图 3-1 GPON系统的AES加密处理示意图

密钥更换由OLT发起密钥更换请求，ONU响应并将生成的新的密钥，并分两部

分给OLT，并且重复发送三次，OLT收到新的密钥后，就要开始进行密钥切换，将

所有新的密钥的帧号通过相关的命令通知ONU（也是三次），ONU在相应的数据帧

上切换检验密钥。

3.26 PON终端认证

GPON认证是指OLT基于ONU的SN或Password对ONU合法性进行认证，拒绝非

法ONU的接入。在GPON系统中，只有通过认证的合法ONU才能接入PON系统，这样

可以满足运营商实现灵活的、便于维护的管理方式。

GPON ONU的认证方式支持一下三种：

1、 SN认证（常见认证方式）

2、 SN+Password认证

3、 Password认证

ONU认证上线后就可以传输数据了，ONU对下行数据是根据gemport进行接收

的。各个ONU检测接收到的数据帧的gemport，以决定是否接手该帧，如果该帧所包含

的gemport与ONU自身的gemport相同或者为组播gemport（默认为4095，支持修改，

设置范围为4000-4095），则接收该数据帧；否则做丢弃处理。ONU的认证部分主要是

针对OLT上已经预配置的ONU而言，对于在OLT上未预配置ONU的注册流程图，如下。

11

图3-2

3.27 GPON终端管理模型

GPON系统的ONU管理主要通过OMCI消息进行管理：

1、 OCI消息主要用于业务层次的管理维护，如设备的硬件能力发现、各种告警维

护信息的业务能力配置等。

2、 OMCI是主从式管理协议。OLT是主设备，ONU是从设备。OLT通过OMCI

通道控制下面连接的多个ONU。

3、 ONU完成注册过程后，建立起OMCI通道，OLT通过OMCI通道控制OLT下面

连接的多个ONU设备。

4、 OMCI支持对ONU的离线配置，由于ONU本地不需要保存配置信息，所以便

于业务发送。

常见GPON终端管理方式：

ONT管理方式1：上网业务、组播业务都通过OMCI下发；语音雨雾配置方

式有所区别，全OMCI模式下，语音业务全部通过OMCI

下发，OMCI+配置文件方式，语音业务通过FTP从网管

下载XML配置文件。

示意图如下，

12

图3-3

图3-4

13

ONT管理方式2：ONT的上网业务、组播业务、TLS业务和语音业务全部由EMS

配置或者TELNET登录配置；但管理VLAN、管理IP可以通过

OMCI下发，所以此类ONT也可以作到远程配置、调测或者免现

场调测。如图，

GPON的发展趋势：

平滑演进的能力，GPON网络向10G GPON升级时，ODN网络可重用，需要增加WDM不见，将

10G GPON和原来的GPON信号通过合波的方式在同一个ODN上传输。

未来两三年，GPON仍是FTTX的主要建设模式，现有GPON OLT和MDU已具备向10G GPON

14

对比项目

每PON口最大下行/上行

速率

每PON口下行/下行吞吐

量(典型值)

分光比 1:64, 1:128 1:32, 1:64

最大传输距离（1：64） 20km 10km

每用户下行带宽（1：64

FTTH模型）

运营、维护(OAM&P)

GPON（ITU-T EPON（IEEE

G.984） 802.3）

2500/1250 Mbps 1250/1250 Mbps

2300 Mbps/1110Mbps 900Mbps/850Mbps

36 Mbps 14 Mbps

G.984.4OMCI标准。对

ONT进行全套FCAPS（故OAM支持：对ONT的故障指

障、配置、计费、性能、示、环回和链路监测等功能

安全性）管理

内置，支持NativeTDM电路仿真（ITU-T Y.1413

模式和电路仿真模式TDM 传输 或MEF 或IETF）(CES over

（CES over GEM) Ethernet）

时钟同步 GPON采用物理层同步。 业务，物理层不同步，无分

QoS TCONT，灵活的业务流映粒度粗。QoS主要通过ONU

采用标准以太包封装TDM

片成帧机制。

DBA调度单位包括TCONT

（五种类型）、GEMport，DBA调度单位为LLID，标准

粒度精细。采用多协议每个ONU1个LLID，颗

射机制。每ONU至少8设备内部调度实现, 每个

个TCONT，每TCONT至少LLID内有8个优先级队列。

4个队列。

表3-1 GPON技术和EPON技术关键技术指标对比表

联系上文，足见GPON技术数据比EPON技术优势明显，GPON技术将逐渐代替EPON

技术组建的接入网方式。

15

4 三乡前陇恒安街FTTH的设计与实现

4.1 系统总体架构

这里以湖南省邮电规划设计院有限公司设计的中山市三乡前陇恒安街FTTH接入新建

工程来说明用GPON实现FTTH。主干光纤位于巨龙古玩城对面，在前陇设有机房。

本次工程的目的：提供普通电话、宽带上网等业务；根据用户需求，开通相应业务。

将OLT（华为5680T）设置在三乡大布机房，光分路器放置在恒安街所有商铺位置靠

中间的光交箱中进行分路，光纤再分别拉到用户商铺中。系统总体架构如下：

接下图

16

接上图

接下图

接上图

图4-1 恒安街FTTH总体示意图

（图片来源：2012年中国联通广东中山三乡FTTH 配区扩容工程竣工图）

如图4-1所示，NGN业务送到局端的光纤路终端OLT，INTERNET网的数据业务

也送到OLT，两路信号在OLT中经过局端GPON光模块处理后送到合波器进行波分复用，

经过1：N分光器将光信号直接入户。

4.2 系统设备

采用华为技术有限公司的SmartAX MA5680T光接入设备，采用标准19英寸机架安装。

MA5680T支持8端口GPON单板，支持GPON系统1：128分光比，支持1588V2时钟（BC

18

模型），支持多GE上行、多边缘组网。具有超高汇聚交换能力，3.2T背板容量，960G交

换容量，512K MAC地址容量；超高密度级联能力，单框最大768个GE端口，无需额外投

资汇聚交换机；超高可靠组网能力，可直连BRAS，支持OLT双机热备份、异地容灾、升

级业务。示意图如下，

图4-2 MA5680T立面图

MA5680T具备强大的QoS能力，为各种业务管理的开展提供了基础。其中部分能力有:

支持L2-L7的流分类（基于端口，VLAN、MAC地址、IP地址和TCP、UDP端口号）；支

持优先级控制（基于端口、MAC地址、IP地址和TCP、UDP端口号），支持根据报文的

ToS域和802.1p进行优先级映射和修改，支持DSCP差分业务；支持带宽控制（基于端口、

MAC地址、IP地址和TCP、UDP端口号），控制力度64kbit/s等。

19

4.3 ODN

对于恒安街多用户，采用了8个1：32分光器和8个1：16分光器构建。光分路器放置在

商铺住房附近的光交接箱中进行分路。ODN与ONU的皮线光缆长度不能超过200M。对于

高层住宅楼需要放置两个ONU，一个位于底层，一个位于中层，以保证高层用户设备能正

常运行。对于住房密集的区域，本工程采用多个1：32和1：16的分光器结合，在能满足先

阶段用户的需求的同时，预留空间发展以后的业务需要。

4.4 光缆布线

光缆布线采用架空或者管道方式，本工程采用架空和管道结合方式布线。对于OLT至

ODN段的光缆，中国联通维护人员采取一月一巡的办法对光缆进行维护。管道敷设的光缆

要注意老鼠的破坏；架空敷设维护的主要问题有：被不法分子盗窃，被恶意破坏，在用户

墙身打孔固定时引起的纷争。

图4-3 前陇恒安街部分FTTH光缆接入工程路由图

4.5 GPON光功率指标

华为GPON接口参数 Class B+

项目 单位 OLT ONU

最小平均发送功率 dBm +1.5 0.5

最大平均发送功率 dBm +5 +5

接收灵敏度 dBm -28 -27

过载光功率 dBm -8 -8

20

下行光功率代价 db 0.5 0.5

根据图4-3估算工程的光功率预算为15.6dBm,符合接收灵敏度。

21

4.6 系统评价和结论

该FTTH系统已在2011年末竣工，至今用户反应

良好，工程采用华为MA5680T的GPON设备，可为

用户提供带宽达10M以上的数字通信服务。用户在家

中可以充分享受光纤到户的乐趣，通过一根光纤可以

接入电话跟上网业务。网络建成开通后，为保证用户

电话、上网等要求定期对整个网络进行测试，PON所

得的灵敏度等都符合入网要求。所选设备质量可靠，

技术合理、安全。

中国联通和湖南邮电规划设计院有限公司共同承

建的FTTH工程，所得的宝贵经验，无论是对本人的

对光纤到户的认知还是工作经验都有很大的增加。

感谢给予我极大支持的家人，他们多年的关爱是我前进的动力。

值此大学毕业之前，再一次向所有帮助过我的老师、同学、朋友致以最诚挚的谢意。

24

参考文献

A. 连续出版物：

[1] 王康．光纤通信技术与光纤传输系统的分析[J]．计算机光盘软件与应用 ，2011

年，第14期。

[2] 张涵．光纤通信技术与光纤传输系统的分析与讨论[J]．科技创新导报，2011年，

第1期

[3] 曹鹏．我国FTTH(光纤到户)接入技术方案探讨[J]．中国科技纵横，2011年，第

20期

[4] 于尚民．不能为ＦＴＴＨ而ＦＴＴＨ[J]．通信产业报，2008年，第12期

[5] FTTH Leads the Way [J]．Voice & data，2011（3）

[6] Portugal Telecom lects Alcatel-Lucent's FTTH GPON technology for its

fiber-optic network implementation [J]．FTTX，2009（7）

[7] Optical fiber cable and wiring techniques for fiber to the home (FTTH) [J]．Optical

fiber technology，2009（4）

B. 专著

[1] 李履信，沈建华。光纤通信系统。北京：机械工业出版社，2007。

[2] 华为技术有限公司。中国联通宽带接入维护职工技能竞赛提升培训教材。广东：

中国联通，2012

[3] 康华光。电子技术基础 数字部分（第五版）。北京：高等教育出版社，2006。

[4] 尹树华，张引发。光纤通信工程与工程管理。北京：人民邮电出版社，2005。

[5] 朱祥华。现代通信基础与技术。北京：人民邮电出版社，2004。

C. 学位论文

[1] 余晓波．FTTH研究与实现[D].湖北，华中科技大学，2005．

[2] 张韬．宽带光接入网组网技术[D].山东，山东大学，2007．

25

附 录

名词释义

BRAS（Broadband Remote Access Server）：宽带远程接入服务器

EPON（Ethernet over Passive Optical Network）：基于以太网技术的无源光网络

FTTH（Fiber To The Home）：光纤到户

GE（Gigabit Ethernet ）：千兆比特以太网

GPON（Gigabit-capable Passive Optical Networks）：吉比特无源光网络

IP （Internet Protocol）：因特网协议

MDF（Main distribution frame）：总配线架

OMDF（Optical main distribution frame）：光纤总配线架

ODF（Optical distribution frame）：光纤配线架

ODN（Optical Distribution Network）：光分配网络

OLT（Optical Line Terminal）：光线路终端

ONU（Optical Network Unit）：光网络单元

ONT（Optical Network terminal）：光网络终端

ORL（Optical Return Loss）：光回波损耗

PON（Passive Optical Network）：无源光网络

POS（Passive Optical Splitter）：无源光分路器

QoS（Quality of Service）：服务质量

单位释义

km：长度单位，千米

bit/s：数据单位，比特率，比特/秒

Kbit/s：数据单位，千比特/秒

Mbit/s：数据单位，兆比特/秒

s：时间单位，秒

ms：时间单位，毫秒

μm：长度单位，微米

dB：衰减计量单位，分贝

m²：面积单位，平方米

26