关于PON技术光接入网的运行、管理和维护介绍

1 概述

随着IPTV、3D网络游戏、在线视频浏览、高清电影视频下载等业务的不断出现和普及，传统的ADSL宽带接入技术已经不能完全满足电信用户对于4 Mbit/s以上大带宽的需求。众所周知，PON技术已经成为各大电信运营商改造综合性接入网，解决宽带提速的主要接入技术。中国电信运营商从2007年年底开始尝试采用EPON技术进行宽带接入网改造，截至2009年年底，仅中国电信一家运营商EPON设备的集采规模就已经达到1 000万线。对于电信运营商，在建设和运营基于EPON技术的综合宽带接入网络过程中，都面临着运行维护方面的巨大挑战。

进入21世纪以来，全球宽带接入网进入了大发展阶段。我国宽带接入网在近两年发展也十分迅速，当前主要应用的宽带接入技术有xDSL、LAN、MSTP以及传统专线接入等。以ADSL为代表的宽带接入技术虽然初步解决了数据接入的问题，但靠出租带宽的宽带运营战略，随着用户上网流量的增加， 运营商的宽带接入与业务发展进入了“平台期”。甚至出现每比特收益&宽带ARPU迅速下降，陷于收入增长低于成本增长的怪圈。对于运营商而言，只有进行宽带接入网改造，以及细分客户群进行多业务转型，才能驱动宽带收益的提升，“Triple Play”等多业务将成为运营商创造宽带新收入的关键。

宽带接入网改造以及多业务转型，要求接入设备具有基于统一网络承载多业务的能力，并满足不断增长的带宽需求。DSL技术由于带宽和接入距离限制，已逐渐无法满足需求。PON（无源光网络）宽带技术具有高带宽、广覆盖、单纤接入、接口丰富以及综合业务接入能力。PON系统的引入，不但可以大大提升商业用户接入速度以及综合业务能力，并且能够提供足够的业务质量保证。对于家庭用户而言，除了速度的提升，一根光纤可以提供包括语音、视频和数据业务的需求。同时由于光纤本身的高度稳定性，有效降低运行维护成本，从而帮助运营商实现接入网建设的“一劳永逸” 。

2 PON网络的运行、管理和维护

PON（Passive Optical Network：无源光纤网络）。 PON是指中不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端（OLT），一级一批配套的安装于用户场所的光网络单元（ONUs）。在OLT与ONU之间的光配线网（ODN）包含了光纤以及无源分光器或者耦合器。

PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无须另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。 　　PON的复杂性在于信号处理技术。在下行方向上，交换机发出的信号是广播式发给所有的用户。在上行方向上，各ONU必须采用某种多址接入协议如时分多路访问TDMA（Time Division Mutiple Access）协议才能完成共享传输通道信息访问。 PON技术采用基于以太网技术的点到多点的结构，相对于传统的ADSL，它是一种全新的光纤接入技术。根据PON设备在电信运营商现网运行维护的实际情况，目前面临的主要问题集中在网管功能、安全保护、业务发放和故障诊断这4个方面。

PON技术采用基于以太网技术的点到多点的结构，相对于传统的ADSL，它是一种全新的光纤接入技术。根据PON设备在电信运营商现网运行维护的实际情况，目前面临的主要问题集中在网管功能、安全保护、业务发放和故障诊断这4个方面。

2.1 网管功能

经过一段时间的接入网运行和维护，对于PON网络远程管理的要求除了最为基本的功能之外，运营商还提出了危险操作提示、批量离线配置、业务配置模板、告警过滤及屏蔽、实时流量统计及告警、定时批量版本升级、定时/实时检测网元在线状态及数量等新的需求。

PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无须另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。PON的复杂性在于信号处理技术。在下行方向上，交换机发出的信号是广播式发给所有的用户。在上行方向上，各ONU必须采用某种多址接入协议如时分多路访问TDMA协议才能完成共享传输通道信息访问。

（1）危险操作提示

当PON网管人员进行的操作会对系统运行产生重大影响时，系统应提供“危险操作提示”功能。例如，当PON网管人员进行板卡添加或删除时，由于针对有业务的PON业务板的删除操作是被禁止的，因此必须有相应的提示以起到警示作用。此外，PON系统必须支持全局的危险操作提示，而不是仅针对某些业务板卡或端口。

（2）批量离线配置

PON EMS需要实现对ONU终端设备业务属性和参数的离线配置。网管人员可以在ONU终端设备离线的状态下，在EMS上根据已规划的业务及资源配置规范进行相关配置，并进行标识和保存配置文件。在ONU上线后将配置下发到ONU终端设备，完成业务开通。针对FTTB场景，MDU型ONU终端配置复杂，而且以太网用户端口数量众多，为提高业务开通效率，可以采用离线配置方式。

（3）业务配置模板

由于基于PON技术的宽带接入网承载了多种业务，PON EMS集成了多业务管理和配置功能，因此，网管人员需要熟悉多种业务的配置，为了提高其工作效率，在EMS上需要集成相关业务配置的共同属性形成相应的业务配置模板。在实际业务配置时，只需要完成特定业务参数的配置便能实现快速的业务发放。但需要注意的是，业务配置模板一定要具有灵活性，就是要求相关参数可以灵活修改以适应不同的网络和用户需求，例如带宽、限速等；同时需要具备通用性，即要求模板能够针对多业务配置，减少模板的数量和下发次数。

（4）告警过滤及屏蔽

随着宽带接入网建设规模不断扩大，现网部署的PON设备数量也不断增加，随之而来的是大量不重要的PON设备告警会影响PON网管维护人员的正常管理工作。因此，要求PON设备具有完善的告警过滤和屏蔽功能，例如，要求OLT设备的以太网上联端口和业务接口板PON端口的告警状态能够设置成“AUTO”状态。在设备开通时初始状态为“AUTO”，上联端口收到光信号以及PON端口在第一个ONU上线后，相应端口状态自动设置成打开状态，否则处于“休眠状态”不接受任何告警。

（5）实时流量统计及告警

要求PON系统同时支持对OLT的上联端口及PON端口流量进行有效统计分析，根据分析结果得出相应的报表。并能够对相应端口设置流量带宽占用率阈值，一旦流量超过所设定的阈值时告警。该功能可以有效告知PON网管人员何时需要进行端口及设备的扩容升级。

随着PON承载业务应用的不断深入，还需针对每个用户不同业务流量进行分析，这种精细化的流量分析可以反映用户的使用习惯，通过这些数据能方便地制订一些个性化的业务套餐。

（6）定时批量软件版本升级

要求PON系统实现ONU软件版本核对及升级功能，通过在配置菜单中输入目标版本，随后对目标版本与ONU终端设备实际版本进行比对，当发现实际版本和目标版本不符时，能够通过已制定策略自动触发软件版本升级，且要求升级过程中不影响业务的使用。一旦升级成功，自动重启ONU设备完成新版本的应用，如果多次升级失败，ONU设备仍能使用原有软件版本。

（7）定时/实时检测网元在线状态及数量

基于PON技术的宽带接入网中PON设备终端数量巨大，电信运营商需要有效统计网元的在线状态，PON系统需要支持定时/实时检测所有网元设备的在线状态，并在PON网管上提示实际在线的网元数，通过结合应在线网元数、不在线网元数以及不在线网元列表，进行有效的网元管理。

2.2 安全保护

EPON是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等等。EPONIEEE802.3定义了以太网的两种基本操作模式。第一种模式采用载波侦听多址接入/冲突检测协议而应用在共享媒质上；第二种模式为各个站点采用全双工的点到点的链路通过交换机连接到一起。相应的，以太网MAC可以工作于这两种模式之一：CSMA/CD模式或全双工模式。

目前基于EPON的宽带接入网面临的安全保护主要涉及用户接入安全和设备冗余保护两大方面。

在用户接入安全方面包括ONU终端设备接入及绑定、PON接口数据安全性、用户与业务安全等。首先，接入设备安全主要是执行对ONU设备的认证和绑定，以防止非法ONU对PON网络的接入和攻击，保证网络设备的正常运行；其次，通过启用三重搅动方法保证PON接口下行数据的安全；最后，在用户与业务安全方面，通过账号与端口绑定，将用户的宽带账号与其所在EPON系统的物理端口进行绑定，特定的账号只能通过特定的端口实现上网，防止用户宽带账号被盗用。此外，在EPON系统中，还可以利用VLAN或QinQ功能实现用户和业务之间的隔离。在以上方面中，值得重视的问题是账号与端口绑定的问题：针对不同业务，运营商将为用户分配不同的账号和物理端口，通过绑定，运营商可以在一定程度上有效防止盗用现象。对于PPPoE拨号上网业务，在基于EPON的FTTH/B/N/O接入网中，BRAS应启用账号与用户接入端口的绑定功能；对于IPTV和VoIP语音业务由于采用DHCP认证方式，应采用DHCP Option82实现用户与接入线路的惟一标识。

OLT 光线路终端。 在PON技术应用中，OLT设备是重要的局端设备，它实现的功能是：1、与前端（汇聚层）交换机用网线相连，转化成光信号，用单根光纤与用户端的分光器互联。2、实现对用户端设备ONU的控制、管理、测距等功能。3、OLT设备和ONU设备一样，也是光电一体的设备。

在设备冗余保护方面，除了传统的OLT设备主干光纤冗余保护、主控板冗余保护、OLT设备上联板链路聚合保护、电源设备冗余保护之外，针对宽带用户及承载业务的特殊需要，还提出了OLT设备双上联保护的需求。

OLT设备双上联保护：OLT应支持上联板的双归属的保护功能，即OLT的两个上联链路分别连接到两个不同的上联网络设备上，在OLT检测到一个主用上联链路异常后，主动切换到另外一个备用上联链路。鉴于语音以及商用专线业务的实时性、高优先级和客户体验的因素，可以考虑采用双上联保护。此时，OLT上联端口主、备用方式为主用端口发光、备用端口不发光、PON设备提供备用端口三层链路检测功能，防止备用链路出现故障而无法实现主备倒换。OLT设备工程阶段配置端口的检测IP地址可作为三层链路检测之用。现网还需要根据实际需求规范三层链路检测时间间隔、主备链路频繁倒换后终止倒换机制等相关要求。

2.3 业务发放

实现FTTH是电信运营商推进“光进铜退”的最终目标，随着FTTH用户规模的增加，电信运营商需要实现快速、高效的资源派配、业务受理、业务发放和业务开通的流程，具体流程如图1所示。

（1）CRM系统进行用户的业务受理；

（2）CRM系统调用资源管理功能进行资源确认，形成客户订单；

（3）CRM系统派发业务客户订单到服务开通系统，服务开通系统负责FTTx相关产品服务订单的开通流程处理，服务开通系统负责派发FTTx资源配置单到资源系统进行自动资源配置，派发激活工单到自动激活系统进行自动激活，派发外线施工单到施工调度进行人工上门施工，派发综合测试系统进行业务开通质量测试；

（4）资源管理系统完成对设备、线路等网络资源的配置，更新相应资源的状态；

（5）自动激活系统负责接入所有FTTx相关产品的平台/网管，根据FTTx产品激活拆分规则进行自动激活处理；

（6）施工调度系统进行具体施工调度派单，实现人工施工流程的IT管控；

（7）综合测试系统完成对业务激活后的实际质量测试，验证能否满足业务开通的质量要求；

（8）测试通过后，服务开通系统向CRM系统发送竣工回单；

（9）CRM系统在收到竣工回单后，派发计费通知，计费系统负责FTTx相关产品的计费采集与处理。

从上述流程中可以看到，FTTx宽带接入网业务的开通涉及的系统包括CRM系统、计费系统、服务开通系统、自动激活系统、资源管理系统、施工调度系统、综合测试系统、PON EMS网管、AAA认证系统、软交换系统、SHLR系统、IPTV管理平台等。涉及的主要接口为I1接口：PON EMS北向接口，提供业务自动激活功能。FTTx业务IT支撑总体架构如图2所示。

其中，接入网EMS系统北向接口的主要功能是与相关OSS/BSS系统对接，将接入网EMS系统纳入各级运维支撑体系之中，除了实现用户业务自动发放外，还包括宽带用户测试、资源管理、告警管理及性能管理等功能。目前，PON EMS的北向接口支持多种功能类型，采用的接口标准协议具备先进性和开放性，并在行业内普遍应用。由于各类北向接口的接口性能和功能要求各不相同，因此应按照不同需求选择协议标准，见表1。

2.4 故障诊断

（1）光链路诊断

EPON系统应支持光链路相关参数的实时测量功能，包括针对特定或者所有PON口/ONU的基于策略的光链路测量和诊断功能。具体要求如下。

为更好适应IP业务，第一英里以太网联盟（EFMA）在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM的EPON技术，IEEE 802.3ah工作小组对其进行了标准化，EPON可以支持1.25Gbps对称速率，将来速率还能升级到10Gbps。EPON产品得到了更大程度的商用，由于其将以太网技术与PON技术完美结合，因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。对于Gbit/s速率的EPON系统也常被称为GE-PON。

在EFMA提出EPON概念的同时，FSAN又提出了GPON，FSAN与ITU已对其进行了标准化，其技术特色是在二层采用ITU-T定义的GFP（通用成帧规程）对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射，能提供1.25和2.5Gb/s下行速率和所有标准的上行速率，并具有强大OAM功能。在高速率和支持多业务方面，GPON有明显优势，但成本目前要高于EPON，产品的成熟性也逊于EPON

· OLT应支持对其接收到的来自每个ONU的上行平均光功率进行测量的功能，在-30～-10 dBm范围内的测量精度不劣于±1 dB，最小测量取样时间不大于600 ns。当OLT接收到的来自某个ONU的上行光功率过低或者过高，则OLT应产生相应的光功率越限告警。

· OLT还应支持基于对PON接口下ONU的上行光功率的测量，实现光链路的故障诊断功能。故障诊断是指根据PON接口上接收到的各ONU的光功率分析光链路的衰减等指标是否正常，并提供一定的链路故障的判断功能。

· OLT还应提供对自身光模块工作温度、供电电压、偏置电流、发送光功率等参数的监测。

· ONU应具备光收发机参数测量功能，包括光模块工作温度、供电电压、偏置电流、发送光功率和接收光功率等参数，ONU还应支持对上述指标测量值的内部校准。

· 当ONU的光收发机的某个或者多个参数过低或者过高，则ONU应通过事件通告机制向OLT发送相应的越限告警或越限警示。

（2）精确的故障定位

光时域反射技术是光缆工程施工和光缆线路维护工作中最重要的测试手段，随着PON宽带接入网络的部署，针对PON网络中光分配网的监测和故障定位需求日益提高。虽然成本因素还是制约其应用的关键问题，但是针对特殊客户以及特殊应用场景应开展试点商用。目前通过将OTDR和PON网络融合在一起的监测方式主要有高反射方式、波长标记方式和波长路由方式3种。这3种方式通常在OLT局端需要部署光耦合模块，将监测信号波长耦合到PON网络主干光纤链路中，此外还需要配置1台OTDR设备和多通道光纤选择器，用于将OTDR的监测信号注入OLT设备的不同PON端口中，实现对1台OLT甚至多台OLT 下所有PON端口光链路的监测。这3种监测方式的主要区别在于以下几点。

· 高反射方式，主要采用不同于PON系统的工作波长的1 650 nm信号波长进行监测。同时，在每个ONU终端前部署终端滤波器，利用TF在OTDR监测波形上形成的反射峰实现对光分路器后每个ONU终端配线光链路的故障定位。一旦某一个ONU终端的反射峰消失，则证明其光链路可能有故障发生。值得注意的是，每个TF部署的物理位置距离OLT局端必须不同，以便于在OTDR监测波形上区分不同ONU终端的配线光链路。

· 波长路由方式，主要采用1 580～1 680 nm的OTDR，为每个ONU终端的光链路分配1个监测波长。在光分路器的位置利用DWDM等无源器件将监测信号波长分别注入光分路器之后的每个配线光链路，同时利用在ONU终端前部署TF，实现针对每个ONU终端配线光链路的故障定位。此时，TF部署的物理位置可以相同，但是为了区分不同ONU终端的配线光链路，该方式需要分别针对各配线光链路进行测试。

· 波长标记方式，除了采用1 580～1 680 nm的OTDR和TF之外，在每个TF之前增加了波长标记过滤器用于过滤1 580～1 680 nm范围内的每个工作波长。正是因为有了波长标记过滤器，使得该方式可以同时对每个ONU终端的配线光链路进行测试。

我们通过以上有效而精确的故障定位手段，可以在局端更有效率地检查PON网络的光链路质量；通过定期测试或连续测试PON网络光链路，可以及时地发现故障的发生；利用测试获得的各种故障信息，可以更快地进行光纤网络的修复；此外还可以利用存储的PON网路光链路的测试数据，实现有效的综合管理。

（3）反向查询

能够根据网元设备的名称、别名、MAC地址、IP地址等惟一标识，在PON 网管上进行模糊或精确反向查询PON网络中的网元设备，而且在配置这些参数时，能提示并定位出相同参数配置的网元设备的拓扑位置。在拓扑图上，ONU和OLT有互为定位关系，即ONU能对应定位到所在OLT的PON口，OLT也能显示相关PON口下的所有ONU。

3 结束语

随着电信运营商“光进铜退”政策的进一步深入实施，宽带接入网将大规模采用基于PON技术的FTTx模式进行建设和改造。在此进程中，运营商势必会遇到很多困难，包括业务开通流程的制订、ONU终端的远程管理、PON网络的安全和保护以及PON网络故障诊断等方面。特别是当发展到FTTH的阶段时，需要管理和维护数量庞大的用户终端以及结构复杂的PON ODN网络，运营商必须要做到快速的业务开通、有效的远程管理、可靠的网络保障以及精确的故障诊断，这样才能运行、管理和维护好这张基于PON技术的光接入网。