光纖到戶（FTTH）網絡：無源光網絡（PON）、有源光網絡（AON），一文給你講透！
光纖到戶（FTTH, Fiber To The Home）是指通過光纖將通信信號直接傳輸到用戶家庭的一種接入技術。與傳統的銅纜接入方式相比，FTTH能夠提供更高的帶寬、更快的傳輸速度和更長的傳輸距離。近年來，隨著互聯網應用的迅猛發展和用戶對高速寬帶的需求不斷增加，FTTH技術逐漸成為寬帶接入的主流選擇。
FTTH網絡的實現方式主要有兩種：無源光網絡（PON, Passive Optical Network）和有源光網絡（AON, Active Optical Network）。無源光網絡依賴于無源分光器來分配光信號，而有源光網絡則使用有源設備（如交換機和路由器）進行信號的放大和分配。
光纖通信技術
要理解FTTH網絡，首先需要了解光纖通信的基本原理和相關技術。光纖通信利用光信號在光纖中的傳播特性來實現數據傳輸。光纖是一種由玻璃或塑料制成的細長纖維，具有極低的信號損耗和極高的傳輸速率，是現代通信系統的核心介質。
光纖傳輸基于全反射原理。當光信號進入光纖后，在光纖核心與包層之間的界面上會發生全反射，從而沿著光纖傳輸。這一特性使得光信號可以在光纖中以極低的損耗進行長距離傳輸。
光纖的種類
光纖主要分為單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF）和多模光纖（Multi-Mode Fiber, MMF）。
單模光纖（SMF）：具有較小的纖芯直徑（一般為8-10微米），只允許一種模式的光傳輸。單模光纖的信號損耗小，適用于長距離、高帶寬的傳輸。 多模光纖（MMF）：纖芯直徑較大（一般為50或62.5微米），允許多種模式的光傳輸。多模光纖的信號損耗較大，通常用于短距離傳輸。
光信號的傳輸與接收
在光纖通信系統中，光源（如激光二極管或LED）將電信號轉換為光信號，光信號通過光纖傳輸到接收端。接收端的光電探測器（如光電二極管）將光信號轉換回電信號。光纖通信系統的性能指標主要包括帶寬、損耗和時延。
帶寬：指光纖能夠傳輸的最大數據速率。單模光纖的帶寬較高，可以達到數十Gbps甚至更高。 損耗：指光信號在光纖中傳輸時的能量損失，通常用dB/km表示。光纖的損耗越低，信號傳輸距離越遠。 時延：指信號從發送端到接收端的傳播時間。光纖的時延較小，有利于實現低延遲通信。
FTTH網絡的兩種主要實現方式：PON和AON
FTTH網絡主要有兩種實現方式：無源光網絡（PON）和有源光網絡（AON）。這兩種技術在網絡架構、關鍵組件和應用場景等方面存在顯著差異。
無源光網絡（PON）
無源光網絡是一種無需中間有源設備（如放大器、交換機等）的光纖網絡。
PON系統中，光線路終端（OLT, Optical Line Terminal）位于服務提供商端，通過光纖連接到多個光網絡單元（ONU, Optical Network Unit）或光網絡終端（ONT, Optical Network Terminal），中間通過無源分光器（Splitter）分配光信號。PON系統具有成本低、維護簡單的優點，廣泛應用于FTTH網絡。
有源光網絡（AON）
有源光網絡依賴于中間有源設備（如交換機和路由器）來放大和分配光信號。
AON系統中，每個用戶都有獨立的光纖連接到中心交換機或路由器，這樣可以實現更高的帶寬和更靈活的服務質量管理。雖然AON系統的初始建設成本較高，維護也較為復雜，但其性能和服務質量優勢使其在某些高端應用中具有競爭力。
無源光網絡（PON）
無源光網絡（PON）是一種不需要中間有源設備的點對多點光纖接入網絡。PON系統的核心在于其無源組件，即分光器，通過它可以將來自光線路終端（OLT）的光信號分配給多個光網絡單元（ONU）或光網絡終端（ONT）。由于無需中間放大和轉發設備，PON系統具有結構簡單、成本低和維護方便等優點。
在PON系統中，光線路終端（OLT）位于服務提供商的中心局端，它負責將數據傳輸到各用戶端的光網絡單元（ONU）。光信號在傳輸過程中經過無源分光器（Splitter），將單根光纖的信號分配到多個用戶終端。這種點對多點的結構使得PON系統可以高效地利用光纖資源。
PON系統通常采用時分多址（TDMA, Time Division Multiple Access）技術進行數據傳輸。OLT在下行鏈路中將數據分割成多個時間片，每個時間片分配給不同的ONU；在上行鏈路中，各ONU根據OLT的調度在不同時間片上傳輸數據。
目前，PON技術有多個標準，其中最主要的是GPON（Gigabit-capable PON）和EPON（Ethernet PON）。這兩種標準在技術特點、應用場景和性能指標等方面存在一定差異。
GPON（Gigabit-capable PON）
GPON是由ITU-T（國際電信聯盟電信標準化部門）制定的PON標準，主要用于電信運營商的光纖接入網絡。
技術特點：
支持高速率：下行速率可達2.5Gbps，上行速率可達1.25Gbps。 高效的帶寬利用：采用基于G.984標準的Gem（GPON Encapsulation Method）進行數據封裝，支持以太網、TDM等多種業務。 QoS保障：支持多種服務質量（QoS）機制，能夠為不同業務提供差異化的服務質量保障。 典型應用場景：
大型住宅區和商業區的寬帶接入。 需要支持語音、視頻和數據等多種業務的應用場景。
EPON（Ethernet PON）
EPON是由IEEE（電氣與電子工程師協會）制定的PON標準，主要用于以太網環境下的光纖接入網絡。
技術特點：
基于以太網協議：下行速率和上行速率均為1Gbps，支持10Gbps的10G-EPON標準。 簡單的網絡管理：利用以太網技術的成熟性和廣泛應用，EPON系統易于部署和管理。 兼容性強：可以無縫集成到現有的以太網基礎設施中。 典型應用場景：
城市和農村地區的寬帶接入。 需要與現有以太網網絡集成的應用場景。
GPON和EPON的比較
GPON和EPON各有優缺點，選擇哪種技術主要取決于具體應用場景和需求。
帶寬：GPON的下行速率高于EPON，但EPON的對稱帶寬適合某些特定應用。 效率：GPON的封裝效率較高，但EPON在以太網環境中具有更好的兼容性和簡易性。 成本：EPON設備通常成本較低，適合成本敏感的應用場景，而GPON在支持多種業務和QoS方面具有優勢。
PON的關鍵組件
無源光網絡（PON）的關鍵組件包括光線路終端（OLT）、光網絡單元（ONU）/光網絡終端（ONT）和分光器（Splitter）。
光線路終端（OLT）
OLT是PON系統的核心設備，位于服務提供商的中心局端。它負責將數據從核心網絡傳輸到用戶端，并從用戶端接收數據。OLT的主要功能包括：
信號處理：將電信號轉換為光信號，并進行數據封裝和解封裝。 帶寬分配：根據TDMA技術調度各ONU的上行數據傳輸時間。 網絡管理：支持網絡配置、故障檢測和性能監控等管理功能。
光網絡單元（ONU）/光網絡終端（ONT）
ONU/ONT是位于用戶端的設備，負責接收來自OLT的光信號并將其轉換為電信號，同時將用戶的電信號轉換為光信號上傳至OLT。ONU和ONT的區別在于，ONU通常用于連接多個用戶終端設備（如在多用戶樓宇中），而ONT通常用于單用戶環境。
分光器（Splitter）
分光器是PON系統中的無源組件，它將來自OLT的光信號分配給多個ONU/ONT。分光器的分光比（如1:32，表示將光信號分為32份）決定了光信號的分配方式。分光器的優點是無需電源和維護，但其插入損耗會影響信號強度和傳輸距離。
PON的優缺點
優點
成本效益高：PON系統中沒有中間有源設備，減少了設備成本和電力消耗。 維護簡便：無源組件無需維護，降低了運營和維護成本。 擴展性好：PON系統的點對多點結構易于擴展，可以通過增加分光器和ONU實現用戶數量的擴展。
缺點
帶寬共享：多個用戶共享OLT的總帶寬，可能導致峰值時段的帶寬競爭。 上行帶寬受限：由于TDMA的限制，上行帶寬通常較下行帶寬低。 距離限制：由于無源分光器的插入損耗，PON系統的傳輸距離受限于20公里左右。
有源光網絡（AON）
有源光網絡（AON, Active Optical Network）是一種點對點的光纖接入網絡，依賴于中間有源設備（如交換機和路由器）進行信號的放大和分配。與無源光網絡（PON）不同，AON在網絡中使用有源組件來處理和管理光信號，提供更高的帶寬和更靈活的服務質量管理。
AON系統中的每個用戶都有一條獨立的光纖連接到中心交換機或路由器。中心交換機或路由器負責將數據分發到各個用戶，同時接收用戶上傳的數據。這種點對點的拓撲結構使得每個用戶獨享光纖帶寬，避免了帶寬共享的問題。
AON通常采用以太網技術，利用以太網交換機進行數據的轉發和管理。由于以太網技術的成熟性和廣泛應用，AON系統具有較高的兼容性和易用性。
AON技術主要基于以太網標準，同時也有其他一些標準，如波分復用（WDM, Wavelength Division Multiplexing）AON。以下是兩種主要的AON技術標準：
以太網AON（Ethernet AON）
以太網AON是最常見的AON技術標準，基于IEEE 802.3以太網標準。它利用以太網交換機進行光信號的轉發和管理，提供高帶寬和靈活的服務質量管理。
技術特點：
高帶寬：以太網AON可以提供高達10Gbps甚至更高的帶寬，滿足大多數用戶的寬帶需求。 靈活性高：以太網交換機支持多種QoS機制，可以根據不同業務的需求進行帶寬分配和優先級管理。 兼容性好：以太網AON可以無縫集成到現有的以太網基礎設施中，易于部署和擴展。 典型應用場景：
企業級寬帶接入 需要高帶寬和高服務質量保障的應用場景
WDM AON
波分復用（WDM）AON是一種利用不同波長的光信號在同一光纖中傳輸多路數據的技術。每個用戶分配一個特定的波長，用于上傳和下載數據。
技術特點：
高帶寬利用率：通過在同一光纖中傳輸多個波長的光信號，WDM AON可以顯著提高帶寬利用率。 獨享帶寬：每個用戶獨享一個波長的帶寬，避免了帶寬共享的問題。 長距離傳輸：WDM技術可以在不增加中繼設備的情況下實現更長距離的傳輸。 典型應用場景：
大型企業和數據中心的光纖接入 需要長距離高帶寬傳輸的應用場景
AON的關鍵組件
有源光網絡（AON）的關鍵組件包括光線路終端（OLT）、光網絡單元（ONU）/光網絡終端（ONT）、交換機和路由器。
光線路終端（OLT）
AON系統中的OLT類似于PON系統中的OLT，位于服務提供商的中心局端。它負責將數據從核心網絡傳輸到用戶端，并從用戶端接收數據。AON中的OLT通常集成在以太網交換機中。
光網絡單元（ONU）/光網絡終端（ONT）
AON系統中的ONU/ONT也類似于PON系統中的設備，位于用戶端，負責光電信號的轉換和數據傳輸。每個ONU/ONT通過獨立的光纖連接到中心交換機或路由器。
交換機和路由器
交換機和路由器是AON系統的核心組件，負責光信號的轉發、放大和管理。交換機通過多端口連接多個用戶，每個端口對應一條獨立的光纖。路由器則負責數據包的路由和轉發，確保數據傳輸的高效和可靠。
AON的優缺點
優點
帶寬獨享：每個用戶獨享光纖帶寬，避免了帶寬共享問題，提供更高的傳輸速率和更穩定的性能。 靈活性高：AON系統的有源設備支持多種QoS機制，可以靈活地管理和分配帶寬，滿足不同業務的需求。 長距離傳輸：通過有源設備的放大和中繼，AON系統可以實現更長距離的信號傳輸，適用于大范圍覆蓋的場景。
缺點
成本較高：AON系統需要使用有源設備，如交換機和路由器，初始建設成本較高。 維護復雜：有源設備需要電力供應和定期維護，增加了運營和維護成本。 設備故障影響大：由于AON系統依賴于有源設備，一旦設備故障可能影響整個網絡的運行。
PON與AON的比較
網絡架構比較
PON架構：
點對多點：PON采用點對多點的架構，光線路終端（OLT）通過無源分光器（Splitter）將光信號分配給多個光網絡單元（ONU）或光網絡終端（ONT）。 無源組件：PON系統中的分光器是無源組件，不需要電源和維護，降低了網絡的運營和維護成本。 集中管理：由于PON采用集中式架構，所有的管理和控制功能都集中在OLT上，簡化了網絡管理和配置。
AON架構：
點對點：AON采用點對點的架構，每個用戶都有一條獨立的光纖連接到中心交換機或路由器。 有源組件：AON系統依賴于有源設備（如交換機和路由器）進行信號的放大和分配，需要電力供應和定期維護。 分布式管理：AON采用分布式管理，網絡的管理和控制功能分布在各個有源設備中，提供了更高的靈活性和擴展性。
帶寬
PON：由于PON采用點對多點的架構，多個用戶共享OLT的總帶寬。在峰值時段，可能會出現帶寬競爭的問題。典型的GPON系統下行速率為2.5Gbps，上行速率為1.25Gbps，而EPON系統上下行速率均為1Gbps。 AON：AON采用點對點的架構，每個用戶獨享光纖帶寬，提供更高的傳輸速率和更穩定的性能。以太網AON可以提供高達10Gbps甚至更高的帶寬。
延遲
PON：由于PON系統中的分光器是無源組件，不會引入額外的延遲。然而，由于多個用戶共享帶寬，上行鏈路的時分多址（TDMA）機制可能會引入一些延遲。 AON：AON系統中的有源設備（如交換機和路由器）會引入一定的處理延遲，但由于每個用戶獨享帶寬，整體延遲較低且更為穩定。
傳輸距離
PON：PON系統的傳輸距離受限于分光器的插入損耗和光信號的衰減，一般在20公里左右。通過增加中繼器可以延長傳輸距離，但會增加成本和復雜性。 AON：AON系統依賴于有源設備進行信號放大和中繼，可以實現更長距離的傳輸，適用于大范圍覆蓋的場景。
成本
PON：PON系統中使用的無源組件（如分光器）成本低，不需要電力供應和維護，降低了初始建設成本和運營成本。適用于大規模部署和成本敏感的應用場景。 AON：AON系統中使用的有源設備（如交換機和路由器）成本較高，需要電力供應和定期維護，增加了初始建設成本和運營成本。適用于需要高帶寬和高服務質量保障的應用場景。
維護
PON：由于PON系統中沒有中間有源設備，無源組件無需維護，降低了運營和維護成本。 AON：AON系統中的有源設備需要定期維護和電力供應，增加了運營和維護成本，但提供了更高的管理靈活性和服務質量保障。
應用場景比較
PON的應用場景：
住宅區寬帶接入：PON系統結構簡單、成本低、維護方便，適合大規模住宅區的寬帶接入。 中小型企業接入：對于帶寬需求不高的中小型企業，PON可以提供經濟高效的寬帶接入解決方案。 語音、視頻和數據業務融合：PON系統支持多種業務類型，適用于需要語音、視頻和數據融合的應用場景。
AON的應用場景：
企業級寬帶接入：AON系統提供高帶寬、低延遲和高服務質量保障，適合需要高帶寬和高服務質量的企業級應用。 數據中心互連：AON系統的點對點架構和高帶寬特性，使其成為數據中心之間高速互連的理想選擇。 長距離傳輸：AON系統可以通過有源設備進行信號放大和中繼，適用于需要長距離高帶寬傳輸的應用場景。
FTTH網絡的設計與部署
FTTH（光纖到戶）網絡的設計是確保光纖接入服務高效、穩定的關鍵步驟。FTTH網絡設計包括網絡規劃、拓撲結構選擇、設備選型和容量規劃等多個方面。
網絡規劃是FTTH網絡設計的首要環節，涉及到光纖線路的路徑選擇、網絡節點的布局和分光器的位置安排等。
路徑選擇：選擇光纖線路的路徑時，需要考慮現有管道、建筑物、道路和自然障礙物等因素，盡量選擇路徑最短、施工難度最小的線路。 網絡節點布局：根據用戶分布情況和服務范圍，合理布局網絡節點，如OLT位置、分光器位置和ONU位置等。 分光器位置：分光器的位置應盡量靠近用戶，以減少光纖的鋪設長度和損耗。通常分光器會安裝在樓宇交接箱或街區分配點處。
FTTH網絡的拓撲結構主要有星型、樹型和環型三種，每種拓撲結構都有其優缺點。
星型拓撲：每個用戶都有一條獨立的光纖連接到中心節點（如OLT）。優點是每個用戶獨享帶寬，缺點是光纖使用量大，成本較高。 樹型拓撲：采用分光器將光信號分配給多個用戶，分光器可以多級分布。優點是光纖使用量少，成本較低，缺點是多個用戶共享帶寬。 環型拓撲：光纖線路呈環形連接，具有冗余和容錯能力。優點是可靠性高，缺點是復雜性和成本較高。
設備選型是FTTH網絡設計中的重要環節，主要包括OLT、ONU/ONT、分光器和光纜等設備的選擇。
OLT（光線路終端）：根據網絡規模和用戶數量選擇合適的OLT設備，考慮其支持的PON標準、端口密度、帶寬能力和擴展性等因素。 ONU/ONT（光網絡單元/光網絡終端）：根據用戶需求選擇合適的ONU/ONT設備，考慮其接口類型、帶寬能力和功能支持等因素。 分光器：選擇適當的分光比（如1:8、1:16、1:32等），考慮其插入損耗、穩定性和可靠性等因素。 光纜：根據線路路徑和環境選擇合適的光纜類型，如單模光纖、多模光纖、室外光纜和室內光纜等。
容量規劃是確保FTTH網絡能夠滿足當前和未來用戶需求的重要環節，包括帶寬規劃和用戶數量規劃。
帶寬規劃：根據用戶的業務需求和帶寬使用情況進行帶寬規劃，確保OLT和ONU/ONT能夠提供足夠的帶寬。 用戶數量規劃：根據用戶分布和網絡規模進行用戶數量規劃，確保分光器和OLT端口能夠支持預期的用戶數量。
FTTH網絡的部署包括光纖線路的鋪設、設備的安裝與調試、網絡的測試與驗收等環節。
光纖線路的鋪設是FTTH網絡部署的基礎，主要包括光纜的敷設、連接和保護。
光纜敷設：根據網絡規劃選擇光纜的敷設路徑，可以采用架空、管道、直埋和室內布線等方式。敷設過程中應注意光纜的彎曲半徑和張力，避免損傷光纜。 光纖連接：光纖連接可以采用熔接和機械連接兩種方式。熔接方式連接損耗小，穩定性高，但需要專業設備和技術；機械連接方式操作簡單，適用于現場快速連接。 光纖保護：在光纖敷設過程中，應注意對光纖的保護，避免機械損傷和環境影響?？梢圆捎霉饫|保護管、光纖接頭盒和光纖配線架等保護措施。
設備的安裝與調試是FTTH網絡部署的關鍵環節，主要包括OLT、ONU/ONT和分光器的安裝與配置。
OLT的安裝與調試：將OLT安裝在中心局端的機房內，連接電源和光纖線路，進行設備配置和參數設置。調試過程中應測試OLT的帶寬能力、端口狀態和信號強度。 ONU/ONT的安裝與調試：將ONU/ONT安裝在用戶端，連接用戶設備和光纖線路，進行設備配置和參數設置。調試過程中應測試ONU/ONT的帶寬能力、接口狀態和信號強度。 分光器的安裝：將分光器安裝在網絡節點處，連接OLT和ONU/ONT的光纖線路。安裝過程中應注意分光器的方向和插入損耗，確保信號的正確分配。
網絡的測試與驗收是FTTH網絡部署的最后環節，主要包括光纖線路測試、設備性能測試和業務測試等。
光纖線路測試：使用光時域反射儀（OTDR）測試光纖線路的衰減、損耗和故障點，確保光纖線路的質量和穩定性。 設備性能測試：測試OLT、ONU/ONT和分光器的性能指標，如帶寬能力、端口狀態、信號強度和穩定性，確保設備的正常運行。 業務測試：測試網絡的實際業務能力，如上網速度、視頻流暢度和語音通話質量，確保網絡能夠滿足用戶的業務需求。
總結
AON（Active Optical Network）
特點：
主動設備：AON使用有源設備（如以太網交換機）來管理信號分配。 點對點連接：每個用戶都有獨立的光纖連接到中央交換機。 高帶寬：因為每個用戶都有獨立的光纖通道，帶寬較高。 可擴展性：容易進行網絡擴展，可以靈活增加用戶。
優點：
帶寬獨享：每個用戶都擁有獨立的光纖，帶寬不會被共享。 故障定位容易：由于是點對點連接，故障檢測和維修較為簡單。 靈活性高：易于進行網絡調整和升級。
缺點：
成本高：需要大量有源設備，初期建設和維護成本較高。 供電要求高：有源設備需要電源支持，增加了運營和維護的復雜性。
PON（Passive Optical Network）
特點：
無源設備：PON使用無源分光器來分配信號，無需供電。 點對多點連接：一根光纖通過分光器連接多個用戶。 共享帶寬：多個用戶共享同一條光纖的帶寬。
優點：
成本低：減少了有源設備的使用，初期建設和維護成本較低。 節能環保：無源設備不需要電源，降低了能源消耗。 簡單安裝：架構相對簡單，適合大規模部署。
缺點：
帶寬共享：多個用戶共享帶寬，可能導致高峰期帶寬瓶頸。 故障定位復雜：因為是共享網絡，故障檢測和維修較為復雜。 靈活性較低：擴展和調整網絡結構時較為不便。
如何選擇：
應用場景：
高密度用戶區域：如果是在城市高密度區域，PON的成本優勢更明顯，適合大規模部署。 低密度用戶區域：在農村或低密度用戶區域，AON可以提供更高的帶寬和更好的用戶體驗。
帶寬需求：
高帶寬需求：如需要高帶寬應用（視頻會議、大文件傳輸等），AON更適合。 一般帶寬需求：如一般家庭寬帶需求，PON可以滿足。
成本和預算：
低預算：PON的初期投資和維護成本較低。 高預算：如果預算充足，AON可以提供更高的性能和靈活性。
維護和運營：
簡便維護：如果希望簡化運營和維護，PON更適合。 精細維護：如果有專門的維護團隊，AON的故障定位和修復更簡單。
選擇AON還是PON需要綜合考慮具體應用場景、用戶帶寬需求、預算和維護能力。對于大多數城市環境和一般用戶需求，PON由于其成本效益和簡便性是較為常見的選擇；而對于需要高帶寬和靈活性的特定應用場景，AON可能更為合適。
