摘要：本文简单介绍了PON技术的发展历史和现状，重点对两种主流PON技术――EPON和GPON，在可用带宽、技术成熟度、成本、多业务和安全性、QoS和OAM等方面进行了综合的比较和分析。从目前已经商用的EPON和GPON产品来看，二者功能和性能相当，但EPON成本更低，更具竞争优势。
关键字：PON EPON GPON
多年来业界一直认为，PON是接入网未来发展的方向，这是由于它提供的带宽可以满足现在和未来各种宽带业务的需要，因此在解决宽带接入问题上被普遍看好，而且无论在设备成本还是运维管理开销方面，其费用也相对较低。PON的网络结构非常简单，其技术上的复杂性主要在于信号处理技术。在下行方向，局端设备/OLT发出的信号是广播式发给所有的远端用户/ONU（单点发送，多点接收），各用户需要从中取出发给自己的数据。在上行方向，由于各用户/ONU共享一根干路光纤（多点发送，单点接收），就必须采用某种多址接入协议如时分多址访问TDMA（Time Division Multiple Access）协议来避免发生信号冲突，实现多用户对共享传输通道的访问。
目前，有两个颇为引人注目的PON标准已正式发布，其中一个是由ITU/FSAN制定的Gigabit PON（GPON）标准，另一个是由IEEE 802.3ah工作组制定的Ethernet PON（EPON）标准。在PON技术已被毋庸置疑地认为是未来FTTH时代的终极解决方案之后，EPON和GPON谁将主导FTTH大潮已成为当前新的争论热点。
单独从某一方面的对比结果来判断哪种技术会得到规模应用是不严谨的，因此，本文将从可用带宽、成熟度、成本、多业务和安全性、QoS和OAM等方面对二者进行综合的比较。
1.xPON概述
1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。1995年，FSAN联盟成立，目的是要共同定义一个通用的PON标准。1998年，ITU-T以155Mbit/s ATM技术为基础，发布了G.983系列APON（ATM PON）标准。同时各电信设备制造商也研发出了APON产品，目前在北美、日本和欧洲都有APON产品的实际应用。但在我国由于价格较高，又受到ATM推广受阻的影响，所以APON在我国几乎没有什么应用。
2000年底一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟（EFMA），提出基于以太网的PON概念－EPON。并促成IEEE在2001年成立第一英里以太网（EFM）小组，开始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在内的EFM相关标准。EPON标准IEEE 802.3ah已于2004年6月正式颁布。我国在"十五"863计划中也设立了吉比特EPON的相应课题。
2001年底，FSAN更新网页把APON更名为BPON，即"宽带PON"。实际上，在2001年1月左右EFMA提出EPON概念的同时，FSAN也开始进行1Gbit/s以上的PON－GPON标准的研究，2003年3月ITU-T颁布了描述GPON总体特性的G.984.1和ODN物理媒质相关（PMD）子层的G.984.2 GPON标准，2004年3月和6月发布了规范传输汇聚（TC）层的G.984.3和运行管理通信接口的G.984.4标准。
表1依据相关标准规范描述了BPON、EPON和GPON的主要特征。
表1 BPON、GPON和EPON的技术参数
从应用情况来看，GPON由于技术实现复杂，成熟的商业产品还很少，目前还没有规模的商用系统应用；BPON在欧美等ATM原有设备较多的国家和地区使用较多；EPON在亚洲地区，尤其是日本使用较多。值得注意的是，今年我国在武汉、杭州、北京、绵阳等许多城市已经开始大量使用EPON系统。
下面将对GPON和EPON这两种PON技术和产品进行详细比较。
2.上行可用带宽
可用带宽的计算由于要涉及到网络业务分布模型、ONU数目以及上行周期等诸多因素，因此不同的假设和算法得出的结论也会有较大的出入。
为了简化计算模型，并考虑到将来全分组/全IP的趋势，这里给出的计算结果仅仅针对单一的以太网业务，不包含传输TDM等其他业务带来的开销。基于这样的假设，把PON的开销分成三类：线路编码开销、封装开销以及PON调度开销。
对于IP数据业务，EPON的上行可用带宽约为820M，1.244G速率的GPON大约为1G。
2.1.1 线路编码开销
EPON采用8B/10B编码，将8位数据字节编为10位传输字符，这部分引入的开销为20％。
GPON在物理层编码采用不归零（NRZ）扰码为线路码，这部分没有引入开销。
值得注意的是：8b/10的编码开销和协议封装开销是所有以太网的固有属性，而非EPON引入的开销。而且8b/10b线路编码及插入IPG的方式带来的实现简单，定时要求宽松等优点，足以抵消其带宽代价。以太网从10M、100M到1G发展过程中始终选择类似的方案可有力证实这一点。
2.1.2 封装开销
EPON的封装开销包括：12字节的IPG、8字节的前导码（含SPD）、6字节的源MAC地址、6字节的目的MAC地址、2字节的长度、4字节的FCS以及可能的帧填充开销PADs。
对于可能的PADs，大小和IP包的长度分布有关。按照EFM给出的接入网内包长分布模型[6]，最后可以算出EPON封装的总开销约为7.4%。
GPON的封装开销包括：5字节的GEM帧头、6字节的源MAC地址、6字节的目的MAC地址、2字节的长度、4字节的FCS以及可能的帧填充开销PADs。在同样的包长分布模型下，得出GPON的封装开销约为5.8%。
2.1.3 PON调度开销
PON调度开销包括：上行突发开销、控制协议开销以及空白时隙开销。
1）突发开销和控制协议开销：对于EPON，每ONU上行突发开销为104字节，控制协议开销主要来自REPORT帧，每ONU开销时间约为84字节。
对于GPON，上行突发开销固定为15字节，控制协议的开销为13字节的PLOAM。
根据计算公式：系统开销＝每ONU开销时间×ONU个数 / 上行周期时间
在上行周期时间为500us，32个ONU的情况下，EPON的上行突发开销为5.3%，控制协议开销为4.3%。
GPON的上行周期固定为125us，这样算出在32个ONU的情况下的上行突发开销为2.0%，控制协议开销为2.1%。其他情况下的上行突发开销和控制协议开销可根据此公式推出。
2）DBA引入的开销与具体的DBA算法有关，当DBA分配给ONU的授权时隙的剩余部分不足以发送下一个完整的以太网帧时，这部分剩余时隙就会被浪费，产生空白时隙开销。根据前面给出的包长分布模型，可以计算得出平均剩余时隙的长度为595字节，这样EPON在DBA周期长度为500us的情况下的帧碎片开销约为1％。GPON在时隙长度不足的情况下可以切割帧，但会引入新的封装开销和填充开销，这种开销约为3.8%。
综合以上计算过程，最后得出EPON的总传输效率为(1－0.2)×(1－0.058－0.053－0.043－0.01)＝65.6%（可用带宽为1.25G×65.6%＝820M）；GPON的总传输效率为1―0.058―0.020－0.021－0.038＝86.3％。（可用带宽为1.244G×86.3%＝1073M）
3.成熟度
3.1 EPON
3.1.1 标准
EPON的标准是IEEE的802.3ah，标准中定义了EPON的物理层、MPCP（多点控制协议）、OAM（运行管理维护）等相关内容。
IEEE制定EPON标准的基本原则是尽量在 802.3体系结构内进行EPON的标准化工作,最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。这就最大程度的继承了以太网经过长期、大规模实践检验积累下来的宝贵技术经验。
IEEE制订该标准的过程是漫长的，标准组初期曾提出了多种技术路线，在经过成员厂商在芯片和系统方面的实践检验后，从中择优选用才形成了目前最终的标准。802.3ah标准和IEEE的802.3系列其他标准一样，都是经过充分实践验证的成熟标准。
3.1.2 核心芯片和光收发模块
现在可以提供EPON核心芯片的专业厂商已有5～6家（不包括自主设计芯片的系统厂商），在标准讨论的过程中这些厂商即已开始芯片的设计和验证，因此在802.3ah标准正式颁布时，他们大多都已推出了第二代和标准完全兼容的芯片，可以迅速支持EPON系统的大规模部署。
目前，EPON的核心芯片已发展到第三代SoC（System on Chip）阶段，集成了多端口标准以太网的MAC和PHY、SRAM、CPU、以及PON专用的SerDes。以这种芯片为核心，只需增加少数的外围器件（如模块和接口电路）就可以构成一个完整的系统，某些厂商提供的ONU参考设计，面积只有手掌一半大小。
最近，我国大陆和**的芯片厂商也开始启动了EPON芯片设计项目。
EPON光收发模块的产业链已经完整并开始与EPON系统的发展互相推动，二者开始步入良性循环的轨道：ONU模块的价格从最初的200美元以上，下降到目前不足50美元，价格水平已经和普通的千兆以太网光模块相当。模块价格的下降反过来又带动了EPON系统的规模部署速度，日本和韩国都已开始了大规模的EPON商业化应用。
EPON模块的主流厂商也从日本和美国转移到中国的**和大陆。现在能够提供EPON模块的厂商已经有10～20家。
3.1.3 系统
提供EPON系统的最初都是一些新兴专业厂商，如Alloptic和Salira。现在传统的主流电信大厂也开始进入该领域：如富士通、UTStarcom和烽火。极大地带动了EPON的产业化发展。
我国从EPON国际标准制订一开始就把EPON列入国家的863重大项目，支持格林威尔等国内厂商对EPON的关键技术进行攻关，2004年初完成863项目的验收，之后滚动投入二期资金支持优秀厂商进行EPON系统的商业化推广。
现在，能够提供商用EPON系统的厂商也已将近十家，从技术水平上看，因为几乎同步开发，国内外厂商的差别很小。而价格方面，国内厂商占优。
3.2 GPON
3.2.1 标准
GPON的标准是ITU-T G.984系列标准，规定了GPON的物理层、TC层和OAM相关功能。
GPON标准的制订考虑了对传统TDM业务的支持，继续采用125ms固定帧结构，以保持8K定时延续。为了支持ATM等多协议，GPON定义了一种全新的封装结构GEM：GPON Encapsulation Method。可以把ATM和其他协议的数据混合封装成帧。
GPON标准相当复杂，在已有技术基础上，以可接受的成本实现完全符合标准要求的设备比较困难。
3.2.2 核心芯片和光收发模块
除GPON设备厂商自主设计的GPON芯片外，目前还没有专业的芯片厂商推出商用GPON核心芯片。
GPON设备上使用的模块都是专用的自主或协作开发的模块，还没有专业的模块厂商可以提供样品，更谈不上大规模量产。
GPON标准要求模块指标支持三类ODN，但C类ODN受目前光模块技术水平的限制，很难在经济的成本下实现。
3.2.3 系统
目前提供GPON系统的还只有一两家新兴专业厂商，如FlexLight。其生产供货、技术支持和服务能力还有待提高，难以独立支撑GPON的大规模部署。
与EPON相比，GPON的产业链还不完整，更谈不上成熟，乃至进入良性循环。
4.成本
影响成本的因素是多方面的：比如技术复杂度、规模产量、以及市场应用规模。
在芯片方面，为什么EPON的芯片已发展到第三代，已经可以开始搭建"单片系统"，而GPON却还迟迟不能发布第一代完全符合标准的主芯片？虽然同样身处二层，可是二者却"形态近而难易远"。EPON继承了以太网"简单即是美"的优良传统，尽量只做最小的改动来提供增加的功能，这就使得一方面传统的以太网芯片厂商可以很容易地进行EPON芯片设计，另一方面新的设计公司也能利用随处可得的以太网相关IP Core（具有知识产权的设计内核）来加入EPON芯片设计的阵营。EPON从技术角度"进入门槛"很低，容易吸引大批厂商加入EPON产业联盟。目前EPON的第三代芯片其价格并不比前两代芯片价格高（甚至还有下降的趋势），功能却不可同日而语。GPON芯片功能比较复杂，需要全新设计封装格式，没有对这方面比较熟悉的传统厂商，"技术门槛"较高，又会让新兴公司"望而却步"。GPON芯片厂商数量太少，芯片价格也难以下降。在这方面，ATM就是一个前车之鉴。
在模块方面，从技术角度来看，由于GPON的光模块要满足很高的突发同步指标（在1.244G速率下，GPON标准规定突发同步物理层开销只有12字节），对模块中的驱动和前后放大器芯片的要求很高；还要满足三类ODN的功率预算，对ONU发射机功率和OLT接收机的灵敏度也有很高要求，只能采用DFB发射机和APD的接收机，而它们的成本几乎是EPON模块中使用的传统FP发射机和PIN接收机的6倍（该数据来自光模块厂商）！所以，GPON光模块的成本显然要高于EPON光模块。
另外，从产量规模角度看，EPON系统厂商在标准制订的过程中就已经开发了早期的系统，开始进行小规模现场试验，一方面随着标准的演化及时跟进，另一方面也为将来的大规模部署积累着相关的工程和服务经验。这样在标准颁布之时就早已做好了各方面的准备，一旦需求爆发，马上就可以开始大规模的部署。日本Yahoo BB之所以能在EPON标准刚正式颁布不久即大规模采用EPON部署FTTH就是因为EPON的工程技术成熟。这反过来又大大促进了EPON产业的发展，只其一家的采购规模就足以大大拉低EPON光模块的价格，还吸引了更多的新厂商进入。EPON模块价格已接近传统模块。实际上，EPON一开始就把竞争对手定位在传统的光纤收发器和ADSL上，致力于用与其相当的部署成本，提供更大的带宽、更多的业务和更好的服务质量。现在，随着EPON部署规模的增大，二者的价格差距正在逐步缩小。而GPON目前的部署规模还很小，模块价格很难快速下降。
经过多年的发展，期间包括一场跟ATM的"战争"，以太网已成为数据网络中的事实标准，以太网相关技术无疑具有良好的市场前景，现在和将来的新技术，都要提供对以太网的接口。和GPON相比，EPON的市场前景应该会更好一些。
无论从哪方面来看，现在EPON的成本肯定比GPON低，事实也正是如此：根据从日本市场获得的数据，目前Yahoo BB部署的EPON系统，每用户（或每线）设备成本（包括ONU和分摊的OLT成本）已降到了200美元。GPON还未见有大规模商用的市场报道，参考北美155M APON系统的设备价格为每用户300美元以上，再参考SDH的622M系统对155M系统的价格系数（约为2.5），估计目前的GPON系统价格约为每用户750美元，将近是EPON价格的4倍！即便换算成单比特成本，GPON也是EPON的3倍！而且从长远来来看，EPON的成本下降速度也会比GPON更快。所以无论现在还是将来，GPON在成本上将始终难以和EPON竞争。
5.多业务和安全性
目前对EPON多业务能力质疑最多的就是它传输传统TDM业务的能力。且不说目前EPON设备厂商采用的各种TDM over Ethernet的专利技术提供了EPON 单一网段的TDM业务传输通道，从测试结果来看，其性能完全满足1.5ms时延等指标要求，完全符合传统TDM业务的应用标准。就是在普通的以太网设备上，现在也可以使用各种标准的PWE3（Pseudo Wire Emulation Edge to Edge）设备提供跨网段、端到端的透明的传统点对点TDM通道。而且，随着传统TDM业务量所占比例的日趋减少，使用分组交换技术，把TDM业务收容到日益扩大的分组网络中来，无疑将是一种更为经济的手段。即使是现在部署的G/EPON系统，也会更看重其对各种以太网数据业务的支持能力。
对于IPTV，VoIP等IP/以太网基础上的多业务，EPON更是可以很好地承载。
对模拟的CATV业务，EPON也可以采用和GPON一样的方式承载：增加一个波长。（其实这属于WDM技术，跟EPON和GPON本身无关）。
在安全性方面，EPON也使用标准的基于AES的加密技术，其安全性和GPON没有区别。
6.QoS和OAM
在QoS方面，EPON定义了8个优先级队列，DBA算法也考虑了对不同优先级队列的带宽分配策略和公平性等问题。对于数据包中的IP优先级或以太网优先级可以很容易地映射到这8个优先级队列中，再通过DBA算法保证其传输的带宽和时延，因此完全可以满足不同业务的QoS要求。例如对TDM业务，使用EPON的QoS机制，就可以保证其各项指标要求。
GPON中OLT检测每个CONT-T的业务负荷，用于预测/分析ONU的业务流情况和网络的拥塞情况，根据网络状况给每个CONT-T分配资源，但并不涉及VPs/VCs或Port_IDs的QoS。VPs/VCs或Port_IDs提供的QoS保证由两端的ATM/GEM Client的相应机制来完成。对于有不同QoS要求的业务，GPON通过使用指针安排ONU用不同的传输方式来实现：调整其授权带宽和授权周期来保证业务的带宽和时延要求。
实际上，对于如何保证业务的QoS方面，EPON和GPON的实现机理在本质上是一样的。
在OAM方面，EPON标准中定义了远端故障指示、远端环回控制和链路监视等基本的OAM功能，对于其他高级的OAM功能，则定义了丰富的厂商扩展机制，让厂商在具体的设备实现中自主增强各种OAM功能。而且EPON标准还从便于开通维护的角度，定义了一套OAM能力的自动协商机制（与以太网端口的自动协商机制类似），可以在无需人工参与的情况下，自动识别并配置OLT和ONU两端的OAM能力。另外，比较有特色的是，EPON定义了一种PON端口的环回测试功能，把PON链路的性能测试功能嵌入到系统之中，可以在无需外部测试仪表的情况下，进行PON链路的性能检测，大大方便了系统的开通和故障定位。
GPON中的OAM包括带宽授权分配、DBA、链路监测、保护倒换、密钥交换以及各种告警功能。从标准本身来看，GPON标准中定义的OAM信息比EPON标准定义的丰富，不过从实际的设备来看，二者提供的功能并没有多少差异，目前的EPON设备也能提供这些功能。
7.总结
综上所述，在OAM、QoS、多业务承载、安全性等方面，目前的EPON产品与GPON标准规范的相当，而每单位带宽成本则要比GPON低得多，而且EPON的技术更成熟，更早被市场接受，更早进入大规模商用的阶段。
下一代网络将是基于分组的网络，目前以太网作为分组网络的绝对主流承载平台，已经是一个不争的事实。将来用户侧的网络接口肯定是一个以太网的接口，城域网上的以太网接口肯定也会随处可见，使用以太网技术把两侧的以太网接口连接起来将会是一件很自然的事情。试想，光纤带宽资源无限，是舍易求难，为提高一点传输效率而非要把两侧的以太网数据进行复杂的"背对背"GEM协议转换，再在PON上传输？还是简单地增加波长和速率，平滑地扩展网络容量？以太网从10M、100M、1000M到10G的发展历史可以告诉我们正确的选择。
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