光通信PON和WIFI无线通信技术对比
文章目录
- 一、前言
- 二、技术对比(PON vs WiFi vs Ethernet)
- 三、物理层
- 四、一对多冲突处理
- 五、帧结构
- 六、上线流程
- PON
- WIFI
一、前言
通信行业会涉及有线、无线、光通信。并且光通信PON和无线通信有相似性，都是基于电磁波进行通信，都是集中式拓扑和一对多场景，所以本文将以太网、PON、WIFI协议进行一个对比，形成更深入的理解。
二、技术对比(PON vs WiFi vs Ethernet)
| 对比项 | PON (GPON/XGSPON) | WIFI (IEEE 802.11 ax/be) | 以太网 (IEEE 802.3) |
|---|---|---|---|
| 物理介质 | 单模光纤 (SMF) | 空气 (自由空间) | 双绞线 (Copper) / 光纤 |
| 承载介质 | 光信号 (红外波段) | 电磁波 (射频 RF) | 电信号 (电压差) |
| 双工模式 | 全双工 (上下行波长分离) 下行广播，上行TDMA | 半双工 (同一信道收发不能同时进行) 注：WiFi 7的MLO改善了这一点 | 全双工 (千兆及以上) 百兆及以下可选半双工 |
| 通信对象 | OLT → 多 ONU (点对多点) | AP → 多 STA (点对多点) | 点对点 (Point-to-Point) |
| 复用/多址 | TDMA (时分) +WDMA (波分) | OFDMA +MU-MIMO (空分) | 无 (独占信道) |
| 架构 | OLT - 分光器 - n*ONU | AP - n*STA | Switch - n*Device |
| 拓扑结构 | 树型/总线型 (逻辑星型) | 星型 (逻辑总线型) | 星型 (通过交换机) |
| 冲突解决 | DBA (动态带宽分配，由OLT调度) | CSMA/CA (+ RTS/CTS) | CSMA/CD (仅半双工) / 全双工无视 |
| 自协商 | 无 (硬件规格固定，通过OMCI下发) | 动态速率调整 (基于SNR) | Auto-Negotiation (FLP脉冲) |
| 流控 | **DBA (间接)** / GEM Port限速 | WMM (基于优先级队列) | IEEE 802.3x PAUSE Frame |
| 上线过程 | O1-O5 状态机 Serial Number -> Ranging -> OMCI | Scan -> Auth -> Assoc Beacon -> Probe -> 4-way Handshake | Link Up Auto-neg -> Up |
| 认证 | SN / LOID / Password (PLOAM层) | WPA2/3-PSK 或802.1X/EAP | 802.1X (端口认证，非必须) |
| 物理层/MAC层编码 | NRZ / PAM4 (高速率) FEC (RS/G.FEC) | OFDM / DSSS LDPC / Convolutional Code | 4D-PAM5 / PAM3 (2.5G/5G/10G) |
| 帧类型 | PLOAM (管理),OMCI (业务),GEM (数据) | 管理帧,控制帧,数据帧 | Ethernet II,802.3 LLC/SNAP |
| QoS | DBA (T-CONT Type) GEM Port Priority | WMM (Voice/Video/Best Effort) | **802.1p (CoS)** /DSCP |
| 重传机制 | 无 (靠FEC纠错，丢弃误码帧) | ARQ (Block Ack / ACK) | 无 (靠上层TCP重传) |
| 低功耗模式 | Dozing (Sleep Mode) | PSM /WMM-PS /TWT | EEE (Energy Efficient Ethernet) |
| 寻址方式 | Alloc-ID (逻辑) /ONU-ID | BSSID / MAC Address | MAC Address |
| 帧结构 | GTC/GEM Frame (PLOu, PLOAM, GEM Header) | PPDU (物理层) MPDU (MAC层) | Ethernet Frame (Preamble, SFD, DA, SA, Type/Len) |
| 帧长度 | 可变 (GEM: 53B cell based or packet) | 可变 (Max MSDU 2304B) | 64B - 1518B (标准) Jumbo Frame (9K) |
| 管理方式 | OAM (OMCI/TR069) -带外 | 带内管理 (CAPWAP/WebUI) | 带内管理 (SSH/SNMP) |
| 频谱/波长 | 下行 1490nm /上行 1310nm (XGS-PON: 1577/1270) | 2.4GHz / 5GHz / 6GHz | 基带信号 (DC-250MHz+) |
| 帧保护机制 | FEC (前向纠错) | FCS (CRC32) /FEC (WiFi 6+) | FCS (CRC32) |
| 典型带宽瓶颈 | OLT 上联口 / 分光比 | 干扰 / 信道竞争 / MCS | 线缆质量 / 交换机背板 |
三、物理层
PON通信，光信号传输需要介质，否则损耗太大，需要光纤传输。而WIFI使用电磁波，直接使用空气传播。
PON使用不同的电磁波波长区分上下行，光通信中的两个低损耗窗口。比如GPON中：GPON下行波长为1490nm，上行波长为1310nm。WIFI则是频分复用，不同频率的电磁波划分成一个个信道，用于减少干扰增加带宽。
四、一对多冲突处理
- 一对多场景
PON的架构：
OLT | / \ ONU ONUWIFI架构：
AP | / \ STA STA两者架构类似，都需要集中转发，STA之间不直接通信，ONU之间也不直接通信。那么多个ONU或者STA该如何发送数据呢，如何进行冲突处理？
- PON
PON中使用TDMA技术，每个ONU分配时隙，由OLT统一管理时隙，避免冲突。 由下行的报文中的BWMP字段来分配。下行发送者只有OLT，无冲突，使用广播形式发送。
- WIFI
1）CSMA/CA技术，“先听后说”，发送数据前先检查是否有其它人在发送，如果有，则进行指数退避。
2）RTS/CTS：为了解决隐藏终端问题，引入RTS/CTS机制，发送前先请求信道使用，不过RTS效率太低，只有在报文长度超过RTS threshold时才会开启。
3）OFDMA： WIFI6中引入OFDMA，在CSMA/CA上进行一个补充，和PON类似，将信道划分成RU（时分复用），由AP统一协调多个STA合适发送数据。
- 以太网
100M半双工以太网中采用CSMA/CD技术，冲突检测技术，发送数据后检测线路电平是否有冲突，如果有冲突则进行冲突退避。并且会再发送一些数据，加剧这种冲突，使得其它终端也能感受到冲突，然后进行退避。
- 上线阶段如何避免冲突？
前面说的PON中的TDMA，WIFI6中的OFDMA，集中分配时隙/RU都需要ONU/AP上线后获取的ID（PON是ONU_ID、alloc id,wifi是AID）后才能集中调度，那么在上线过程中如何避免冲突？
1）PON上线过程中会有开窗操作，禁止其它ONU发光，有一个静默期用于上线处理，如果同时存在多个ONU上线，那么会有冲突退避策略，此时不是CSMA载波侦听技术，而是上线失败会退避，也是指数退避。
2）WIFI6中上线过程OFDMA没有建立，则是使用CSMA/CA技术，通过信道竞争来解决。
五、帧结构
- PON
的帧封装层次分为GEM帧和GTC帧，可以对应mac帧和物理帧。每一个GTC帧是一个625us的时间窗口，里面可以包含多个ONU的帧。数据帧使用GEM帧进行封装，在以太帧前加一个GEM帧头。
gem帧： PTI表示GEMPORT的ID号。
GTC帧：
物理层的一些同步码，以及BWMP：控制DBA带宽分配，PLOAM帧内容。
- WIFI
MPDU：MAC层封装。
PPDU：物理层封装。
802.11 MAC Header（MAC头）-CSDN博客
物理层帧头：PLCP
PLCP层将MAC层的MPDU转换为PSDU（PLCP服务数据单元），并添加前导序列和PHY头部，形成PPDU。PPDU的结构包括以下部分：
前导序列（Preamble）： 用于接收端的同步操作，确保数据帧能够被正确检测。 包括SYNC字段（全1，用于同步）和SFD字段（标识帧开始）。
PHY头部（PHY Header）： 包含信号字段（指示调制方式和传输速率）、服务字段（保留字段）、长度字段（传输PSDU所需时间）和CRC字段（校验前述字段的完整性）。
PSDU： 实际承载的数据部分，可能是数据包、管理帧或控制帧。其实就是MPDU
- 帧间隔
帧间隔、guardtime、前导码，PON和WIFI中均存在。不过WIFI中存在短帧间隔和长帧间隔。长帧间隔用于抢占信道使用。
- 帧类型
| PON | WIFI | |
|---|---|---|
| 控制帧 | PLOAM：上线控制 | RTS/CTS控制数据转发相关 |
| 管理帧 | OMCI：管理PON和上层业务 | ASSOC等上线管理等。 |
| 数据帧 | GEM帧 | 承载数据 |
六、上线流程
PON和WIFI都需要上线认证过程。
PON
PON上线经历两个阶段：
1）O1-O5激活流程。
2）OMCI配置流程。
- O1-O5：主要做的事：
1、测距：TDMA系统时间对齐。
2、分配ONU_ID。
3、认证：SN。
4、分配OMCC：控制通道（allocid和gemport都和onu id一致）。
- OMCI配置流程：
通过控制通道OMCC然后下发OMCI报文配置数据通道的TCONT和GEMPORT，配置完成后可以进行DHCP，网络层通信。
WIFI
WIFI比PON多了一步扫描，开放环境需要扫描对应的SSID，可以事主动probe，也可以监听beacon帧。
WIFI上线主要敬礼如下步骤：
1）扫描
2）链路层认证
3）assoc
4）四次握手认证（EAPoL）