淺析EPON工作原理

1、淺析EPON工作原理摘要：本文主要介紹了EPON -以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程、基本原理、傳輸原理及技術(shù)優(yōu)點，指出在網(wǎng)絡(luò)時代飛速發(fā)展的今天，EPON技術(shù)將成為用戶接入的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：EPON；光網(wǎng)絡(luò)；用戶接入1、PON技術(shù)發(fā)展 光纖接入從技術(shù)上可分為兩大類：有源光網(wǎng)絡(luò)(AON，Active Optical Network)和無源光網(wǎng)絡(luò)(PON，Passive Optical Network)。1983年，實驗室首先發(fā)明了技術(shù)；PON是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，由于消除了局端與客戶端之間的有源設(shè)備，它能避免外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設(shè)備的故障率，提高系統(tǒng)可靠性，同時可節(jié)省維護成本

2、，是電信維護部門長期期待的技術(shù)。PON的業(yè)務(wù)透明性較好，原則上可適用于任何制式和速率的信號。目前基于PON的實用技術(shù)主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等幾種，其主要差異在于采用了不同的二層技術(shù)。 APON是上世紀90年代中期就被ITU和全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)論壇（FSAN）標準化的PON技術(shù)，F(xiàn)SAN在2001年底又將APON更名為BPON，APON的最高速率為622Mbps，二層采用的是ATM封裝和傳送技術(shù)，因此存在帶寬不足、技術(shù)復(fù)雜、價格高、承載IP業(yè)務(wù)效率低等問題，未能取得市場上的成功。 為更好適應(yīng)IP業(yè)務(wù)，第一英里以太網(wǎng)聯(lián)盟（EFMA）在2001年初提出了在二層用以太網(wǎng)取代

3、ATM的EPON技術(shù)，IEEE 802.3ah工作小組對其進行了標準化，EPON可以支持1.25Gbps對稱速率，隨著光器件的進一步成熟，將來速率還能升級到10Gbps。由于其將以太網(wǎng)技術(shù)與PON技術(shù)完美結(jié)合，因此成為了非常適合IP業(yè)務(wù)的寬帶接入技術(shù)。對于Gbps速率的EPON系統(tǒng)也常被稱為GEPON。100M的EPON與1G的EPON的不同在速率上的差異，在其中所包含的原理和技術(shù)，是一致的，目前業(yè)界主要推廣的是GEPON，百兆位的EPON也有不多的一些應(yīng)用。在后面文檔中提到的EPON，如果沒有特別說明，都是指千兆位的GEPON。 EPON是幾種最佳的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合。EPON采用點到多點

4、結(jié)構(gòu)，無源光纖傳輸方式，在以太網(wǎng)上提供多種業(yè)務(wù)。目前，IP/Ethernet應(yīng)用占到整個局域網(wǎng)通信的95%以上，EPON由于使用上述經(jīng)濟而高效的結(jié)構(gòu)，從而成為連接接入網(wǎng)最終用戶的一種最有效的通信方法。10Gbps以太主干和城域環(huán)的出現(xiàn)也將使EPON成為未來全光網(wǎng)中最佳的最后一公里的解決方案。 在一個EPON中，不需任何復(fù)雜的協(xié)議，光信號就能準確地傳送到最終用戶，來自最終用戶的數(shù)據(jù)也能被集中傳送到中心網(wǎng)絡(luò)。在物理層，EPON使用1000BASE的以太PHY，同時在PON的傳輸機制上，通過新增加的MAC控制命令來控制和優(yōu)化各光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)與光線路終端(OLT)之間突發(fā)性數(shù)據(jù)通信和實時的TDM

5、通信，在協(xié)議的第二層，EPON采用成熟的全雙工以太技術(shù)，使用TDM，由于ONU在自己的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)報，因此沒有碰撞，不需CDMA/CD，從而充分利用帶寬。另外，EPON通過在MAC層中實現(xiàn)802.1p來提供與APON/GPON類似的QoS。 光纖接入從90年代初就走上了舞臺，總的說來是一種“說得多，做得少”的技術(shù)。PON系統(tǒng)無疑是其中佼佼者，EPON與GPON，兩種技術(shù)各有千秋，無論是EPON技術(shù)還是GPON技術(shù)，其應(yīng)用在很大程度上決定于光纖接入成本的快速降低和業(yè)務(wù)需求，而價格則是最核心因素，ADSL的發(fā)展就充分證明了這一點。 實現(xiàn)全光纖的FTTH是寬帶接入的發(fā)展方向，但是實現(xiàn)全部的光纖接入

6、，需要一個過程。設(shè)備、光纖、工程成本和應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求，都是其廣泛推廣與使用的關(guān)鍵因素。第一步從FTTB開始，充分利用PON的技術(shù)，和現(xiàn)有的以太網(wǎng)的優(yōu)勢（成本底、使用廣），然后逐步過渡到FTTH是一條比較合理的選擇。 2、EPON的基本原理 與其它PON技術(shù)一樣，EPON技術(shù)采用點到多點的用戶網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，利用光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻的全業(yè)務(wù)接入的目的。 圖1 EPON原理 EPON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 一個典型的Ethernet over PON系統(tǒng)由OLT、ONU、POS組成。OLT（Optical Line Terminal）放在中心機房，ONU（Optical Network Unit

7、）放在用戶設(shè)備端附近或與其合為一體。POS（Passive Optical Splitter）是無源光纖分支器，是一個連接OLT和ONU的無源設(shè)備，它的功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)，并集中上行數(shù)據(jù)。EPON中使用單芯光纖，在一根芯上轉(zhuǎn)送上下行兩個波（上行波長：1310nm，下行波長：1490nm，另外還可以在這個芯上下行疊加1550nm的波長，來傳遞模擬電視信號）。 OLT既是一個交換機或路由器，又是一個多業(yè)務(wù)提供平臺，它提供面向無源光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖接口（PON接口）。根據(jù)以太網(wǎng)向城域和廣域發(fā)展的趨勢，OLT上將提供多個1 Gbps和10Gbps的以太接口，可以支持WDM傳輸。OLT還支持ATM、FR以及

8、OC31248192等速率的SONET的連接。如果需要支持傳統(tǒng)的TDM話音，普通電話線（POTS）和其他類型的TDM通信（T1E1）可以被復(fù)用連接到出接口，OLT除了提供網(wǎng)絡(luò)集中和接入的功能外，還可以針對用戶的QoSSLA的不同要求進行帶寬分配，網(wǎng)絡(luò)安全和管理配置。OLT根據(jù)需要可以配置多塊OLC（Optical Line Card），OLC與多個ONU通過POS（無源分光器）連接，POS是一個簡單設(shè)備，它不需要電源，可以置于相對寬松的環(huán)境中，一般一個POS的分光比為8、16、32、64，并可以多級連接，一個OLT PON端口下最多可以連接的ONU數(shù)量與設(shè)備密切相關(guān)，一般是固定的。在EPON中

9、系統(tǒng)，OLT到ONU間的距離最大可達20km。 在下行方向，IP數(shù)據(jù)、語音、視頻等多種業(yè)務(wù)由位于中心局的OLT，采用廣播方式，通過ODN中的1：N無源分光器分配到PON上的所有ONU單元。在上行方向，來自各個ONU的多種業(yè)務(wù)信息互不干擾地通過ODN中的1：N無源分光器耦合到同一根光纖，最終送到位于局端OLT接收端。 根據(jù)ONU在所處位置的不同，EPON的應(yīng)用模式又可分為FTTC（光纖到路邊）、FTTB（光纖到大樓）、光纖到辦公室(FTTO)和光纖到家(FTTH)等多種類型。 3、EPON的傳輸原理 EPON與APON最大的區(qū)別是EPON根據(jù)IEEE802.3協(xié)議，包長可變至1518字節(jié)傳送數(shù)據(jù)

10、，而APON根據(jù)ATM協(xié)議，按照固定長度53個字節(jié)包來傳送數(shù)據(jù)，其中48個字節(jié)負荷，5個字節(jié)開銷。這種差別意味著APON運載IP協(xié)議的數(shù)據(jù)效率低且困難。用APON傳送IP業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)包被分成每48個字節(jié)一組，然后在每一組前附加上5個字節(jié)開銷。這個過程耗時且復(fù)雜，也給OLT 和ONU增加了額外的成本。此外，每一48個字節(jié)段就要浪費5個字節(jié)，造成沉重的開銷，即所謂的ATM包的稅頭。相反，以太網(wǎng)傳送IP流量，相對于ATM開銷急劇下降。 EPON從OLT到多個ONU下行傳輸數(shù)據(jù)和從多個ONU到OLT上行數(shù)據(jù)傳輸是十分不同的。當OLT啟動后，它會周期性的在本端口上廣播允許接入的時隙等信息。ONU上電后，根

11、據(jù)OLT廣播的允許接入信息，主動發(fā)起注冊請求，OLT通過對ONU的認證（本過程可選），允許ONU接入，并給請求注冊的ONU分配一個本OLT端口唯一的一個邏輯鏈路標識（LLID）。 數(shù)據(jù)從OLT到多個ONU以廣播式下行（時分復(fù)用技術(shù)TDM），根據(jù)IEEE802.3ah協(xié)議，每一個數(shù)據(jù)幀的幀頭包含前面注冊時分配的、特定ONU的邏輯鏈路標識（LLID），該標識表明本數(shù)據(jù)幀是給ONU（ONU1、ONU2、ONU3.ONUn）中的唯一一個。另外，部分數(shù)據(jù)幀可以是給所有的ONU（廣播式）或者特殊的一組ONU（組播），在分光器處，流量分成獨立的幾組信號，每一組載到所有ONU的信號。當數(shù)據(jù)信號到達ONU時，O

12、NU根據(jù)LLID，在物理層上做判斷，接收給它自己的數(shù)據(jù)幀，摒棄那些給其它ONU的數(shù)據(jù)幀。 對于上行，采用時分多址接入技術(shù)（TDMA）分時隙給ONU傳輸上行流量。當ONU在注冊時成功后，OLT會根據(jù)系統(tǒng)的配置，給ONU分配特定的帶寬，（在采用動態(tài)帶寬調(diào)整時，OLT會根據(jù)指定的帶寬分配策略和各個ONU的狀態(tài)報告，動態(tài)的給每一個ONU分配帶寬，動態(tài)帶寬調(diào)整的進一步說明見后面章節(jié)）。帶寬對于PON層面來說，就是多少可以傳輸數(shù)據(jù)的基本時隙，每一個基本時隙單位時間長度為16ns。在一個OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU與OLT PON端口之間時鐘是嚴格同步的，每一個ONU只能夠在OLT給他分配的時

13、刻上面開始，用分配給它的時隙長度傳輸數(shù)據(jù)。通過時隙分配和時延補償，確保多個ONU的數(shù)據(jù)信號耦合到一根光纖時，各個ONU的上行包不會互相干擾。 對于安全性的考慮。上行方向，ONU不能直接接收到其它ONU上行的信號，所以O(shè)NU之間的通信，都必須通過OLT，在OLT可以設(shè)置允許和禁止ONU之間的通信，在缺省狀態(tài)下是禁止的，所以安全方面不存在問題。對于下行方向，由于EPON網(wǎng)絡(luò)，下行是采用廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，為了保障信息的安全，從幾個方面進行保障： 所有的ONU接入的時候，系統(tǒng)可以對ONU進行認證，認證信息，可以是ONU的一個唯一標識（如MAC地址或者是預(yù)先寫入ONU的一個序列號），只有通過認證的ONU

14、，系統(tǒng)才允許其接入。 對于給特定ONU的數(shù)據(jù)幀，其它的ONU在物理層上，也會收到數(shù)據(jù)，在收到數(shù)據(jù)幀后，首先會比較LLID（處于數(shù)據(jù)幀的頭部）是不是自己的，如果不是，就直接丟棄，數(shù)據(jù)不會上二層，這是在芯片層實現(xiàn)的功能，對于ONU的上層用戶，如果想竊聽到其它ONU的信息，除非自己去修改芯片的實現(xiàn)。 4、EPON的技術(shù)優(yōu)點 EPON的優(yōu)點主要表現(xiàn)在： 相對成本低，維護簡單，容易擴展，易于升級。EPON結(jié)構(gòu)在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設(shè)，基本不用維護，長期運營成本和管理成本的節(jié)省很大；EPON系統(tǒng)對局端資源占用很少，模塊化程度高，系統(tǒng)初期投入低，擴展容易，投資回報率高；EPON系統(tǒng)是面向未來的技術(shù)，大多數(shù)EPON系統(tǒng)都是一個多業(yè)務(wù)平臺，對于向全IP網(wǎng)絡(luò)過渡是一個很好的選擇。 提供非常高的帶寬。EPON目前可以提供上下行對稱的1.25Gbps的帶寬，并且隨著以太技術(shù)的發(fā)展可以升級到10Gbps。 服務(wù)范圍大，EPON作為一種點到多點網(wǎng)絡(luò)，可以利用局端單個光模塊及光纖資源，服務(wù)大量終端用戶。 帶寬分配靈活，服務(wù)有保證。對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。EPON可以通過DBA(動態(tài)帶寬算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來實現(xiàn)對每個用戶進行帶寬分配，并保證每個用戶的QoS。