EPON技術應用問題探討

1、EPON技術應用問題探討朱 軾武漢摘 要：EPON(以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡)是目前接入網(wǎng)新技術之一。本文介紹了EPON技術原理、應用網(wǎng)絡結構、應用特點和應用領域，并在此基礎上討論了EPON組網(wǎng)應用中應解決的關鍵技術。關鍵詞：EPON、ONU/OLT、TDM/TDMA、FTTxEPON(以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡)是在ITU-T G.983 APON標準的基礎上，由IEEE802.3ah工作組制定的Ethernet PON(EPON)標準。近年來，由于千兆比特 Ethern成技術的成熟，和將來10G比特Ethernet標準的推出，以及Ethernet對IP天然的適應性，使得原來傳統(tǒng)的局域網(wǎng)交換技術逐漸擴展到廣域

2、網(wǎng)和城域網(wǎng)中。在接入網(wǎng)中用Ethern成取代ATM，符合未來骨干網(wǎng)IP化的發(fā)展趨勢，最終形成從骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)到局域網(wǎng)全部基于IP、WDM、Ethern以來實現(xiàn)綜合業(yè)務寬帶網(wǎng)。一、EPON技術簡介EPON與 APON關鍵的區(qū)別在于： EPON中數(shù)據(jù)傳輸采用 IEEE 802.3 Ethernet（以大網(wǎng)）的幀格式，其分組長度可變，最大為 1518字節(jié)； APON中采用標準的 ATM 53字節(jié)的固定長分組格式。由于 IP分組也是可變長的，最大長度為 65535字節(jié)，這就意味著 EPON承載IP數(shù)據(jù)流的效率高、開銷小。在EPON中，OLT到ONU的下行數(shù)據(jù)流采用廣播方式發(fā)送，OLT將來自骨干

3、網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉換成可變長的 IEEE 802.3 Ethernet幀格式，發(fā)往 ODN，光分路器以廣播方式將所有幀發(fā)給每一個ONU，ONU根據(jù)Ethernet幀頭中ONU標識接收屬于自己的信息，其工作原理見圖1。圖1 EPON工作原理示意圖ONU到OLT的上行數(shù)據(jù)流采用時分復用（TDMA）方式發(fā)送，與APON相同，OLT為每個ONU分配一個時隙，周期是2ms。EPON采用雙波長方式實現(xiàn)單纖上的全雙工通信，下行信道使用1510nm波長，上行信道使用1310nm波長。目前相關的標準主要由IEEE的EFM研究組進行制定。二、EPON基本組網(wǎng)結構EPON網(wǎng)絡采用一點至多點的拓撲結構，取代點到點結構，大大節(jié)

4、省了光纖的用量、管理成本。無源網(wǎng)絡設備代替了傳統(tǒng)的ATMSONET寬帶接入系統(tǒng)中的中繼器、放大器和激光器，減少了中心局端所需的激光器數(shù)目，并且OLT由許多ONU用戶分擔。而且EPON利用以太網(wǎng)技術，采用標準以太幀，無須任何轉換就可以承載目前的主流業(yè)務IP業(yè)務。因此EPON十分簡單、高效、建設費用低、維護費用低，是最適合寬帶接入網(wǎng)需求的。EPON與APON光路結構類似，都遵循G.983協(xié)議，最終它將以更低的價格、更寬的帶寬、更強的服務能力取代APON。一個典型的EPON系統(tǒng)也是由OLT、ONU、ODN組成的，如圖2所示。圖2 EPON基本組網(wǎng)結構OLT放在中心機房，ONU為用戶端設備。ODN（O

5、ptical Distributed Network，光纖分配網(wǎng)）是光配線網(wǎng)，主要由一個或數(shù)個光分路器（SPlitter）來連接OLT和ONU，用于分發(fā)下行數(shù)據(jù)并集中上行數(shù)據(jù)。OLT既是一個交換機，或路由器，又是一個多業(yè)務提供平臺，提供面向無源光纖網(wǎng)絡的光纖接口。OLT除了提供網(wǎng)絡集中和接入的功能外，還可以針對用戶的QoS/SLA（服務水平協(xié)議）的不同要求進行帶寬分配，網(wǎng)絡安全和管理配置。 SPlitter是一個簡單設備，它不需要電源，可以置于全天候的環(huán)境中。在EPON中，OLT到ONU問的距離最大可達2030km，如果使用光纖放大器（有源原中繼器），距離還可以延長。在圖2中，光信號通過光分路

6、器把光纖線路終端（OLT）一根光纖下行的信號分成多路給每一個光網(wǎng)絡單元（ONU），每個ONU上行的信號通過光耦合器合成在一根光纖里給OLT。因而EPON中包括無源網(wǎng)絡設備和有源網(wǎng)絡設備。無源網(wǎng)絡設備包括單模光纜、無源光分路器耦合器、適配器、連接器和接頭等。它一般被放置于局外，也稱為局外設備。有源網(wǎng)絡設備包括中心局機架設備、光網(wǎng)絡單元和設備管理系統(tǒng)（EMS）。中心局機架上插裝光纖線路終端、網(wǎng)絡界面模塊（NIM）及交換模塊（SCM），因此這3種設備也統(tǒng)稱為中心局機架設備。中心局機架設備提供EPON系統(tǒng)與服務提供商核心的數(shù)據(jù)、視頻和話音網(wǎng)絡的接口。它也通過設備管理系統(tǒng)與服務提供商的核心運行網(wǎng)絡相連接

7、。中心局機架上廣域網(wǎng)界面通常將與以下設備接口相連接。 數(shù)字交叉連接（DCS）：傳送未交換，或未本地交換的TDM流量到電話網(wǎng)絡，普通的DCS界面包括DSI、DS3、STS.l和OC.3。 語音網(wǎng)關：傳送本地交換的TDM/話音流量到公眾交換電話網(wǎng)絡（PSTN）。 IP路由器或ATM邊緣交換機：將數(shù)據(jù)流量引到核心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。 視頻網(wǎng)絡設備：它傳送視頻流量到核心視頻網(wǎng)絡。光網(wǎng)絡單元（ONU）給用戶提供數(shù)據(jù)、視頻和電話網(wǎng)絡與EPON之間的接口。ONU最初的作用是接收光路信號，轉換成用戶所需的格式（以大網(wǎng)、IP廣播、POTS電話、TIEI等）。EPON獨一無二的特征是：ONU中除了終接和轉換光信號外，還提供

8、23層交換功能，允許在ONU中內置企業(yè)級路由器。EPON同樣也適合用第三個波長傳送模擬CATV信號或者IP視頻。設備管理系統(tǒng)管理EPON中的不同設備，并向服務提供商核心運營網(wǎng)絡提供接口。它的管理職責包括全程的查錯、配置、記費、運行和安全（ FCAPS）功能。EPON中的ONU采用了技術成熟而又經(jīng)濟的以大網(wǎng)絡協(xié)議，在中帶寬和高帶寬的ONU中實現(xiàn)了成本低廉的以大網(wǎng)第二層或第三層交換功能。這種類型的ONU可以通過層疊來為多個最終用戶提供相當高的共享帶寬。因為都使用以大網(wǎng)協(xié)議，在通信的過程中，就無須協(xié)議轉換，而實現(xiàn)ONU對用戶數(shù)據(jù)的透明傳送。當然，對于光纖到戶（ FTTH）的接入方式， ONU可以不需

9、要交換功能，從而能在極低的成本下為終端用戶分配所需的帶寬。運營商可以通過中心管理系統(tǒng)對OLT、ONU等所有網(wǎng)絡單元設備進行管理，同時可以很靈活地根據(jù)用戶的需要來動態(tài)分配帶寬。管理中心的遠程業(yè)務分配控制（Remote Provisioning）功能可以讓運營商通過對用戶不同時段的不同業(yè)務需求作出響應，這樣可以提高用戶滿意度。三、EPON應用特點和場合EPON是基于常見的以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡技術，因為以太網(wǎng)的應用非常廣泛，所以EPON是目前最有應用前景的無源光網(wǎng)絡技術。特別是近年來， EPON憑借其組網(wǎng)靈活、業(yè)務提供能力強、技術成熟等優(yōu)勢，步入了規(guī)模應用的快車道。基于EPON的FTTx建設模式也越來越

10、多。(一) EPON應用特點EPON作為一種新興的技術，有非常具有吸引力的特點，這主要表現(xiàn)在： (1)相對成本低，維護簡單，容易擴展，易于升級。EPON結構在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設，基本不用維護，長期運營成本和管理成本的節(jié)省很大；PON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；PON系統(tǒng)是面向未來的技術，大多數(shù)PON系統(tǒng)都是一個多業(yè)務平臺，對于向全IP網(wǎng)絡過渡是一個很好的選擇。 (2)提供非常高的帶寬。EPON目前可以提供上下行對稱的1.25Gb/s的帶寬，并且隨著以太技術的發(fā)展可以升級到10Gb/s。 (3)服務范圍大。EPON作為一

11、種點到多點網(wǎng)絡，以一種扇出的結構來節(jié)省CO的資源，服務大量用戶。 (4)帶寬分配靈活，服務有保證。EPON對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系。EPON可以通過DiffServ、PQ/WFQ、WRED等來實現(xiàn)用戶級的SLA。(二) EPON應用場合EPON主要應用如下： (1)高速接入和傳輸 EPON系統(tǒng)可以提供DSL、LAN、Cable Modem等接入方式無法提供的高質量的寬帶。這非常適合于FTTB模式，接入到中小型甚至大型商業(yè)用戶。EPON系統(tǒng)所能提供的可調節(jié)的、有優(yōu)先級和帶寬保證的服務，將非常有吸引力。 (2)集成數(shù)據(jù)、音頻、視頻業(yè)務 EPON系統(tǒng)可以同時提供IP業(yè)務和傳統(tǒng)的TDM業(yè)務

12、，這樣，原有的ATM、FR、DDN等業(yè)務都可以通過這套系統(tǒng)繼續(xù)提供，因為采用獨立的帶寬，服務質量可以完全保證。這樣就可以在同一套傳輸平臺上根據(jù)用戶的要求隨時開通所需要的業(yè)務。 (3)整合T1/E1傳輸線路，降低T1/E1維護和運營費用 T1/E1因為其高質量的服務和帶寬保證一直受到重視，然而T1/E1線路的開通和維護都比較昂貴，尤其是在由于距離限制而需要使用中繼器的地方更是如此。EPON系統(tǒng)在每個ONU上都可以提供多條T1/E1鏈路，使用單路光線代替大量的銅線，在提供同樣服務的同時，節(jié)省了大量的設備、運營和管理成本。 (4)DSL、LAN擴展 DSL和LAN是目前中國寬帶的兩種主要接入方式。但

13、DSL的距離限制擋住了大量的客戶，傳統(tǒng)的LAN技術也難以靈活地提供和保證用戶的帶寬。采用EPON技術，不僅可以通過無源傳輸網(wǎng)絡直接連接到服務區(qū)域，再進行DSL或LAN擴展，從而為大范圍用戶提供服務，而且可以集中進行管理和帶寬分配。 (5)廣播視頻和視頻會議 EPON的點到多點結構非常適合廣播和多點廣播應用，這種網(wǎng)絡結構恰好與我國目前網(wǎng)絡建設的小區(qū)化相適應。這與傳統(tǒng)的點到點結構的網(wǎng)絡相比，優(yōu)勢是顯而易見的。越來越多的廣播視頻、視頻會議、VOD等應用都可交給EPON系統(tǒng)完成。(6)3GEPON組合3G無線業(yè)務的特點是高帶寬數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)和語音無線同時接入，總體來說，3G承載網(wǎng)絡對網(wǎng)絡時鐘延時、時鐘

14、同步、網(wǎng)絡抖動等提出更高的要求，這些要求也是3G業(yè)務承載的難點所在。EPON承載G/C網(wǎng)業(yè)務不僅解決了移動基站回程的問題，更為基站回程和寬帶接入提供了統(tǒng)一的接入手段，實現(xiàn)了快速建網(wǎng)部署、網(wǎng)絡資源共用。（7）基于EPON的FTTX 對于FTTx的實現(xiàn)技術，一直存在著EPON與GPON之間的爭論，從技術能力上比較，EPON與GPON屬于同一代的光接入技術，不存在本質的差異。目前看，EPON在技術標準、成本和產(chǎn)業(yè)鏈上占一定先機，是當前光進銅退的主流技術，是國內FTTx市場主要的選擇，但最終技術體制的選擇還不確定。四、EPON組網(wǎng)應用中應解決的關鍵技術在EPON系統(tǒng)的設計和應用中需要攻克許多關鍵技術，

15、以便使EPON在完全不一樣工作原理的以大網(wǎng)中實現(xiàn)了光網(wǎng)絡的接入和多業(yè)務的支持。（一）上、下行TDMA接入技術目前已成功商用的EPON系統(tǒng)通常都是符合IEEE802.3ah2004標準的上下行傳輸速均為1.25Gbps的寬帶光纖接入系統(tǒng)。EPON是被廣泛看好的下一代寬帶接入技術，必須也能夠提供傳統(tǒng)TDM業(yè)務的經(jīng)濟、可靠接入。如語音業(yè)務（POTS）和電路業(yè)務（T1/E1，N X 64Kbps等租用線）兩大類。 EPON采用TDMA方式時的關鍵技術有動態(tài)帶寬分配、上行信道復用實現(xiàn)技術、以大網(wǎng)在PON 上的成幀技術與實現(xiàn)技術、測距與延時補償、光器件、突發(fā)信號的快速同步技術等。 在TDMA技術中又包括許

16、多具體的技術，如動態(tài)帶寬分配技術、上行信道復用技術、測距技術、攪動技術、時鐘提取技術和同步接收技術等。 1動態(tài)帶寬分配（DBA）技術 動態(tài)帶寬分配算法就是實時地（ msns量級）改變 EPON的各 ONU上行帶寬的機制。 EPON中如果用帶寬靜態(tài)分配，對數(shù)據(jù)通信這樣的變速率業(yè)務很不適合，如按峰值速率靜態(tài)分配帶寬，則整個系統(tǒng)帶寬很快就被耗盡。帶寬利用率很低，而動態(tài)帶寬分配使系統(tǒng)帶寬利用率大幅度提高。通過DBA，可以根據(jù)ONU突發(fā)業(yè)務的要求，通過在ONU之間動態(tài)調節(jié)帶寬來提高PON上行帶寬效率。由于能更有效地利用帶寬，網(wǎng)絡管理員可以在一個已有的PON上增加更多用戶，終端用戶也可以享有更好的服務，如

17、用戶可以用到的帶寬峰值可以超過傳統(tǒng)的固定分配方式的帶寬。根據(jù)EPON的特點及ITUT G.983建議，對動態(tài)帶寬分配設計的具體要求有：業(yè)務透明；高帶寬利用率；低時延和低時延抖動；公平分配帶寬，實時性強。動態(tài)帶寬分配采用集中控制方式：所有的ONU的上行信息發(fā)送，都要向OLT申請帶寬，OLT根據(jù)ONU的請求按照一定的算法給予帶寬（時隙）占用授權，其分配準許算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割時隙反映信元到達的時間分布并請求帶寬，OLT根據(jù)各ONU的請求公平合理地分配帶寬，并同時考慮處理超載、信道有誤碼、有信元丟失等情況的處理。 2上行信道復用技術 時分多址復用（TDMA）方式又可以采用固定時隙

18、的時分多址復用、統(tǒng)計時分多址復用、隨機接入等方式。固定時隙時分多址復用方式不足之處有：當其中有的時隙未用時，還是占用一樣的帶寬；對高突發(fā)率業(yè)務適應力不強；ONU需要同步。隨機接入沒有確定的接入時間；由于采用CSMACD，故有傳輸距離的限制。而統(tǒng)計時分多址復用可以克服前兩者的不足，所以一般都選擇采用統(tǒng)計時分多址復用。上行信號傳輸在ONU被分配到的時隙里發(fā)送以大網(wǎng)幀，統(tǒng)計復用通過提供的數(shù)據(jù)量的大小來改變時隙大小的方法來實現(xiàn)。 由于數(shù)據(jù)視頻業(yè)務流是自相似的，不存在最佳大小的固定時隙，故流量聚合也不能起多大用。突發(fā)包大小分布為長相關性（大的拖尾），即大多數(shù)突發(fā)包都比較小，但絕大多數(shù)都是有大量的突發(fā)包同

19、時出現(xiàn)。上行信號應該采用靈活的請求許可方式。例如可以通過邏輯端口，可以靈活地為一個ONU中的每個用戶、每個服務提供許可信號，可以實現(xiàn)靈活操作，或采用多請求方式縮短許可周期，并使TCP流量增大。3測距技術EPON的點對多點的特殊結構決定了各個ONU對OLT的時延不同，各個ONU發(fā)出的信號在上行信道發(fā)生碰撞，且信號到達OLT的時間具有不確定性。這些特點決定了必須采用使術補償因ONU和 OLT之間的距離不同和溫度變化引起的傳輸時間差異。EPON產(chǎn)生時延的根源有兩個：一個是物理距離的不同，另一個是環(huán)境溫度的變化和光電器件的老化等因素。EPON測距的程序也相應地分為兩步：（1）在新 ONU的注冊階段進行

20、的靜態(tài)粗測，這是對物理距離差異進行的時延補償；（2）在通信過程中實時進行的動態(tài)精測，以校正由于環(huán)境溫度變化和器件老化等因素引起的時延漂移。測距方法有擴頻法測距、帶外法測距和帶內開窗法測距等幾種。綜合考慮，EPON宜采用帶內開窗法測距技術。在注冊階段即粗測過程中，使用的GATE（DISCOVERY發(fā)現(xiàn)）、REGISTER REQUEST（注冊請求）幀來完成測距。沖突檢測則由一個計數(shù)器完成，如計數(shù)器超時，則說明有沖突發(fā)生，ONU采取一定的沖突避免策略再次發(fā)送GATE（DISCOVERY）幀。在精測過程使用GATE、REPORT（報告）幀來進行測距，因為在傳輸過程中不會發(fā)生沖突，計數(shù)器不會超時。4攪

21、動技術參考G.983標準中對下行攪動的建議，根據(jù)EPON的安全性需求和對實現(xiàn)代價的綜合考慮，在EPON系統(tǒng)中采用攪動方案來實現(xiàn)信息安全保證。通過對下行數(shù)據(jù)的攪動解攪動，保證用戶信息的隔離，下行數(shù)據(jù)只有目的ONU可以接收；通過對上行MAC控制幀和OAM幀的攪動解攪動，防止用戶通過數(shù)據(jù)通道偽造MAC控制幀或OAM幀，來更改系統(tǒng)配置或搗毀系統(tǒng)。 在EPON的下行方向上，為了隔離用戶數(shù)據(jù)，OLT側根據(jù)下行數(shù)據(jù)的目的地的不同采用不同的密鑰進行攪動處理。在EPON的上行方向，為了防止用戶假冒， ONU側對MAC控制幀和OAM幀進行攪動處理。5時鐘提取技術 對于系統(tǒng)的高速率，快速同步是必須解決的核心問題。而

22、其中 ONU和 OLT及上、下行比特碼的時鐘一致是其中的關鍵。目前一般都采用PLL（鎖相環(huán)）從下行信號中提取時鐘，利用幀同步字檢測方式實現(xiàn)幀同步。6同步接收技術 EPON是一個網(wǎng)同步系統(tǒng)，需要實現(xiàn)OLT與ONU之間的快速同步。各個ONU與OLT都需要有一個同步接收的問題，否則一旦發(fā)生bit錯位或者相位突變，數(shù)據(jù)接收錯誤不但影響到數(shù)據(jù)嚴重丟失，不斷重傳，還有可能導致網(wǎng)絡擁塞和網(wǎng)絡癱瘓。7SLA（服務等級協(xié)議） 傳輸話音和視頻業(yè)務時要求延時既恒定又很小，延時抖動也要小。一種方法是對不同服務質量要求的信號設置不同的優(yōu)先權等級。另一種技術是采用保留帶的方法，提供一個開放的高速通道，不傳輸數(shù)據(jù)，而專門用

23、來傳輸語音業(yè)務，以確保POTS等需要保證響應時間的業(yè)務能得到高速傳送。 （二）物理層關鍵技術 在EPON物理層（主要是PMD（物理媒介相關層）要解決好的關鍵技術主要有上、下行數(shù)據(jù)突發(fā)和接收，以及突發(fā)時鐘恢復等。 1突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送技術EPON的點對多點（ P2MP）的特殊結構和時分多址（TDMA）的接入方式?jīng)Q定了ONU發(fā)送機工作在突發(fā)發(fā)送的模式下。這就對激光器的響應速度，更重要的是對發(fā)射機輸出光功率控制電路提出了新的要求。在突發(fā)模式中，激光器被不斷地打開和關閉，其偏置電流必須能快速地響應變化。否則很可能在直流偏置還沒有調整到指定值之前，ONU的發(fā)送已經(jīng)結束，激光器又要關閉，直流偏置重新歸零，這導致自動功率控制回路無法正常工作。針對這種情況可采取兩種解決方案：方案一是采用數(shù)字APC電路的方法。在每個ONU突發(fā)發(fā)送期間特定時間點對激光器輸出光信號進行采樣，根據(jù)激光器輸出光功率的具體樣值，按一定的算法對激光器的直流偏置進行調整；方案二是對傳統(tǒng)連續(xù)模式自動功