EPON的上行接入方式及關(guān)鍵技術(shù)

1、EPON的上行接入方式及關(guān)鍵技術(shù)2002-4-30 華中科技大學(xué)光電子工程系謝滿紅胡保民乙太網(wǎng)是在 20世紀(jì) 80 年代發(fā)展的一種局域網(wǎng)技術(shù)，其帶寬爲(wèi) 10Mbit/s ， 最初是共用媒體型，需要防碰偵聽 ,這就限制了其使用效率和傳輸距離。 90 年代 發(fā)展了交換型乙太網(wǎng)，解決了上述問題，並先後推出了快速乙太網(wǎng) FE(100Mbit/s )和吉位元乙太網(wǎng) GbE(1000Mbit/s)。乙太網(wǎng)由於具有使用簡單方 便、價(jià)格低、速度高等優(yōu)點(diǎn)，很快成爲(wèi)局域網(wǎng)的主流。乙太網(wǎng)的幀格式與IP是一致的，特別適合於傳輸IP資料。隨著因特網(wǎng)的快速發(fā)展，乙太網(wǎng)被大量使 用。隨著吉位元乙太網(wǎng)的成熟和萬兆乙太網(wǎng)的出現(xiàn)

2、，以及低成本在光纖上直接 架構(gòu)吉位元乙太網(wǎng)和萬兆乙太網(wǎng)技術(shù)的成熟，乙太網(wǎng)開始進(jìn)入城域網(wǎng) MAN 和廣 域網(wǎng)WAN領(lǐng)域。目前，萬兆乙太網(wǎng)已經(jīng)成爲(wèi)寬帶 IP城域網(wǎng)的首選方案，也已 經(jīng)開始用於WAN。2002年萬兆乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)完成後，將被廣泛用於 MAN和 WAN。如果接入網(wǎng)也採用乙太網(wǎng)將形成從局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)到廣域網(wǎng)全 部是乙太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。採用與IP 一致的統(tǒng)一的乙太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)之間無縫連 接，中間不需要任何格式轉(zhuǎn)換。這將可以提高運(yùn)行效率、方便管理、降低成本。這種結(jié)構(gòu)可以提供端到端 的連接，根據(jù)與用戶簽訂的服務(wù)協(xié)定 SLA保證服務(wù)質(zhì)量QoS基於上述原因，乙太網(wǎng)接入網(wǎng)得到快速發(fā)展和廣泛重視。 2

3、001 年初， IEEE 成立了802.3EFM工作組(EFM的意思是"乙太網(wǎng)第一裏"，即乙太網(wǎng)接入網(wǎng))，發(fā) 展制定乙太網(wǎng)接入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。隨著標(biāo)準(zhǔn)的制定完成，將有一批乙太網(wǎng)接入網(wǎng)設(shè)備 出現(xiàn)。PON的結(jié)構(gòu)採用無源光器件，可以提供高帶寬，可靠性、經(jīng)濟(jì)性，可升級(jí) 性都有著非常大的優(yōu)勢。不可避免乙太網(wǎng)接入將主要採用PON這種形式。一、EPON的上行接入技術(shù)EPON上行接入技術(shù)可以使用頻分多址複用（FDMA）、時(shí)分多址複用 （TDMA）、波分多址複用（WDMA）、碼分多址複用等方式（CDMA）。頻分複用的 缺點(diǎn)有：OLT中需要多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器；初期成本高；通道容量固定；增加 /減少用戶時(shí)比 較

4、麻煩。碼分複用的缺點(diǎn)有：通道間的干擾由ONU的數(shù)量決定；需要高速器件。 WDMA主要的問題是：成本比較高，主要是因爲(wèi)光器件成本目前還比較高。但如果開發(fā)出便宜的、適用於WDMA方式接入網(wǎng)的光發(fā)射和光接收器件，使用 WDMA是發(fā)展的 趨勢。時(shí)分複用具有N個(gè)ONU只需要一個(gè)OLT轉(zhuǎn)發(fā)器和極少的波長等優(yōu)點(diǎn)，但 時(shí)分複用還是需要高速電子器件。綜合以上考慮，現(xiàn)在一般我們都是採用時(shí)分 複用多址接入方式，波分複用多址接入方式也有非常大的競爭力 ,是發(fā)展的方 向。OLT安排好各ONU允許發(fā)送上行信號(hào)的時(shí)隙，發(fā)出時(shí)隙分配幀。ONU根據(jù)時(shí)隙分配幀，在OLT分配給它的時(shí)隙中發(fā)出自己的上行信號(hào)。這樣， ONU之間 就可

5、以共同享有上行通道，即衆(zhòng)多的 ONU共用有限的上行通道帶寬。各 ONU 獨(dú)佔(zhàn)一個(gè)波長，探測器陣列接收各 ONU的信號(hào)。根據(jù)接收探測器，就可以判斷 出對(duì)應(yīng)是哪個(gè)ONU。由於ONU獨(dú)佔(zhàn)一個(gè)波長，所以不需要與其他 ONU共用帶 寬，每個(gè)上行通道可以實(shí)現(xiàn)與下行通道對(duì)稱的帶寬。也就是說，採用這種方 式，每個(gè)ONU享有的上行帶寬可以得到保證，不用與其他 ONU爭用有限的帶 寬。二、EPON中的關(guān)鍵技術(shù)分析1 EPON中採用TDMA方式的關(guān)鍵技術(shù)EPON採用TDMA方式時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)有動(dòng)態(tài)帶寬分配、上行通道複用實(shí)現(xiàn)技 術(shù)、乙太網(wǎng)在PON上的成幀技術(shù)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、測距與延時(shí)補(bǔ)償、光器件、突發(fā) 信號(hào)的快速同步技術(shù)等

6、等。（1）動(dòng)態(tài)帶寬分配動(dòng)態(tài)帶寬分配演算法就是即時(shí)地（msgs量級(jí)）改變EPON的各ONU上行 帶寬的機(jī)制。EPON中如果用帶寬靜態(tài)分配，對(duì)資料通信這樣的變速率業(yè)務(wù)很不 適合，如按峰值速率靜態(tài)分配帶寬則整個(gè)系統(tǒng)帶寬很快就被耗盡，帶寬利用率 很低，而動(dòng)態(tài)帶寬分配使系統(tǒng)帶寬利用率大幅度提高。通過DBA我們可以根據(jù)ONU突發(fā)業(yè)務(wù)的要求，通過在 ONU之間動(dòng)態(tài)調(diào) 節(jié)帶寬來提高PON上行帶寬效率。由於能更有效地利用帶寬，網(wǎng)路管理員可以 在一個(gè)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(wù)，如用戶 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(diǎn)及ITU-T G.983建議，

7、可以得出對(duì)動(dòng)態(tài)帶寬分配設(shè)計(jì)的具 體要求有：業(yè)務(wù)透明；高帶寬利用率；低時(shí)延和低時(shí)延抖動(dòng)；公平分配帶寬，健壯性 好，即時(shí)性強(qiáng)。動(dòng)態(tài)帶寬分配採用集中控制方式：所有的ONU的上行資訊發(fā)送，都要向OLT申請(qǐng)帶寬，OLT根據(jù)ONU的請(qǐng)求 按照一定的演算法給予帶寬（時(shí)隙）佔(zhàn)用授權(quán)，ONU根據(jù)分配的時(shí)隙發(fā)送資訊。其分配準(zhǔn)許演算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割時(shí)隙反映信元到達(dá)的時(shí)間分佈並請(qǐng)求帶寬，OLT根據(jù)各ONU的請(qǐng)求公平合理地分配帶寬，並同時(shí)考慮處理超載、通道有誤碼、有 信元丟失等情況的處理。ONU可能經(jīng)常要斷開（特別是在 FTTH情況下），已經(jīng)斷開的 ONU不應(yīng)再 佔(zhàn)用網(wǎng)路帶寬。解決這個(gè)問題的方法有

8、：使新的請(qǐng)求在許可信號(hào)後的 RTT+Dt時(shí)間內(nèi)到達(dá)；如果請(qǐng)求（k個(gè)）丟失了 就意味著ONU已經(jīng)斷開；下次詢問此 ONU前先等待1分鐘。這樣可使斷開 ONU只佔(zhàn)用大約0.0005%的 PON帶寬。在 PON 中，在傳輸會(huì)聚層上用流量容器來存儲(chǔ)管理上行帶寬分配的業(yè)務(wù)流，使PON段帶寬利用率得到提高。分析表明，採用 DBA,最大的帶寬利用率 可達(dá) 80%，而沒有 DBA 時(shí)只有 40%。平均傳輸時(shí)延無 DBA時(shí)爲(wèi)100ms，而用DBA時(shí)爲(wèi)10mso（2） EPON上行實(shí)現(xiàn)技術(shù)時(shí)分多址複用方式又可以採用固定時(shí)隙的時(shí)分多址複用、統(tǒng)計(jì)時(shí)分多址複用、隨機(jī)接入等方式。固定時(shí)隙時(shí)分多址複用方式不足之處有：當(dāng)其中

9、有的時(shí)隙未用時(shí)，還是佔(zhàn)用一樣的帶寬；對(duì)高突發(fā)率業(yè)務(wù)適應(yīng)力不強(qiáng)；ONU需要同步。隨機(jī)接入沒有確定的接入時(shí)間；由於採用CSMA/CD故有傳輸距離的限制。而統(tǒng)計(jì)時(shí)分多址複用可以克服前兩者的不足，所以一般都選 擇採用統(tǒng)計(jì)時(shí)分多址複用。上行信號(hào)傳輸在 ONU被分配到的時(shí)隙裏發(fā)送乙太網(wǎng) 幀，統(tǒng)計(jì)複用通過提供的資料量的大小來改變時(shí)隙大小的方法來實(shí)現(xiàn)。TDMA的實(shí)現(xiàn)方法是重點(diǎn)，即如何使用 TDMA的方法使上行通道的帶寬利 用率、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)等指標(biāo)達(dá)到要求。其中，上行帶寬的分配方法、ONU發(fā)送窗口固定還是可變、最大的 ONU發(fā)送窗口應(yīng)爲(wèi)多大、ONU發(fā)送視窗的間隔、 乙太網(wǎng)幀是否切割等問題都有待於研究和確定。由

10、於資料 /視頻業(yè)務(wù)流是自相似的，不存在最佳大小的固定時(shí)隙，故流量聚 合也不能起多大作用。突發(fā)包大小分佈爲(wèi)長相關(guān)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)包同時(shí)出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)時(shí)分複用 要考慮的問題有：突發(fā)時(shí)間與業(yè)務(wù)流大小都難以預(yù)料，所以要有反饋；採用Roll-call輪詢方式是比較好，但需要 ONU之間相互偵聽，也就是 PON只能用作廣播星型或無源環(huán)（這太嚴(yán)格了）。也可以採用Hub輪詢方式，但是工作時(shí)間非常長。解決方法爲(wèi)採用間插輪詢路由方式。上行信號(hào)應(yīng)該採用靈活的請(qǐng)求/許可方式。例如可以通過"邏輯埠"，可以靈 活地爲(wèi)一個(gè)ONU中的每個(gè)用戶、每個(gè)服務(wù)提

11、供許可信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)靈活操作， 或採用"多請(qǐng)求方式"縮短許可周期，並使TCP流量高。2 EPON中採用TDMA方式的關(guān)鍵技術(shù)EPON採用WDMA方式、TDMA方式時(shí)的許多技術(shù)，如動(dòng)態(tài)帶寬分配、上行 通道複用實(shí)現(xiàn)技術(shù)、乙太網(wǎng)在 PON上的成幀技術(shù)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、突發(fā)信號(hào)的快速 同步技術(shù)等等都不再需要，因此簡化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。採用WDMA時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：低成本波長穩(wěn)定的光發(fā)射模組、低成本光接收模組、低成本DWDM、測距等等。而對(duì)於低成本波長穩(wěn)定的光發(fā)射模組、低成本光接收模組華中科技大學(xué) 光纖教研室都已基本開發(fā)出來。3其他關(guān)鍵技術(shù)其他一些關(guān)鍵技術(shù)有：乙太網(wǎng)在PON上的成幀技術(shù)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)；