EPON的關(guān)鍵技術(shù)及組網(wǎng)應(yīng)用探討

1、EPON的關(guān)鍵技術(shù)及組網(wǎng)應(yīng)用探討摘 要：作為“光進(jìn)銅退”、“FTTX”主要接入技術(shù)之一的xPON技術(shù)可以無(wú)縫地與IP化、以太網(wǎng)化趨勢(shì)相融合，在接入層的應(yīng)用中取得了廣泛的成功。本文主要介紹了EPON技術(shù)原理，并對(duì)EPON中的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述，以便了解EPON這種接入技術(shù)的特點(diǎn)。最后對(duì)EPON的應(yīng)用前景進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述。關(guān)鍵詞： FTTx EPON 技術(shù) DBA QoS ONU 組網(wǎng)一、 引言由于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展及視頻應(yīng)用的大量增加，使得城域接入網(wǎng)開始出現(xiàn)瓶頸。為適應(yīng)用戶的高帶寬需求，EPON（Ethernet passive optical network）網(wǎng)絡(luò)是個(gè)很有潛力的

2、解決方式，因?yàn)镋PON有著高帶寬和低廉的網(wǎng)絡(luò)硬件體系架構(gòu)。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(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，無(wú)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(gè)局域網(wǎng)通信的95%以上，EPON由于使用上述經(jīng)濟(jì)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。EPON技術(shù)采用點(diǎn)到多點(diǎn)的用戶網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻的全業(yè)務(wù)接入的目的。EPON可以支持1.25Gbps對(duì)稱速率，隨著光器件的進(jìn)一步成熟，目前速率已經(jīng)升級(jí)到10Gbps。二、 EPON技術(shù)的基本原理及傳輸特點(diǎn)1. EPON基本原理EPON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3、 一個(gè)典型的Ethernet over PON系統(tǒng)由OLT、ONU、POS組成。OLT（Optical Line Terminal）放在中心機(jī)房，ONU（Optical Network Unit）放在用戶設(shè)備端附近或與其合為一體。POS（Passive Optical Splitter）是無(wú)源光纖分支器，是一個(gè)連接OLT和ONU的無(wú)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(gè)波（上行波長(zhǎng)：1310nm，下行波長(zhǎng)：1490nm，另外還可以在這個(gè)芯上下行疊加1550nm的波長(zhǎng)，來(lái)傳遞電視信號(hào)）。在一個(gè)EPON中，不需任何復(fù)雜的協(xié)議，光信號(hào)就能準(zhǔn)確

4、地傳送到最終用戶，來(lái)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(shí)在PON的傳輸機(jī)制上，通過新增加的MAC控制命令來(lái)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(shí)時(shí)的TDM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(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，因此沒有碰撞，不需CDMA/CD，從而充分利用帶寬。圖1：EPON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成圖2. 數(shù)據(jù)下行傳輸方式數(shù)據(jù)從OLT到多個(gè)ONU以廣播式下行（時(shí)分復(fù)用技術(shù)TDM），根據(jù)IEEE802.3ah協(xié)議，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀的幀頭包含前面注冊(cè)時(shí)分配的、特定ON

5、U的邏輯鏈路標(biāo)識(shí)（LLID），該標(biāo)識(shí)表明本數(shù)據(jù)幀是給ONU（ONU1、ONU2、ONU3.ONUn）中的唯一一個(gè)。另外，部分?jǐn)?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），在圖2的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，在分光器處，流量分成獨(dú)立的三組信號(hào)，每一組載到所有ONU的信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)ONU時(shí)，ONU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。ONU1收到包1、2、3，但是它僅僅發(fā)送包1給終端用戶1，摒棄包2和包3。3. 數(shù)據(jù)上行傳輸方式對(duì)于上行，采用時(shí)分多址接入技術(shù)（TDMA）分時(shí)隙給ONU傳輸上行流量。當(dāng)ONU在注冊(cè)時(shí)成功后，OLT會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的配置

6、，給ONU分配特定的帶寬，在采用動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)整時(shí)，OLT會(huì)根據(jù)指定的帶寬分配策略和各個(gè)ONU的狀態(tài)報(bào)告，動(dòng)態(tài)的給每一個(gè)ONU分配帶寬。帶寬對(duì)于PON層面來(lái)說，就是多少可以傳輸數(shù)據(jù)的基本時(shí)隙，每一個(gè)基本時(shí)隙單位時(shí)間長(zhǎng)度為16ns。在一個(gè)OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU與OLT PON端口之間時(shí)鐘是嚴(yán)格同步的，每一個(gè)ONU只能夠在OLT給他分配的時(shí)刻上面開始，用分配給它的時(shí)隙長(zhǎng)度傳輸數(shù)據(jù)。通過時(shí)隙分配和時(shí)延補(bǔ)償，確保多個(gè)ONU的數(shù)據(jù)信號(hào)耦合到一根光纖時(shí)，各個(gè)ONU的上行包不會(huì)互相干擾。三、 EPON數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：上行信道的多址控制協(xié)議（MPCP）、ONU

7、的即插即用問題、OLT的測(cè)距和時(shí)延補(bǔ)償協(xié)議以及協(xié)議兼容性問題。由于下行信道采用廣播方式，帶寬分配和時(shí)延控制可以由高層協(xié)議完成，因而上行信道的MPCP便成為EPON的MAC層技術(shù)的核心。目前的802.3ah標(biāo)準(zhǔn)確定在EPON的MAC層中增加MPCP子層。MPCP子層的基石主要有3點(diǎn)：一是上行信道采用定長(zhǎng)時(shí)隙的TDMA方式，但時(shí)隙的分配由OLT實(shí)施；二是對(duì)于ONU發(fā)出的以太網(wǎng)幀不作分割，而是組合，即：每個(gè)時(shí)隙可以包含若干個(gè)8023幀，組合方式由ONU依據(jù)QoS決定；三是上行信道必須有動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBA）功能支持即插即用、服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA）和QoS。1. DBA技術(shù)目前MAC層爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于D

8、BA的算法及8023ah標(biāo)準(zhǔn)中是否需要確定統(tǒng)一的DBA算法，由于直接關(guān)系到上行信道的利用率和數(shù)據(jù)時(shí)延，DBA技術(shù)是MAC層技術(shù)的關(guān)鍵。帶寬分配分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)帶寬由打開的窗口尺寸決定，動(dòng)態(tài)帶寬則根據(jù)ONU的需要，由OLT分配。TDMA方式的最大缺點(diǎn)在于其帶寬利用率較低，采用DBA可以提高上行帶寬的利用率，在帶寬相同的情況下可以承載更多的終端用戶，從而降低用戶成本。另外，DBA所具有的靈活性為進(jìn)行服務(wù)水平協(xié)商（SLA）提供了很好的實(shí)現(xiàn)途徑。2. 系統(tǒng)同步技術(shù)因?yàn)镋PON中的各ONU接入系統(tǒng)是采用時(shí)分方式，所以O(shè)LT和ONU在開始通信之前必須達(dá)到同步，才會(huì)保證信息正確傳輸。要使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到

9、同步，必須有一個(gè)共同的參考時(shí)鐘，在EPON中以O(shè)LT時(shí)鐘為參考時(shí)鐘，各個(gè)ONU時(shí)鐘和OLT時(shí)鐘同步。OLT周期性的廣播發(fā)送同步信息給各個(gè)ONU，使其調(diào)整自己的時(shí)鐘。EPON同步的要求是在某一ONU的時(shí)刻T(ONU時(shí)鐘)發(fā)送的信息比特，OLT必須在時(shí)刻T(OLT時(shí)鐘)接收他。在EPON中由于各個(gè)ONU到OLT 的距離不同，所以傳輸時(shí)延各不相同，要達(dá)到系統(tǒng)同步，ONU的時(shí)鐘必須比OLT的時(shí)鐘有一個(gè)時(shí)間提前量，這個(gè)時(shí)間提前量就是上行傳輸時(shí)延，也就是如果OLT在時(shí)刻0發(fā)送一個(gè)比特，ONU必須在他的時(shí)刻RTT(往返傳輸時(shí)延)接收。RTT等于下行傳輸時(shí)延加上上行傳輸時(shí)延，這個(gè)RTT必須知道并傳遞給ONU。

10、獲得RTT的過程即為測(cè)距(ranging)。3. 測(cè)距(ranging)技術(shù)由于EPON的上行信道采用TDMA方式，多點(diǎn)接入導(dǎo)致各ONU的數(shù)據(jù)幀延時(shí)不同，因此必須引入測(cè)距和時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)以防止數(shù)據(jù)時(shí)域碰撞，并支持ONU的即插即用。準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)ONU到OLT的距離，并精確調(diào)整ONU的發(fā)送時(shí)延，可以減小ONU發(fā)送窗口間的間隔，從而提高上行信道的利用率并減小時(shí)延。另外，測(cè)距過程應(yīng)充分考慮整個(gè)EPON的配置情況，例如，若系統(tǒng)在工作時(shí)加入新的ONU，此時(shí)的測(cè)距就不應(yīng)對(duì)其它ONU有太大的影響。EPON的測(cè)距由OLT通過時(shí)間標(biāo)記（Timestamp）在監(jiān)測(cè)ONU的即插即用的同時(shí)發(fā)起和完成。4. RTT時(shí)延補(bǔ)償

11、技術(shù)在OLT側(cè)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，發(fā)送給ONU的授權(quán)反映出由于RTT補(bǔ)償?shù)牡竭_(dá)時(shí)間。例如，如果OLT在T時(shí)刻接收數(shù)據(jù)，OLT發(fā)送包括時(shí)隙開始的GATET-RTT 。在時(shí)戳和開始時(shí)間之間所定義的最小延時(shí)，實(shí)際上就是允許處理時(shí)間。在時(shí)戳和開始時(shí)間之間所定義的最大延時(shí)，保持網(wǎng)絡(luò)同步。四、 EPON應(yīng)用場(chǎng)景組網(wǎng)近年來(lái)隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)通信業(yè)務(wù)的需求不斷增長(zhǎng)，除了傳統(tǒng)的語(yǔ)音、TMD專線等窄帶業(yè)務(wù)外，對(duì)于寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求迅速增長(zhǎng)，更多用戶開始關(guān)注基于寬帶的新業(yè)務(wù)如3D網(wǎng)絡(luò)游戲、遠(yuǎn)程教育、視頻會(huì)議、可視電話、視頻點(diǎn)播和IPTV等，人們對(duì)帶寬的需求由原來(lái)的幾兆變?yōu)槭畮渍咨踔粮?。傳統(tǒng)的LAN和DSL接入方式應(yīng)

12、用已無(wú)法滿足用戶的需求，光進(jìn)銅退已是大勢(shì)所趨。綜合考慮節(jié)約維護(hù)成本、節(jié)約主干光纖資源、接入設(shè)備集中管理等因素，以EPON技術(shù)為代表的光纖接入網(wǎng)絡(luò)，具有高帶寬、抗干擾、易拓展、接入距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)寬帶提速的最佳技術(shù)方案。EPON網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式主要有以下幾種。1. FTTH即光纖到戶方式，通過部署在用戶家庭的內(nèi)置IDA功能的EPON ONU為單個(gè)用戶同時(shí)提供語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，局端OLT實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)ONU業(yè)務(wù)的匯聚。適用于用戶居住比較分散的區(qū)域，如別墅區(qū)，用戶對(duì)帶寬的要求較高，且開發(fā)商有積極性參與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。2. FTTB:PON+LAN(ONU集成LAN交換機(jī))通過在樓道部署支持多個(gè)LAN

13、和IAD端口的PON ONU為多個(gè)用戶提供語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，局端OLT實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)遠(yuǎn)端ONU業(yè)務(wù)的匯聚。典型應(yīng)用情況下，ONU到用戶銅纜接入距離一般在100m以內(nèi)。3. FTTB:PON+DSL(ONU集成DSLAM)通過在集中機(jī)房、小區(qū)樓道或者交接箱附近部署支持DSL的PON ONU為多個(gè)用戶提供語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，局端OLT實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)遠(yuǎn)端ONU業(yè)務(wù)的匯聚。典型應(yīng)用情況下，ONU到用戶銅纜接入距離一般在1Km以內(nèi)?？紤]國(guó)內(nèi)基于銅線接入的DSL網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常普及，運(yùn)營(yíng)商的銅纜資源也鋪設(shè)得非常到位，摒棄銅纜接入全部改造為光纖接入是不現(xiàn)實(shí)的，需綜合考慮寬帶提速和現(xiàn)網(wǎng)資源利用、建網(wǎng)成本和投資回報(bào)等

14、因素實(shí)施現(xiàn)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。DSL與EPON兩種技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，融合組網(wǎng)更能發(fā)揮所長(zhǎng)。通常在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)設(shè)備放置情況、用戶業(yè)務(wù)需求、布線難易、投資情況等相關(guān)情況靈活選擇不同的組網(wǎng)方式。五、 結(jié)束語(yǔ)在局域網(wǎng)、城域網(wǎng)到廣域網(wǎng)全部是以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)IP網(wǎng)絡(luò)中，采用與IP統(tǒng)一以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)的EPON接入技術(shù)，各網(wǎng)之間可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，不需要任何格式轉(zhuǎn)換，大大提高運(yùn)行效率，方便管理，并且可以提供端到端的連接和提供與用戶簽訂服務(wù)協(xié)議的保證服務(wù)質(zhì)量QoS。EPON技術(shù)簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)化程度和QoS支持的折衷將有力地推動(dòng)ONU廠家的互通互用，而且EPON屬于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，大大降低了維護(hù)成本，是現(xiàn)階段綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)的一種選擇，具有十分光明的應(yīng)用前