在广电网络中的应用ppt课件

EPON在广电网络中的应用 唐明光 2007.1.6 一、全光接入技术-PON 1、接入网现状 目前接入网现有的解决方案和用户的需求 之间存在着巨大差异。 在用户侧的本地网络已经普遍拥有了支持 10M和100M速率的能力， 在城域网侧已经可以支持千兆和万兆的速 率， 在用户侧和城域网侧之间数据的传送却大 部分为不足1M甚至只有几十K的速率。 接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的 瓶颈。 2、 宽带接入网技术方案 通信业界多年来一直认为，PON（Passive Optical Network无源光网络）是接入网未来的方向。 它在解決宽带接入问题上普遍被认可，无论设备和运行、 护维、网管方面，它的成本相对便宜，提供的带宽足以应 付未来的各种宽带业务需求。 PON自从在20世纪80年代被采用至今，已历经了 几个发展阶段。电信运营商和设备制造商开发了多种协议 和技术以便使PON解决方案能更好的满足接入网市场需 求。 最初PON标准是基于ATM 的，并由 ITU/FSAN定义了相应G.983建议，即APON。 目前则有两个颇为引人注目的新的PON标准 ： 其一是由ITU/FSAN负责制定的用来替换 APON标准的Gigabit PON（GPON）标准， 其二是由IEEE 802.3ah工作组负责制定的 Ethernet PON（EPON）标准。 1）ATM无源光网络（APON/BPON） APON是由ITU/FSAN定义的，以ATM协议为载体 ，下行以155.52Mb/s或622.08Mb/s的速率发送连续的 ATM信元，同时将物理层OAM信元插入数据流中。 上行以突发的ATM的信元方式发送数据流，并在每个53 字节长的ATM信元头增加3字节的物理层开销，用以支持 突发发射和接收。 APON提供非常丰富和完备的OAM，包括比特误码 率的监视，告警和检测，自动发现和自动测距，并采用扰 动策略作为实现下行数据加密的安全机制。下图为APON 系统中传输协议的转换。 APON协议层采用ATM，物理层采用PON。 经过以21个全球主要电信运营商为主的FSAN（ 全业务接入网）集团的不懈努力， 1998年10月通过了全业务接入网采用的 ATM-PON格式标准ITU-T G.983.1； 2000年4月批准其控制通道规范的标准ITU -T G.983.2； 2001年又发布了关于波长分配的标准： ITU-T G.983.3，利用波长分配增加业务能力 的宽带光接入系统。 APON标准G.983的基本特点是： * 基于ATM信元 * 对称（双向155.52Mb/s）和非对称工作方式（下行622.08Mb/s ，上行155.52Mb/s） * 最多能支持32个用户的光分支，最大传输距离20km * 单纤或双纤操作 * 利用波长分配增加业务能力 该标准是一个良好的开端，它为考核光纤接入设备供应商提出了 一种现实的性能要求。世界上有不少厂家已在按此标准生产或开发基 于ATM的宽带PON产品，如：Terawave、Quantum Bridge、 Alcatel、Lucent/OKI等公司。 当电信公司开始部署更多的以太网和交换式以太网 以传输高速数据和交换式数字视频业务时，为了满足电信 公司不断增长的带宽需求，APON/BPON在升级时可能存 在困难。例如，APON/BPON一般只能升级到下行（从中 心局到用户驻地）622Mbps和上行155Mbps，并且在除 去ATM开销后，可用（可出售）的带宽只有448Mbps。 随着未来每用户带宽需求的增长，这将成为部署 APON/BPON的很大的一个障碍，并且很大程度限制了每 个PON可服务的用户的数量。 PON的一个主要好处就是能分担从中心局到用户 的长距离干线的成本，如果这些干线的投资回报受限于每 用户可用带宽的数量，那么整个PON的商业意义就没有了 。 2）GPON 由于上述原因，多年前FSAN联盟和ITU 开始了制定新PON标准的工作，新标准要能够满 足迅速增长的带宽和业务需求。这个标准被称为 GPON，已被ITU-T批准，称为G.984.x。 GPON是语音、视频和数据业务的一种切 实可行的方案。更重要的是，GPON以前所未有 的经济性以原有格式支持传统通信业务，也支持 未来向全分组/全IP网络的演进。 GPON支持两种封装方式：ATM和GPON封装方式（GEM）。 ATM方式是已有APON/BPON标准的一种演进，所有的语音 、视频和数据流在用户端被封装并被传回中心局。 GEM方式，所有业务流使用SONET/SDH通用成帧协议（GFP ）的一种变种被映射并穿越GPON网络。GEM支持以固有格式传输语 音、视频和数据，而无需附加ATM或IP封装层。 使用GEM方式，GPON可以显著增加可利用带宽。GPON支持 的下行速率高达2.5Gbps，上行速率从155Mbps到2.5Gbps。相对于 APON/BPON标准有极大的增加。 GPON是ITU提出的G比特级的无源光网络。ITU在 2003年正式通过并颁布了GPON标准系列中的三个标准 ：G.984.1、G.984.2和G.984.3。由于GPON标准是 ITU在APON标准之后推出的，因此G.984标准系列不可 避免的沿用了G.983标准的很多思路。GPON更注重多业 务和QoS保证，因此更受运营商的青睐。但由于GPON标 准复杂且开发较晚，因此目前GPON产品商品化阶段正在 进行中。 而ITU提出的GPON技术的主要目标是实现Gbit速率 ，并能支持多种业务，对所有业务最优化。 3）EPON概述 IEEE1998年发布完千兆以太网标准后，于2000 年12月，IEEE802.3成立了第英里以太网EFM特别 工作组，致力于研究如何支持三种接入网拓扑以及相应的 物理层： 铜线上以太网（EoVDSL），在750m上传送 10Mbit/s； 点到点光纤上的以太网，在最长10km上传送 1000Mbit/s； 点到多点光纤上的以太网（EPON），在最长 10km上传送1000Mbit/s。 此外，该工作组还将定义以太网的运行、管理、维 护（OAM），使它具有远端故障显示、远端环回和链路 监测等功能。 a）关于EPON标准 世界上有几个主要组织负责开发PON的相关标准 ，EFM/IEEE 和FSAN/ITU-T就是其中的主要两个组织。 FSAN/ITU-T：在二十世纪八十年代，世界上许 多大的运营商将光接入网引到他们的网络中。可是其中的 大部分停留在试验局阶段，主要原因是其高昂的费用以及 当时少的可怜的业务需求。 随着Internet的迅速普及，到了90年代大量的对 带宽的需求又使宽带接入重新成为主流。 1995年，7个主要的电信业务提供商发起并建立 Full Service Access Networks(FSAN)全业务接入网组 织，以加速光接入网的商用化。 随后一些主要的设备制造商也加入到该组织 中，包括： Alcatel, Agere, Broadlight, Ericsson, FlexL ight Networks, Fujitsu, 等公司。 FSAN收集整理BPON, APON and GPON 的需求，并这些文档作为建议反馈给ITU-T，第 15研究组。FSAN/ITU-T已经制定出GPON标 准G.984x。 EFM/IEEE： EFM是利用从用户办公室及家庭到通信运营商之间的连接 线路直接传输以太网数据帧的规格。IEEE（国际电气和电子工程师 协会）802委员会的802.3ah工作组为EPON使用点到多点以太网接 入应用制定了标准。 Ethernet in the First Mile Alliance (第一英里以太网联盟)则 是一个支持基于802.3ah的EFM标准化的业界组织。EFMA的成员包 括终端制造商、系统集成和通信运营商等， 包括 Alloptic, Inc., Analog Devices, BATM Advanced Communications, Calix, Cisco Systems, Elast ic Networks, Ericsson, Extreme Networks, Finisar, Fiber in the Loop, Har monic, Hatteras Networks, Infineon Technologies, Intel, NTT Grou p, Paradyne, Passave Technologies, Spirent Communications, Texas Instru ments, and World Wide Packets等。 EFM有4个主要目标： *支持由IEEE 802.3ah制定的第一英里以太网标 准 。 *致力于集中技术资源促进关于技术规范的协调 和统一。 *促进业界了解、接受和推动第一英里以太网技 术和产品。 *协调各个设备制造商相互协作，鼓励和推动彼 此之间的合作。 b）EPON发展现状 EPON是几个最佳的技术和网络结构的结合。EPON 采用点到多点结构,无源光纤传输方式，在以太网之上提 供多种业务。目前, IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上。 EPON由于使用了经济和高效的结构，是连接接入网最终 用户的一种最有效的通信方法。10G以太主干和城域环的 出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后一英里的 解决方案。 在EPON产品方面，现在领先的有国际上有Salira， Alloptic等新兴公司，也有一些老牌公司如 Nokia Broadband，Quantum Bridge等，国内在EPON 方面研发比较领先有华为公司，华中理工，武汉烽火等。 如华为公司的多业务EPON支持上下行对称1.25G带宽， 支持ONU的自动加入，支持TDM业务，提供动态/静态带 宽分配、弹性保护倒换等功能。 二、EPON工作原理 1、EPON的网络结构 EPON 系统是一个典型的光接入网，它由ITU-T定义， 如下图示： 一套典型的EPON 系统由OLT, ONU/ONT, POS 组成。 OLT位于根节点，通过ODN与各个ONU相连，在 下行方向，OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口；在 上行方向，OLT将提供了GE（Gigabit Ethernet）。将 来10Gbit/s的以太网技术标准定型后，OLT也会支持类 似的高速接口，为了支持其他流行的协议，OLT还可支 持ATM, FR以及OC3/12/48/192等速率的 SDH/SONET的接口标准。 OLT通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入。 在EPON的统一网管方面，OLT是主要的控制中心，实现 网络管理的主要功能。 POS（Passive Optical Splitter）是无源光纤分 支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备。 ONU放在用户驻地侧，接入用户终端。 EPON网络结构如下图 OLT和ONU之间可以灵活组建成树形，环形，总线形，以及混合型。 （A）树型拓扑 （B）总线型拓扑 （C）环型全保护的拓扑结构 （D）主干路带保护的树型拓扑 （E）主、支路带保护的树型拓扑 利用不同的分光方案，可以构成花样繁多的网络结构。不同 的分光方案举例如下图： 2、EPON传输距离-OLT到ONU/ONT的最远距离 有两个因素影响无源光网络的传输距离： 第一个是光功率，它由光线路终端（OLT）的激光器和线路 损耗决定。 第二个是光网络终端（ONU/ONT）同时发射的风险。因为 光网络终端共享光纤馈线和光线路终端的端口，所以，所有的设备都 必须有一套复杂的算法以避免一个以上的ONT同时发射。如果发生了 同时发射的情况，就会导致业务流发生碰撞，影响大多数业务无法继 续。 该算法要计算和调节各ONU/ONT与OLT之间的距离差。距 离产生延迟。当延迟增加时，ONT到OLT的传输窗口就会变窄。这 直接影响ONT可用带宽的数量。因此要限制ONT和OLT之间的最大 距离以保证ONT能有可接受的带宽性能。PON标准将这个最大距离 定为20km，而多数厂商建议为10km。 下图显示了PON和有源以太网的服务半径。 对PON来说，在选择光分路器的位置时必须考虑OLT和 ONU/ONT之间的最大距离限制。图中黄色圆环代表了ONU/ONT 离OLT的最远距离（此例中为20km），绿色圆环代表了ONU/ONT 离分路器的最远距离。光分路器到OLT的距离决定了ONU/ONT到分 路器的距离。二者之和不能超过20km。图中给出了两个例子：一个 是分路器距离OLT 19km，因而其服务半径只有1km；二是分路器距 离OLT10km，因而其服务半径为10km。在两个服务区域内都有32 个ONU/ONT。 这就导致需要进行复杂的权衡，并且需要经常评估下 列情况： * 如果在ONU/ONT的服务半径内少于32个用户，每 用户分摊的OLT成本就很高。 * 如果在ONU/ONT的服务半径内多于32个用户，仅 仅为了支持第33个用户，就需要增加OLT端口，结果导致 每用户分摊的OLT成本陡增。 * 如果在现有的ONU/ONT服务区域以外有新用户，就 要增加一个OLT端口，结果导致每用户分摊的OLT成本非 常高。 * 如果在OLT的20km服务半径以外有新客户，就需要 在一个新地点安装一个完整的OLT设备，结果导致每用 户分摊的OLT成本非常高。 与传输距离有关的光功率预算，其需要补偿PON 中所有器件的损耗，但其总功率必须在普通单模光纤的 SBS阈值以下。目前新型光纤的SBS阈值有所提高，因 此可以适用于需要传输更大光功率的场合。 4、EPON工作原理 a）EPON的层次模型 对于以太网技术而言，PON是一个新的 媒质。802.3工作组定义了新的物理层。而对以 太网MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改 动以支持新的应用和媒质。EPON的层次模型按 照2003年1月发布的IEEE 802.3ah Draft 1.3 规定如下： 数据发 送 数据接 收 光发送 器 光接收 器 ONU 1 ONU 2 ONU 3 OLT 光发送 器 光接收 器 数据发 送 数据接 收 1:n 无源光 分路器 介质 接入 逻辑 介质 接入 逻辑 波分 合路 波分 合路 EPON采用单纤波分复用技术 下行1490nm ； 上行1310nm ； 数字/模拟电视1550nm ； EPON是由OLT（光线路终端）、ONU（光网络单 元）以及ODN（光分配网络，由无源分光器和光纤组成 ）等单元构成的点到多点系统。其系统拓扑多为星型或树 型分支结构。 下行方向（由OLT到ONU）采用广播方式，每 一个ONU将接收到所有下行信息，根据其MAC地址提取 有用信号。 上行方向（由ONU到OLT）采用时分方式共享 系统。为了避免数据碰撞和公平的信道共享，采用OLT分 配静态或者动态带宽的方式，给每个ONU分配一个时间 没有重叠、时隙可变的传输窗口，用于ONU数据的传递 。 为了实现时隙的管理，IEEE802.3ah中采用了 多点控制协议（MPCP），采用Report 和GATE两个 MAC控制消息来实现。OLT发送“门（GATE）消息”给 ONU用来分配时隙，而ONU采用“报告（Report）消息” 向OLT获取时隙或者请求时隙。通过接入控制机制将各 个ONU有序接入。 EPON的上、下行信息速率均为1 Gb/s（由于 其物理层编码方式为8B/10B码，所以其线路码速率为 1.25Gb/s），由一根光纤采用波分复用实现全双工通信 。其结构示意图如下图所示。 b) 每用户带宽 在EPON中，因为所有用户终端共享OLT和光纤，所 以每个用户终端的可用带宽也是共享的。可共享的总带宽 取决于分光器的分光比。例如，EPON的分路比为1:32 时，每个ONU的可用带宽是32Mb/s。 EPON能以较低的分路比来提高每用户的带宽，但 这又增加了每用户的成本。例如，EPON的分路比从 1:32降到1:16，可使每用户的带宽增至64Mb/s，但是 每用户均摊的OLT的成本也翻番了。 c）EPON中的关键技术 ） 多点控制协议MPCP EPON系统通过一条共享光纤将多个OUN连接起 来，其拓扑结构为不对称的基于无源光分路器的树形分支 结构。MPCP就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控 制机制。 EPON作为EFM讨论标准的一部分，是建立在 MPCP（Muti-Point Control Protocol多点控制协议）基 础上的系统。MPCP协议是MAC control 子层的一项功能 。 MPCP使用消息，状态机，定时器来控制访问 P2MP（点到多点）的拓扑结构。在P2MP拓扑中的每个 ONU都包含一个MPCP的实体，用以和OLT中的MPCP的 一个实体相互通信。 为此，EPON实现了一个P2P仿真子层。 P2P仿 真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件，该子层通过在 每个数据报的前面加上一个逻辑链路标识LLID（ Logical Link Identification），该LLID将替换前导码中 的两个字节。它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为 多个点对点链路的集合。 PON将拓扑结构中的根结点认为是主设备，即 OLT；将位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即 ONUs。MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控 制机制以协调数据有效的发送和接收。 系统运行过程中，上行方向在一个时刻只允许一 个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不 同ONU的拥塞报告、以便优化PON系统内部的带宽分配 。EPON系统通过MPCP来实现OLT与ONU之间的带宽请 求、带宽授权、测距等。 MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配， ONU的自动发现和加入，向高层报告拥塞情况以便动态 分配带宽。MPCP多点控制协议位于MAC Control子层。 MAC Control向MAC子层的操作提供实时的控制和处理 。 系统同步： 系统同步是指由于EPON上行为多点到一点的拓 扑结构，每个ONU发送时隙必须与OLT的系统分配的时 隙保持一致，以防止各个ONU上行数据发生碰撞。 ONU侧的时钟应与OLT侧的时钟同步。EPON 时钟同步采用时间标签方式。 在OLT侧有一个全局的计数器，下行方向OLT 根据本地的计数器插入时钟标签，ONU根据收到的时钟 标签修正本地时钟，使本地时钟与OLT时钟同步,完成系 统同步；上行方向ONU根据本地时钟插入时钟标签， OLT根据收到的时钟标签完成测距。 ONU的自动识别： ONU自动识别的目的是通过系统的自动运行，不 需人工干预完成对新ONU的发现和注册，使新ONU能够 自动加入到EPON系统而不影响其他ONU运行。EFM对解 决注册冲突提出了两种方案： 随机延迟时间：发生注册冲突时，发生冲突的ONU仍 然每次都响应注册授权，但是在响应开窗时随机延迟一定 时间（但必须保证ONU随机延迟后的应答仍然可以落在 开窗内）。采用随机延迟时间 的方法可以缩短ONU加入 系统的时间，但是需要增大注册开窗的长度，这样会降低 系统的带宽利用率。 随机跳过开窗：发生注册冲突时，发生冲突的 ONU随机跳过若干 个注册授权后才重新响应。如果注册授权的周 期为1s，那么发生冲突 的ONU可随机延时18s(系统可配置)，然后 继续等待注册授权。采 用随机跳过开窗的方法比随机延迟时间需要多 花一些时间，但是不需 增大注册开窗，不会影响系统的带宽利用率。 ）EPON中TDM业务的传输 尽管数据业务的带宽需求正快速增长，但现有的电 路业务还有很大的市场，在短期内仍将发挥其巨大的作用 ，在今后几年内仍是业务运营商的主要收入来源。所以在 EPON系统中承载电路交换网业务，将分组交换业务与电 路交换业务结合有利于EPON的市场应用和满足不同业务 的需要。因此，现在的EPON实际都是考虑网络融合需求 的多业务系统。 EFM对TDM在EPON上如何承载，在技术上没有 作具体规定，但有一点是肯定的就是要兼容以太网帧格式 。如何保证TDM业务的质量实际上也就成为多业务EPON 的关键技术之一。 ）EPON中信息安全的考虑 根据IEEE 802.3ah规定，EPON系统物 理层传输的是标准的以太网帧，对此，802.3ah 标准中为每个连接设定LLID逻辑链路标识，每个 ONU只能接收带有属于自己的LLID的数据报， 其余的数据报丢弃不再转发。 不过LLID主要是为了区分不同连接而设定 ，ONU侧如果只是简单根据LLID进行过滤很显 然还是不够的。 为此，IEEE 802.3ah工作组从2002年下半 年起召开几次的会议，专门讨论有关EPON的链 路安全性的问题。会议就关于安全性的问题是单 独放在EPON中解决，还是放到整个802体系中 解决，决定单独成立一个任务组结合EPON的具 体情况，负责整个802体系的安全性问题的研究 和解决。 2003年1月份以原EPON安全小组的主要成 员为主的新的工作组已经召开会议，将在尽量保 证以太网体系架构的基础上，结合802.1x、 802.10等已有以太网关于安全性的协议，加强 和完善EPON和其他以太网应用的安全性。 ）EPON中的以太网管理 对于以太网来说，第一英里接入是一个全新的应 用。因此，它要求一个完整的新的电信级的管理。 和传统的局域网不同，在第一英里的终端用户不 是按照以太网业务提供者的要求而配置的，第一英里包括 局端设备（OLT）和远端设备（ONU），因此，局端设 备必须要有能力监测业务提供网络和用户驻地网络之间的 物理链路和设备的一些重要的信息。 EFM工作组已经决定提供的OAM功能包括：远 端错误指示，远端环回，链路监视。OAM的消息通道， 采用长度/类型域为8809的慢协议帧传送OAM消息。 5）EPON面临的挑战以及解决方法 以太网无源光网络(EPON) 的很大一个优势就是在 利用丰富的带宽开展多种业务和应用，如实现三重服务（ triple play），为最终的三网合一奠定良好的基础。 目前可以开展的业务有语音（包括POTS和VoIP ）、视频点播（VOD）、标准电视和高清电视 (STV and HDTV), 视频会议、实时或者准实时的电子 交易和数据等等。针对以上各种不同的业务，各电信运营 商纷纷推出各种接入业务种类，针对不同的用户需求，在 传输带宽、质量和价格等方面提供差异性的接入服务。下 列表格列出了一些基本的业务类型以及相应的要求。 表格：常见接入业务类型及其带宽需求 从表中我们可以看到：针对不同的业务，需要的带宽不同。 对服务质量（QoS）以及服务等级(CoS)的要求也差异很大。 为了确保与IEEE 802的结构兼容，EPON采用了点到点仿真 技术，使得EPON介质成为一系列点到点链接的组合。根据 IEEE 802.3ah规定，EPON系统物理层传输的是标准的以太网帧 ，对此，802.3ah标准中采用逻辑链路标识方式（LLID），为每个 不同的ONU分配一个不同的LLID。这样每个ONU只能接收带有自己 的LLID的数据报，其余的数据报丢弃不再转发。 在这样一个接入网中，每个ONU可能会有一个或者多个用户 ，而每个用户可能会有一种或者多种业务。而每个业务（如视频、语 音和数据）可能会有不同的服务等级(CoS)，对服务质量（QoS）有 不同的要求。 a）LLID的分配 * 每个ONU分配一个LLID 在这样的配置中，OLT会分配给每个 ONU一个不同的LLID。这样，从带宽分配机制 上，将会变成一个分级的带宽分配结构。上层的 OLT负责ONU的带宽分配，根据ONU的请求和 网络现状，分配给而每个ONU的一定的带宽；而 ONU根据自身业务种类和业务的要求，再进行带 宽分配。如下图所示： 不同等级的带宽分配方式 这种分配方法最大优点在于，因为带宽分配过程中会产生很 多MPCP管理帧，而这些帧的传递会浪费大量的带宽。采用这种方法 ，可以减少管理帧的传递，提高带宽利用率。但是采用分级的带宽分 配的方式存在如下问题。 按照“完全优先级队列”的带宽分配方式 在这种带宽分配方式中，所有的业务只有在更高级别的所有 业务传递完成后才能进行传递。有两种方法来实现： ）ONU中业务的抢占式排队 在这种传输机制中，低优先级的业务艰难生存。因为当OLT分 配给ONU的时间窗到达的时候，ONU根据相应的授权，进行业务的 传递，数据的传递根据业务的优先级进行排序，逐步发送。 与此同时，当新到达的数据包拥有更高的优先级的时候，它 们就会抢占那些正在等待发送的低优先级的数据的时隙。那些低级的 业务就会被迫留在缓存区内等待下次发送。这样的状况可能会发生很 多次，导致低优先级的业务会经过很多个周期的延迟。如果这个业务 的优先级越低，那么这种时延的时间可能会更长。 这种机制带来的另外的一个问题就是传输包的变化。由于上报 的数据和ONU请求的数据不同，传输包会和上报内容不一致。考虑 到和IEEE 802.3兼容的问题，很有可能会出现以太数据无法成帧的 尴尬局面。 ）ONU中非抢占式排队 在ONU中使用非抢占式排队的传输机制，会减轻低级 业务延迟大的局面。但是将会带来新的问题。 在这样传输机制中，OUN会根据预先上报的请求的队 列，依次进行数据的传递，即便是有更高级别的业务需要 传递，ONU也不会响应。 这样做一个缺点就是由于新的业务的传递，都要等到 上一个传输周期完成后，经过本次ONU的请求以及OLT 的响应后才能进行。所以会增加数据排队的时延。下列表 格表明对于高优先级的业务时延周期会有1ms。 表格：高优先级的业务时延为1ms. 非抢占式传送机制带来的时延对于那些高级别的业务像系统 告警、失效指示等等会带来很大的问题。对于那些如语音、视频等时 延要求小的业务来说，这种传送机制将很难保证这类业务的传输质量 （QoS）。如ITU-T G.114中对于语音业务的规定一样，要求语音 在接入网中的时延要小于1.5ms, 在EPON系统中，除非采用特殊的 方法，否则时延很难控制在该范围内。 通过以上的分析可以看到，如果仅仅采用分配给一个ONU一个 LLID的方法，很难保证业务的公平性，对业务也很难提供保护。 * 基于业务分配LLID 为了解决EPON系统中分配ONU一个LLID过程中 遇到的各种问题，采用针对不同业务分配不同LLID的方 法（如下图示）。 该方法是目前简单而又最有效的方法。这样一方 面消除了在ONU处重新进行带宽分配和业务整合的工作 ，将所有的工作都统一由OLT进行集中监管、调度和分 配。OLT接受来自带有不同LLID的业务上报(Report)的 请求，然后通过门（Gate）消息分发给不同业务的授权 。这样的话，OLT可以很容易的限制一个业务的带宽而 给其他的业务分配更多的带宽。在这样的系统中，ONU 也变得非常简单。在这种方法中，由于每个业务需要分配 一个LLID,因此需要占有更多的开销。 每种业务一个LLID(单级带宽分配) 这种分配方法保证了各个用户或业务可以保证公平性，有利 于保 证业务的QoS(服务质量)，尤其对时延敏感性业务，可以降低接入 时 延。 b）EPON的可靠性 在EPON系统的网络拓扑结构中，主要有树形、星形等结构 。无论采用何种网络结构，业务都是通过OLT、主干光纤 （trunk fiber）、分支光纤（branch fiber）然后到达每一个ONU 。 如果OLT或主干光纤发生故障，整个系统就会陷入瘫痪。这 样的网络结构是非常脆弱的，无法适应现代网络运营的要求。 EPON网络故障造成的损失十分巨大，它不仅使现有的业务 无法运营，使运营商无法获取相关的收益，更为严重的是它会降低运 营商在用户心中建立起来的信誉，增加用户的离网率。 因此，在当今网络保护显得越来越重要的情况下，对于EPON 采用必要的自动保护倒换（APS），不仅能有效的解决业务传递的连 续性；更可以提高EPON系统的生存性、稳定性；提供业务的服务质 量，同时也将提高运营商的收益。 为了解决现有网络系统中存在的缺陷，需要把 APS技术运用到EPON系统中，建立新型的具有自愈功能 的EPON系统，满足运营商运营的要求。 EPON自愈网是基于传统的EPON结构所建立的一 种新型网络。它与传统的EPON系统相比，具有控制简单 、生存性强等突出特点。 所谓网络自愈，是指无需人为干预，网络在极短 的时间内从失效的故障状态自动恢复传输所携带的业务， 使网络具备一种可替代的传输路由。 具有自愈功能的EPON系统主要针对系统应用中的 一些故障做保护，EPON系统的故障可以分为线路故障、 设备故障两大类。针对这两类故障实施的保护也有两种。 ）线路故障：主要分成主干光纤故障和枝干光纤故障。 * 主干光纤故障或光纤插损过大：由于EPON系统是 通过光纤和很多无源光器件进行传输的，因此主干光纤或 者光无源器件发生故障时，会影响整个系统的业务传输。 主干光纤的故障主要有光纤断裂或者损坏，或者由于外界 的力量产生扭曲、变形使插损超过门限值导致业务中断。 该类型故障产生的后果就是整个系统无法正常工作，该类 型的故障优先级最高，因此必须杜绝发生。 * 枝干光纤故障：枝干光纤的故障也主要是光纤断裂或 者插损过大。该类故障将会导致一个或者多个ONU业务无 法传递。相对与主干光纤断裂，该类故障的优先级较低， 应尽量避免发生。 解决的方法是设计和增加保护路由的主干光纤和 分支光纤。 ）设备故障：主要有OLT故障和ONU故障两大类。 * OLT故障：OLT作为EPON的核心，不仅要完成所有ONU的 认证、鉴权、管理等等工作，而且还有负责OUN的测距、动态带宽 分配（DBA）以及数据的交换。如果OLT出现故障，连接到该OLT的 所有ONU都无法正常工作。OLT故障的原因有很多，有可能是硬件 的，也可能是软件的；有可能是芯片的，也有可能是模块的；有可能 是光路的，也可能是电路的，等等。该类型的故障导致的后果就是整 个系统无法正常工作，该类型的故障优先级最高，因此必须杜绝发生 。 * ONU故障：ONU作为用户与外界数据交换的平台，负责用 户业务的传递。如果ONU出现故障，将会影响该用户的所有业务， 一般情况下不会对整个网络造成影响。其影响一般是个体的、少数的 。相对于OLT故障，该类故障的优先级较低，应尽量避免发生。 解决的方法是OLT和ONU增加备份设备。 数据发 送 数据接 收 光发送 器 光接收 器 ONU 1 ONU 2 ONU 3 OLT 光发送 器 光接收 器 数据发 送 数据接 收 1:n 无源光 分路器 介质 接入 逻辑 介质 接入 逻辑 波分 合路 波分 合路 EPON运行方框图 EPON采用单纤波分复用技术 下行1490nm ； 上行1310nm ； 数字/模拟电视1550nm ； 三、EPON实际系统 1、EPON优点 1）局端（OLT）与用户（ONU）之间仅有光纤、光分 路器等无源光器件，无需机房、无需配备电源、无需有源 设备维护人员。 2）采用单纤波分复用技术（下行1490nm，上行 1310nm，或下行1550nm，上行1490 nm ），仅需一 根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20公里。在用户 侧通过光分路器分送给最多32个ONU，因此可大大降低 OLT和主干光纤的成本压力； 3）上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广 播传输的方式共享带宽，上行利用时分多址接入（ TDMA）共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的 带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变 化动态分 配带宽。 4）点对多点的结构，只需增加ONU数量 和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行 扩容升级，充分保护运营商的投资。 5）EPON具有同时传输TDM、IP数据和 视频广播的能力，其中TDM和IP数据采用 IEEE 802.3以太网的格式进行传输，辅 以电信级的网管系统，足以保证传输质量 。通过扩展第三个波长（通常为1550nm） 即可实现视频业务广播传输。 2、EPON的标准 目前市场上主流的PON技术以及标准化情况如表1 3、EPON的光接口：工作在10km范围的光接口 1000BASE-PX10-U/D和工作在20km范围的EPON光接 口1000BASE-PX20-U/D。EPON接口的基本特性见表2 。 4、OLT功能 OLT主要具有网络集中和接入的功能： 向上的接口有：TDM/PSTN接口，IP网接 口，电视信号接口，其它网络接口。 向下的接口有：波分复用器（WDM）接口 ，网络管理接口。 OLT支持的业务和功能有：IP、ATM、FR、 TDM话音业务、视频点播和T1/E1业务、带宽分 配、QoS、OAM、网络安全等。 5、PON功能 PON是一个简单的无源设备，它由光纤 分路器组成。用于连接OLT和多个ONU， 并进行光功率分配。 通常，一个分光器的分线率为8、16、 32，并可以多级连接。 6、ONU功能 ONU接收从WDM来的光信号，向下提 供各种应用接口（如10/100Mbit/s以太网 接口、电话接口和有线电视接口）。支持 数据、话音和视频等业务，负责将上行数 据传送到OLT，提供以太网第二层和第三 层的交换功能，实现内部的路由选择。 7、系统工作原理 1）传输方式 系统采用单光纤3个波长来传输全业务， EPON中OLT两个上/下行波（1310/1490nm） 通过波分复用，用于传输数据、语音和IP交换的 数字视频（IP-SDV），第三个波长（1550nm） 用于下行CATV射频的传输。采用这种设计， PON可以覆盖20km以内16个以上的光节点。 电视信号通过HFC网络广播来实现，IP、话音 、视频点播等双向业务通过EPON来运行。 2）EPON下行方向 多种业务信号通过骨干网传输到中心局（前 端），然后被OLT变换为光信号，为用户服务采 用的是广播方式，经PON分配到ONU单元。由 ONU的光/电转换及相应处理后，每个ONU根据 每个数据包的地址信息，接收属于自己的数据包 。每个ONU根据以太帧所带有的MAC地址相关 信息，确定该以太帧是被接收或被遗弃。 原理如图： 下行传输原理图： 3）EPON上行方向 上行采用时分多址接入（TDMA）， 系统在进行测距和时延补偿后，OLT根据 一定的原则将不同的时隙分配给各个ONU ，每个ONU的上行信号再进入光分配器的 共用光纤，正好占据分配给它的一个指定 时隙，以避免不同ONU上传的数据发生相 互碰撞干扰。原理如图： 上行传输原理图： 8、EPON系统特点 1）系统能提供高带宽。EPON向用户提供 的带宽是目前PON系统中最高的，在本地的IP中 下行速率可以达到1Gbps，最多达64个ONU的 上行速率可以超过800Mbps。 2）协议转换成本低。EPON采用以太网的 传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技 术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输 协议转换带来的成本因素。 3）系统成本低，建设周期短。 相对非PON系统而言，采用PON结构节省 了大量光纤和有源关器件的投入及运营成本。 由于大多HFC接入网都采用星型网结构， 该结构与EPON十分相似。因此，在现有的HFC 网络中采用EPON，不需要对现有的HFC网络进 行双向改造，只需在原来的光网络上做简单的配 置，可在较短的期间内完成网络的升级，快速实 现宽带用户接入，从而使运营商能较快实现盈利 。 4）安全性高。 EPON下行采用针对不同用户加密广播传输的方式 共享带宽，上行利用时分多址接入共享带宽。支持VLAN 、VPN、IPSec和通道技术等，提供安全的网络接入。 5）更好的QoS。 系统没有双向HFC+Cable Modem的回传噪声缺陷 。此外，EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播 的能力，其中TDM和IP数据采用IEEE802.3以太网的格 式进行传输,辅以电信级的网管系统,足以保证传输质量。 使得CATV运营商可以开发宽范围的、灵活多样的服务产 品来增加收入，增强CATV运营商的市场竟争力。 、与传统MC+LAN光接入比较 2层交换机 3层交换机 小区中心机房 城域机房 小区2级机房 楼道交换机 (OLT)C1000 (ONU) 双芯光纤 :光纤收发器 :L2SW交换机 MC+LAN网络结构 EPON网络结构 城域机房 单芯光纤 分路器 成本比较区间 M3000 H300 ODN IP IP 3层交换机 10、EPON网络结构 可采用不对称分光比分支器，保证 每条链路在设备光接受灵敏度范围内 总线 型 最大为1：32的光分支比，传输距 离20km，适用于用户较集中的情况 树型 传输方式 系统采用单光纤3个波长来传输全业务： OLT上/下行波长（1310/1490nm）通 过波分复用，用于传输数据、语音和视频点播等 双向业务。 第三个波长（1550nm）用于下行CATV 射频信号传输。 采用这种设计，PON可以覆盖20km以 内32个光节点。 11、实际产品 1）盛立亚公司 在广电网络中的应用 光纤到户 2）华为公司 OLT产品包括6506R、6506、6503、6502 四种机箱，外形结构如下图所示。 S6502(2槽) S6503（4槽） S6506 (7槽) S6506R（8槽） ONU产品为CPE设备，外形结构如下图所示： ET204 ET204-L20 ET300 ET300-L20 S2008-HI S2016-HI S2403H-HI S2000-HI系列交换机（内置ONU模块） EOC 3）飞鸿公司 C1000 C8000 4、入户方案考虑因素 n n 用户数及其结构分布用户数及其结构分布 n n 楼栋和机房的供电方式楼栋和机房的供电方式 n n 工作环境工作环境 n n 用户需求用户需求 n n 业务接入方式业务接入方式 n n 目前网络存在的安全问题目前网络存在的安全问题 n n 网管方式网管方式 3幢180户的住宅楼 机房220V交流供电，光纤到户 南方气候 保证每户30M带宽 数据业务和VOIP业务 举例说明： . 统一集中网络管理 单元1/12户 单元3/6户 单元3/6户 单元4/12户 单元5/12户 1#楼 60户 单元2/12户 2#楼 60户 3#楼 60户 中心机房 例子：小区结构分布图 结构特点： 机房距离住宅楼2KM； 三栋楼间距150M，成直线分布。 单元1/12户 单元3/6户 单元3/6户 单元4/12户 单元5/12户 1#楼 60户 单元2/12户 2#楼 60户 3#楼 60户 光纤到楼宽带接入拓扑图 1户一个ONU 12芯光缆 6路PON信号 4芯光缆 各2路PON信号 机房 1：32光分路器 网络拓扑设计 n带宽分析 根据整个网络的上行出口带宽、局域网交换机之间互连端口的带宽和整个 网络的用户数进行分析，可以得出每个用户在局域网间和出口的最低带宽 是多少，哪个节点会造成瓶颈。 5、带宽分析 PON按照1：32的分支比组网，满负荷时平均每户可以保证30M带宽 上联业务接口按照30%开通率来计算，需要配备1-2个千兆业务接口 6、流量分析 n交换容量分析 根据用户数和每个用户可能达到的最大流量得出乘积，从网络最底 层的交换机开始逐层往上分析，看OLT的背板带宽是否能满足其接收流 量的交换。 3幢180户的住宅楼 每户要求保证30M带宽， 按照30%的开通率：带宽=180*30*30%M=1620M 背板带宽=2*1620M=3G左右 n网络布线及设备数量的选配 根据楼栋和中心机房之间的距离分布选择用哪种网络结构； 根据楼道供电方式选择交流、直流或者需要远程供电； 根据每栋楼的用户数计算需要多少台和几端口的局端和终端设备。 7、方案分析 供电：用户家均采用220V交流供电 C8000局端设备采用-48V直流供电 C1000局端设备采用220V交流供电 PON数目：180/32=6 C8000：2个带3个PON口LPU盘 C1000：2台带3个PON卡的OLT VOIP网关： E1：32个时序，30路提供给用户数据，1路复用8户 180户需要1路E1信号 8、OLT设备选配 n 硬件指标 n 背板带宽 n MAC地址表容量 n 端口特性（类型、速率、数量） n 工作环境 n 工作电压、供电模式 n 尺寸 n 扩展模块类型 n 用户容量 n 功能特性 n 支持的协议类型 n 支持的功能 n FiberLink C8000 FiberLink C1000 9、ONU设备选配 选用M3006型ONU终端 提供4个数据口和2个电话口 采用FiberLink C1000系列OLT Fiber Link C1000 每台标标配一块块PON 盘盘 2台 PON盘盘需另配4块块 Fiber Link ODN 光分 支器 1：32分支，室内型6 Fiber Link ONU M3006 家用型180台 FiberLink系列语语音网 关 1路E1接口1台 M3006 Internet PSTN 骨干网 FiberLink C1000 接入 网 M3006 M3006 FiberLink C1000典型组网应用图 采用FiberLink C8000系列OLT Fiber Link C80001台 光线线路盘盘 6个PON口2块块 3个UPLINK口1块块 Fiber Link ODN 光分支 器 1：32分支，室内型6 Fiber Link ONU M3006家用型180台 FiberLink系列语语音网关1路E1接口1台 FiberLink C8000典型组网应用图 设计考虑 1、OLT每千兆端口可带用户数 OLT既是一个交换机或一个路由器，又是一 个多业务提供平台（MSPP），它为PON提供光 纤接口，根据以太网向城域网及广域网发展的态 势，OLT在提供常用接口的同时还将提供多个 Gbit/s和10Gbit/s的以太网接口。 在目前的运用中，多数情况下，每个OLT提 供4个千兆光口。通过如下计算可以得到每个千 兆口可带的标清IPTV用户数为： 每个用户的业务量和带宽： 媒体流数据量=VOD视频流（2Mbps）+VOD音 频流（64kbps）+编码器编码误差（100kbps） =2.15Mbps； 媒体流输出带宽=媒体流数据量+MPEG的PS流封 装报文头和PES开销（平均150kbps）=2.3Mbps ； 业务流网络带宽=媒体流输出带宽（1+网络协议 封装开销（5%）=2.4Mbps； 网络总流量=业务流网络带宽（1+网络流量平均 抖动（5%）=2.5Mbps。 根据以上计算，如果再加上其它网络传输开销， 每用户所需带宽为3Mbps。 若下行带宽利用率为95%，则每千兆端口可 带300个用户。 按20%的安装率可覆盖用户1500户。 按每楼栋（6层、4单元、一层2户）50户计 算可覆盖30栋楼。 如果考虑同时上线率其覆盖范围还将扩大。 若考虑HDTV接入，用户带宽将增加5倍以上 ，每千兆端口可带用户数计算方法同上