（通信与信息系统专业论文）宽带多业务接入平台设计与实现.pdf

摘要 在接入网中提供多业务可以有效地降低运营维护成本和网络铺设费用，同时 提高网络利用率。选择采用g p o n 技术和组播技术并且具有多项服务质量( q o s ) 选择的接入设备，可以实现能提供( q o s ) 保证的多业务宽带接入网。本研究课题 的任务是研究开发出具有自主知识产权、成熟可靠、商用化程度高的宽带多业务 接入设备。包括系统架构设计、硬件整体设计方案、软件整体设计方案、电路原 理图设计、p c b 布版设计、电磁兼容设计、信号完整性设计和热设计。并按功能模 块描述和讨论了其中的难点和要点。 关键字：多业务宽带接入网以太网交换机千兆无源光网络 l i i a b s tr a c t t op r o v i d em u l t i s e r v i c ei na c c e s sn e t w o r km a ye f f e c t i v e l yr e d u c eo p e r e t i o n ， m a i n t e n a n c ea n dn e t w o r kc o n s t r u c t i o ne x p e n s ea n da l s oi n c r e a s en e t w o r ku t i l i z a t i o n r a t e i ti s p r a c t i c a b l e t ob u i l dm u l t i s e r v i c eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r kw i t hq o s g u a r a n t e eu s i n gm u l t i s e r v i c eb r o a d b a n da c c e s sd e v i c es u p p o r t i n gg p o na n dm u l t i c a s t a n dl o t so fq o sf u n c t i o n t os t u d ya n d d e v e l o pam u l t i s e r v i c eb r o a d b a n da c c e s sd e v i c e i st a s ko ft h er e s e a r c h ，w h i c hh a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h ta n dh i g h c o m m e r c i a l i z a t i o nd e g r e e t h er e s e a r c ho ft h e t h e s i si sf r a m e w o r kd e s i g no ft h e d e v i c e ，t h ew h o l ep l a no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h es c h e m a t i cc i r c u i td e s i g n ，a n d p c b l a y o u t ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b l ed e s i g n ，s i g n a li n t e g r a l i t yd e s i g na n dh o td e s i g n i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fs u c ham u l t i s e r v i c eb r o a d b a n da c c e s s d e v i c ei se x p o u n d e db yf u n c t i o nm o d u l e s ，e s s e n t i a la n d d i f f i c u l t ya r ea l s od i s c u s s e d k e yw o r d ：m u l t i s e r v i c eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，e t h e r n e ts w i t c h ，g i g a b i t - e t h e m e t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 含有其他人已经发表或撰写的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在 年解密后使用本授权书。 本人签名： 导师签名： 蝉 同期墅2 ：厶垒 同期丝z ：z ：垒 绪论 第一章绪论 1 1课题研究内容 本课题主要通过分析比较目前主流的有线宽带接入技术的特点及其市场发展 前景，提出一种应用g p o n 上行并支持主流宽带接入方式的局端接入设备方案， 给出该接入设备的硬件架构及具体实现方式，最后设计实现该设备，并进行组网 验证测试。 1 2课题使用价值和意义 目前世界上主要的有线宽带接入媒质分两大类：铜缆和光纤。大多数电信公 司目前仍然以a d s l 技术为主要宽带接入方式，a d s l 技术是建立在铜线基础上 的宽带接入技术，而铜是世界性的战略资源，随着国际铜缆价格的持续攀升，以 铜缆为基础的x d s l 接入设备的每线成本随之增加，一定程度的限制了宽带接入的 普及；光纤的原材料是二氧化硅，在自然界中取之不尽，用之不竭，目前市场上 的光纤的价格已经低于普通铜线，并且其抗腐蚀性更强，具有更长的使用寿命。 所以在传输线路的更新换代中，光纤已经成为更合理的选择，在主干段至配线段 更是如此。其次，用户对视频业务需求的不断增长将使铜线接入方式成为整个接 入网瓶颈，这将推动全网光纤化的进程。而就目前情况来看，p 2 m p 无源光网络 ( p o n ) 将是第一公里解决方案的最终形式。另外，对于人口区域较为分散，而 每个区域内人口密度又相对集中的小面积密集用户区域，比如城市边缘地区或分 散的小村小镇，直接使用局端中心接入设备进行覆盖成本较高，设备利用率较低。 本课题针对以上问题最后给出的一种局端接入设备方案，该方案最高提供 1 2 g b p s 的数据交换能力，通过不同业务模块支持a d s l 、a d s l 2 + 、v d s l 和f e 光接口。数据上行支持g p o n 技术，实现主干段到配线段使用一根光纤覆盖，最 多支持6 4 个o n u 设备接入，并且o n u 设备的增加或删除只需对局端设备重新进 行业务配置，不用额外铺设光纤，大大降低了成本，提高了灵活性。该设备可以 位于用户密集区域，作为局端机房设备的延伸，实现对用户区域分散地区或城市 边缘地带的有效覆盖。另外，由于该设备提供了多种接入方式，不会影响到目前 接入网第一公里的实现形式，将来也很容易切换到f 兀1 上来。 2 宽带多业务接入平台设计与实现 1 3本文的主要工作及内容安排 本文主要对宽带多业务接入设备的体系结构和具体实现方式进行研究，主要内 容安排如下： 1 第二章主要对目前主要宽带接入技术进行研究和比较，分析各种接入技术的优 缺点及将来的发展前景； 2 第三章在上文的分析基础上提出宽带多业务接入平台的系统架构方案，并且分 模块详细阐述了具体的实现过程和实现过程中所要关注的要点； 3 第四章介绍了系统的开发环境、原理图设计、p c b 设计和设计中需要重点解决 的若干工程问题，最后总结系统开发调试经验。 4 最后是对本文的总结。 宽带接入技术及其发展现状 3 第二章宽带接入技术及其发展现状 本章主要对目前主流的宽带接入技术进行研究和比较，分析各种接入技术的 有缺点及将来的发展前景。 2 1宽带接入技术 接入网提供“第1 公里 的连接，即用户和骨干网络之间的连接。随着各大 电信运营商包括有线电视运营商对网络基础设施的大规模投入，核心网络普遍实 现了光纤化，其带宽基本可满足当前通信的需要。不过，目前接入网技术发展仍 然相对滞后。随着i n t e m e t 的发展和快速普及，“第1 公里 已成为宽带业务发展 的“瓶颈 ，故接入网的宽带化和口化成为当今网络发展的一个新方向。近来随着 宽带接入网建设的大规模展开，宽带接入技术也呈现出新的发展态势。 按照所使用的传输媒体的不同，宽带接入技术可以分为如下两类：有线宽带接 入技术和无线宽带接入技术。相对于无线宽带接入，有线宽带接入的传输环境稳 定，干扰较少，有线宽带接入技术发展也十分迅速。有线宽带接入技术主要有： 基于铜线的x d s l 技术、基于有线电视h f c 网的c a b l em o d e m 技术、基于五类线 的以太网接入技术和基于无源光网络( p o n , p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 的技术。其 中x d s l 和c a b l e m o d e m 宽带接入是目前用户宽带接入的主要方式，基于五类线的 以太网接入技术在我国的发展势头也非常强劲，是信息化智能小区和商务大厦主 要的接入方式；而随着全网光纤化的推进，无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 已成为下一代接入网最佳技术之一，正受到业界的广泛关注。 2 1 1x d s l 技术 x d s l 是各种类型d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b el i n e ，数字用户线路) 的总称，包括 a d s l ( 非对称数字用户线) 、v d s l ( 甚高比特率数字用户线) 和e d s l ( 基于 以太网的数字用户线) 、h d s l ( 高速数字用户线) 、h d s l 2 ( 第二代高速数字用户 线) 、s h d s l ( 单线对的高速数字用户线) 等。x d s l 是一种新的传输技术，在现 有的铜质电话线路上采用较高的频率及相应的调制技术，即利用在模拟线路中加 入的信号处理技术来获得高传输速率。各种d s l 技术最大的区别体现在信号传输 速率和距离的不同，以及上行信道和下行信道的对称性不同两个方面。x d s l 根据 上下行信道的对称性，可分为非对称( a s y m m e t r i c ) 的d s l 和对称( s y m m e t r i c ) 4 宽带多业务接入平台设计与实现 的d s l 。a d s l 、v d s l 和e d s l 为非对称d s l ；h d s l 、h d s l 2 和s h d s l 为对 称d s l 。 a d s l 为非对称用户数字环路技术，它可为网络提供3 2k b i t s 8 1 9 2m b i t s 的下行速率和3 2 k b i t s , - - 6 4 0 k b i t s 的上行速率，同时还可以在同一根电话线上提供 仿真语音电话服务。a d s l 的传输距离为3 - - - - 6k m ，且只需要一对双绞线，它适用 于个人用户宽带接入i n t e m e t 网络、企业点对点连接和局域网互联等应用。a d s l 有两种标准，其主要区别在于是否采用分离器技术，分别为g9 9 2 1 ( gd m t ) 和g 9 9 2 2 ( gl i t e ) ，g9 9 2 1 标准的a d s l 设备具有分离器，g9 9 2 2 标准的a d s l 设备无需使用分离器，因此其安装和使用方便，但是速率比q9 9 2 1 低，下行速 率约为1 5 m b p s 。 v d s l 是新一代更高速的d s l 技术，v d s l 可以在普通双绞线上达到最高 5 2 m b p s 的传输速率。它具有多种工作模式，包括对称传输和非对称传输以及多种 不同的传输速率，因此可满足不同用户的需求。由于v d s l 传输速率极高，其传 输距离较短，通常在3 0 0m 1k m 之间，传输距离和传输速率成反比，当v d s l 达到最高传输速率时，其作用距离只有3 0 0m 。因此，v d s l 不是直接从局端到用 户端的双绞线连接，而是从光纤节点( o n u ：o p t i cn e t w o r ku n i t ) 到用户端的双绞 线连接，即光纤到路边( 眦) 或光纤到大楼( 肿) 之后，用于最后一段的用 户端接入的技术。由于o n u 与用户端的距离通常不超过l k m ，使用v d s l 一方面 可以达到很高的传输速率，另一方面又可以省下光纤到桌面的高昂费用。 e d s l 结合了当今广为使用的两大通信技术即d s l 和e t h e r n e t 的精华，首次 在接入网范畴内实现了口包的直接传送。e d s l 利用d s l 技术的基本概念，在传 统的电话线上实现高速数据传输。与传统d s l 技术比较，它不仅克服了d s l 技 术的许多局限性，如对线路的挑选、串扰等，而且增大了传输距离，提高了传输 效率。e d s l 使用半双工通信方式，这样可以动态地分配上行和下行拥有的时段。 这种带宽分配技术的优越性在于能最大程度地利用带宽资源，同时适用于各种不 同的网络要求。因此，无论是对于网上冲浪、v o d 点播、i p 视频会议还是对普通 商业( 个人) 网站用户来说，e d s l 产品都能满足他们对上下行带宽的需求。与 a d s l 产品相比，e d s l 没有a t m 与口之间的转换，直接采用口端到端的设计， 因此传输效率大大提高，同时网络结构更加简洁。 h d s l 是x d s l 技术中最成熟的一种，已经得到了较为广泛的应用，它使用 2 b i q 编码技术，无需使用t 1 e l 长距离传输中所需的再生器，在4k m 内单线对 上行可达7 8 4k b i t s 的速率。这种技术可以通过现有的铜双绞线使用多线对来实现 全双工t 1 或e 1 方式传输，主要用于数字交换机的连接、高带宽视频会议、远程 教学、蜂窝电话基站连接、专用网络建立等。h d s l 2 是第二代的h d s l ，能在单 线对双绞线上提供t 1 的传输。0 l 2 l 宽带接入技术及其发展现状 5 采用s h d s l 技术可在混合线径的一条双绞金属线对( - - 线) 上进行全双工数 据传输，对称的用户数据速率为1 9 2k b i t s 一- - 2 3 1 2k b i t s ，以8k b i t s 为粒度。可选 用4 线传输，其用户数据速率为3 8 4 46 2 4k b i t s ，以1 6 k b i t s 为粒度。也可选用 信号再生器，以便延长传输距离。s h d s lm o d e m 采用1 6 电平网格编码脉幅调制 ( t c p a m ) 技术，压缩了传输频谱，提高了抗噪声能力，延长了传输距离，与 先前使用的h d s l 有明显的技术优势。s h d s l 技术可作为点对点应用，传输各种 速率的高速数据，或是进行e 1 的远距离传输，也可以将两地的l a n 连接起来。 更重要的应用是作为综合接入设备( 1 a d ) ，通过一对用户线实现数据、图像和话 音等综合业务的对称接入。 2 1 2基于h f c 网的c a b l e m o d e m 技术 基于h f c 的c a b l em o d e m 技术是目前有线电视网主要的宽带接入技术，它一 般使用同轴电缆，为用户提供3 0 0 m h z 7 5 0 m h z 宽带的频率资源。h f c 的网络结 构简单，一般由两级光纤、级电缆构成。主前端到分前端、分前端到分配节点 ( o d n ) 一般采用光纤，分前端到用户一般采用电缆。在宽带传输的h f c 网上， 加上相应的设备( c a b l e m o d e m ) 就可以实现双向数据通信，从而进一步为用户提 供全面服务。该技术以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数字传输技术， 为用户提供语音、数据、视频等多种综合交互式业务信息。目前，h f cc a b l c m o d c m 接入的频段划分范围是：上行数据通道为5 - - 4 0m h z 主要用于传输低速用户控制 信息、交互式低速数据业务和电话业务；下行模拟电视通道为4 5 - 5 5 0 m h z ，每路 电视占用8 m h z 带宽；下行高速数据通道为5 5 0 - 7 5 0 m h z ，为用户提供数字电视、 v o d 、高速因特网及其他高速数据信息。 2 1 3基于五类线以太网接入技术 基于五类线的以太网接入技术是把以太网这种局域网技术用于接入网，它综 合采用各种新的电信网络技术对其进行改造，从而提供电信级的、可管理的、可 扩展的网络平台。这种宽带接入网由局端设备和用户端设备组成，局端设备一般 位于小区内或商业大楼内，用户端设备一般位于居民楼内。局端设备提供与口骨 干网的接口，用户端设备提供与用户终端计算机相接的是1 0 1 0 0b a s e t 接口。用 户端设备不同于以太网交换机，以太网交换机隔离单播数据帧，不隔离广播地址 的数据帧，而用户端设备的功能仅仅是以太网帧的复用和解复用。局端设备不同 于路由器，路由器维护的是端口一网络地址映射表，而局端设备维护的是端口一 主机地址映射表。用户端设备只有链路层功能，工作在复用器方式下，各用户之 6 宽带多业务接入平台设计与实现 间在物理层和链路层相互隔离，从而保证用户数据的安全性。局端设备支持对用 户的认证、授权和计费以及用户口地址的动态分配，还具有汇聚用户端设备网管 信息的功能。目前，这种宽带接入技术主要是以f f f b + l a n 方式应用，特别在 新建智能小区应用很广泛。 聃技术根据用户单元在接入网中所处的位置不同，可分为f i t b ( 光纤到 大楼) 、f t i c ( 光纤到路边) f i t o ( 光纤到办公室) 和硎( 光纤到户) 。删 ( f i b e rt oh o m e ) 指的是仅利用光纤媒质连接通信局端和家庭住宅、光纤带宽由单 个家庭独享的接入方式。光纤接入网可分为有源光网络( a o n ) 和无源光网络 ( p o n ) 两大类，有源光网络采用p 2 p ( 点到点) 组网方式和无源光网络采用p 2 m p ( 点到多点) 组网方式，其拓扑如下图所示： p 2 pp 2 肝 图1f i t h 拓扑 两种拓扑采用不同的实现技术，技术分类如下图所示： 图2盯m 实现技术 p o f l 不用供电，投资较低，易维护，因而受到人们重视，目前主要有a p o n 、 e p o n 和g p o n 这3 种技术。 a p o n ( 触r mp o n ) 是f s a n ( 全业务接入网) 于2 0 世纪9 0 年代中期开发完 成，并随后确定为r r u 标准( g9 8 3 ) ，其目的就是使p o n 携带的信息a t m 化， 宽带接入技术及其发展现状 7 这种a t m 化的p o n 称为a p o n ，是以固定5 3 字节长度的信元来传输，标准是按 a t m 协议来完成的，a p o n 存在协议复杂性高和数据传输效率低等问题，始终没 有得到广泛的应用。 e p o n ( e t h e m e tp o n ) 是i e e e 组织“以太网第一英里( e f m ) 研究组于2 0 0 0 年1 1 月提出的接入技术，2 0 0 4 年6 月i e e e 一致同意将i e e e8 0 2 3 a h e p o n 协 议方案正式批准为该组织的标准之一。e p o n 技术是以太网和p o n 这两种技术的 结合，在e p o n 系统中，数据采用i e e e8 0 2 3 以太网协议，传送的是可变长度的 数据帧，最长是1 5 1 8 字节，最短是6 4 字节。e p o n 技术是实现宽带接入、光纤到 路边( 肌) 和光纤到家( 删) 比较理想的接入方案。 g p o n 是f s a n 组织于2 0 0 1 年开始起草的传输速率超过1g b s 的p o n 标准。 g p o n 的主要技术特点是采用全新的传输汇聚层协议“通用成帧协议( g f p ， g e n e r i cf r a m i n gp r o t o c 0 1 ) ，实现多种业务码流的通用成帧规程封装，而且保持了 g9 8 3 中与p o n 协议没有直接关系的许多功能特性，如o a m 管理、d b a 等。g p o n 对不同的服务需求对应不同的系统容量，g p o n 的帧结构不是基于任何指定类型 的格式，而是基于各种用户信号原有的格式进行封装，因此，它不但能够提供高 速的比特率，而且可以支持各种接入业务，特别是能够非常有效地支持原有格式 的数据流量和t d m 业务。1 3 4 5 1 2 1 5宽带接入技术的分析比较 a d s l 和c a b l e m o d e m 技术最大优点是可以利用现有通信线路，而无需重新构 架网络基础设施，属于低成本的宽带接入方案。但这两种技术都存在带宽不足的 缺点，特别当用户需要几十或上百兆带宽时，a d s l 或c a b l e m o d e m 就无法满足 要求。v d s l 技术理论带宽比a d s l 技术有很大的提升，但是x d s l 都存在传输带 宽受传输距离影响的缺点，一般a d s l 只有几千米的传输距离，而v d s l 只有在 几百米范围内带宽才能达到高清晰电视业务的要求。另外，基于h f c 的c a b l e m o d e m 技术的回传信道也存在着“漏斗效应 ，使信号在传输中的误码率增大，甚 至一些有用信号被噪声淹没；而且对原来单向的h f c 网进行双向改造的工作较为 复杂，系统改造成本很高，这也限制了h f c 技术的发展。 随着以太网、快速以太网技术成为局域网的主流，g b i t 和1 0 g b i t 以太网进入 园区网、城域网领域，特别在各种业务口化的趋势下，以太网接入技术采用与口 一致的统一的以太网帧结构，各网之间无缝连接，具有运行效率高、方便管理、 降低成本的优点，是目前新建智能化小区和商务办公大楼的主要接入方式。但这 种接入技术也有其局限性，例如对业务服务质量( q o s ) 和t d m 业务的支持不够， 同时由于存在计费管理、安全管理以及有源器件诸多因素以及必须重新投资线路， 8 宽带多业务接入平台设计与实现 以太网作为普通居民用户的接入方式目前尚不适用。 p o n 系统采用点到多点的拓扑结构，o l t 发出的下行光信号通过一根光纤经 由无源光分路器广播给各0 m7 o n t ，上行采用t d m a 方式。与传统的p 2 p 光网 络结构相比，p o n 技术具有如下优点：第一，p o n 不需要局端和用户驻地间安装 传统有源器件，避免了对有源器件的分布供电，减少初始建设费用和额外的室外 设施维护费用，另外，p o n 采用的是p 2 m p 拓扑，这将使得光纤线路不再由用户 单独承担，而是多个接入用户共同承担，这一方面降低了用户费用，另一方面也 加快了网络建设投资的回报；第二，p o n 协议所固有的安全性和带宽共享机制可 以确保用户公用线路的安全和透明；第三，局端设备能够在一个高速光纤接口上 为多个用户提供服务，为他们传送基于光纤的业务，这大大减少了端到端光纤的 数量，减小p o n 设备的体积，在局端占用更少的空间；第四，p o n 可以在物理层 和协议层上支持不同业务，包括p o t s 、模拟电视、数据业务、t 1 e 1 和以太网业 务，所以住在用户和商业用户可以共享一个接入网，此外，p o n 也支持口语音传 输、数字电视和网络电视，能够真正实现三网合一。目前p o n 主要的技术有e p o n 和g p o n ，它们都能较好的解决带宽和传输距离的问题，其中g p o n 技术可以很 好的支持t d m 业务，更具发展前景。从目前来看，随着全网光纤化的推进，p o n 技术将会是“第一英里”的最终形式。但是目前通过p o n 技术普及光纤到桌面的 成本几乎是铜线接入方式的1 0 倍，这一定程度限制了全网光纤化的进程。几种 f 1 t x 方案的比较见下表： 表1f i t x 方案的比较 主要特征 f r t c a b f i i t b cf n h f 兀o 接入网介质类光纤作为主干+ 金属 光纤作为主干+ 金 全程光纤全程光纤 型线无线作为末端属线无线作为末端 光纤到达位置交接箱楼宇：9 线盒居民家庭 公司办公室 光节点距离用约几百米到1k m约几百米约几十米约几十米 户设备的参考 布线距离 光纤段典型的 点对点、环形、星形星形、树形、环形 星形、树形点对点、环 物理拓扑类型形、星形 光纤段采用的主要采用m s t p 和 主要采用x p o n 、光主要采用主要采用 主要技术光纤直连，也可以采 纤直连、点对点光 x p o n 、点对m s t p 、光纤 用x p o n 、点对点光以太网，也可以采点光以太网直j 壅、x p o n ， 以太网用m s t p也可以采用 点对点光以 太网 宽带接入技术及其发展现状 9 金属线无线主要采用a d s i , 2 + 、主要采用v d s l 2 、 段采用的主要a d s l 、v d s l 2 ，也 a d s l 、a d s l 2 + 、 技术可以采用w i f i 、以太网，也可以采 ，i m 觚用w 哦、w i m 缸 现有技术条件下行最大2 5m b i t s上下行最大1 0 0上下行最大上下行最大 下典型的用户( 采用a d s l 2 +m b i t s ( v d s i _ 2 以可超过1 0 0可超过 接入速率，v d s l 2 ) ，上行最太网) m b i t ，s1 0 0 m b i t s 大1 。8m b i t s ( 采用 a d s l 2 + v d s l 2 ) 2 1 6p o n 技术原理及发展前景 p o n 系统由o l t ( 光线路终端) 、o n u ( 光用户单元) 和o d n ( 光分配网) 组成。其网络组织结构如下图所示： 民络侧接口用户侧接口 图3p o n 网络组织结构 o l t 一方面将承载各种业务的信号进行汇聚，按照一定的格式送入接入部分 以便向终端用户传输，另一方面将来自终端的用户信号按照业务类型分别送入各 自的业务网中，并且向网元管理系统提供网管接口。 o n u 负责与o l t 之间的信息互通，并可通过内置或外挂用户网络接口设备的 方式提供用户接口。 o d n 为o l t 和o n u 之间提供光传输手段。o d n 可以组成星型、树型、总线 型和环型拓扑等结构。1 1 p o s 为无源光分路器耦合器，它将进来的光信号分路并分配到多路光纤上， 或是将多路光信号组合到一条光纤上。 p o n 系统采用w d m 技术，实现单芯双向传输，下行1 4 9 0 n m ，上行1 3 1 0 n m 。 下行方向的光信号被广播到所有o 删o n t ，通过过滤的机制，o n u o n t 仅接收 1 0 宽带多业务接入平台设计与实现 属于自己的数据帧。上行方向通过t d m a 方式进行业务传输，o n u 根据o l t 发 送的带宽授权帧确定发送窗口，在申请到的发送窗口内发送上行业务。p o n 工作 基本原理如下图所示： 上行数据漉 下行致据漉 图4p o n 系统工作基本原理 a p o n 综合了a t m 技术和无源光网络技术，技术实现复杂，可以提供现有的 从窄带到宽带的各种业务，它的速率为下行6 2 2 m b i t s ，上行1 5 5 m b i t s ，带宽提升 困难，不能成为舳的主流技术，但其许多技术优势和特点被g p o n 技术所继 承。 e p o n 在保留传统以太网体系结构基础上定义了一种扩展的8 0 2 3 m a c 控制 协议( m p c p ) 作为e p o n 数据链路层协议，使得点到多点网络在协议上层看来像 是多个点到点链路，从而实现在点到多点无源光网络中的以太网帧的时分多址接 入。下行方向采用t d m 方式，数据流以变长以太帧方式广播到o n u ，每个o n u 根据以太帧的m a c 地址，决定取舍。传统以太网工作于连续光传输模式，在收发 两个方向都是连续的比特流，因此收端的定时和判决容易实现，而e p o n 上行方 向采用t d m a 方式，上行比特流是轮流发送的是突发数据包，o l t 的接受定时恢 复、判决门限设置、测距和延时补偿比较复杂。e p o n 系统采用8 b 1 0 b 线路编码 和标准的上下行对称1 2 5 g b i t s 以太网速率，支持1 0 k i n 和2 0 k i n 两种最大传输距 离。一般采用单纤波分复用技术( 下行1 4 9 0 r i m ，上行1 3 1 0 n m ) ，实现单纤双向传 输，分路比是3 2 1 6 。e p o n 利用以太网控制帧来传送多点控制信息，利用o a m 帧传递o a m 信息，具有较强的o a m & p 能力，可以对链路进行监控和环回，且 o a m 功能支持机构扩展，具有较强的可扩展性。主要业务是数据和语音，增加一 宽带接入技术及其发展现状 个1 5 5 0 n m 电视广播波长后，成为语音、数据和电视三重业务捆绑服务，或者直接 以方式提供集成的三重业务捆绑服务。对于传送单一以太网业务而言，e p o n 是一种好的解决方案，但是对于需要提供t d m 专线业务和基于t d m 的语音业务 的情况，还需要借助其它技术。e p o n 系统从结构上看极大的简化了传统的多层重 迭网结构，主要特点是消除了a t m 和s d h 层，从而降低了初始成本和运行成本； 硬件简单，协议成熟，可以采用成熟的以太网技术和芯片，符合全网分组化的趋 势：改进了电路的灵活指配和业务的提供和重配置能力。e p o n 的主要缺点是由于 i e e e 8 0 2 3 a h 只规定了m a c 层和物理层，因而m a c 层以上的标准靠制造商自己 开发，。因而带来灵活性的同时也造成了设备互操作性差的缺点。其次，e p o n 的总 效率较低，主要是由于采用8 b 1 0 b 的线路编码，引入了2 0 的带宽损失，再加上 其它的额外开销，可用负荷仅4 9 ，而a p o n 和g p o n 都采用n r z 扰码为线路 码，没有带宽损失。g p o n 的g f p 每帧封装4 - 6 5 5 3 5 字节，远大于以太网的帧负 荷4 6 - 1 5 0 0 字节，平均开销少，再加上承载层效率、传输汇聚层效率、业务适配 效率等原因，是e p o n 总的传输效率较低，大约只有g p o n 的一半。第三，由于 e p o n 开始主要是以太网设备商驱动的标准，因而没有充分考虑网络运营商的运营 需要，管理功能不够丰富，但是已经比普通以太网有明显改进，可以提供远端故 障指示、远端环回控制和链路监控等三项基本管理功能，满足基本管理需求。然 而，e p o n 的网管扩展功能集确是非标准化的，由厂家自行开发，难以确保互操作， 需要重新统一规范。最后，由于在开始阶段e p o n 自身的设计没有考虑直接支持 以太网以外的业务，因而需要采取一些额外的补救措施，因而对于主张多业务支 持能力的传统运营商来说是一个缺憾。例如，语音和t d m 业务在相当长时间内依 然是运营商的重要盈利业务，为了在e p o n 上可靠的传输语音和t d m 业务，必须 采用一些e p o n 之外的辅助技术，目前主要是电路仿真( c e s ) 和v o i p 业务两类。 v o 口技术方案比较简单，而且代表未来发展方向。但是目前a g 的价格较高，使 整个建网成本较高。此外无法提供e 1 和n * 6 4 k b i t s 专线业务，依然需要e 1 接口， 这些也影响其发展。1 3 1 1 4 1 g p o n ( 千兆以太网无源光网络) 是r r u t 的标准，按照标准的规定，g p o n 可以灵活的提供多种对称和非对称上下行速率，传输距离至少达2 0 k m ，系统分路 比可以为1 ：1 6 、1 ：3 2 、1 ：6 4 乃至1 ：1 2 8 ，在速率、速率灵活性、传输距离和分路比 方面都比e p o n 有优势。所需要的o l t 也比e p o n 减少；其次，g p o n 采用了两 种适配方式，除了传统的a t m 外，还在传输汇聚层采用了一个全新的基于s d h 的标准通用组帧程序g f p ，这是一种可以透明高效地将各种数据信号封装进现有 s d h 网络地通用标准信号适配映射技术，可以适应任何用户信号格式和任何传输 网络制式，封装效率高，业务灵活，全面体现了业务提供商对业务提供的灵活要 求。第三，由于g p o n 的传输汇聚层本质上是同步的，使g p o n 可以很可靠地支 1 2 宽带多业务接入平台设计与实现 持端到端的定时和其它准同步业务，o n u 可以很容易提取到同步信号，可以直接 高质量地支持实时地t d m 话音业务，延时和抖动性能很好。而e p o n 在承载t d m 业务方面没有具体规定，导致厂家可以采用不同方法来承载，包括一层、二层和 三层均可以，互操作性差，性能难以确保。第四，g p o n 具有电信级网络所要求 地丰富网管功能和保护机制，包括带宽授权分配、动态带宽分配、链路检测、保 护倒换、密钥交换和各种警告功能等，比e p o n 考虑周到。第五，在q o s 方面， g p o n 可以通过精确调整各个业务流的时隙指针和长度、o n u 的授权带宽和授权 周期来保证业务的带宽和延时要求，而e p o n 主要利用优先级队列结合d b a 算法 来保证带宽和延时要求。然而，由于以太网数据包长度变化很大，抖动难以避免， 只有靠网络轻载或o n u 数目不多时才能基本满足不同业务的q o s 要求。否则， e p o n 的q o s 难以保证。第六，由于p o n 技术在下行方向是广播方式的，因此存 在安全隐患。为此，g p o n 采用先进加密标准( a e s ) ，是目前世界上最先进的加 密算法。e p o n 标准并没有安全性方面的规范，都是厂家自己采用的方案，安全性 不能确保，互操作更难实施。 从提供的业务来看，g p o n 不仅可以提供1 0 1 0 0 m b i t s ，1 g b i t s 的业务，而且 可以提供v l a n 业务和语音业务，事实上可以提供任何现有业务和未来新业务的 适配要求。总的看，g p o n 不是制造商驱动的技术标准，而是一种运营商驱动的 标准，因此具有更周到的运营例益考虑，速率更高，速率灵活性更大；具有通用 的映射格式，可适用任何新老业务；具有丰富的o a m 功能；对各种业务均有很高 的传输效率，即便对于t d m 业务也能灵活高效的传输。可以帮助运营商完成从传 统t d m 语音电路向全p 网络的平滑过渡。就设备成本而言，目前主要成本是各 种电路接口和协议处理转换等，而这方面g p o n 和a p o n 要比e p o n 复杂。其次， 就光模块而言，由于g p o n 要满足很高的突发同步时长指标，对于模块的驱动电 路和前后放大器芯片要求很高，还要满足较高的功率预算，对于长距离传输，只 能采用分布反馈激光器( d f b ) 发送机加雪崩光电二极管( a p d ) 接收机或光电 二极管( p 玳) + 前向纠错( f e c ) ，其成本要高于e p o n 模块的法布里一珀罗腔 ( f p ) 发送机和光电二极管( p 酣) 接收机，成品率也较低，因此整个光模块成本 较高。当然对于中短距离传输，g p o n 也可以采用f p 发送机，价格上应该没有明 显差别。另外，e p o n 已经进入量产阶段，而g p o n 尚未进入大规模量产阶段， 因此目前e p o n 在成本上有明显优势。考虑到未来g p o n 进入大规模量产后，其 设备价格与e p o n 不应该有很大差异。 另一方面，从组网成本来看，由于g p o n 的速率、分路比和传输效率均比e p o n 高约一倍，因而所需的局端设备o l t 可以减少至少一半，可以支持的用户数也多 一倍，因此在整体组网成本上不见的比e p o n 高很多，甚至在有些场合下更便宜。 g p o n 的主要缺点是尽管o n u 只需要支持a t m 和g f p 适配中的一种，但是 宽带接入技术及其发展现状 o l t 必须同时支持两种，即依然必须保留有复杂的a t m 层功能，再加上光模块的 技术难度较高，使设备成本较高。另外，g p o n 成熟度不如e p o n ，目前尚无专业 芯片厂商推出真正商用的g p o n 核心芯片，而e p o n 已经有多家，而且目前核心 芯片已经发展到第三代单片系统( s o c ) 阶段，光模块的成本也已经降到接近普通 干兆以太网的水平。 6 1 1 7 1 表2e p o n 、a p o n 、g p o n 的比较 指标e p o na p o ng p o n 协议载体以太网协议气删协议删协议 c o m p o n e n t l p e t h e m e ta n 订i p e t h e m e 吼删 传输单元与封装以太帧a t m 固定信元g f p 封装格式 业 上行8 0 0 m b ，s1 5 5 5 2 m b ，s1 5 5 m b ，s 、6 2 2 m b s 、 务1 2 5 m b 或2 5 g b ，s 速 下行 l g s 6 2 2 0 8 m b s 或1 5 5 5 2 m b s1 2 5 m b 或2 5 g b s 率 上传复用方式时分复用、波分复时分复甩、下行：t d m 方式 用、码分复用等上行：时分多址t d m a 标准定义单元 i e e e s 0 2 3 a h ( e f l v ii t u - t ( f s a n 工作组) i t u - t g 9 8 4 标准组 工作组) 线路码8 b 1 0 b 编码扰码( n r z )扰码( n r z ) 。 带宽损失有无无 线路编码效率8 0 1 0 0 1 0 0 o o s不可靠 可靠 可靠 总2 0 t d m4 9 ， 7 1 9 3 效8 0 数据 率1 0 t d m4 9 7 2 9 4 9 0 数据 虽然目前利用g p o n 技术实现f i t h 成本太高，但从以上数据可看出，g p o n 技术与其它两种p o n 相比具有明显优势，更适合作为接入网第一公里的解决方案。 g p o n 的协议参考模型由控制管理平面( c m 平面) 和用户平面( u 平面组 成) 组成。c m 平面管理用户数据流，完成安全加密等o a m 功能；u 平面完成用 户数据流的传输。用户平面分为物理媒介相关子层( p m d ) 、g p o n 传输汇聚子层 ( g t c ) 和高层；g t c 子层又进一步细分为g t c 成帧子层和g t c 适配子层，高 层的用户数据和控制管理信息通过g t c 适配子层进行封装。g p o n 有两种传输模 式：一种是a t m 模式，另一种是g e m 模式。g e m 是针对g p o n 制定的传输模 1 4 宽带多业务接入平台设计与实现 式，它可以实现多种数据的简单、高效的适配封装，将变长或者定长的数据分组 进行统一的适配处理，并提供端口复用功能，提供和a t m 一样的面向连接的通信。 g e m 从帧结构而言和其他的数据封装方法类似，但是g e m 是内嵌在p o n 中 的，它独立于o l t 端的s n i 和o l i n 端的u n i 。g e m 帧由5 字节的帧头和l 字节 的净荷组成。g e m 帧头包括p l i ( 净荷长度指示) 、p o n d ( 端口m ) 、p t i ( 净 荷类型指示) 、和1 3 b i t 的h e c ( 头错误控制) 五个部分组成。 p l i ( p a y l o a dl e n g t hi n d i c a t o r ) 指示的是净荷的字节长度。由于g e m 块是连 续传输的，所以p l i 可以视作一个指针，用来指示并找到下一个g e m 帧头。p l i 由1 2 b i t 组成，所以后面的净荷最大字节长度是4 0 9 5 个字节。如果数据超过这个 上限，g e m 将采用分片机制。1 2 b i t 的p o r t m 可以提供4 0 9 6 个不同的端口，用 于支持多端口复用，相当于a p o n 中的v p i 。p t i ( p a y l o a d t y p ei n d i c a t o r ) 用来指 示净荷的类型。阿最高位指示g e m 帧是否为o a m 信息，次高位指示用户数据 是否发生拥塞，最低位指示在分片机制中是否为帧的末尾。h e c 有1 3 b i t ，它提供 g e m 帧头的检错和纠错功能。h e c 是由b c h ( 3 9 ，1 2 ，2 ) 和一位的奇偶校验位 组成。由生成多项式对帧头前2 7 b i t 进行编码，得到3 9 b i t 的b c h 的编码再加上最 后一位奇偶校验位得到g e m4 0 b