EPON在广电网络中的应用ppt课件.ppt

EPON在广电网络中的应用,1,一、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10Mb/s和100Mb/s速率的能力。在城域网侧，已经可以支持千兆和万兆的速率。在用户和城域网之间数据的传送却大部分为不足1Mb/s甚至只有几十Kb/s的速率。,2,接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈。电信网：接入采用ADSL，其速率不足2Mb/s；广电CATV网：接入采用CableModem技术，几十-几百个用户共享36Mb/s，平均每户速率不足1Mb/s；,3,4,2、宽带接入网技术方案通信业界多年来一直认为，PON（PassiveOpticalNetwork无源光网络）是接入网发展的方向。它在解決宽带接入问题上，无论设备和运行、护维、管理方面，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。所以为大多数人接受。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。,5,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/BPON。目前为大家接受的，有两个新的PON标准：其一，是由ITU/FSAN负责制定的用来替换APON标准的GigabitPON（GPON）标准，其二，是由IEEE802.3ah工作组负责制定的EthernetPON（EPON）标准。,6,1）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。,7,8,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-TG.983.1；2000年4月批准其控制通道规范的标准ITU-TG.983.2；2001年又发布了关于波长分配的标准：ITU-TG.983.3，利用波长分配增加业务能力的宽带光接入系统。,9,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*可单纤或双纤运行*可利用波长分配增加业务能力,10,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互式数字视频业务时，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，可用的带宽只有448Mbps。,11,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。因此，APON/BPON被淘汰是毫无疑义的事实。,12,2）GPON由于上述原因，FSAN联盟和ITU又制定了新的PON标准，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是为实现语音、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。,13,3）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10Mb/s；）点到点光纤上的以太网，在最长10km上传送1000Mb/s；）点到多点光纤上的以太网（EPON），在最长10km上传送1000Mb/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。,14,15,“第一英里”的提出对电信运营商来说，网络的接入部分是“最后一英里”，这样的称谓明确反映出接入部分在电信网大版图上的“边缘”位置。“最后一英里”是电信运营商的“后院”，所以，接入网没有受到足够的注意和投资。由于用户对新业务的需求，这个电信运营商的“后院”吸引了传统的计算机数据通信公司的注意。这些公司提倡，单一的网络采用一种协议，以数字传输方式提供话音、视频和数据等各种业务。对于这些公司,接入网是他们进军电信业务的“第一英里”。所以，把这部分网络重新命名为“第一英里”，以强调它的重要性。“第一英里”连接业务提供商的端局与企业或居民用户，也被称作“用户接入网”或“本地环路”，是距用户最近的网络基础设施。,16,a）关于EPON标准EthernetintheFirstMileAlliance(第一英里以太网联盟)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。EFM是利用从用户办公室或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网络规格。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。,17,EPON的标准是IEEE的802.3ah，标准中定义了：EPON的物理层、MPCP（多点控制协议）、OAM（运行管理维护）等相关内容。IEEE制定EPON标准的基本原则是尽量在802.3体系结构内进行EPON的标准化工作,最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。这就最大程度的继承了以太网经过长期、大规模实践检验积累下来的宝贵技术经验。,18,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（PON）,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。,19,在EPON产品方面：国际上领先地位的有Alloptic、Salira等新兴公司，也有一些老牌公司如NokiaBroadband，QuantumBridge等。国内，已有十几家公司研发和生产EPON产品，比较领先的有Salira(中国)，烽火通信公司，中兴通信公司，3COM公司，傲信科技公司，武汉无源光网络公司（武汉飞鸿）等。这些EPON产品支持上下行对称1G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。,20,二、EPON工作原理简介,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：,21,按ONU安放的位置，可以将EPON分为三种接入方式：FTTH/FTTOONU安置在用户家中或办公室中，即光纤入户，此时ONU称为ONT；FTTBONU安置在楼棟或楼棟单元，即光纤到楼；FTTC-ONU安置在街边，即光纤到街边；除了FTTH/FTTO是光纤入户外，从ONU到用户采用双绞线或铜轴电缆接入用户。,22,EPON三种接入方式,23,2、EPON的构成一套典型的EPON系统由硬件和软件两大部分构成：硬件部分主要包括有源网络设备和无源光分配网两大部分。有源设备包括：光线路终端OLT，光网络单元/光网络终端ONU/ONT。无源光分配网：由局端到用户端的光纤和无源光分配器组成。称为无源光网络/光分配网PON/ODN。,24,OLT位于根节点，通过PON/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GE(GigabitEthernet)。将来，OLT也会支持10Gbit/s以太网的高速接口。,25,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。,26,PON/ODN：由光纤+无源光纤分配器组成。它是一个连接OLT和ONU的无源设备。ONU：放在用户驻地侧，接入用户终端设备。,27,软件部分:按照802以太网体系设计思想，MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供差错控制（确认机制）和流量控制（滑动窗口），通常情况下，这种服务已足够；当需要差错控制和流量控制的时候，这种服务就不能满足，需要LLC（逻辑链路子层）。LLC子层提供差错控制和流量控制；LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口。对于同一个LLC逻辑链路，可以提供多个MAC选择。EPON的OLT和ONU之间的连接也要通过逻辑链路的控制，即LLID技术。,28,在网络层次结构中EPON增加了MPCP（多点控制协议）协议功能，是MAC控制子层MAC-C的一部分内容，如下图所示。MPCP是MAC控制层的组件，MPCP主要完成两种功能：ONU自动发现、注册和测距。,29,在上行信道中，用于数据传输的一整套信令体系，如带宽分配等。实现的手段是增加了控制消息，如下图,30,EPON的光纤网络结构OLT和ONU之间的无源光网络可以灵活组建成树形，环形，总线形，以及混合型。（A）树型拓扑,31,（B）总线型拓扑,32,（C）环型全保护的拓扑结构,33,（D）主干路带保护的树型拓扑,34,（E）主、支路带保护的树型拓扑,35,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：,36,3、EPON传输距离-OLT到ONU/ONT的最远距离由两个因素影响无源光网络的传输距离：第一、它由光线路终端（OLT）的发射光功率、ONU的光接收灵敏度和ODN的损耗决定。第二、是光网络单元ONU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ONU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。,37,该算法要计算和调节各ONU与OLT之间的距离差。因为距离将产生时延，当时延增加时，ONU到OLT的传输窗口就会变窄。这直接影响ONU可用的带宽的大小。因此要限制ONU和OLT之间的最大距离以保证ONU能有可接受的带宽性能。PON标准将这个最大距离定为20km，而多数厂商的产品为10km。,38,下图显示了PON和有源以太网的服务半径。,39,对PON来说，在选择光分路器的位置时必须考虑OLT和ONU之间的最大距离限制。图中黄色圆环代表了ONU离OLT的最远距离（此例中为20km），绿色圆环代表了ONU离分路器的最远距离。光分路器到OLT的距离决定了ONU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OLT19km，因而其服务半径只有1km；二是光分路器距离OLT10km，因而其服务半径为10km。在两个服务区域内都有32个ONU。,40,这就导致需要进行复杂的权衡，并且需要评估下列情况：*如果在ONU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。因此，在规划设计EPON网络的时候，一定要预先将网络覆盖的用户合理地按1：32/64进行分配，使其不出现上述情况。,41,与传输距离有关的光功率预算，必须使光功率能补偿PON中所有器件的损耗。但其总功率必须限制在普通单模光纤的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。,42,4、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IEEE802.3ahDraft1.3规定如下：,43,44,IEEE802.3标准把物理层从低到高分成如下子层和接口：媒质相关接口（MediumDependentInterface，MDI）规范物理媒质信号和传输媒质与物理设备之间的机械和电气接口。物理媒质相关子层（PhysicalMediumDependent，PMD）负责与传输媒贡的接口。物理媒质附加子层（PMA）负责发送、接收、定时恢复和相位对准功能。物理编码子层（PhysicalCodingSublayer,PCS）负责把数据比特编成适合物理媒质传输的码组。吉比特MAC和吉比特物理层之间的吉比特媒质无关接口（GigabitMediaIndependentInterface，GMII）允许多个数据终端设备混合使用各种吉比特速率物理层。协调子层（ReconciliationSublayer.RS）提供GMII信号到MAC层的映射。,45,数据链路层由下列子层组成(由下到上顺序)：媒质接人控制子层（MediaAccessControl，MAC）负责向物理层的数据转发功能(与媒质无关)。通常，MAC子层负责封装（成帧、地址标识、差错检测）和媒质接人（冲突监测和延时过程）功能。MAC控制子层是可选的子层，负责MAC子层操作的实时控制和处理。定义MAC控制子层是为了允许未来加入新功能。逻辑链路控制子层（LogicalLinkControl，LLC）负责数据链路层与媒质接入无关的功能，它不在IEEE802.3标准的范畴之内。MAC层和可选的MAC控制子层并不“知晓”上面是否存在LLC子层或者是其他客户(如网桥或中继器)。“点对多点”子工作组负责EPON网络较低层功能的规范。EPON的标准化工作分成物理媒质相关子层、P2MP协议和协调子层、物理编码子层以及物理媒质附加子层扩展这些部分。,46,物理媒质相关子层EPONPMD子层由IEEE802.3ah标准第60子句所规范。PMD的规范基于下列目标1、支持“点对多点”光纤媒质；2、支持1：16分支比情况下1000Mbit/s速率的大干lokm单纤双向传输；3、支持116分支比情况下1000Mbit/s速率的大干20km单纤双向传输；4、物理层的误比特率不劣于10E-12。,47,为了实现上述目标，第60子句规范了四种PMD类型，相关参数概括于表4.1中。表4.1EPONPMD类型PMD类型1000BASE-PX10-U1000BASE-PX10-D1000BASE-PX20-U1000BASE-PX20-D光纤类型SMFSMFSMFSMF光纤数1111标称波长/nm1310149013101490发送方向上行(ONUOLT)下行(OLTONU)上行(ONUOLT)下行(OLTONU)传输距离/km10102020最小通道插损/db5.05.010.010.0最大通道插损/db20.019.524.023.5,48,关于PMD层时间相关参数（如激光器开启和关闭时间、增益控制时间等）的讨论，经过长时间的争论，最终任务组确定如下参数：激光器开启时间512ns，关闭时间512ns，增益调整时间400ns(可协商)。理由是批量生产的ONU必须尽可能简单和便宜。这样,PMD器件不需要数字接口电路，从而价格便宜。如果激光器开启和关闭时间可协商的话，数字接口是必不可少的。OLT侧器件可以贵些，因为一个EPON系统只需一个器件。因此，OLT侧AGC时间是可以协商的。,49,点对多点协议多点控制制协议（MultipointControlProtocol，MPCP），MPCP使用类似以太网PAUSE消息的MAC控制消息来调整多点到一点的上行流量。MPCP有“自动发现过程（初始化）”和“正常工作”两种工作模式。正常模式用于分配已发现的各ONU的传输窗口，自动发现模式用于检测新连接的ONU获得其MAC地址、环回时延等参数。,50,协调子层IEEE802.3体系标准的一个基本假设是连接在同一媒质上的设备可以直接通信。依据这样的假定，网桥从不转发帧到其输入端口。这样的网桥就出现了问题：位干OLT的网桥可以“看到PON端口，不把上行流量转发给ONU。然而，由于光分路器的方向特性，ONU之间不能直接通信。因此，EPON网络出现了为所联设备提供完全连接的困难。这与IEEE802.3体系（尤其是IEEE802.1D桥接协议）不兼容。为了解决这一问题而与其他以太网无缝兼容，EPON使用扩展的协调子层来仿真点到点媒质。这样的拓扑仿真过程通过把以太网帧打上每个ONU唯一的标识来实现。这些标识称为逻辑链路标识（LegicalLinkID，LLID），LLID置于每帧前面的前导码里。IEEE802.3ah第65子句的第一节定义了帧前导码的新格式和点到点仿真的过滤规则。,51,物理编码子层为避免较近ONU的自发辐射噪声干扰较远ONU的信号，ONU激光器在非发送期应关闭。为控制激光器，PCS子层扩展为监测高层要发送的数据使能在正确的时间开启和关闭激光器（参见IEEE802.3ah65子句第二节）。PCS另外的扩展是可选的前向纠错编码(ForwardErrorCorrection，FEC)。FEC可增加光链路预算或者说传输距离。FEC采用R-S(Reed-Solomon)码，每239个信息字节加上16校验字节。接收端利用附加的校验字节来纠正数据传输过程中可能出现的错误。EPON采用基于帧的FEC，即每帧被分别编码，校验字节加在帧的后面。这样的方法使不具有FEC功能的设备能够接收EEC编码的帧，只是误比特数要多些。,52,物理媒质附加子层(PMA子层)PMA子层需要扩展以规范接收机对输人数据流的相位和频率同步时间。这一时间称为时钟和数据恢复时间(CDR时间)IEEE802.3ah规定OLTPMA在400ns内完成比特同步，32ns内完成码组对齐。,53,b)EPON系统的信号传输EPON采用单纤波分复用技术下行1490nm；上行1310nm；数字/模拟电视1550nm；,54,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。OLT位于EPON系统的局端一侧，负责EPON系统外部资源与终端用户的连接，汇聚外部业务，协调远端ONU。外部资源包括语音、数据及视频业务。除了这些基本功能外，高等级的OLT还具备数据路由、交换和语音网关等功能。ONU负责用户的接入，业务的覆盖。,55,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。,56,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1Gb/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。,57,58,c)EPON网络每用户平均带宽在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支比。例如，EPON的分支比为1:32时，每个ONU的平均可用带宽是32Mb/s。EPON能以较低的分支比来提高每用户的带宽，但这会增加每用户的成本。例如，EPON的分支比从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。当业务带宽需求与成本相比居于主要考虑时，降低分支比来提高每用户带宽就成为必需的技术措施。,59,d）EPON中的关键技术）多点控制协议MPCPEPON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-PointControlProtocol多点控制协议）基础上的系统。MPCP协议是MACcontrol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。,60,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（LogicalLinkIdentification），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。,61,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MACControl子层。MACControl向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。,62,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。,63,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。,64,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。,65,）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。,66,5）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（tripleplay），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(STVandHDTV),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。,67,表格：常见接入业务类型及其带宽需求,68,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IEEE802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IEEE802.3ah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。,69,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：,70,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。,71,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IEEE802.3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。,72,）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。,73,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-TG.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。,74,*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。,75,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。,76,6、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（trunkfiber）、分支光纤（branchfiber）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。,77,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。,78,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。,79,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。,80,）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。,81,*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。,82,）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。,83,各种PON拓扑的保护网络结构,84,EPON系统故障率和故障时间从参考文献(W.Circiora，J.farmer，andD.Large，ModernCableTelevisionTechnology：Video，Voice，andData，MorgankaufmannPublishers，1999.)中可得到各部件的故障率，列于表中。FIT（Failure-In-Time）表示10E9小时内的平均故障次数。器件的不可用性就是单位时间的FIT乘以平均修复时间(MTTR)。光纤的典型修复时间为12小时，端局部件更换时间典型值为2小时，用户端器件/部件更换时间典型值为6小时。用不可用性乘以一年的分钟数就可计算出故障时间。,85,表6.1各种器件的故障率和修复时间器件/部件FITMTTR(小时)不可用性=FITMTTR/10E9(小时)光缆断(主干=20km)2283122.74E5光缆断(分支)1712122.05E5分光器故障114121.37E6OLT发射机故障342426.85E6OLT接收机故障114222.28E6ONU发射机故障171261.03E5ONU接收机故障114266.85E6FIT（Failure-In-Time）表示10E9小时内的平均故障次数MTTR表示设备部件平均修复时间(小时)不可用性=FITMTTR/10E9(小时),86,各种PON拓扑下的不可用性和预计故障时间配置业务不可用性预计故障时间（分钟/年）无保护树形7.56E539.7440OLT保护树形6.65E534.9435主干保护3.90E520.50分支保护3.79E519.92主干+分支保护1.31E90.00069树形保护5.71E90.0030预计故障时间=业务不可用性525600(全年的分钟数)由此可知，无保护PON的故障时间约为每年40分钟，这对应99.992的可用性。这对于大多数的应情况都已经足够了。因为这已经超过了电信网的故障时间约为全年52分钟的要求。但是，考虑OLT的可靠性，仍然需要对OLT实现保护。这样OLT保护树形结构PON的故障时间约为每年35分钟，大大高于电信网的故障时间（约为全年52分钟）的要求。所以，在构建EPON系统时，推荐采用OLT保护树形PON结构。,87,三、EPON实际系统,88,89,1、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），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；,90,3）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。,91,4）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。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。,92,2、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。,93,3、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。,94,4、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，一个分光器的分支比为2、4、8、16、32，并可以多级连接。,95,5、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。,96,6、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。,97,3）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。,98,4）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+CableModem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。,99,7、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,100,传统以太网接入汇聚层解决方案:传统以太网的解决方式是，在汇聚层采用全光口交换机，完成楼道交换机向上的端口汇聚功能；,101,EPON接入汇聚层解决方案:在FTTB的EPON组网方式中，采用一个光口可以汇聚下面32个楼道交换机（以后可以扩展到64/128个）。在节省光纤的同时，节省一半的光端口，在成本上面的优势比较明显。,102,与有源接入技术相比，PON由于消除了局端与客户端之间的有源设备，从而使得维护简单、可靠性高、成本低，而且能节约光纤资源。FTTB的组网方案，很好融合了以太网和PON网络的优势，较好的解决了纯以太网中，用户隔离、安全保证、业务管理、服务等级区分、设备和网络管理、设备供电、带宽扩展等诸多问题。是目前比较理想的、能达到电信级运营要求的以太网接入产品和解决方案,103,8、EPON网络结构,104,最大为1：32/64的光分支比，传输距离20km，适用于用户较集中的情况,树型,105,9、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。,106,传输方式:单纤三波复用,主干光纤上同时传输1490/1550/1310nm三个波长。节省一芯主干光纤，但是增加了两个高隔离度的WDM器件。同时，使CATV光节点缩小到一栋楼。,107,传输方式:双纤独立传输方式1,独立的两个网络，即建设EPON网络时，可以不需要更动原有的HFC网络。HFC网络的光波长既可以用1550nm，也可以用1310nm。保护原有1310nm网络资源。,108,传输方式:双纤独立传输方式2,109,传输方式:电视信号光纤到楼1,110,传输方式:电视信号光纤到楼2,111,传输方式:电视信号光纤到楼3,112,10、实际产品,1）盛立亚公司,113,在广电网络中的应用,114,光纤到户,115,SaliraOLT产品系列a)Salira2550OLT:是高密度、插卡式机框型，适合较大规模的集中部署。Salira2550可以安装在标准19英寸或23英寸的机架上，一个7英尺的机架内可以安装四台Salira2550。Salira2550有16个板卡插槽，其中位于两端的第1和第16槽位用于安装1:1保护的系统控制卡SCC（SystemControlCard），中间的14个插槽均可用于安装标准PON线路卡SOLC（StandardOpticalLineCard）。,116,Salira2550OLT,117,系统控制(SCC)卡按照1:1冗余设计，当主用SCC卡出现故障，备用SCC卡会立刻转为主用，系统承载的业务不会受到影响。SCC卡上有2个管理端口:一个是串行端口，用于本地串行终端连接，采用命令行方式进行登录并配置系统，另一个10M/100M以太网端口，作为外部网管接口，可以通