（通信与信息系统专业论文）125gbps+epon系统突发式接收模块设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着网络宽带化的发展，e p o n 作为目前实现f t t h 实用而有效 的解决方案得到了大量研究。而光突发接收技术作为e p o n 系统实现的一个关 键技术在国内外一直没能够很好解决。传统低速信号的突发接收技术般都 采用直流耦合，因为直流耦合的能够快速响应突发信号的变化。但对于速率 高达1 - 2 5 g b s 的e p o n 的突发信号，采用直流耦合一方面对不同的数据包在 短时间内做到正确门限设置，另一方面在包之间的间隔时间内要及时准确的 对信号电平进行复位以便能够正确接收下一个数据包。这些都是制约直流耦 合接收的技术难题，以致到目前适合直流接收的e p o n 突发接收芯片仍未出 现。 本文根据e p o n 的协议8 0 2 3 a h 的要求，详细分析了e p o n 系统帧结构和 码型的特点，采用交流耦合方法成功的设计了e p o n 突发式接收模块。本文采 用了两种方案来实现该突发式接收模块。 第一种方案：采用通用的用于连续信号接收的前放芯片。为了达到对突 发信号的快速响应，抛弃芯片内部的自动增益控制a g c ( a u t o m a t i cg a i n c o n t r 0 1 ) 电路功能。实验结果表明采用这种方式，只要恰当的选择耦合电容， 能够实现对突发信号的正确接收，同时动态范围能达到1 5 d b 左右。但由于 a g c 的功能失去作用，使得模块的饱和光功率很难提高。 第二种方案：在前放中引入直流消除技术d c ( d cc a n c e l l a t i o n ) 。通 过将电路中跨阻放大器后的信号的直流成分反馈到前放输入端，来控制进入 跨阻放大器的信号电流，从而消除信号中的直流成分，使得最后的信号无论 大光信号和小光信号，它们的直流成分都在同一点。采用这种方案，耦合电 容对信号接收的性能影响很小，使得模块的灵敏度有微弱改善，但接收饱和 光功率得到很大提高，能够达到一l d b m ，动态范围达到2 5 d b 以上。 同时，在文章中详细分析了影响信号接收的各种因素，比如抖动、q 值、 信噪比s n r ，、码型和保护时间等。 结果表明我们所设计的光突发接收模块具有很高的灵敏度和较宽的动态 范围。该模块能够满足e p o n 系统的要求。交流耦合方法避开了直流耦合突发 式光接收模块设计过程中的技术难题。在e p o n 系统突发应用中，该交流耦合 模块可以作为一种有效的而廉价的替代方案。 关键字：e p o n ，突发式，光接收模块，交流耦合 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eb r o a db a n d ，e p o n ，a sap r a c t i c a l a n de f f e c t i v er e s o l v i n gm e t h o dt or e a l i z ef n w h a sb e e ns t u d i e dl a r g e l y b u tt h e r e c e i v i n go ft h eo p t i c a lb u r s t - m o d es i g n a l ，a st h ek e yt e c h n o l o g yt or e a l i z et h e e p o ns y s t e m 。h a sn o tb e e nr e s o l v e dw e l ln om a t t e ri nc h i n ao ra b r o a d t h e t r a d i t i o n a r y b u r s t - m o d er e c e i v e r t e c h n o l o g yf o rl o w e rs p e e ds i g n a lg e n e r a l l y a p p l i e st h em e t h o d o fd c c o u p l i n g b e c a u s et h em e t h o do f d c c o u p l i n gc o u l d r e f l e c tt h ec h a n g eo ft h eb u r s ts i g n a lq u i c k l y b u tf o rt h ee p o nb u r s ts i g n a l w h i c h s p e e d i sa sf a s ta s1 2 5 g b s , b yd c c o u p l i n g ，o nt h eo n es i d ei tm u s t s e t u p t h ep r o p e rt h r e s h o l df o rt h ed i f f e r e n ts i g n a lp a c k e ti ns h o l t e ri n t e r v a l ，o nt h eo t h e r s i d ei tm u s tc o u l dr e s e tt h es i g n a ll e v e l t i m e l y s ot h a ti tc o u l dr e c e i v et h e f o l l o w i n gs i g n a lp a c k e tw e l l t h e s e a r eb o t ht h et e c h n o l o g yp r o b l e mt of o r b i dt h e d c c o u p l i n gr e c e i v i n g ，s ot h a tt h ec h i pf o rd c c o u p l i n ge p o n b u r s tr e c e i v i n g s t i l lh a sn o tb e e nd e s i g n e d s u c c e s s f u l l y b y t h e r e g u l a t i o n o ft h ee p o n p r o t o c o l8 0 2 3 a h d e s c r i b i n g t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ee p o nf r a m ea n dd a t af o r m a td e t a i l e d l y , w ed e s i g n e dt h e e p o nb u r s t m o d er e c e i v e rm o d u l es u c c e s s f u l l yb yt h em e t h o do fa c c o u p l i n g t h i s p a p e ra p p l i e s t w os c h e m e st or e a l i z et h eb u r s t m o d er e c e i v e rm o d u l e 1 1 l ef i r s ts c h e m e ： u s i n g t h e g e n e r a lp r e a m p l i f i e r f o r r e c e i v i n g t h e c o n s e c u t i v es i g n a l i no r d e rt or e f l e c tf o rt h eb u r s ts i g n a lt i m e l y , w ed i s c a r dt h e a g cc i r c u i ti nt h ec h i p t h et e s t i n gr e s u l ts h o w st h a ti fw ec h o o s et h ep r o p e rt h e c o u p l i n gc a p a c i t a n c e ，w ec o u l d r e c e i v et h eb u r s ts i g n a lc o r r e c t l yb yt h i sm e t h o d a n dt h ed y n a m i cr a n g ec o u l dr e a c ha b o u t - 1 5 d b b u tb e c a u s et h ea g cl o s ei t s f u n c t i o n ，iti sh a r dt og e th i g h e ro v e r l o a do p t i c a lp o w e r f o rt h em o d u l e t h es e c o n ds c h e m e ：a p p l y i n gd cc a n c e l l a t i o ni nt h ep r e a m p l i f i e r b yf e e d t h ed cc o m p o n e n to ft h es i g n a lo u to ft h et r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e rb a c kt ot h e i n p u to ft h ep r e a m p l i f i e r , w ec o u l dc o n t r o lt h es i g n a lc u r r e n tf l o w i n gi n t o t h e t r a n s i m p e n d a n c e s ot h a tt h ed cc o m p o n e n ti nt h es i g n a li sc a n c e l l e d a sar e s u l t n om a t t e rt h eh i g h e rp o w e r o p t i c a ls i g n a lo rt h el o wp o w e ro p t i c a ls i g n a l ，t h e i r d c c o m p o n e n t s a r eo nt h es a m e l e v e l a p p l y i n gt h es c h e m e ，t h ei n f l u e n c e o nt h e r e c e i v i n gc h a r a c t e r i s t i cf r o mt h ec o u p l i n gc a p a c i t a n c ei sl e s s ，s ot h a ti tm a k e s t h e s e n s i t i v i t yo ft h em o d u l ei m p r o v e dl i t t l e b u tt h eo v e r l o a do p t i c a lp o w e rg e t s i m p r o v e dl a r g e l y i tc o u l dr e a c h l d b ma n dd y n a m i cr a n g er e a c h e sm o r et h a n 2 5 d b i nt h em e a n t i m et h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e s i g n a lr e c e i v i n g a r e d e s c r i b e dd e t a l l e d l y , s n c ha sj i t t e r , t h ev a l u eo fq ，s n r ，d a t af o r m a ta n dg u a r d i n g t i m ea n ds o o n t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eo p t i c a lr e c e i v e rm o d u l e ，w h i c hw eh a dd e s i g n e d ， h a sv e r yh i g hs e n s i t i v i t ya n dw i d e rd y n a m i cr a n g e t h i sm o d u l ec o u l dm e e tt h e n e e do ft h ee p o n s y s t e m t h em e t h o do fa c c o u p l i n ga v o i d st h et e c h n o l o g i c a l p r o b l e m sw h i c hh a v et o b er e s o l v e di nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gd c c o u p l i n g b u r s t m o d e o p t i c a l r e c e i v e r i nt h ee p o nb u r s t m o d e a p p l i c a t i o n s ，t h i s 儿 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o u p l i n go p t i c a lb u r s t m o d er e c e i v e rm o d u l ec o u l db ea ne f f e c t i v ea n dc h e a p a l t e r n a t i v em e t h o d k e y w o r d s ：e p o n ，b u r s t - m o d e ，o p t i c a l r e c e i v e r m o d u l e ，a c c o u p l i n g 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着信息时代的到来，i n t e r n e t 不再仅仅作为人们获取信息的一种手 段，它已经深入到人们生活的方方面面。人们通过i n t e r n e t 可以在线看节 目，可以和远方的朋友视频聊天、下载音乐，可以进行网络游戏。网络影响 着人们的生活，同时也改变了经济的运行模式。越来越多的商家也开始围绕 着网络做文章，几乎任何一个稍具规模的企业都有自己的主页，网络游戏公 司更是完全依靠网络生存的新兴企业。 随着应用的层出不穷，i n t e r n e t 上的信息量迅猛增长。据统计，世界上 i n t e r n e t 业务量每6 个月翻一番。现在，每天全球有数以亿记的人和网络以 各种各样的方式发生着联系。随着i n t e r n e t 服务内容的增多，用户对数据传 输速率的需求日益增加，对网络带宽的要求日益提高。特别是接入部分，逐 渐成为i n t e r n e t 接入的瓶颈。为了解决带宽的要求，国内外运营商开始采用 宽带接入网建设。 所谓宽带，是相对与窄带而言的，宽带和窄带的划分标准是通过用户网 络接口上的速率来区分的。即将用户网络接口上的最大接入速率超过2 m b s 的用户接入称为宽带接入，对最低接入速率没有限制。窄带接入系统是基于 支持传统的6 4 k b s 的电话交换业务的，对于以i p 为主流的高速数据业务支 持能力差。宽带接入系统是以分组传送的方式为基础，具有统计复用能力。 因此，宽带接入网适合解决高速数据业务接入“。目前流行的宽带接入技 术有四种：x d s l 、c a b l em o d e m 、无线宽带接入和f t t x 技术。 1 ) x d s l 技术 x d s l 技术是美国贝尔通信研究所于1 9 8 9 年为视频点播( r o d ) 业务开发的 利用双绞线传输高速数据的技术。x d s l 包括a d s l ( 非对称数字用户线) 、h d s l ( 高速数字用户线) 、s d s l ( 单线数字用户线) 、v s d l ( 超高速数字用户线) 。 其中以a d s l 技术最为成熟，使用最为广泛。a d s l 利用普通的电话线作为传 输介质，利用现有的电话线网络，具有覆盖面广、线路成本底的优点。同时， 由于a d s l 在同一根铜线上分别传送数据信号和语音信号，数据信号不通过电 话交换设备，使得a d s l 在上网时，不需要缴付另外的电话费用，同时不影响 电话的接昕，这也是a d s l 受到欢迎的主要原因之一。a d s l 在一对铜线上支 持的上传速率为6 4 0 k s 到1 m s ，下载速率为1 m s 到9 2 m s ，有效传输距离 武汉理工大学硕士学位论文 为3 5 公里：a d s l 采用先进的调制技术，如离散多音( d m t ) 等，这些技术 能够提供很好的线路检测和自维护能力，它还可以根据双绞铜线质量的优劣 和传输距离的远近动态地调整用户的访问速度。由于这些优点，a d s l 近几年 得到广泛的应用。但是，随着i n t e r n e t 业务的爆炸式的增长，能否经济有效 的支持i n t e r n e t 业务已成为接入网技术考虑的重要因素。尽管a d s l 技术能 够支持i n t e r n e t 业务，但成本仍偏高，用户侧设备的安装仍嫌麻烦。而且， a d s l 这种非对称的传输方式不宜用于流量基本对称的商业用户互联，对于使 用视频电话和视频电话等的用户不太适合。 2 ) c a b l em o d e m 技术 在h f c 上利用c a b l em o d e m 进行数据传输，是解决高速数据接入的另一 种热门技术。”。c a b l em o d e m 下行数据占用5 0 8 6 0 m h z 之间的一个8 m h z 的 频段。一般采用6 4 q a m 调制方式，速率可达4 0 m b s ；上行数据占用5 4 2 m h z 之间的一个8 m h z 的频段。为解决漏斗噪声问题，一般采用抗噪声能力较强的 q p s k 调制方式，速率可达l o m b s 。通过有线电视同轴电缆接入i n t e r n e t ， 在不影响收看电视节目的同时数据的传输质量还相当好。这正是c a b l em o d e m 作为一种宽带接入方式的显著优势，它可以高速访问i n t e r n e t 及切相关互 联服务。但是，由于现有的有线电视系统都是单向传输的，要引入c a b l em o d e l 系统，首先要对现有的单向有线电视网进行双向改造，涉及的费用往往比较 高。 3 ) 无线宽带接入 无线宽带接入具有移动性、重定位性，在有线网无法到达的区域，利用 无线网可以实现接入”“。目前，无线接入最成熟的技术是l m d s ( 本地多 点分配业务) 。“本地”是指l m d s 技术传输范围一般在3 - 5 k m ，是用在城市本 地接入环境；“多点”的含义是l m d s 采用点对多点的工作方式：所谓的“分 配业务”，是指l m d s 可以支持各种电信业务，包括数据、话音和专线等。l m d s 工作于1 0 6 6 g h z 频段，不支持移动业务，是宽带无线点( 基站) 对多点( 远 端站) 接入技术，基站直接联入广域网，实现宽带接入。l m d s 系统采用类似 蜂窝的服务区结构，将需要提供业务的地区划分为若干服务区，将服务区分 为不同的扇区，根据需要在不同的扇区提供不同的服务。在每个服务区有一 个基站来管理服务区内的用户，每个基站采用点到多点无线链路与区内用户 通信。l m d s 系统大致包括三个部分：基站、远端站和网管系统。基站设备包 括与骨干网络相连的接口模块、调制与解调模块以及通常置于楼顶的微波收 发模块。基站系统负责用户端覆盖，提供骨干网络的接口，实现信号在骨干 网络与无线传输之间的转换。远端站在用户驻地，负责以无线方式将用户与 武汉理工大学硕士学位论文 中心站连接。包含室外模块( 定向天线，微波收发装置) 、室内单元( 调制解 调模块) 以及与用户设备相连的接口模块。网管系统负责系统的配置、业务 管理和故障诊断、性能分析等功能。尽管l m d s 在带宽、覆盖范围上都有不错 的表现，但l m d s 易受天气、周围建筑环境的影响。相对于有线接入，无线宽 带接入是其必要的补充。 4 ) f t t x 技术 f t t x 技术是光纤到x 的简称，可以是f t t h ( 光纤到户) 、f t t e ( 光纤到 局) 、f t t c ( 光纤到配线盒路边) 、f t t b 0 ( 光纤到大楼办公室) 。除了f t t h 外，其他方式都需通过铜芯线作接入转换，组成混合接入网络。光纤是宽 带网络中多种传输媒介中最理想的种，它的特点是传输容量大，传输质量 好，损耗小，中继距离长等。在接入网中，光纤接入也将成为发展的重点。 光纤接入网是发展宽带接入的长远解决方案。光纤接入网包括远端设备 光网络单元和局端设备光线路终端，它们通过光纤相连。 光纤接入能够确保向用户提供l o m b p s ，l o o m b p s ，1 0 0 0 m b p s 的高速带宽， 可直接汇接到c h i n a n e t 骨干结点。主要适用于商业集团用户和智能化小区局 域网的高速接入i n t e r n e t 高速互联。 从以上对宽带网的比较可以分析，可以看出作为宽带接入的最终最理想 的选择是采用光纤接入。光纤接入能够提供大容量、损耗低、抗干扰能力强 等优点，这些都是其它接入方式所无法比拟的。其中f t t h 一直是人们不断 追求的技术方向。实现f t t h 方法主要有两种”1 ：一种是用光纤直接连接每 个家庭或大楼；另外就是采用p o n 技术，用分路器把光信号进行分支，多个 用户公用一根光纤。采用p o n 技术对资源的利用较为合理，近年来也得到 了大量研究，目前有a p o n ( a t mp o n ) 、e p o n 、b p o n 、g p o n 等。a p o n b p o n 是在1 9 9 5 年提出的，1 9 9 9 年发布其协议标准是g 9 8 3 x 。当时a t m 被期望在 局域网和主干网中占据主要地位，但后来，随着以太网技术的发展，以太网 得到了广泛的应用。全球有超过9 5 的局域网采用以太网技术，其传输速率 也从l o m b s 到l o o m b s 、1 0 0 0 m b s 甚至更高。针对这种情况i e e e 8 0 2 3 工 作组在2 0 0 0 年提出e p o n 的概念。e p o n 以以太网为载体，采用点到多点结构， 无源传输方式，它与现有的设备具有良好的兼容性。因此e p o n 成为解决f t t h 的理想方案。 1 2 国内外的发展及研究动态 世界光通信市场经历了上世纪9 0 年代末至2 0 0 0 年的超高速增长，2 0 0 1 年以后的市场进入严重萧条，但到了2 0 0 3 年底，特别是2 0 0 4 年开始光通信 武汉理工大学硕士学位论文 市场开始恢复。特别是f t t x 成为最引人注目的亮点。随着全球宽带接入网的 迅速增长，光纤宽带接入进入了市场复苏期。据美国g e r t n e r 公司最新发布 的报告”。，亚太地区宽带用户在2 0 0 4 年增长了5 0 ，另据预测美国的宽带 普及率到2 0 1 0 年将达到7 5 。目前在应用方面日本、韩国最为靠前，韩国宽 带普及率占到家庭用户的7 0 。日本的宽带用户总数超过1 5 0 0 万，其中f t t h 的用户达到1 2 0 万户，到2 0 0 5 年底f t t h 的用户将达到1 0 0 0 万。国内宽带用 户以年均增长率为3 8 5 的速度高速增长。根据我国的情况，借鉴别的国家的 发展趋势，可以直接进入光网络阶段。国内烽火通信网络是中国光通信的龙 头企业，率先建立了第一个f t t h 的实验工程，后来推出s 2 0 0 0 f h 系列，以用 于光纤到户的高带宽接入应用。其它如中兴，华为等都大力发展光纤接入宽 带网络技术。 i e e e 在2 0 0 0 年底成立e f m 工作组( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l es t u d y g r o u p ) ，引入e p o n 这种宽带接入技术标准。e p o n 是利用p o n 技术与以太网 的结合，在p o n 的拓扑结构下实现以太网的接入“。e p o n 主要分成三个部分， 即o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) 、o d n ( o p t i c a ld i s t e r m i n a t i o n ) 、 o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 其中o l t 位于局端，o n u 位于客户端。 e p o n 的协议标准是在8 0 2 3 的基础上经过修改实现的，标准称为8 0 2 3 a h 。 它有以下几个方面的优势：1 ) 与阻太网兼容，( 2 ) 带宽高，( 3 ) 成本低， ( 4 ) 为灵活供应和快速的服务重组提供了方便。 在e p o n 系统的实现过程中，突发信号的接收作为四个技术难题之一得到 了国内外的大量研究。由于e p o n 的上行采用时分复用( t d m ) 的方式，对于 o l t 存在多个信号源o n u 。由于不同o n u 与o l t 之间线路距离、光纤性能的差 异，这样造成o l t 接收到的光功率不同，这就要求o l t 必须具有突发接收的 能力。要想正确恢复出原有数据，o l t 必须根据每个o n u 的信号强度实时调 整接收机的判决门限。目前在国外已有一些公司推出了e p o n ( 1 2 5 g b s 突发 模式) 光模块：以色列b r o a d l i g h t 公司一型号是：b b t l g g 、b b t n g g ；日 本n e c 公司一o d b 1 2 2 2 一n 2 1 ：日本o k i 公司o a t l 2 3 2 一o l t 、0 a t l 2 3 3 s o n u ， 其中o k i 公司的o l t 模块没有恢复时钟输出以及z o n u 等。在芯片方面，韩国 电子通信研究院于2 0 0 3 年6 月展示了全球第一款基于e p o n 的p i i y 芯片，使 用该芯片用户的联结速度可以达到1 g b s 。目前有一些其它公司开发出了相 应的芯片，但大多处于验证阶段，比如m i n d s p e e d ，m i c r e l ，p h i l i p 等。 1 3 课题研究的目的和意义 f t t h 在全球方兴未艾，在一些发达国家已开始规模应用，这决不是偶然 4 武汉理工大学硕士学位论文 的原因，这充分说明了只有光纤才能够提供今天人们所需要的带宽。光纤的 使用为电信服务商以及其它的一些网络服务商提供了一整套完整的新手段。 据美国d i t t b e r n e ta s s c i a t d s 公司统计和预测，全球用于f t t x 的投资，将 从2 0 0 4 年的3 7 亿美元增长到2 0 1 3 年的2 2 8 亿美元。到2 0 1 3 年，亚太地区 将成为全球最大的f t t h 市场“。作为f t t h 的理想接入方式e p o n 作为一 种全新的宽带接入技术，随者e p o n 标准和商用化的完成、吉比特以太网和 1 0 吉比特以太网所占城域网市场份额的扩大以及e p o n 本身所具有的独特优 势，可以断定e p o n 将会以绝对的优势成为下一代接入网的选择。 面对如此巨大的市场空间，开发e p o n 光突发接收模块，对我国电信市场 的发展具有重要的意义。目前国内市场上出现的基本都是s f p ( 小封装可插 拔) 的非突发光模块，至今还没有公司开发出e p o n 光突发接收模块。该项目 和国内最大的光器件公司飞通合作，瞄准e p o n 系统着重解决f t t h 接入问题。 本论文主要探讨e p o n 的原理，在此基础上分析了突发信号的特点，解决e p o n 光突发模块的技术难题，开发了1 2 5 g b s 交流耦合式光突发模块。经过实验 测试，该模块完全可以满足e p o n 接入的要求，解决了光纤入户的技术难题。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章e p o n 系统的特点及关键技术 2 1e t h e r n e t 技术及现状 自从1 9 7 2 年x e r o x 公司设计了第一个实验室e t h e r n e t ( 以太网) 以来， 以太网得到了飞速的发展，到目前为止已经诞生了多个关于以太网的标准。 以太网以其高度灵活性、相对简单、易于实现的特点，成为当今最重要的一 种局域网建网技术。虽然其他网络技术曾经被认为可以取代以太网的地位， 但大多数网络管理人员仍然把以太网作为首选的网络解决方案。也许，有人 认为以太网的扩展性相对较差，但是以太网所采用的传输机制仍然是目前网 络数据传输的重要基础。据统计，全球约有9 0 9 6 的网络采用以太网连接。 我们常说的以太网技术一般指如下所说的三种不同的局域网技术“： l o m b p s 以太网一采用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到l o i l b p s ； l o o m b p s 以太网称为快速以太网，采用双绞线作为网络媒体，传输速 率达到l o o m b p s ； 1 0 0 0 k e o p s 以太网一又称为千兆以太网，采用光缆或双绞线作为网络媒 体，传输速率达到1 0 0 0 m b p s ( 1 g b p s ) 。 初期的以太网采用同轴电缆做成的总线型拓扑结构，数据通信速率为 l o m b s 。随着以太网的普及，发现采用同轴电缆在敷设电缆线时很不方便。 在8 0 年代后期，由i e e e 发展和制定了一种称为i o b a s e t 的新型以太网标准， 使用非屏蔽双绞线来实现，把原来以太网在物理上总线型的拓扑，改变成星 型拓扑，但在逻辑上仍是总线型的。i o b a s e - t 以太网出现以来，由于其电缆 分布和建筑物内电话布线兼容，而且安装和拆除接点设备都很方便，很快得 到普及，传统的以太网都是以i o b a s e t 形式连接的。 随着技术发展出现了快速以太网，其数据速率可达到l o o m b p s ，是标准以 太网的数据速率的十倍“。它包含两种技术：i o o b a s e t 和o v g a n y l a n 。 1 0 0 b a s e - - t 的一个显著特性是它尽可能地采用了i e e e 8 0 2 3 以太网的成熟 技术。因而，它很容易被移植到传统的标准以太网环境中。为了在5 类非屏 蔽双绞线上传输超过l o o m b p s 的数据流，i o o b a s e - - t 采用了多级电平方式m l t 一3 ，信道编码则采用了4 b s b 编码方法。1 0 0 v g - - a n y l a n 是基于i o o b a s e - - v g 的技术，这里v g 代表声音级( v o i c eg r a d e ) ，表示采用音频非屏蔽双绞 线作为物理媒体。为了利用现有音频非屏蔽双绞线传输l o o m b p s 的数据流， l o o v g - - a n y l a n 采用了四重信号技术。在信道上，1 0 0 v g a n y l a n 采用了 武汉理工大学硕士学位论文 5 b 6 b 、不归零制和扰码技术，这组技术不但编码效率高，并且增强了数据抗 噪声和抗错码的能力，简化了定时恢复电路的实现。 目前以太网已过渡到于兆以太网。千兆以太网是对i e e e8 0 2 3 以太网 标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率 ( 1 0 0 m b p s ) 提高了1 0 倍，达到了lg b p s 。为了确保与以太网技术的向后兼 容性，千兆以太网遵循了以太网对数据链路层以上部分的规定。在数据链路 层以下，千兆以太网融合了i e e e8 0 2 3 以太网和a n s ix 3 t l l 光纤通道两种 不同的网络技术，实现了速度上飞跃。这样，千兆以太网不但能够充分利用 光纤通道所提供的高速物理接口技术，而且保留了i e e e8 0 2 3 以太网帧的 格式。千兆以太网物理层包括编码译码，收发器和网络介质三个主要模块， 其中不同的收发器对应于不同的网络介质类型，包括多模光纤( 也被称为 1 0 0 0 b a s e l x ) ，短波多模光纤( 也被称为1 0 0 0 b a s e s x ) ，1 0 0 0 b a s e c x ( 一种高 质量的平衡双绞线对的屏蔽铜缆) ，以及5 类非屏蔽双绞线( 也被称为 1 0 0 0 b a s e t ) 。i e e e8 0 2 3 z 标准提供了两种不同的编码译码机制。其中， 8 b l o b 主要适用于光纤介质和特殊屏蔽铜缆。 、 以太网是基于0 s 1 七层模型“。采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，载波侦听多路访问冲突检测) 作为介质访问 控制方法，这是一种争用型的介质访问控制方法。c s m a c d 工作在链路层中 的m a c 层，是一个m a c 协议。在0 s i 模型中，数据链路层传输的数据是帧， 所以以太网也是通过帧来发送数据。以太网8 0 2 3 的m a c 层定义了以太网的 m a c 帧结构。如图2 1 所示，现行的以太网使用的是可变长帧进行通信。 图2 1 以太网m a c 帧结构 事实上，无源光网络被考虑作为接入网有相当长的时间了。在因特网刺 激带宽需要之前，f s a n ( 电信服务提供商组织) 建议书( i t ug 9 8 3 ) 中定义了 使用异步传输模式( a t m ) 的p o n 光接入网标准，也即是a p o n 技术。在1 9 9 5 年，那时f s a n 的研究工作刚刚起步时，异步传输模式( a t m ) 有可能在 l a n ( 局域网) ，m a n ( 城域网) 和骨干网中成为流行的技术。但是，就是从那 时起，以太网技术超越了异步传输模式c a i m ) 技术。以太网技术变为一个普 遍的接受标准，在全世界配置有3 亿2 千万个以太网端口，形成了令人惊愕 的规模经济。现在高速吉比特以太网在加速安装，l o 吉比特的以太网产品也 7 武汉理工大学硕士学位论文 开始投入实用。以太网易于规划和管理使得它在城域网和广域网中赢的了很 好的应用。考虑到9 0 的局域网采用的以太网技术，在两个以太网网络之间 的互联，a p o n 不可能是一个最好的选择。 异步传输模式( a t m ) 技术缺点之一是一个被丢弃或坏的数据信头将会使 整个i p 数据包无效。更有甚者，那些剩下的信头将相同的i p 数据包传送的 更远，从而浪费了网络资源。再者，异步传输模式( a t m ) 给可变长度的i p 分 组，增加信头负担，有时候信头负担能达到1 3 ；这就是说，发送相同数量 的用户数据a t m 网必须要比以太网多发送1 3 的字节。最后，或许更重要 的是，a t m 网不能实现降低成本的许诺；设备供应商的数量在下降，生产的 设备数量相对的减少。更重要的是a t m 交换机和网卡比以太网交换机和网 卡更贵。在另一方面，以太网看起来是对i p 数据最优化接入网络中一个合理 的选择。 第一英里以太网联盟( e f m a ) ，在2 0 0 1 年初提出基于以太网的p o n 的概 念，e t h e r n e tp o n ( e t h e r n e to v e rp o n ，e p o n ) ，即利用p o n ( 无源光网络) 的拓扑结构实现以太网的接入。e p o n 是一种采用点到多点网络结构、无源光 纤传输方式、基于高速以太网平台和t d m 时分m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。以太网无源光网络 ( e p o n ) 是一种在以太网框架中传输所有封装数据的无源光网络。由于采用 最新的服务质量技术( q o s ) ，使得以太网技术能够提供包括话音、数据和视 频等服务。最新的服务质量技术包括全双工技术，优先次序确定和虚拟局域 网( v l a n ) 的标志。由此，可以看出e p o n 系统都是一个多业务平台，对于向 全i p 网络过渡是一个很好的选择，有很多优点：1 ) 相对成本低，维护简单， 容易扩展，易于升级；2 ) 提供高的带宽，e p o n 目前可以提供上下行对称的 1 2 5 g b s 的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到1 0 g b s ；3 ) 服务范 围大，e p o n 作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省c o 的资源， 服务大量用户；4 ) 带宽分配灵活，服务有保证，对带宽的分配和保证都有一 套完整的体系。e p o n 可以实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的 q o s 。 2 2 e p o n 系统的特点和应用 以太网无源光网络( e p o n ) 使用低成本的点对多点光纤设施与以太网结 合，被设计成以标准的以太网规范，运行以太网框架【1 7 1 。以太网光网络使用 一根单独的主干光纤从中心局( c o ) 延伸到无源光纤分路器( p o s ) ，接着无源 光纤分路器与用户节点通过多路光纤连接。在网络中除了末端设备，没有任 武汉理 i 大学硕士学位论文 何组件需要供电，因此称为无源的。由于从中心局到用户之问的无源光网络 仅需要最小限度的光纤设施，并且没有电耗，使得本地运营商早就对无源光 网络f p o n ) 感兴趣。随着以太网现在在接入网中作为一种执行i p 交换的选择 协议，e p o n 可以作光纤到大楼( f r r b ) 和光纤到家( f f f h ) 的潜在优化架构。 对于e p o n 信号传输的一种可能方式是使用波分复用技术( w d m ) ，在 波分复用技术中，每个o n u 的操作都采用不同的波长【1 8 1 9 1 。从理论观点来 说这是一个简单而有效的方案，但对一个接入网来说采用波分复用技术成本 太高而不实际。在w d m 方案中在o l t 端要么有可调收发器，要么有阵列收 发器来接受来自多重信道的数据。对网络运营商来说更严重的问题是需要大 量对应不同波长的o n u ，以前仅仅只需要一种类型的o n u ，而现在要有基 于激光波长的多种类型的o n u 。对一个不懂这方面知识的用户替换一个有毛 病的o n u 将非常困难，以现在的科技水平来看，在每个o n u 端使用可调激 光成本是很高的。所以，在现在的环境下使用w d m 网络不是个很有吸引 力的方案。 因此，在接入网中采用时分复用( t d m ) 共享光纤信道，是比较好的一 个方法。因为它允许一个单独的上行波长( 例如1 3 1 0 m n ) 并且在o l t 中只 需要有一个单独的收发器，这是一个理想的解决方案。所有o n u 用一个共 同时间基准同步，每一个o n u 分配了一个时隙。每个时隙传送一些以太网 数据帧。每个o n u 都能缓存来自用户的帧，直到其对应的时隙的到来。当 时隙到来时，o n u 将采取“突发”方式将所有缓存的数据帧以全速( 标准以 太网速率) 传输出去。如果缓存中没有足够的帧来覆盖整个时隙，则发送空 帧。对每个o n u 可能的时隙分配方案基本有两种：一种是静态分配( 固定 的时分多址，t d m a ) ，另一种基于瞬时队列大小而采用的动态适应方案( 统 计复用方案) ；还有其他的可能分配方案，包括利用流量的优先次序，服务质 量( q o s ) ，服务水平( s l 峪) 和认购超额比率等方案。 e p o n 采用8 b 1 0 b 码型，利用以太网控制帧来传送信息，是基于以太网 帧t d m a 方式的宽带p o n 技术f 2 0 】。e p o n 技术已经由i e e e 8 0 2 3 e f m 工作组进行 标准化，形成i e e e 8 0 2 3 a h 标准。目前标准化难点在于o a m 功能，如动态带 宽分配等，以及对实时业务的q o s 保障方面。 e p o n 可以支持1 2 5 g b s 对称速率，随着1 0 g 以太技术的成熟，最大速 率可达1 0 g b s ；可以支持1 0 k m 和2 0 k m 两种最大传输距离，各自支持的分支 数不低于3 2 路和1 6 路。e p o n 技术相对简单、速率高、可扩展性强，能够以 较低成本高效率地传送i p 业务。与a p o n 相比，e p o n 比a p o n 具有更宽的带 宽、更低的价格和更高的宽带业务能力。 武汉理工大学硕士学位论文 e p o n 系统将目前最为简单和广泛使用的以太网技术与p o n 系统相结合， 解决了点到多点的以太网接入问题，由于以太网本身的特点，可以避免a p o n 系统复杂的测距和动态带宽分配机制，而利用以太网成熟的技术加以解决。 2 3e p o n 系统的原理 2 3 1 e p o n 系统运行原理 i e e e 8 0 2 3 标准为以太网制定了两个结构。在第一个结构中，以太网通 过采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 协议，实现媒体的共享；另外一个结构中，各个站点通过交换机实现全双工 点对点的链接。而实际中的以太网是上述两种结构的结合。 e p o