课程设计（论文）-基于EPON的光接入网设计.docx

摘 要面对传统语音业务运营收入的不断下降，提供宽带业务正迅速变成每个运营商商业模式的一个基石，光纤接入是成功的宽带策略所必需的。近来，因网运营商均积极转向提供整合语音、数据、视频的Triple-play业务，而现有宽带接入网升级将成为当务之急。各大运营商纷纷加大光纤的部署力度。虽然市场需求、价格和政策是影响FTTx发展的主要因素，但选择正确的技术，FTTx结构和商业模式是运营商进行大规模部署FTTx时首先要考虑的问题。基于EPON的FTTx网络是一种新兴的接入网络，它不仅使带宽提高、业务种类增加，更改变了传统意义的接入网络，实现了真正的多业务综合接人,必然会有广阔的发展前景。通过基于EPON的光接入，可以实现语音通话，高速宽带互联网数据传送，IPTV,CATV等业务，而这些业务正是EPON在发展中最主要的业务。选择合适的ONU、OLT和分光器设备，接入互联网、IP网或者公共电话网，实现上述的几种业务。关键词:EPON 接入网目 录1光接入网技术11.1接入网技术11.2光接入网的几种实现技术11.3光接入网实现技术的比较分析22几种PON技术的对比42.1PON技术发展史42.2PON系统概述42.3EPON与GPON的对比42.4基于PON技术的接入网应用场景52.5目前PON的应用模式53 EPON的基本原理和传输原理63.1EPON的基本原理63.2EPON的技术优点73.3EPON的传输原理83.4EPON的层次模型104 EPON组网规划114.1组网规划114.2VLAN规划114.3EPON方案举例12结 论13参考文献14基于EPON的光接入网设计1光接入网技术1.1接入网技术光接入网是指从用户网络接口到相关的业务节点接口之间，全程以光纤作为传输媒质，或者以光纤作为主干传输媒质，以铜线或者无线作为用户末端传输媒质，采用各种宽带承载技术的一系列信息传送实体所组成的，对用户以及用户相关的信令透明；可以支持现有宽带业务、窄带业务以及扩展支持未来宽带业务开展所需承载能力的实施系统；并可经由网络管理接口进行配置和管理。它所具有的以下一些主要特征，决定了必将以无可比拟的优势成为下一代接入网。图1接入网技术全程以光纤作为传输媒质或者光纤作为主干传输媒质，以金属线或无线作为用户末端传输媒质。具有高带宽、长距离的传送能力。支持多业务接入，包括各种窄带业务、宽带业务以及对未来业务的扩展支持能力和上述业务的同时接入。支持分组方式承载上层业务，可以作为下一代网的接入层网络。支持接入网络的平滑演进。1.2光接入网的几种实现技术光接入技术可以简单地划分为光有线接入技术和光无线接入技术，在光有线接入技术中又可以划分为无源光接入技术和有源光接入技术，其划分的基本标志是在局端设备和用户设备之间是否采用有源设备实现多光口的用户接入。一、有源光网络技术有源光网络接入网用SDH系统，有源光网络的局端设备（CE）和远端设备（RE）通过有源光传输设备相连，传输技术是骨干网中已大量采用的SDH和PDH技术，但以SDH技术为主。远端设备主要完成业务的收集、接口适配、复用和传输功能。局端设备主要完成接口适配、复用和传输功能。此外，局端设备还向网络管理系统提供网管接口。在实际的接入网建设中，有源光网络的拓扑结构通常是星型或环行。在接入网中应用SDH（同步光网络）的主要优势在于：SDH可以提供理想的网络性能和业务可靠性；SDH固有的灵活性使对于发展极其迅速的蜂窝通信系统采用SDH系统尤其适合。当然，考虑到接入网对成本的高度敏感性和运行环境的恶劣性，适用于接入网的SDH设备必须是高度紧凑，低功耗和低成本的新型系统，其市场应用前景看好。二、无源光网络接入技术对于无源光网络,目前已经广泛讨论的技术方案包括GPON、APON和EPON。GPON的基本思想和工作方式非常类似于广泛讨论的MSTP技术,采用了GFP实现多种业务映射封装;而APON和EPON分别基于ATM的传送方式和以太网的传送方式。鉴于以太网已经广泛地应用于用户侧的网络之中,纯粹以太网业务接入为EPON提供了机会,直接将以太帧封装到物理层是非常有利的选择。由于目前TDM业务还是运营商主要盈利方式,对于光纤到楼或光纤到户的应用模式,PON技术与前面提及的MSTP技术相比并没有绝对的优势;以PON技术为主的光接入技术应该首先应用于接入点分散、光纤资源紧张的区域,通过树状结构实现多点无源接入。三、光无线接入技术光无线接入(OPTICALWIRELESS)技术是近几年发展起来的边缘技术,具有光通信技术和无线通信技术的双重特征。光无线技术的应用是对光有线接入方式的重要补充,对于施工难度大、成本高的地区,或者是临时性的热点地区都是非常重要的接入方式。目前全天候的光无线接入也已经问世,并投入商用。运营商可以在光纤不能到达或难于到达、微波干扰严重而且需要申请频率许可证、高速率时微波成本太高、用户需要在几天内快速接入以及在临时或应急通信的环境下,考虑选择光无线接入系统。1.3光接入网实现技术的比较分析有源光网络AON技术简单，易于实现，组网能力强，但考虑到有源设备仍然无法完全摆脱电磁干扰和雷电影响以及有源设备固有的维护问题，因而不是接入网的长远解决方案。P0N作为无源系统，易于扩容和展开业务，维护、运营成本低，是光纤接人的发展方向。在PON的基础上发展起来的APON、WDMPON、EPON等技术已经越来越引起人们的关注，有的已经形成了规模应用。虽然EPON和APON都采用PON结构作为物理层的传输访问技术，然而两者在许多方面存在着差异。与ATM-PON比较，EPON的速率可以达到更高的一个数量级。基于信元的无源光网络(ATM-P0N)的优点是时间延迟较小，对于实时业务十分有利，但是交换和排队的成本过高。同时由于G.983标准的制定过多地考虑了与ATM有关的灵活性，使得光突发接收的器件成本较高；从总带宽上来说，EPON更具适应性，APON能支持的相对少一些；EPON提供不同带宽控制的IP业务，个别产品还可以做到双向限制、最高、最低用户使用带宽，这对于目前以相对经济的方式提供有带宽限制的接入工程网络是一种很有效的手段；EPON下行时的采用点对多点结构，通过时分复用(TDM)或WDM技术可以轻松加载模拟或数字视频信号，以实现广播业务。有源光交换网络和EPON无源光网络都是利用以太网技术，采用光纤+双绞线的方式对小区进行综合布线。EPON无源光网络与传统有源光交换网络对比最大的优势如下：1) 服务质量有保障，OLT发挥对整个系统的主控作用，彻底改变了以太网设备各自为政的局面；EPON系统可以对每个用户进行带宽的静态动态分配，并保证每个用户的QoS。2) OAMP能力强，EPON系统具有先进的测距、环回测试、断电告警以及端口状态监视等维护功能，克服了以太网缺乏0AM手段的缺陷。3) 系统成本低，EPON在一根光纤上实现双向传输，节省了光纤资源；节约了近50的光收发模块。4) 多网融合,技术上支持宽带上网、有线电视(CATV)、接入和传统固定电话接入，实现三网合一。因而，EPON因其灵活的网络拓扑结构、广泛的适应性和经济性成为一种最有效、最具前景的技术，其优势将主要体现在为本地接入网最后一公里提供经济、有效的支撑平台。2几种PON技术的对比2.1PON技术发展史PON技术研究起源于1995年,1998年10月，ITU通过了FSAN组织(全业务接入网)所倡导的基于ATM的PON技术标准G.983。也被称为BPON(BroadbandPON).速率为155Mbps,可选择支持622Mbps速率。GPON(Gigabit-CapablePON)由FSAN组织于2002年9月提出,2003年3月ITU通过了G.984.1和G.984.2协议。G.984.1对GPON接入系统的总体特性进行了规定；G.984.2对GPON的ODN(OpticalDistributionNetwork)物理媒质相关子层进行了规定；2004年6月ITU又通过了G.984.3,它对传输汇聚（TC）层的相关要求进行了规定。图2 PON的两个主要标准体系2.2PON系统概述PON是无源光网络的简称，由光线路终端OLT、光网络单元ONU和无源分光器POS组成。所渭“无源”，就是指ODN全部由无源光分路器和光纤等无源光器件组成，不包括有源器件。PON系统为点到多点(P2MP)的拓扑结构，采用WDM技术，实现单模光纤双向传输，下行数据采用广播技术，上行数据采用TDMA技术。PON系统优势在于无源光器件不易受雷电损坏和辐射干扰、网络结构灵活易于扩展、共享馈线段光纤可节约铺设成本、业务透明性好、多业务支持能力、易于管理维护、具有较为完善的加密机制等。目前，PON的两大主流技术为EPON和GPON技术。2.3EPON与GPON的对比EPON和GPON作为光网络接入的两个主力成员,在本次设计中为何选择EPON而不是GPON，这是有原因的,下面在各个方面对它们作个比较:u EPON适合数据业务为主的居民用户接入，GPON在大客户接入的场合则有自己的优势。在对于现在EPON更适合于“光纤到户、三网合一”的应用场合。u EPON相对于GPON更能方便、透明的与用户家中的计算机、家庭网关、IPTV机顶盒等用户设备连接。u 由于IP技术的大规模应用，GPON的成本远远高于EPON，因此EPON也大幅度降低电信运营商的网络建设成本。2.4基于PON技术的接入网应用场景目前，宽带用户大致可以分为商业用户、高端用户、普通用户，下面通过国内某电信运营商针对不同用户群，采取的三种不同接入方的介绍，简要分析PON技术应用场景。应用场景一：商业用户，基于EPONGPON技术的FTTB+DSLAM方式。商业用户主带宽需求一般相对较高，业务需求以IP业务为主，辅以El语音专线或POTS业务，可以承受较高的资费，对系统的可用性和维护质量要求较高。应用场景二：普通家庭用户，基于EPON的FTTN+LAN。普通家庭客户数量多，业务需求以IP为主，辅以POTS业务，带宽需求一般，对成本和资费敏感。但随着IPTV、视频通信等高带宽业务的陆续出现，将来的接人带宽升级压力较大。采用EPON+LAN(多FE端口的ONU)或EPON+DSL(内置DSLAM功能模块)实现FTTB，在提供高带宽的同时可大幅降低网络建设成本，满足普通家庭用户对低资费高带宽的要求。2.5目前PON的应用模式（1）“PON+DSL”的方案“PON+DSL”的方案，将DSLAM尽量靠近用户，克服xDSL接入距离和带宽的限制，并采用PON设备将下移的DSLAM汇聚。该方案保护已有铜线投资，实现从铜线到FTTH的过渡，是当前PON应用和发展的主要定位。（2）移动网络基站互联移动基站互联，需要PON设备支持TDME1业务。支持源模式：TDM传输的GPON技术，其传输质量可以与SDH/MSTP相媲美，可以直接利用GPONONU设备的E1端口连接基站。此外还可以通过GPONONU的GE/FE端口为邻近驻地客户提供以太网数据接入业务，通过同轴有线电视口提供模拟有线电视节目。（3）“FTTH”光纤到用户EPON非常适合进行FTTH光纤到户的综合业务接入(低成本，丰富的家庭业务接口，如GE/FE、POTS、CATV)，以及园区网的接入，如工业园、开发区、大学城等，尤其对于新规划园区来讲，合理的进行光纤部署，从而做到一步到位。3 EPON的基本原理和传输原理3.1EPON的基本原理与其它PON技术一样，EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的，主要由OLT、ODN、ONU三个部分构成，如下图：图3 EPON的网络结构其中OLT作为整个网络/节点的核心和主导部分，完成ONU注册和管理、全网的同步和管理以及协议的转换、与上联网络之间的通信等功能；ONU作为用户端设备在整个网络中属于从属部分，完成与OLT之间的正常通信并为终端用户提供不同的应用端口；ODN在网络中的定义为从OLTONU的线路部分，包括光缆、配线部分以及分光器（Splitter）全部为无源器件，是整个网络信号传输的载体。其中光缆部分选用G.652、G.657系列的全部型号光纤，分光器可以从1:21:32可选（1:64的分光器因成本原因基本上在网上没进行使用，OLT到ONU之间的传输距离一般10km-20km,原则上是10KM用1:32的分光器，20KM用1:16,因为分光器分光比例越高，光衰耗越大。OLT（OpticalLineTerminal）放在中心机房，ONU（OpticalNetworkUnit）放在用户设备端附近或与其合为一体。OND是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下行波长：1490nm，另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长，来传递模拟电视信号）。OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口（PON接口）。根据以太网向城域和广域发展的趋势，OLT上将提供多个1Gbps和10Gbps的以太接口，可以支持WDM传输。OLT还支持ATM、FR以及OC31248192等速率的SONET的连接。如果需要支持传统的TDM话音，普通电话线（POTS）和其他类型的TDM通信（T1E1）可以被复用连接到出接口，OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoSSLA的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。OLT根据需要可以配置多块OLC（OpticalLineCard），OLC与多个ONU通过POS（无源分光器）连接，POS是一个简单设备，它不需要电源，可以置于相对宽松的环境中，一般一个POS的分光比为8、16、32、64，并可以多级连接，一个OLTPON端口下最多可以连接的ONU数量与设备密切相关，一般是固定的。在EPON中系统，OLT到ONU间的距离最大可达20km。在下行方向，IP数据、语音、视频等多种业务由位于中心局的OLT，采用广播方式，通过ODN中的1：N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元。在上行方向，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1：N无源分光器耦合到同一根光纤，最终送到位于局端OLT接收端。根据ONU在所处位置的不同，EPON的应用模式又可分为FTTC（光纤到路边）、FTTB（光纤到大楼）、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。在FTTC结构中，ONU放置在路边或电线杆的分线盒边，从ONU到各个用户之间采用双绞线铜缆；传送宽带图像业务，则采用同轴电缆。FTTC的主要特点之一是到用户家里面部分仍可采用现有的铜缆设施，可以推迟入户的光纤投资。从目前来看，FTTC的主要特点之一是到用户家里面部分仍可采用现有的铜缆设施，可以推迟入户的光纤投资。从目前来看，FTTC在提供2Mbps以下窄带业务时是OAN（称光纤接入网）中最现实、最经济的方案，但如需提供窄带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想。在FTTB结构中，ONU被直接放到楼内，光纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN，即FTTB+ADSL、FTTB+Cable和FTTB+LAN等方式接入用户家中。FTTB与FTTC相比，光纤化程度进一步提高，因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区。FTTO和FTTH结构均在路边设置无源分光器，并将ONU移至用户的办公室或家中，是真正全透明的光纤网络，它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束，是光纤接入网络发展的理想模式和长远目标。3.2EPON的技术优点EPON的优点主要表现在：u 相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大；EPON系统对局端资源占用很少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高；EPON系统是面向未来的技术，大多数EPON系统都是一个多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。u 提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。u 服务范围大，EPON作为一种点到多点网络，可以利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。u 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。EPON可以通过DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的QoS。3.3EPON的传输原理EPON与APON最大的区别是EPON根据IEEE802.3协议，包长可变至1518字节传送数据，而APON根据ATM协议，按照固定长度53个字节包来传送数据，其中48个字节负荷，5个字节开销。这种差别意味着APON运载IP协议的数据效率低且困难。用APON传送IP业务，数据包被分成每48个字节一组，然后在每一组前附加上5个字节开销。这个过程耗时且复杂，也给OLT和ONU增加了额外的成本。此外，每一48个字节段就要浪费5个字节，造成沉重的开销，即所谓的ATM包的税头。相反，以太网传送IP流量，相对于ATM开销急剧下降。EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。所采取的不同的上行/下行技术分别如图所示：图4上/下行技术原理图5上/下行技术原理当OLT启动后，它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU上电后，根据OLT广播的允许接入信息，主动发起注册请求，OLT通过对ONU的认证（本过程可选），允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个本OLT端口唯一的一个逻辑链路标识（LLID）。数据从OLT到多个ONU以广播式下行（时分复用技术TDM），根据IEEE802.3ah协议，每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识（LLID），该标识表明本数据帧是给ONU（ONU1、ONU2、ONU3.ONUn）中的唯一一个。另外，部分数据帧可以是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播）。当数据信号到达ONU时，ONU根据LLID，在物理层上做判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给其它ONU的数据帧。举例，图4中，ONU1收到包1、2、3，但是它仅仅发送包1给终端用户1，摒弃包2和包3。对于上行，采用时分多址接入技术（TDMA）分时隙给ONU传输上行流量。当ONU在注册时成功后，OLT会根据系统的配置，给ONU分配特定的带宽带宽对于PON层面来说，就是多少可以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为16ns。在一个OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU与OLTPON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能够在OLT给他分配的时刻上面开始，用分配给它的时隙长度传输数据。通过时隙分配和时延补偿，确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时，各个ONU的上行包不会互相干扰。对于安全性的考虑。上行方向，ONU不能直接接收到其它ONU上行的信号，所以ONU之间的通信，都必须通过OLT，在OLT可以设置允许和禁止ONU之间的通信，在缺省状态下是禁止的，所以安全方面不存在问题。对于下行方向，由于EPON网络，下行是采用广播方式传输数据，为了保障信息的安全，从几个方面进行保障。所有的ONU接入的时候，系统可以对ONU进行认证，认证信息，可以是ONU的一个唯一标识（如MAC地址或者是预先写入ONU的一个序列号），只有通过认证的ONU，系统才允许其接入。对于给特定ONU的数据帧，其它的ONU在物理层上，也会收到数据，在收到数据帧后，首先会比较LLID（处于数据帧的头部）是不是自己的，如果不是，就直接丢弃，数据不会上二层，这是在芯片层实现的功能，对于ONU的上层用户，如果想窃听到其它ONU的信息，除非自己去修改芯片的实现加密，对于每一对ONU与OLT之间，可以启用128位的AES加密。各个ONU的密钥是不同的。VLAN隔离：通过VLAN方式，将不同的用户群、或者不同的业务限制在不同的VLAN，保障相互之间的信息隔离。3.4EPON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的层次模型如下：图6 EPON的层次模型4 EPON组网规划4.1组网规划建议不同用户类型的ONU通过不同PON口接入到OLT，保证高价值客户业务的QoS和安全性，避免相互影响；对于重要局点OLT建议通过上行端口链路聚合保护方式接入上层汇聚设备（如：华为公司的NE40E设备）；对于高带宽需求政企客户可考虑通过FE/GE口通过P2P方式接入OLT，以保证用户独享带宽；对于重要局点ONU建议通过TypeB保护方式接入OLT；同一ONU设备不能同时接入住宅用户和企业用户。设备管理：认证方式：FTTB组网模式下ONU设备统一采用MAC认证设备管理方式，FTTB组网模式下ONU设备由网管通过SNMP直接管理上网业务规划同一型号ONU采用相同的VLAN配置，并统一在OLT进行CS+C切换；同一型号ONU采用相同的各种模板：线路模板、DBA模板、能力集模板；在ONU设备上基于VLAN对上网业务报文重标记Cos(802.1p)为0，以避免上网业务流量影响其他重要业务。4.2VLAN规划客户类型业务类型VLAN标记方式说明居民用户高速上网S+C/PPPoE两层VLAN标签，精确定位用户VoIP话音单层SVLAN单层VLAN标签，标识业务小企业用户高速上网S+C/IPoE两层VLAN标签，精确定位用户VoIP话音单层SVLAN单层VLAN标签，标识业务中大型企业客户高速上网单层SVLAN单层VLAN标签，标识业务VoIP话音单层SVLAN单层VLAN标签，标识业务视频会议单层SVLAN单层VLAN标签，标识业务VPN业务单层SVLAN或SVLAN企业VLAN当L3VPN时，单层SVLAN；采用L2VPN时，TLS方式，透传企业VLAN标签表1 VLAN规划OLT类似于一个综合接入设备，上联可以接入PSTN、NGN、IP、IPTV、MSTP、CATV等多个网络，如下图：图7局端网络内部连接示意图ONU可以根据用户需求提供业务端口，如GE、FE、POTS、CATV、E1、WLAN等；也可根据实际需求提供不同数量的业务端口，如语音目前最大能提供16个端口，FE能提供最多24个端口,且ONU的型号根据用户需求也在不断的增加中，不同厂家的型号具体不同，但通信原理基本都是一致的。4.3EPON方案举例根