EPON组网技术方案简介.doc

广电网络双向改造EPON技术方案简介一、项目概述1、背景介绍目前广电行业正处于全国数字电视整体转换的历史时期，有线电视网络除了传统广播电视业务的运营外，对数字电视、语音通信、宽带数据等多业务融合的有效支持，实现综合性全业务运营已成为业界普遍认同的趋势。国家“十一五规划”中明确提出了计算机网络、通信网络、广电网络实现“三网融合”的总体要求，近年来，下一代网络也一直是业界谈论的焦点。基于广电HFC 网络， 如何进行网络改造，顺利过渡到下一代有线电视网络（NGCN），逐步开展全新的数字电视业务以及丰富的增值业务，是广电行业面临的巨大挑战和历史机遇。另一方面，根据广电有线XXXXX分公司业务的发展和目前网络运营模式的发展趋势，现有的网络承载和接入能力已经不能满足当前市场的需求，需要同时提供互动数字电视和宽带上网业务，急需对现有网络进行改造。建设一个高带宽、高可靠性、可运营管理、具备多种业务综合承载能力和扩展性的网络，将成为广电有线XXXXX分公司开展全业务运营的关键。2、总体需求广电有线XXXXX分公司规划依靠其原有的HFC网络来承载互动数字电视和宽带上网业务。为此，必须对原有承载网络进行双向扩容改造，以满足不同阶段对用户的多业务接入需求。网络改造的总体要求体现在以下几个方面：2.1、可运营方面考虑多业务承载和接入：确保能够开展三网融合后的三大业务。精细化运营：用户业务的精确定位和服务管理，提高网络对各种业务的可控性和网络自身的灵活性。网络平滑扩容：随业务规模和种类的增长，网络能够相应“成长”。2.2、可管理维护方面考虑系统的可靠性和安全：核心网络架构的可靠性、设备本身的可靠性、网络安全的防范能力。具备抗病毒和黑客攻击能力；网络具备提供业务安全能力，实现不同的业务安全隔离，确保电信级业务和Internet业务的隔离，保障电信级业务的安全；确保用户安全,防范非法防范和非法入侵，实现病毒的隔离，完善的用户认证控制机制实现细粒度管理；统一网管：路由交换设备、OLT设备、EPON端口、ONU设备和端口、楼道交换机或无源EoC等设备的统一管理。接入层高效维护：楼道接入交换机及无源EoC的集中远程管理和配置。2.3、项目目标本期项目的总体目标，是广电有线XXXXX分公司为了在未来两至三年左右的时间阶段内，满足在市区内为市民提供互动电视、宽带上网等双向业务，而实施用户接入网络双向改造，特别是目前正在操作的正棱山庄、怡心花园和平塘花园等小区网络双向改造试点。由此也检验EPON技术和无源EoC接入技术的使用情况。2.4、网络设计原则实事求是的原则 就是要求网络规划要从技术角度保障方案实施的可行性。一切从实际出发，实事求是。经济适用性的原则 要以市场为导向，如果建设太超前，原始投资就不能马上全部得到收益，因此在规划中需充分把握技术先进性与经济适用性的分寸，不能盲目追求功能的先进与完备高可靠性 合理选择设备、规划网络结构和路由部署，网络具备一定的冗余度和较强的故障自愈能力，保证网络稳定可靠运行。 高性能 设备处理能力、网络带宽及业务承载能力设计时应有余量，保证网络在高负荷或任何单点故障情况下仍具有较高的吞吐能力,不影响业务质量。 扩展性强 要求网络结构满足当前IP城域网发展的趋势，先实现网络的两个转发平面的逻辑分离，以后可以通过设备的增加和升级，使网络能够实现真正分离的两张物理网络，可以更好的承载Internet业务和增值业务。 多业务支持能力强 通过划分逻辑平面，使网络具备端到端的QoS保证能力，通过合理规划，能满足多业务承载的QoS要求。实现多种业务的安全隔离，避免相互干扰，充分保证各业务的安全性。 可运营可管理 网络应提供良好的业务管理和灵活的控制能力；实现集中监测、分权管理，实现统一的网络业务调度和管理，降低网络运营成本。 二、关键技术介绍1、EPON的基本原理与其它PON（无源光网络）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。EPON的系统结构如图所示。 一个典型的Ethernet over PON系统由OLT、ONU、POS组成。OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房，ONU（Optical Network Unit）放在用户设备端附近或与其合为一体。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，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）。 图1 EPON原理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1 Gbps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（Optical Line Card），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、128，并可以多级连接，一个OLT PON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。EPON的优点主要表现在：1) 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。2) 提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1Gbps的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。3) 服务范围大。EPON作为一种点到多点网络，可以局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。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。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。2、EPON的传输原理 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2所示：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）。 图2 上下行传输原理数据从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），在图3的组网结构下，在分光器处，流量分成独立的三组信号，每一组载到所有ONU的信号。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3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，（在采用动态带宽调整时，OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告，动态的给每一个ONU分配带宽，动态带宽调整的进一步说明见后面章节）。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OLT PON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：1) 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。2) 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。3) 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。4) 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、灵活QinQ技术QinQ实现方式一种是基于端口的QinQ，一种是基于流分类的灵活QinQ。基于端口的QinQ的实现机理如下：当该设备端口接收到报文，无论报文是否带有VLAN Tag，交换机都会为该报文打上本端口缺省VLAN的VLAN Tag。这样，如果接收到的是已经带有VLAN Tag的报文，该报文就成为双Tag的报文；如果接收到的是untagged的报文，该报文就成为带有端口缺省VLAN Tag的报文。由于基于端口的QinQ比较容易实现，所以业界主流厂家的三层交换机都支持。基于端口的QinQ的缺点是外层Vlan Tag封装方式死板，不能根据业务种类选择外层Vlan Tag封装的方式，从而很难有效支持多业务的灵活运营。基于流分类的灵活QinQ实现机理如下：基于流的QinQ特性（Selected QinQ），可灵活根据流分类的结果选择是否打外层VLAN tag、打上何种外层VLAN tag：如根据用户Vlan tag、MAC地址、IP协议、源地址、目的地址、优先级、或应用程序的端口号等信息实施灵活QinQ特性。借助上述流分类方法，实际实现了根据不同用户、不同业务、不同优先级等对报文进行外层VLAN tag封装，对多种业务实施不同承载的方案。4、无源EoC技术原理无源EOC是基于有线电视同轴网的特点而设计的以太网接入系统，无源EOC传输技术利用了有线电视信号使用45860MHz高端频率，以太网的基带数据信号使用020MHz的低端频率，两者可以在同一根电缆中传输而互不影响。把以太网的数据基带信号与电视信号通过合路器送到原电视网的分配电缆上，一起送至用户。在用户端，通过分离器将电视信号与数据信号分离开来，电视信号送入电视机，数据信号送入计算机或者作为双向户动电视数据信号回传通道。这样不改变原电视分配网的电缆系统，又不用另加5类线，就可以为有线电视同轴网双向改造提供了一种经济实用的技术方案。 无源EOC可以利用同轴电缆代替EPONLAN方案中的五类线，通过基带传输（占用020MHz频带，10Mbps），无源EOC技术原理如图3所示。主要由二四变换（见图3）、高/低通滤波两部分实现。由于采用基带传输，无需调制解调技术，无论楼道端、用户侧设备均是无源设备。整体解决方案简洁、成本低。图3 无源EOC技术原理图4 二四变换方案之一采用无源滤波器的方法，将处于低频段（45MHz）的基带以太网和处于高频段（45MHz860MHz）的TV信号在一根同轴上混合传输。由于现有的以太网技术是收发共两对线，而同轴在逻辑上只相当于一对线，所以在无源滤波器中需要进行四线到两线的转换。从要求的基带频段上看，只适用于10Mbps以太网的传输（基带传输频带为020M），而无法做到100Mbps以太网的传输（基带传输频带需到125M）。图5 无源EOC设备模型5、无源EoC的改造方案 无源EOC方案只适合点对点的应用，因此对最终用户这段同轴网络要求为集中分配方式（星型拓扑）；部分地区需要把楼内布线改造为集中分配方式。楼内布线可以只对楼道垂直部分的布线进行改造，如图6所示。这种改造简单易行，成本不高。图6 楼道集中分配的无源EoC改造方案另一种改造方案是，垂直布线采用五类线，只有入户的水平布线采用同轴线缆。这样ETB（EoC合成器）的安装位置在每楼层的分支器后，ETH（EoC分离器）的安装仍在用户家中电视接口处。如果家庭布线为树型结构，分配器需要使用EOC特定的分配器如图7所示。图7 楼道树状分配的无源EoC改造方案6、无源EoC改造方式的技术优势1) 可以充分利用现有的同轴网络资源，无需对入户电缆重新改造。2) 每端口建设费用低，用户端直接嵌有线电视面板内，不需要其它附加的室内设备。3) 即插即用的解决方案， 无需在客户端进行复杂的调试。4) 一根同轴电缆把数据和有线电视信号接入室内。5) 用户端无需有源设备，网络运行稳定、安全。6) 无须考虑回路中的侵入噪声。7) 简单方便的运营维护，费用低。三、方案设计1、 总体设计根据XXXXX有线网络现状，结合本次试点三个小区的有线电视同轴电缆网均为集中分配、管道敷设的情况，确定本次试点采用EPON+无源EOC的方案。据此，局端设备需考虑新增1台OLT，汇聚接入各栋楼的ONU，并连接到城域网和广播电视网络中，提供Internet接入和回传通道。接入侧方面每栋楼放置一台ONU，通过五类线下接楼道内无源EOC，通过同轴电缆完成入户，来搭建一个OLT+ONU+EOC 的EPON网络平台。根据施工设计，三个小区共享一台OLT，每个小区占用一个PON口。由于一个PON口能够提供1G带宽，接入32个ONU，综合考虑每个小区的楼栋和用户数，可以得知每小区一个PON口能够满足需求，平均每用户的带宽在2M以上，足以满足全部业务所需。考虑到日后扩容需要，本次工程准备使用具备4个PON口的OLT。2、 汇聚层建设方案OLT放置在主前端机房，本次工程通过1条GE光链路连接到IP城域网的核心路由器，由于EPON接入侧的峰值流量为3G，随着用户的增加，可增加GE链路数量，并进行链路聚合。汇聚层采用华三的路由、交换和EPON一体化平台 S7500E系列设备提供综合的EPON、光纤以太网或五类线以太网的汇聚能力。出于可扩展性的考虑，我们选择在汇聚层设备S7500E上同时提供了三层路由、二层交换和EPON传输的功能，向下可以为终端用户提供光纤/五类线的纯以太网和EPON等多种接入方式，向上依靠强大的路由和交换功能实现与核心骨干的平滑衔接。3、 接入层建设方案本次网络改造覆盖的小区住宅楼在前期有线电视同轴电缆网建设时为全集中分配，且小区建设有有线电视地下管道，符合通信光缆的布放需求，因此非常适合采用EPON+EOC技术来实现整个小区双向接入。另外，考虑ONU及EOC在取电时可能无法就地解决220V电源，因此决定所有的ONU及EOC均采用60V供电方式由小区光站箱内的供电器集中供电。在光缆铺设中，光分路器首先选择放置在该小区的光站箱内，其次选择放置在楼道或者走线井中，尽量选用1:16的光分路器，减少级联次数，降低光损耗。在光站箱中安装光缆配线架（ODF），每个ODF负责邻近几栋楼的接入，从该ODF到每栋楼布放1芯光缆，实现FTTB。在每栋楼中放置一台ONU，下面级联楼道内的无源EOC，用楼道内的无源EOC替换原楼道内的十二分配器即可。ONU设备我们选用华三的ET704系列，EoC接入设备我们采用上海傲蓝的ELINK6212/6212MA系列EoC设备。傲蓝产品拥有HFC“最后一百米”双向接入技术及ELINK产品相关的8项专利，其ELINK产品在国内第一家全面进行交互数字电视整转地区-山东淄博广电大规模应用，并通过国家广电总局组织的测试与验收，是国内商用成熟度最高的产品。4、光分配网设计4.1、骨干光纤芯数根据前面的带宽计算，本接入试点工程只2芯骨干光纤即可满足当前和未来的需求，考虑到小区内光纤实际拓扑和楼栋分布情况、PON口冗余等因素，本方案对四个小区各采用1芯骨干光纤，即4芯。初期只需要配置两个PON口即可满足要求。4.2、分光比为了将来扩容方便，初期我们使用两个PON口，在一个PON端口下增加一个12光分路器（如上图1），另一个PON口下增加一个14分光器。将来带宽不足需要扩容时，只需在OLT上增加PON口，相应去掉这个分路器下面的12分光器，或把14分光器换成12分光器，这样每个PON就从1:64分光变为1：32分光，带宽就相应成倍增大（如下图2）。4.3、分光器选择现在常用的光分路器有两种类型：熔融拉锥式光纤分路器和平面光波导分路器。两种器件各有优点。熔融拉锥式光纤分路器的优点是成本较低，可实现不等分分路。但其主要缺点有：1) 损耗对光波长敏感，一般要根据波长选用器件，这在三网合一使用过程是致命缺陷，因为在三网合一传输的光信号有1310nm、1490nm、1550nm等多种波长信号。2) 均匀性较差，14标称最大相差1.5dB左右，18以上相差更大，不能确保均匀分光，可能影响整体传输距离。3) 插入损耗随温度变化变化量大（TDL）4) 多路分路器（如116、132）体积比较大，可靠性也会降低，安装空间受到限制。平面光波导技术是用半导体