EPON在广电网络中的应用

唐明光 、全光接入技术 、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1000 在城域网侧已经可以支持千兆和万兆的速率， 在用户侧和城域网侧之间数据的传送却大部分为不足 1的速率。 接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈。 2、 宽带接入网技术方案 通信业界多年来一直认为， 接入网未来的方向。它在解決宽带接入问题上普遍被认可，无论设备和运行、护维、网管方面，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。 0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 最初 ，并由 目前则有两个颇为引人注目的新的 其一是由 准， 其二是由 准。 1） 行 以 时将物理层 上行 以突发的 在每个 53字节长的 字节的物理层开销，用以支持突发发射和接收。 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 理层采用 经过以 21个全球主要电信运营商为主的 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； 2000年 4月批准其控制通道规范的标准； 2001年又发布了关于波长分配的标准：，利用波长分配增加业务能力的宽带光接入系统。 * 基于 * 对称（双向 s）和非对称工作方式（下行 s，上行 s） * 最多能支持 32个用户的光分支，最大传输距离 20 单纤或双纤操作 * 利用波长分配增加业务能力 该标准是一个良好的开端，它为 考核 光纤接入 设备供应商提出了一种现实的性能要求。世界上有不少厂家已在按此标准生产或开发基于 ： 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换式数字视频业务时，为了满足电信公司不断增长的带宽需求， 如， 中心局到用户驻地） 62255且在除去 用（可出售）的带宽只有 448 随着未来每用户带宽需求的增长，这将成为部署且很大程度限制了每个 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 2） 于上述原因，多年前 标准要能够满足迅速增长的带宽和业务需求。这个标准被称为被 为 频和数据业务的一种切实可行的方案。更重要的是， 支持未来向全分组 /全 有的语音、视频和数据流在用户端被封装并被传回中心局。 有业务流使用 一种变种被映射并穿越 频和数据，而无需附加 使用 行速率从 155对于 比特级的无源光网络。 、 。由于 此 此更受运营商的青睐。但由于 此目前 而 能支持多种业务，对所有业务最优化。 3） 2000年 12月， 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（ 在 750s； 点到点光纤上的以太网，在最长 10s； 点到多点光纤上的以太网（ 在最长10000s。 此外，该工作组还将定义以太网的运行、管理、维护（ 使它具有远端故障显示、远端环回和链路监测等功能。 a）关于 世界上有几个主要组织负责开发 二十世纪八十年代，世界上许多大的运营商将光接入网引到他们的网络中。可是其中的大部分停留在试验局阶段，主要原因是其高昂的费用以及当时少的可怜的业务需求。 随着 了 90年代大量的对带宽的需求又使宽带接入重新成为主流。 1995年， 7个主要的电信业务提供商发起并建立业务接入网组织，以加速光接入网的商用化。 随后一些主要的设备制造商也加入到该组织中，包括： 等公司。 这些文档作为建议反馈给 15研究组。 际电气和电子工程师协会） 802委员会的 in 第一英里以太网联盟 )则是一个支持基于 统集成和通信运营商等， 包括 in 个主要目标： *支持由 。 *致力于集中技术资源促进关于技术规范的协调和统一。 *促进业界了解、接受和推动第一英里以太网技术和产品。 *协调各个设备制造商相互协作，鼓励和推动彼此之间的合作。 b） 无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。目前 , 5%以上。连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。 10 在 在领先的有国际上有 有一些老牌公司如内在 中理工，武汉烽火等。如华为公司的多业务 持 持 供动态 /静态带宽分配、弹性保护倒换等功能。 二、 1、 统是一个典型的光接入网，它由 下图示： O N T O D 节 点 功 能V 参 考 点S N 考 点U N 系 统 管 理 功 能Q 3A F 一套典型的 统由 过 下行方向， 上行方向， E（ 将来 10了支持其他流行的协议， 2/48/192等速率的 1接口来实现传统的 现网络管理的主要功能。 无源光纤分支器，是一个连接 入用户终端。 形，总线形，以及混合型。 （ A）树型拓扑 （ B）总线型拓扑 （ C）环型全保护的拓扑结构 （ D）主干路带保护的树型拓扑 （ E）主、支路带保护的树型拓扑 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： 2、 有两个因素影响无源光网络的传输距离： 第一个是光功率，它由光线路终端（ 激光器和线路损耗决定。 第二个是光网络终端（ 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 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。 该算法要计算和调节各 离产生延迟。当延迟增加时， 直接影响 此要限制 0多数厂商建议为 10 下图显示了 对 选择光分路器的位置时必须考虑 中黄色圆环代表了 例中为 20绿色圆环代表了 分路器到 者之和不能超过 20中给出了两个例子：一个是分路器距离 9而其服务半径只有 1是分路器距离 而其服务半径为 10两个服务区域内都有32个 这就导致需要进行复杂的权衡，并且需要经常评估下列情况： * 如果在 2个用户，每用户分摊的 * 如果在 2个用户，仅仅为了支持第 33个用户，就需要增加 果导致每用户分摊的 * 如果在现有的 要增加一个 果导致每用户分摊的 * 如果在 0需要 在一个新地点安装一个完整的 果导致每用户分摊的 与传输距离有关的光功率预算，其需要补偿 其总功率必须在普通单模光纤的前新型光纤的 此可以适用于需要传输更大光功率的场合。 4、 a） 对于以太网技术而言， 对以太网 003年 1月发布的 数据发送 数据接收 光发送器 光接收器 发送器 光接收器 数据发送 数据接收 1:n 无源光 分路器 介质 接入 逻辑 介质 接入 逻辑 波分合路 波分合路 下行 1490 上行 1310 数字 /模拟电视 1550 线路终端）、 网络单元）以及 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。 下行方向（由 用广播方式，每一个 据其 上行方向（由 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 每个 隙可变的传输窗口，用于 为了实现时隙的管理， 采用 门（ 息”给 报告（ 息” 向 过接入控制机制将各个 行信息速率均为 1 Gb/s（由于其物理层编码方式为 8B/10s），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。 b) 每用户带宽 在 为所有用户终端共享 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光比。例如， 2时，每个 2Mb/s。 这又增加了每用户的成本。例如， 2降到 1:16，可使每用户的带宽增至 64Mb/s，但是每用户均摊的 c） ） 多点控制协议 拓扑结构为不对称的基于无源光分路器的树形分支结构。 建立在础上的系统。 AC 层的一项功能。 态机，定时器来控制访问到多点）的拓扑结构。在 以和 为此， 2 子层通过在每个数据报的前面加上一个 逻辑链路标识 该 可使 位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即 系统运行过程中，上行方向在一个时刻只允许一个 于 同 便优化 宽授权、测距等。 高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。 系统同步： 系统同步是指由于 个 防止各个 在 行方向 本地时钟与 完成系统同步；上行方向 需人工干预完成对新 新 随机延迟时间： 发生注册冲突时，发生冲突的 是在响应开窗时随机延迟一定时间（但必须保证 采用随机延迟时间 的方法可以缩短 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。 随机跳过开窗： 发生注册冲突时，发生冲突的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 8s(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。 ） 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。所以在分组交换业务与电路交换业务结合有利于 此，现在的 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 ） 根据 此， 个余的数据报丢弃不再转发。 不过 为此， 002年下半年起召开几次的会议，专门讨论有关 议就关于安全性的问题是单独放在 是放到整个 802体系中解决，决定单独成立一个任务组结合 责整个 802体系的安全性问题的研究和解决。 2003年 1月份以原 在尽量保证以太网体系架构的基础上，结合 强和完善 ） 对于以太网来说，第一英里接入是一个全新的应用。因此，它要求一个完整的新的电信级的管理。 和传统的局域网不同，在第一英里的终端用户不是按照以太网业务提供者的要求而配置的，第一英里包括局端设备（ 远端设备（ 因此，局端设备必须要有能力监测业务提供网络和用户驻地网络之间的物理链路和设备的一些重要的信息。 端错误指示，远端环回，链路监视。 用长度 /类型域为 8809的慢协议帧传送 5） 以太网无源光网络 (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（ 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 视频点播（ 标准电视和高清电视( 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。 表格：常见接入业务类型及其带宽需求 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（ 及服务等级 (要求也差异很大。 为了确保与 02的结构兼容， 得 据 此， 为每个不同的 样每个 余的数据报丢弃不再转发。 在这样一个接入网中，每个 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 (对服务质量（ 不同的要求。 a） * 每个 在这样的配置中， 样，从带宽分配机制上，将会变成一个分级的带宽分配结构。上层的据 配给而每个 进行带宽分配。如下图所示： 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 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。 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： ） 在这种传输机制中，低优先级的业务艰难生存。因为当 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 输包会和上报内容不一致。考虑到和 有可能会出现以太数据无法成帧的尴尬局面。 ） 在 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， 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， 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 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 1 表格：高优先级的业务时延为 1 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（ 如 求语音在接入网中的时延要小于 在 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 难保证业务的公平性，对业务也很难提供保护。 * 基于业务分配 为了解决 用针对不同业务分配不同 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 所有的工作都统一由 度和分配。请求，然后通过门（ 息分发给不同业务的授权。这样的话， 这样的系统中， 在这种方法中，由于每个业务需要分配一个此需要占有更多的开销。 每种业务一个 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 务质量 )，尤其对时延敏感性业务，可以降低接入时 延。 b） 在 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 干光纤 （ 分支光纤（ 后到达每一个 如果 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。 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 不仅能有效的解决业务传递的连续性；更可以提高 定性；提供业务的服务质 量，同时也将提高运营商的收益。 为了解决现有网络系统中存在的缺陷，需要把立新型的具有自愈功能的 足运营商运营的要求。 与传统的 有控制简单、生存性强等突出特点。 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 备故障两大类。针对这两类故障实施的保护也有两种。 ）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 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。 * 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 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。 ）设备故障： 主要有 * 仅要完成所有 权、管理等等工作，而且还有负责 态带宽分配（ 及数据的交换。如果 接到该 所有 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。 * 责用户业务的传递。如果 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 类故障的优先级较低，应尽量避免发生。 解决的方法是 O L U1 x n 分 光 器( n ) 1 x 2 分 光 器2 x n 分 光 器( 1 ) 树 型 & 总 线 型( 2 ) 光 纤 保 护 树 型O L U O N U( 4 ) 全 保 护 总 线 型( n ) 2 x 2 分 光 器光 纤 环 路光 纤 环 路O L 环 路1 x n 分 光 器1 x n 分 光 器( 3 ) 全 保 护 树 型备 用O N 数据接收 光发送器 光接收器 发送器 光接收器 数据发送 数据接收 1:n 无源光 分路器 介质 接入 逻辑 介质 接入 逻辑 波分合路 波分合路 下行 1490 上行 1310 数字 /模拟电视 1550 三、 1、 1）局端（ 用户（ 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 1490行1310下行 1550行 1490 ，仅需一根主干光纤和一个 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 此可大大降低 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（ 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。 4）点对多点的结构，只需增加 分保护运营商的投资。 5） 中 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 1550可实现视频业务广播传输。 2、 目前市场上主流的 3、 作在 10和工作在 20000。 。 4、 向上的接口有： 视信号接口，其它网络接口。 向下的接口有：波分复用器（ 口，网络管理接口。 频点播和 1业务、带宽分配、 络安全等。 5、 由光纤分路器组成。用于连接 进行光功率分配。 通常，一个分光器的分线率为 8、 16、32，并可以多级连接。 6、 下提供各种应用接口（如 10/100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 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。 7、系统工作原理 1）传输方式 系统采用单光纤 3个波长来传输全业务，下行波（ 1310/1490过波分复用，用于传输数据、语音和 第三个波长（ 1550于下行 用这种设计，06个以上的光节点。 电视信号通过 音、视频点播等双向业务通过 2） 多种业务信号通过骨干网传输到中心局（前端），然后被 用户服务采用的是广播方式，经 电转换及相应处理后，每个 收属于自己的数据包。每个 定该以太帧是被接收或被遗弃。 原理如图： 下行传输原理图： 3） 上行采用时分多址接入（ 系统在进行测距和时延补偿后， 个 好占据分配给它的一个指定时隙，以避免不同 理如图： 上行传输原理图： 8、 1）系统能提供高带宽。 本地的 多达 64个 00 2）协议转换成本低。 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。 3）系统成本低，建设周期短。 相对非 用 由于大多 结构与 此，在现有的 需要对现有的 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。 4）安全性高。 行利用时分多址接入共享带宽。支持 供安全的网络接入。 5）更好的 系统没有双向 外， 中 辅以电信级的网管系统 ,足以保证传输质量。使得 活多样的服务产品来增加收入，增强 、与传统 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 (1000 (双芯光纤 :光纤收发器 :城域机房 单芯光纤 分路器 成本比较区间 300 P 层交换机 10、 O L U1 x n 分 光 器( n ) 1 x 2 分 光 器2 x n 分 光 器( 1 ) 树 型 & 总 线 型( 2 ) 光 纤 保 护 树 型O L U O N U( 4 ) 全 保 护 总 线 型( n ) 2 x 2 分 光 器光 纤 环 路光 纤 环 路O L 环 路1 x n 分 光 器1 x n 分 光 器( 3 ) 全 保 护 树 型备 用O N U 可采用不对称分光比分支器，保证每条链路在设备光接受灵敏度范围内 O L T( n ) 1 x 2 分 光 器O N 最大为 1： 32的光分支比，传输距离 20用于用户较集中的情况 O L U1 x n 分 光 器树型 传输方式 系统采用单光纤 3个波长来传输全业务： 下行波长（ 1310/1490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（ 1550于下行 采用这种设计， 02个光节点。 11、实际产品 1）盛立亚公司 在广电网络中的应用 光纤到户 2）华为公司 506R、 6506、 6503、 6502四种机箱，外形结构如下图所示。 槽 ) 4槽） 7槽 ) 8槽） 形结构如下图所示： 2008 2000 内置 3）飞鸿公司 4、入户方案考虑因素 用户数及其结构分布 楼栋和机房的供电方式 工作环境 用户需求 业务接入方式 目前网络存在的安全问题 网管方式 3幢 180户的住宅楼 机房 220纤到户 南方气候 保证每户 30 数据业务和 举例说明： . 统一集中网络管理 单元 1/12户 单元 3/6户 单元 3/6户 单元 4/12户 单元 5/12户 1#楼 60户 单元 2/12户 2#楼 60户 3#楼 60户 中心机房 例子：小区结构分布图 结构特点： 机房距离住宅楼 2