EPON技术

EPON技术中国电信接入网维护及装维技能竞赛教材编写小组编制目录第一章EPON技术起源- 3 -1.1 接入网的发展特点- 3 -1.2 接入层业务需求分析- 3 -1.3主要接入技术分析- 4 -1.4 光纤接入的应用模式（FTTx）- 4 -第二章EPON技术特点- 4 -2.1 EPON的定义和组成- 4 -2.2 EPON系统数据传输机制- 5 -2.3 EPON的网络位置- 6 -2.4 EPON系统组网方式- 6 -2.5 技术比较（EPON vs MC）- 7 -2.6 网络和业务比较（EPON vs MC）- 8 -第三章 EPON技术原理- 9 -3.1 EPON工作原理- 9 -一、EPON下行的工作原理- 9 -二、EPON上行的工作原理- 10 -3.2 EPON的关键技术- 11 -一、 LLID- 11 -二、突发模式光收发技术- 12 -三、MPCP协议- 13 -四、定时与同步- 14 -五、注册- 15 -六、测距- 16 -七、DBA- 18 -八、OAM管理- 18 -九、业务QoS处理- 19 -3.3 EPON系统工作过程- 20 -3.4 EPON保护- 20 -第四章 EPON技术应用- 22 -4.1 业务提供- 22 -4.2 EPON的安全机制- 23 -4.3FTTH网络组网- 23 -4.4 FTTB 网络组网- 23 -4.5 EPON与GPON的特点对比- 25 -第一章EPON技术起源1.1 接入网的发展特点l 从简单语音需求逐渐向数据、多媒体、综合业务需求发展l 综合业务应用对带宽的要求越来越高l 不同的业务应用需要相应QOS技术保证l 综合业务的需求导致接入手段不断增加1.2 接入层业务需求分析l 业务需求群体的差异化l 业务需求种类的差异化l 业务种类对带宽要求的差异化思考：业务需求的不断增加对接入层带宽要求越来越高已是事实，如何提供高带宽的接入网 ？1.3主要接入技术分析主要技术包括铜线接入技术和光线接入技术。l 铜线接入 ADSL VDSL LAN接入l 光纤接入 P2P P2MP注：有线接入的未来与发展趋势光接入1.4 光纤接入的应用模式（FTTx）l 光纤到家庭用户FTTH 仅利用光纤传输媒质连接通信局端和家庭住宅的接入方式，引入光纤由单个家庭住宅独享。l 光纤到公司/办公室FTTO 仅利用光纤传输媒质连接通信局端和公司或办公室用户的接入方式，引入光纤由单个公司或办公室用户独享，ONU/ONT之后的设备或网络由用户管理。 l 光纤到楼宇/分线盒FTTB/C 以光纤替换用户引入点之前的铜线电缆，ONU部署在传统的分线盒（用户引入点）即DP点（DP distribution point分配点），ONU下采用其他介质接入用户l 光纤到交接箱FTTCab 以光纤替换传统馈线电缆，ONU部署在交接箱即FP点处，ONU下采用其他介质接入到用户FTTH 应用是PON技术引入的主要源动力 第二章EPON技术特点2.1 EPON的定义和组成l PON的定义 无源光网络：Passive Optical Network 是一种基于P2MP拓朴的技术 是一种应用于接入网，局端设备（OLT）与多个用户端设备（ONU/ONT）之间通过无源的光缆、光分/合路器等组成的光分配网（ODN）连接的网络。l 无源光网络的构成 OLT（Optical Line Terminal）光线路终端 ONU（Optical Network Unit）光网络单元 ONT（ Optical Network Terminal）光网络终端 ODN（Optical Distribution Network）光分配网2.2 EPON系统数据传输机制l EPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输。 l 为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术： 下行数据流采用广播技术； 上行数据流采用TDMA技术。2.3 EPON的网络位置2.4 EPON系统组网方式EPON系统组网方式主要有：环形，树形，总线型。如下图所示：2.5 技术比较（EPON vs MC） l MC技术的两种使用方式 点到点以太接入 N根光纤，2N个光收发器 管理独立 小区交换机接入 只需铺设1或2根光纤到小区 2N+2个光收发器 设备占用局端机房空间小 在传输过程中需要有源设备 设备分级管理l EPON的接入方式 只需铺设1或2根光纤到小区 需N+1个光收发器 设备占用局端机房空间最小 传输中不需有源设备 设备集中管理2.6 网络和业务比较（EPON vs MC）第三章 EPON技术原理EPON技术的基本特点主要有如下几个方面： OLT与ONU之间信号传输基于IEEE 802.3以太网帧 传输线路速率下行/上行：1250 Mbit/s / 1250 Mbit/s 以MAC控制子层的MPCP（multi point control protocol）机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构 P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件 逻辑分光比1：32（1：64）3.1 EPON工作原理一、EPON下行的工作原理EPON 下行帧结构如下图所示EPON的帧基于IEEE802.3基本帧结构，但是对Preambel/SFD做了修改，其中将第6、7字节作为LLID,用于标识ONU,将SFD字节作为CRC8校验码，第3字节作为SLD(LLID定界符)。 EPON的下行帧是个复合帧，包含多个变长数据包和同步标签。每个变长变长数据包是对应某个特定地址的ONU的，每个数据包都包括帧头、变长数据和FCS。 在ONU注册成动后分配一个唯一的LLID； 在每一个分组开始之前添加一个LLID，替代以太网前导符的最后两个字节； OLT接收数据时比较LLID注册列表，ONU接收数据时，仅接收符合自己的LLID的帧或者广播帧。EPON下行方向支持三重扰动功能，系统支持针对每个LLID的揉动功能，每个LLID应有独立的密钥。l 因为PON的多点广播特性，所有的下行数据都会被广播到PON系统中所有的ONU上。如果有一个匿名用户将它的ONU接收限制功能去掉，那么它就可以监听到所有用户的下行数据，这在PON系统中称为“监听威胁”。l PON网络的另一个特点是，网络中ONU不可能监测到其它ONU的上行数据。l 在PON上解决安全性的措施是ONU通过上行信道传送一些保密信息（如数据加密密钥），OLT使用该密钥对下行信息加密，因为其它ONU无法获知该密钥，接收到下行广播数据后，仍然无法解密获得原始数据。二、EPON上行的工作原理l TDMA方式 OLT接收数据前比较LLID注册列表； 每个ONU在由局方设备统一分配的时隙中发送数据帧； 分配的时隙补偿了各个ONU距离的差距，避免了各个ONU之间的碰撞。l 上行帧结构：上行帧由突发的以太网帧MPCP上行控制帧物理层的突发开销组成3.2 EPON的关键技术EPON系统中的主要关键技术有LLID、突发光接收技术、MPCP、定时与同步、注册、测距、DBA、OAM管理等一、 LLIDl 对802.3标准的扩展 修改前导码完成 用于对ONU进行唯一标识l 定义： 广播： MODE=1或者 LLID=0x7FFF 单播：MODE=0且LLID!=0x7FFFF二、突发模式光收发技术l OLT光接收机的快速功率恢复 要求OLT在每个接收时隙的开始处迅速调整0-1判决门限l ONU光发射机的突发发射和关断 为抑制自发散射噪声，要求ONU的激光器能够快速的冷却和回暖l OLT光接收机的突发同步技术 上行接收数据相位的突变要求OLT的接收机工作在突发模式接收状态l OLT的接收机和ONU的发射器工作在突发模式三、MPCP协议多点控制协议（MPCP）定义了点到多点光网络的MAC控制机制，它是OLT和ONU之间的一种控制机制，用于协商数据的有效发送和接收，是EPON的关键技术。MPCP主要功能：l ONU的自动发现和加入l 测距l 向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽，在MAC控制层完成协议栈结构MPCP控制帧MPCP引入了新的MAC控制信息，MPCP帧的类型主要包括CATE、REPORT、REGISITER_REQ、REGISITER、REGISITER_ACK。其中CATE、REPORT用于分配和请求带宽，REGISTER信息用来控制自动发现过程。l GATE（OLT）00-02 允许接收到GATE帧的ONU立即或者在指定的时间段发送数据l REPORT（ONU）00-03 向OLT报告ONU的状态，包括该ONU同步于哪一个时间戳、以及是否有数据需要发送。l REGISTER_REQ （ONU）00-04 在注册规程处理过程中请求注册。l REGISTER （OLT）00-05 在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了注册请求。l REGISTER_ACK （ONU）00-06 在注册规程处理过程中表示注册确认。五种类型的MPCP帧如下图所示：四、定时与同步l 定时方法： 所有ONU都与OLT的唯一时钟同步； 主要是用时间戳域来完成的。l 时间戳定义 时间戳域使用个字节 时间戳所标识的是在MAC控制帧上传到MAC层时OLT的计数值。 计数值宽度为16位或32位，计数单位为16ns l 定时过程 OLT以自己本地的计数器插入timestamp域中 ONU以本地计数值插入timestamp域中 ONU根据收到的OLT的timestamp更新自己的计数器 OLT根据收到的ONU的timestamp计算差值（测距）五、注册l 指OLT对系统中的ONU进行注册 主要用于系统中增加ONU时或者ONU重新启动时。l 注册过程 ONU的执行动作： 在上电启动或复位时，ONU进入Discovery状态。等待来自OLT的“Discovery Gate”消息。 如果所收到的消息类型为 Discovery，且消息中的逻辑PHY ID与自己相同或为缺省值是，就对此消息做出应答。 OLT的执行动作： OLT以广播方式周期性的发送Discovery检测帧。 响应ONU的注册请求并分配LLID六、测距在正常的网络状态下，各个ONU和OLT之间的距离是不同的，这会引起传送相位不同，OLT可能会接收到重叠的来自不同ONU的传输数据。PON采用一个特殊的方法来同步ONU的传输，称为测距。首先，一个ONU把自己和下行帧头部同步，并等待测距窗口打开。当窗口打开时，网络进入测距程序，在这期间确定了OLT和所有活跃的ONU之间的时延和相位差，ONU从而相应地调整他们的相位和授权。l OLT与各ONU间的环路时延不同： 各 ONU距 OLT的光纤路径不同 各ONU元器件的不一致性 环境温度的变化和器件老化，环路延时也会发生不断的变化l 测距包括静态测距和动态测距：l 测距要求 补偿因ONU距离不同而产生的时延差异：RTT（Round Trip Time） 在注册过程中，ONU对新加入的ONU启动测距过程 OLT使用RTT来调整每个ONU的授权时间 OLT也可以在任何收到MPCP PDU的时候启动测距功能。l 使用注册冲突避让： 在EPON系统中，解决ONU的注册冲突的方案有两种：随机延迟时间法和随机跳过开窗法。测距过程l 1. OLT在T1时刻发送 GATE；l 2. ONU在T2时刻接收到GATE ,此时复位本地计数器，时间戳置为 T1；l 3. ONU在T3时刻发送REPORT, 此时填入的时间戳为 T4；l 4. OLT在T5时刻接收到REPORT。l 最后RTT由下面的公式得出： RTT = T2-T1+T5-T3 = T5-T4 其中 ： T3-T2 = T4-T1计算出RTT后，OLT据此给ONU发送GATE帧，例如，如果OLT希望在T1时刻接收ONU的数据，则在GATE帧中给ONU的起始时间为：T0T1-RTT。七、DBADBA是OLT和ONU之间的动态分配协议，它可以起到提高系统上行带宽利用率以及保证业务公平性和QoS的作用。相对于静态带宽分配（SBA），DBA是指实时地（ms级）改变PON中各ONU上行带宽的机制，根据带宽状态和ONU需求动态（合理）分配ONU的上行带宽。l 算法特点： 业务透明 低时延和低时延抖动 公平带宽分配 健壮性好 实时性强八、OAM管理OAM管理完成ONU的认证、配置、在线的性能监测、各种故障告警和远端故障指示、远端近端环回等功能，OAM是OLT对ONU进行远程管理通信协议，有一定的开放性和扩展性l 基本支持功能： Remote Failure Indication（远端故障指示） Remote Loopbak（远端环回） Link Monitoring（链路监视）l 扩展功能 ONU版本管理 ONU配置管理九、业务QoS处理业务等级协定(SLA)分为基于LLID和基于业务流的两种规定。基于LLID是指EPON系统支持针对每个LLID（对应于用户或业务）的SLA参数的设置，包括固定带宽、保证带宽、最大带宽等，并支持对上、下行分别进行配置。基于业务流是指OLT 应能基于以太网帧中的相关参数对上行业务流进行分类，ONU应支持基于物理端口和以太网帧中的相关参数对上行业务流进行分类。3.3 EPON系统工作过程l OLT的操作 产生时间戳消息，用于系统参考时间 通过MPCP帧指配带宽 进行测距操作 控制ONU注册l ONU的操作 ONU通过下行控制帧的时间戳同步于OLT； ONU等待发现帧（gate） ONU进行发现处理，包括：测距，指定物理ID和带宽。 ONU等待授权，ONU只能在授权时间发送数据3.4 EPON保护为提高网络可靠性和生存性，在EPON系统中采用光纤保护倒换机制，光纤保护倒换可分为以下两种方式进行：l 自动倒换：由故障发现触发，如信号丢失或信号劣化等；l 强制倒换：由管理事件触发。光纤保护倒换类型分为四大类：类型a：主干光纤冗余保护,如下图所示 OLT：采用单个PON端口，PON口处内置12开关，由OLT检测线路状态 光分路器：使用2:N光分路器； ONU：无特殊要求。类型b：OLT PON口+主干光纤冗余保护，如下图所示 OLT：备用的OLT PON端口处于冷备用状态，由OLT检测线路状态、OLT PON端口状态，倒换应由OLT完成。 光分路器：使用2:N光分路器； ONU：无特殊要求。类型c：全保护OLT双PON口、ONU双光模块、主干光纤、光分路器、配线光缆冗余保护 OLT：主、备用的OLT PON端口均处于工作状态； 光分路器：使用2个1:N光分路器； ONU：在PON端口前内置开关装置，由ONU检测线路状态，并决定决定主用线路，倒换应由ONU完成。类型d：全保护OLT双PON口、ONU双PON口、主干光纤、光分路器、配线光缆冗余保护与类型c相似，仅在ONU侧不同，ONU具备两个PON口，分别为主备PON口。第四章 EPON技术应用4.1 业务提供EPON系统可提供的业务类型主要包括语音、数据、视频等业务。 语音业务： VoIP方式提供 视频业务： IPTV CATV 数据业务： TDM业务： E1/T1 STM-N等4.2 EPON的安全机制PON网络安全的基本要求： 数据的机密性：每一个下行数据帧只能对指定的ONU有效，其他ONU无法得到数据信息； 用户隔离： 每一个ONU上传的信息，其他ONU无法看到； 用户接入控制： 无授权的非法用户，无法使用网络； 设备接入控制： 无授权的非法设备，无法接入网络；基本支持功能：4.3 FTTH网络组网FTTH是光接入的典型应用，真正满足了光纤到户的高带宽业务的需求，真正意义上实现了三网合一的目标。FTTH加快了数字家庭 的产业化进程和信息化进程。4.4 FTTB 网络组网FTTB，即Fiber to The Building（光纤到楼），它是利用数字宽带技术，光纤直接到小区里，再通过双绞线（超五类双绞线或4对非屏蔽双绞线）到各个用户。FTTB模式又分为FTTB+LAN和FTTB+xDSL两种方式，这二者的技术比较如下：ADSLFTTBLAN设备价格局远端共400500/线150200/线带宽下行1M12M上行640K1M双向100M信号质量容易受干扰，容易受线路质量的影响好覆盖范围数公里100米从比较中可以发现，无论是价格还是性能，都是FTTB