EPON技术应用问题探讨

1、EPON技术应用问题探讨朱 轼武汉摘 要：EPON(以太网无源光网络)是目前接入网新技术之一。本文介绍了EPON技术原理、应用网络结构、应用特点和应用领域，并在此基础上讨论了EPON组网应用中应解决的关键技术。关键词：EPON、ONU/OLT、TDM/TDMA、FTTxEPON(以太网无源光网络)是在ITU-T G.983 APON标准的基础上，由IEEE802.3ah工作组制定的Ethernet PON(EPON)标准。近年来，由于千兆比特 Ethern成技术的成熟，和将来10G比特Ethernet标准的推出，以及Ethernet对IP天然的适应性，使得原来传统的局域网交换技术逐渐扩展到广域

2、网和城域网中。在接入网中用Ethern成取代ATM，符合未来骨干网IP化的发展趋势，最终形成从骨干网、城域网、接入网到局域网全部基于IP、WDM、Ethern以来实现综合业务宽带网。一、EPON技术简介EPON与 APON关键的区别在于： EPON中数据传输采用 IEEE 802.3 Ethernet（以大网）的帧格式，其分组长度可变，最大为 1518字节； APON中采用标准的 ATM 53字节的固定长分组格式。由于 IP分组也是可变长的，最大长度为 65535字节，这就意味着 EPON承载IP数据流的效率高、开销小。在EPON中，OLT到ONU的下行数据流采用广播方式发送，OLT将来自骨干

3、网的数据转换成可变长的 IEEE 802.3 Ethernet帧格式，发往 ODN，光分路器以广播方式将所有帧发给每一个ONU，ONU根据Ethernet帧头中ONU标识接收属于自己的信息，其工作原理见图1。图1 EPON工作原理示意图ONU到OLT的上行数据流采用时分复用（TDMA）方式发送，与APON相同，OLT为每个ONU分配一个时隙，周期是2ms。EPON采用双波长方式实现单纤上的全双工通信，下行信道使用1510nm波长，上行信道使用1310nm波长。目前相关的标准主要由IEEE的EFM研究组进行制定。二、EPON基本组网结构EPON网络采用一点至多点的拓扑结构，取代点到点结构，大大节

4、省了光纤的用量、管理成本。无源网络设备代替了传统的ATMSONET宽带接入系统中的中继器、放大器和激光器，减少了中心局端所需的激光器数目，并且OLT由许多ONU用户分担。而且EPON利用以太网技术，采用标准以太帧，无须任何转换就可以承载目前的主流业务IP业务。因此EPON十分简单、高效、建设费用低、维护费用低，是最适合宽带接入网需求的。EPON与APON光路结构类似，都遵循G.983协议，最终它将以更低的价格、更宽的带宽、更强的服务能力取代APON。一个典型的EPON系统也是由OLT、ONU、ODN组成的，如图2所示。图2 EPON基本组网结构OLT放在中心机房，ONU为用户端设备。ODN（O

5、ptical Distributed Network，光纤分配网）是光配线网，主要由一个或数个光分路器（SPlitter）来连接OLT和ONU，用于分发下行数据并集中上行数据。OLT既是一个交换机，或路由器，又是一个多业务提供平台，提供面向无源光纤网络的光纤接口。OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoS/SLA（服务水平协议）的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。 SPlitter是一个简单设备，它不需要电源，可以置于全天候的环境中。在EPON中，OLT到ONU问的距离最大可达2030km，如果使用光纤放大器（有源原中继器），距离还可以延长。在图2中，光信号通过光分路

6、器把光纤线路终端（OLT）一根光纤下行的信号分成多路给每一个光网络单元（ONU），每个ONU上行的信号通过光耦合器合成在一根光纤里给OLT。因而EPON中包括无源网络设备和有源网络设备。无源网络设备包括单模光缆、无源光分路器耦合器、适配器、连接器和接头等。它一般被放置于局外，也称为局外设备。有源网络设备包括中心局机架设备、光网络单元和设备管理系统（EMS）。中心局机架上插装光纤线路终端、网络界面模块（NIM）及交换模块（SCM），因此这3种设备也统称为中心局机架设备。中心局机架设备提供EPON系统与服务提供商核心的数据、视频和话音网络的接口。它也通过设备管理系统与服务提供商的核心运行网络相连接

7、。中心局机架上广域网界面通常将与以下设备接口相连接。 数字交叉连接（DCS）：传送未交换，或未本地交换的TDM流量到电话网络，普通的DCS界面包括DSI、DS3、STS.l和OC.3。 语音网关：传送本地交换的TDM/话音流量到公众交换电话网络（PSTN）。 IP路由器或ATM边缘交换机：将数据流量引到核心数据网络。 视频网络设备：它传送视频流量到核心视频网络。光网络单元（ONU）给用户提供数据、视频和电话网络与EPON之间的接口。ONU最初的作用是接收光路信号，转换成用户所需的格式（以大网、IP广播、POTS电话、TIEI等）。EPON独一无二的特征是：ONU中除了终接和转换光信号外，还提供

8、23层交换功能，允许在ONU中内置企业级路由器。EPON同样也适合用第三个波长传送模拟CATV信号或者IP视频。设备管理系统管理EPON中的不同设备，并向服务提供商核心运营网络提供接口。它的管理职责包括全程的查错、配置、记费、运行和安全（ FCAPS）功能。EPON中的ONU采用了技术成熟而又经济的以大网络协议，在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以大网第二层或第三层交换功能。这种类型的ONU可以通过层叠来为多个最终用户提供相当高的共享带宽。因为都使用以大网协议，在通信的过程中，就无须协议转换，而实现ONU对用户数据的透明传送。当然，对于光纤到户（ FTTH）的接入方式， ONU可以不需

9、要交换功能，从而能在极低的成本下为终端用户分配所需的带宽。运营商可以通过中心管理系统对OLT、ONU等所有网络单元设备进行管理，同时可以很灵活地根据用户的需要来动态分配带宽。管理中心的远程业务分配控制（Remote Provisioning）功能可以让运营商通过对用户不同时段的不同业务需求作出响应，这样可以提高用户满意度。三、EPON应用特点和场合EPON是基于常见的以太网无源光网络技术，因为以太网的应用非常广泛，所以EPON是目前最有应用前景的无源光网络技术。特别是近年来， EPON凭借其组网灵活、业务提供能力强、技术成熟等优势，步入了规模应用的快车道。基于EPON的FTTx建设模式也越来越

10、多。(一) EPON应用特点EPON作为一种新兴的技术，有非常具有吸引力的特点，这主要表现在： (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；PON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；PON系统是面向未来的技术，大多数PON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1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。 (3)服务范围大。EPON作为一

11、种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省CO的资源，服务大量用户。 (4)带宽分配灵活，服务有保证。EPON对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON可以通过DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现用户级的SLA。(二) EPON应用场合EPON主要应用如下： (1)高速接入和传输 EPON系统可以提供DSL、LAN、Cable Modem等接入方式无法提供的高质量的宽带。这非常适合于FTTB模式，接入到中小型甚至大型商业用户。EPON系统所能提供的可调节的、有优先级和带宽保证的服务，将非常有吸引力。 (2)集成数据、音频、视频业务 EPON系统可以同时提供IP业务和传统的TDM业务

12、，这样，原有的ATM、FR、DDN等业务都可以通过这套系统继续提供，因为采用独立的带宽，服务质量可以完全保证。这样就可以在同一套传输平台上根据用户的要求随时开通所需要的业务。 (3)整合T1/E1传输线路，降低T1/E1维护和运营费用 T1/E1因为其高质量的服务和带宽保证一直受到重视，然而T1/E1线路的开通和维护都比较昂贵，尤其是在由于距离限制而需要使用中继器的地方更是如此。EPON系统在每个ONU上都可以提供多条T1/E1链路，使用单路光线代替大量的铜线，在提供同样服务的同时，节省了大量的设备、运营和管理成本。 (4)DSL、LAN扩展 DSL和LAN是目前中国宽带的两种主要接入方式。但

13、DSL的距离限制挡住了大量的客户，传统的LAN技术也难以灵活地提供和保证用户的带宽。采用EPON技术，不仅可以通过无源传输网络直接连接到服务区域，再进行DSL或LAN扩展，从而为大范围用户提供服务，而且可以集中进行管理和带宽分配。 (5)广播视频和视频会议 EPON的点到多点结构非常适合广播和多点广播应用，这种网络结构恰好与我国目前网络建设的小区化相适应。这与传统的点到点结构的网络相比，优势是显而易见的。越来越多的广播视频、视频会议、VOD等应用都可交给EPON系统完成。(6)3GEPON组合3G无线业务的特点是高带宽数据接入、数据和语音无线同时接入，总体来说，3G承载网络对网络时钟延时、时钟

14、同步、网络抖动等提出更高的要求，这些要求也是3G业务承载的难点所在。EPON承载G/C网业务不仅解决了移动基站回程的问题，更为基站回程和宽带接入提供了统一的接入手段，实现了快速建网部署、网络资源共用。（7）基于EPON的FTTX 对于FTTx的实现技术，一直存在着EPON与GPON之间的争论，从技术能力上比较，EPON与GPON属于同一代的光接入技术，不存在本质的差异。目前看，EPON在技术标准、成本和产业链上占一定先机，是当前光进铜退的主流技术，是国内FTTx市场主要的选择，但最终技术体制的选择还不确定。四、EPON组网应用中应解决的关键技术在EPON系统的设计和应用中需要攻克许多关键技术，

15、以便使EPON在完全不一样工作原理的以大网中实现了光网络的接入和多业务的支持。（一）上、下行TDMA接入技术目前已成功商用的EPON系统通常都是符合IEEE802.3ah2004标准的上下行传输速均为1.25Gbps的宽带光纤接入系统。EPON是被广泛看好的下一代宽带接入技术，必须也能够提供传统TDM业务的经济、可靠接入。如语音业务（POTS）和电路业务（T1/E1，N X 64Kbps等租用线）两大类。 EPON采用TDMA方式时的关键技术有动态带宽分配、上行信道复用实现技术、以大网在PON 上的成帧技术与实现技术、测距与延时补偿、光器件、突发信号的快速同步技术等。 在TDMA技术中又包括许

16、多具体的技术，如动态带宽分配技术、上行信道复用技术、测距技术、搅动技术、时钟提取技术和同步接收技术等。 1动态带宽分配（DBA）技术 动态带宽分配算法就是实时地（ msns量级）改变 EPON的各 ONU上行带宽的机制。 EPON中如果用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适合，如按峰值速率静态分配带宽，则整个系统带宽很快就被耗尽。带宽利用率很低，而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。通过DBA，可以根据ONU突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带宽来提高PON上行带宽效率。由于能更有效地利用带宽，网络管理员可以在一个已有的PON上增加更多用户，终端用户也可以享有更好的服务，如

17、用户可以用到的带宽峰值可以超过传统的固定分配方式的带宽。根据EPON的特点及ITUT G.983建议，对动态带宽分配设计的具体要求有：业务透明；高带宽利用率；低时延和低时延抖动；公平分配带宽，实时性强。动态带宽分配采用集中控制方式：所有的ONU的上行信息发送，都要向OLT申请带宽，OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权，其分配准许算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分布并请求带宽，OLT根据各ONU的请求公平合理地分配带宽，并同时考虑处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况的处理。 2上行信道复用技术 时分多址复用（TDMA）方式又可以采用固定时隙

18、的时分多址复用、统计时分多址复用、随机接入等方式。固定时隙时分多址复用方式不足之处有：当其中有的时隙未用时，还是占用一样的带宽；对高突发率业务适应力不强；ONU需要同步。随机接入没有确定的接入时间；由于采用CSMACD，故有传输距离的限制。而统计时分多址复用可以克服前两者的不足，所以一般都选择采用统计时分多址复用。上行信号传输在ONU被分配到的时隙里发送以大网帧，统计复用通过提供的数据量的大小来改变时隙大小的方法来实现。 由于数据视频业务流是自相似的，不存在最佳大小的固定时隙，故流量聚合也不能起多大用。突发包大小分布为长相关性（大的拖尾），即大多数突发包都比较小，但绝大多数都是有大量的突发包同

19、时出现。上行信号应该采用灵活的请求许可方式。例如可以通过逻辑端口，可以灵活地为一个ONU中的每个用户、每个服务提供许可信号，可以实现灵活操作，或采用多请求方式缩短许可周期，并使TCP流量增大。3测距技术EPON的点对多点的特殊结构决定了各个ONU对OLT的时延不同，各个ONU发出的信号在上行信道发生碰撞，且信号到达OLT的时间具有不确定性。这些特点决定了必须采用使术补偿因ONU和 OLT之间的距离不同和温度变化引起的传输时间差异。EPON产生时延的根源有两个：一个是物理距离的不同，另一个是环境温度的变化和光电器件的老化等因素。EPON测距的程序也相应地分为两步：（1）在新 ONU的注册阶段进行

20、的静态粗测，这是对物理距离差异进行的时延补偿；（2）在通信过程中实时进行的动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移。测距方法有扩频法测距、带外法测距和带内开窗法测距等几种。综合考虑，EPON宜采用带内开窗法测距技术。在注册阶段即粗测过程中，使用的GATE（DISCOVERY发现）、REGISTER REQUEST（注册请求）帧来完成测距。冲突检测则由一个计数器完成，如计数器超时，则说明有冲突发生，ONU采取一定的冲突避免策略再次发送GATE（DISCOVERY）帧。在精测过程使用GATE、REPORT（报告）帧来进行测距，因为在传输过程中不会发生冲突，计数器不会超时。4搅

21、动技术参考G.983标准中对下行搅动的建议，根据EPON的安全性需求和对实现代价的综合考虑，在EPON系统中采用搅动方案来实现信息安全保证。通过对下行数据的搅动解搅动，保证用户信息的隔离，下行数据只有目的ONU可以接收；通过对上行MAC控制帧和OAM帧的搅动解搅动，防止用户通过数据通道伪造MAC控制帧或OAM帧，来更改系统配置或捣毁系统。 在EPON的下行方向上，为了隔离用户数据，OLT侧根据下行数据的目的地的不同采用不同的密钥进行搅动处理。在EPON的上行方向，为了防止用户假冒， ONU侧对MAC控制帧和OAM帧进行搅动处理。5时钟提取技术 对于系统的高速率，快速同步是必须解决的核心问题。而

22、其中 ONU和 OLT及上、下行比特码的时钟一致是其中的关键。目前一般都采用PLL（锁相环）从下行信号中提取时钟，利用帧同步字检测方式实现帧同步。6同步接收技术 EPON是一个网同步系统，需要实现OLT与ONU之间的快速同步。各个ONU与OLT都需要有一个同步接收的问题，否则一旦发生bit错位或者相位突变，数据接收错误不但影响到数据严重丢失，不断重传，还有可能导致网络拥塞和网络瘫痪。7SLA（服务等级协议） 传输话音和视频业务时要求延时既恒定又很小，延时抖动也要小。一种方法是对不同服务质量要求的信号设置不同的优先权等级。另一种技术是采用保留带的方法，提供一个开放的高速通道，不传输数据，而专门用

23、来传输语音业务，以确保POTS等需要保证响应时间的业务能得到高速传送。 （二）物理层关键技术 在EPON物理层（主要是PMD（物理媒介相关层）要解决好的关键技术主要有上、下行数据突发和接收，以及突发时钟恢复等。 1突发数据发送技术EPON的点对多点（ P2MP）的特殊结构和时分多址（TDMA）的接入方式决定了ONU发送机工作在突发发送的模式下。这就对激光器的响应速度，更重要的是对发射机输出光功率控制电路提出了新的要求。在突发模式中，激光器被不断地打开和关闭，其偏置电流必须能快速地响应变化。否则很可能在直流偏置还没有调整到指定值之前，ONU的发送已经结束，激光器又要关闭，直流偏置重新归零，这导致自动功率控制回路无法正常工作。针对这种情况可采取两种解决方案：方案一是采用数字APC电路的方法。在每个ONU突发发送期间特定时间点对激光器输出光信号进行采样，根据激光器输出光功率的具体样值，按一定的算法对激光器的直流偏置进行调整；方案二是对传统连续模式自动功