2FTTH技术原理简介.ppt

1、FTTH技术原理简介,提纲,综述 EPON BPON GPON 比较分析,3,光纤与铜缆宽带比较,距离,带宽 (Mbps),427 m,305 m,1372 m,914 m,20,10,40,80,20 km,在427m的带宽高出40倍 在超过1372m唯有光纤保证带宽需求,40 Gbps,典型的FTTH与铜线接入的业务开展能力对比,FTTH可支持目前可见的所有业务，性能良好；ADSL对业务的支持能力相对有限。,FTTH成本迅速下降,现有的宽带技术很难满足未来几年的带宽需求，光纤接入势在必行！,国际国内的FTTH发展迅速,北美 FCC对FTTH免除unbundling义务 受新竞争对手提供话音

2、业务的竞争威胁 地方市政基础设施建设 2004年开始FTTH建设，主要提供新建用户区 已覆盖1M家庭，在线用户20万 主要采用BPON，EPON和GPON逐渐被看好,日本 政府推动：e-Japan计划 竞争激烈：NTT、KDDI、Yahoo BB等 主要采用BPON、MC，现在向EPON迁移，对GPON观望,中国 各省广泛开展测试和试点工程，商用工程也已经逐步开始,欧洲 意大利已有14.5万FTTH用户 瑞典已有24.5万用户 荷兰正在实施60万用户的FTTH工程等。,澳大利亚 Telstra澳洲昆士兰的商用FTTP试验网络将在现有在线游戏，音乐，点播电视等宽带业务基础上进一步增加HDTV等业

3、务。,FTTH技术分类,FTTH是接入网中一类技术的总称，具体的选项很多。,P2P（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 P2MP（PON）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,P2P vs P2MP,以32个结点为例,32/64根光纤 64个收发器,P2P,P2P,1/2根光纤 66个收发器,TDM PON的主要技术分支,相同的拓扑无源P2M

4、P,BPON,EPON,GPON,封装协议不同,FSAN提出，ITU-T标准化； ATM封装； 目前标准化最完善； 没有得到市场认可。,IEEE EFM工作组标准化，编号802.3ah； 以太网封装； 标准完善； 产品开始在市场上迅速应用。,FSAN提出，ITU-T标准化； ATM、GEM封装； 标准较完善； 支持厂家极少。,在这些PON之前，还有ITU-T窄带PON标准（G.982）。 BPON的众多技术被其它PON所直接继承引用。 GEPON是特定环境下对符合IEEE 802.3ah的PON的强调性质的表述。,提纲,综述 EPON BPON GPON 比较分析,EPON的基本构成,EPON

5、（ Ethernet Passive Optical Network）以太网无源光网络 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,EPON基本特点,OLT与ONU之间信号传输基于IEEE 802.3以太网帧 传输光波波长：下行1490 nm /上行1310 nm 传输线路速率：下行 1250 Mbit/s / /上行 1250 Mbit/s 传输模式： 下行 TDM

6、方式（OLT发送的混合数据通过Splitter到 达每个用户的ONU，每个ONU只接收发给自己的数据， 丢弃其他数据，包头含唯一的ONU信息） 上行 TDMA方式（每个用户的ONU在OLT允许的时隙内 向OLT发送数据，无需冲突检测，报文不需要分片） 中间采用光分路等无源设备，单纤接入各个用户点（ONU），更多地节省光缆资源，并具有带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。,EPON基本特点,以MAC控制子层的MPCP（MultiPointControlProtocol）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

7、EPON/MPCP协议中的关键组件 逻辑分光比1：32（1：64） 支持A、B类ODN网络 ODN类型 衰减范围 光通道损耗差A类 520dB 15dBB类 1025dBB+类 1328dBC类 1530dBEPON只支持A类B类ODN。,EPON的技术要点,拓扑结构：点对多点 双工方式 帧结构 多点控制规程（MPCP） 动态带宽分配（DBA） 突发模式的光模块 测距 下行数据安全性 保护 TDM业务的承载 OAM功能,点对多点光纤接入技术PON的通用特性,点对点方式：需要2N个收发模块，光纤总长度为N*(D1+D2)。,点对多点方式：需要N+1个收发模块光纤数量为(D1+N*D2)。,假设有

8、32个用户，D1的距离为5000m，D2的距离为50m，则： 点对点方式需要64个光模块，点对多点方式仅需要33个光模块，节约近50； 点对点方式需要（500050）32176000m光纤，点对多点方式仅需要500050326600m光纤，节约光纤超过96。,总体来看，PON技术的关键是在线路中引入了无源的分路器，这使得系统设备的理论成本和线路成本均可以较传统的P2P技术有较大幅度的优化，还可以增强OAM能力和QoS水平；另外，由于分路器是无源器件，维护简单，环境适应能力强。,光分路器,与同轴电缆传输系统一样，光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配，这就需要光分路器来 实现。光分路器又称

9、分光器，是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用MN来表示一个分路器有M个输入端和 N个输出端。在光纤CATV系统中使用的光分路器一般都是12、13以及由它们组成的1N光分路器。,熔锥型,光波导型,点对多点光纤接入技术PON网络的光纤分路技术,两种常用的无源光分路器（Splitter）：,器件功能：将一路输入光信号进行光功率分割，分成多路输出（可以等分，也可以按照需要定制功率分配比） 典型的分路器实现1：2到1：32的分光 器件特点：无源器件，不需要供电，环境适应能力较强,两种常见的分路器,熔锥型分路器 优点： 技术成熟，成本低。 分光比可以根据需要制

10、作，可制作不等分分路器。 缺点： 损耗对光波长敏感。 均匀性较差，不能确保均匀分光，可能影响整体传输距离。 插入损耗随温度变化变化量大（TDL） 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。,平面光波导功率分路器（PLC） 优点： 损耗对传输光波长不敏感。 分光均匀。 结构紧凑，体积小。 单只器件分路通道很多，可以达到32路以上。 多路成本低，分路数越多，成本优势越明显。 缺点： 器件制作工艺复杂，技术门槛较高。 相对于熔融拉锥式分路器成本较高，特别在低通道分路器方面更处于劣势。,两种分路器的比较,EPON的双工方式,EPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输

11、（强制）。ITU-T定义的TDM PON允许采用双纤，但现实中很少采用。 波长分配方案普遍遵循ITU-T G.983.3标准。,1490nm,1310nm,1550nm,Data,Data,CATV,思考：为什么将CATV信号安排在1550nm？,广播方式,EPON的下行数据,在ONU注册成动后分配一个唯一的识别码； ONU接收数据时，仅接收符合自己的识别码的帧或者广播帧。,EPON的上行数据,TDMA方式,原则：任一时刻只能有一个ONU发送上行信号，系统才能正常工作 不同的ONU分配不同的时间片，轮流发送上行数据；每个ONU发送上行数据的时间片可以是动态的，时间片的大小和多少在宏观上表现为带

12、宽的大小 由于数据速率非常高，因此细微的由ONU的距离不同而产生的时延应该在发送上行数据的时候予以考虑需要测距,EPON的局远端设备分工,OLT和ONU共同组成一个协调工作的系统 OLT在PON系统中居于控制地位，ONU在PON系统中居于从属地位 OLT主导完成下列工作：注册，测距，同步，带宽分配，管理维护等,EPON协议栈,EPON下行数据帧结构,前导码 8Bytes,DA 6Bytes,SA 6Bytes,长度/类型 2Bytes,数据 461500Bytes,填充 不定,FCS 4Bytes,以太网MAC帧,EPON MAC帧,EPON的多LLID技术,什么是多LLID技术 每个ONU分

13、配一个以上的LLID，将一个物理ONU划分为多个逻辑ONU使用，可以实现按端口甚至按业务区分服务质量的能力 为什么采用多LLID 在EPON的工作范围内，所有业务调度和管理都是以LLID为依据的，其它的标记（如802.1p tag）并不能被识别和处理 标准中对多LLID技术的规定 国标送审稿（2005.5.26） B.1.2“每个ONU至少支持一个LLID” 多LLID在什么场合有用 在单纯提供数据业务的FTTH应用场合，多LLID确实没有明显的作用 大多数场合的FTTH需要提供包括语音、数据、视频等多种业务，此时，多LLID将显示出极大的技术优势 在FTTB的应用场合，多LLID将对不同用户

14、的管理和控制提供直接的技术保障 多LLID技术的兼容性 可以实现兼容单LLID，不会对互通性造成影响,EPON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,EPON的控制MPCP,OLT和ONU之间的一种控制机制，用于协调数据的有效发送和接收。 MPCP的两种操作模式： 自动发现模式用来检测新连接的ONU，测量环路延时和ONU的MAC地址 普通模式给所有已经初始化的ONU分配传输带宽,GATE（OLT发出） REPORT（ONU发出） REGISTER_REQ （ONU发出） REGISTER （OLT发出） REGISTER_ACK （ONU发出）,五种类型的MP

15、CP帧,MPCP的自动发现模式,自动发现 完成自动发现过程后才使能数据通路 周期性进行自动发现,MPCP的正常工作模式DBA,DBA动态带宽分配，DBA的实现算法不在EPON规范内要求 DBA的两种实现机制 Report方式：广泛采用，精确控制（SR-DBA） Idle帧检测方式：很少采用（NSR-DBA） DBA是由OLT全局控制的，不同于以太网的带宽争用机制,突发模式的光模块概念,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 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 OLT光接收机的突发同步技术 上行

16、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,突发模式光模块的设计示意,测距,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 静态测距和动态测距,RTT=(T3-T1)-(T2-T1)=T3-T2,下行数据安全性,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” PON网络的另一个特点是，网络中ONU不可能监

17、测到其它ONU的上行数据 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 一般公认可以采用AES-128加密 中国电信采用Triple churning加密,PON的保护（1）,针对线路较长的OLT到分路器段的11线路保护 ONU采用常规单光口设备，分路器采用2：n分路器；OLT侧配置冗余光口 成本较低，适合高端居民用户、小型商业用户等的高可靠性接入,G.983.5中最早定义了对BPON的保护方案，其它的TDM PON均可直接采用。,PON的保护（2）

18、,冗余的线路和ODN全保护方式，可靠性非常高 需要ONU和OLT同时具备冗余光口，采用两套1：n分路器 成本较高，适合高端企业用户的接入,PON的环网保护 实质和左边是一样的，而且这种组网方案会引入较多的分路器，成本上升；大量的活接头会严重影响光功率预算 不推荐采用,常见的一个变种：,TDM业务的承载,EPON： 从IEEE802.3工作组制定EPON标准的原则来看，具体的业务封装由高层协议支持，因此，对于TDM业务在EPON中的传送，目前由私有协议解决（如PWE3、源模式、TDMoETH等） 需重点解决如下问题： TDM信号与以太网之间高效合理的适配封装； TDM信号的严格同步定时； 电路业

19、务的QoS的保证：时延、时延抖动,CESoP的基本概念,CESoP的基本思想就是在分组交换网络上搭建一个“通道”，在其中实现TDM电路(如E1或T1)，从而使网络任一端的TDM设备不必关心其所连接的网络是否是一个TDM网络。分组交换网络被用来仿真TDM电路的行为，故而称为“电路仿真”。,CESoP的标准化,ITU-T ITU-T建议Y.1413（原Y.tdmpls)定义了通过MPLS网络承载电路业务的格式。 IETF IETF下属的边缘到边缘的伪线仿真（PWE3）工作组负责制定分组交换网（PSN）上仿真网络业务的机制。 PSN可以包括IPv4、IPv6和MPLS网络。被仿真的网络业务包括数字T

20、DM专线、FR、AAL、Ethernet、HDLC、PPP等网络业务。 Metro Ethernet Forum MEF 8 规范规定了基于城域以太网 的PDH（准同步数据系列）电路仿真的实现方法。 MFA(MPLS and Frame Relay Alliance) TDM仿真的实现协议 MFA 8.0.0，规定了通过 MPLS 网络承载 TDM 电路仿真的封装格式、连接的建立与拆除等。,从目前EPON厂商采用的TDM仿真芯片实际采用的技术来看，主要以PWE3技术为主。,PWE3简介,PWE3 （ Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge ）是一种在分组交换网络（

21、PSN）上模拟各种点到点业务的机制，被模拟的业务可以是TDM专线、ATM、FR或以太网等。 PW3的功能主要包括：将业务封装成分组包、将这些分组包通过路径或隧道传送到网络对端、管理分组包的次序和同步，等等其它功能。隧道的实现可以采用其它常用的一些隧道技术，例如，MPLS。从用户的角度来看，可以认为PWE3模拟的虚拟线是一种专用的链路或电路。,PWE3网络参考模型,PWE3中对TDM over IP技术难点的解决,抖动 TDM over IP网关配置缓冲器，缓冲器中一边接纳分组网中传来的分组，一边以恒定速率读出到TDM接口。 丢包 TDM over IP网关会在输出的TDM流中插入与丢失数据长度

22、相等的数据。这种插入数据的内容是随机的，且为适应不同应用而有所不同。 乱序 为了能正确地将TDM数据恢复，必须要求TDM over IP网关能够在重新生成TDM数据流之前将分组按正确顺序进行排序。 时钟恢复 外时钟法 时间标签法（如RTP） 自适应时钟提取法（采用特定算法，根据到达分组的统计特性推导计算时钟信息）,OAM功能,不需要人工干预，PON系统自动完成对新ONU的发现和注册（包括初始测距） 在系统开通运行后，随业务发展需要增加新ONU，或故障修复后的ONU要重新加入到系统，都要求这些ONU能够自动地加入而不影响正常工作的ONU 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

23、 OLT对ONU进行远程管理的交互通道及通信协议，要求有一定的开放性和扩展性,EPON小结,与以太网系列标准兼容 适合承载基于以太网的业务 以太网技术成熟且已大规模应用，设备成本较低 实现电信级可运营的应用，需解决ONU的互通和可管理问题，包括如下技术细节： 对TDM业务承载方式的标准化 动态带宽分配（DBA）机制的标准化 下行带宽分配和控制机制的完善 下行数据加密算法与密钥交换机制的标准化 OAM功能的进一步扩充以满足运营商需求 EPON是目前FTTH的主要实现技术,提纲,综述 EPON BPON GPON 比较分析,BPON的标准,G.983.1建议 1998年10月，主要规定了标称线路速

24、率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求、汇聚层要求、测距方法和传输性能要求等。 G.983.2建议 1999年，即“APON的ONT管理和控制接口规范”，主要从网络管理和信息模型上对APON系统进行了定义，以确保不同厂商的设备可实现互操作。 G.983.3建议 对BPON系统物理层光波段进行了重新分配。,G.983.4建议 BPON的DBA算法通信机制 G.983.5建议 BPON的保护方式 G.983.6建议 BPON的ONT管理和控制接口（OMCI） G.983.7建议 带有DBA功能的ONT的OMCI G.983.8建议 BPON的OMCI增强功能,BPON概况,右图：对称155M

25、速率BPON的帧结构示意,BPON以ATM作为承载协议。 两种速率模式 对称155M 下行622M，上行155M,下图：BPON的协议结构,BPON的不足,数据传送效率低 在ATM层上适配和提供业务复杂 带宽不足，扩展性较差 效率低、技术复杂、成本高，不适合向所有用户推广应用,提纲,综述 EPON BPON GPON 比较分析,ITU-T 的GPON标准系列,G.984.1概述（2003.3） 业务方案、参考配置、基本技术要求、保护方式 G.984.2PMD层 （2003.3） 基本要求、和TC层的相互作用 G.984.3TC层规范（2004.2） 层次模型、复用机制、TC帧结构、激活方式、O

26、AM功能、安全性、FEC G.984.4OMCI（2004.6） 管理信息库MIB、ONT管理控制通道、ONT管理控制协议,GPON技术分析,GPON采用125s定长的帧结构，每秒8千帧（承载TDM业务是强项） GEM（GPON Encapsulation Method）是GPON技术优势的集中体现，它直接采用了GFP的技术（ITU-T G.7041）。 GPON的技术基本成熟，但是目前缺乏商用的芯片和符合要求的器件来开发商用系统。 国内行标的调整： 仅要求GEM工作模式 仅要求对称1.25G和下行2.5G/上行1.25G两种模式 加密算法未强制要求AES-128,后续的介绍都以国内行标为准！

27、,GPON物理层性能概况,传输媒质：G.652光纤。 传输方法：推荐单纤 线路速率 下行：1244.16Mbit/s或2488.32Mbit/s 上行：1244.16Mbit/s 线路码型：NRZ 工作波长 下行：单根光纤14801500nm，双根光纤12601360nm 上行：1260-1360 nm 当光分路比为1:16时，GPON应支持20km的最大物理距离；当光分路比为1:32时，GPON应支持10km的最大物理距离。 在不考虑光功率预算的条件下，GPON TC层可支持的最大分路比应为1:128。,GPON的ONT功率控制,OLT接收机要求在1244.16Mbit/s或更高速率情况下采

28、用APD，这样接收机必须在高速率下为突发模式接收提供高灵敏度和大动态范围。 GPON的ONU输出功率有三种模式。PMD可以在任何一种模式下直接操作。PMD能执行任何一种需要进行的操作，以达到以下规定的范围内的输出功率。 模式0：正常值（表 3表 6规定的最小/最大平均发射功率)； 模式1：Low 1 = 正常值 3dB； 模式2：Low 2 = 正常值 6dB。 OLT测量每一个ONU突发的平均光功率P，并将测量结果和阈值（TL和TH）进行比较，并发送以下三种指示之一： PTH：功率高指示 PTL：功率低指示 TLPTH：功率正常指示 注：TL为必选（单阈值操作），TH为可选（双阈值操作)。

29、功率调节机制具有以下优点： 降低了OLT接收机的动态范围要求 当ONU工作在低功率模式下，激光器寿命增加且功率消耗降低。,GTC的概况,垂直角度来看，GTC层包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。 从另一个角度来看，GTC包括管理用户业务流、安全和OAM特性的C/M平面和承载用户业务流的U平面。 在GTC成帧子层中，根据在GTC帧中的位置可分为GEM块、嵌入式OAM和PLOAM块。嵌入式OAM、PLOAM和OMCI属于C/M平面，除OMCI外的GEM SDU属于U平面。 DBA控制模块被定义为一个通用功能模块，该模块负责完成整个ONU报告DBA功能。,C/M平面协议栈,GTC系统的控制和

30、管理平面包括3个部分：嵌入式OAM、PLOAM和OMCI。 嵌入式OAM和PLOAM通道管理PMD和GTC层功能，而OMCI提供了一个统一的管理上层（业务定义）的系统。 嵌入式OAM通道由GTC帧头中格式化的域信息提供。因为每个信息片被直接映射到GTC帧头中的特定区域，所以OAM通道为时间敏感的控制信息提供了一个低延时通道。使用这个通道的功能包括：带宽授权、密钥交换和动态带宽分配指示。 PLOAM通道是由GTC帧内指定位置承载的一个格式化的信息系统，它用于传送其他所有未通过嵌入式OAM通道发送的PMD和GTC管理信息。 OMCI通道用于管理GTC上层的业务定义。GTC必须为OMCI流提供传送接

31、口。GTC功能提供了根据设备能力配置可选通道的途径，包括定义传送协议流标识（Port-ID）。,U平面协议栈,U平面的业务流由业务类型（GEM模式）和Port-ID标识。 下行块或上行分配ID（Alloc-ID）承载数据指示了流类型。 12bit的Port-ID用于标识GEM业务流。T-CONT由Alloc-ID标识，是一组业务流。 带宽分配和QoS控制通过分配BW在每个T-CONT中完成，BW分配根据控制不同数目的时隙来实现。 不同的业务类型必须被映射到不同的T-CONT，并由不同的Alloc_ID标识。,GTC中的GEM流操作,下行方向 GEM帧由GEM块承载并送至所有ONU。ONU成帧子

32、层提取帧，GEM TC适配器根据12bit的Port-ID过滤信元。只有携带正确Port-ID的帧才允许到达GEM客户端块。 上行方向 GEM流由一个或多个T-CONT承载。OLT接收到与T-CONT关联的流后，会将帧转发到GEM TC适配器，然后送至GEM客户端。,GTC关键功能,媒质接入控制流 GTC系统为上行业务流提供媒质接入控制，其基本思路是：下行帧指示上行流在上行帧中的允许位置，上行帧和下行帧同步。 OLT在PCBd中发送指针，这些指针指示了每个ONU上行发送的开始和结束时间。这样在任意时刻只有一个ONU可以访问媒质，在正常工作状态下不会发生碰撞。 指针以字节为单位，允许OLT以带宽

33、粒度为64kbit/s对媒质进行有效的静态控制。 ONU注册 ONU注册由自动发现流程完成 “配置S/N”方式是通过管理系统（如NMS和/或EMS）在OLT注册ONU序列号 “发现S/N”方式是不通过管理系统（如NMS和/或EMS）在OLT注册ONU序列号,业务流与QoS,GTC和受控用户数据之间的关系 GTC系统根据T-CONT管理流，每个T-CONT由Alloc-ID标识。每个T-CONT可包含一个或多个GEM Port-ID。OLT监控每个T-CONT的流量负载，并调整带宽分配来更好地分配PON资源。GTC系统不观察或维持Port-ID之间的QoS关系，该功能由PON终端的GEM客户端来完成。 QoS保证 DBA功能可提供各种不同的QoS。GPON TC层规定了5种T-CONT（与G.983.4相同）。 GEM模式中，GEM连接由端口标识，并根据QoS要求由一种T-CONT类型承载。,GPON下行帧,下行帧由下行物理控制块（PCBd）和GEM块组成。下行帧提供了PON公共时间参考和上行公共控