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EPON在广电网络中的应用唐明光2007.7.16一、全光接入技术--PON1、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10Mb/s和100Mb/s速率的能力。在城域网侧，已经可以支持千兆和万兆的速率。在用户和城域网之间数据的传送却大部分为不足1Mb/s甚至只有几十Kb/s的速率。接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈。电信网：接入采用ADSL，其速率不足2Mb/s；广电CATV网：接入采用CableModem技术，几十---几百个用户共享36Mb/s，平均每户速率不足1Mb/s；2、宽带接入网技术方案通信业界多年来一直认为，PON（PassiveOpticalNetwork无源光网络）是接入网发展的方向。它在解決宽带接入问题上，无论设备和运行、护维、管理方面，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。所以为大多数人接受。PON自从在20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PON解决方案能更好的满足接入网市场需求。最初PON标准是基于ATM的，并由ITU/FSAN定义了相应G.983建议，即APON/BPON。目前为大家接受的，有两个新的PON标准：其一，是由ITU/FSAN负责制定的用来替换APON标准的GigabitPON（GPON）标准，其二，是由IEEE802.3ah工作组负责制定的EthernetPON（EPON）标准。1）ATM无源光网络（APON/BPON）APON是由ITU/FSAN定义的，以ATM协议为载体，下行以155.52Mb/s或622.08Mb/s的速率发送连续的ATM信元，同时将物理层OAM信元插入数据流中。上行以突发的ATM的信元方式发送数据流，并在每个53字节长的ATM信元头增加3字节的物理层开销，用以支持突发发射和接收。APON提供非常丰富和完备的OAM，包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APON系统中传输协议的转换。APON协议层采用ATM，物理层采用PON。经过以21个全球主要电信运营商为主的FSAN（全业务接入网）集团的不懈努力，1998年10月通过了全业务接入网采用的ATM-PON格式标准——ITU-TG.983.1；2000年4月批准其控制通道规范的标准ITU-TG.983.2；2001年又发布了关于波长分配的标准：ITU-TG.983.3，利用波长分配增加业务能力的宽带光接入系统。APON标准G.983的基本特点是：*基于ATM信元*对称（双向155.52Mb/s）和非对称工作方式（下行622.08Mb/s，上行155.52Mb/s）*最多能支持32个用户的光分支，最大传输距离20km*可单纤或双纤运行*可利用波长分配增加业务能力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互式数字视频业务时，为了满足电信公司不断增长的带宽需求，APON/BPON在升级时存在困难。例如，APON/BPON一般只能升级到下行（从中心局到用户驻地）622Mbps和上行155Mbps，并且在除去ATM开销后，可用的带宽只有448Mbps。随着未来每用户带宽需求的增长，这将成为部署APON/BPON的很大的一个障碍，并且很大程度限制了每个PON可服务的用户的数量。PON的一个主要好处就是能分担从中心局到用户的长距离干线的成本，如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PON的商业意义就没有了。因此，APON/BPON被淘汰是毫无疑义的事实。2）GPON由于上述原因，FSAN联盟和ITU又制定了新的PON标准，新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GPON，已被ITU-T批准，称为G.984.x。GPON是为实现语音、视频和数据业务的一种切实可行的方案。更重要的是，GPON以前所未有的经济性以原有格式支持传统通信业务，也支持未来向全分组/全IP网络的演进。3）EPON概述IEEE1998年发布完千兆以太网标准后，于2000年12月，IEEE802.3成立了第１英里以太网－EFM特别工作组，致力于研究如何支持三种接入网拓扑以及相应的物理层：ⅰ）铜线上以太网（EoVDSL），在750m上传送10Mb/s；ⅱ）点到点光纤上的以太网，在最长10km上传送1000Mb/s；ⅲ）点到多点光纤上的以太网（EPON），在最长10km上传送1000Mb/s。此外，该工作组还将定义以太网的运行、管理、维护（OAM），使它具有远端故障显示、远端环回和链路监测等功能。“第一英里”的提出对电信运营商来说，网络的接入部分是“最后一英里”，这样的称谓明确反映出接入部分在电信网大版图上的“边缘”位置。“最后一英里”是电信运营商的“后院”，所以，接入网没有受到足够的注意和投资。由于用户对新业务的需求，这个电信运营商的“后院”吸引了传统的计算机数据通信公司的注意。这些公司提倡，单一的网络采用一种协议，以数字传输方式提供话音、视频和数据等各种业务。对于这些公司,接入网是他们进军电信业务的“第一英里”。所以，把这部分网络重新命名为“第一英里”，以强调它的重要性。“第一英里”连接业务提供商的端局与企业或居民用户，也被称作“用户接入网”或“本地环路”，是距用户最近的网络基础设施。a）关于EPON标准EthernetintheFirstMileAlliance(第一英里以太网联盟)是一个支持基于802.3ah的EFM标准化的业界组织。EFMA的成员包括终端制造商、系统集成和通信运营商等。EFM是利用从用户办公室或家庭到通信运营商之间的连接线路，直接传输以太网数据帧的网络规格。IEEE（国际电气和电子工程师协会）802委员会的802.3ah工作组为EPON使用点到多点以太网接入应用制定了标准。EPON的标准是IEEE的802.3ah，标准中定义了：EPON的物理层、MPCP（多点控制协议）、OAM（运行管理维护）等相关内容。IEEE制定EPON标准的基本原则是尽量在802.3体系结构内进行EPON的标准化工作,最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。这就最大程度的继承了以太网经过长期、大规模实践检验积累下来的宝贵技术经验。b）EPON发展现状EPON是几个最佳的技术和网络结构的结合。EPON采用点到多点结构（PON）,无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上。EPON由于使用了经济和高效的结构，是连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10G以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后一英里的解决方案。在EPON产品方面：国际上领先地位的有Alloptic、Salira等新兴公司，也有一些老牌公司如NokiaBroadband，QuantumBridge等。国内，已有十几家公司研发和生产EPON产品，比较领先的有Salira(中国)，烽火通信公司，中兴通信公司，3COM公司，傲信科技公司，武汉无源光网络公司（武汉飞鸿）等。这些EPON产品支持上下行对称1G带宽，支持ONU的自动加入，支持TDM业务，提供动态/静态带宽分配、弹性保护倒换等功能。二、EPON工作原理简介1、EPON的网络结构EPON系统是一个典型的光接入网，它由ITU-T定义，如下图示：ONUONUOLTODN业务节点功能V参考点SNIT参考点UNIR/SS/RAN系统管理功能Q3AF按ONU安放的位置，可以将EPON分为三种接入方式：FTTH/FTTO—ONU安置在用户家中或办公室中，即光纤入户，此时ONU称为ONT；FTTB—ONU安置在楼棟或楼棟单元，即光纤到楼；FTTC--ONU安置在街边，即光纤到街边；除了FTTH/FTTO是光纤入户外，从ONU到用户采用双绞线或铜轴电缆接入用户。EPON三种接入方式2、EPON的构成一套典型的EPON系统由硬件和软件两大部分构成：硬件部分主要包括有源网络设备和无源光分配网两大部分。有源设备包括：光线路终端OLT，光网络单元/光网络终端ONU/ONT。无源光分配网：由局端到用户端的光纤和无源光分配器组成。称为无源光网络/光分配网PON/ODN。OLT位于根节点，通过PON/ODN与各个ONU相连。在下行方向，OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口；在上行方向，OLT将提供GE(GigabitEthernet)。将来，OLT也会支持10Gbit/s以太网的高速接口。为了支持其他流行的协议，OLT还可支持ATM,FR以及OC3/12/48/192等速率的SDH/SONET的接口标准。OLT通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入。在EPON的统一网管方面，OLT是主要的控制中心，实现网络管理的主要功能。PON/ODN：由光纤+无源光纤分配器组成。它是一个连接OLT和ONU的无源设备。ONU：放在用户驻地侧，接入用户终端设备。软件部分:按照802以太网体系设计思想，MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供差错控制（确认机制）和流量控制（滑动窗口），通常情况下，这种服务已足够；当需要差错控制和流量控制的时候，这种服务就不能满足，需要LLC（逻辑链路子层）。LLC子层提供差错控制和流量控制；LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口。对于同一个LLC逻辑链路，可以提供多个MAC选择。EPON的OLT和ONU之间的连接也要通过逻辑链路的控制，即LLID技术。在网络层次结构中EPON增加了MPCP（多点控制协议）协议功能，是MAC控制子层MAC-C的一部分内容，如下图所示。MPCP是MAC控制层的组件，MPCP主要完成两种功能：ONU自动发现、注册和测距。PhysicalNetworkLLCMACPhysicalNetworkLLCMACMAC-CEthernetEPON在上行信道中，用于数据传输的一整套信令体系，如带宽分配等。实现的手段是增加了控制消息，如下图EPON的光纤网络结构OLT和ONU之间的无源光网络可以灵活组建成树形，环形，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：3、EPON传输距离---OLT到ONU/ONT的最远距离由两个因素影响无源光网络的传输距离：第一、它由光线路终端（OLT）的发射光功率、ONU的光接收灵敏度和ODN的损耗决定。第二、是光网络单元ONU同时发射的风险。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ONU同时发射。如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ONU与OLT之间的距离差。因为距离将产生时延，当时延增加时，ONU到OLT的传输窗口就会变窄。这直接影响ONU可用的带宽的大小。因此要限制ONU和OLT之间的最大距离以保证ONU能有可接受的带宽性能。PON标准将这个最大距离定为20km，而多数厂商的产品为10km。下图显示了PON和有源以太网的服务半径。对PON来说，在选择光分路器的位置时必须考虑OLT和ONU之间的最大距离限制。图中黄色圆环代表了ONU离OLT的最远距离（此例中为20km），绿色圆环代表了ONU离分路器的最远距离。光分路器到OLT的距离决定了ONU到分路器的距离。二者之和不能超过20km。图中给出了两个例子：一个是分路器距离OLT19km，因而其服务半径只有1km；二是光分路器距离OLT10km，因而其服务半径为10km。在两个服务区域内都有32个ONU。这就导致需要进行复杂的权衡，并且需要评估下列情况：*如果在ONU的服务半径内少于32个用户，每用户分摊的OLT成本就很高。*如果在ONU的服务半径内多于32个用户，仅仅为了支持第33个用户，就