EPON在接入网中的应用

摘要：PON技术作为当前光纤接入的核心技术，已逐渐从试商用发展为替代ADSL的下一代网络接入主流技术，为各大电信运营商广泛采用和推广已是大势所趋。PON（无源光网络）作为目前FTTH最佳的解决方案，正在让光纤通信由长途干线通信走近千家万户。本文对EPON技术进行简要的介绍，并结合现网的情况对EPON的建设提出若干建议。

关键词：无源光网络；链路仿真；动态带宽分配；IEEE802.3

随着光通信技术的飞速发展和国内电信运营商的增多，目前国内的骨干网已基本实现光纤化、数字化、宽带化。当前，摆在电信运营商面前的主要问题是如何建立一个宽带高速、数字化的接入网。由于光纤的传输距离远、抗干扰强、容量大，因此成为接入网传输介质的首选。无源光网络（PON，Passive Optical Network）在光纤接入方式中相对成本低，能平滑升级、带宽高、覆盖范围大、节省光纤资源、传输距离远、保密性强等优点，它打破了传统点到点的解决方法，是解决宽带接入的一种既经济、又面向未来多业务的用户接入技术，因而将是未来的发展方向。

1、EPON的技术原理

（1）系统结构与所有的PON系统一样，EPON系统由OLT、ONU和ODN组成。OLT位于局端，是整个EPON系统的核心部件，向上提供接入网与核心网／城域网的高速接口，向下提供一点对多点的PON接口；ONU位于用户端，终结光纤链路，并提供对用户业务的各种适配功能；ODN是由无源光分支分配器组成的光纤分配网络，使得一个PON接口的光纤传输带宽可以由多个ONU共享，节省了大量的光纤铺设成本。EPON技术利用这种点对多点的拓扑结构，以以太网为承载协议，因此而得名。

（2）EPON的关键技术―――MPCP

EPON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。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP实体，它可以和OLT中的MPCP实体进行消息交互。MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的有效发送和接收：系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告从而优化PON系统内部的带宽分配。

（3）EPON的主要OAM功能

远端故障指示

＊控制ONU的开与关，如果ONU被关闭，该ONU不能注册到PON网络和注册；

＊在下行方向上OLT向ONU该ONU的组播成员信息；

＊用户接入物理设备在故障期间可支持OLT至ONU的单向OAM远端故障指示；

＊交换ONU的产商代码／型号信息以及用户端口配置信息

＊ping测试，检查网络的连通性＊远端环回：提供了环回模式的机制。

＊远端统计查询b、链路管理＊支持包括诊断信息的事件通知；＊支持轮询MIB变量。

（4）EPON的增强特性―――DBA

需要说明的是DBA（动态带宽分配）的实现方式并不在EPON规范内要求，而现在DBA主要有两种实现机制Report方式和Idle帧检测方式。

DBA是由OLT全局控制的，不同于以太网的带宽争用机制。

2、EPON技术的关键架构

EPON开放式接入系统架构有2种业务模型：一种是通过L3业务复用交换设备与一个集成的业务提供商相连，同时提供多种宽带接入业务；另一种是通过L2带宽集中器直接与各业务提供商的IP router、VoIP Gateway、Video Server等相连，提供灵活的业务选择。此种架构可以最大限度提高EPON系统设计的灵活性，降低设备成本，保护现有投资，具有强大的扩容和升级能力，便于实现业务平面与承载平面的分离，易于开展多项增值业务。

在IEEE802.3ah中，定义了EPON系统的ISO／OSI参考模型。其中，与高层接口的是传统的MAC客户子层，负责将高层的业务流映射进EPON中进行传送；OAM子层是新增加的一项可选功能模块，主要用于传递OLT与ONU间的操作、维护和管理（OAM）消息；多点MAC控制子层则是EPON的核心功能层，负责一个OLT与多个ONU的通信控制和协调，利用MAC控制帧（如Gate、Re－port等）实现控制信息的交互；MAC子层则是通信的主体，与普通以太网MAC没有区别；适配子层（RS子层）则被用于实现点到点的仿真（P2PE：Point to Point Emulation），用于对EPON内部的逻辑链路标识（LLID）进行处理；数据链路层与物理层通过GMII接口通信；物理编码子层（PCS）则在完成传统PCS子层8B／10B编解码和字节同步的功能之外，新增加了可选的前向纠错（FEC）模块，以进一步提高系统的性能；PMA子层则主要完成串并和并串转换及时钟提取等功能，与普通千兆以太网技术一致；PMD子层则主要完成信号的光电转换，根据EPON自身的特点，要求OLT的光收发模块具有突发接收的能力，而ONU的光收发模块则必须具备突发发送的能力。

由于EPON中各个ONU距离OLT物理距离的差异，到达OLT侧的不同ONU的光功率可能有很大的差异，因此要求OLT侧的光接收机具有自动阈值控制（ATC）的功能。此外，由于EPON上行为TDMA的工作方式，每个ONU只能在预先分配好的时段内发送数据，否则将在OLT侧造成接收冲突。因此要求ONU侧的光发射机具有突发发送的功能，在不属于自己的时段内应不发光或只发微弱的光（＜－45dBm），在属于自己的发送授权到来时，能迅速将光发射功率调整到正常工作水平。EPON是将传统的廉价的、易于管理的以太网技术与可靠的PON拓扑结构相结合而开发的一项新的接入技术。要实现IEEE802.3ah－2004规定的各项技术指标，满足运营商对网络可管理可维护可盈利的要求，首先必须解决诸如链路仿真技术、绝对时标技术、上下行带宽控制与服务水平协议（SLA）、动态带宽分配（DBA）等关键技术。

链路仿真技术是用于解决EPON点到多点的拓扑结构与传统以太网拓扑结构的兼容而开发的，可以在逻辑层面实现OLT与多个ONU的通信机制。IEEE 802系列标准定义了两种类型的媒质：共享的媒质和全双工。在共享媒质情况下，所有站点都连接到同一个访问域，每次最多只能有一个站点发送数据，但所有站点都可以一直接收数据。在全双工方式下，通常采用一个点到点的链路连接两个站点或一个站点与一个网桥，此时，每个站点都可以同时发送和接收数据。基于以上定义，网桥将不转发从一个端口发送回本端口的帧，即连接在同一网桥端口的所有站点可以在不需要网桥参与的情况下互相通信。这就会引起一个有趣的现象：同一E－PON系统内部连接到不同ONU的用户之间在没有3层处理的情况下无法实现相互通信。为了解决这一问题，同时易于与其他以太网的无缝集成，在EPON系统内引入了新的链路仿真技术，以实现同一EPON系统内连接到不同ONU的用户之间可以互相通信。

为了避免多个ONU上行突发发送时的冲突，EPON系统采用了先进的绝对时标（Absolute Timestamp）技术，即同一EPON系统内部所有设备的定时都以OLT侧的定时为基准。系统通过上下行MPCP帧的Timestamp域传递定时信息。GATE和REPORT操作是MPCP协议的两种操作模式在OLT侧，发送GATE帧（Discovery Gate和Normal Gate）的同时将本地时钟计数器的值插入该帧的时标域。在Normal Gate中，还将包含OLT分配给该ONU的发送起始和结束时刻。ONU接收到属于自己的Gate帧后，提取其时隙起始和结束时刻存入相应寄存器，并将本地定时寄存器的值改为GATE帧中的时标值，同时比较这两个时标值的差是否大于guard＿threshold的值（IEEE规定该变量的默认值为4＊16bits time），若大于该值，则认为时标发生了较大漂移，ONU将发起一次重新注册来修正。ONU则通过上行发送REPORT帧来报告本地时标和待发送的数据信息。发送REPORT帧的同时将本地时钟计数器的值插入该帧的时标域。OLT侧从接收到的REPORT帧中提取该ONU的时标信息，计算往返时间值（RTT：Round Trip Time）。为了保证不同业务在EPON内部能够得到与其业务类型相匹配的服务，在ONU侧上行方向定义了不同的分类规则，查找引擎（LUE：Look Up Engine）利用这些规则确定从UNI端口发送过来的包的流向，以建立特定类型的包与所使用的队列的对应关系。而每个LLID又与某一个或某几个队列相对应，通常选择1个LLID对应1个队列。ONU侧每个LLID的上下行数据使用完全独立的队列进行处理，最大限度保证上下行业务的SLA和QoS。

此外，为了支持多种不同的带宽分配策略，需要将带宽分配机制与具体带宽分配算法独立，采用一种具有硬件加速功能的带宽分配引擎。这种典型的DBA实现可以很好根据用户需求动态地改变每个LLID的授权带宽。

3、EPON的建设建议

通过上面对EPON技术的简单介绍，可是看出EPON系统具有如下特点：

（1）局端（OLT）与用户（ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本；

（2）EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网／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）采用单纤波分复用技术（下行1490nm，上行1310nm），仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力；

（4）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，上行利用时分复用（TDMA）共享带宽。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；

（5）点对多点的结构，只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资；结合EPON的特点，并针对现网的情况，现对EPON的建设提出以下建议：

PON（无源光网络）作为目前FTTH最佳的解决方案，网络建设应本着近期以EPON为主，远期逐步向GPON过渡的原则。EPON目前成熟度较高，成本相对低廉，对数据业务支持好；GPON在带宽、效率和全业务支持方面具有优势。

基于PON的光纤接入网络应提供话音业务、传真、视频业务及高速的数据接入业务，通过光纤要在用户端设备上为用户提供语音、数据及视频三种不同业务合一的解决能力（具体包括POTS、VOIP、FAX、IPTV、CATV业务，Internet接入业务等）。提供的话音业务应考虑向NGN网的平滑演进。

PON网络建设中应结合其简化供电，避免电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，降低运维成本等技术特点，提高覆盖区域用户密度，降低单位用户成本。网络建设应选定较为集中的用户群区域或重点客户进行覆盖。

PON网络建设应以市场发展策略为导向，以目标网络为指导，根据技术发展和市场需求，适时引入。

PON网络建设应立足现存接入网现状，充分利用现有资源，节约成本，快速提供业务。

4、结束语

光纤通信正在由长途干线通信走近千家万户，光纤接入是技术发展之趋势。EPON能够以相对低廉的成本提供高速、可靠、多业务且可管理的接入服务，对于接入用户和运营商都是价值的充分体现和保证。进入21世纪以来，全球信息技术发展迅猛，人们对宽带接入的需求也在不断提高。随着国家加大对下一代网络，三网融合，移动3G的投入，光纤接入技术已经成为未来光通信最炙手可热的方向之一。电信运营商要发展好宽带业务，了解与把握宽带时代下的用户需求趋势就显得非常关键。进入宽带时代用户所要求满足的功能已经不仅是文本通讯功能，或者简单的网页浏览等，而是更高级的娱乐功能、教育功能、医疗功能甚至是独具个性的内容和应用，由此用户更关注业务的多样性和差异化。