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EPON 以太无源光网络

2015-10-17 20:15| 发布者: xiaogang| 查看: 169| 评论: 0

EPON(以太无源光)是一种新型的光纤接入网技术,它采用点到多点结构、无源光纤传输,在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了PON技术,在链路层使用以太网协议,利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。因此,它 ...

    EPON(以太无源光)是一种新型的光纤接入网技术,它采用点到多点结构、无源光纤传输,在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了PON技术,在链路层使用以太网协议,利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。因此,它综合了PON技术和以太网技术的优点:低成本;高带宽;扩展性强,灵活快速的服务重组;与现有以太网的兼容性;方便的管理等等。
 
    简介

  EPON(Ethernet Passive Optical Network)IEEE802.3定义了以太网的两种基本操作模式。第一种模式采用载波侦听多址接入/冲突检测(CSMA/CD)协议而应用在共享媒质上;第二种模式为各个站点采用全双工的点到点的链路通过交换机连接到一起。相应的,以太网MAC可以工作于这两种模式之一:CSMA/CD模式或全双工模式。

  EPON媒质的性质是共享媒质和点到点网络的结合。在下行方向,拥有共享媒质的连接性,而在上行方向其行为特性就如同点到点网络。

  下行方向:olt发出的以太网数据报经过一个1:n的无源光分路器或几级分路器传送到每一个ONU。N的典型取值在4~64之间(由可用的光功率预算所限制)。这种行为特征与共享媒质网络相同。在下行方向,因为以太网具有广播特性,与EPON结构和匹配:OLT广播数据包,目的ONU有选择的提取。

  上行方向:由于无源光合路器的方向特性,任何一个ONU发出的数据包只能到达OLT,而不能到达其他的ONU。EPON在上行方向上的行为特点与点到点网络相同。但是,不同于一个真正的点到点网络,在EPON种,所有的ONU都属于同一个冲突域――来自不同 的ONU的数据包如果同事传输依然可能会冲突。因此在上行方向,EPON需要采用某种仲裁机制来避免数据冲突。

    技术基础

  无源光网络(PON)的概念由来已久,它具有节省光纤资源、对网络协议透明的的特点,在光接入网中扮演着越来越重要的角色。同时,以太网(Ethernet)技术经过二十年的发展,以其简便实用,价格低廉的特性,几乎已经完全统治了局域网,并在事实上被证明是承载IP数据包的最佳载体。随着IP业务在城域和干线传输中所占的比例不断攀升,以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进,逐渐向接入、城域甚至骨干网上渗透。而以太网与PON的结合,便产生了以太网无源光网络(EPON)。它同时具备了以太网和PON的优点,正成为光接入网领域中的热门技术。

    技术的发展

  2000年11月,IEEE成立了EFM(Ethernet in the First Mile)研究组,业界有21个网络设备制造商发起成立了EFMA,实现Gb/s以太网点到多点的光传送方案,所以又称GEPON(GigabitEthernet PON)。EFM标准IEEE802.3ah;

  EPON 就是一种新兴的宽带接入技术,它通过一个单一的光纤接入系统,实现数据、语音及视频的综合业务接入,并具有良好的经济性。业内人士普遍认为,FTTH 是宽带接入的最终解决方式,而EPON 也将成为一种主流宽带接入技术。由于EPON网络结构的特点,宽带入户的特殊优越性,以及与计算机网络天然的有机结合,使得全世界的专家都一致认为,无源光网络是实现“三网合一”和解决信息高速公路“最后一公里”的最佳传输媒介。

    接入系统的特点

  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;

  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;

  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;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;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;

  EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力,其中TDM和IP数据采用IEEE 802.3以太网的格式进行传输,辅以电信级的网管系统,足以保证传输质量。通过扩展第三个波长(通常为1550nm)即可实现视频业务广播传输。

  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.在北京举办的2009中国FTTH高峰发展论坛上,中兴通讯发布了全球首台“对称”10G EPON设备样机。

    技术特点

  技术由802.3 EFM工作组进行标准化。2004年6月,IEEE 802.3EFM工作组发布了EPON标 准——IEEE 802.3ah(2005年并入IEEE 802.3-2005标准)。在该标准中将以太网和技术相结合,在无源体系架构的基础上,定义了一种新的、应用于EPON系统的物理层(主要是光接口)规范和扩展的以太网数据链路层协议,以实现在点到多点的PON中以太网帧的接入。此外,EPON还定义了一种运行、维护和管理(OAM)机制,以实现必要的运行管理和维护功能。

  在物理层,IEEE 802.3-2005规定采用单纤波分复用技术(下行1490 nm,上行1310 nm)实现单纤双向传输,同时定义了1000 BASE-PX-10 U/D和1000 BASE-PX-20 U/D两种PON光接口,分别支持10 km和20 km的最大距离传输。在物理编码子层,EPON系统继承了吉比特以太网的原有标准,采用8B/10B线路编码和标准的上下行对称1 Gbit/s数据速率(线路速率为1.25 Gbit/s)。

  在数据链路层,多点MAC控制协议(MPCP)的功能是在一个点到多点的EPON系统中实现点到点的仿真,支持点到多点中多个MAC客户层实体,并支持对额外MAC的控制功能。图1示意了EPON协议参考模型及多点MAC控制协议的位置。MPCP主要处理ONU的发现和注册,多个ONU之间上行传输资源的分配、动态带宽分配,统计复用的ONU本地拥塞状态的汇报等。

  利用其下行广播的传输方式,EPON定义了广播LLID(LLID=0xFF)作为单拷贝广播(SCB)信道,用于高效传输下行视频广播/组播业务。EPON还提供了一种可选的OAM功能,提供一种诸如远端故障指示和远端环回控制等管理链路的运行机制,用于管理、和诊断已激活OAM功能的链路。此外,IEEE 802.3-2005还定义了特定的机构扩展机制,以实现对OAM功能的扩展,并用于其他链路层或高层应用的远程管理和控制。

  相对于BPON和,EPON协议简单,对光收发模块技术指标要求低,因此系统成本较低。另外,它继承了以太网的可扩展性强、对数据业务适配效率高等优点,同时支持高速Internet接入、语音、TDM专线甚至等多种业务综合接入,并具有很好的保证和组播业务支持能力,是目前建设高质量的重要备选技术之一。

    技术现状

  自EFMA(Ethernet First Mile Alliance,第一公里以太网联盟)在2004年6月发布EPON技术规范IEEE 802.3 ah以来,EPON技术得到快速发展,目前相关的芯片和设备均已基本成熟,并有较大规模的应用。在日本,、、YahooBB等从2004年开始部署EPON,采用、FTTB/C+VDSL/ADSL2+等多种组网方式,为用户提供高带宽接入业务。目前,日本市场上已经部署了超过500万线的EPON设备,而且每月新增的FTTH用户数已经超过了用户。

  目前,EPON技术已经成熟,主要体现在以下方面:经过各标准化组织、设备和芯片制造商、运营商的共同努力,EPON商用芯片和光模块已经成熟,在的主导下,已经实现了EPON芯片级和系统级的互通测试;EPON产业链也在进一步成熟,形成了良性的市场竞争格局,设备成本进一步下降,已达到规模商用水平。

    技术的应用

    公众客户综合接入

  对于公众用户来说,可以采用FTTH和FTTB/C/Cab等应用模式。

    大客户、商业客户综合接入

   对于商业用户,可以根据业务需求和用户规模的不同,采取不同的实施模式,如FTTO、FTTB或FTTC。 “全球眼”等高带宽接入“全球眼”等对带宽(特别是上行带宽)要求比较高的应用可以采用EPON作为接入手段,具体组网方式如图5所示。PON替代了原来模拟组网方案中的二/三层,同时还节省大量的,并且不需要视频设备。

    村村通接入

  在资源短缺的情况下,如村中,可采用多级分光且分光功率不等的光分路器方案,即在只有一芯或几芯资源的情况下采用功率不等光分路器逐点汇聚。

    功率预算

  按照IEEE802.3ah-2004的约定:OLT侧发射功率大于2dBm,接收灵敏度<-27dBm;对于ONU发射功率大于-1dBm,接收灵敏度<-24dBm,整个光链路的损耗上行<24dB,下行<23.5dB。EPON上行1310nm和下行1490nm波长在G.652光纤中的损耗约为0.3dB/km。综上可见功率预算对于长距离EPON来说是最为重要的因素。为了提高传输距离,除了减少线路插入损耗外,还可以采用光放大的手段来提高光功率预算,具体包括以下两类方法:光放大器(图1)和中继器(OEO,optical-electrical-optical,光电光)(图2)。光放大器方案在上下行方向均需要使用到Diplexer(复用/解复用器)和OA(OpticalAmplifier,光放大器),而OBF(Optical Bandpass Filter, 光带通滤波器)则是可选的,使用OBF主要是为了克服OA的自发辐射效应,以提供更好的性能。中继器方案则直接采用两个光模块背靠背互连,并使用本地的控制器来控制两个光模块的发光,从而达到简单的OEO中继的目的,成本较低。但图2的方案仍然不够精细,因为OEO会带来延时,而我们知道EPON上行方向是突发的,这样会带来一些时序上的轻微措施,在长距离的情形下,表现将更加明显。为此对于更长距离的应用将需要内置智能单元以截获MPMC层的消息,来计算分析并弥补突发开销。

    EPON的色散

  EPON系统中上行使用1310nm波长,下行使用1490nm波长,采用的光纤维-TG.652光纤,我们知道G.652光纤的零色散波长为1300~1324nm区间,上行波长正好在这个区间内,因此对于ONU的光谱特性要求不高,可以使用FP激光器。对于下行1490nm不在零色散波长区间,对于长距离EPON系统,OLT必须使用谱宽较窄的DFB激光器以减小色散代价。

    EPON的时序要求

  EPON协议中有三个时间是很重要的一个是系统最大RTT(图5),一个是注册开窗时间还有一个是DBA轮询周期。当加长传输距离后,距离OLT最远的那个ONU的RTT最大,假设最远ONU为70km,则RTT为2×(70000/2*108)=700us(光信号在真空中速度为3×108m/s,在光纤中速度按照2×108计),因此该情形下EPON系统的注册开窗时间至少应该在700us以上。由上分析可见随着传输距离的加长,注册时间将不可避免的加长。另外需要考虑的是DBA的轮询周期,从图6可以看出DBA轮询周期至少应该大于系统最大的RTT(即最远ONU的往返时间),可见在长距离情形下,DBA的效率是较低的,在大多数情况下,建议采用SBA(静态带宽分配)算法来代替SBA。


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