EPON網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的分析與研究

張 凱

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

1 無源光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程

伴隨著網(wǎng)絡(luò)的快速普及，一個龐大的網(wǎng)絡(luò)體系已經(jīng)建立，我們的生活、學(xué)習(xí)、工作與網(wǎng)絡(luò)密不可分。網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，人們對網(wǎng)絡(luò)速度的要求也在不斷提高，經(jīng)過長時間的研究與探索，光纖通信網(wǎng)絡(luò)以其無以倫比的優(yōu)越性已經(jīng)覆蓋全球，為解決傳輸網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)帶寬瓶頸，無源光纖網(wǎng)絡(luò)營運而生。

無源光纖網(wǎng)絡(luò)簡稱PON網(wǎng)絡(luò)。由于波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的快速發(fā)展，WDM已經(jīng)用在城域網(wǎng)范圍。一些企業(yè)內(nèi)部和高檔小區(qū)內(nèi)，局域網(wǎng)的速度開始從10 Mbit/s向100 Mbit/s進(jìn)行過渡，甚至有的地方已經(jīng)達(dá)到1000 Mbit/s。城域網(wǎng)的巨大帶寬容量與終端用戶有限的接入帶寬，成為限制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。多年來，網(wǎng)絡(luò)運營商一直在努力為市場提供一個廉價的接入網(wǎng)，同時滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所需的帶寬，但是經(jīng)濟(jì)與技術(shù)等多方面的因素嚴(yán)重導(dǎo)致了接入網(wǎng)技術(shù)的緩慢發(fā)展。

社會關(guān)注關(guān)注PON技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)多年。近年來，由于光部件價格的下降和終端用戶接入網(wǎng)帶寬的增長，PON技術(shù)已經(jīng)展露出經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行性。PON可以為用戶提供足夠的接入帶寬，從而消除接網(wǎng)絡(luò)的帶寬瓶頸。PON網(wǎng)絡(luò)主要有兩種類型：ATM PON和Ethernet PON。

1.APON APON在90年代由FSAN聯(lián)盟設(shè)計完成。由于ATM可作為支持多種通信類型的協(xié)議，PON是光纖網(wǎng)絡(luò)，所以選擇ATM和PON分別作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)平臺，即后來的ITU的標(biāo)準(zhǔn)，ITU-T Rec.G.983。然而APON并沒有被廣泛應(yīng)用，因為各個APON廠商的產(chǎn)品沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，APON的發(fā)展也不如預(yù)料那么好。

2.EPON 諸多因素致使APON從局域網(wǎng)舞臺中推出。而IP/Ethernet卻越發(fā)得到大家的關(guān)注。以太網(wǎng)的傳輸速率不斷被提高，如今10Gbit/s的以太網(wǎng)也已經(jīng)投入使用。DWM等技術(shù)的應(yīng)用使得IP/Ethernet強(qiáng)勢進(jìn)入WAN和MAN市場。許多公司達(dá)成共識，把Ethernet和PON技術(shù)結(jié)合起來的EPON可以克服APON的多個缺點，同時利用Ethernet的普及性，可以方便的實現(xiàn)從Ethernet向EPON的過渡，從而為接入網(wǎng)的終端用戶提供低價格高寬帶的EPON網(wǎng)絡(luò)。

2 EPON和APON的差異

EPON和APON的物理層傳輸訪問技術(shù)都采用PON結(jié)構(gòu)，但是他們還是有著各自的不同特點。在1995年，ITU和FSAN制訂了ATM標(biāo)準(zhǔn)，諸多供應(yīng)商陸續(xù)開發(fā)APON產(chǎn)品。然而APON的結(jié)構(gòu)缺陷，迫使運營商們不得不把想法寄托到EPON上。有限的終端帶寬，雜亂的協(xié)議轉(zhuǎn)換，APON技術(shù)的發(fā)展受到很大限制。APON引起結(jié)構(gòu)缺陷，造成10%的帶寬浪費。而在EPON結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)特點所造成的帶寬損失為2%～3%。APON必須采用多種技術(shù)轉(zhuǎn)換（如AAL1/2 SAR、AAL5 SAR）轉(zhuǎn)換所有終端通信并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，為實現(xiàn)這一目的，必須添置相應(yīng)的設(shè)備。從網(wǎng)絡(luò)連接的角度出發(fā)，APON的ONU需要實現(xiàn)IP和ATM虛連接的對應(yīng)。這樣的功能仍需添加設(shè)備，提高自身的硬件成本?，F(xiàn)在，無論網(wǎng)絡(luò)的長距離傳輸，還是用戶終端接入網(wǎng)部分，其通信技術(shù)已經(jīng)從ATM轉(zhuǎn)為IP，進(jìn)而實現(xiàn)視頻、音頻和數(shù)據(jù)通信。設(shè)想一下，EPON依靠其絕對特點——無需多余的協(xié)議轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一的端到端連接服務(wù)模式，低廉的設(shè)備成本，簡單的操作和維護(hù)，必將強(qiáng)勢進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)市場，成為運營商爭搶的寵兒。

3 EPON工作原理

3.1 EPON組成及工作原理

EPON是英特網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合。EPON采用端到端的結(jié)構(gòu)，無源光纖網(wǎng)絡(luò)，在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上提供多個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?，F(xiàn)在，因特網(wǎng)基本占據(jù)整個局域網(wǎng)市場，EPON是與因特網(wǎng)結(jié)合使用的，其包括了因特網(wǎng)基本框架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，從而成為接入網(wǎng)終端的最直接、最有效的通信方法。EPON中，無需復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，光信號就能準(zhǔn)確地傳送到終端接入用戶，來自用戶的數(shù)據(jù)通過光信號傳送到網(wǎng)絡(luò)。

一個典型的Ethernet over PON 系統(tǒng)包括OLT、ONU、POS三部分。OLT（光線路終端）、ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）以及POS（無源光分配器）等單元端到端網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用星型或樹型分支結(jié)構(gòu)，下行方向采用廣播方式，ONU將接收的下行信息，根據(jù)各自地址提取相關(guān)信息；上行方向使用分布式共享系統(tǒng)，通過控制機(jī)制將多個ONU有序接入。在EPON中，OLT不光是路由器，也是多業(yè)務(wù)提供平臺(MSPP)，可作為無源光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖接口。參照以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢，OLT將提供10Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)接口，同時為保證其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的正常工作，OLT還支持ATM、FR等速率的通信。OLT主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中和接入的功能，還可以按照不同用戶的要求帶寬分配帶寬、網(wǎng)絡(luò)安全和管理策略。POS是一個無源，可以置于任何環(huán)境中，OLT通過POS連接多個ONU。一個POS的分線率為8、16或32，可實現(xiàn)多級連接。OLT到ONU間的連接距離可達(dá)20 km，如果使用光纖放大器(有源中繼器)，可擴(kuò)展連接距離。EPON中采用應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)協(xié)議。通過ONU單元實現(xiàn)以太網(wǎng)第二層第三層交換功能，采用以太協(xié)議可以更方便的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，所以傳輸過程中無需協(xié)議轉(zhuǎn)換，ONU還支持其他的TDM協(xié)議。對于光纖到戶(FTTH)的接入方式，ONU和NIU可以集成在一起，從而給終端用戶分配足夠的帶寬，同時保證極低的成本。遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)分配控制管理可以針對用戶不同的帶寬需求做出響應(yīng)操作，從而大大提高帶寬的使用效率。中心管理系統(tǒng)可以對OLT、ONU等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置及用戶可管理的CPE業(yè)務(wù)。PON系統(tǒng)可以方便、靈活地為用戶進(jìn)行動態(tài)分配帶寬，根據(jù)用戶的要求，為其靈活分配。

3.2 EPON中的核心技術(shù)

3.2.1 信道復(fù)用技術(shù)

信道復(fù)用技術(shù)是EPON的一個重要技術(shù)，通過一條光纖中同時傳輸多個波長的光信號,而每個光信號可以承載多路電信號（包括數(shù)字和模擬兩種）。WDM原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號整理到一起,并放在光纜線路中的一條光纖中進(jìn)行傳輸,在接收端將這些信號按照各自波長的不同進(jìn)行分解和處理，最終發(fā)送到不同的用戶終端。在整個過程中,發(fā)送端與接收端是WDM的重要組成部分，其工作性能直接決定了網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的好壞。一般情況下，為保證傳輸質(zhì)量，我們在選擇發(fā)送與接收設(shè)備時，設(shè)備損耗應(yīng)控制在1.0～2.5db以內(nèi)，同時，不同信道間的相互干擾也是影響傳輸質(zhì)量的重要因素，值得我們注意。

從發(fā)展現(xiàn)狀看，多數(shù)EPON采用DWDM及TDMA技術(shù)。EPON在IEEE802.3以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀格式上進(jìn)行必要的修改，通過波分復(fù)用技術(shù)，可同時處理雙向信號傳輸，在同一根光纖中，上、下行兩個信號分別使用不同的波長。上行采用時分多址接入（TDMA）技術(shù)，下行采用純廣播的方式。在下行傳輸過程中，OLT為ONU分配相應(yīng)的PON－ID，每個ONU監(jiān)測收到數(shù)據(jù)的PON－ID，如果接收數(shù)據(jù)的PON－ID和自身PON－ID一致，則接收數(shù)據(jù)，否則丟棄。

另一方面，PON系統(tǒng)采用“同纖異波”的傳輸方式，系統(tǒng)中的 OLT 和ONU 之間采用上下行雙向傳輸?shù)膯文９饫w，上行使用1255nm～1355nm 波長（標(biāo)稱1310nm），下行使用1480nm～1500nm 波長（標(biāo)稱1490nm），而1540nm～1560nm 波長（標(biāo)稱1550nm）則預(yù)留給CATV服務(wù)。

3.2.2 光鏈路損耗測量

OLT及ONU都支持光功率測量功能，OLT對其接收到的ONU上行光功率進(jìn)行測量，誤差控制在±1dB，ONU對來自O(shè)LT 的下行光功率進(jìn)行測量，誤差控制在±2dB。

前面說過，PON系統(tǒng)主要由OLT、POS以及ONU三部分組成，其中POS（無源光分配器）的損耗直接影響PON的使用性能。因此，分析研究PON中的POS損耗是一個很重要的環(huán)節(jié)。影響POS的因素主要有：光纖損耗、無源分配器損耗、接頭損耗。

PON系統(tǒng)的光鏈路損耗可用下式表達(dá)：

其中，Lfiber代表光纖損耗，Lsplitter代表無源分光器損耗，Lconnector代表接頭損耗。

根據(jù)G.652.C和G.652.D規(guī)定，PON系統(tǒng)光纖損耗為：

無源分光器主要實現(xiàn)將PON系統(tǒng)中的輸入光源均分至多路輸出，且各路輸出光功率總和應(yīng)與理論輸入光功率相同。

一般情況下，分光器的每路損耗約為0.5dB，用發(fā)光指數(shù)n表示分光比為2n（即：2、4、8、16、32）。無源分光器的損耗為：

通常，光連接器損耗約為0.5dB，并成對存在。接頭損耗主要取決于末端接入點至匯聚點的跳數(shù)。以目前常見光纜資源和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，跳接數(shù)一般在1～2跳。按最差情況分析，接頭損耗為：

3.2.3 系統(tǒng)同步

系統(tǒng)同步是指為防止各個ONU上行數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，按照EPON上行為多點到一點的組織結(jié)構(gòu)，每個ONU發(fā)送的時間間隙必須與OLT的系統(tǒng)分配的時間間隙一致。為實現(xiàn)ONU與OLT的時鐘信號同步，EPON采用時間標(biāo)簽方式。在OLT端設(shè)有一個全局計數(shù)器，下行方向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)時插入時鐘標(biāo)簽，ONU根據(jù)收到數(shù)據(jù)的時鐘標(biāo)簽調(diào)整本地計數(shù)器，完成兩端時間同步；上行方向ONU發(fā)送數(shù)據(jù)時插入時鐘標(biāo)簽，OLT根據(jù)收到數(shù)據(jù)的時鐘標(biāo)簽進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)同步。

3.3 EPON應(yīng)用特點

（1）EPON所使用的光無源器件，無冗余電源、無需過多的維護(hù)人員，有效降低運營成本；

（2）EPON采用廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)，二者能夠更好的融合，消除了復(fù)雜的傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換所帶來的建設(shè)成本因素；

（3）采用波分復(fù)用技術(shù)，傳輸距離可達(dá)20公里，通過添加放大器，可增加傳輸距離，傳輸范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他網(wǎng)絡(luò)。光分路器可最大配置32個用戶，大大降低成本；

（4）上下行均具備高速率，下行方向采用廣播方式共享系統(tǒng)，上行方向使用分布式共享系統(tǒng)，可方便靈活的為用戶分配帶寬；

（5）端對端的結(jié)構(gòu)，通過增加ONU數(shù)量，有效地對系統(tǒng)進(jìn)行升級，方便實現(xiàn)；

（6）EPON具有多種能力，可傳輸TDM、IP數(shù)據(jù)和視頻廣播，通過擴(kuò)展第三個波長，可實現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)廣播傳輸。

4 EPON展望

遠(yuǎn)距離傳輸，方便可調(diào)的帶寬，兼并因特網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點，光纖的接入和傳輸，光纖化的ONU/ONT，EPON系統(tǒng)所能提供的諸多優(yōu)勢為企業(yè)和個人提供了更快、更方便的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時，更少的設(shè)備維護(hù)和成本投資，支持遠(yuǎn)端ONU/ONT的加入，方便的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，終端設(shè)備的統(tǒng)一管理，帶寬資源共享、設(shè)備安全性高、快捷的建網(wǎng)速度、綜合建網(wǎng)成本低等優(yōu)點，對于運營商來說，更能滿足現(xiàn)在及未來網(wǎng)絡(luò)市場發(fā)展的需求，且最大程度的降低運營維護(hù)費用。目前，EPON還處于發(fā)展階段，但數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增多、快速以太網(wǎng)應(yīng)用、G比特以太網(wǎng)技術(shù)的實現(xiàn)，都加快了EPON的發(fā)展速度。FTTx作為針對大客戶、集團(tuán)用戶的解決方案越來越受到青睞。隨著PON技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用和芯片成本的不斷降低，以及光纖鋪設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，EPON技術(shù)將很快成為FTTx的主要接入方式之一。EPON技術(shù)在今后將會被越來越多的使用。

更值得注意的是，2002年美國一項網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建議：為加速網(wǎng)絡(luò)的普及和發(fā)展，重點發(fā)展以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)，并建議將其作為一項長期發(fā)展計劃。這無疑奠定了EPON的發(fā)展?jié)摿?，同時也為EPON在全球網(wǎng)絡(luò)市場的發(fā)展推波助瀾。

[1]張中荃,接入網(wǎng)技術(shù)（第2版）[M].北京：人民郵電出版社,2009.7

[2]王慶,胡衛(wèi)編著.光纖接入網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計手冊,北京：人民郵電出版社，2009.8

[3]黃彩明,PON 技術(shù)分析及應(yīng)用[J].新聞天地(下半月刊)，2010.12

[4]陳小靈,PON 技術(shù)在光接入網(wǎng)的應(yīng)用，2012.04

[5]何淑貞,國內(nèi)外光通信的發(fā)展趨勢 [J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體,2007.12

[6]張煦,光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢 [J].中興通訊技術(shù),2000

[7]辛化梅 ,李忠 .論光纖通信技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003.4

[8]毛謙,我國光纖通信技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和前景[J].電信科學(xué),2006.8