用于配电自动化的EPON方案DOC.docx

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用于配电自动化的EPON方案

目录

1.开发动因3

2.应用范围3

3.设计依据3

4.功能需求4

5.系统要求4

5.1可靠性及电磁兼容指标4

5.2环境工作条件5

6.用于配电自动化的EPON整体方案5

6.1EPON系统网络拓扑5

6.2EPON关键技术6

6.2.1DBA7

6.2.2系统同步7

6.2.3测距和时延补偿7

6.2.4RTT补偿8

6.2.5EPON的QoS问题9

6.3用于配电自动化的EPON系统整体架构9

6.4方案优势12

7.OLT硬件系统设计12

7.1OLT的主要功能12

7.2OLT硬件结构框图13

7.3OLT各芯片选择及介绍13

7.3.1EPON芯片13

7.3.2CPU芯片15

7.3.3交换芯片16

7.3.4Serdes芯片17

7.3.5光纤收发器19

7.3.6其他芯片19

8.ONU硬件系统设计19

8.1ONU的主要功能19

8.2ONU的硬件结构框图20

8.3ONU各芯片选择及介绍21

8.3.1EPON芯片21

8.3.2以太网交换芯片22

8.3.3光纤收发器23

8.3.4其他芯片23

9.附录——各芯片参考价格23

1.开发动因

目前市面上的EPON设备针对公用通信应用的较多，装置体积、端口、功能配置上都较大，销售价格较高，而且几乎都只考虑室内环境应用，不能适应应用于智能配电网络的EPON设备的电磁兼容性好、环境严酷程度高等可靠性要求，并且应用于智能配电网的EPON设备并不需要诸如视频、电话、语音等功能，因而综合性价比、可靠性、功能需求、外形要求、环境要求等诸多因素，市面上的EPON产品集成系统不适合智能配电网，采用这些产品不利于配电自动化系统在市场上的竞争。

2.应用范围

该方案作为配电自动化方向的接入网方案，应用于智能配电网保护测控终端与系统通信方式、智能小区管理平台与内部终端间的通信、中小型水电站站内组网、铁路牵引变及配电自动化、高速公路配电及隧道通信系统。

3.设计依据

IEEE802.310Base-TEthernet

IEEE802.3u100Base-TXFastEthernet

IEEE802.3xFlowControlandBack-pressure

IEEE802.1pclassofservice

IEEE802.1QVLANandGVRP

IEEE802.3adLACP

IEEE802.1XPort_basedNetworkAccessControl

IEEE802.3ah《基于以太网的EPON标准协议》

YD/T1636-2007：

《FTTH体系架构及总体要求》

YD/T1619-2007：

《宽带光接入网总貌》

YD/T1475-2006：

《接入网技术要求—基于以太网方式的无源光网络（EPON）》

YD/T1531-2006：

《接入网设备测试方法—基于以太网方式的无源光网络（EPON）》

YD/Txxxx-xxxx：

《接入网技术要求—EPON系统互通性》

YD/Txxxx-xxxx：

《接入网设备测试方法—EPON系统互通性》

YD/Txxxx-xxxx：

《接入网技术要求—EPON/GPON系统承载多业务》

YD/T1664-2007：

《基于以太网方式的无源光网络（EPON）网络管理接口技术要求》

4.功能需求

该部分由新世纪公司提出。

5.系统要求

该部分由新世纪公司提出，以下给出部分参考标准。

5.1可靠性及电磁兼容指标

绝缘电阻：

各等级的各回路绝缘电阻不小于100MΩ

介质强度：

模块能承受2kV、0.5kV（有效值）、50Hz的交流试验电压，历时1Min，而无击穿闪络或闪络。

冲击电压：

模块能承受1.2/50μs的标准雷电波的短时冲击电压试验，小于60V试验电压为1kV，大于60V试验电压为5kV。

振荡波抗扰度严酷等级：

Ⅲ级。

静电放电抗扰度严酷等级：

Ⅳ级。

射频电磁场辐射抗扰度严酷等级：

Ⅲ级。

电快速瞬变脉冲群抗扰度严酷等级：

A级。

浪涌抗扰度严酷等级：

Ⅳ级。

射频场感应传导骚扰抗扰度严酷等级：

Ⅲ级。

工频抗扰度严酷等级：

A级。

传导发射限值符合GB/T14598.16（IEC60255-25）的规定。

辐射发射限值符合：

GB/T14598.16（IEC60255-25）的规定。

振动：

通过GB/T11287中规定的严酷等级为1级的振动响应和振动耐久试验。

冲击：

通过GB/T14537中规定的严酷等级为1级的冲击响应和冲击耐久试验。

碰撞：

通过GB/T14537中规定的严酷等级为1级的冲击响应和冲击耐久试验。

5.2环境工作条件

正常工作大气条件

环境温度:

-35℃～+70℃

相对湿度:

5%～95%

大气压力:

80kPa～106kPa

6.用于配电自动化的EPON整体方案

6.1EPON系统网络拓扑

图1EPON系统网络拓扑结构图

EPON系统网络拓扑结构如图1所示。

一个典型的EPON系统由OLT、ONU、POS组成。

EPON系统在网络侧通过业务节点接口（SNI）与业务节点相连，在用户侧通过用户网络接口（UNI）与用户设备相连，从而形成一个实现涌入接入功能的无源光网络，在物理层上EPON继承了PON的体系结构。

在数据通信方向上，EPON利用波分复用技术（WDM）在同一根光纤内采用两个不同的波长（上行：

1310nm，下行：

1490nm）为上下行信道提供全双工的通信方式。

在EPON的下行方向，OLT将IEEE802.3ah定义的以太帧以广播的方式发送到信道上。

每个以太帧都在头部字段（Header）包含了其目的ONU的标识（ONU_ID1，ONU_ID2……）。

以太帧传送到无源光分路器后，被分成多路相同的信号分别送至各ONU处。

当数据到达ONU时，ONU负责接收数据帧并根据其头部的地址信息，取出属于自己的数据，对于其他ONU的数据信息，则直接丢弃。

在EPON的上行方向，由于无源光分路器的方向特性，各ONU之间不能传送数据，其通信只能与OLT进行。

所有ONU共享上行信道，其发送顺序必须相互协调，否则不同ONU的数据在光分路器处就会发生碰撞。

采用TDM（时分复用）技术，OLT为各ONU分配上行数据的发送时隙，ONU在制定的时隙到来时按照OLT的授权窗口大小发送以太数据帧。

这样各个ONU的上行数据在到达共享光纤后就会按照预先安排好的次序进行传输，而不会发生冲突。

不同ONU的上行帧之间留有一定的保护带宽，用于补偿由同步和测距过程产生的误差。

6.2EPON关键技术

EPON的关键技术主要包括：

上行信道的多址控制协议（MPCP）、ONU的即插即用问题、OLT的测距和时延补偿协议以及协议兼容性问题。

由于下行信道采用广播方式，带宽分配和时延控制可以由高层协议完成，因而上行信道的MPCP便成为EPON的MAC层技术的核心。

目前的802.3ah标准确定在EPON的MAC层中增加MPCP子层。

MPCP子层的基石主要有3点：

一是上行信道采用定长时隙的TDMA方式，但时隙的分配由OLT实施；二是对于ONU发出的以太网帧不作分割，而是组合，即：

每个时隙可以包含若干个802．3帧，组合方式由ONU依据QoS决定；三是上行信道必须有动态带宽分配（DBA）功能支持即插即用、服务等级协议（SLA）和QoS。

6.2.1DBA

目前MAC层争论的焦点在于DBA的算法及802．3ah标准中是否需要确定统一的DBA算法，由于直接关系到上行信道的利用率和数据时延，DBA技术是MAC层技术的关键。

带宽分配分为静态和动态两种，静态带宽由打开的窗口尺寸决定，动态带宽则根据ONU的需要，由OLT分配。

TDMA方式的最大缺点在于其带宽利用率较低，采用DBA可以提高上行带宽的利用率，在带宽相同的情况下可以承载更多的终端用户，从而降低用户成本。

另外，DBA所具有的灵活性为进行服务水平协商（SLA）提供了很好的实现途径。

目前的方案是基于轮询的带宽分配方案，即：

ONU实时地向OLT汇报当前的业务需求（Request）（如：

各类业务在ONU的缓存量级），OLT根据优先级和时延控制要求分配（Grant）给ONU一个或多个时隙，各个ONU在分配的时隙中按业务优先级算法发送数据帧。

由此可见，由于OLT分配带宽的对象是ONU的各类业务而非终端用户，对于QoS这样一个基于端到端的服务，必须有高层协议介入才能保障。

6.2.2系统同步

因为EPON中的各ONU接入系统是采用时分方式，所以OLT和ONU在开始通信之前必须达到同步，才会保证信息正确传输。

要使整个系统达到同步，必须有一个共同的参考时钟，在EPON中以OLT时钟为参考时钟，各个ONU时钟和OLT时钟同步。

OLT周期性的广播发送同步信息给各个ONU，使其调整自己的时钟。

EPON同步的要求是在某一ONU的时刻T（ONU时钟）发送的信息比特，OLT必须在时刻T（OLT时钟）接收他。

在EPON中由于各个ONU到OLT的距离不同，所以传输时延各不相同，要达到系统同步，ONU的时钟必须比OLT的时钟有一个时间提前量，这个时间提前量就是上行传输时延，也就是如果OLT在时刻0发送一个比特，ONU必须在他的时刻RTT（往返传输时延）接收。

RTT等于下行传输时延加上上行传输时延，这个RTT必须知道并传递给ONU。

获得RTT的过程即为测距（ranging）。

当EPON系统达到同步时，同一OLT下面的不同ONU发送的信息才不会发生碰撞。

6.2.3测距和时延补偿

由于EPON的上行信道采用TDMA方式，多点接入导致各ONU的数据帧延时不同，因此必须引入测距和时延补偿技术以防止数据时域碰撞，并支持ONU的即插即用。

准确测量各个ONU到OLT的距离，并精确调整ONU的发送时延，可以减小ONU发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。

另外，测距过程应充分考虑整个EPON的配置情况，例如，若系统在工作时加入新的ONU，此时的测距就不应对其它ONU有太大的影响。

EPON的测距由OLT通过时间标记（Timestamp）在监测ONU的即插即用的同时发起和完成。

图2测距和时延补偿

基本过程如下：

OLT在T1时刻通过下行信道广播时隙同步信号和空闲时隙标记，已启动的ONU在T2时刻监测到一个空闲时隙标记时，将本地计时器重置为T1，然后在时刻T3回送一个包含ONU参数的（地址、服务等级等）在线响应数据帧，此时，数据帧中的本地时间戳为T4；OLT在T5时刻接收到该响应帧。

通过该响应帧OLT不但能获得ONU的参数，还能计算出OLT与ONU之间的信道延时RTT＝T2－T1＋T5－T3＝T5－T4。

之后，OLT便依据DBA协议为ONU分配带宽。

当ONU离线后，由于OLT长时间（如3min）收不到ONU的时间戳标记，则判定其离线。

6.2.4RTT补偿

在OLT侧进行延时补偿，发送给ONU的授权反映出由于RTT补偿的到达时间。

例如，如果OLT在T时刻接收数据，OLT发送包括时隙开始的GATE＝T-RTT。

在时戳和开始时间之间所定义的最小延时，实际上就是允许处理时间。

在时戳和开始时间之间所定义的最大延时，是保持网络同步的最大允许时间。

6.2.5EPON的QoS问题

在EPON中支持QoS的关键在3个方面：

一是物理层和数据链路层的安全性；二是如何支持业务等级区分；三是如何支持传统业务。

在传统的以太网中，对物理层和数据链路层安全性考虑甚少。

因为在全双工的以太网中，是点对点的传输，而在共享媒体的CSMA／CD以太网中，用户属于同一区域。

但在点到多点模式下，EPON的下行信道以广播方式发送，任何一个ONU可以接收到OLT发送给所有ONU的数据包。

这对于许多应用，如付费电视、视频点播等业务是不安全的。

MAC层之上的加解密控制只对净负荷加密，而保留帧头和MAC地址信息，因此非法ONU仍然可以获取任何其它ONU的MAC地址；MAC层以下的加密可以使OLT对整个MAC帧各个部分加密，主要方案是给合法的ONU分配不同的密钥，利用密钥可以对MAC的地址字节、净负荷、校验字节甚至整个MAC帧加密。

根据IEEE802.3ah规定，EPON系统物理层传输的是标准的以太网帧，对此，802.3ah标准中为每个连接设定LLID逻辑链路标识，每个ONU只能接收带有属于自己的LLID的数据报，其余的数据报丢弃不再转发。

不过LLID主要是为了区分不同连接而设定，ONU侧如果只是简单根据LLID进行过滤很显然还是不够的。

为此物理层ONU只接收自己的数据帧，采用AES加密，ONU认证机制。

6.3用于配电自动化的EPON系统整体架构

本次提出的电力配网自动化无源光网络数据传输系统方案以EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork，以太网无源光网络）体系结构为基础，同时针对电力配网的特殊需求对系统结构和业务接口进行改进，以满足电力配网自动化对传输可靠性和特殊装配环境的要求。

该系统主要由配网主站系统、通信系统和变电站侧的RTU三部分组成。

通信系统主要是为配网主站侧的前置机和变电站侧的RTU之间提供透明传输通道。

通信系统由OLT（OpticalLineTerminal，光纤线路终端）和ONU（OpticalNetworkUnit，光纤网络单元）构成，配网主站侧的前置机通过OLT的上行接口将信号传给OLT，然后通过OLT的GEPON下行端口，以广播方式传到远端的ONU，ONU提供以太网或串行端口，和变电站侧的FTU相连。

反之，来自FTU的上行信号通过ONU传给OLT，再由OLT将信号发给前置机。

OLT和ONU之间提供双纤备份，每个端口在单根光纤上最大可支持32个光分路，传输距离可达20km。

无论是从前置机到OLT，还是从OLT到ONU，全网都实现了双路由，不仅可以抗单点故障，还可以抗多点故障，从而大大提高了整个网络的可靠性。

智能化的网络管理系统，便于管理监控整个网络，大大减少运维成本。

全网双路由，抗多点失效。

由于系统工作环境比较恶劣，经常会受脉冲冲击、电磁等干扰，为了增强系统的传输可靠性，在对OLT和ONU进行设计时需考虑支持1:

1冗余备份组网需求，在数据链路层处理以前具备单点双线保护机制，也即在光纤和电路上提供冗余备份保护。

冗余拓扑结构具备的功能如下：

（1）支持OLT侧断路保护。

OLT侧一条光纤或电路断开后，上下行数据通过另一条备用链路进行传输，系统仍然正常工作。

（2）支持光耦合器之间的光纤断路保护。

此时一部分ONU通过主链路与OLT通讯，另一部分ONU通过备用链路与OLT进行通讯，系统仍然正常工作。

（3）支持光耦合器与ONU之间的光纤或电路断路保护。

断路的ONU通过备用链路收发数据，其它ONU不受影响，系统冗余切换时间应大于1s。

因此，此配电自动化解决方案具体如下：

OLT放置于变电子站，各个变电子站位于SDH/MSTP传输环上，变电子站通信层完成通信终端的汇聚并通过SDH/MSTP与主站系统进行通信。

OLT可以出2个PON口组成2条链互为备份，各个开闭所、环网柜或柱上开关处的ONU可以通过双PON口分别连接到这2条链上，每条链上的分光器均采用1×2非等分分光器，双PON口可以提供高可靠性。

为了进一步提高安全性、可靠性，重要站点还可以采用2个OLT各出1个PON口组成手拉手的2条链的组网方式，各个双PON口ONU分别连接到这2条链上，这样可以实现OLT设备、主干光纤、PON端口、分光器、分支光缆全网的保护，任何1台OLT、任何一个PON口、任何一个分光器、任何一条光缆出现故障都不影响ONU的正常使用。

在手拉手保护方式下，切换时间小于50ms。

终端信息层采用的ONU可以提供FE、RS232、RS485等接口与RTU、FTU、TTU、DTU等设备互联，并且能适应各种恶劣环境。

主站系统控制层完成信息提取、分析以及优化等各种管理功能，并完成对通信汇聚设备、通信终端设备的管理。

具体解决方案如下图所示：

图3EPON在配电自动化中的解决方案

该EPON方案中，硬件方案由两部分组成：

数据通道和管理通道。

数据通道——从局端到用户端，它实现了EPON数据传输，完成上行方向连接到骨干网的GMII接口以及下行方向到用户端的MII/GMII以太网口之间的通信；管理通道——管理基站通过管理代理器（HOSTCPU）完成对EPON网络管理，管理代理由微处理器执行，它通过HostmicroprocessorInterface控制和管理整个EPON系统，主处理芯片可以连接至多个PON口，从而实现对多个PON系统的管理及升级。

其中，OLT端EPON芯片采用PMC-sierra公司的PAS5001NM3，ONU端采用PAS6201。

局端管理通道的CPU芯片采用ATMEL公司的AT91R40008，其中CPU与PAS5001NM3的管理接口具有串口、以太网口及本地总线三种通信方式；PAS5001NM3在上行方向上提供了连接主干网的1000BASE-T（GMII/MII/TBI）接口，下行方向提供了与各ONU通信的EPON接口（TBI）。

6.4方案优势

兼顾各种应用场景，为智能电网配电自动化应用提供专业、可靠的解决方案，能够完全满足智能电网坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的要求。

可以很好的实现数据加密、防各种DOS攻击和系统漏洞攻击、防止非法用户和非法设备接入、不同业务近似物理隔离，全面保证整个系统的安全可靠。

设备性能优异，集成度高，VLAN、TDM、组播、QoS、安全等业务能力优异，电信级的稳定可靠性，设备使用轻松省心。

为电力量身定制的设备，满足工业级、高可靠性要求。

OLT主控交换板和电源等关键板件能够实现冗余保护和热插拔。

提供手拉手全保护方式，实现ONU的双归属，保护OLT设备、主干光纤、PON端口、分光器、分支光缆，进一步提高网络的安全性、可靠性。

清洁环保，绿色和谐，OLT低功耗业界遥遥领先，MDU功耗比业界产品低20%。

7.OLT硬件系统设计

7.1OLT的主要功能

OLT主要实现的功能：

向ONU广播以太网数据；发起并控制与各ONU之间的测距过程并记录测距信息；发起功率控制命令；对用户的以太网数据进行缓存；为ONU分配带宽以及其他一些相关的以太网功能。

7.2OLT硬件结构框图

图4OLT硬件结构框图

PAS5001NM3芯片系统接口主要包括：

GE-PON接口、CoreNetwork接口、Hostprocessor接口、ExternalMemory/Flash接口，Hostprocessor接口采用LocalBus方式，对于GE-PON接口需外接Serdes芯片（S2060A）进行串并转换，将其TBI接口转换为串行差分对的信号形式传送扫光模块中，对CoreNetwork接口采用千兆以太网物理层芯片VT6108S来完成从骨干网的接入。

7.3OLT各芯片选择及介绍

7.3.1EPON芯片

OLTEPON芯片选择PMC公司的PAS5001NM3，该芯片结合了以太网MAC介质层功能和EPON协议管理功能，执行MPCP、OAM，采用综合编码方式，支持视频、时分复用同步，最大支持128个ONU，植入协议时可完全独立于外部CPU，支持和兼容NTT的动态初始控制、动态带宽分配的硬件加速、全面OAM远程控制、故障管理、连接状态、故障隔离、远程回路、远程统计查询能力，扩展到任意外部CPU，多种协议支持的8优先级队列，下行多播过滤控制，上、下行128bitsAES编码加密，远程管理的认证机制，支持最长1600字节的以太网可变长帧，对光接口的可编程状态机，支持NNI的802.3x流控制，多时钟模式，具有8KMAC地址表，持续测距功能，点对点通信，PAS5001NM3内嵌ARM940内核，包括GE-PONTBI、CoreNetwork、HostProcessor、ExternalMemory/Flash接口；GE-PON接口是基于串并转换器（SERDES）接口并附带对突发接收和突发时钟数据恢复CDR的控制线；CoreNetwork分主动/被动两种模式；Host接口有16bit本地总线接口（LBI）、串口、10/100BASE_T主机接口三种。

图5PAS5001NM3芯片

PAS5001NM3主要完成IEEE802.3ah协议的实现，是整个EPON设备的核心，在项目实际应用上主要需要考虑的是如何高速有效地实现所需要的管理功能。

PAS5001NM3对外有三种接口来实现对它的固件加载和管理功能。

一种是通过UART，一种是通过PAS5001NM3本身自带的MII接口，还有一种方式就是通过它的本地总线（LocalBus）接口。

在这里我们选择本地总线口，CPU通过本地总线口来实现对PAS5001NM3的固件加载，以及实现OAM功能。

UART口在这里用来做调试用，这是调试当中一个相当重要的功能。

其次就是芯片的PON通道了，在PON这一侧提供的一个TBI接口，在这里选择AMCC公司的一个串并转换和时钟恢复电路芯片S2060来实现与光模块的通信的功能。

在系统侧PAS5001NM3提供的是GMII或者TBI接口，选择一个1000M以太网PHY芯片VT6108S实现数据通路功能，VT6108S再与交换芯片VT6528的1000M网口背靠背的连接，这样就实现了PON通道进入交换通路。

PAS5001NM3主要完成核心的EPON功能的完成，但作为设备，还需要提供很多相关的电路。

7.3.2CPU芯片

OLTCPU芯片选用美国ATMEL公司的AT91R40008，该芯片是以ARM7TDMI内核为基础的32位微处理器，具有高性能的32位RISC结构，和16位的指令集，具有低功耗等特点。

主频最高达到0.9MIPS/MHz，片内用大量的分组寄存器和8个优先级向量中断控制器来实时快速的处理中断。

芯片集成了丰富的资源，其内部含有一个256K的SRAM，外围部件有可编程外部总线接口EBI、先进中断控制器AIC、并行I/O口控制器PIO、2个通用同步/异步收发器USART、定时器/计数器TC和看门狗定时器WD、高级电源管理控制器PS、片内外围数据控制器PDC、A/D转换器和D/A转换器等。

ARM7内核通过两条主要总线与片内资源进行互连：

先进系统总线ASB（AdvancedSystemBus）和先进外围总线APB（AdvancedPeripheralBus）。

内核通过ASB总线实现与片内存储器、外部总线接口EBI以及AMBA桥的互联，其中AMBA桥驱动APB总线用来访问片内外围部件。

AT91R40008微控制器的片内外围器件可以分为通用外围部件和专用外围部件，通用外围部件主要包括外部总线接口EBI、先进中断控制器AIC、并行I/O口控制器PIO、通用同步/异步收发器USART、定时器/计数器TC和看门狗定时器WD等。

专用外围部件主要包括高级电源管理控制器PS、实时时钟RTC、片内外围数据控制器PDC和多处理接口MPI等。

图6AT91R40008

AT91R40008的主要特点如下：

高性能32位RISC体系结构和高代码密度的16位Thumb指令集；支持三态模式和在线电路仿真IDE；32位数据总线宽度，时钟访问周期的片内SRAM；完全可编程的外部总线接口EBI，EBI的最大寻址空间位64MB，8条片选线和24条地址线；8个优先级、可单