EPON+EOC技术的应用.docx

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EPON+EOC技术的应用

硕士学位论文

EPON+EOC技术在吉化有线电视网络的应用

TheFormatCriterionofMasterDegreeThesisofDUT

作者姓名：

李多

学科、专业：

学号：

指导教师：

完成日期：

大连理工大学

DalianUniversityofTechnology

大连理工大学学位论文独创性声明

作者郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：

作者签名：

日期：

年月日

摘要

传统的有线电视网络只能传送视音频信号，但随着宽带接入技术的不断成熟，数字电视增值业务的不断普及，以及“三网融合”的大趋势下，利用EPON+EOC这一基于有线电视同轴电缆网的特点而设计的以太网接入系统技术，把以太网的数据基带信号与电视信号通过合路器送到原电视网的分配电缆上，一起送至用户家庭，是有线电视网络实现“三网融合”的最佳技术手段。

吉化有线电视网络在“三网合一”的背景下，采用EPON+EOC这种方式，不仅充分利用现有HFC网络资源，有效降低改造成本，而且充分发挥终端用户接入电缆的宽带优势，使得有线电视HFC网络具有宽带、双向、大容量的承载能力，为数字电视及其增值业务的开展搭建一个多功能的网络传输平台，有效的解决吉化固话和宽带无法进入网通垄断小区的弱势局面，从整体上提高吉化信息网络的利用价值和竞争能力。

关键词：

EPON；EOC；三网融合；

TheFormatCriterionofMaster’sDegreePaperofDUT

Abstract

Contentsoftheabstract.TimesNewRoman.

KeyWords：

WriteCriterion;TypesetFormat;Master’sDegreePaper

目录

摘要I

AbstractII

引言1

1有线电视HFC网络的概念和宽带接入技术2

1.1我国有线电视发展状况2

1.2HFC网络的概念2

1.3HFC网络双向接入技术的比较和选择2

1.3.1CMTS+CableModem方式2

1.3.2FTTB+LAN以太网方式3

1.3.3EPON+EOC方式3

2EPON相关理论和关键技术4

2.1EPON的历史与概念4

2.2EPON相关理论和系统构架4

2.2.1上行信道复用技术4

2.2.2EPON的网络结构5

2.2.3EPON的层次结构5

2.3EPON的关键技术7

2.3.1突发数据发送技术7

2.3.2突发数据接收技术7

2.3.3动态带宽分配技术（DBA）7

2.3.4测距技术8

2.3.5ONU的注册和自动识别9

2.3.6EPON系统的网络安全机制9

2.3.7EPON系统的加密和数据搅动技术10

2.3.8EPON系统的网管10

2.3.9EPON系统的互动性11

3EOC技术在有线电视HFC网络中的应用12

3.1EOC技术简介12

3.2EOC技术原理12

3.2.1Ethernet与CATV比较12

3.2.2EOC技术原理12

3.3EOC技术的分类及标准13

3.3.1EOC技术的分类13

3.3.2有源EOC技术标准介绍13

4EPON+EOC技术吉化有线电视网络中的应用18

4.1吉化有线电视网络的概况18

4.2EPON+EOC技术双向网改造方案18

4.2.1改造方案的总体设计18

4.2.2改造方案的设计原则19

4.2.3网络带宽分析20

4.2.4家庭内网的设计分析20

4.2.5HomePlugBPL系统的噪声和衰减21

4.2.6业务设计和VLAN划分21

结论23

参考文献24

附录A附录内容名称27

攻读硕士学位期间发表学术论文情况28

致谢29

大连理工大学学位论文版权使用授权书30

引言

2010年1月13日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合。

广电总局“十一五”规划提出:

“加快有线电视数字化进程，大力推进整体转换,全面提升有线电视网络的业务承载能力、交互应用能力和网络管理水平,继续推进有线电视接入网的双向改造和网络管理系统建设,积极推动光纤到户的应用研究,建立和完善有线电视网络业务支撑系统和运营支撑系统,使有线电视网络成为集公共传播、文化娱乐、信息服务于一体的多媒体信息平台。

”随着有线电视网络经过多年的发展，已经成为我国重要的信息基础设施之一，有着巨大的带宽资源和广阔的应用前景，如何把传统的单向有线电视网络改造成为双向交互的综合信息业务网络，是一个十分紧迫而重要的问题。

随着EPON国际标准的确立以及EPON芯片技术的发展,EPON的产品已经相当成熟,国内外均有符合标准的成熟商用产品问世,EPON在发达国家电信基础网络建设中得到了越来越多的应用，在我国部分有线电视网络公司在进行有线电视网络改造时已经把它作为改造的方案之一考虑,如邯郸、青岛、武汉、绵阳等许多城市已经开始大量使用EPON系统。

本课题重点研究了吉化有线电视网络在吉化有线电视、通信、信息“三网合一”的背景下，如何充分利用“三网合一”后的网络资源和技术优势，通过EPON这种基于以太网的无源光网络技术应用到有线电视HFC网络改造中，将吉化有线电视网络建设成为集公共传播、文化娱乐、信息服务于一体的多媒体信息平台。

有效的解决吉化信息网络的固话和宽带业务不断被竞争对手侵蚀的不利局面，从整体上提高吉化信息网络的利用价值和竞争能力。

1有线电视HFC网络的概念和宽带接入技术

1.1我国有线电视发展状况

我国有线电视起步于八十年代中后期，从小城区电缆电视系统、企业共用天线系统起步，很快发展到中等城市的电缆电视网和大城市部分区县的电缆电视联网，经历二十多年的发展，我国已经成为全球第一大有线电视用户国家。

近几年来，全国各地有线电视网络多数进行了大规模的改造，将原来550MHz以下的纯同轴电缆网改造为750或862MHZ以上带宽的HFC网络，新建的有线电视网都是HFC网络形式。

1.2HFC网络的概念

HFC（HybridFiberCoaxial，混合光纤同轴网）是指光纤同轴电缆混合网，采用光纤到服务区，而在进入用户的“最后一公里”采用同轴电缆，HFC网络能够提供高质量和大容量的广播电视节目，但是传统的HFC网络并不具备上行回传通道，为了满足VOD点播和宽带接入等业务的需要，就必须对原有网络进行双向化改造。

我国现有的有线电视HFC网主干为光纤，并且光纤大部分到小区，有的已经到楼头，在网络规划和敷设时，往往预留了足够的光纤芯数作为备份扩展，而且大多数都是星形连接方式，通达政府、企业、住宅小区等城市的各个区域。

因此，利用有线电视HFC网覆盖范围广、频带资源丰富的优势，构建有线电视宽带综合信息网具有得天独厚的有利条件。

1.3HFC网络双向接入技术的比较和选择

1.3.1CMTS+CableModem方式

CMTS+CM组网方案在光传输部分下行数据信号和CATV的下行信号采用频分（FDM）方式共纤传输,上下行数据信号采用空分（SDM）方式共缆不同纤传输,在电缆部分上下行信号按FDM方式同缆传输。

此方案适合已建HFC网络改造,可利用原网络中预留的光纤和无源分配到户的电缆网络组成双向传输系统,只需要在前端和用户端分别加装CMTS和CM，即可实现双向传输。

利用CableModem使电脑通过有线电视HFC网络,实现网络操作,包括Internet接入等,CableModem的上行带宽可达10MHz,下行带宽可达35MHz。

CMTS+CableModem系统采用共享带宽机制,为了维持一定的接入带宽,百余个用户共享一个38Mbps的频道带宽,当接入率提高时接入速度就会大幅度降低,很难满足大流量数据业务的需求,升级扩容投入较大,并且对有线电视电缆网络的施工工艺要求非常严格，回传噪声汇聚不易处理。

因此CMTS较适用于低户均带宽要求的交互业务，或在交互业务初期为迅速提供

服务进行大规模覆盖。

1.3.2FTTB+LAN以太网方式

FTTB+LAN宽带接入基于以太网技术,所谓FTTB即FibertotheBuilding（光纤到楼），它是利用数字宽带技术，采用光纤到楼，楼内用五类线到户的千兆以太网技术，可以实现千兆到小区、百兆到楼、十兆到家庭。

由于采用光纤和5类线，这种方式可以提供足够的带宽和较好的稳定性,前期成本相对较高，并且已建小区楼内线路改造工程量大，并且不能够充分体现有线电视网络的资源优势，目前只是用于新建小区，因此这种技术在吉化有线电视现有网络中应用非常困难。

1.3.3EPON+EOC方式

从广电网络分前端到光节点或单元楼道“最后1km”采用EPON网络结构,从光节点或单元楼道到用户家庭的“最后100m”采用EOC技术,EOC就是通过同轴电缆传输以太网数据信号,可以在同轴电缆传送标准CATV信号的同时传送以太网信号,EOC主要分为基带传输、调制传输、2.4GHz扩展应用3类,可避免庞大的双线入户改造工程,在不影响原有下行广播电视信号的情况下,提供数据上下行传输功能,目前EPON+EOC宽带接入是最适合吉化有线电视网络的双向改造模式。

2EPON相关理论和关键技术

2.1EPON的历史与概念

PON技术研究起源于1995年,当年FSAN联盟成立,目的是要共同定义一个通用的PON标准。

1998年10月,ITU-T以155Mbit/sATM技术为基础,发布了G.983系列APON（ATMPON）标准。

为更好地适应迅速增长的IP业务,并考虑到基于ATM的PON复杂性和实用性问题,EFMA（EthernetintheFirstMileAlliance,第一英里以太网联盟）于2000年底提出了基于以太网的PON—Ethernet-PON（EPON）的概念,在二层用以太网取代ATM,传输速率

达1Gbps,链路层基于简单的Ethernet封装;IEEE于2001年成立第一英里以太网（EFM）小组,开始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在内的EFM相关标准,EPON标准IEEE802.3ah已于2004年6月正式颁布.

EPON（以太无源光网络）是一种利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入技术，它采用点到多点结构的无源光纤接入网。

它在物理层上采用PON技术,在链路层使用以太网协议。

因此,它集成了PON和以太网技术的优点，成为目前一种成熟有效的宽带接入的通信方式。

2.2EPON相关理论和系统构架

IEEE802.3任务组已经将EPON的传输介质物理特性标准化,通过在单一光纤或其他介质上使用波分复用（WDM）技术实现双向传输,其下行采用TDM广播方式,占用1490nm波长,上行采用TDMA（时分多址接入）方式,占用1310nm波长,即各OUN根据包头ID取出自己的数据，并且各OUN定时上报各自流量，OLN据每个ONU业务流量进行动态宽带分配授权时隙，ONU在授权时隙内突发传送数据。

目前EPON系统主要由OLT（局端光线路终端）、ONU/ONT（用户端光网络单元）和ODN（光分配网络）等几部分组成,网络拓扑结构采用点对多点的树型架构体系,。

在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU。

在上行方向（ONU到OLT），ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。

OLT与ONU的距离可达10km或更多,这取决于光链路预算以及相应的分光器分光比。

2.2.1上行信道复用技术

上行信道复用技术是EPON技术的核心之一,从目前的研究来看,大多数方案都使用了DWDM+TDMA的复用方法。

DWDM主要取决于光器件的研发,如何使用TDMA的方法使上行信道的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求是其中的焦点。

时分多址复用（TDMA）方式一般采用统计时分多址复用的方法,上行信号传输在ONU被分配到的时隙里发送以太网帧,通过提供的数据量的大小改变时隙大小的方法来实现统计复用。

2.2.2EPON的网络结构

EPON系统参考结构如图2.1所示。

图2.1EPON系统参考结构图

（1）OLT:

作为EPON的核心,OLT具有如下基本功能:

①向ONU以广播方式发送以太网数据。

②发起并控制测距过程,并记录测距信息。

③发起并控制ONU功率。

④为ONU分配带宽,即控制ONU发送数据的起始时间和发送窗口大小。

⑤其他相关的以太网功能。

（2）ODN:

ODN中不含有任何有源电子器件及电源,由无源光分路器和光纤构成,无源光分路器是分配和汇聚上、下行信号的光节点。

（3）ONU/ONT:

ONU/ONT为用户提供EPON接入,具有的基本功能包括:

①选择接收OLT发送的广播数据。

②响应OLT发出的测距及功率控制命令,并作相应的调整。

③对用户的以太网数据进行缓存,并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送。

④其他相关的以太网功能。

表、图序号后面，同样适当留空（汉字状态敲两次空格键）。

2.2.3EPON的层次结构

EPON的层次结构如图2.2所示。

图2.2EPON的层次结构图

（1）数据链路层：

是控制物理传输媒质的访问，包括LLC、OAM、MAC等子层。

其中，逻辑链路子层（LLC）负责提供使本地网络层实体与远端对等网络层实体之间交换协议数据单元（PDUS）的服务；OAM层是以太网应用到公网，运营商对网络的运行、维护和管理需要而增加的；多点MAC控制（MPMC）子层提供点对多点拓扑的多点控制，MAC层根据LLC层所提供的参数对LLC来的信息进行成帧，并进行差错检测；

（2）物理层（PHY）：

EPON的物理层是构成整个网络数据传输的基础，它通过千兆位介质无关接口（GMII）与RS层相连，为MAC层传送可靠的数据。

物理层定义了物理编码子层（PCS）、物理媒质连接子层（PMA）和物理媒质相关层（PMD）三个子层。

其中千兆位介质无关接口（GMII）的目的是规范一个清晰的便于实施的划分MAC层和物理层的接口；物理编码子层（PCS）负责对GMII来的数据字节进行编码并送往物理媒质接入子层（PMA），将PMA子层的数据解码送回GMII；PMA子层负责并串/串并转换；物理媒质相关子层（PMD）负责串行比特流的传输，包扩光电/电光转换，产生合适的脉冲形状、功率，适当的均衡、判决接收信号等；

2.3EPON的关键技术

有线电视图像能够在EPON中传输及EPON技术的发展离不开相关理论的发展和标准的规范、协议的发布,同时离不开WDM技术、PON器件和光电子芯片技术的迅猛发展,归纳起来,EPON的关键技术目前主要有以下几个方面。

2.3.1突发数据发送技术

EPON的点对多点（PZMP）的特殊结构和时分多址（TDMA）的接入方式决定了ONU发送机工作在突发发送的模式下。

为了提高上行带宽的利用率，每个ONU由MAC协议控制在特定的时隙向OLT发送数据时，必须尽量减少ONU激光器的开启和关断时间，在某一ONU发送数据时，其他ONU的激光器应处于完全关断状态，而且ONU关断时（其它ONU的发送时）光功率要比传统连续模式激光器无输入信号时的光功率小得多。

这是因为OLT接收众多ONU的叠加起来的光信号，如果ONU的光关断功率不是足够小，那么众多ONU的关断光功率叠加起来就是比较大的噪声，恶化OLT的接收性能。

这就对激光器的响应速度，更重要的是对发射机输出光功率控制电路提出了新的要求。

2.3.2突发数据接收技术

对于OLT来说，ONU与OLT之间的距离及线路特性差异，使得OLT接收ONU的发送功率和到达延时存在差异，这就要求OLT接收机能实现突发接收功能，必须对接收机的判决门限进行实时调整，才能正确恢复初OUN所发送的数据。

为了防止数据时域碰撞，必须采用测距和时延补偿技术实现全网时隙同步，使数据包按DBA（DynaBandwidthAssignment）算法的确定时隙到达。

2.3.3动态带宽分配技术（DBA）

上行信道中的传输是采用时分复用接入（TDMA）方式来共享光纤的，多个PON设备上行输出数据流在线路接口处进行多路复用,可能会导致在某一特定链路接口上形成数据汇聚,因此PON结构需要一个有效的TDMA机制来控制上行流量,以避免来自多个ONU的数据包在上行过程中发生碰撞以及由此引起的网络拥塞和网络瘫痪,ITU-TG.983.4针对管理上行PON流量机制的问题,为了提高带宽利用率，保证高优先级业务带宽，确保效率和公平性专门定义了用于管理上行PON流量的动态带宽分配（DBA）协议。

（1）DBA的功能介绍

一般PON系统的DBA功能一般包括下面四个部分：

①OLT和/或ONU检测带宽需求情况或拥塞状况；各个ONU收集来自用户的信息并以1.25Gbps以上的高速向OLT发送数据，

②报告带宽请求/拥塞状况给OLT；

③OLT根据带宽请求和合约情况更新带宽分配；

不同的ONU发送的数据占用不同的时隙，根据不同用户的业务类型与业务特点合理分配信道带宽，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，最有效地利用网络资源。

④OLT根据更新后的带宽发布授权。

ONU利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分布向OLT请求带宽,OLT根据各ONU的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权。

（2）DBA算法的分类

实现动态带宽分配的关键在于如何获得ONU的实际状态，各种DBA算法获得ONU状态的手段不同，可分为基于轮询的带宽分配算法和具有QoS保障的带宽分配算法。

其中，基于轮询的带宽分配算法，即OLT采用轮转的方式对各ONU进行询问，ONU在传输的有效数据流中嵌入请求控制信息，OLT对各个ONU大小不一的带宽请求信息，按照最大发送窗的分配方案分别进行授权。

（3）DBA算法的评价

①效率和公平的平衡

考虑ONU的租用带宽和实际带宽的差异，不能让少数ONU霸占绝大部分带宽，一般配置保证带宽和最大带宽。

②时延和带宽利用率的平衡

DBA周期过长影响ONU业务的时延，DBA周期过短影响上行带宽吞吐量，DBA周期一般为0.5ms～2ms左右。

某些DBA算法可让对时延要求高的ONU采用更短的轮询周期，而对时延要求低的ONU采用更长的轮询周期算法健壮性对业务的透明性。

2.3.4测距技术

（1）测距的原因和目的

在EPON系统中，上行信息传输方向上各ONU到OLT之间物理距离不同,同时环境温度变化和光电器件的老化等因素都容易引起传输时延的差异,使得OUN信号到达OLT的时间具有不确定性,如果得不到及时纠正，将会引起上行冲突发生，影响上行信道的复用。

因此，为了让所有ONU的远端信号有序地到达OLT局端,这就要求局端对每个ONU的远端信号的距离进行测量,并按照规定的协议安排每个远端的信号发送,以补偿因ONU和OLT之间的距离不同和温度变化引起的传输时间差异。

（2）测距的分类

①静态测距－测距时ONU上没有传输用户业务。

对应系统初始安装、增加新ONU、停机的ONU恢复运行时的情景。

按照测距精度不同，可将静态测距过程分为粗测距和精测距两个阶段。

②动态测距－ONU有业务运行的情况下进行。

用于补偿光纤线路及器件的延时变化。

（3）测距的方法和步骤

测距方法有扩频测距法、带外测距法和带内开窗测距法等。

采用测距的方法可以减小ONU发送窗口的间隔,补偿因此而引起的传输时延差异,从而避免IP数据包在OLT处发生碰撞,测距程序分为两步:

一是在新ONU安装调测阶段进行静态粗测,这是对物理距离差异进行的时延补偿;二是在通信过程中实时进行的动态精测,以校正环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移。

另外,测距过程应充分考虑到整个EPON的配置情况,当系统在工作中加入新的ONU时,对新加入ONU的测距不应对其他ONU有太大的影响。

2.3.5ONU的注册和自动识别

在EPON系统中，随着业务的发展和用户的增长需要增加新的OUN或者故障OUN修复后从新加入到系统中时，为了保证新加入的OUN不影响其他的OUN正常运行，这就需要EPON系统能够自动识别，并完成对新的OUN注册。

ONU必须注册才能获得LLID（逻辑链路标志），才能上报Report，被OLT分配带宽，当新的ONU不注册时，系统不允许其打开激光器，所以OLT定期发送“注册开窗”，让没有注册的ONU发送注册报文使其获得注册。

在注册过程中OLT对ONU的认证时可能产生多个ONU同时注册的情况，这样势必会造成冲突，为了解决注册冲突提出了两种方案，一种是采用随机时延进行避免，发生注册冲突时，发生冲突的仍然每次都响应注册授权，但是在响应开窗时要随机延迟一定时间，但必须保证随机延迟后的应答仍然可以落在开窗内。

这样可以缩短OUN加入系统的时间，缺点是需要增大注册开窗的长度，会降低系统的带宽利用率，导致整个系统效率的降低。

第二种方案是随机跳过开窗。

发生注册冲突时，发生冲突的OUN随机跳过若干个注册授权后再继续等待注册授权，这种方法比随机延迟时间法需要多花一些时间，但不需增大注册开窗，不会影响系统的带宽利用率。

2.3.6EPON系统的网络安全机制

EPON系统的网络安全机制主要从三个层面来考虑的，即数据平面、控制平面和管理平面。

（1）数据平面的安全特性

EPON系统中上下行支持AES或三重搅动加密，OLT和ONU能基于物理端口进行报文过滤，限制非法数据流，并且ONU/OLT支持对广播/组播数据流的抑制，能够限制MAC地址，抵抗针对设备的pingofdeath,synflood,LAND和IPcheating等DOS攻击。

ONU支持端口限速和端口物理隔离，限制广播数据和病毒在LAN内传播。

（2）控制平面的安全特性

OLT可基于厂商ID和MAC地址做ONU认证，拒绝非法ONU注册，ONU/OLT可利用QinQ实现用户端口绑定和溯源。

ONU支持DHCPrelay,可修改和添加option82，添加相关端口信息，并支持受控组播。

（3）管理平面的安全特性

OLT支持带内/带外网管，以及独立网管VLAN，并且网管系统支持分级分域管理。

ONU利用OAM通道,使网管信息更安全。

2.3.7EPON系统的加密和数据搅动技术

在点对多点的模式下,EPON的下行信道以广播的方式发送给与此相连接的所有ONU,每个ONU都可以接收到OLT发送给所有OUN的信息，但其中包括一些不属于该ONU接收的信息,这就势必产生安全隐患,所以必须对发送给每个ONU的下行信号进行加密,在EPON系统中采用搅动方案来实现信息安全,这种搅动功能实施信息扰码并能为信息保密提供保护。

EPON系统的加密算法主要有DES（DataEncryptionStandard）、AES（AdvancedEncryptionStandard）等,AES具有更为