EPON技术及其典型应用.docx

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EPON技术及其典型应用

编号

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题目

EPON技术及其典型组网应用

学生姓名

姚莉

学号

37011412

院系

计算机与通信工程学院

专业

通信技术专业

班级

370114

指导教师

郭诚（讲师）

顾问教师

二〇一三年十月

摘要

无源光网络（PON）的概念由来已久，它具有节省光纤资源、对网络协议透明的特点，在光接入网中扮演着越来越重要的角色。

同时，以太网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业务在城域网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，逐渐向接入网、城域网甚至骨干网上渗透。

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。

EPON是几个最佳的技术和网络结构的结合。

EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。

本文介绍了EPON的概念、结构及原理，并阐述了EPON的几个关键技术，最后详细介绍了EPON技术的典型应用。

关键词：

PONEPONFTTHFTTB

Abstract

Thepassiveopticalnetworkconceptgenerationforalongtime.Ithastosavefiberresources,thecharacteristicsofthenetworkprotocoltransparent.PONplaysanimportantroleintheopticalaccessnetwork.Meanwhile,afterdecadesofdevelopmentofEthernettechnologyhasmanyfeaturessuchassimpleandpractical,inexpensive,EthernettechnologyhasalmostcompletelydominatedthelocalareaandinfactprovedtobethebestcarrierincarryingIPpackets.BecauseIPtraffictransmissionhasrisenintheshareofmetroandmainline.Ethernettowardsaccess,metroandbackbonenetworkdevelopment,throughthetransmissionspeed,manageability,andotherimprovements.EthernetandPONcombinetoproduceanEPON,italsohastheadvantagesofEthernetandPON,EPONhasbecomeahottechnologyinthefieldofopticalaccessnetwork.

EPONisacombinationofseveralbesttechnologyandnetworkstructure.EPONprovidemultipleservicesoverEthernetusingthestructureofpointtomultipointandpassiveopticaltransmission.ThispaperintroducestheconceptofEPON,structureandprincipleandalsoexplainsseveralkeytechnologiesofEPON,thefinaldetailsofatypicalapplicationofEPONtechnology.

Keywords:

EPON;PON;FTTH;FTTB.

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1什么是PON1

1.2EPON的介绍1

1.3EPON的基本技术1

1.4EPON的组网类型1

第二章EPON原理3

2.1EPON组成3

2.2EPON协议栈4

2.3EPON帧结构4

2.4EPON的工作原理——下行数据5

2.5EPON的工作原理——上行数据5

第三章EPON关键技术及其面临的挑战7

3.1EPON的关键技术7

3.1.1EPON的突发模式光收发器技术7

3.1.2MPCP控制帧7

3.1.3测距与时延补偿8

3.1.4动态带宽分配机制9

3.1.5下行数据的安全性9

3.1.6业务QoS处理9

3.1.7EPON的OAM功能10

3.2EPON技术面临的挑战10

第四章EPON设备及组网类型13

4.1EPON设备布放原则13

4.1.1光线路终端布放原则13

4.1.2分光器布放方式与布放原则13

4.1.3光网络单元布放原则14

4.2EPON组网构建14

第五章EPON的典型组网应用17

5.1EPON技术特点17

5.2EPON的典型应用17

5.2.1光电行业17

5.2.2电信、网通等运营商接入18

5.2.3视频监控18

5.2.4光纤到户19

5.2.5光纤到路边19

5.2.6光纤到楼20

第六章总结与展望21

致谢23

参考文献25

第一章绪论

1.1什么是PON+

PON是指ODN（光配线网）中不含有任何电子器件及有源设备，ODN全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成。

一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端（OLT），以及一批配套的安装于用户场所的光网络单元（ONU）。

在OLT与ONU之间的光配线网（ODN）包含了光纤以及无源分光器或者耦合器。

PON的复杂性在于信号处理技术。

在下行方向上，交换机发出的信号是广播式发给所有的用户。

在上行方向上，各ONU必须采用某种多址接入协议如时分多路访问TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）协议才能完成共享传输通道信息访问。

目前用于宽带接入的PON技术主要有：

EPON和GPON。

1.2EPON的介绍

众所周知，传统以太网技术在网络接入技术的成熟和广泛使用，使得以太网在目前的中国市场处在一个主导的地位。

但是由于接入带宽需求的转变，目前的网络接入需求已经由以往的单业务模式向多业务模式过渡，用户不仅要求网络接入能够有更高的带宽和传输速率，也同时开始注重对数据安全和隐私等方面的保证，因此，传统的以太网接入方式已经无法很好的满足需求，在此，才引出了一项新的接入技术EPON中文名为“无源光网络”。

EPON是由IEEE802.3EFM提出；是基于以太网的PON技术；是一种基于P2MP拓扑的技术，EPON采用点到多点的网络结构、采用无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和TDM时分MAC媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。

EPON系统主要由OLT，ONU，ONT和ODN组成，处于网络的接入网层面，主要适用于宽带业务的光纤接入。

EPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输。

同一根光纤上多个用户的下行数据流采用广播技术，上行数据流采用TDMA技术。

1.3EPON的基本技术

EPON现有的关键技术包括系统同步、ONU的自动识别、EPON中TDM业务的传输、EPON中信息安全的考虑、EPON中的以太网管理等。

EPON相对于现有类似技术的优势主要有以下几方面：

（1）相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。

（2）提供非常高的带宽。

（3）服务范围大。

（4）带宽分配灵活，服务有保证。

1.4EPON的组网类型

EPON的组网是从以太网类比而来，通过类比可以发现EPON组网的优势：

（1）OLT一个PON口最多接64个ONU，节约端口/光纤资源。

（2）传输光纤均为单芯光纤，节约光纤资源。

（3）无源分光器为无源设备，故障率低，价格便宜类型。

EPON组网主要是对不同网络环境而设计，有EPON构建FTTH/FTTB、EPON构建组播网以及业务快速部署。

2004年4月IEEE802.3ah标准的通过极大地促进了EPON技术的发展,这使得早期开发非标准化的100MEPON的厂家开始转向标准化的EPON,并将其命名为GEPON,另外,许多传统电信设备制造商和专业化的终端设备厂家开始EPON系统的研发。

尽管EPON技术面临着诸多的技术挑战,但不可否认的是,EPON技术是目前FTTH领域中为用户提供光纤接入的最为经济有效的方式。

随着实际应用经验的积累和研究的深入,EPON技术会不断走向成熟的。

作为一种新技术，如何进入市场和被市场所认可，取决于很多方面。

EPON产品在严格意义上还没有标准。

其次是诸如测距、同步等一些技术难点的解决方案的成熟和突发性光器件成本的进一步降低。

第二章EPON原理

2.1EPON组成

EPON在现有IEEE802.3协议的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧，是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和TDM时分MAC媒体访问控制方式提供多种综合业务的宽带接入技术。

与所有的PON系统一样，EPON系统由OLT、ONU和ODN组成。

但EPON在功能和实现上都与其他PON技术有所不同。

（1）OLT（OpticalLineTerminal,光线路终端）

OLT作为EPON的核心，应实现以下功能：

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功率控制。

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　其它相关的以太网功能。

（2）ODN（OpticalDistributionNetwork光分配网）ODN由无源光分路器和光纤构成。

（3）ONU/ONT（OpticalNetworkUnit光网络单元/OpticalNetworkTerminal光网络终端）

ONU/ONT为用户提供EPON接入的功能：

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　对用户以太网数据缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送。

从EPON中功能划分可以看出，EPON中较为复杂的功能主要集中于OLT，而ONU/ONT的功能较为简单，这主要是为了尽量降低用户端设备的成本。

如图2-1所示：

图2-1EPON系统图

2.2EPON协议栈

与以太网P2P结构不同，PON是P2MP的结构。

ONU对于上行信道资源存在竞争，需要一种仲裁机制来避免上行数据冲突并且合理地分配信道资源。

802.3ah协议规定了相应的控制协议——多点控制协议。

如图2-2所示为802.3ah定义的数据链路层协议。

MPCP主要定义了多点MAC控制子层来扩展并代替了802.3协议所定义的MAC控制子层。

MPCP协议的控制帧的优先级要高于MACClient数据帧的优先级。

EPON以MAC控制子层的MPCP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。

图2-2表示了EPON中MPCP在IEEE802.3体系结构中的位置。

图2-2EPON协议栈

2.3EPON帧结构

如图2-3，EPON只在IEEE802．3的以太数据帧格式上做必要的改动，如在以太帧中加入时戳（TimeStamp）、LLID等内容。

可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。

LLID用于标识ONU。

图2-3EPON帧结构

2.4EPON的工作原理——下行数据

下行方向采用广播方式，如图2-4所示，在ONU注册成功后分配一个唯一的LLID；OLT接受数据时比较LLID注册列表，ONU接受数据时，仅收符合自己的LLID的帧或者广播帧。

数据从OLT到多个ONU根据不同的时间片段以广播式下行（TDM时分复用技术），通过ODN中的1：

N（一般是1：

32）无源分光器，分配给PON上所有ONU光网络单元。

当OLT启动后，它会周期性地在各端口上广播允许接入的时隙允许接入信息，ONU上电后根据允许接入信息，发起注册请求，实现OLT对ONU的认证，允许请求注册的合法的ONU接入，并给ONU分配一个唯一的逻辑链路标识（LLID），当数据信号到达该ONU时，ONU根据LLID在物理层上做出判断，接收给它的数据帧，摒弃不是给自己的数据帧。

图2-4下行广播方式

2.5EPON的工作原理——上行数据

上行采用时分多址接入技术（TDMA），如图2-5所示，OLT接收数据前比较LLID注册列表；每个ONU在由局端设备统一分配的时隙中发送数据帧；分配的时隙（通过测距技术）补偿了各个ONU距离的差距，避免了各个ONU之间的碰撞。

分时隙给各个ONU传输上行数据流。

来自各个ONU的多种业务信息根据各自分配到的时隙，互不干扰地通过ODN无源分光器耦合到同一根光纤，最后送到OLT接收头端。

OLT每一个端口（PON口）下面所有的ONU与OLTPON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能在OLT给它分配的特定允许时隙传输数据，通过时隙分配和时延补偿，确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时，各个ONU的上行数据不会互相干扰。

图2-5上行TDMA方式

第三章EPON关键技术及其面临的挑战

3.1EPON的关键技术

3.1.1EPON的突发模式光收发器技术

1　OLT光接收机的快速功率恢复

要求OLT在每个接收时隙的开始处迅速调整0-1判决门限。

2　ONU光发射机的突发发射和关断

为抑制自发散射噪声，要求ONU的激光器能够快速的冷却和回暖。

3　OLT光接收机的突发同步技术

上行接收数据相位的突变要求OLT的接收机工作在突发模式接收状态。

4　OLT的接收机和ONU的发射器工作在突发模式。

3.1.2MPCP控制帧

MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的发送和接收，它的功能是基于专门的协议数据报文完成的，即MPCPDU；目前定义了5中MPCPDU：

1　GATE（OLT发出）

允许接收到GATE帧的ONU立即或者在指定的时间段发送数据。

GATE消息的目的在于给ONU分配发送窗口，使得ONU可以进行发现消息的发送以及正常的数据发送。

一个GATE消息可包括4个授权。

为了将GATE消息作为MPCP从而使得OLT到ONU保持激活状态，授权的个数可以被设置为0。

2　REPORT（ONU发出）

向OLT报告ONU的状态，包括该ONU同步于哪一个时间戳、以及是否有数据需要发送。

报告（REPORT）消息有几个功能。

每个报告消息中的时间戳用于计算RTT。

ONU在每个报告消息中指明针对每个802.1Q优先级队列所需的上行带宽。

报告消息用于保持ONU到OLT的激活状态。

为了保持OLT端的链路，ONU将周期性地发布报告消息。

OLT可以明确的请求一个报告消息。

3　REGISTER_REQ（ONU发出）

REGISTER_REQMPCPDU由某个未发现ONU的MAC控制实体产生。

该MPCPDU被标记为广播类型的LLID。

4　REGISTER（OLT发出）

REGISTERMPCPDU由对应于所有ONU的MAC控制实体产生，并被标记为广播LLID。

5　REGISTER_ACK（ONU发出）

REGISTER_ACKMPCPDU由对应于某个激活的ONU的MAC控制实体产生，该MPCPDU被标记为单播类型的LLID。

3.1.3测距与时延补偿

OLT和ONU都有每16ns增1的32比特计数器。

这些计数器提供一个本地时间戳，当OLT和ONU任意设备发送MPCPDU时，它将把计数器的值映射入时间戳。

从MAC控制发送给MAC的MPCPDU的第一个八位字节的发送时间被作为设定时间戳的参考时间。

如图3-1所示:

图3-1时间戳的参考时间

EPON上行传输采用TDMA方式，由OLT来决定ONU发送数据的时间，由于每个ONU距离OLT远近不同会产生时延差异，如果没有有效的时延补偿机制仍然会造成上行数据传输冲突。

EPON测距和时延补偿是上行信道复用的关键技术。

在DiscoveryProcessing过程中，OLT对新注册的ONU测距，计算出每个ONU的RTT（RoundTripTime）值。

OLT使用RTT来调整每个ONU的授权时间。

OLT也可以在收到MPCPPDU的时候启动测距。

RTT的计算如图3-2所示：

图3-2RTT的计算示意图

GATE帧中含有“时间戳”字段，ONU用这个“时间戳”刷新本地时间寄存器。

OLT可以通过收到的REPORT帧计算出RTT来进行实验补偿。

3.1.4动态带宽分配机制

相对于静态带宽分配（SBA），DBA是指OLT基于用户的业务等级协议（SLA），结合ONU的本地队列状态的汇报（Report帧中的Queue＃nReport）或者业务预测动态的给ONU发布上行业务授权。

优点：

实现高效的上行带宽利用率和服务质量保证。

DBA是采用轮询ONU的方式，例如每1ms给该PON下所有ONU各分配一次grant（每个ONU的grant的大小可能是不同的）。

Cycletime对上行业务时延有一定影响。

DBA的具体要求：

1　业务透明

2　低时延和低时延抖动

3　公平带宽分配

4　健壮性好

5　实时性强

3.1.5下行数据的安全性

因为PON的多点广播特性，所有的下行数据都会被广播到PON系统中所有的ONU上。

如果有一个匿名用户将它的ONU接收限制功能去掉，那么它就可以监听到所有用户的下行数据，这在PON系统中称为“监听威胁”。

PON网络的另一个特点是，网络中ONU不可能监测到其它ONU的上行数据。

在PON上解决安全性的措施是OLT对下行信息加密（包括所有的数据帧和OAM帧）。

系统应针对每个LLID进行搅动，每个LLID有独立的密钥。

加密的核心问题包括：

1　加密算法

2　密钥的产生和传递

3　密钥的更新与同步

3.1.6业务QoS处理

EPON支持IEEE802.1p、支持IPTOS、队列调度算法：

SP、WRR、SP+WRR

支持端口限速。

如图3-3：

图3-3EPON-业务QoS处理与带宽控制

3.1.7EPON的OAM功能

EPON系统定义了一种全新的运行管理和维护协议，以支持：

1　RemoteFailureIndication（远端故障指示）

2　RemoteLoopbak（远端环回）

3　LinkMonitoring（链路监视）

不支持功能：

1　和单条链路不相关的管理功能，比如保护倒换和设备管理。

2　业务提供和协商功能，比如带宽分配，速率适配和速度/双工协商等功能。

3　OAM数据的安全性保证和OAM实体的认证不在标准定义的范畴。

4　不支持设置/写远端MIB变量的能力。

特点：

1　OAM的实现和使能是可选的。

2　提供一种实现OAM能力发现的机制。

3　提供一种机构扩展机制使高层管理功能的应用成为可能。

EPON技术与以太网系列标准兼容具有较强的运行管理和维护（OAM）能力，适合承载基于以太网的业务以太网技术成熟且已大规模应用，设备成本低EPON技术是当前FTTH的主要实现技术。

3.2EPON技术面临的挑战

1）EPON对TDM业务承载

从IEEE802.3工作组制定EPON标准的原则来看，具体的业务封装由高层协议支持，因此，对于TDM业务在EPON中的传送，大部分厂家认为应该采用VoIP的业务方式。

但目前对于电路交换方式TDM业务的需求占主要地位，主要是一些企事业单位希望光纤接入网能提供E1的传输能力，所以，总的来看，TDMoverEPON需解决如下问题：

1　TDM信号与以太网之间高效合理的适配封装；

2　TDM信号的严格同步定时；

3　电路业务的QoS的保证。

虽然EPON设备提供商解决了EPON承载TDM业务的这些问题，与GPON的TC层具有天然的承载TDM业务能力相比，还是有一些局限性的。

2）EPON的OAM功能

IEEE802.3ah中规范的OAM能力功能及特点与传统的电信级网络要求的OAM功能是有一定差距，至少在功能的支持范围和具体功能的定义上很不具体。

3）EPON终端的互通性问题

从DSL产业的发展过程中可以看到，终端的互通性将是实现FTTH规模发展的重要前提。

采用不同厂家的设备实现OLT和ONU功能将有效地降低网络建设的成本，并能促使终端设备的专业厂家加入到FTTH产业中来。

但设备间互通的实现在很大程度上依赖于国际标准的成熟度，在EPON系统中，这不仅涉及到PMD层定义的标准光接口，MPCP机制中定义的ONU自动发现与加入等基本功能，还涉及到动态带宽分配，下行数据加密机制，TDM业务实现的具体方案，与高层业务相关的管理通道及其交互机制等更复杂的功能。

EPON在标准化方面高度的开放性和可扩展性带来的不利影响就是在上述附加功能集方面不做规范，导致的结果是不同厂家实现各自的系统功能时，终端互通性可能存在问题。

尽管EPON技术面临着诸多的技术挑战，但不可否认的是，EPON技术是目前FTTH领域中为用户提供光纤接入的最为经济有效的方式。

随着实际应用经验的积累和研究的深入，EPON技术会不断走向成熟。

第四章EPON设备及组网类型

4.1EPON设备布放原则

4.1.1光线路终端布放原则

光线路终端布放位置一般有以3种方式：

1　OLT放置于中心机房，其特点为覆盖范围大，便于操作和管理，适于早期用户比较少或集中管理的场景。

2　远端中心机房，其特点为覆盖范围适中，便于操作和管理，同时兼顾容量和资源。

3　户外机房或小区机房，其特点为节省光纤，但管理和维护困难，覆盖范围比较小，需要解决供电问题，一般不建议采用这种方式。

OLT位置的选择，主要取决于实际的应用场景，一般建议将OLT放置于中心机房，便于维护与管理，节省运维成本，同时便于资源共享，节省资源。

4.1.2分光器布放方式与布放原则

1）分光器布放方式

分光器可采用一级或多级分光，分光方式一般采用等功率方式，也可采用不等功率的方式，主要取决于地形和潜在用户分布等因素的影响。

1　一级分光，适用于密型布局。

分光器采用一级分光时PON端口一次利用率高，易于维护，其典型应用于需求密集的城镇，如大型住宅区或商业区。

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