光进铜退建设中EPON接入方案的研究与设计.docx

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光进铜退建设中EPON接入方案的研究与设计

摘要

近年来，骨干网的能力进一步增强，与此同时接入网方面却没有大的改进。

接入网的能力的增长远远落后于Internet流量的快速增长，因而接入网成为高效的LAN和骨干网发展的瓶颈，又被称为“最后一公里”。

EPON由于集中了以太网设备价格低廉和光纤能够提供高带宽的优点，成为下一代接入网的最佳选择。

本论文首先从接入网的基本概念出发，对目前流行的几种宽带接入技术进行介绍，引出光进铜退的概念，并对其产生背景，发展趋势等做简要介绍。

而后引出EPON接入技术，并对EPON技术的技术基础、技术发展和概念简要介绍。

第二章从PON的标准发展、EPON的技术原理、关键技术以及其所支持的业务对EPON作进一步的深入了解。

第三章从EPON的应用角度，阐述EPON的组网技术、带宽计算方法、网元以及ODN的网络规划、所能支持的业务类型。

并结合典型小区宽带接入方案，对EPON的FTTH技术进行分析。

论文的最后结合实际情况，设计出基于EPON的重庆邮电大学校园网接入方案。

【关键词】光进铜退以太无源光网络光纤到户光网络单元

ABSTRACT

Inrecentyears,thecapabilityofBackboneNetworkhasbeenmoreincreased,theaccessnetworkhasnotmuchimprovementinthemeantime.TherateofincreaseofcapabilityoftheaccessnetworkisfarbehindtheflowofInternet,sotheaccessnetworkhasbecomethebottleneckofthedevelopmentofthehighefficiencyLANandBackboneNetwork,anditgoesthenameof“thelastonekilometer”.DuetoEPONisatechnologywiththeadvantagesofthelow-priceEthernetequipmentsandfiberwhichcanprovidehighbandwidth,itbecomesthebestchoiceofthenextaccessnetwork.

Inthisthesis,fromthebasicconceptoftheaccessnetwork,severalcurrentpopularbroadbandaccesstechnologyintroduction,leadstotheconceptof“copperbackintothelight”anditsbackground,developmenttrendsareintroducedbriefly.ThenleadstoEPONaccesstechnology,andtechnicalbasisofEPONtechnology,technologydevelopmentandconceptsintroduced.

ThesecondchapterfromPONstandarddevelopment,EPONtechnicalprinciples,keytechnologyanditssupportofthebusinesstohaveafurtherin-depthunderstandingofEPON.

Inthethirdchapter,fromtheapplicationangleofEPON,expatiatetheperspectiveofthenetwork,bandwidthcalculation,networkelementsandnetworkplanningODN,andthetypeofbusiness.Thencombinedwithtypicalresidentialbroadbandaccesssolutions,toanalysetheFTTHtechnologyofEPON.

Finally,withtheactualsituationofthepaper,designofChongqingUniversityofPostsandEPON-basedcampusnetworkaccesssolutions.

KEYWORDS：

CopperbackintothelightEPONFTTHONU

前言

在宽带接入领域，目前大多数家庭都是使用ADSL（非对称数字用户线路）技术来实现，用户的各种业务通过接入网进入核心网。

随着互联网的持续快速发展，网上新业务层出不穷，特别是近年来开始风靡的网络游戏，MSN和QQ等实时网络通信工具，是的人们对网络接入带宽的需求增加。

主流接入技术从拨号逐渐过渡到速度更快的ADSL和以太网，核心网上的可用带宽由于SDH的发展而持续增长，用户处业务量也由于Internet业务的迅猛增长而急剧增加，作为用户与核心网之间桥梁的接入网则由于入户媒质的带宽限制而跟不上骨干网和用户业务需求的发展，成为用户与核心网之间的接入“瓶颈”。

光纤接入网采用光纤作为传输媒质，具有传输容量大、质量高、可靠性高、传输距离长、抗电磁干扰等优点，是未来宽带固定接入的发展方向。

以光纤接入代替铜线接入已成为各个电信运营商的一个共识。

EPON技术近几年得到了快速发展，设备研发和生产能力不断增强，在EPON研发方面出现了一些比较领先的公司，如NokiaBroadband、格林威尔、华中理工、武汉烽火等。

EPON已经能在在以太网之上提供多种业务。

在光进铜退的建设中，EPON为商业客户提供了基于语音、数据、宽带、视频等应用的解决方案。

国内各个运营商积极推进光纤接入网络FTTx的实验和建设，对FTTH相关的技术标准、规划建设、业务应用、运行维护等方面进行研究和探索。

在南方，中国电信现有的接入网主要以ADSL/ADSL2+、LAN技术为主，采用大量的实线、铜缆作为接入网主要的传输媒质，建网时需要综合考虑建设成本、业务需求、技术成熟度、竞争形势等多方面的因素，适时采用“光进铜退”，最总实线FTTH。

FTTH的发展对于光通信市场的带动有着不可低估的巨大作用，FTTH的出现导致的宽带生活升值深刻影响到我们基本生活方式。

第一章概述

第一节宽带接入技术简介

随着信息科技的飞速发展以及人们对上网速度的要求，宽带接入网络技术成为现今通信发展的热点。

目前，宽带接入网络技术分为有线宽带接入网技术和无线宽带接入网技术和无线宽带接入网技术。

有线宽带接入网技术主要有铜线接入、光纤接入和基于有线电视网的混合光纤同轴接入。

宽带无线接入技术主要有：

LMDS（LocalMultipointDistributeSystem，本地多点分配系统）、MMDS（MultipointMultichannelDistributeSystem，多点多信道分配系统）、无线局域网等。

这里主要介绍有线宽带接入技术。

一、铜线宽带接入技术

铜线宽带接入技术也就是xDSL技术，主要包括高比特率的用户数字环路（HDSL）、非对称用户数字环路（ADSL）和甚高比特率的用户数字环路（VDSL）。

HDSL是利用两对或三对铜双绞线，为用户提供PDH一次群速率（T1或E1）的双工数字连接。

ADSL是目前众多DSL技术中较为成熟的一种，其优点是带宽较大、连接简单、投资较小。

ADSL系统主要是针对住宅用户设计的，其下行速率高达6~9Mbit/s，传输距离可达3~5km，典型的下行速率有T1，E1，DS2（6.312Mbit/s），E2（8.448Mbit/s）；上行速率低，具体数值随公司产品而不同，通常为16~640kbit/s。

ADSL在一对电话线上同时传送一路高速下行数据、一路较低速率下行数据、一路模拟电话。

各种信号采用频分复用方式占用不同频段，低频段传送语音，中间窄频段传上行信道数据及控制信息，其余高频段传下行信道数据、图像或高速数据。

VDSL是速率更高的ADSL，一般用于光纤接入网中的最后一段入户连接。

这是一种传输距离很短的宽带接入技术，当ONU离终端用户很近时，可与FTTC、FTTB等结合用。

总的说来，xDSL技术允许多种格式的数据、语音和视频信号通过铜线从局端传给远端用户，可以支持高速Internet/Intranet访问、在线业务、视频点播、电视信号传送、交互式娱乐等。

但它们的覆盖面有限，并且一般高速传输数据是非对称的，仅仅能单向高速传输数据（通常是网络的下行方向）。

二、光纤接入技术

光纤接入网又称光纤用户环路（FITL），它是在交换局中设有光线路终端（OLT），在用户侧有光网络单元（ONU），OLT和ONU之间用光纤连接。

ONU可以用多种方式连接用户，一个ONU可以连接多个用户。

根据与用户的距离，光纤接入网FITL又有多种方式，有光纤到路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）、以及光纤到户（FTTH）等几种形式。

从光纤接入网是否有电源，可分成有源光网络（AON）和无源光网络（PON）两大类。

顾名思义，有源光网络的局端设备（CE）和远端设备（RE）通过有源光传输设备相连，传输技术是骨干网中已大量采用的SDH和PDH技术。

远端设备主要完成业务的收集、接口适配、复用和传输功能。

局端设备主要完成借口适配、复用和传输功能。

此外，局端设备还向网元管理系统提供网管接口。

在实际接入网建设中，有源光网络的拓扑结构通常是星型或环形。

无源光网络（PON）技术是一种点到多点的光纤接入技术，它由局侧的OLT（光线路终端）、用户侧的ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）组成。

一般其下行采用TDM广播方式、上行采用TDMA（时分多址接入）方式，而且可以灵活地组成树形、星型、总线型等拓扑结构（典型结构为树形结构）。

所谓“无源”，是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成，因此其管理维护的成本较低。

EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork）是PON技术中最新的一种，由IEEE802.3EFM（EthernetfortheFirstMile）提出。

光接入网由于采用光纤作为传输介质，具有传输距离远，带宽大，维护费用低等特点，是有线宽带接入技术的理想方案，代表了宽带接入网的发展方向。

第二节光进铜退的提出

一、背景

在宽带接入领域，目前大多数家庭都是使用ADSL（非对称数字用户线路）技术来实现，用户的各种业务通过接入网进入核心网。

随着互联网的持续快速发展，网上新业务层出不穷，使得人们对网络接入带宽的需求持续增加。

主流接入技术从拨号逐渐过渡到速度更快的ADSL和以太网，核心网上的可用带宽由于SDH的发展而迅速增长，用户侧的业务量也由于Internet业务的爆炸式增长而急剧增加，作为用户与核心网之间桥梁的接入网则由于入户媒质的带宽限制而跟不上骨干网和用户业务需求的发展，成为用户与核心网之间的接入“瓶颈”。

由于普通的ADSL技术无法提供长距离及高速宽带等系列服务，渐渐已无法适应固网运营商在原有带宽基础上推出更多新的服务项目，满足用户需求。

所以，可提供全业务、高速率的光纤到户（FTTH）光接入网就成为了宽带接入网的最有效的解决方案。

从而出现了“光进铜退”这一概念。

二、何谓“光进铜退”

光进铜退是固网运营商对接入层网络部署的先进理念，主要是指实现以“窄带+铜缆”为主网络向以“宽带+光纤”的网络转变的具体实践。

简单地说，光进铜退是指在宽带接入模式上以光纤取代铜缆，好处是加快传输速度和数据流量，同时又降低网络建设成本。

实现方式多种多样，可以FTTx（光纤到某地）网络整体概括，经过近几年的网络建设实践，EPON技术以其组网、管理和业务能力等优势，在光进铜退建设中得到了业内的广发认可和应用，当前全球EPON的应用模式超过1500万线，且正处于快速发展和规模应用阶段。

三、发展趋势

自2008年开始，中国电信、中国联通和中国移动陆续启动了光接入网的建设，目前在光进铜退方面已经取得了令人瞩目的进展。

进入2009年，我国3G网络的规模建设进一步刺激了传统固网宽带的建设和发展。

中国电信、中国联通纷纷将接入网光纤化纳为今年的工作重点。

中国电信北京研究院王晓牧表示，接入网光纤化是中国电信的战略选择。

同时，中国联通宽带业务应用国家工程实验室周光涛也表示，中国联通未来会将投资重心转向光接入网，严格控制铜缆投资和使用。

然而，在实现光进铜退的过程中，运营商也面临着一些问题需要解决，比如接入网原有区域的改造和PON的运营维护等。

电信智能化网络的建设已经开始，要进行大规模的接入层建设，接入层建设成为电信网络转型的重点，宽带业务的增长对带宽的要求越来越高，传统的铜线接入方式已无法满足用户的需求。

电信急需新的高带宽接入方式推动其业务的发展，接入光纤化带来的直接好处就是丰富的带宽资源；对于一些经济欠发达地区，接入层的光纤化能够有效解决一直困扰铜缆被盗问题。

此外，铜价的不断上涨，使运营成本不断提升，而用户强烈的宽带需求使得IP网络空前发展。

在以上众多因素的复合推动下，以EPON为主要建设模式的“光进铜退”方案浮出水面。

第三节EPON简介

EPON（以太无源光网络）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，采用PON的拓扑结果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：

成本低；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。

一、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。

二、技术的发展

2000年11月，IEEE成立了802.3EFM（EthernetintheFirstMile）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（GigabitEthernetPON）。

EFM标准IEEE908.3ah。

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，宽带用户的特殊优越性，以及与计算机网络天然的有机结合，是的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。

三、概述

EPONIEEE802.3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体上；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中，所有的ONU都属于同一个冲突域-----来自不同的ONU的数据包如果同时传输依然可以能会冲突。

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。

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。

目前，EPON技术已经成熟，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。

第四节本章小结

本章首先介绍了目前宽带接入技术的几种类型，从中引出了光纤接入技术。

在对光纤接入技术的介绍中，提出了PON技术，并结合光进铜退的发展模式引出了EPON技术。

分别介绍了无源光网络PON、以太无源光网络EPON的基本概念以及发展背景，为整篇论文做了一个概述和铺垫。

第二章基于Ethernet的无源光网络

（EPON）

第一节PON标准发展现状

PON系统在上世纪90年代就出现了，1995年成立了FSAN（FullServiceAccessNetworks）组织。

1996年ITU-T完成了对G.982的标准化，主要对2Mbit/s以下接入速率的窄带PON系统进行定义。

与此同时，以ATM为基础的PON（APON）发展迅速，1998年ITU-T正式通过了G.983.1建议，即基于PON系统的高速光接入系统，G.983.1对APON系统进行了详尽的规范，主要规定线路速率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求、汇聚层要求、测距方法和传输性能要求等。

1999年ITU-T又推出了G.983.2建议即APON的光网络终端（ONT）管理和控制接口规范，该建议主要从网络管理和信息模型上对APON系统进行定义，以确保不同厂家的设备实现互操作。

ITU（TheInternationalTelecommunicationsUnion）和FSAN（FullServiceAccessNetwork）联盟采纳了ATM标准，把它作为在PON第二层的帧封装标准，能为商业用户、家庭用户提供包括IP数据、视频、音频等综合业务，形成了APON的标准。

但是APON存在着一系列的问题，比如带宽有限、带宽损失大、数据包开销大、协议转换麻烦、技术复杂、设备昂贵、多厂家互操作性差等。

随着以太网技术的异军突起，APON技术一直没有得到大规模应用。

随着Internet的高速发展，用户对网络带宽的要求不断提高，各种新的宽带接入技术已经成为研究的热点。

在这种背景下，IEEE于2000年底成立了EFM工作组（EthernetintheFirstMileStudyGroup），试图引入一种新的接入技术标准EthernetPON，即EPON。

2004年IEEE802.3EFM工作组发布了EPON标准IEEE802.3ah，2005年并入IEEE802.3ah-2005标准。

EPON利用PON的拓扑结构实现以太网的接入，它基于高速以太网平台和TDM时分MAC（MediaAccessControl）媒体访问控制方式，能够提供多种综合业务的宽带接入，是成熟度最高、发展最快的技术。

除了EPON标准，另外一个主要标准则为ITU-T的GPON标准，GPON最早由FSAN组织于2002年9月提出，ITU-T在此基础上于2003年3月完成了ITU-TG.984.1和G.984.2的制定，2004年2月和6月完成了G.984.3的标准化，从而最终形成了GPON的标准族。

目前GPON尚处于实验应用阶段。

第二节EPON技术原理

一、EPON系统的组成结构

一个典型的EPON系统由OLT、ONU、ODN组成。

OLT（OpticalLineTerminal）放在中心机房，ONU（OpticalNetworkUint）为用户端设备。

ODN（OpticalDistributedNetwork）是光配线网，主要由一个或数个光分路器（Splitter）来连接OLT和ONU，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。

OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，提供面向无源光纤网络的光纤接口。

OLT出了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoS/SLA的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。

光分路器是一个简单设备，它不需要电源，可以置于全天候的环境中，一般一个光分路器的分线率为2、4或8，并可以多级连接。

在EPON中，OLT到ONU间的距离最大可达20km，或者使用光纤放大器（有源中继器），距离还可以延长。

如图2.1所示。

EPON中的ONU采用了技术成熟而又经济的以太网络协议，在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第二层或第三层交换功能。

这种类型的ONU可以通过层叠来为多个最终用户提供相当高的共享带宽。

因为都使用以太网协议，在通信的过程中，就无需协议转换，而实现ONU对用户数据的透明传送。

当然，对于光纤到户（FTTH）的接入方式，ONU可以不需要交换功能，从而能在极低的成本下为终端用户分配所需的带宽。

远程业务分配控制（RemoteProvisioning）管理可以让运营商通过对用户不同时段的不同业务需求做出响应，这样可以提高用户满意度。

运营商可以通过中心管理系统对OLT、ONU等所有网络单元设备进行管理，同时可以很灵活地根据用户的需要来动态分配带宽。

二、EPON的基本原理

EPON采用点到多点的拓扑结构，下行采用广播方式、上行采用TDMA方式实现双向数据传输。

EPON技术将以太网技术和PON技术相结合，其目标是以简单的方式实现点到多点的告诉以太网光纤接入。

EPON在保留传统以太网体系结构的基础上定义了新的应用于EPON系统的物理层（主要是光接口）规范、MAC多点控制协议（MPCP）以及运营维护和管理（OAM）机制，以实现在点到多点无源光网络中以太网帧的时分多址接入。

EPON系统采用WDM，实现单纤双向传输（强制）。

如图2.2所示。

为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术：

上行数据流采用TDMA技术；下行数据流采用TDM技术。

上行数据流采用时分复用技术，任一时刻只能有一个ONU发送上行信号，系统才能正常工作。

不同的ONU分配不同的时间片，轮流发送上行数据；每个ONU发送上行数据的时间片可以是动态的，时间片的大小和多少在宏观上表现为带宽的大小。

由于数据速率非常高，因此细微的由ONU的距离不同而产生的时延应该在发送上行数据的时候予以考虑。

如图2.3所示。

下行数据采用广播方式从OLT发送多个ONU。

在ONU注册成功后分配一个唯一的LLID，在每一个以太网帧前添加一个LLID，代替以太网前导符的最后两个字节（不改变原有帧结构）。

ONU接受数据时，仅接收符合自己LLID的帧或者广播帧。

如图2.4所示。

三、EPON的协议模型

EPON技术是一种宽带综合接入技术。

它延用了以太网和TDM的一些特性。

从网络分层协议上来看，EPON属于L2的