EPON技术及工作原理.docx

1、EPON技术及工作原理EPON技术工作原理及应用1.1 PON技术发展光纤接入从技术上可分为两大类：有源光网络(AON，Active Optical Network)和无源光网络(PON，Passive Optical Network)。年，实验室首先发明了技术；PON是一种纯介质网络，由于消除了局端与客户端之间的有源设备，它能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。PON的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。目前基于PON的实用技术主要有APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等

2、几种，其主要差异在于采用了不同的二层技术。图1 PON的两个主要标准体系APON是上世纪90年代中期就被ITU和全业务接入网论坛（FSAN）标准化的PON技术，FSAN在2001年底又将APON更名为BPON，APON的最高速率为622Mbps，二层采用的是ATM封装和传送技术，因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题，未能取得市场上的成功。为更好适应IP业务，第一英里以太网联盟（EFMA）在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM的EPON技术，IEEE 802.3ah工作小组对其进行了标准化，EPON可以支持1.25Gbps对称速率，随着光器件的进一步成熟，将来速率还

3、能升级到10Gbps。由于其将以太网技术与PON技术完美结合，因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。对于Gbps速率的EPON系统也常被称为GEPON。100M的EPON与1G的EPON的不同在速率上的差异，在其中所包含的原理和技术，是一致的，目前业界主要推广的是GEPON，百兆位的EPON也有不多的一些应用。在后面文档中提到的EPON，如果没有特别说明，都是指千兆位的GEPON。EPON是几种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，在以太网上提供多种业务。目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，

4、从而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10Gbps以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后一公里的解决方案。在一个EPON中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，在协议的第二层，EPON采用成熟的全双工以太技术，使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需CDMA/CD，从而充分利用带

5、宽。另外，EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON/GPON类似的QoS。在EFMA提出EPON概念的同时，FSAN又提出了GPON，FSAN与ITU对其进行了标准化，其技术特色是在二层采用ITU-T定义的GFP（通用成帧规程）对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射，能提供1.25Gbps和2.5Gbps下行速率，和155M、622M、1.25Gbps、2.5Gbps几种上行速率，并具有较强的OAM功能。如果不考虑EPON可以看得到的不久将提升到10Gbps速率（10G以太网已经成熟），当前在高速率和支持多业务方面，GPON有优势，但技术的复杂和成本目前要高于

6、EPON，产品的成熟性也逊于EPON。光纤接入从90年代初就走上了舞台，总的说来是一种“说得多，做得少”的技术。PON系统无疑是其中佼佼者，EPON与GPON，两种技术各有千秋，无论是EPON技术还是GPON技术，其应用在很大程度上决定于光纤接入成本的快速降低和业务需求，而价格则是最核心因素，ADSL的发展就充分证明了这一点。实现全光纤的FTTH是宽带接入的发展方向，但是实现全部的光纤接入，需要一个过程。设备、光纤、工程成本和应用的业务需求，都是其广泛推广与使用的关键因素。第一步从FTTB开始，充分利用PON的技术，和现有的以太网的优势（成本底、使用广），然后逐步过渡到FTTH是一条比较合理的

7、选择。1.2 EPON的基本原理与其它PON技术一样，EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的，主要由OLT、ODN、ONU三个部分构成，如下图2。图2：EPON的网络结构其中OLT作为整个网络/节点的核心和主导部分，完成ONU注册和管理、全网的同步和管理以及协议的转换、与上联网络之间的通信等功能；ONU作为用户端设备在整个网络中属于从属部分，完成与OLT之间的正常通信并为终端用户提供不同的应用端口；ODN在网络中的定义为从OLTONU的线路部分，包括光缆、配线部分以及分光器（Splitter）全部为无源器件，是整个网络信号传输的载体。其中光缆

8、部分选用G.652、G.657系列的全部型号光纤，分光器可以从1:21:32可选（1:64的分光器因成本原因基本上在现网上没进行使用，OLT到ONU之间的传输距离一般10km-20km,原则上是10KM用1:32的分光器，20KM用1:16,因为分光器分光比例越高，光衰耗越大。OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房，ONU（Optical Network Unit）放在用户设备端附近或与其合为一体。OND是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310n

9、m，下行波长：1490nm，另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长，来传递模拟电视信号）。OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口（PON接口）。根据以太网向城域和广域发展的趋势，OLT上将提供多个1 Gbps和10Gbps的以太接口，可以支持WDM传输。OLT还支持ATM、FR以及OC31248192等速率的SONET的连接。如果需要支持传统的TDM话音，普通电话线（POTS）和其他类型的TDM通信（T1E1）可以被复用连接到出接口，OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoSSLA的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配

10、置。OLT根据需要可以配置多块OLC（Optical Line Card），OLC与多个ONU通过POS（无源分光器）连接，POS是一个简单设备，它不需要电源，可以置于相对宽松的环境中，一般一个POS的分光比为8、16、32、64，并可以多级连接，一个OLT PON端口下最多可以连接的ONU数量与设备密切相关，一般是固定的。在EPON中系统，OLT到ONU间的距离最大可达20km。在下行方向，IP数据、语音、视频等多种业务由位于中心局的OLT，采用广播方式，通过ODN中的1：N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元。在上行方向，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1：N无源分

11、光器耦合到同一根光纤，最终送到位于局端OLT接收端。根据ONU在所处位置的不同，EPON的应用模式又可分为FTTC（光纤到路边）、FTTB（光纤到大楼）、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。在FTTC结构中，ONU放置在路边或电线杆的分线盒边，从ONU到各个用户之间采用双绞线铜缆；传送宽带图像业务，则采用同轴电缆。FTTC的主要特点之一是到用户家里面部分仍可采用现有的铜缆设施，可以推迟入户的光纤投资。从目前来看，FTTC在提供2 Mbps以下窄带业务时是OAN（称光纤接入网）中最现实、最经济的方案，但如需提供窄带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想。在FTTB结构中，ON

12、U被直接放到楼内， 光纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN，即FTTB+ADSL、FTTB+Cable和FTTB+LAN等方式接入用户家中。FTTB与FTTC相比，光纤化程度进一步提高，因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区。 FTTO和FTTH结构均在路边设置无源分光器，并将ONU移至用户的办公室或家中，是真正全透明的光纤网络，它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束，是光纤接入网络发展的理想模式和长远目标。1.3 EPON的技术优点 EPON的优点主要表现在： 相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易

13、铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大；EPON系统对局端资源占用很少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高；EPON系统是面向未来的技术，大多数EPON系统都是一个多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。 提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。 服务范围大，EPON作为一种点到多点网络，可以利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。 带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON可以通过DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ

14、、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的QoS。1.4 EPON的传输原理 EPON与APON最大的区别是EPON根据IEEE802.3协议，包长可变至1518字节传送数据，而APON根据ATM协议，按照固定长度53个字节包来传送数据，其中48个字节负荷，5个字节开销。这种差别意味着APON运载IP协议的数据效率低且困难。用APON传送IP业务，数据包被分成每48个字节一组，然后在每一组前附加上5个字节开销。这个过程耗时且复杂，也给OLT和ONU增加了额外的成本。此外，每一48个字节段就要浪费5个字节，造成沉重的开销，即所谓的ATM包的税头。相反，以太网传送IP流量，相对于A

15、TM开销急剧下降。 EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。所采取的不同的上行/下行技术分别如图3所示：当OLT启动后，它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。ONU上电后，根据OLT广播的允许接入信息，主动发起注册请求，OLT通过对ONU的认证（本过程可选），允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个本OLT端口唯一的一个逻辑链路标识（LLID）。 图3上下行传输原理数据从OLT到多个ONU以广播式下行（时分复用技术TDM），根据IEEE802.3ah协议，每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识（LLID），

16、该标识表明本数据帧是给ONU（ONU1、ONU2、ONU3.ONUn）中的唯一一个。另外，部分数据帧可以是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播），在图3的组网结构下，在分光器处，流量分成独立的三组信号，每一组载到所有ONU的信号。当数据信号到达ONU时，ONU根据LLID，在物理层上做判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给其它ONU的数据帧。举例，图4中，ONU1收到包1、2、3，但是它仅仅发送包1给终端用户1，摒弃包2和包3。对于上行，采用时分多址接入技术（TDMA）分时隙给ONU传输上行流量。当ONU在注册时成功后，OLT会根据系统的配置，给ONU分配特定的带宽，（在采用动态

17、带宽调整时，OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告，动态的给每一个ONU分配带宽，动态带宽调整的进一步说明见后面章节）。带宽对于PON层面来说，就是多少可以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为16ns。在一个OLT端口（PON端口）下面，所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能够在OLT给他分配的时刻上面开始，用分配给它的时隙长度传输数据。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的上行包不会互相干扰。对于安全性的考虑。上行方向，ONU不能直接接收到其它ONU上行的信号，所以ONU之间的通信，都必须通过O

18、LT，在OLT可以设置允许和禁止ONU之间的通信，在缺省状态下是禁止的，所以安全方面不存在问题。对于下行方向，由于EPON网络，下行是采用广播方式传输数据，为了保障信息的安全，从几个方面进行保障： 所有的ONU接入的时候，系统可以对ONU进行认证，认证信息，可以是ONU的一个唯一标识（如MAC地址或者是预先写入ONU的一个序列号），只有通过认证的ONU，系统才允许其接入。 对于给特定ONU的数据帧，其它的ONU在物理层上，也会收到数据，在收到数据帧后，首先会比较LLID（处于数据帧的头部）是不是自己的，如果不是，就直接丢弃，数据不会上二层，这是在芯片层实现的功能，对于ONU的上层用户，如果想窃

19、听到其它ONU的信息，除非自己去修改芯片的实现。 加密，对于每一对ONU与OLT之间，可以启用128位的AES加密。各个ONU的密钥是不同的。 VLAN隔离：通过VLAN方式，将不同的用户群、或者不同的业务限制在不同的VLAN，保障相互之间的信息隔离。2.EPON协议和关键技术介绍2.1 EPON协议栈介绍2.1.1 EPON的层次模型 对于以太网技术而言，PON是一个新的媒质。802.3工作组定义了新的物理层。而对以太网MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质。EPON的层次模型如下： 图5 EPON的层次模型2.1.2 MPCP子层EPON系统通过一条共享光纤将多个D

20、TE连接起来，其拓扑结构为不对称的基于无源分光器的树形分支结构。MPCP就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制机制。 EPON作为EFM讨论标准的一部分，建立在MPCP（Muti-Point Control Protocol多点控制协议）基础上，该协议是MAC control子层的一项功能。MPCP使用消息，状态机，定时器来控制访问P2MP（点到多点）的拓扑结构。在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体，用以和OLT中的MPCP的一个实体相互通信。作为EPON/MPCP的基础，EPON实现了一个P2P仿真子层，该子层使得P2MP网络拓扑对于高层来说就是多个点对点链路的集合。该子层

21、是通过在每个数据报的前面加上一个LLD（Logical Link Identification）逻辑链路标识来实现的。该LLID将替换前导码中的两个字节。PON将拓扑结构中的根结点认为是主设备，即OLT；将位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即ONU。MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收。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、以便优化PON系统内部的带宽分配。EPON系统通过MPC PDU来实现OLT与ONU之间的带宽请求、带宽授权、测距等。 MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的

22、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。MPCP多点控制协议位于MAC Control子层。MAC Control向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。2.1.3 EPON的物理层（RS子层、PCS子层、PMA子层、PDM子层）EPON物理层通过GMII接口与RS层相连，担负着为MAC层传送可靠数据的责任。物理层的主要功能是将数据编成合适的线路码；完成数据的前向纠错；将数据通过光电、电光转换完成数据的收发。整个EPON物理层由如下几个子层构成： 物理编码子层(PCS) 前向纠错子层(FEC) 物理媒体附属子层(PMA) 物理媒体依赖子层(PMD)同千兆以太网的物理层

23、相比，唯一不同的是EPON的物理层多了一个前向纠错子层（FEC），其它各层的名称、功能、顺序没有太大的变化。前向纠错子层完成前向纠错的功能。这个子层是一个可选的子层，它处在物理编码子层和物理媒体附属子层中间。它的存在引入使我们在选择激光器、分光器的分路比、接入网的最大传输距离时有了更大的自由。从宏观上讲，除了FEC层和PMD层以外，各子层基本上可以同千兆以太网兼容1.PCS子层 PCS子层处于物理层的最上层。PCS子层上接GMII接口下接PMA子层，其实现的主要技术为8b/10b，10b/8b编码变换。由于10比特的数据能有效地减小直流分量，便于接收端的时钟提取，降低误码率，因此PCS层需要把

24、从GMII口接收到的8位并行的数据转换成10位并行的数据输出。这个高速的8b/10b编码器的工作频率是125MHz，它的编码原理基于5b/6b和3b/4b两种编码变换。PCS的主要功能模块为： 发送过程：从RS层通过GMII口发往PCS层的数据经过发送模块的处理(主要是8B/10B)：根据GMII发来的信号连续不断地产生编码后的数据流，经PMA的数据请求原语把他们立即发往PMA服务接口。输入的并行八位数据变为并行的十位数据发往PMA。 自动协商过程：设置标识通知PCS发送过程发送的是空闲码、数据、还是重新配置链路。 同步过程：PCS同步过程经PMA数据单元指示原语连续接收码流，并经同步数据单元

25、指示原语把码流发往PCS接收过程。PCS同步过程设置同步状态标志指示是否PMA层发送来的数据是否可靠。 接收过程：从PMA经过同步数据单元指示原语连续接收码流。PCS接收过程监督这些码流并且产生给GMII的数据信号，同时产生供载波监听和发送过程使用的内部标识、接收信号、监测包间空闲码。PCS子层的发送、接收过程在自动协商的指示下完成数据收发、空闲信号的收发和链路配置功能。具体数据的收发满足RD平衡规则。在链路上传输的数据除了256个数据码之外，还有12个特殊的码组作为有效的命令码组出现。在EPON系统中，按照单纤双向全双工的方式传送数据。当OLT通过光纤向各ONU广播时，为了对各ONU区别，保

26、证只有发送请求的ONU能收到数据包，802.3ah标准引入了LLID。这是一个两字节的字段，每个ONU由OLT分配一个网内独一无二的LLID号，这个号码决定了哪个ONU有权接收广播的数据。这个两字节的字段所处的位置见下图所示。图6 LLID在帧中的位置这个字段占据了原千兆以太网802.3z中前导码（preamble）部分两个字节的空间，同802.3z标准相比SPD（或称SLD，LLID定界符 在EPON中为0XD5）的位置也滞后了。对于在EPON中新增的LLID，我们可以把它当作数据发送出去，不用对PCS作什么变动。但是对于EPON中SPD位置的这种变化，我们必须给以足够的重视。我们知道，普通

27、的千兆网技术发送状态机根据EVEN或ODD的指示选择第一个或第二个字节用/S/来替代，也就是说SPD的位置可以是变化的。而在EPON的PCS技术中，SPD的位置是固定的，我们要准确地把前导码的第三个字节用/S/来替代，否则ONU会收不到正确的以太网包。这是因为SPD在整个八字节的前导码中有固定的位置，它起着指示LLID和CRC位置的作用。如果它不能出现在以太网包头中的第三个字节的话，我们就不能够得到正确的LLID值。没有正确的LLID，处于等待状态的ONU就得不到想要的数据。在各ONU向OLT突发发送数据的时候，得到授权的ONU在规定时隙里发送数据包，没有得到授权的ONU处于休息状态。这种在上

28、行时不是连续发送数据的通信模式叫突发通信。在OLT侧，PCS的发送和接收都处于连续的工作模式；而在ONU侧的PCS子层接收方向是连续接收OLT侧来的广播数据，而在发送方向，却是在断断续续地工作。因此EPON的PCS子层不仅要能像普通的千兆PCS子层一样在连续的数据流状态下能正常工作，在面对突发发送和突发接收时也要保持稳定。其中OLT侧的突发同步和突发接收是实现EPON系统PCS子层技术的关键。2.FEC子层FEC子层的位置处在PCS和PMA之间，是EPON物理层中的可选部分。它的主要功能如下： 发送 FEC子层接收从PCS层发过来的包，先进行10b/8b的变换，然后执行FEC的编码的算法，用校

29、验字节取代一部分扩展的包间间隔，最后再把整个包经过8b/10b编码并把数据发给PMA层。 字节对齐 FEC子层接收从PMA层的信号，对齐帧。当选择FEC子层的时候，PMA子层的字节对齐就被禁止。 接收把经字节对齐之后的数据进行RS译码、插入空闲码后发送数据到PCS层。对于EPON系统而言，使用前向纠错技术的具体优点可以概括如下： 可以减小激光器发射功率预算，减少功耗； 可以增加光信号的最大传输距离； 能有效地减小误码率，满足高性能光纤通信系统的要求，可以使误码率从纠错前的10-4降至纠错后的10-12； 大分路比的分光器的衰减很大，配合使用前向纠错技术，在同样的接入距离内，可以使用大分路比的分

30、光器，支持更多的接入用户； 前向纠错技术在EPON系统中的应用使我们可以选择使用价格低廉的FP激光器作为光源，大幅降低成本，减小在光模块方面的开销。作为一项技术，它也有一些不足之处：FEC会增加开销，增加系统的复杂性，使有效传输速率减小。但总的看来，它为系统带来的好处远大于它给系统带来的不便，是一个很好的选择方案。此外EPON中所使用的光器件均为无源光器件，因此信号的传输距离有限，在一些接入距离较大的地方，FEC技术尤其重要。3.PMA子层EPON的PMA层技术同千兆以太网PMA层技术相比没有什么变化，其主要功能是完成串并、并串转换，时钟恢复并提供环回测试功能，它同相邻子层的接口是TBI接口。

31、4.PMD子层 EPON的PMD子层的功能是完成光电、电光转换，按1.25Gbps的速率发送或接收数据。802.3ah要求传输链路全部采用光无源器件，光网络能支持单纤双向全双工传输。上下行的激光器分别工作在1310nm和1490nm窗口；光信号的传输要做到当光分路比较小的时候，最大传输20km无中继。按所处位置的不同，光模块又可以分为局端和远端两种。对于远端的光模块而言，接收机处于连续工作状态，而发送机则工作于突发模式，只有在特定的时间段里激光器才处于打开状态，在剩下的时间段里，激光器并不发送数据。由于激光器发送数据的速率是1.25Gbps，因此要求激光器的开关的速度要足够快。同时要求在激光器

32、处于关闭状态时，要使从PMA层发送过来的信号全部为低，以确保不工作的ONU激光器的输出总功率叠加不会对正在工作的激光器的信号造成畸变影响。2.2 EPON关键技术2.2.1 EPON物理层的关键技术EPON是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输、基于以太网和TDM时分复用的MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。从物理层看，EPON从电气、机械、规程、功能特性等功能基本上采纳了Ethernet的GE或1000BASE的标准，包含物理层协议 PHY（Physical Layer Protocol）和物理媒介协议PMD（Physical Medium Dependence Protocol）两大子层功能。在物理层，EPON使用1000BASE的以太网物理层协议PHY，无源光纤传输方式。（二）EPON数据链路层的关键技术EPON数据链路层分为逻辑LLC（Link Layer Control Protocol）和MAC两大部分。LLC遵循的标准为802.2 ，MAC遵循的标准为802.3（CSMA/CD）等。EP