EPON的功能结构及关键技术分析.pdf

1、2006 06 广东通信技术 27 EPON的功能结构及关键技术分析 陈红 陈俊安 刘国辉 以 太 网 无 源 光 网 络 EPON 技 术 是 实 现 光 纤 到 户 FTTH 的 关 键 技 术 之 一 首 先 描 述 了 EPON的 参 考 模 型 然 后 重 点 讨 论 了 EPON的 功 能 结 构 以 及 各 组 成 部 分 的 功 能 最 后 对 EPON的 物 理 层 和 数 据 链 路 层 的 关 键 技 术 进 行 了 分 析 关键词 陈红 1955 女 武 汉 电 力 职 业 技 术 学 院 高 级 讲 师 主 要 从 事 电 子 和 数 字 通 信 技 术 的 教 学

2、和 研 究 工 作 陈俊安 1964 男 武 汉 电 力 职 业 技 术 学 院 讲 师 主 要 从 事 电 子 和 光 纤 通 信 技 术 的 教 学 和 研 究 工 作 刘国辉 1965 男 副 教 授 研 究 生 导 师 现 在 武 汉 邮 电 科 学 研 究 院 从 事 研 究 生 教 学 和 科 研 工 作 研 究 方 向 为 光 纤 通 信 光 网 络 摘要 光 纤 到 户 以 太 网 无 源 光 网 络 功 能 结 构 随着光纤到户 FTTH 产业化进程的不断加快 实 现FTTH的关键技术 以太网无源光网络 EPON 技 术已成为业界讨论的热点技术之一 EPON技术将以太网 的数

3、据链路层技术和无源光网络 PON 的物理层技术有 机地结合在一起 利用PON的拓扑结构实现以太网的接 入 该技术具有上述两种技术的优点 即简单易行 成本 低廉和可维护性好等 正因为如此 EPON技术的市场前 景将十分广阔 本文将着重分析EPON的功能结构及物理层和数据链 路层的关键技术 1 EPON的参考模型 EPON是一种采用点到多点 P2MP 结构的单纤双 向光接入网络 其典型拓扑结构为树型 EPON系统的参 考结构如图 1所示 图1 EPON参考结构 通 信 热 点 通 信 热 点 28 EPON系统由光线路终端 OLT 光网络单元 ONU 和无源光分配网络 ODN 组成 采用树形拓 扑

4、结构 为单纤双向系统 OLT放置在中心局端 分配 和控制信道的连接 并有实时监控 管理及维护功能 ONU放置在用户侧 OLT与ONU之间通过ODN连接 EPON使用波分复用 WDM 技术 同时处理双向信号 传输 上 下行信号分别用不同的波长 但在同一根光纤 中传送 EPON只在IEEE802 3的以太网数据帧格式上作 必要的改动 如在以太帧中加入时戳 Time Stamp PON ID等内容 在下行方向 OLT到ONU OLT发 送的信号通过ODN到达各个ONU 下行采用纯广播的方 式 注册后 OLT为已注册的ONU分配PON ID 由各 个ONU监测到达帧的PON ID 以决定是否接收该帧

5、如果该帧所含的PON ID和自己的PON ID相同 则接 收该帧 反之则丢弃 在上行方向 ONU到OLT 一个 ONU发送的信号只会到达OLT 而不会到达其他ONU 为了避免数据冲突并提高网络利用效率 上行方向采用时 分多址 TDMA 接入方式并对各ONU的数据发送进行 仲裁 此外EPON还需通过已定义的接口与电信管理网相 连 进行配置管理 性能管理 故障管理 安全管理及计 费管理 完成操作维护管理 OAM 功能 2 EPON的功能结构及功能 由EPON的参考模型可知 EPON系统主要由OLT ODN和ONU 三个部分组成 因此 下面分别介绍它们的 功能结构和功能 2 1 OLT的功能结构和功

6、能 OLT 的作用是为EPON提供网络侧与本地交换机及 本地内容服务器之间的接口 并经一个或多个分配点与用 户侧的ONU 通信 OLT 与ONU的关系为主从通信关系 OLT一方面将承载各种业务的信号在局端进行汇聚 按照 EPON特定的信号格式向终端用户传输 另一方面将来自 终端用户的信号按照业务类型分别送入各种专业网中 OLT 可以直接设置在本地交换机接口处 也可以设置在远 端 OLT的功能结构如图2所示 图2 OLT的功能结构 从功能实现的角度来看 OLT主要完成如下功能 1 OLT的物理层完成光 电与电 光转换 串 并 与并 串转换 前向纠错 8B 10B与10B 8B变换 并 完成上行突

7、发数据的接收和下行广播数据的连续发送 2 媒体接入控制 MAC 和MAC控制层完成媒 体接入的功能 MAC控制层包括多点控制协议 MPCP 的处理引擎 如自动注册和测距 GATE处理和REPORT 模块等功能 3 自动注册和测距模块发起并控制测距过程 记录测距信息 自动启动发现窗口 发现新的未注册的 ONU 并对他们进行注册 当关电或ONU掉线及断纤 时 能自动地调整还未报告的ONU所对应的状态 4 GATE处理模块负责组帧 产生ONU所需要的 授权信息 控制ONU光信号的开启 由软CPU NIOS按事 先编制的动态带宽分配算法程序为各个ONU分配带宽 即控制ONU发送数据的起始时间和发送窗口

8、大小 并通 过特定的帧格式发送给各个ONU 5 REPORT模块负责解析远端发来的报告帧 并 送给NIOS处理器处理 作为OLT发送GATE授权的依据 6 完成面向业务节点的以太网接口功能 2 2 ONU的功能结构和功能 ONU 的作用是对相应用户的不同业务进行复用和分 解 以便在上行方向将各种不同的家庭终端的不同业务信 号复接起来在同一传输媒体中传输 而在下行方向将不同 的业务分解 通过不同的接口送到相应的终端 如电话 机 电视机和计算机等 用户网络接口 UNI 支持外 部各种业务的接入 如模拟电话 视频 社区物业管理 通 信 热 点 通 信 热 点 通信热点 2006 06 广东通信技术

9、29 等 并为家庭网络提供对外的连接接口 ONU的功能结 构如图3所示 图3 ONU的功能结构 从功能实现的角度来看 ONU主要完成的功能如 下 1 ONU的物理层完成光 电与电 光转换 串 并与并 串转换 前向纠错 FEC 8B 10B与10B 8B变换 并完成上行突发数据的发送和下行广播数据的 连续接收 2 MAC和控制层完成媒体接入的功能 MAC控 制层包括MPCP的处理引擎 有发现 DISCOVERY 处 理 GATE处理和REPORT处理模块 3 发现处理模块 响应OLT发出的测距 并作出 相应的状态调整 发现处理模块由组帧和注册两个部分组 成 组帧部分负责组帧和解帧 注册部分负责注

10、册过程中 使用帧的组帧 发送和状态转移 同时也负责注册过程的 去注册过程 4 GATE处理模块负责缓存OLT发来的各个授 权 并对授权窗口的产生 结束负责 响应OLT发出的功 率控制命令 并指示物理层完成突发业务的发送 5 REPORT处理模块负责网络中队列报告的产生 和终止 队列报告用于带宽分配 无论有没有带宽请求 队列报告都应该周期性地产生 6 用户相关的以太网接口功能 综上所述 从EPON的功能划分可以看出 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 2 3 ODN的功能结构和功能 ODN的功能是将OLT和ONU连接起来 为

11、OLT与 ONU之间提供传输手段 对所有的业务透明传输 ODN 可由OLT和ONU之间直接连接的光纤和无源光分路器组 成 也可包含若干分配点 ODN可被划分为馈线线路 配线线路和入户线路 其基本节点包括OLT局端 分配点 DP 用户接入点 AP 以及用户端接点 相应的光 缆线路划分为馈线 配线和入户线线路 馈线线路是从 OLT局端延伸到各光分配点 配线线路则从光分配点延伸 到用户接入点 入户线将光缆从用户接入点处延伸到每一 个最终用户的ONU 一个OLT可以通过多个ODN 扩大服务用户数 ODN也可以通过光纤放大器的使用延长传输距离 扩大 服务用户数 ODN的配置通常为点到多点方式 即多个 O

12、NU通过ODN与一个OLT 相连 这样 多个ONU可以共 享同一光传输媒质和光电器件 从而节约了成本 点到点 配置 即一个ONU与一个OLT 相连的形式可以看作是上 述点到多点方式的特例或子集 3 EPON的关键技术分析 根据EPON的协议参考模型可知 EPON由物理层和 数据链路层构成 因此 其关键技术可以分为物理层关键 技术和MAC层以上关键技术 主要集中于MPCP中 下 面分别介绍 3 1 EPON的 MAC层关键技术 EPON的MAC层的基本功能是 当MAC层收到来自 高层的请求指令时 就根据接收到的参数加上包头和帧检 验信息 当收到一个帧的时候 MAC会检查数据的有效 性 去除包头和

13、包尾 并且将数据传送到高层 MAC CONTROL层原来是一个可选的子层 它一 般用来产生流控信息 在EPON中 媒体接入控制中 的多点MAC CONTROL层 MPCP 的引入使得MAC CONTROL成为必选层 其主要作用是完成多点媒体接入 的功能 包括测距和时延补偿 动态带宽分配和时隙分配 等 这些关键技术描述如下 1 上行信道复用技术 上行信道复用技术是 EPON的功能结构及关键技术分析 通 信 热 点 通 信 热 点 30 EPON技术的核心 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的使用是发展 的趋势 但主要取决于光器件 因此 讨论的主要焦点是

14、TDMA的实现方法 即如何使用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 其中 上行带宽的分配方法 ONU发送窗口固定还是可变 最 大的ONU发送窗口应为多大 ONU发送窗口的间隔 以 太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定 2 测距和时延补偿技术 由于各个ONU信号到 达OLT的时间不确定 并且到达OLT的时延也不同 各个 ONU的上行帧会发生碰撞 因此必须采用测距技术进行 时延补偿 各个ONU到OLT的物理距离的不同 环境温度 的变化和光电器件的老化等因素都可能产生传输时延 如 果能准确测量各个ONU到OLT的距离 并能精确地调整 ONU的发送时延 则可以减小ON

15、U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 测距的程序可以 分为粗测和精测 在ONU的注册阶段 进行静态粗测补 偿由物理距离差异造成的时延 而在通信过程中实时进行 动态精测 以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引 起的时延漂移 测距方法有扩频法 带外法和带内开窗法 等几种 另外 测距过程应充分考虑整个EPON的配置情 况 例如 如果系统在工作中加入新的ONU 此时对它 的测距不应对其它ONU有太大的影响 3 动态带宽分配 DBA 动态带宽分配算法是 实时地 ms s量级 改变EPON的各ONU上行带宽的 机制 即OLT根据ONU的请求情况动态的将系统带宽分配 给各个ONU 这种分

16、配由MAC控制层的授权 grant 信息 和请求 request 信息2个管理信息来完成 OLT发送授权 信息来分配一个时隙给某个ONU 该信息不需要ONU发 回确认 ONU通过发送请求信息来报告其状态的改变 请求信息不需要OLT 来进行确认 通过动态带宽分配可 以以较小的代价共享系统带宽 实现宽带综合业务的接 入 在EPON中动态带宽分配的目标是将系统带宽公平 高效的分配给各个ONU和各种业务 在EPON动态带宽分 配中 有关文献提出了2种方式 一种是OLT将授权给各 个ONU 另一种是单个ONU可以支持多个用户和业务 OLT授权给予每一个用户或业务 3 2 EPON的物理层关键技术 EPO

17、N物理层的基本功能是 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 换实现数据的收发 EPON的物理层由物理编码子层 PCS FEC子 层 物理媒质接入 PMA 子层和物理媒质相关子层 PMD 4个子层构成 PCS处于物理层的最上层 其主 要核心技术为8B 10B 10B 8B编码变换 8B 10B编 码器的工作频率是125 MHz 该子层不仅要实现8B 10B 编译码及数据的组装 还要完成突发数据的收发 同千兆 以太网的物理层相比 唯一不同的是EPON的物理层多了 一个可选的FEC子层 完成前向纠错的功能 该层的存在 对选择激光器光源 光分路器的分路比 接入网最大

18、传输 距离有更大的自由 EPON的PMA子层技术同千兆以大网 PMA子层技术相比 在功能上没有什么变化 其主要功 能是完成串 并 并 串转换和时钟恢复 并提供环回测 试功能 但是 由于其面对的业务是突发业务 所以要求 该子层能快速实现对突发数据的同步 EPON的PMD子 层的功能是完成光 电 电 光转换 按1 25 Gbit s的速 率发送或接收数据 普通的千兆光模块不能应用于这种高 速突发数据业务 所以需要为EPON开发专用的光模块 EPON的物理层通过GMII接口与RS层相连 为MAC层提 供可靠的数据传输 物理层的关键技术包括 1 光器件 由于EPON上行信道是所有ONU分时 复用的 每

19、个ONU只能在指定的时间窗口内发送数据 因此 EPON上行信道中传输的是突发信号 这就要求在 ONU和OLT中使用支持突发信号的光器件 2 突发信号的快速同步 由于OLT从ONU接收到 的信号为突发信号 因此 OLT必须在很短的时间内与 ONU实现相位的同步 快速恢复时钟 进而接收数据 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 sync 给各个 通 信 热 点 通 信 热 点 通信热点 2006 06 广东通信技术 31 ONU 使其调整自己的时钟 3 支持远端数据突发和局端突发接收的P

20、CS模 块 在各ONU向OLT突发发送数据的时候 得到授权的 ONU在规定的时隙里发送数据包 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 PCS子层接收方向是连续接 收OLT侧发来的广播数据 发送方向以突发的方式工作 因此 EPON的PCS子层不仅要能像千兆以太网的PCS子 层一样在连续的数据流状态下正常工作 并且 在突发发 送和突发接收数据时也要保持稳定 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 现有的PCS技术都是基于数据的连续发送和连续接 收设

21、计的 市售的芯片均不能提供EPON要求的PCS模 块 在EPON系统中需要两种不同类别的PCS模块 远端 上行数据突发 下行数据连续 局端下行数据连续 上行 数据突发 4 FEC技术 使用FEC技术可以减小激光器的发 射功率 增加光信号的最大传输距离 有效地减小误码 率 使误码率从纠错前的10 1 降至纠错后的10 12 满足高 性能光纤通信的要求 使用FEC技术还可以支持长距离大 分路比下的数据传输 为了能在大分路比的情况下使光信 号达到20 km的传输距离 必须配合使用FEC技术来降低 误码率 同理 在分路比不大时 1 32 光信号可以传 输更远的距离 目前 实现前向纠错技术存在两种不同的

22、 解决方案 一种是基于帧的前向纠错技术 F FEC 另 一种是基于流的前向纠错技术 S FEC 前者在进行编 译码的时候 由于充分考虑了和现有以太网帧格式的兼容 性 将校验码附加在以太网帧的后面 不破坏现有以太网 的帧格式 因此 有更大的实际应用价值 该子层对于整 个系统来说是可选的 不过有了FEC技术的支持 系统的 适应能力会更强 除此之外 下行信道的安全性 如何实现服务质量 QoS 如何实现虚拟局域网 VLAN 和网管等也是 影响EPON应用前景的问题 也必须加以考虑 4 结束语 EPON技术在宽带光接入网中的应用十分广泛 例 如 在FTTH 光纤到大楼 FTTB 光纤到路边 FTTC 等

23、光接入网中 都可以应用EPON技术 因 此 EPON是一种很重要的光接入技术 它可以支持光 纤到户 也可以作为一种过渡手段 如用EPON先实现 FTTx 再通过其它技术连到用户家里 使用 随着多种 宽带业务的蓬勃发展和技术的演进 EPON技术必将有广 阔的应用前景 参考文献 1 Glen Kramer Gerry Pesavento Ethernet passive optical network EPON Building a next generation optical access network J IEEE Communications Magazine 2002 40 2 6 6

24、 73 2 Glen Kramer Biswanath Mukherjee Gerry Pesavento Ethernet PON EPON Design and analysis of an optical access network J Photonic Network Communication 2001 3 3 310 314 上 接 第 26页 应的覆盖解决方案 以快速经济地进行优 质网络建设 参考文献 1 杨 峰 义 覃 燕 敏 胡 强 WCDMA无 线 网 络 工 程 北 京 人 民 邮 电 出 版 社 2004 2 欧 阳 明 光 纽 振 德 WCDMA Node B的 增

25、 强 覆 盖 技 术 通 信 世 界 报 3 芬 Harri Holma Antti Toskala著 付 景 兴 马 敏 陈 泽 强 周 华 译 WCDMA技 术 与 系 统 设 计 第 三 代 移 动 通 信 系 统 的 无 线 接 入 第 2版 机 械 工 业 出 版 社 4 Holma H and T lli A Simulated and Measured Performance of 4 branch Uplink Reception in WCDMA IEEE Vehicular Technology Conference VTC 2001 Spring Greece May 6 9 2001 in proceedings pp 2640 2644 EPON的功能结构及关键技术分析 通 信 热 点 通 信 热 点