1、本文全面地介绍了目前一种先进的宽带接入技术以太无源光纤网络 (EPON)接入技术，介绍了 EPON 的工作原理以及技术特点。 关键词 宽带接入 点到多点 EPON ONU OLT 1 无源光纤网络的发展过程 无源光纤网络为服务供应商的中心机房和商业及居民客户之间解决了最后 一公里的网络通信基础。众所周知，在接入网和本地环路中，在最后一公里的居 民区范围里，电话铜线和 AT V 的同轴电缆的分布占有很大的优势。在城域范围 内，商业用户比较集中的区域一般采用高容量的 SONET 环、光纤 T- 3 线路或者 基于铜线的 T- 1 来解决用户接入问题。 一般说来，租用一条 T-3(45Mbit/s)
2、或 OC-3(155Mbit/s)线路，每个月的租金 至少需要 2000030000 元，只有大型企业才能够负担这样高昂的费用。对于中 型规模的企业，通常会选择 T- 1 接入，月租金大约为 3000 元。但是大多数小规 模的企业和广大住宅用户只能采用基于电话线路的窄带接入(POTS 和拨号)。现 在，DSL 和 Cable Modem作为过渡技术，提供了比较便宜的数据传输服务，但 是这些技术也有其缺点，如实施比较困难，施工周期比较长，带宽受到传输距离 和现有线路的质量影响较大，对话音服务支持不好等等。 虽然接入网技术的发展相对缓慢，远距离网络传输的带宽却因为波分复用 (WDM)等新技术的应用
3、而迅速增长。近来 WDM 已经开始渗透到城域网范围。 与此同时，企业内部的局域网已经从 10 Mbit/s 升级到 100 Mbit/s，其中很多不久 还会升级到 1000 Mbit/s。城域网具有巨大的带宽容量，末端用户的带宽需求也 不断增长，而“最后一公里”的接入就成为了两者之间的瓶颈。根据 Vertical Systems Group 的调查，在 1999年，76%的美国商业用户，其公司所在位置方圆 一英里范围内都有光纤接入点，但是却没有光纤连接到公司。近年来，运营商们 一直在设法给网络市场的接入段提供廉价的宽带。然而，接入网中存在大量的断 点。虽然在长距离传输网和城域段中的投资已经很大
4、，但在网络的边缘却发展很 慢。技术和经济的原因阻碍了接入市场上廉价宽带的采用。 人们关注 PON 技术已经超过十年了。最近，由于光部件价格的大幅下降和 终端用户带宽需求的增长，PON 已经显示出了它的经济性和技术上的可行性。 无源光纤网络技术可以为最终用户提供至少达到 T- 1 到 OC-3 的接入带宽，从而 消除接入中最后一公里的带宽瓶颈。无源光纤网络主要有两种类型：ATM PON和 Ethernet PON。 (1) ATM PON ATM PON 是 FSAN(Full Service Access Network)联盟于 90年代中期开发完 成的。 当时为了制定一个基于光纤能够为商业用
5、户和居民用户提供包括 IP数据、 视频、以太网等服务的标准，顺理成章地选择 AT M 和 PON 分别作为网络协议 和网络平台， 因为当时 AT M 被看作是能够提供各种类型通信的唯一协议， 而 PON 是最经济的宽带光纤解决方案。 后来 FSAN使用的 ATM PON 格式成为 ITU的标 准，即 ITU-T Rec. G.983。然而 APON 接下来的发展并不如意，各个 APON 厂商 的产品目前仍然难以实现互通，APON 的市场也并没有打开。 (2) Ethernet PON 由于技术和市场的原因使得 AT M 已经从局域网上全面败退。与此同时， IP/Ethernet却越来越得到人们
6、的青睐。 以太网的传输速率从 10 Mbit/s、 100 Mbit/s 发展到 1000 Mbit/s，现在 10Gbit/s 的以太网也已经投入使用。由于 DWM 等新 技术在以太网中的使用使得 IP/Ethernet逐步走向 WA N 和 MAN市场。 目前，包括 Salira 在内的一些新兴公司认为，把 Ethernet 和 PON 技术结合 起来可以克服 ATM PON 的很多缺点，例如缺乏视频传输能力、带宽有限、系统 复杂以及价格昂贵等等，利用 Ethernet的简单性，从而在接入网上提供低价格高 效率的宽带。 Salira 的首期目标是 FTTB(fiber-to-the-bus
7、iness)和 FTTC(fiber-to-the-curb)系 统，然后再发展到 FTTH(fiber-to-the-home)，通过一个简单的平台为用户提供包 括数据、视频和语音在内的全面服务。 EPON 可以提供比 APON 更高的带宽和更 全面的服务，成本却很低，同时 EPON的体系结构也符合 G.983 标准的大多数要 求。 从 2000年开始，Ethernet over PON的概念开始引起设备供应商和运营商的 很大兴趣。在 IEEE802.3 EFM(Ethernet for the First Mile)研究组的头两次会议上， 压倒多数的人投票同意继续研究这个课题，并加速 EP
8、ON 的标准化工作。这个 组织已经指出了以 Ethernet 为中心的 EPON 的许多优点，包括成熟的协议，易于 扩展，面向用户以及采用现成的知识和技术等等。共有 69个公司参加了 EFM 小 组，包括 3Com、Cisco Systems、Intel、Salira 和 Alloptic 等等。 2 EPON的工作原理 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，在以太网之上提供多种业务。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，从而成为连接 接入网最终用户的一种最有效的通信方
9、法。 10Gbit/s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，光信号就能精确地传送到最终用 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 ONU 与 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 CSMA/CD，从而充分利用带宽。 另外，
10、EPON 通过在 MAC 层中实现 802.1p 来提供与 APON 类似的 QoS。 一 个典型的 Ethernet over PON 系统由 OLT、ONU、POS 组成。OLT(Optical Line Terminal)放在中心机房(CO，Central Office)，ONU(Optical Network Unit)放在网 络接口单元(NIU: Network Interface Unit)附近或与其合为一体。POS(Passive Optical Splitter)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。 在一个 EP
11、ON 系统中，OLT 既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提 供平台(MSPP)，它提供面向无源光纤网络的光纤接口。根据以太网向城域和广 域发展的趋势， OLT 上将提供多个 Gbit/s和 10Gbit/s的以太接口，支持 WDM 传 输。为了支持其他流行的协议，OLT 还支持 AT M、FR以及 OC3/12/48/192 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(T1/E1)可以被复用连接到 PSTN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 QoS/SLA 的不同要求进行带宽分配、网
12、络安全和管理配置。OLT 根据需要可以配置多块 OLC(Optical Line Card)，OLC 与多个 ONU通过 POS连接， POS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 POS 的分线率为 8、16或 32，并可以多级连接。 在 EPON中，OLT 到 ONU间的距离最大可达 20 km，如果使用光纤放大器 (有源中继器)，距离还可以扩展。 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很高的共享带宽。因为都使用以
13、太协 议，在通信的过程中，就不再需要协议转换，实现 ONU 对用户数据的透明传送。 ONU 也支持其他传统的 TDM 协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。在更 高带宽的 ONU 中，将提供大量的以太接口和多个 T1/E1接口。当然，对于光纤 到家(FTTH)的接入方式， ONU 和 NIU可以被集成在一个简单的设备中，不需要 交换功能，从而可以在极低的成本下给终端用户分配所需的带宽。 远程业务分配控制(remote provisioning)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(central management
14、system)对 OLT、ONU 等所有网络单元设备进行管 理，还可以为用户提供可管理的 CPE 业务。PON 系统可以很灵活地根据用户的 需要来动态分配带宽，例如：一个互动游戏的开发者，平时需要 5Mbit/s的带宽 与其公司交流信息，而当他准备在他的网站上发行一个受欢迎的游戏时，运营商 就可以在游戏发行期间，根据用户的要求，为其分配更多的带宽。带宽的分配可 以很细密的方式进行，最小可以 64 kbit/s 为单位增加或减少，这方面和 SONET/SDH的呆板结构完全不同。 3 EPON和 APON的比较 虽然 EPON 和 APON 都采用 PON结构作为物理层的传输访问技术，然而两 者在
15、许多方面存在巨大的差异。在 1995 年，AT M 技术的全盛时期， ITU(International Telecommunications Union) 和 FSAN(Full Services Access Network)联盟建立了 AT M 标准， 并把它作为在 PON之上的第二层的帧和封装技 术。自那以后，许多设备供应商都在开发 APON 的产品。然而到现在，为了克 服 APON 的一些固有弱点，设备商和运营商们的兴趣转到了 EPON 上。 由于难以提供 OC-12 以上的高带宽来满足突发式的光传送和接收需求，也 由于在 ONU上需要进行复杂的协议转换，APON 的发展受到很大限制
16、。众所周 知，5字节的 AT M 头相对于 48字节的数据来说，带来超过 10%的带宽损失。相 反， 在 EPON系统中， 由于高效的帧结构和对可变长度以太 MAC帧的灵活支持， 协议所带来的带宽损失只有 2%3%。从光传输的角度来说，ONU 上行传输码 速必须和 PON的线速度成比例。由于距离的差异，OLT 突发模式接收器只能有很短的时间(几个字节周期)来响应单个 ONU 的突发光传输以及调整相位和数据 恢复。所有这些突发模式的传输都相当复杂而且设备昂贵， APON 中过高的带宽 的损失带来了更高的成本。 另外， 由于以太帧在长度上的灵活性， 可以通过 MAC 控制命令和一些特殊的帧(如 P
17、AUSE 帧)来优化 EPON 的传输处理。 从数据处理方面来看，在 APON 中，用户数据必须要在协议转化(TDM 用 AAL1/2，数据包传输用 AAL5)下传送。这种转换对于高带宽难以适应，而执行 这种功能的设备，包括一些相关的附属设备，如信元存储器(cell memory)、胶合 逻辑(glue logic)等也给系统增加了不少成本。 为了降低过高的系统成本， 特别是对于用户单元和外部设备大大超过 CO设 备的容量的接入网， 复杂的处理功能必须从 ONU 移到在 CO的设备， 即 OLT 中。 APON和 EPON不同，它必须使用 AAL1/2 SAR、AAL5 SAR或其他 AT M
18、 技术 转换所有用户端通信并传输到网络端，为了执行这些转换，需要许多额外功能的 ASIC设备。从连接和流管理的方面来看， APON 的 ONU需要实现 IP流和 AT M 虚连接(VPC VCC)相互间的映射功能。这同样需要额外的处理能力，从而导致更 高的设备成本。另外，从总带宽上来说，APON能支持的比 EPON少的多，那么 每个 ONU 上的接口数量和连接的用户数也相应减少。相对来看，单端口的成本 就增加了。 现在，无论是长距离的核心传输网络，还是城域接入网汇聚层部分，数字通 信技术已经从 AT M 为中心，逐渐转移到以 IP为基础来提供视频、音频和数据通 信了。 只有适应当前接入和未来网
19、络核心技术的接入网络结构才能推动未来的全 光 IP 网络成为现实。想象一下这样的前景，不需要额外的协议转换，支持一致 的端到端连接服务模式，设备成本低廉，操作和维护简单。换句话说，这是一个 端到端的 IP光网络。它将产生巨大的效益，也将保护运营商在接入网中的投资。 4 EPON与其他接入技术的结合 除了将在 FTTB、FTTC 等结构中扮演重要角色之外，EPON 也会用于推动 其他各种接入网技术的应用。 使用 EPON能使 DSL突破传统的 1800英尺的距离， 从而增加约 50%的用户。 当把 ONU 集成到 DSLAM(Digital Subscriber Line Access Mult
20、iplexer)时，DSL 可 以到达的范围和其潜在的用户群都会大大增加。 同样，通过集成 ONU 到 CMTS(Cable Modem Termination System)，EPON可以用来给现有的 Cable 连接提供带宽，而且可以让有线电视运营商实现真正的 交互式服务，同时还可以降低建设和运营成本。 在这两种情况中，运营商都可以在他们现有的网络结构和投资的基础上，增 加他们的用户群体。 EPON 还可以在距离上拓展点到点的 MSPP(Multiple Services Provision Platform)和 IP/Ethernet。如果将 OLC 集成到高层建筑的中心网络设备 中，那
21、么这些运营商就可以保护原有的点到点光纤系统投资的基础，而通过邻接 一个小规模的 EPON 系统来增加用户数。 在不久的将来，以太数据将可以直接在 VDSL(甚高速数字用户线)上传输， 将不再需要协议转换。 这是一种在现有用户端的铜线结构基础上提供高带宽的十 分经济的方式。 最后， EPON 技术还可以用来给固定的无线发射塔提供带宽，也可以很好地 解决无线接入技术中如何将上行数据汇集到 CO 的问题。 EPON 能够给各种 运营商带来更好的效益，所以我们相信， EPON 的使用首先是从加强利用现有的 铜线和同轴电缆资源开始。 5 EPON带来的好处 EPON 给运营商带来的好处是多方面的。其中最
22、重要的一点就是，从单个用 户的角度来看， 点到多点的以太网结构为用户提供了一种非常低廉的宽带解决方 案。吉比特以太网能提供很高的带宽，这意味着运营商可以为极大数量的用户提 供宽带服务。网络一旦建立起来，服务的提供和管理都可以在中心机房进行，这 就避免了来回奔波以及其它一些不菲的管理和维护的费用。另外，运营商可以根 据不断变化的用户需求和相应的 SLA(Service Level Agreement)来动态地进行带 宽分配。随着以太网速度的提高，运营商拥有可扩展的网络基础设施，这也能够 应对将来宽带业务的需要。而且，由于只需按照目前的需要进行建设，并根据市 场的需求曲线增加投入和提供服务，运营商
23、们可以从分散投资中受益。因为一个 小型的 OLT 可以支持大量的用户，而中心机房的初期投资也很少。 6 实现 EPON的技术难点 要实现 EPON，需要解决以下技术难点： (1) 如何通过无源光纤网络来传输标准的以太协议？因为目前的以太协议 是通过铜线或者点到点结构(point-to-point)的光纤传输的，而 PON 是一种点到多 点(point-to-multipoint)的光纤结构。 (2) 如何解决光纤点到多点拓扑结构中的突发模式(burst mode)问题？因为 传统的以太是基于共享介质的，仅适合于 LAN，但是不适合接入传输技术；现 代的以太可以支持基于点到点的光纤结构，但是其成
24、本高、扩展性差。 (3) 由于突发模式的光信号来自不同的端点，所以可能导致光信号的偏差， 如何消除这种偏差？ (4) 如何为不同的用户动态地分配带宽， 使得用户能够按照相应的 SLA得到 QoS 保证? (5) 由于光信号来自远近不同的端设备(ONU)，所以可能产生相应的信号冲 突，如何通过距离修正的技术来消除这种冲突？ (6) 如何对 PON中的错误进行检测和隔离？ Salira拥有十多项专利，其中一些就可以解决上述的问题。 7 有关 EPON的标准化和商业化的现状 (1) 标准化进程 IEEE 802.3ah工作小组从 2000年 11 月就开始进行 EPON 的标准化工作。 大 约有 7
25、0个公司加入了这个工作小组， 包括 Cisco、 Nortel、 Worldcom、 SBC、 Ve r i z o n、 Salira、 Broadcom、Agere、Intel、BroadLight、Alcatel等等。 为了加快标准化的进程，EPON 光学级的一些标准借鉴了 APON 的 FSAN(Full Service Access Network)的标准。 完成 EPON 标准的制定还需要很长的时间(大约 1224 个月)。如果没有标 准，大型的运营商就不会进行大规模的系统实施。但是，现在主要的运营商和设 备供应商(Cisco、Nortel、Alcatel、Broadcom、Sal
26、ira 等)都非常看好 EPON 在宽 带接入方面的巨大优势，他们希望有关标准化工作能尽快取得进展。 (2) 商业化进程 SBC宣布在 2001年 5月实施 BPON(Broadband PON)，而在 2002年实施第 二阶段。Verizon 正在实施小规模的 APON 系统，Qwest 正在进行 APON 的试 验，BellSouth 正在为实现 FTTH 进行 RF-PON的试验。 因为还没有可以实用的产品，所以目前 EPON 还没有试验，但是 Salira已经 确定与美国最大的运营商中的三家共同建立三个试验系统。 EPON技术分析 EPON 技术由 IEEE 802.3 EFM 工作组
27、进行标准化。2004 年 6 月，IEEE 802.3EFM 工作组发布了 EPON 标准IEEE 802.3ah(2005 年并入 IEEE 802.3-2005 标准)。在该标准中将以太网和 PON技术相结合，在无源光网络体系 架构的基础上，定义了一种新的、应用于 EPON 系统的物理层(主要是光接口) 规范和扩展的以太网数据链路层协议，以实现在点到多点的 PON 中以太网帧的 TDM 接入。此外，EPON 还定义了一种运行、维护和管理(OAM)机制，以实现 必要的运行管理和维护功能。EPON系统的协议参考模型如图 1所示。 图1 EPON系统的协议参考模型 在物理层，IEEE 802.3
28、-2005规定采用单纤波分复用技术(下行 1490 nm，上 行 1310 nm)实现单纤双向传输，同时定义了 1000 BASE-PX-10 U/D 和 1000 BASE-PX-20 U/D两种 PON光接口，分别支持 10 km和 20 km的最大距离传输。 在物理编码子层，EPON 系统继承了吉比特以太网的原有标准，采用 8B/10B 线 路编码和标准的上下行对称 1 Gbit/s 数据速率(线路速率为 1.25 Gbit/s)。 在数据链路层，多点 MAC 控制协议(MPCP)的功能是在一个点到多点的 EPON 系统中实现点到点的仿真，支持点到多点网络中多个 MAC客户层实体， 并支
29、持对额外 MAC 的控制功能。图 1 示意了 EPON 协议参考模型及多点 MAC 控制协议的位置。MPCP 主要处理 ONU 的发现和注册，多个 ONU 之间上行传 输资源的分配、动态带宽分配，统计复用的 ONU 本地拥塞状态的汇报等。 利用其下行广播的传输方式， EPON定义了广播 LLID(LLID=0xFF)作为单拷贝广播(SCB)信道，用于高效传输下行视频广播/组播业务。ESON 还提供了一种 可选的 OAM 功能，提供一种诸如远端故障指示和远端环回控制等管理链路的运 行机制， 用于管理、 测试和诊断已激活 OAM 功能的链路。 此外， IEEE 802.3-2005 还定义了特定的
30、机构扩展机制，以实现对 OAM 功能的扩展，并用于其他链路层 或高层应用的远程管理和控制。 相对于 BPON 和 GPON，EPON 协议简单，对光收发模块技术指标要求低， 因此系统成本较低。另外，它继承了以太网的可扩展性强、对 IP 数据业务适配 效率高等优点，同时支持高速 Internet接入、语音 IPTV TDM 专线甚至 CATV 等 多种业务综合接入，并具有很好的 QoS 保证和组播业务支持能力，是目前建设 高质量接入网的重要备选技术之一。 EPON技术的应用 综合考虑 EPON 的技术特点、成熟度、投资成本、业务需求、市场竞争等多 方面的因素，基于 EPON 的 FTTx 系统近
31、期主要应用于以下场景。 3.1 公众客户综合接入 对于公众用户来说，可以采用 FTTH和 FTTB/C/Cab等应用模式。 FTTH应用 ONU 直接安装在用户家中，业务的接入可以采取两种方案，如 图 2所示。 图 2 公众客户 FTTH应用模式 方案一：ONU 提供 FE、POTS、CATV等用户接口(图 2中的家庭 1、2)。 方案二：ONU 提供 FE 接口，下挂家庭网关实现接入(图 2 中的家庭 3、4)。FTTN/B/C/Cab应用 ONU 安装在楼层/设备间的综合机柜内，可以采取 4种方案实现业务接入， 如图 3所示。 图 3 公众客户 FTTN/B/C/Cab应用模式 方案一：O
32、NU 提供 FE、POTS、CATV等用户接口，可采用多用户 ONU或将多 个单用户 ONU 集中放置。 方案二：ONU 下挂 Mini-DSLAM，提供数据接入，可通过家庭网关实现综合接 入。 方案三：ONU 下挂 IAD、二层以太网交换机，通过 IAD、二层交换机实现综合 业务接入。 方案四：ONU下挂小型 AG，通过 AG 实现综合业务接入。 3.2 大客户、商业客户综合接入 对于商业用户， 可以根据业务需求和用户规模的不同， 采取不同的实施模式， 如 FTTO、FTTB 或 FTTC。根据实施模式、接入方式的不同，可以采取 5 种实 施方案，如图 4所示。 图 4 大客户、商业客户应用
33、模式 方案一：ONU 提供 FE、POTS等用户接口，可采用 FTTO模式。 方案二：ONU 下挂 Mini-DSLAM，提供数据接入，可采用 FTTB/C 模式。 方案三：ONU 下挂 PBX交换机或路由器等设备，提供专线接入，可采用 FTTO 模式。 方案四：ONU 下挂 IAD、二层以太网交换机，通过 IAD、二层交换机实现综合 业务接入，可采用 FTTO或 FTTB/C模式。 方案五：ONU下挂小型 AG，通过 AG 实现综合业务接入，可采用 FTTO/B/C模 式。 3.3 “全球眼”等高带宽接入 “全球眼”等对带宽(特别是上行带宽)要求比较高的应用可以采用 EPON作为 接入手段，具体组网方式如图 5 所示。PON 代了原来模拟组网方案中的二/三层 交换机，同时还节省大量的光纤收发器，并且不需要视频光端机设备。 图 5 PON在视频监控全数字方式中的应用 3.3 村村通接入 在光纤资源短缺的情况下，如村村通工程中，可采用多级分光且分光功率不 等的光分路器方案， 即在只有一芯或几芯光缆资源的情况下采用功率不等光分路 器逐点汇聚，如图 6所示。 图 6 PON在村村通接入中的应用
