EPON关键技术及实现原理

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1、EPON关键技术及实现原理烽火通信科技股份有限公司2008年2月内容提要nFTTH技术nEPON技术FTTx系统n FTTx系统的基本组成： 光线路终端（OLT，局端设备） 光分配网（ODN，包含光分路器、光纤光缆及光缆分线盒、光缆交接箱等一系列无源器件） 光网络单元（ONU/ONT）OLT功能模块示意图 ONU功能模块示意图 FTTx的实现技术n FTTx主要包括有源与无源两种技术，当前两种技术的市场份额相当n 无源光网络PON逐渐成为FTTx的主要实现技术，包含A/BPON、EPON、GPON等n 传统的P2P光纤接入系统采用媒质转换器（MC），应用比较普遍；新的P2P标准定义了光接口、O

2、AM等内容，改善了传统MC方式存在的缺陷无源光网络（PON）系统原理1(a)PON系统中的上行方向工作原理n 上行工作波长范围:1260-1360nmn 上行数据分时发送，各ONU的发送时间与长度由OLT集中控制TDMA的接入机制无源光网络（PON）系统原理2n 下行工作波长范围:1480-1500nmn 下行数据广播发送，每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃其他用户的数据(b)PON系统中的下行方向工作原理PON技术体制nBPON业务适配复杂，业务提供能力有限，传送速率不高，成本较高，IP业务映射效率低等原因，已经被舍弃，不宜再采用 ；nEPON技术由IEEE标准化。其核

3、心是在保留传统以太网体系结构基础上定义了一种新的应用于PON系统的物理层（主要是光接口）规范、一种新的MAC多点控制层协议（MPCP），以实现在点到多点无源光网络中的以太网帧的时分多址接入、一种运行维护和管理（OAM）机制。 nGPON由FSAN/ITU标准化（ G.984）。其目标是形成传输速率更高、更大分路比、能高效承载多种业务并具有更强大的OAM功能的宽带PON技术。GPON引入了一个全新的传输汇聚（TC）子层，并规定TC子层可以采用ATM和GEM两种封装方式。采用了125us的帧长及定时机制，将各种业务载荷（包括TDM和分组）都通过GFP封装入定长帧中，可以较容易的支持TDM和话音业务

4、，并通过带宽指针（pointers）为每一个ONU动态分配上行带宽。 nEPON和GPON已成为近期研究的热点。PON vs. 点到点光纤以太网无源光网络PON：u点到多点的树形-分支结构u局端设备和用户端设备之间为全无源 结构u可以节约主干光纤和局端设备的光接 口u可扩展性好，便于维护管理 SplitterFiberCOBusiness/ ResidenceP2P光纤以太网：u点到点结构u局端设备和用户端设备之间采用独立的一对 或者一根光纤，用户独享，保密性好，u局端和用户端各需要1个光收发器u业务透明性好，带宽高，每个用户的上下行 带宽都可以达到100Mbit/s甚至1000Mbit/s。

5、 u消耗较多的主干光纤PON vs. 点到点光纤以太网v 基于MC的点到点技术的两种使用方 式： n点到点以太接入 N根光纤，2N个光收发器 管理独立 n小区交换机接入 只需铺设1或2根光纤到小区 2N+2个光收发器 设备占用局端机房空间小 在传输过程中需要有源设备 设备分级管理v PON的接入方式： 只需铺设1或2根光纤到小区 需N+1个光收发器 设备占用局端机房空间最小 传输中不需有源设备 设备集中管理局端用户局端用户小区交换机以32个结点为例32/64根光纤 64个收发器P2PP2P1/2根光纤 66个收发器局端用户分光器P2MP1根光纤 33个收发器PON vs. 点到点光纤以太网无源

6、分光器ONUONUIP数据网光电收发器OLTONUIP数据网MC接入PON接入 PSTNCATV100 M带 宽xG带 宽收发器运 维盲点、 故障率高无源网 络，无 需维护单一 业务全业 务内容提要nFTTH技术nEPON技术EPON基本特点PON的基本特点 OLT与ONU之间信号传输基于IEEE 802.3以太网帧 采用8B/10B的线路编码，数据速率为上下行对称1Gbps,线路 比特率为上下行对称1.25Gbps P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件。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 分光比1：32 支持A

7、、B类ODN网络Attenuation range (ITU-T Rec. G.982)dBClass A: 5-20、Class B: 10-25、 Class C: 15-30EPON分层结构参考模型（a）分层结构参考模型(b)分层结构参考模型细化EPON分层结构参考模型-层次nMAC Client(媒体访问控制客户端)子层提供终端协议栈的以太网MAC和上层之间的接口；nOAM子层则负责有关EPON网络运维的功能； nMAC控制子层：负责ONU的接入控制，通过MAC控制帧完成对ONU的初始化、测距、和动态带宽分配，采用申请/授权(Request/Grant)机制，执行多点控制协议(MPCP

8、),MPCP的主要功能是轮流检测用户端的带宽请求，并分配带宽和控制网络启动过程； nMAC(Medium Access Control,媒介接入控制)子层：将上层通信发送的数据封装到以太网的帧结构中，并决定数据的发送和接收方式；n协调子层RS（Reconciliation Sublayer）将MAC层的业务定义映射成GMII接口的信号。RS子层定义了EPON的前导码格式，它在原以太网前导码的基础上引入了逻辑链路标识（LLID）区分OLT与各个ONU的逻辑连接，并增加了对前导码的8位循环冗余校验（CRC8）；EPON分层结构参考模型-层次nPCS（Physical Coding Sublayer

9、,物理编码）子层，PCS将GMII发送的数据进行编码/解码（8B/10B），使之适合在物理媒体上传送；nPMA（Physical Medium Attachment,物理媒介接入子层），为PCS提供一种与媒介无关的方法，支持使用串行比特的物理媒介，发送部分把10位并行码转换为串行码流，发送到PMD层；接收部分把来自PMD层的串行数据，转换为10位并行数据。生成并接收线路上的信号；nPMD（Physical Medium Dependent,物理媒介相关）子层，为于最底层，主要完成光纤连接、电/光转换等功能。PMD为电/光收发器，把输入的电压变化状态变为光波或光脉冲，以便能在光纤中传输。EPON

10、分层结构参考模型-层次接口nGMII（Gigabit Medium Independent Interface,吉比特媒介无关接口），字节宽度的数据通道；nTBI（Ten Bit Interface,十位接口），是10位宽度的数据通道；nMDI（Medium Dependent Interface,媒介相关接口），是串行比特的物理接口；物理媒质相关（PMD）子层n 规定了1000BASE-PX10和1000BASE-PX20两种光模块： n 目前的PX10/20光模块分别可以达到1:32的分路比和10/20公里的传输距离； n 在物理层业务接口上，误码率小于等于10e-12。描述1000BAS

11、EPX 10-U1000BASEPX 10-D1000BASEPX 20-U1000BASEPX 20-D单单位光纤类纤类 型B1.1, B1.3单单模光纤纤 光纤纤数目1标标称发发射波长长1310149013101490nm发发射方向上行下行上行下行 最小范围围（注1）0.5m10km0.5m20km最大通道插入损损耗（注2）2019.52423.5dB最小通道插入损损耗（注3）510dB注1：如果在链链路上启用前向纠错纠错 ，可获获得较较大的最小传输传输 范围围；也可以允许链许链 路上有较较高的通道插入损损耗 。 注2：在标标称发发射波长处长处 。 注3：链链路的差分插入损损耗是通道最大插

12、入损损耗和最小插入损损耗之差。EPON的关键技术n 突发模式光收发器技术n 帧结构n 测距n 动态带宽分配（DBA）机制n 下行数据安全性技术n 业务QoS处理n TDM业务的承载n 运行维护管理（OAM）功能的实现突发模式光收发器技术nOLT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nONU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nOLT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nOLT的接收机和ONU的发射器工作在突发模式EPON的OAM功能n EPON系统定义了一种

13、全新的运行管理和维护协议，以支持： Remote Failure Indication（远端故障指示） Remote Loopbak（远端环回） Link Monitoring（链路监视） n 不支持功能 和单条链路不相关的管理功能，比如保护倒换和设备管理 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 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 不支持设置/写远端MIB变量的能力 n 特点 OAM的实现和使能是可选的。 提供一种实现OAM能力发现的机制。 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技术研究MAC帧结构前导码 7Bytes帧定界符

14、 1BytesDA 6BytesSA 6Bytes长度/类型 2Bytes数据 461500Bytes填充 不定FCS 4Bytes前导码 8BytesDA 6BytesSA 6Bytes长度/类型 2Bytes数据 461500Bytes填充 不定FCS 4Bytes5555SLD5555LLIDLLID CRC8传统以太网MAC帧EPON MAC帧SLD:SLD指示LLID和CRC位置PCS子层对数据监测和前向纠错的扩展 n对IEEE 802.3定义的PCS层的扩展，以支持在点对多点物理介质中的突发模式操作。 n突发模式操作：为了避免近端ONU的发射噪声造成远端ONU的信号衰减，ONU的激

15、光器在信 号发送间隔必须能够关闭。为了控制激光器，PCS必须进行扩展以便能根据信号状态产生 tx_enable信号，在正确的时刻开/关激光器。 n标准定义了可选择的前向纠错机制（FEC），用于提高光连接可靠性和传输距离。 1000BASE-X设备可使用自协商机制进行连接，但在1000BASE-PX的P2MP网络中，禁止使用 自协商协议。 nFEC具有以下基本特性： 保证帧格式符合1000BASE-X PCS； 支持功能可选； 向后兼容1000BASE-X设备； 支持PCS子层10-12误码特性； 支持FEC子层10-4误码特性。 MPCP协议的主要特点n支持规范定义的点到点仿真（P2PE）；n

16、OLT支持多个LLID和MAC客户端；n每个ONU至少支持一个LLID；n支持单拷贝广播机制；n支持动态带宽分配的灵活体系结构；n使用32比特时间戳来发布定时信息；n基于MAC控制的体系结构；n对已发现设备进行测距来提高网络性能；n进行连续测距以补偿往返时间的变化。nGATE（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nREPORT（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。nREGISTER_REQ （ONU发出） 在注册规程处理过程中请求注册。nREGISTER （OLT发出） 在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了注册请求。nREGISTER_ACK （ONU发出） 在注册规程处理过程中表示注册确认。五种类型的MPCP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； MPCP功能是基于专门的协议数据报文完成