EPON網絡接入技術的分析與研究

張 凱

（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000）

1 無源光纖網絡的發展過程

伴隨著網絡的快速普及，一個龐大的網絡體系已經建立，我們的生活、學習、工作與網絡密不可分。網絡的應用范圍不斷擴大，人們對網絡速度的要求也在不斷提高，經過長時間的研究與探索，光纖通信網絡以其無以倫比的優越性已經覆蓋全球，為解決傳輸網絡的接入網帶寬瓶頸，無源光纖網絡營運而生。

無源光纖網絡簡稱PON網絡。由于波分復用（WDM）技術的快速發展，WDM已經用在城域網范圍。一些企業內部和高檔小區內，局域網的速度開始從10 Mbit/s向100 Mbit/s進行過渡，甚至有的地方已經達到1000 Mbit/s。城域網的巨大帶寬容量與終端用戶有限的接入帶寬，成為限制網絡發展的瓶頸。多年來，網絡運營商一直在努力為市場提供一個廉價的接入網，同時滿足網絡發展所需的帶寬，但是經濟與技術等多方面的因素嚴重導致了接入網技術的緩慢發展。

社會關注關注PON技術的發展已經多年。近年來，由于光部件價格的下降和終端用戶接入網帶寬的增長，PON技術已經展露出經濟和技術上的可行性。PON可以為用戶提供足夠的接入帶寬，從而消除接網絡的帶寬瓶頸。PON網絡主要有兩種類型：ATM PON和Ethernet PON。

1.APON APON在90年代由FSAN聯盟設計完成。由于ATM可作為支持多種通信類型的協議，PON是光纖網絡，所以選擇ATM和PON分別作為網絡協議和網絡平臺，即后來的ITU的標準，ITU-T Rec.G.983。然而APON并沒有被廣泛應用，因為各個APON廠商的產品沒有統一標準，APON的發展也不如預料那么好。

2.EPON 諸多因素致使APON從局域網舞臺中推出。而IP/Ethernet卻越發得到大家的關注。以太網的傳輸速率不斷被提高，如今10Gbit/s的以太網也已經投入使用。DWM等技術的應用使得IP/Ethernet強勢進入WAN和MAN市場。許多公司達成共識，把Ethernet和PON技術結合起來的EPON可以克服APON的多個缺點，同時利用Ethernet的普及性，可以方便的實現從Ethernet向EPON的過渡，從而為接入網的終端用戶提供低價格高寬帶的EPON網絡。

2 EPON和APON的差異

EPON和APON的物理層傳輸訪問技術都采用PON結構，但是他們還是有著各自的不同特點。在1995年，ITU和FSAN制訂了ATM標準，諸多供應商陸續開發APON產品。然而APON的結構缺陷，迫使運營商們不得不把想法寄托到EPON上。有限的終端帶寬，雜亂的協議轉換，APON技術的發展受到很大限制。APON引起結構缺陷，造成10%的帶寬浪費。而在EPON結構中，其結構特點所造成的帶寬損失為2%～3%。APON必須采用多種技術轉換（如AAL1/2 SAR、AAL5 SAR）轉換所有終端通信并傳輸到網絡上，為實現這一目的，必須添置相應的設備。從網絡連接的角度出發，APON的ONU需要實現IP和ATM虛連接的對應。這樣的功能仍需添加設備，提高自身的硬件成本。現在，無論網絡的長距離傳輸，還是用戶終端接入網部分，其通信技術已經從ATM轉為IP，進而實現視頻、音頻和數據通信。設想一下，EPON依靠其絕對特點——無需多余的協議轉換，統一的端到端連接服務模式，低廉的設備成本，簡單的操作和維護，必將強勢進入網絡市場，成為運營商爭搶的寵兒。

3 EPON工作原理

3.1 EPON組成及工作原理

EPON是英特網與光網絡結構的結合。EPON采用端到端的結構，無源光纖網絡，在以太網基礎上提供多個網絡服務。現在，因特網基本占據整個局域網市場，EPON是與因特網結合使用的，其包括了因特網基本框架結構，網絡傳輸協議，從而成為接入網終端的最直接、最有效的通信方法。EPON中，無需復雜的協議轉換，光信號就能準確地傳送到終端接入用戶，來自用戶的數據通過光信號傳送到網絡。

一個典型的Ethernet over PON 系統包括OLT、ONU、POS三部分。OLT（光線路終端）、ONU（光網絡單元）以及POS（無源光分配器）等單元端到端網絡，其網絡架構采用星型或樹型分支結構，下行方向采用廣播方式，ONU將接收的下行信息，根據各自地址提取相關信息；上行方向使用分布式共享系統，通過控制機制將多個ONU有序接入。在EPON中，OLT不光是路由器，也是多業務提供平臺(MSPP)，可作為無源光纖網絡的光纖接口。參照以太網的發展趨勢，OLT將提供10Gbit/s的網絡接口，同時為保證其他網絡協議的正常工作，OLT還支持ATM、FR等速率的通信。OLT主要實現網絡集中和接入的功能，還可以按照不同用戶的要求帶寬分配帶寬、網絡安全和管理策略。POS是一個無源，可以置于任何環境中，OLT通過POS連接多個ONU。一個POS的分線率為8、16或32，可實現多級連接。OLT到ONU間的連接距離可達20 km，如果使用光纖放大器(有源中繼器)，可擴展連接距離。EPON中采用應用廣泛的以太網協議。通過ONU單元實現以太網第二層第三層交換功能，采用以太協議可以更方便的實現網絡通信，所以傳輸過程中無需協議轉換，ONU還支持其他的TDM協議。對于光纖到戶(FTTH)的接入方式，ONU和NIU可以集成在一起，從而給終端用戶分配足夠的帶寬，同時保證極低的成本。遠程業務分配控制管理可以針對用戶不同的帶寬需求做出響應操作，從而大大提高帶寬的使用效率。中心管理系統可以對OLT、ONU等網絡設備進行設置及用戶可管理的CPE業務。PON系統可以方便、靈活地為用戶進行動態分配帶寬，根據用戶的要求，為其靈活分配。

3.2 EPON中的核心技術

3.2.1 信道復用技術

信道復用技術是EPON的一個重要技術，通過一條光纖中同時傳輸多個波長的光信號,而每個光信號可以承載多路電信號（包括數字和模擬兩種）。WDM原理是在發送端將不同波長的光信號整理到一起,并放在光纜線路中的一條光纖中進行傳輸,在接收端將這些信號按照各自波長的不同進行分解和處理，最終發送到不同的用戶終端。在整個過程中,發送端與接收端是WDM的重要組成部分，其工作性能直接決定了網絡傳輸質量的好壞。一般情況下，為保證傳輸質量，我們在選擇發送與接收設備時，設備損耗應控制在1.0～2.5db以內，同時，不同信道間的相互干擾也是影響傳輸質量的重要因素，值得我們注意。

從發展現狀看，多數EPON采用DWDM及TDMA技術。EPON在IEEE802.3以太網的數據幀格式上進行必要的修改，通過波分復用技術，可同時處理雙向信號傳輸，在同一根光纖中，上、下行兩個信號分別使用不同的波長。上行采用時分多址接入（TDMA）技術，下行采用純廣播的方式。在下行傳輸過程中，OLT為ONU分配相應的PON－ID，每個ONU監測收到數據的PON－ID，如果接收數據的PON－ID和自身PON－ID一致，則接收數據，否則丟棄。

另一方面，PON系統采用“同纖異波”的傳輸方式，系統中的 OLT 和ONU 之間采用上下行雙向傳輸的單模光纖，上行使用1255nm～1355nm 波長（標稱1310nm），下行使用1480nm～1500nm 波長（標稱1490nm），而1540nm～1560nm 波長（標稱1550nm）則預留給CATV服務。

3.2.2 光鏈路損耗測量

OLT及ONU都支持光功率測量功能，OLT對其接收到的ONU上行光功率進行測量，誤差控制在±1dB，ONU對來自OLT 的下行光功率進行測量，誤差控制在±2dB。

前面說過，PON系統主要由OLT、POS以及ONU三部分組成，其中POS（無源光分配器）的損耗直接影響PON的使用性能。因此，分析研究PON中的POS損耗是一個很重要的環節。影響POS的因素主要有：光纖損耗、無源分配器損耗、接頭損耗。

PON系統的光鏈路損耗可用下式表達：

其中，Lfiber代表光纖損耗，Lsplitter代表無源分光器損耗，Lconnector代表接頭損耗。

根據G.652.C和G.652.D規定，PON系統光纖損耗為：

無源分光器主要實現將PON系統中的輸入光源均分至多路輸出，且各路輸出光功率總和應與理論輸入光功率相同。

一般情況下，分光器的每路損耗約為0.5dB，用發光指數n表示分光比為2n（即：2、4、8、16、32）。無源分光器的損耗為：

通常，光連接器損耗約為0.5dB，并成對存在。接頭損耗主要取決于末端接入點至匯聚點的跳數。以目前常見光纜資源和網絡結構為例，跳接數一般在1～2跳。按最差情況分析，接頭損耗為：

3.2.3 系統同步

系統同步是指為防止各個ONU上行數據發生碰撞，按照EPON上行為多點到一點的組織結構，每個ONU發送的時間間隙必須與OLT的系統分配的時間間隙一致。為實現ONU與OLT的時鐘信號同步，EPON采用時間標簽方式。在OLT端設有一個全局計數器，下行方向OLT發送數據時插入時鐘標簽，ONU根據收到數據的時鐘標簽調整本地計數器，完成兩端時間同步；上行方向ONU發送數據時插入時鐘標簽，OLT根據收到數據的時鐘標簽進行調整，實現同步。

3.3 EPON應用特點

（1）EPON所使用的光無源器件，無冗余電源、無需過多的維護人員，有效降低運營成本；

（2）EPON采用廣泛應用的以太網技術，二者能夠更好的融合，消除了復雜的傳輸協議轉換所帶來的建設成本因素；

（3）采用波分復用技術，傳輸距離可達20公里，通過添加放大器，可增加傳輸距離，傳輸范圍遠遠超過其他網絡。光分路器可最大配置32個用戶，大大降低成本；

（4）上下行均具備高速率，下行方向采用廣播方式共享系統，上行方向使用分布式共享系統，可方便靈活的為用戶分配帶寬；

（5）端對端的結構，通過增加ONU數量，有效地對系統進行升級，方便實現；

（6）EPON具有多種能力，可傳輸TDM、IP數據和視頻廣播，通過擴展第三個波長，可實現視頻業務廣播傳輸。

4 EPON展望

遠距離傳輸，方便可調的帶寬，兼并因特網的結構特點，光纖的接入和傳輸，光纖化的ONU/ONT，EPON系統所能提供的諸多優勢為企業和個人提供了更快、更方便的網絡架構。同時，更少的設備維護和成本投資，支持遠端ONU/ONT的加入，方便的網絡擴展，終端設備的統一管理，帶寬資源共享、設備安全性高、快捷的建網速度、綜合建網成本低等優點，對于運營商來說，更能滿足現在及未來網絡市場發展的需求，且最大程度的降低運營維護費用。目前，EPON還處于發展階段，但數據業務增多、快速以太網應用、G比特以太網技術的實現，都加快了EPON的發展速度。FTTx作為針對大客戶、集團用戶的解決方案越來越受到青睞。隨著PON技術的規模應用和芯片成本的不斷降低，以及光纖鋪設規模的不斷擴大，EPON技術將很快成為FTTx的主要接入方式之一。EPON技術在今后將會被越來越多的使用。

更值得注意的是，2002年美國一項網絡發展建議：為加速網絡的普及和發展，重點發展以太網無源光網絡，并建議將其作為一項長期發展計劃。這無疑奠定了EPON的發展潛力，同時也為EPON在全球網絡市場的發展推波助瀾。

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