EPON技術(shù)及組網(wǎng)應(yīng)用研究

    隨著電信市場競爭的日益激烈，現(xiàn)有的以銅纜為傳輸媒質(zhì)、基于不對稱數(shù)字用戶線(ADSL)技術(shù)為基礎(chǔ)的寬帶接入建設(shè)模式將不能適應(yīng)未來開展高清視頻、安全監(jiān)控等高速率帶寬業(yè)務(wù)的需求。“光進銅退”作為實施網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型和固網(wǎng)寬帶化的有效措施，在提高接入帶寬，提升網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)的支撐能力，增強運營商的核心競爭能力方面將發(fā)揮重要作用。作為接入網(wǎng)新技術(shù)，基于以太網(wǎng)技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)有效緩解了當(dāng)前銅纜被盜嚴重、價格上漲較快、建設(shè)成本不斷增加的狀況。但在滿足目前高速率帶寬業(yè)務(wù)接入需求的同時，由于EPON網(wǎng)絡(luò)的點對多點技術(shù)特點及三重業(yè)務(wù)(VoIP、高速上網(wǎng)、IPTV)的開展，給EPON網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和規(guī)劃工作帶來了很多新的挑戰(zhàn)。

    EPON將以太網(wǎng)技術(shù)與無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)結(jié)合起來，其目標是用最簡單的方式實現(xiàn)一個點到多點拓撲結(jié)構(gòu)的千兆以太網(wǎng)光纖接入網(wǎng)絡(luò)。EPON屬于IEEE以太網(wǎng)標準范疇，對于向全IP網(wǎng)絡(luò)過渡是一個很好的選擇。EPON降低了初始成本和運行成本，可以大量采用以太網(wǎng)技術(shù)成熟的芯片，實現(xiàn)簡單，相對成本低，維護簡單，容易擴展和易于升級。

   1基于以太網(wǎng)技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀

    EPON在日本、韓國等東亞地區(qū)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。隨著EPON互連互通測試順利完成，在中國，EPON即將如火如荼地大規(guī)模應(yīng)用。尤其是2008年，將是EPON網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展最為關(guān)鍵的一年。

    2007年8月，中國電信完成了對4萬線EPON設(shè)備的集中采購和《中國電信EPON設(shè)備技術(shù)要求V2.0》等相關(guān)企業(yè)標準的制訂工作。預(yù)計中國電信2008年光纖寬帶(FTTx)的建設(shè)需求會在200萬線左右。4萬線EPON設(shè)備的集采不僅激勵了中國電信各省公司的EPON網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，還影響了中國其他運營商的決策。緊跟著中國電信的步伐，中國網(wǎng)通于2008年初也開始了首輪EPON設(shè)備招標。中國網(wǎng)通EPON招標主要包括約3 600套光線路終端(OLT)和89 000線光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)，其中光纜終端設(shè)備集采大大超出原計劃的2 000個[1-2]。

    隨著EPON技術(shù)的成熟和試點應(yīng)用，EPON必將大規(guī)模應(yīng)用于電信運營城市和農(nóng)村的寬帶接入和VoIP中，有效節(jié)省建設(shè)投資成本和運營成本。

    2基于以太網(wǎng)技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    2.1組成單元

    PON致力于解決電信運營商中心局端、前端，或者以點到點(POP)方式到商務(wù)或家庭節(jié)點的通信，構(gòu)造最后一公里的通信結(jié)構(gòu)。

    EPON的組成單元如圖1所示。光信號通過分光器把光纖線路終端(OLT)一根光纖下行的信號分成多路給每一個光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)，每個ONU上行的信號通過光耦合器合成在一根光纖里給OLT。因而EPON中包括無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括單模光纜、無源分光器/耦合器、適配器、連接器和熔接頭等。它一般放置于局外，稱為局外設(shè)備。無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備十分簡單、穩(wěn)定可靠、壽命長、易于維護、價格極低。

    有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括中心局機架設(shè)備(OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)和設(shè)備管理系統(tǒng)(EMS)。中心局機架上插裝光纖線路終端、網(wǎng)絡(luò)界面模塊(NIM)以及交換模塊(SCM)，因此以上3種設(shè)備也統(tǒng)稱為中心局機架設(shè)備。

    中心局機架設(shè)備提供EPON系統(tǒng)與服務(wù)提供商核心的數(shù)據(jù)、視頻和話音網(wǎng)絡(luò)的接口。它也通過設(shè)備管理系統(tǒng)與服務(wù)提供商的核心運行網(wǎng)絡(luò)相連接。

    光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)給用戶提供數(shù)據(jù)、視頻和電話網(wǎng)絡(luò)與PON之間的接口。ONU最初的作用是接收光路信號，轉(zhuǎn)換成用戶所需的格式(以太網(wǎng)、IP廣播、電話、T1/E1等)。EPON獨一無二的特征是：ONU中除了終結(jié)和轉(zhuǎn)換光信號外，還提供層二、層三交換功能，它允許在ONU中內(nèi)置企業(yè)級路由器。EPON同樣也適合用第三個波長傳送模擬有線電視(CATV)信號或者IP視頻。

    2.2工作原理

    EPON由光纖線路終端、光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)和光網(wǎng)絡(luò)單元組成，采用的是樹形拓撲結(jié)構(gòu)。使用上行1 310 nm和下行1 490 nm波長傳送數(shù)據(jù)和語音，CATV業(yè)務(wù)則使用1 550 nm波長承載。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的連接，并有實時監(jiān)控、管理及維護功能。ONU放置在用戶側(cè)，OLT與ONU間通過無源的光分配網(wǎng)絡(luò)按照1:16/1:32/1:64方式連接，系統(tǒng)參考配置如圖2所示[3-4]。

    EPON網(wǎng)絡(luò)采用一點至多點的拓撲結(jié)構(gòu)，取代點到點結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了光纖的用量和管理成本。無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備代替了傳統(tǒng)的ATM/SONET寬帶接入系統(tǒng)中的中繼器、放大器和激光器，減少了中心局端所需的激光器數(shù)目，并且OLT由許多ONU用戶分擔(dān)。此外EPON利用以太網(wǎng)技術(shù)，采用標準以太幀，無須任何轉(zhuǎn)換就可以承載目前的主流業(yè)務(wù)——IP業(yè)務(wù)。因此EPON十分簡單、高效、建設(shè)費用低、維護費用低，最適合寬帶接入網(wǎng)需求。

    在EPON中，從OLT到多個ONU下行傳輸數(shù)據(jù)的過程采用數(shù)據(jù)廣播方式發(fā)送。數(shù)據(jù)以變長信息包的形式從OLT下行廣播到多個ONU。依據(jù)IEEE 802.3協(xié)議，信息包最長為1 518字節(jié)。每個信息包帶有一個EPON包頭，惟一標識該信息包是發(fā)給ONU-1、ONU-2還是ONU-3。也可標識為廣播信息包發(fā)給所有ONU或發(fā)給特定的ONU組(多點傳送信息包)。當(dāng)數(shù)據(jù)到達ONU時，ONU通過地址匹配，接受并識別發(fā)給它的信息包，丟棄發(fā)給其他ONU的信息包。例如，ONU-1接收信息包1、信息包2和信息包3，但只將信息包1傳輸給最終用戶1。
EPON上行數(shù)據(jù)傳輸采用時分復(fù)用技術(shù)，每個ONU上行數(shù)據(jù)分配一個專用時隙，使得在數(shù)據(jù)匯合到公共光纖的時候，從ONU來的信息包不會互相干擾。例如，ONU-1信息包在第一個時間間隙傳輸，ONU-2信息包在第二個非重疊的時間間隙傳輸，而ONU-3信息包在第三個非重疊的時間間隙傳輸。

    2.3技術(shù)進展與標準化情況

    EPON是IEEE組織推出并持續(xù)致力研究的技術(shù)。EPON基于吉比特以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，繼承了以太網(wǎng)的低成本和易用性以及光網(wǎng)絡(luò)的高帶寬。EPON是當(dāng)前實現(xiàn)光接入網(wǎng)眾多技術(shù)中性價比相對較高的一種。2004年IEEE正式發(fā)布了EPON國際標準IEEE 802.3ah，該標準規(guī)定了EPON的物理層、多點控制協(xié)議(MPCP)、運行管理維護(OAM)等相關(guān)內(nèi)容。目前，EPON的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已經(jīng)吸引了眾多廠商的積極參與，從核心芯片、光模塊到系統(tǒng)，EPON的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)日趨成熟。中國技術(shù)人員積極制訂適合中國發(fā)展需求的EPON系列相關(guān)行業(yè)標準。目前，已經(jīng)發(fā)布的標準有：YD/T 1475-2006接入網(wǎng)技術(shù)要求——基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)，2006年6月發(fā)布；YD/T 1531-2006接入網(wǎng)設(shè)備測試方法——基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)，2006年12月發(fā)布。

    在由EPON系統(tǒng)芯片的領(lǐng)導(dǎo)供應(yīng)商Teknovus和工業(yè)與信息化部(原信息產(chǎn)業(yè)部)電信傳輸研究所共同主辦的《10G及2.5G EPON新技術(shù)研討會》上，IEEE 10G EPON工作組主席Glen Kramer同時作為Teknovus公司首席科學(xué)家，宣布IEEE將在2008年基本完成10G EPON標準的制訂，之后，再經(jīng)過內(nèi)部有關(guān)的審核批準，預(yù)計會在2009年年中正式發(fā)布，并宣布Teknovus的10G EPON系統(tǒng)將在2008年推出[5-6]。

    3基于以太網(wǎng)技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)應(yīng)用

    3.1光線路終端布放原則

    光線路終端布放位置一般有以3種方式：

    (1)OLT放置于中心機房(CO，即交換機房、數(shù)據(jù)機房等現(xiàn)有機房)，其特點為覆蓋范圍大，便于操作和 管理，適于早期用戶比較少或集中管理的場景。

    (2)遠端中心機房，其特點為覆蓋范圍適中，便于操作和管理，同時兼顧容量和資源。

    (3)戶外機房或小區(qū)機房，其特點為節(jié)省光纖，但管理和維護困難，覆蓋范圍比較小，需要解決供電問題，一般不建議采用這種方式。

    OLT位置的選擇，主要取決于實際的應(yīng)用場景，一般建議將OLT放置于中心機房，便于維護與管理，節(jié)省運維成本，同時便于資源共享，節(jié)省資源。

    3.2分光器布放方式

    分光器可采用一級或多級分光，分光方式一般采用等功率方式，也可采用不等功率的方式，主要取決于地形和潛在用戶分布等因素的影響。

    (1)一級分光適用于密型布局。分光器采用一級分光時PON端口一次利用率高，易于維護，其典型應(yīng)用于需求密集的城鎮(zhèn)，如大型住宅區(qū)或商業(yè)區(qū)。

    (2)二級分光，適用于稀疏型布局。分光器采用二級分光時，故障點增加，維護成本高，熔接點/接頭增加，分布較靈活。典型應(yīng)用于需求分散的城鎮(zhèn)，如小型住宅區(qū)或中小城市。

    (3)多級分光，適用于稀疏型布局。分光器采用多級分光時，同樣故障點增加，維護成本很高，熔接點/接頭增加，分布非常靈活，其典型應(yīng)用于成帶狀分布的農(nóng)村或商業(yè)街。

    對于城市住宅小區(qū)等環(huán)境的應(yīng)用，由于業(yè)務(wù)分布比較均勻，一般采用等功率分光。對于農(nóng)村、礦區(qū)、沿海或河床的養(yǎng)殖基地、商業(yè)街等特殊環(huán)境的應(yīng)用，由于業(yè)務(wù)分布極不均勻，可采用不等功率分光。

    3.3分光器布放原則

    分光器放置于中心機房，便于管理和維護，但由于光纖量比較大，網(wǎng)絡(luò)彈性不足，實施費用比較高，沒有充分發(fā)揮PON網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

    分光器放置于遠端中心機房，集中分光，便于安裝；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單；用戶密度比較高時，總的建設(shè)費用較低。

    分光器放置于地下室，節(jié)省光纜，充分發(fā)揮了EPON的優(yōu)勢，建設(shè)費用很低，但管理與維護工作量較大。

    3.4光網(wǎng)絡(luò)單元布放原則

    根據(jù)ONU布放的位置，可將EPON分為以下幾種場景：光纖到戶(FTTH)、光纖到大樓(FTTB)、光纖到節(jié)點(FTTN)等。

    (1)FTTH方式

    FTTH即光纖到戶方式適用于用戶居住比較分散且用戶對帶寬的要求較高的區(qū)域，如別墅區(qū)，而且開發(fā)商有積極性參與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。此時組網(wǎng)方式一般采用從局端的OLT引出光纜到別墅區(qū)，在別墅區(qū)內(nèi)一個相對中心位置放置分光器，然后通過小芯數(shù)管道光纜或新型的小芯數(shù)直埋光纜連至用戶家中的ONU，可以根據(jù)用戶需求在用戶家中連接交換機或集線器(HUB)供多個設(shè)備連接。

    (2)FTTB方式

    FTTB方式適用于在單棟商務(wù)樓用戶相對數(shù)量不多、帶寬要求不高的場景。一般的組網(wǎng)方式為從局端OLT引出光纜到商務(wù)樓附近的光纜交接箱，在光纜交接箱中放置分光器，從交接箱引光纜至大樓。ONU放置在大樓交接間，通過交換機為樓內(nèi)用戶提供寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)。在這種情況下，建設(shè)時需要根據(jù)用戶帶寬需求及數(shù)量選擇合理的分路比。

    (3)FTTN方式

    FTTN方式FTTN則是帶寬與投資的折衷，F(xiàn)TTN在滿足用戶帶寬需要的前提下，采用最新的數(shù)字用戶線(DSL)技術(shù)，盡量使用長的雙絞線，以提高ADSL接入復(fù)用器(DSLAM)節(jié)點的用戶容量，從而減少節(jié)點數(shù)量，減少投資和維護成本。

    3.5組網(wǎng)選擇

    利用EPON技術(shù)是實現(xiàn)光纖到駐地(FTTP)的有效網(wǎng)絡(luò)解決方案，根據(jù)目前各運營商對于信息化的需求來看，大致可分為住宅小區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)街區(qū)和邊遠地區(qū)、特殊應(yīng)用幾種接入方式，下面將逐一進行分析。

    (1)住宅小區(qū)

    對于新建住宅小區(qū)，宜采用FTTH或FTTB，ONU可設(shè)置在用戶端或樓道，分光器設(shè)置于樓道或小區(qū)機房或地下室。對于老住宅小區(qū)，一般存在DSL或樓道交換機，宜采用FTTB或FTTN+DSL或局域網(wǎng)(LAN)的方式，可利用原有DSL或LAN的線路與設(shè)備，節(jié)省投資。分光器設(shè)置于小區(qū)機房或地下室。不管是新建小區(qū)還是老小區(qū)，OLT宜放置于中心機房，分光方式宜采用等功率分光方式，一般采用一級分光，若需求比較分散，也可采用二級分光。

    (2)工業(yè)區(qū)

    工業(yè)區(qū)一般均為企業(yè)用戶，建議將ONU設(shè)置在企業(yè)的接入機房，結(jié)合其內(nèi)部交換機完成各類業(yè)務(wù)的接入，這種模式類似于小區(qū)接入中的FTTB模式。由于工業(yè)區(qū)的需求一般比較密集，建議分光方式采用等功率分光方式，采用一級分光，方便管理與維護。OLT宜放置于中心機房，分光器設(shè)置于機房或光交接箱，充分利用現(xiàn)有線纜?？紤]到工業(yè)區(qū)用戶比較重要，EPON主干宜采用雙路保護。

(3)商務(wù)街或別墅

    商務(wù)街區(qū)的特點是沿街分布眾多的商務(wù)樓，樓內(nèi)分布著多家公司，因此一般將ONU設(shè)置到公司，即光纖到辦公室(FTTO)，ONU通過交換機或路由器與公司內(nèi)部網(wǎng)相連。分光器宜放置于樓內(nèi)綜合信息箱。別墅的特點是比較分散，且每戶業(yè)務(wù)帶寬需求較高，每戶一般有家庭網(wǎng)，因此一般將ONU設(shè)置到用戶家，即FTTH，分光器宜放置于室外光交接箱。對于這兩種情況，EPON的布局相似，OLT宜放置于中心機房，建議分光方式采用等功率分光方式，采用一級分光，方便管理與維護。

    考慮到商務(wù)街或別墅用戶的每個用戶的平均收入(ARPU)值比較高，EPON主干宜采用雙路保護。

    (4)在邊遠地區(qū)接入點的應(yīng)用

    對于距離已有傳輸接入點較遠、用戶相對集中的邊遠地區(qū)，采用EPON技術(shù)將能夠很好地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。在用戶集中的區(qū)域設(shè)置分光器，ONU設(shè)置在用戶接入點，利用ONU豐富的接口就可利用極少量的光纜解決眾多用戶的各類業(yè)務(wù)需求。

    考慮到EPON的接入距離一般在20 km以內(nèi)，OLT宜放置于遠端中心機房，如果距離還受限，可適當(dāng)將OLT下移或利用少分光比分路器或不等功率分光的方式。在邊遠地區(qū)，用戶業(yè)務(wù)需求一般比較分散，一般采用二級分光或多級分光。

    對于礦區(qū)、沿?；蚝哟驳酿B(yǎng)殖基地、狹長商業(yè)街等特殊應(yīng)用場景，業(yè)務(wù)分布極不均勻，呈帶狀或鏈狀分布的，如果采用傳統(tǒng)的等功率方式，功率預(yù)算不能滿足要求時，建議采用多級不等功率分光方式。如圖3所示。最遠的ONU距OLT距離超過了20 km的距離限制。這里需要重點說明的是需進行詳細的功率預(yù)算，并需要留有一定的功率預(yù)算富裕度(2 dB左右)。

    (5)EPON組網(wǎng)誤區(qū)

    為了節(jié)省光纜的投資，一般思維飼在業(yè)務(wù)需求集中點分叉的地方設(shè)置分光器。這樣就存在幾個問題：

    (1)增加分光器，就增加了故障點和運維、管理復(fù)雜度。

    (2)增加分光器就增加了插入損耗，嚴重影響EPON的覆蓋范圍。

    基于上述原因，為了節(jié)省光纜的建設(shè)成本，同時減少分光器的損耗，在分叉路口盡量多采用分纖器，少用分光器。

    4結(jié)束語

    利用本文提出的EPON組網(wǎng)方式，可節(jié)省EPON的建設(shè)成本和運維成本，同時，也方便EPON網(wǎng)絡(luò)的管理與維護。EPON技術(shù)成熟，在中國已順利完成多次互通測試，目前應(yīng)用的主要問題在設(shè)備穩(wěn)定性、組網(wǎng)和運維等問題，而這些問題是對于任何新技術(shù)都面臨的問題。EPON的成本優(yōu)勢必將隨著規(guī)模應(yīng)用逐漸體現(xiàn)出來。

    5參考文獻

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