EPON關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用畢業(yè)論文

EPON關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用畢業(yè)論文目錄TOC\o"1-3"\h\u23215第1章緒論 1103961.1課題研究背景及意義 168761.2本論文的研究容 47095第2章EPON技術(shù)概述 539102.1xPON綜述 570152.2EPON技術(shù)的概念及特點(diǎn) 699942.3EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu) 1117292.3.1EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 11265362.3.2參考模型 12279022.3.3協(xié)議棧 13113382.3.4EPON各部分的功能 1427179第3章EPON的關(guān)鍵技術(shù) 17164293.1多點(diǎn)控制協(xié)議 17180263.2測(cè)距與同步 22136543.3QoS和OAM 23215893.4動(dòng)態(tài)帶寬分配 2487063.5安全性考慮 2512082第4章EPON的應(yīng)用 266174.1EPON的應(yīng)用特點(diǎn) 26164184.2EPON在接入網(wǎng)中的應(yīng)用模型 26107034.2.1EPON在小區(qū)接入中的應(yīng)用 26269934.2.2EPON在工業(yè)區(qū)接入中的應(yīng)用 28176624.2.3EPON在商務(wù)街區(qū)接入中的應(yīng)用 29290994.2.4EPON在邊遠(yuǎn)地區(qū)接入中的應(yīng)用 31167904.3EPON組網(wǎng)實(shí)例 32215474.3.1商務(wù)街區(qū)應(yīng)用實(shí)例 32186504.3.2邊遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用實(shí)例 322869第5章總結(jié)與展望 3412767參考文獻(xiàn) 3518401致謝 3611852附錄主要英文縮寫(xiě)語(yǔ)對(duì)照表 37第1章緒論1.1課題研究背景及意義接入網(wǎng)已成為制約全網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，隨著光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展，光纖正逐漸應(yīng)用到接入網(wǎng)領(lǐng)域。由于光纖具有極高的帶寬和優(yōu)越的抗干擾傳輸特性，光接入網(wǎng)（OpticalAccessNetwork，OAN）將成為未來(lái)有線接入網(wǎng)的必然發(fā)展趨勢(shì)。所以光纖到家（FTTH）的技術(shù)和應(yīng)用迅速發(fā)展，已經(jīng)成為世界圍的熱點(diǎn)之一。自從無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PassiveOpticalNetwork，PON）概念提出以來(lái)，一直被業(yè)界看好。PON是通過(guò)單一平臺(tái)綜合接入語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)的理想物理平臺(tái)，由于其易維護(hù)、高帶寬、低成本等優(yōu)點(diǎn)，成為光接入網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的方向。目前比較流行的PON技術(shù)主要有APON（ATMPassiveOpticalNetwork，ATM無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）、EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork，以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）和GPON（GigabitpassiveOpticalNetwork，吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)）。起初人們認(rèn)為將ATM技術(shù)和PON技術(shù)相結(jié)合的APON技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綜合接入的理想模式。然而，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)，ATM技術(shù)暴露出低效率、協(xié)議復(fù)雜且成本過(guò)高等缺點(diǎn)，并未得到大規(guī)模的應(yīng)用。在這種背景下，由IEEE802.3以太網(wǎng)第一公里任務(wù)工作組（EthernetintheFirstMileStudyGroup，EFM）負(fù)責(zé)制定的EPON標(biāo)準(zhǔn)孕育而生。而GPON由于技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成熟的商業(yè)產(chǎn)品還很少，目前還沒(méi)有規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)?？紤]到以太網(wǎng)的普遍性及其低成本高帶寬的優(yōu)點(diǎn)以及光纖網(wǎng)的低成本、大容量的特性，EPON被認(rèn)為是解決“最后一英里”或“第一英里”（針對(duì)用戶來(lái)說(shuō)）問(wèn)題極富前景的解決方案[1]。EPON采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，無(wú)源光纖傳輸方式，比其他接入技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]：（1）與現(xiàn)在以太網(wǎng)的兼容性：以太網(wǎng)技術(shù)是迄今為止最成功和成熟的局域網(wǎng)技術(shù)。EPON是對(duì)現(xiàn)有的IEEE802.3協(xié)議作一定補(bǔ)充，基本上是以太網(wǎng)技術(shù)兼容。考慮到以太網(wǎng)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，PON與以太網(wǎng)的兼容性是其最大的優(yōu)勢(shì)之一。（2）低建設(shè)成本：EPON系統(tǒng)顯著減少了光纖、光收發(fā)模塊、中心局設(shè)備的數(shù)量。另外，由于光電子器件的成本不斷降低，EPON的接入成本已可與ADSL（AsymmetricalDigitalSubscriberLine，非對(duì)稱數(shù)字用戶線路）、CableModem（電纜調(diào)制解調(diào)器）相比，特別是目前光纖的價(jià)格比電纜還低，這些條件成為FTTH發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)，以太網(wǎng)的相關(guān)器件、設(shè)備價(jià)格低廉。用EPON做接入網(wǎng)、成本低、通用性好、效率高、管理簡(jiǎn)單。（3）低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本：局端與用戶之間僅有光纖、光分/合路器等光無(wú)源器件，無(wú)需租用機(jī)房、無(wú)需配備電源、無(wú)需有源設(shè)備維護(hù)人員，因此可有效節(jié)省運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。（4）覆蓋圍大：EPON可以達(dá)到20km的傳輸距離，避免了傳統(tǒng)傳輸介質(zhì)(如雙絞線、五類線、Cable等)的距離瓶頸問(wèn)題。（5）高帶寬：由于EPON采用復(fù)用技術(shù)，能夠提供高達(dá)1Gbps的上下行帶寬。這比目前的接入方式，如ADSL,CableModem都要高得多。EPON可以為用戶提供高帶寬，可以滿足寬帶上網(wǎng)、視頻點(diǎn)播、在線游戲、可視、數(shù)字高清電視等各種業(yè)務(wù)的帶寬需求，充分滿足接入網(wǎng)客戶的帶寬需求，并可方便靈活的根據(jù)用戶需求的變化動(dòng)態(tài)分配帶寬。（6）支持多種業(yè)務(wù)：由于EPON系統(tǒng)建立在IP的技術(shù)上，因此，EPON系統(tǒng)支持各種以IP技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使電視網(wǎng)、電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)(三網(wǎng))的融合也成為現(xiàn)實(shí)。（7）高的接入可靠性：整個(gè)光傳輸通道為光纖和無(wú)源光器件，可以有效避免電磁干擾和雷電的影響，保證信號(hào)傳輸質(zhì)量。（8）便于管理：對(duì)業(yè)務(wù)透明，便于系統(tǒng)升級(jí)、管理和引進(jìn)新業(yè)務(wù)。（9）統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3ah工作小組從2001年11月就開(kāi)始進(jìn)行EPON的標(biāo)準(zhǔn)化工作。大約有70個(gè)公司加入了這個(gè)工作小組，包括Cisco、Nortel、SBC、Worldcom、Verizon、Salira、Broadcom、Agere、Inte、BroadLigh、Alcatel等。2004年6月27日，IEEE己經(jīng)正式推出了關(guān)于EPON系統(tǒng)的802.3ah協(xié)議?；谏鲜鲈?，EPON己經(jīng)成為最具有發(fā)展前途的寬帶接入技術(shù)，它得到了廣泛的重視，目前各國(guó)都投入一定的力量進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究。因?yàn)槟壳斑\(yùn)營(yíng)商既追求網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維成本的降低又要實(shí)現(xiàn)可運(yùn)營(yíng)、可擴(kuò)展、可盈利的目標(biāo)。面對(duì)著有巨大發(fā)展前景的EPON技術(shù)，國(guó)外廠商都表現(xiàn)出濃厚的興趣。如何把EPON作為一項(xiàng)技術(shù)推廣開(kāi)去，應(yīng)用到終端用戶上，成為各大廠商最關(guān)心的問(wèn)題。在過(guò)去的幾年里，盛力亞、富士通相繼進(jìn)入中國(guó)的市場(chǎng)，格林威爾、訊風(fēng)光通信也不斷有產(chǎn)品問(wèn)世。中國(guó)電信、聯(lián)通、網(wǎng)通等電信運(yùn)營(yíng)商以及駐地運(yùn)營(yíng)商也對(duì)EPON倍加關(guān)注。在當(dāng)前的情況下，EPON技術(shù)大多會(huì)以一種與其他技術(shù)相結(jié)合的姿態(tài)進(jìn)入市場(chǎng)。FTTB/FTTC+DSL，F(xiàn)TTB/FTTC+LAN都是不錯(cuò)的選擇。DSL（DigitalSubscriberLine，數(shù)字用戶線路）和LAN（LocalAreaNetwork，局域網(wǎng)）是目前中國(guó)寬帶的兩種主要接入方式。但DSL的距離限制擋住了大量的客戶，傳統(tǒng)的LAN技術(shù)也難以靈活地提供和保證用戶的帶寬。采用EPON技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)源傳輸網(wǎng)絡(luò)直接連接到服務(wù)區(qū)域，再進(jìn)行DSL或LAN擴(kuò)展，從而為大圍的用戶提供服務(wù)，而且可以集中進(jìn)行管理和帶寬分配。把ONU集成到DSLAM（DigitalSubscriberLineAccessMultiplexer），數(shù)字用戶線路接入復(fù)用器)，使用EPON能使DSL突破傳統(tǒng)的距離，從而增加約50%的用戶，DSL可以到達(dá)的圍和其潛在的用戶群都會(huì)增加。通過(guò)集成ONU到CMTS（CableModemTerminationSystems），電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng))，EPON可以用來(lái)給現(xiàn)有的電纜連接提供帶寬，而且可以實(shí)現(xiàn)真正的交互式服務(wù)，同時(shí)降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。EPON技術(shù)還可以用來(lái)給固定的無(wú)線發(fā)射塔提供帶寬，很好地解決無(wú)線接入技術(shù)中如何將上行數(shù)據(jù)匯集到中心機(jī)房的問(wèn)題。運(yùn)用EPON方式部署網(wǎng)絡(luò)正逐漸成為寬帶網(wǎng)絡(luò)的一種主流方式。該技術(shù)充分利用光網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)源光分/合路器的特點(diǎn)，降低了運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備成本、運(yùn)維成本，并為用戶提供更快更穩(wěn)定的寬帶網(wǎng)絡(luò)。在其網(wǎng)絡(luò)上可以同時(shí)承載語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，做到三網(wǎng)合一。業(yè)人士預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年中國(guó)將在寬帶接入方面進(jìn)入新的增長(zhǎng)期，尤其以解決FTTH方案為主，EPON將成為一種主流寬帶接入技術(shù)。目前，富士通利用在日本成功推廣EPON寬帶接入的經(jīng)驗(yàn)，與國(guó)運(yùn)營(yíng)商、集成商合作，已經(jīng)成功地在中國(guó)多家運(yùn)營(yíng)商、寫(xiě)字樓等鋪設(shè)寬帶網(wǎng)絡(luò)。另外，今年我國(guó)在、、北京、等許多城市己經(jīng)開(kāi)始大量使用EPON系統(tǒng)。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間可靠穩(wěn)定運(yùn)行，得到用戶認(rèn)可。同時(shí)，系統(tǒng)在很大程度上降低了用戶網(wǎng)絡(luò)成本和運(yùn)營(yíng)成本。從運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商的角度來(lái)看，EPON系統(tǒng)可以帶來(lái)多方面的好處，包括降低安裝、管理和運(yùn)營(yíng)成本，提高投資回報(bào)率，增加新的贏利機(jī)會(huì)，長(zhǎng)期保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)等。在適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合，適時(shí)地采用EPON系統(tǒng)，無(wú)論對(duì)于原有的運(yùn)營(yíng)商還是新興的運(yùn)營(yíng)商，都將是一個(gè)明智的選擇。1.2本論文的研究容本論文主要分為5章，具體劃分如下：第1章介紹了EPON技術(shù)誕生的背景，及其技術(shù)特點(diǎn)，以及與傳統(tǒng)接入網(wǎng)比較存在的巨大優(yōu)勢(shì)，從而說(shuō)明EPON技術(shù)具有巨大的市場(chǎng)前景，體現(xiàn)本文的研究?jī)r(jià)值，最后介紹本文的章節(jié)安排。第2章總結(jié)性的介紹了EPON的工作原理、上下行傳輸特點(diǎn)、系統(tǒng)各個(gè)部分的功能，以及EPON的協(xié)議基礎(chǔ)和傳輸幀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。第3章詳細(xì)的介紹了EPON的關(guān)鍵技術(shù)。第4章闡述了EPON的組網(wǎng)應(yīng)用以及淺談了EPON的組網(wǎng)實(shí)例。第5章總結(jié)了全文的工作，并對(duì)今后的工作加以展望。第2章EPON技術(shù)概述2.1xPON綜述1987年英國(guó)電信公司的研究人員最早提出了PON的概念。1995年，F(xiàn)SAN聯(lián)盟成立，目的是要共同定義一個(gè)通用的PON標(biāo)準(zhǔn)。1998年，ITU-T以155Mbit/sATM技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)布了G.983系列APON（ATMPON）標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)各電信設(shè)備制造商也研發(fā)出了APON產(chǎn)品。目前在北美、日本和歐洲都有APON產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。但在我國(guó)由于價(jià)格較高且ATM技術(shù)效率不高、協(xié)議復(fù)雜推廣受阻，所以APON在我國(guó)幾乎沒(méi)有什么應(yīng)用。2000年底，一些設(shè)備制造商成立了第一英里以太網(wǎng)聯(lián)盟（EFMA）,提出基于以太網(wǎng)的PON概念—EPON,并促成IEEE在2001年成立第一英里以太網(wǎng)（EFM）小組，開(kāi)始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在的EFM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。EPON標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ah已于2004年6月正式頒布。我國(guó)在“十五”“863”計(jì)劃中也設(shè)立了吉比特EPON的相應(yīng)課題。2001年底，F(xiàn)SAN更新網(wǎng)頁(yè)，把APON更名為BPON，即“帶寬PON”。實(shí)際上，在2001年1月左右EFMA提出EPON概念的同時(shí)，F(xiàn)SAN也開(kāi)始進(jìn)行1Gbit/s以上的PON-GPON標(biāo)準(zhǔn)的研究。2003年3月ITU-T頒布了描述GPON總體特性的G.984.1和ODN物理媒質(zhì)相關(guān)（PMD）子層的G.984.2GPON標(biāo)準(zhǔn)，2004年3月和6月發(fā)布了規(guī)傳輸匯聚（TC）層的G.984.3和運(yùn)行管理通信接口的G.984.4標(biāo)準(zhǔn)。表2.1依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)描述了BPON、EPON和GPON的主要特征：表2.1BPON、GPON和EPON的技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目BPONGPONEPON下行速率155.52M,622.08Mbit/s1.25G,2.5Gbit/s1.25Gbit/s上行速率155.52Mbit/s156M，622M，1.25G,2.4Gbit/s1.25Gbit/s分支數(shù)16或3264（理論上128）32-64線路編碼NRZNRZ8B/10B最大傳輸距離（km）206020TDM支持能力TDMoverATMTDMoverATMTDMoverPacketTDMoverEthernet上行可用寬帶（Mbit/s）（傳輸IP業(yè)務(wù)）500（在上行622Mbit/s速率情況下）1600（在上行1.244Gbit/s速率情況下）760-860OAM有有有下行數(shù)據(jù)加密攪動(dòng)或AES加密AES加密沒(méi)有定義2.2EPON技術(shù)的概念及特點(diǎn)EPON利用以太網(wǎng)作為其第二層的成幀協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸采用可變長(zhǎng)度的包，最長(zhǎng)達(dá)1518字節(jié)。這時(shí)IP數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)是最好的，因?yàn)镮P數(shù)據(jù)的平均包長(zhǎng)為500-1200字節(jié)。EPON對(duì)上行數(shù)據(jù)流和下行數(shù)據(jù)流傳輸采用不同的方法。在下行鏈路上，OLT以廣播方式發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。通過(guò)N的無(wú)源分光器，數(shù)據(jù)幀到達(dá)各ONU，ONU通過(guò)檢查接收到的數(shù)據(jù)幀的目的媒體接入控制（MAC）地址和幀類型來(lái)判斷是否接收此幀[3][4]。圖2.1表達(dá)EPON系統(tǒng)采用WDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸。圖2.1EPON的WDM技術(shù)為了分離同一根光纖上多個(gè)用戶的來(lái)去方向的信號(hào)，采用以下兩種復(fù)用技術(shù)：（1）下行數(shù)據(jù)流采用TDM技術(shù)；（2）上行數(shù)據(jù)流采用TDMA技術(shù)。圖2.2中表述EPON的下行傳輸原理：數(shù)據(jù)從OLT到多個(gè)ONU廣播式下行，根據(jù)IEEE802.3協(xié)議，每一個(gè)包的表明是給ONU（ONU1、ONU2、ONU3…ONUN）中的唯一一個(gè)。另外，部分包可以是給所有的ONU（廣播式）或者特殊的一組ONU（組播），在光分路器處，流量分成獨(dú)立的三組信號(hào)，每一組載有所有指定ONU的信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)該ONU時(shí)，它接收給他的包，擯棄那些給其它ONU的包。舉例說(shuō)明：圖2.2中，ONU1收到包1、2、3，但是它僅僅發(fā)送包1給終端用戶1，擯棄包2和包3。圖2.2EPON工作原理——下行數(shù)據(jù)傳送圖2.3中表述EPON的上行傳輸原理：在上行鏈路上，各ONU的數(shù)據(jù)幀以突發(fā)方式通過(guò)共同的無(wú)源分配網(wǎng)傳輸?shù)絆LT，因此必須有一種多址接入方式保證每個(gè)激活的ONU能夠占用一定的上行信道帶寬。與衛(wèi)星通信的多址方案類似，可選的方案有：波分多址（WDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和隨機(jī)接入（CSMA/CD）。最理想的接入方式應(yīng)該是WDMA方式，即：每一個(gè)ONU占用一個(gè)波長(zhǎng)，OLT根據(jù)波長(zhǎng)的不同來(lái)區(qū)別ONU，但由于可調(diào)光收發(fā)器成本較高，WDMA方式使EPON的管理較為復(fù)雜；隨機(jī)接入的CSMA/CD協(xié)議的帶寬利用率太低，網(wǎng)絡(luò)跨距受協(xié)議限制，且無(wú)法支持QOS應(yīng)用：CDMA中存在多址干擾、光正交碼有限和擴(kuò)頻帶寬遠(yuǎn)大于用戶數(shù)據(jù)帶寬等問(wèn)題。EPON的服務(wù)對(duì)象是家庭用戶和小企業(yè)，考慮到業(yè)務(wù)的不對(duì)稱性和ONU的低成本，EFM工作組決定在上行鏈路上采用TDMA方式。圖2.3EPON工作原理——上行數(shù)據(jù)傳送EPON的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3ah，標(biāo)準(zhǔn)中定義了EPON的物理層、MPCP（多點(diǎn)控制協(xié)議）、OAM（運(yùn)行管理維護(hù)）等相關(guān)容。IEEE制定了EPON標(biāo)準(zhǔn)的基本原則是盡量在802.3體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行EPON的標(biāo)準(zhǔn)化工作，最小程度地?cái)U(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的MAC協(xié)議。采用1Gbps雙向?qū)ΨQ數(shù)據(jù)速率，傳輸距離為10km和20km兩種物理層規(guī)，采用WDM方式實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸。上、下行分別使用1310nm波長(zhǎng)和1490nm波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸。目前可以提供EPON核心芯片的專業(yè)廠商不到10家（其中不包括自主設(shè)計(jì)芯片的系統(tǒng)廠商），在標(biāo)準(zhǔn)討論的過(guò)程中，這些廠商就已開(kāi)始芯片的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，因此在802.3ah標(biāo)準(zhǔn)正式頒布時(shí)，他們大多數(shù)都已推出了第二代和標(biāo)準(zhǔn)完全兼容的芯片，可以迅速支持EPON系統(tǒng)的大規(guī)模部署。日前，EPON的核心芯片已發(fā)展到第三代SOC（systemonchip）階段，集成了多端口標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的MAC和PHY、SRAM、CPU以及PON專用的SerDes。以這種芯片為核心，只需要增加少數(shù)的外圍器件（如模塊和接口電路）就可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，某些廠商提供的ONU參考設(shè)計(jì)，面積只有手掌一半那么大。最近，我國(guó)開(kāi)鼎科技，中國(guó)唯一擁有EPON芯片核心技術(shù)的國(guó)企業(yè)，日前與中國(guó)電力科學(xué)研究院通信與用電技術(shù)分公司就“基于PON的配用電光通信OLT/ONU芯片合作開(kāi)發(fā)”正式投產(chǎn)強(qiáng)保護(hù)、高安全、低功耗、體積小的芯片。據(jù)介紹，開(kāi)鼎科技自創(chuàng)建伊始即專注于光接入網(wǎng)核心芯片的研發(fā)，是中國(guó)第一家、全球第四家EPON系統(tǒng)核心芯片供應(yīng)商。在對(duì)EPON系統(tǒng)核心芯片擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上，KDT為產(chǎn)業(yè)鏈提供應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)服務(wù)，為光網(wǎng)絡(luò)終端制造商提供簡(jiǎn)便易用、高性價(jià)比的芯片產(chǎn)品。EPON光收發(fā)模塊的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)完整并開(kāi)始與EPON系統(tǒng)的發(fā)展互相推動(dòng)，二者開(kāi)始步入良性循環(huán)的軌道；ONU模塊的價(jià)格從最初的200美元以上下降到目前不足50美元，價(jià)格水平已經(jīng)和普通的千兆以太網(wǎng)光模塊相當(dāng)。模塊價(jià)格的下降反過(guò)來(lái)又帶動(dòng)了EPON系統(tǒng)的規(guī)模部署速度，日本和韓國(guó)都已開(kāi)始了大規(guī)模的EPON商業(yè)化應(yīng)用。EPON模塊的主流廠商也從日本和美國(guó)轉(zhuǎn)移到中國(guó)的和陸?，F(xiàn)在能夠提供EPON模塊的廠商已經(jīng)有10-20家。提供EPON系統(tǒng)的最初都是一些新興專業(yè)廠商，如Alloptic和Salira?，F(xiàn)在傳統(tǒng)的主流電信大廠也開(kāi)始進(jìn)入該領(lǐng)域，如：富士通、UT斯達(dá)康和烽火集團(tuán)，極大地帶動(dòng)了EPON的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。我國(guó)從EPON國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂一開(kāi)始就把EPON列入國(guó)家的“863”重大項(xiàng)目，支持格林威爾等國(guó)廠商對(duì)EPON關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，2004年初完成“863”項(xiàng)目的驗(yàn)收，之后滾動(dòng)投入二期資金支持優(yōu)秀廠商進(jìn)行EPON系統(tǒng)的商業(yè)化推廣。現(xiàn)在，能夠提供商用EPON系統(tǒng)的廠商近10家，從技術(shù)水平上看，因?yàn)閹缀跬介_(kāi)發(fā)，國(guó)外廠商的差別很小。而價(jià)格方面，國(guó)廠商占優(yōu)。影響成本的因素是多方面的，比如：技術(shù)復(fù)雜度、規(guī)模產(chǎn)量以及市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模。從技術(shù)角度來(lái)看：EPON“進(jìn)入門檻”很低，容易吸引大批廠商加入EPON產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。EPON繼承了以太網(wǎng)“簡(jiǎn)單即是美”的優(yōu)點(diǎn)，盡量只做最小的改動(dòng)來(lái)提供增加的功能，這就使得傳統(tǒng)的以太網(wǎng)芯片廠商可以很容易地進(jìn)行EPON芯片設(shè)計(jì)，新的設(shè)計(jì)公司也能利用隨處可得的以太網(wǎng)相關(guān)IPcore(具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)核)來(lái)加入EPON芯片設(shè)計(jì)的陣營(yíng)。目前EPON的第三代芯片的價(jià)格并不比前兩代芯片價(jià)格高（甚至還有下降的趨勢(shì)），功能卻不可同日而語(yǔ)。從產(chǎn)量規(guī)模角度來(lái)看：EPON系統(tǒng)廠商在標(biāo)準(zhǔn)制訂過(guò)程中就已經(jīng)開(kāi)發(fā)了早期的系統(tǒng)，開(kāi)始進(jìn)行小規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，一方面隨著標(biāo)準(zhǔn)的演化及時(shí)跟進(jìn)，另一方面也為將來(lái)的的大規(guī)模部署積累著相關(guān)的工程和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)。這樣在標(biāo)準(zhǔn)頒布之時(shí)就早已做好了各方面的準(zhǔn)備，一旦需求爆發(fā)，馬上就能夠大規(guī)模部署。日本YahooBB之所以能在EPON標(biāo)準(zhǔn)剛正式頒布不久即大規(guī)模采用EPON部署FTTH，就是因?yàn)镋PON的工藝技術(shù)如火純青。這反而又大大促進(jìn)了EPON產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，僅其一家的采購(gòu)規(guī)模就足以拉低EPON光模塊的價(jià)格。EPON模塊價(jià)格已接近傳統(tǒng)模塊。目前對(duì)EPON多業(yè)務(wù)能力質(zhì)疑最多的就是它傳輸傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)的能力。且不說(shuō)目前EPON設(shè)備廠商采用的各種TDMoverEthernet的專利技術(shù)提供了EPON單一網(wǎng)段的TDM業(yè)務(wù)傳輸通道，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，其性能完全滿足1.5ms時(shí)延等指標(biāo)要求，完全符合傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。就是在普通的以太網(wǎng)設(shè)備上，也可以使用各種標(biāo)準(zhǔn)的PWE3（PseudoWireEmulationEdgeToEdge）設(shè)備提供跨網(wǎng)段、端到端的、透明的傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)TDM通道。而且，隨著傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)量所占比例的日趨減少，使用分組交換技術(shù)，把TDM業(yè)務(wù)收容到日益擴(kuò)大的分組網(wǎng)絡(luò)中來(lái)，無(wú)疑將是一種更為經(jīng)濟(jì)的手段。即使是現(xiàn)在部署的G/EPON系統(tǒng)，也會(huì)更看重其對(duì)各種以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持能力。對(duì)于IPTV、VOIP等IP/以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的多業(yè)務(wù)，EPON更是可以很好地承載。對(duì)模擬的CATV業(yè)務(wù)，EPON采用增加一個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行承載。在安全性方面，EPON也使用標(biāo)準(zhǔn)的基于AES的加密技術(shù)。2.3EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)2.3.1EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。EPON位于業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)接口（SND）到用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）之間（即接入層），主要分成三部分:一個(gè)光線路終端（OpticalLineTerminal，OLT）、多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（OpticalNetworkUnit，ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（OpticalDistributionNetworks，ODN）[5]。其中OLT設(shè)備位于中心局端（CenterOffice，CO），充當(dāng)交換機(jī)和路由器的角色。ONU設(shè)備位于用戶端，用于暫時(shí)存儲(chǔ)用戶端傳來(lái)的上行數(shù)據(jù)或者OLT傳來(lái)的下行數(shù)據(jù)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。ODN由光纖和光分路器/合路器（Sputter/Combiner）等無(wú)源器件組成。用戶經(jīng)過(guò)EPON，通過(guò)OLT所連接的不同SNI節(jié)點(diǎn)，可以接入Internet、PSTN等網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)橛脩籼峁┒喾N不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。圖2.4EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.3.2參考模型以太網(wǎng)無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)（EPON）是一種采用點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹(shù)型，參考結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。圖2.5EPON參考結(jié)構(gòu)EPON系統(tǒng)由局側(cè)的光線路終端（OLT）用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成，為單纖雙向系統(tǒng)。在下行方向（OLT到ONU），OLT發(fā)送的信號(hào)通過(guò)一個(gè)1：N的無(wú)源光分路器（或幾個(gè)分路器的級(jí)聯(lián)）到達(dá)各個(gè)ONU；在上行方向（ONU到OLT），一個(gè)ONU發(fā)送的信號(hào)只會(huì)到達(dá)OLT，而不會(huì)到達(dá)其他ONU。為了避免數(shù)據(jù)沖突并提高網(wǎng)絡(luò)利用率，上行方向采用TDMA多址接入方式并對(duì)各ONU的數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行仲裁。ODN在一個(gè)OLT和一個(gè)或多個(gè)OUN間提供一條或多條光通道，每個(gè)光通道被限制在一個(gè)特定波長(zhǎng)窗口。由于是無(wú)源分路，因此在性和安全性方面需要采取特殊措施。ODN由POS和光纖構(gòu)成，POS是一個(gè)連接OLT和ONU的無(wú)源設(shè)備，可以置于全天候環(huán)境中，它分發(fā)下行數(shù)據(jù)并集中上行數(shù)據(jù)，一般一個(gè)POS的分線比為8、16、32或64，并可多連接。OLT位于中心交換局的機(jī)架上，它既是一個(gè)交換機(jī)或路由器，又是一個(gè)多業(yè)務(wù)提供平臺(tái)，提供EPON系統(tǒng)與業(yè)務(wù)供應(yīng)商的核心數(shù)據(jù)、視頻和網(wǎng)絡(luò)間的接口，它通過(guò)一個(gè)EMS到業(yè)務(wù)供應(yīng)商的網(wǎng)絡(luò)上。OLT可提供各種廣域網(wǎng)接口，可與DCS、話音網(wǎng)關(guān)、IP路由器等設(shè)備相連：還可提供多個(gè)吉比特以太網(wǎng)和10吉比特以太網(wǎng)接口，提供第二層和第三層的交換與路由功能，OLT根據(jù)需要配置多塊OLC（光線路卡）。OLC與多個(gè)ONU通過(guò)POS（無(wú)源光切分器）連接。ONU/ONT位于用戶端，放在一個(gè)住戶、企業(yè)或MDU/MTU處。ONU與ONT的區(qū)別在于ONT直接位于用戶端，而ONU與用戶間還有其他網(wǎng)絡(luò)如以太網(wǎng)。ONU提供客戶的數(shù)據(jù)、視頻和網(wǎng)絡(luò)與PON間的接口。ONU的主要功能是接收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為客戶需要的形式，如以太網(wǎng)、IP多播、POTS、T1等。EPON的獨(dú)特之處是：ONU除了終接和轉(zhuǎn)換光信號(hào)外，還提供第二層和第三層交換功能，允許在ONU上實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)流的部路由。2.3.3協(xié)議棧圖2.6描述了EPON系統(tǒng)的協(xié)議分層以及與ISO/IECOSI參考模型之間的關(guān)系。由于EFM工作組的目的是以盡量小的協(xié)議改動(dòng)將以太網(wǎng)引入接入網(wǎng)疇，目前暫定的協(xié)議分層（圖2.6）與千兆以太網(wǎng)的協(xié)議分層相比，物理層定義幾乎相同（主要改動(dòng)是增加功率控制功能），主要的區(qū)別是在數(shù)據(jù)鏈路層增加了兩個(gè)子層：多點(diǎn)接入子層和以太網(wǎng)仿真/安全子層。多點(diǎn)接入子層用于支持上行和下行鏈路的多點(diǎn)接入：仿真子層的作用是將一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信等效為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的對(duì)等實(shí)體的通信（P2P）；安全子層主要用于下行鏈路的MAC幀加密[6]。圖2.6EPON協(xié)議分層和OSI參考模型間的關(guān)系從EPON的結(jié)構(gòu)圖和協(xié)議分層圖可以看出：EPON中較為復(fù)雜的功能主要集中于OLT，ONU應(yīng)盡量簡(jiǎn)單和廉價(jià)，并且在EPON中，一方面由于傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)的光纖線路已轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)到多點(diǎn)的光傳輸結(jié)構(gòu)（類似于衛(wèi)星通信），在上行的TDMA方式中必須考慮延時(shí)、快速同步和功率控制等問(wèn)題；另一方面由于傳統(tǒng)的MAC層的CSMA/CD協(xié)議在EPON中已被棄用，必須在802.3協(xié)議棧中增加支持EPON的MPCP協(xié)議、OAM和QoS機(jī)制。2.3.4EPON各部分的功能1.ONU的功能ONU位于用戶端，終結(jié)來(lái)自O(shè)DN的光信號(hào)，并為用戶提供各種服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)用戶接入。ONU的網(wǎng)絡(luò)側(cè)是光接口而用戶側(cè)是電接口，因此ONU需要提供一系列光物理接口，實(shí)現(xiàn)光/電、電/光的轉(zhuǎn)換以及上行數(shù)據(jù)的突發(fā)發(fā)送和下行數(shù)據(jù)的連續(xù)接收，還要完成對(duì)語(yǔ)聲信號(hào)的數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換、復(fù)用、信令處理和維護(hù)管理功能。ONU的位置有很大靈活性，既可以設(shè)置在用戶住宅處，也可以設(shè)置在DP（分線盒）處甚至FP（交接箱）處，按照ONU在用戶接入網(wǎng)中所處的位置不同，可以將OAN劃分為幾種基本不同的應(yīng)用類型，即光纖到路邊（FTTC），光纖到樓（FTTB），光纖到辦公室（FTTO）和光纖到戶（FTTH）。ONU作為客戶端設(shè)備，應(yīng)該具有低廉的成本以及即插即用的特性。ONU實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)，判斷是否將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，取出屬于該ONU的信息并合理安排要發(fā)送給OLT的信息；（2）響應(yīng)OLT發(fā)出的注冊(cè)、測(cè)距、帶寬分配及功率控制等命令；（3）對(duì)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并在OLT分配的發(fā)送窗口中向上行方向發(fā)送數(shù)據(jù)；（4）其它相關(guān)的以太網(wǎng)功能和QoS功能。2.OLT的功能OLT是整個(gè)EPON系統(tǒng)的核心部件，既是一個(gè)交換機(jī)或路由器，又是一個(gè)多業(yè)務(wù)提供平臺(tái)。根據(jù)以太網(wǎng)向城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，OLT向上將提供Gpbs和lOGpbs的高速接口，支持WDM傳輸：還提供在ODN上高效發(fā)送或接收分組數(shù)據(jù)的能力，包括復(fù)用需送至各ONU的信息以及識(shí)別來(lái)自各ONU的信息;同時(shí)利用突發(fā)業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)復(fù)用特性，針對(duì)用戶的服務(wù)等級(jí)協(xié)議（ServiceLevelAgreement，SLA）的不同要求進(jìn)行帶寬分配，提高信道利用率，保證多種業(yè)務(wù)對(duì)傳輸帶寬使用的公平性，支持QoS功能;提供有效的用戶管理機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)AAA（Authentication，AuthorizationandAccounting）。同樣也提供光物理接口，實(shí)現(xiàn)光/電、電/光的轉(zhuǎn)換以及上行數(shù)據(jù)的突發(fā)接收和下行數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送。OLT在物理上可以是獨(dú)立設(shè)備，也可以與其他功能集成在一個(gè)設(shè)備。OLT主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）向ONU以廣播的方式發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，能支持多種業(yè)務(wù)，提供多個(gè)用戶網(wǎng)絡(luò)接；（2）發(fā)起并控制測(cè)距過(guò)程，并記錄測(cè)距信息；（3）發(fā)起并控制注冊(cè)過(guò)程，使ONU自動(dòng)發(fā)現(xiàn)注冊(cè)；（4）為ONU分配帶寬，即控制ONU發(fā)送數(shù)據(jù)的起始時(shí)間和發(fā)送窗口大??；（5）為OLT的ONU側(cè)的可用帶寬與OLT網(wǎng)絡(luò)側(cè)的可用帶寬提供交叉連接功能；（6）其它相關(guān)的以太網(wǎng)功能。3.ODN的功能ODN是一個(gè)連接OLT和ONU的無(wú)源設(shè)備，呈樹(shù)形分支結(jié)構(gòu)，具有光波長(zhǎng)透明性、互換性和光纖兼容性等光特性。它的功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)和集中上行數(shù)據(jù)。ODN的部署相當(dāng)靈活。由于是無(wú)源操作，幾乎可以適應(yīng)于所有環(huán)境。一般一個(gè)ODN的分線率為8或16，并可以進(jìn)行多級(jí)連接。從EPON的功能劃分可以看出，EPON中較為復(fù)雜的功能主要集中于OLT，而ONU的功能較為簡(jiǎn)單，這主要是為了盡量降低用戶端設(shè)備的成本[7]。EPON的關(guān)鍵技術(shù)EPON具有很高的性價(jià)比，能夠?yàn)榻K端用戶提供可靠的數(shù)據(jù)、話音和視頻業(yè)務(wù)，其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的其它接入網(wǎng)技術(shù)。目前對(duì)EPON系統(tǒng)的幾種關(guān)鍵技術(shù)的研究的容和難點(diǎn)如下[8][9]：3.1多點(diǎn)控制協(xié)議多種控制協(xié)議（Multi-PointControlProtocol）由IEEE802.3ah任務(wù)組[10]開(kāi)發(fā)。MPCP是為MAC控制子層的一種雙向消息協(xié)議，它使用消息、狀態(tài)機(jī)和時(shí)鐘來(lái)控制P2MP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的訪問(wèn)。一個(gè)P2MP的PON結(jié)構(gòu)由一個(gè)OLT和多個(gè)ONU組成，結(jié)構(gòu)中的每個(gè)ONU包含一個(gè)MPCP實(shí)例，用于和位于OLT的MPCP實(shí)例通信。MPCP負(fù)責(zé)仲裁多個(gè)ONU的數(shù)據(jù)傳輸，它指定了實(shí)現(xiàn)P2MP的PON結(jié)構(gòu)中上行信道資源的無(wú)碰撞分配機(jī)制。MPCP不涉及任何具體的帶寬分配算法，而是提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)EPON中各種帶寬分配算法的框架[11]。EPON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是在上行方向上，故IEEE802.3ah工作組重點(diǎn)討論了MPCP協(xié)議，定義MPCP協(xié)議的目標(biāo)是[12]：（1）支持具體的點(diǎn)到點(diǎn)仿真（P2PE）；（2）OLT處支持多個(gè)LLIDs和MAC客戶；（3）每個(gè)ONU支持單個(gè)LLID；（4）支持單拷貝廣播機(jī)制；（5）允許動(dòng)態(tài)分配帶寬的靈活體系結(jié)構(gòu)；（6）使用32bit的時(shí)間標(biāo)簽；（7）基于體系結(jié)構(gòu)的MAC控制；（8）發(fā)現(xiàn)設(shè)備的測(cè)距目的是提高網(wǎng)絡(luò)性能；（9）連續(xù)的測(cè)距目的是補(bǔ)償RTT時(shí)間浮動(dòng)。MPCP在已有的Ethernet控制幀的基礎(chǔ)上又定義了5個(gè)控制幀，以實(shí)現(xiàn)EPON系統(tǒng)的啟動(dòng)注冊(cè)、時(shí)間同步、時(shí)隙分配等功能。MPCP功能的實(shí)現(xiàn)位于分層結(jié)構(gòu)的MAC控制子層。在EPON的標(biāo)準(zhǔn)體系中IEEE802.3ah中，主要定義了以下5種控制幀：GATE、REPORT、REGISTER_REQ、REGISTER及REGISTER_ACK。其中前兩個(gè)用于控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，后三個(gè)用于ONU的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)模式，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)模式用于檢測(cè)新連接的ONU并測(cè)量它的往返時(shí)間RTT（RoundTripTime）和ONU的MAC地址?？刂茙囊话憬Y(jié)構(gòu)如表3.1所示[13]。表3.1MPCP控制幀的一般結(jié)構(gòu)Preamble/SFD8bytesMACDA6bytesMACSA6bytesLength/Type（8808）2bytesOpcode2bytesTimeStamp4bytesData/Reserved/Pad40bytesFCS4bytes以太控制幀的類型值為0x8808，以太數(shù)據(jù)幀的類型字段則為它的長(zhǎng)度。不同的控制幀有著不同的操作碼和數(shù)據(jù)/保留/填充區(qū)，時(shí)間戳用于攜帶時(shí)間信息，以同步整個(gè)EPON系統(tǒng)，其他部分與通常MAC幀定義均相同。由表3.1可以看出，每種控制幀除去前導(dǎo)碼/幀起始定界符之后都是64字節(jié)，正是以太網(wǎng)幀的最小長(zhǎng)度?？刂茙QGATEREPORTREGISTERREQREGISTERREGISTERACK操作碼（opcode）00-0200-0300-0400-0500-06表3.2MPCP協(xié)議中各種控制幀的操作碼從系統(tǒng)上行傳輸總帶寬中減去各種系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)銷就是上行可用帶寬。它與系統(tǒng)中包括的ONU數(shù)量、DBA（動(dòng)態(tài)帶寬分配）算法的輪詢周期、承載業(yè)務(wù)的類型以及各業(yè)務(wù)所占比例等都有很大關(guān)系。EPON是寬帶接入技術(shù)，承載的業(yè)務(wù)以IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主。下面將計(jì)算EPON在包含32個(gè)ONU，輪詢周期為750s的情況下，承載純IP業(yè)務(wù)時(shí)的上行可用帶寬。EPON的上行線路速率是1.25Gbit/s，因?yàn)椴捎昧?B/10B線路編碼，每10bit中有8bit有效數(shù)據(jù)，所有其有效上行傳輸總帶寬為1Gbit/s，即1000Mbit/s。EPON上行的系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)銷及其占總帶寬的比例如下：（1）用于突發(fā)接收的物理層開(kāi)銷：約2.5%；（2）以太網(wǎng)幀的封裝開(kāi)銷：約7.4%；（3）MPCP（多點(diǎn)控制協(xié)議）和OAM（運(yùn)行管理維護(hù)）協(xié)議開(kāi)銷：約2.9%；（4）DBA算法造成的剩余時(shí)隙（即不足以傳輸一個(gè)完整以太網(wǎng)幀的時(shí)隙）浪費(fèi)：約0.6%；EPON上行總開(kāi)銷為上述開(kāi)銷之和，約為144Mbit/s，可用帶寬約為856Mbit/s（即1000Mbit/s-144Mbit/s）。MPCP主要包括三個(gè)控制過(guò)程：GATE過(guò)程、REPORT過(guò)程、DISCOVERY過(guò)程。其中GATE過(guò)程和REPORT過(guò)程，控制上下行帶寬分配，保證數(shù)據(jù)有序傳輸，實(shí)現(xiàn)一個(gè)OLT與多個(gè)ONU的正常通信。DISCOVERY過(guò)程使OLT可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并注冊(cè)O(shè)NU。(1)GATE過(guò)程MPCP的一個(gè)關(guān)鍵原則是每時(shí)刻只允許一個(gè)ONU占用上行信道。OLT通過(guò)發(fā)送GATE消息向ONU授權(quán)，告訴傳送窗口的起始時(shí)間（StartTime）和間隔大?。↙ength）。ONU接收到GATE消息后等待自己的傳送窗口打開(kāi)（StartTime到來(lái)），然后開(kāi)始向OLT發(fā)送數(shù)據(jù):當(dāng)傳送窗口關(guān)閉時(shí)（經(jīng)過(guò)Length大小的時(shí)間間隔后）停止發(fā)送，等待下一次授權(quán)和授權(quán)所指定的窗口。這里需要注意的是:授權(quán)GATE只是一個(gè)控制命令，是OLT用來(lái)告訴ONU什么時(shí)候可以上傳數(shù)據(jù)而發(fā)送的一個(gè)消息。傳送窗口是ONU上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間區(qū)間。通常ONU接收到授權(quán)后需等待一段時(shí)間才能傳送數(shù)據(jù)。GATE具體過(guò)程如圖3.1所示：圖3.1GATE過(guò)程圖(2)REPORT過(guò)程為了優(yōu)化帶寬分配，OLT須實(shí)時(shí)監(jiān)控各ONU的傳輸需求，所以O(shè)LT的授權(quán)必須以O(shè)NU的申請(qǐng)(REPORT)為前提。ONU在傳送窗口除了發(fā)送一般數(shù)據(jù)也會(huì)向OLT發(fā)送命令數(shù)據(jù)REPORT消息，向OLT報(bào)告本地還有多少數(shù)據(jù)等待下次發(fā)送。OLT才能夠根據(jù)每個(gè)ONU的申請(qǐng)統(tǒng)籌規(guī)劃，動(dòng)態(tài)分配帶寬。MPCP沒(méi)有定義帶寬分配算法，但自定義的算法需要符合“OLT應(yīng)盡量滿足ONU需求”的基本原則。MPCP要求OLT必須定期向ONU授權(quán)。所以在ONU沒(méi)有數(shù)據(jù)申請(qǐng)時(shí)，也要向其發(fā)送一個(gè)空授權(quán)（窗口的Length僅夠ONU發(fā)送下一個(gè)的REPORT幀，不附帶任何其他上行數(shù)據(jù)）。只有這樣才可以保持鏈路激活和OLT、ONU同步。(3)DISCOVERY過(guò)程O(píng)LT啟動(dòng)時(shí)首先要運(yùn)行DISCOVERY過(guò)程，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的ONU，將它連接到EPON上（ONU登錄）。此后OLT還會(huì)周期調(diào)用DISCOVERY過(guò)程動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)新啟動(dòng)的ONU或掉線后重新恢復(fù)的ONU，使它們能及時(shí)登錄到EPON上。此外還可以通過(guò)該過(guò)程實(shí)現(xiàn)重新登錄（Reregister）和注銷（Deregister）。在登錄過(guò)程中ONU和OLT可以相互交換性能參數(shù)，使得EPON的介質(zhì)更加廣泛，不同廠商的設(shè)備可以互連互通。DISCOVERY具體過(guò)程如圖3.2所示。（1）OLT廣播DISCOVERYGATE，向所有ONU通知DISCOVERY窗口的時(shí)間圍；（2）未登錄的ONU在DISCOVERY窗發(fā)送REGISTERREQ消息，告知OLT自己的MAC地址，及其他性能參數(shù)；（3）OLT在一個(gè)DISCOVERY窗可能收到多個(gè)正確的REGISTERREQ請(qǐng)求。OLT收到REGISTERREQ后：a)為該ONU分配LLID，并將該LLID與其MAC地址綁定；b)記錄ONU參數(shù)并作相應(yīng)處理；c)發(fā)送REGISTER消息通知ONU登錄是否成功，返回LLID等參數(shù)，并回應(yīng)ONU的性能參數(shù)；（4）OLT向ONU發(fā)標(biāo)準(zhǔn)GATE，授權(quán)ONU回復(fù)REGISTERACK；（5）ONU在GATE所授權(quán)的窗口回應(yīng)REGISTERACK。OLT正確收到REGISTERACK標(biāo)志著對(duì)該ONU的DISCOVERY過(guò)程結(jié)束。ONU登錄后正常的數(shù)據(jù)傳送開(kāi)始。圖3.2ONU的DISCOVERY過(guò)程需要注意的是：DISCOVERY窗口是唯一允許多個(gè)ONU同時(shí)占用上行信道的時(shí)段。當(dāng)ONU在發(fā)出REGISTERREQ的一段時(shí)間，如果沒(méi)有收到OLT發(fā)給自己的REGISTER，該ONU就認(rèn)為自己發(fā)送的REGISTERREQ與其它ONU發(fā)送的REGISTERREQ發(fā)生了沖突，從而自動(dòng)進(jìn)入沖突的處理算法。對(duì)于注冊(cè)沖突，主要有兩種處理方案：（1）隨機(jī)延遲時(shí)間:發(fā)生注冊(cè)沖突后，發(fā)生沖突的ONU仍然每次都響應(yīng)DISCOVERYGATE，但它在新的注冊(cè)窗口中，ONU發(fā)送REGISTERREQ前隨機(jī)等待一段時(shí)間（時(shí)間小于DISCOVERY窗口大小）。這種方法可以縮短O(píng)NU加入系統(tǒng)的時(shí)間，但是要增大注冊(cè)開(kāi)窗的長(zhǎng)度，從而降低系統(tǒng)的帶寬利用率。（2）隨機(jī)跳過(guò)開(kāi)窗:發(fā)生注冊(cè)沖突后，發(fā)生沖突的ONU隨機(jī)跳過(guò)若干個(gè)DISCOVERYGATE才開(kāi)始重新響應(yīng)。采用這種方法比隨機(jī)延遲時(shí)間的方法所需時(shí)間多，但是不需要增大注冊(cè)窗口，從而也不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的帶寬利用率[14][15]。3.2測(cè)距與同步EPON中的各ONU上行接入采用TDM方式，因此OLT和ONU在開(kāi)始通信前以及通信過(guò)程中必須建立并保持同步，才能避免碰撞。而測(cè)距（ranging）是獲得RTT的過(guò)程。MPCP(位于OLT和所有ONU中的)各自維護(hù)一個(gè)本地時(shí)鐘，OLT中的時(shí)鐘作為全局時(shí)間。當(dāng)MPCP消息從高層的MAC控制客戶端到達(dá)MAC控制子層時(shí)，MPCP用本地時(shí)間對(duì)消息標(biāo)以時(shí)戳（timestamp）。EPON的同步和測(cè)距正是通過(guò)時(shí)戳完成的?；具^(guò)程如圖3.3所示[16]。（1）OLT在時(shí)刻TI發(fā)送GATE幀給ONU，在GATE幀中加時(shí)間標(biāo)簽為T1；(2)ONU在T2時(shí)刻接收GATE幀后，根據(jù)時(shí)間標(biāo)簽T1將自己的本地時(shí)鐘置為T1；(3)ONU在本地時(shí)間為T3時(shí)開(kāi)始上傳REPORT幀，在REPORT中加時(shí)間標(biāo)簽T3；(4)OLT在時(shí)刻T4收到該REPORT幀，得到時(shí)間標(biāo)簽T4。則RTT=TAB十TCD=(T4-Tl)-(T3-T2)=(T4-TI)-(T3-TI)=T4-T3，因此可以看出OLT只需將收到REPORT幀時(shí)的絕對(duì)時(shí)間T4減去收到REPORT幀中時(shí)間標(biāo)簽中的時(shí)間T3就可以得到RTT的值了。圖3.3RTT測(cè)量3.3QoS和OAM在QoS方面，EPON定義了8個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，DBA算法也考慮了對(duì)不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的寬帶分配策略和公平性等問(wèn)題。對(duì)于數(shù)據(jù)包中的IP優(yōu)先級(jí)或以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)可以很容易地映射到這8個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中，再通過(guò)DBA算法保證其傳輸?shù)膸捄蜁r(shí)延，因此完全可以滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。例如：對(duì)TDM業(yè)務(wù)，使用EPON的QoS機(jī)制，就可以保證期各項(xiàng)指標(biāo)要求。在OAM方面，EPON標(biāo)準(zhǔn)中定義了遠(yuǎn)端故障指示，遠(yuǎn)端環(huán)回控制和鏈路監(jiān)視等基本的OAM功能，對(duì)于其它高級(jí)的OAM功能，則定義了豐富的廠商擴(kuò)展機(jī)制，讓廠商在具體的設(shè)備實(shí)現(xiàn)中自主增強(qiáng)各種OAM功能。而且EPON標(biāo)準(zhǔn)還從便于開(kāi)通維護(hù)的角度定義了一套OAM能力的自動(dòng)協(xié)商機(jī)制（與以太網(wǎng)端口的自動(dòng)協(xié)商機(jī)制類似），可以在無(wú)需人工參與的情況下，自動(dòng)識(shí)別并配置OLT和ONU兩端的OAM能力。另外，比較有特色的是，EPON定義了一種PON端口的環(huán)回測(cè)試功能，把PON鏈路的性能測(cè)試功能嵌入到系統(tǒng)之中，可以在無(wú)需外部測(cè)試儀表的情況下，進(jìn)行PON鏈路的性能檢測(cè)，大大方便了系統(tǒng)的開(kāi)通和故障定位。3.4動(dòng)態(tài)帶寬分配在EPON系統(tǒng)的上行方向，采用TDMA（時(shí)分多址接入）方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)ONU對(duì)上行帶寬的多址接入，其帶寬分配方案可分為靜態(tài)帶寬分配的和動(dòng)態(tài)帶寬分配。靜態(tài)帶寬分配方式的原理是OLT周期性為每個(gè)ONU分配固定的時(shí)隙作為上行發(fā)送窗口。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但存在帶寬利用率低、帶寬分配不靈活、對(duì)于突發(fā)性業(yè)務(wù)適應(yīng)能力差等問(wèn)題。動(dòng)態(tài)帶寬分配（DynamicBandwidthAllocation，DBA）就是OLT根據(jù)ONU的實(shí)時(shí)帶寬請(qǐng)求獲取各ONU的流量信息，通過(guò)特定的算法為ONU動(dòng)態(tài)分配上行帶寬，保證各ONU上行數(shù)據(jù)幀互不沖突。DBA具有帶寬效率高，公平性好、能夠滿足QoS要求的優(yōu)點(diǎn)。DBA采用集中控制方式：所有的ONU的上行信息發(fā)送，都要向OLT申請(qǐng)帶寬，OLT根據(jù)ONU的請(qǐng)求按照一定的算法給予帶寬（時(shí)隙）占用授權(quán)，ONU根據(jù)分配的時(shí)隙發(fā)送信息。其分配準(zhǔn)許算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割時(shí)隙反應(yīng)信元到達(dá)時(shí)間分布并請(qǐng)求帶寬，OLT根據(jù)各ONU的請(qǐng)求公平合理地分配帶寬，并同時(shí)考慮處理超載、信道有誤碼、有信元丟失等情況的處理。EPON系統(tǒng)的DBA的實(shí)現(xiàn)基于兩種MPCP幀：GATE消息和REPORT消息。ONU利用REPORT幀向OLT匯報(bào)其上行隊(duì)列的狀態(tài)，向OLT發(fā)送帶寬請(qǐng)求。OLT根據(jù)與該ONU簽署的服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA）和該ONU的帶寬請(qǐng)求，利用特定的算法計(jì)算并給該ONU發(fā)布上行帶寬授權(quán)（Grant），以動(dòng)態(tài)控制每個(gè)ONU的上行帶寬。EPON系統(tǒng)的DBA一般采用輪詢方式。其針對(duì)每個(gè)ONU的工作過(guò)程如圖3.4所示。（1）DBA的工作流程是Gate→Report→Gate→Report，如此循環(huán)；（2）OLT給ONU發(fā)布的grant在Gate消息中承載；（3）ONU通過(guò)Report消息使OLT了解其本地的隊(duì)列狀態(tài)和業(yè)務(wù)流量；（4）Grant的分配是基于特定算法的；（5）DBA要按照SLA進(jìn)行g(shù)rant分配（包括保證帶寬、最大帶寬等參數(shù)）。圖3.4DBA實(shí)現(xiàn)流程圖3.5安全性考慮EPON下行方向的數(shù)據(jù)采用廣播形式，每個(gè)ONU都可以接收OLT發(fā)送給所有ONU的信息，802.3ah標(biāo)準(zhǔn)中為每個(gè)連接的ONU設(shè)定LLID值，每個(gè)ONU只能接收帶有屬于自己的LLID的數(shù)據(jù)包和廣播數(shù)據(jù)包，其余的數(shù)據(jù)包丟棄不再轉(zhuǎn)發(fā)。在正常情況下這樣可以區(qū)分不同用戶的數(shù)據(jù)，但是一些非法用戶可以通過(guò)一些網(wǎng)絡(luò)手段獲取所有LLID的信息，所以產(chǎn)生了一些安全隱患，比如信息被偵聽(tīng)、OAM信息被修改或重發(fā)，偽造OAM信息、以合法身份對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊等。為此必須對(duì)MPCP幀和OAM幀及發(fā)送給每個(gè)ONU的下行信號(hào)進(jìn)行加密。OLT可以定時(shí)發(fā)出命令，要求ONU更新自己的密鑰，OLT就利用每個(gè)ONU發(fā)送來(lái)的新密鑰對(duì)發(fā)送給該ONU的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，從而保證每個(gè)ONU從接收到的OLT數(shù)據(jù)中，只能按照自己的密鑰譯出屬于自己的數(shù)據(jù)，保證下行信息安全地到達(dá)目的地，確保每個(gè)用戶的隱私。為了防止有的用戶對(duì)不屬于自己的信息采用逐個(gè)試探的方法進(jìn)行解密，所以要定期對(duì)密鑰進(jìn)行更新。加密問(wèn)題仍然是一個(gè)尚待解決的技術(shù)難題。第4章EPON的應(yīng)用4.1EPON的應(yīng)用特點(diǎn)EPON接入系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）局端（OLT）與用戶（ONU）之間僅有光纖、光分路器等光無(wú)源器件，無(wú)需租用機(jī)房、無(wú)需配備電源、無(wú)需有源設(shè)備維護(hù)人員，因此，可有效節(jié)省建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本；（2）EPON采用以太網(wǎng)的傳輸格式同時(shí)也是用戶局域網(wǎng)/駐地網(wǎng)的主流技術(shù)，二者具有天然的融合性，消除了傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換帶來(lái)的成本因素；（3）采用單纖波分復(fù)用技術(shù)（下行1490nm，上行1310nm），僅需一根主干光纖和一個(gè)OLT，傳輸距離可達(dá)20公里。在ONU側(cè)通過(guò)光分路器分送給最多32個(gè)用戶，因此可大大降低OLT和主干光纖的成本壓力；（4）上下行均為千兆速率，下行采用針對(duì)不同用戶加密廣播傳輸?shù)姆绞焦蚕韼挘闲欣脮r(shí)分復(fù)用（TDMA）共享帶寬。高速寬帶，充分滿足接入網(wǎng)客戶的帶寬需求，并可方便靈活地根據(jù)用戶需求的變化動(dòng)態(tài)分配帶寬；（5）點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，只需增加ONU數(shù)量和少量用戶側(cè)光纖即可方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)，充分保護(hù)運(yùn)營(yíng)商的投資；（6）EPON具有同時(shí)傳輸TDM、IP數(shù)據(jù)和視頻廣播的能力，其中TDM和IP數(shù)據(jù)采用IEEE802.3以太網(wǎng)的格式進(jìn)行傳輸，輔以網(wǎng)管系統(tǒng)，來(lái)保證傳輸質(zhì)量。4.2EPON在接入網(wǎng)中的應(yīng)用模型利用EPON技術(shù)是實(shí)現(xiàn)FTTP的有效網(wǎng)絡(luò)解決方案，根據(jù)目前各運(yùn)營(yíng)商對(duì)于信息化的需求來(lái)看，大致可分為小區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)街區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)幾種接入方式，下面將逐一進(jìn)行分析。4.2.1EPON在小區(qū)接入中的應(yīng)用在小區(qū)接入中，ONU可設(shè)置在用戶端（FTTH）或樓道（FTTB），光分路器可設(shè)置在樓道或小區(qū)機(jī)房。對(duì)于FTTH模式，由于用戶數(shù)不確定，為了提高設(shè)備的利用率、降低成本及方便維護(hù)，光分路器的設(shè)置應(yīng)相對(duì)集中，采用一級(jí)分光，可選擇在小區(qū)機(jī)房或者小區(qū)的光交接箱。采用這種方式建設(shè)，無(wú)論用戶數(shù)多或少，設(shè)備的利用率都是最大化的，但是用戶數(shù)較多時(shí)對(duì)接入光纜的需求量相對(duì)較大。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1小區(qū)FTTH模式對(duì)于FTTB模式，ONU設(shè)置在樓道，一般需要配合樓道交換機(jī)進(jìn)行業(yè)務(wù)的接入，光分路器的設(shè)置建議與FTTH方式相同。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。圖4.2小區(qū)FTTB+LAN模式小區(qū)FTTH將在實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)合一”的時(shí)期體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，但考慮到相關(guān)政策的限制，并不是所有運(yùn)營(yíng)商都能實(shí)現(xiàn)，因此目前在利用EPON進(jìn)行小區(qū)接入時(shí)采用FTTB+LAN的模式將是最佳方案。4.2.2EPON在工業(yè)區(qū)接入中的應(yīng)用工業(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(jī)房，結(jié)合其部交換機(jī)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，建議在工業(yè)區(qū)所屬區(qū)域設(shè)置合適的接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)，將OLT放置在接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)；在工業(yè)區(qū)圍，可采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)，沿著主干道選擇合適的點(diǎn)（機(jī)房或光交接箱）放置一級(jí)光分路器，再根據(jù)企業(yè)的分布情況布設(shè)二級(jí)分路器和ONU，以最大限度地節(jié)省光纜。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。圖4.3工業(yè)區(qū)EPON接入模式考慮到分路器的多級(jí)設(shè)置，每個(gè)分路器將覆蓋一定圍的企業(yè)用戶，因此建議多設(shè)置光交接箱。若無(wú)法設(shè)置較多的光交接箱，則建議增大光纜芯數(shù)，便于未來(lái)大量企業(yè)的接入。此外，如果需要采用EPON的環(huán)路保護(hù)，則需要將從匯聚點(diǎn)引出的骨干光纖以成環(huán)方式建設(shè)。4.2.3EPON在商務(wù)街區(qū)接入中的應(yīng)用商務(wù)街區(qū)的特點(diǎn)是沿街分布眾多的商務(wù)樓，樓分布著多家公司，因此一般將ONU設(shè)置到公司，即FTTO（光纖到辦公室），ONU通過(guò)交換機(jī)或路由器與公司部網(wǎng)相連。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。圖4.4商務(wù)街EPON接入模式1FTTO模式類似于小區(qū)接入中的FTTH模式，建議將光分路器設(shè)置在每棟大樓，ODN采用樹(shù)型或鏈型組網(wǎng)。建設(shè)初期，建議將OLT放置在附近的接入?yún)R聚機(jī)房，光纜可沿大樓的分布情況建設(shè)，在每棟大樓的地下室或者在大樓相對(duì)集中的地帶設(shè)置光交接箱，用來(lái)放置光分路器?？紤]到這種模式在用戶數(shù)較多時(shí)對(duì)ODN骨干光纖的需求量較大且采用環(huán)型組網(wǎng)方式，建議EPON的ODN骨干光纖使用較大芯數(shù)光纜。如果條件允許，建議在大樓相對(duì)集中、業(yè)務(wù)需求較大的區(qū)域?qū)ふ液线m的點(diǎn)作為未來(lái)的接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)，將OLT的位置往用戶側(cè)靠近，并結(jié)合光交接箱的設(shè)置，采用星型模式接入附近的業(yè)務(wù)點(diǎn)以減少光纖的使用量，為將來(lái)大規(guī)模接入打好基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。圖4.5商務(wù)街EPON接入模式24.2.4EPON在邊遠(yuǎn)地區(qū)接入中的應(yīng)用對(duì)于距離已有傳輸接入點(diǎn)較遠(yuǎn)、用戶相對(duì)集中的邊遠(yuǎn)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(shì)。將OLT設(shè)置在匯聚節(jié)點(diǎn)，在用戶集中的區(qū)域設(shè)置光分路器，ONU設(shè)置在用戶接入點(diǎn)，利用ONU豐富的接口就可以利用極少量的光纜解決眾多用戶的各類業(yè)務(wù)需求。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4.6所示。圖4.6邊遠(yuǎn)地區(qū)EPON接入模式這種模式適用于各運(yùn)營(yíng)商的信息化村通接入，將OLT設(shè)置在接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)，光分路器放置在需要重點(diǎn)接入的區(qū)域，就可以在只占用2芯接入層光纜的情況下解決多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊的語(yǔ)音和信息化接入。不過(guò)，考慮到EPON的接入距離一般在20km以，如果需要大圍地使用EPON接入，則需要將OLT的位置往用戶側(cè)靠近，因此需要設(shè)置多個(gè)接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)。4.3EPON組網(wǎng)實(shí)例4.3.1商務(wù)街區(qū)應(yīng)用實(shí)例網(wǎng)吧對(duì)于接入帶寬要求較高，現(xiàn)有的光纖直連方式解決網(wǎng)吧接入導(dǎo)致寶貴的城域光纖資源被大量占用。某運(yùn)營(yíng)商采用EPON利用少量的城域光纜解決了網(wǎng)