【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11從產(chǎn)量規(guī)模角度來(lái)看：EPON 系統(tǒng)廠商在標(biāo)準(zhǔn)制訂過程中就已經(jīng)開發(fā)了早期的系統(tǒng)，開始進(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 Yahoo BB 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)?EPON 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 TDM over Ether 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 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（Pseudo Wire Emulation Edge To Edge）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)。 EPON 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu) EPON 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)EPON 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 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（Optical Line Terminal，OLT ）、多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ Optical Network Unit，ONU ）和光分武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Networks ，ODN） [5]。其中 OLT 設(shè)備位于中心局端（Center Office，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 EPON，通過 OLT 所連接的不同 SNI 節(jié)點(diǎn)，可以接入Inter、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 EPON 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 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)為樹型，參考結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 EPON 參考結(jié)構(gòu)武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13EPON 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)窗口內(nèi)。由于是無(wú)源分路，因此在保密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132 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)、視頻和電話網(wǎng)絡(luò)間的接口，它通過一個(gè) EMS 鏈接到業(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 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)、視頻和電話網(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)流的內(nèi)部路由。 協(xié)議棧圖 描述了 EPON 系統(tǒng)的協(xié)議分層以及與 ISO/IEC OSI 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)范疇，武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14目前暫定的協(xié)議分層（圖 ）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 EPON 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 協(xié)議棧中增加支持EPON 的 MPCP 協(xié)議、OAM 和 QoS 機(jī)制。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15 EPON 各部分的功能1. ONU 的功能ONU 位于用戶端，終結(jié)來(lái)自 ODN 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 l OGpbs 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（Service Level Agreement，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， Authorization and Accounting）。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武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16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)備內(nèi)。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)距過程，并記錄測(cè)距信息；（3）發(fā)起并控制注冊(cè)過程，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]。武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17第 3 章 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)的研究的內(nèi)容和難點(diǎn)如下 [8][9]： 多點(diǎn)控制協(xié)議多種控制協(xié)議（MultiPoint Control Protocol）由 任務(wù)組 [10]開發(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。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 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 Ether 控制幀的基礎(chǔ)上又定義了 5 個(gè)控制幀，以實(shí)現(xiàn)武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18EPON 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 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（ Round Trip Time）和 ONU 的MAC 地址?？刂茙囊话憬Y(jié)構(gòu)如表 所示 [13]。表 M