EPON详解

EPON技术及组网应用研究

随着电信市场竞争的日益激烈，现有的以铜缆为传输媒质、基于不对称数字用户线(ADSL)技术为基础的宽带接入建设模式将不能适应未来开展高清视频、安全监控等高速率带宽业务的需求。“光进铜退”作为实施网络转型和固网宽带化的有效措施，在提高接入带宽，提升网络对业务的支撑能力，增强运营商的核心竞争能力方面将发挥重要作用。作为接入网新技术，基于以太网技术的无源光网络(EPON)有效缓解了当前铜缆被盗严重、价格上涨较快、建设成本不断增加的状况。但在满足目前高速率带宽业务接入需求的同时，由于EPON网络的点对多点技术特点及三重业务(VoIP、高速上网、IPTV)的开展，给EPON网络的组网和规划工作带来了很多新的挑战。
    EPON将以太网技术与无源光网络(PON)技术结合起来，其目标是用最简单的方式实现一个点到多点拓扑结构的千兆以太网光纤接入网络。EPON属于IEEE以太网标准范畴，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。EPON降低了初始成本和运行成本，可以大量采用以太网技术成熟的芯片，实现简单，相对成本低，维护简单，容易扩展和易于升级。

    1基于以太网技术的无源光网络应用现状

  EPON在日本、韩国等东亚地区已经大规模应用。随着EPON互连互通测试顺利完成，在中国，EPON即将如火如荼地大规模应用。尤其是2008年，将是EPON网络应用发展最为关键的一年。
   2007年8月，中国电信完成了对4万线EPON设备的集中采购和《中国电信EPON设备技术要求V2.0》等相关企业标准的制订工作。预计中国电信2008年光纤宽带(FTTx)的建设需求会在200万线左右。4万线EPON设备的集采不仅激励了中国电信各省公司的EPON网络建设，还影响了中国其他运营商的决策。紧跟着中国电信的步伐，中国网通于2008年初也开始了首轮EPON设备招标。中国网通EPON招标主要包括约3 600套光线路终端(OLT)和89 000线光网络单元(ONU)，其中光缆终端设备集采大大超出原计划的2 000个[1-2]。

  随着EPON技术的成熟和试点应用，EPON必将大规模应用于电信运营城市和农村的宽带接入和VoIP中，有效节省建设投资成本和运营成本。
    PON致力于解决电信运营商中心局端、前端，或者以点到点(POP)方式到商务或家庭节点的通信，构造最后一公里的通信结构。
    EPON的组成单元如图1所示。光信号通过分光器把光纤线路终端(OLT)一根光纤下行的信号分成多路给每一个光网络单元(ONU)，每个ONU上行的信号通过光耦合器合成在一根光纤里给OLT。因而EPON中包括无源网络设备和有源网络设备。无源网络设备包括单模光缆、无源分光器/耦合器、适配器、连接器和熔接头等。它一般放置于局外，称为局外设备。无源网络设备十分简单、稳定可靠、寿命长、易于维护、价格极低。

    有源网络设备包括中心局机架设备(OLT)、光网络单元(ONU)和设备管理系统(EMS)。中心局机架上插装光纤线路终端、网络界面模块(NIM)以及交换模块(SCM)，因此以上3种设备也统称为中心局机架设备。
    中心局机架设备提供EPON系统与服务提供商核心的数据、视频和话音网络的接口。它也通过设备管理系统与服务提供商的核心运行网络相连接。
    光网络单元(ONU)给用户提供数据、视频和电话网络与PON之间的接口。ONU最初的作用是接收光路信号，转换成用户所需的格式(以太网、IP广播、电话、T1/E1等)。EPON独一无二的特征是：ONU中除了终结和转换光信号外，还提供层二、层三交换功能，它允许在ONU中内置企业级路由器。EPON同样也适合用第三个波长传送模拟有线电视(CATV)信号或者IP视频。
 2.2工作原理:
    EPON由光纤线路终端、光分配网络(ODN)和光网络单元组成，采用的是树形拓扑结构。使用上行1 310 nm和下行1 490 nm波长传送数据和语音，CATV业务则使用1 550 nm波长承载。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。ONU放置在用户侧，OLT与ONU间通过无源的光分配网络按照1:16/1:32/1:64方式连接，系统参考配置如图2所示。

EPON网络采用一点至多点的拓扑结构，取代点到点结构，大大节省了光纤的用量和管理成本。无源网络设备代替了传统的ATM/SONET宽带接入系统中的中继器、放大器和激光器，减少了中心局端所需的激光器数目，并且OLT由许多ONU用户分担。此外EPON利用以太网技术，采用标准以太帧，无须任何转换就可以承载目前的主流业务——IP业务。因此EPON十分简单、高效、建设费用低、维护费用低，最适合宽带接入网需求。

    在EPON中，从OLT到多个ONU下行传输数据的过程采用数据广播方式发送。数据以变长信息包的形式从OLT下行广播到多个ONU。依据IEEE 802.3协议，信息包最长为1 518字节。每个信息包带有一个EPON包头，惟一标识该信息包是发给ONU-1、ONU-2还是ONU-3。也可标识为广播信息包发给所有ONU或发给特定的ONU组(多点传送信息包)。当数据到达ONU时，ONU通过地址匹配，接受并识别发给它的信息包，丢弃发给其他ONU的信息包。例如，ONU-1接收信息包1、信息包2和信息包3，但只将信息包1传输给最终用户1。
      EPON上行数据传输采用时分复用技术，每个ONU上行数据分配一个专用时隙，使得在数据汇合到公共光纤的时候，从ONU来的信息包不会互相干扰。例如，ONU-1信息包在第一个时间间隙传输，ONU-2信息包在第二个非重叠的时间间隙传输，而ONU-3信息包在第三个非重叠的时间间隙传输。
    2.3技术进展与标准化情况

    EPON是IEEE组织推出并持续致力研究的技术。EPON基于吉比特以太网的无源光网络技术，继承了以太网的低成本和易用性以及光网络的高带宽。EPON是当前实现光接入网众多技术中性价比相对较高的一种。2004年IEEE正式发布了EPON国际标准IEEE 802.3ah，该标准规定了EPON的物理层、多点控制协议(MPCP)、运行管理维护(OAM)等相关内容。目前，EPON的产业联盟已经吸引了众多厂商的积极参与，从核心芯片、光模块到系统，EPON的产业链已经日趋成熟。中国技术人员积极制订适合中国发展需求的EPON系列相关行业标准。目前，已经发布的标准有：YD/T 1475-2006接入网技术要求——基于以太网方式的无源光网络(EPON)，2006年6月发布；YD/T 1531-2006接入网设备测试方法——基于以太网方式的无源光网络，2006年12月发布。
      在由EPON系统芯片的领导供应商Teknovus和工业与信息化部(原信息产业部)电信传输研究所共同主办的《10G及2.5G EPON新技术研讨会》上，IEEE 10G EPON工作组主席Glen Kramer同时作为Teknovus公司首席科学家，宣布IEEE将在2008年基本完成10G EPON标准的制订，之后，再经过内部有关的审核批准，预计会在2009年年中正式发布，并宣布Teknovus的10G EPON系统将在2008年推出。

   3基于以太网技术的无源光网络的组网应用 

  3.1光线路终端布放原则
    光线路终端布放位置一般有以3种方式：
    (1)OLT放置于中心机房(CO，即交换机房、数据机房等现有机房)，其特点为覆盖范围大，便于操作和 管理，适于早期用户比较少或集中管理的场景。

(2)远端中心机房，其特点为覆盖范围适中，便于操作和管理，同时兼顾容量和资源。
(3)户外机房或小区机房，其特点为节省光纤，但管理和维护困难，覆盖范围比较小，需要解决供电问题，一般不建议采用这种方式。
    OLT位置的选择，主要取决于实际的应用场景，一般建议将OLT放置于中心机房，便于维护与管理，节省运维成本，同时便于资源共享，节省资源。

  3.2分光器布放方式

 分光器可采用一级或多级分光，分光方式一般采用等功率方式，也可采用不等的方式，主要取决于地形和潜在用户分布等因素的影响。
(1)一级分光适用于密型布局。分光器采用一级分光时PON端口一次利用率高，易于维护，其典型应用于需求密集的城镇，如大型住宅区或商业区。

2)二级分光，适用于稀疏型布局。分光器采用二级分光时，故障点增加，维护成本高，熔接点/接头增加，分布较灵活。典型应用于需求分散的城镇，如小型住宅区或中小城市。
(3)多级分光，适用于稀疏型布局。分光器采用多级分光时，同样故障点增加，维护成本很高，熔接点/接头增加，分布非常灵活，其典型应用于成带状分布的农村或商业街。
    对于城市住宅小区等环境的应用，由于业务分布比较均匀，一般采用等功率分光。对于农村、矿区、沿海或河床的养殖基地、商业街等特殊环境的应用，由于业务分布极不均匀，可采用不等功率分光。 

   3.3分光器布放原则
    分光器放置于中心机房，便于管理和维护，但由于光纤量比较大，网络弹性不足，实施费用比较高，没有充分发挥PON网络的优势。
    分光器放置于远端中心机房，集中分光，便于安装；网络结构比较简单；用户密度比较高时，总的建设费用较低。
分光器放置于地下室，节省光缆，充分发挥了EPON的优势，建设费用很低，但管理与维护工作量较大。
  3.4光网络单元布放原则

    根据ONU布放的位置，可将EPON分为以下几种场景：光纤到户(FTTH)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到节点(FTTN)等。
  (1)FTTH方式

    FTTH即光纤到户方式适用于用户居住比较分散且用户对带宽的要求较高的区域，如别墅区，而且开发商有积极性参与网络建设。此时组网方式一般采用从局端的OLT引出光缆到别墅区，在别墅区内一个相对中心位置放置分光器，然后通过小芯数管道光缆或新型的小芯数直埋光缆连至用户家中的ONU，可以根据用户需求在用户家中连接交换机或集线器(HUB)供多个设备连接。

    (2)FTTB方式

    FTTB方式适用于在单栋商务楼用户相对数量不多、带宽要求不高的场景。一般的组网方式为从局端OLT引出光缆到商务楼附近的光缆交接箱，在光缆交接箱中放置分光器，从交接箱引光缆至大楼。ONU放置在大楼交接间，通过交换机为楼内用户提供宽带上网业务。在这种情况下，建设时需要根据用户带宽需求及数量选择合理的分路比。

(3)FTTN方式

FTTN则是带宽与投资的折衷，FTTN在满足用户带宽需要的前提下，采用最新的数字用户线(DSL)技术，尽量使用长的双绞线，以提高ADSL接入复用器(DSLAM)节点的用户容量，从而减少节点数量，减少投资和维护成本。
  3.5组网选择

    利用EPON技术是实现光纤到驻地(FTTP)的有效网络解决方案，根据目前各运营商对于信息化的需求来看，大致可分为住宅小区、工业区、商业街区和边远地区、特殊应用几种接入方式，下面将逐一进行分析。
    (1)住宅小区

对于新建住宅小区，宜采用FTTH或FTTB，ONU可设置在用户端或楼道，分光器设置于楼道或小区机房或地下室。对于老住宅小区，一般存在DSL或楼道交换机，宜采用FTTB或FTTN+DSL或局域网(LAN)的方式，可利用原有DSL或LAN的线路与设备，节省投资。分光器设置于小区机房或地下室。不管是新建小区还是老小区，OLT宜放置于中心机房，分光方式宜采用等功率分光方式，一般采用一级分光，若需求比较分散，也可采用二级分光。
  (2)工业区
    工业区一般均为企业用户，建议将ONU设置在企业的接入机房，结合其内部交换机完成各类业务的接入，这种模式类似于小区接入中的FTTB模式。由于工业区的需求一般比较密集，建议分光方式采用等功率分光方式，采用一级分光，方便管理与维护。OLT宜放置于中心机房，分光器设置于机房或光交接箱，充分利用现有线缆。考虑到工业区用户比较重要，EPON主干宜采用双路保护。
(3)商务街或别墅
    商务街区的特点是沿街分布众多的商务楼，楼内分布着多家公司，因此一般将ONU设置到公司，即光纤到办公室(FTTO)，ONU通过交换机或路由器与公司内部网相连。分光器宜放置于楼内综合信息箱。别墅的特点是比较分散，且每户业务带宽需求较高，每户一般有家庭网，因此一般将ONU设置到用户家，即FTTH，分光器宜放置于室外光交接箱。对于这两种情况，EPON的布局相似，OLT宜放置于中心机房，建议分光方式采用等功率分光方式，采用一级分光，方便管理与维护。
    考虑到商务街或别墅用户的每个用户的平均收入(ARPU)值比较高，EPON主干宜采用双路保护。
    (4)在边远地区接入点的应用

    对于距离已有传输接入点较远、用户相对集中的边远地区，采用EPON技术将能够很好地发挥其技术优势。在用户集中的区域设置分光器，ONU设置在用户接入点，利用ONU丰富的接口就可利用极少量的光缆解决众多用户的各类业务需求。
    考虑到EPON的接入距离一般在20 km以内，OLT宜放置于远端中心机房，如果距离还受限，可适当将OLT下移或利用少分光比分路器或不等功率分光的方式。在边远地区，用户业务需求一般比较分散，一般采用二级分光或多级分光。
    对于矿区、沿海或河床的养殖基地、狭长商业街等特殊应用场景，业务分布极不均匀，呈带状或链状分布的，如果采用传统的等功率方式，功率预算不能满足要求时，建议采用多级不等功率分光方式。如图3所示。最远的ONU距OLT距离超过了20 km的距离限制。这里需要重点说明的是需进行详细的功率预算，并需要留有一定的功率预算富裕度(2 dB左右)。

(5)EPON组网误区
  为了节省光缆的投资，一般思维饲在业务需求集中点分叉的地方设置分光器。这样就存在几个问题： 

 (1)增加分光器，就增加了故障点和运维、管理复杂度。
    (2)增加分光器就增加了插入损耗，严重影响EPON的覆盖范围。

    基于上述原因，为了节省光缆的建设成本，同时减少分光器的损耗，在分叉路口尽量多采用分纤器，少用分光器。

  4结束语             利用本文提出的EPON组网方式，可节省EPON的建设成本和运维成本，同时，也方便EPON网络的管理与维护。EPON技术成熟，在中国已顺利完成多次互通测试，目前应用的主要问题在设备稳定性、组网和运维等问题，而这些问题是对于任何新技术都面临的问题。EPON的成本优势必将随着规模应用逐渐体现出来。