EPON的上行接入方式及关键技术

1、EPON的上行接入方式及關鍵技術2002-4-30 華中科技大學光電子工程系謝滿紅胡保民乙太網是在 20世紀 80 年代發展的一種局域網技術，其帶寬爲 10Mbit/s ， 最初是共用媒體型，需要防碰偵聽 ,這就限制了其使用效率和傳輸距離。 90 年代 發展了交換型乙太網，解決了上述問題，並先後推出了快速乙太網 FE(100Mbit/s )和吉位元乙太網 GbE(1000Mbit/s)。乙太網由於具有使用簡單方 便、價格低、速度高等優點，很快成爲局域網的主流。乙太網的幀格式與IP是一致的，特別適合於傳輸IP資料。隨著因特網的快速發展，乙太網被大量使 用。隨著吉位元乙太網的成熟和萬兆乙太網的出現

2、，以及低成本在光纖上直接 架構吉位元乙太網和萬兆乙太網技術的成熟，乙太網開始進入城域網 MAN 和廣 域網WAN領域。目前，萬兆乙太網已經成爲寬帶 IP城域網的首選方案，也已 經開始用於WAN。2002年萬兆乙太網標準完成後，將被廣泛用於 MAN和 WAN。如果接入網也採用乙太網將形成從局域網、接入網、城域網到廣域網全 部是乙太網的結構。採用與IP 一致的統一的乙太網幀結構，各網之間無縫連 接，中間不需要任何格式轉換。這將可以提高運行效率、方便管理、降低成本。這種結構可以提供端到端 的連接，根據與用戶簽訂的服務協定 SLA保證服務質量QoS基於上述原因，乙太網接入網得到快速發展和廣泛重視。 2

3、001 年初， IEEE 成立了802.3EFM工作組(EFM的意思是"乙太網第一裏"，即乙太網接入網)，發 展制定乙太網接入網標準。隨著標準的制定完成，將有一批乙太網接入網設備 出現。PON的結構採用無源光器件，可以提供高帶寬，可靠性、經濟性，可升級 性都有著非常大的優勢。不可避免乙太網接入將主要採用PON這種形式。一、EPON的上行接入技術EPON上行接入技術可以使用頻分多址複用（FDMA）、時分多址複用 （TDMA）、波分多址複用（WDMA）、碼分多址複用等方式（CDMA）。頻分複用的 缺點有：OLT中需要多個轉發器；初期成本高；通道容量固定；增加 /減少用戶時比 較

4、麻煩。碼分複用的缺點有：通道間的干擾由ONU的數量決定；需要高速器件。 WDMA主要的問題是：成本比較高，主要是因爲光器件成本目前還比較高。但如果開發出便宜的、適用於WDMA方式接入網的光發射和光接收器件，使用 WDMA是發展的 趨勢。時分複用具有N個ONU只需要一個OLT轉發器和極少的波長等優點，但 時分複用還是需要高速電子器件。綜合以上考慮，現在一般我們都是採用時分 複用多址接入方式，波分複用多址接入方式也有非常大的競爭力 ,是發展的方 向。OLT安排好各ONU允許發送上行信號的時隙，發出時隙分配幀。ONU根據時隙分配幀，在OLT分配給它的時隙中發出自己的上行信號。這樣， ONU之間 就可

5、以共同享有上行通道，即衆多的 ONU共用有限的上行通道帶寬。各 ONU 獨佔一個波長，探測器陣列接收各 ONU的信號。根據接收探測器，就可以判斷 出對應是哪個ONU。由於ONU獨佔一個波長，所以不需要與其他 ONU共用帶 寬，每個上行通道可以實現與下行通道對稱的帶寬。也就是說，採用這種方 式，每個ONU享有的上行帶寬可以得到保證，不用與其他 ONU爭用有限的帶 寬。二、EPON中的關鍵技術分析1 EPON中採用TDMA方式的關鍵技術EPON採用TDMA方式時的關鍵技術有動態帶寬分配、上行通道複用實現技 術、乙太網在PON上的成幀技術與實現技術、測距與延時補償、光器件、突發 信號的快速同步技術等

6、等。（1）動態帶寬分配動態帶寬分配演算法就是即時地（msgs量級）改變EPON的各ONU上行 帶寬的機制。EPON中如果用帶寬靜態分配，對資料通信這樣的變速率業務很不 適合，如按峰值速率靜態分配帶寬則整個系統帶寬很快就被耗盡，帶寬利用率 很低，而動態帶寬分配使系統帶寬利用率大幅度提高。通過DBA我們可以根據ONU突發業務的要求，通過在 ONU之間動態調 節帶寬來提高PON上行帶寬效率。由於能更有效地利用帶寬，網路管理員可以 在一個已有的PON上增加更多用戶，終端用戶也可以享有更好的服務，如用戶 可以用到的帶寬峰值可以超過傳統的固定分配方式的帶寬。根據EPON的特點及ITU-T G.983建議，

7、可以得出對動態帶寬分配設計的具 體要求有：業務透明；高帶寬利用率；低時延和低時延抖動；公平分配帶寬，健壯性 好，即時性強。動態帶寬分配採用集中控制方式：所有的ONU的上行資訊發送，都要向OLT申請帶寬，OLT根據ONU的請求 按照一定的演算法給予帶寬（時隙）佔用授權，ONU根據分配的時隙發送資訊。其分配准許演算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割時隙反映信元到達的時間分佈並請求帶寬，OLT根據各ONU的請求公平合理地分配帶寬，並同時考慮處理超載、通道有誤碼、有 信元丟失等情況的處理。ONU可能經常要斷開（特別是在 FTTH情況下），已經斷開的 ONU不應再 佔用網路帶寬。解決這個問題的方法有

8、：使新的請求在許可信號後的 RTT+Dt時間內到達；如果請求（k個）丟失了 就意味著ONU已經斷開；下次詢問此 ONU前先等待1分鐘。這樣可使斷開 ONU只佔用大約0.0005%的 PON帶寬。在 PON 中，在傳輸會聚層上用流量容器來存儲管理上行帶寬分配的業務流，使PON段帶寬利用率得到提高。分析表明，採用 DBA,最大的帶寬利用率 可達 80%，而沒有 DBA 時只有 40%。平均傳輸時延無 DBA時爲100ms，而用DBA時爲10mso（2） EPON上行實現技術時分多址複用方式又可以採用固定時隙的時分多址複用、統計時分多址複用、隨機接入等方式。固定時隙時分多址複用方式不足之處有：當其中

9、有的時隙未用時，還是佔用一樣的帶寬；對高突發率業務適應力不強；ONU需要同步。隨機接入沒有確定的接入時間；由於採用CSMA/CD故有傳輸距離的限制。而統計時分多址複用可以克服前兩者的不足，所以一般都選 擇採用統計時分多址複用。上行信號傳輸在 ONU被分配到的時隙裏發送乙太網 幀，統計複用通過提供的資料量的大小來改變時隙大小的方法來實現。TDMA的實現方法是重點，即如何使用 TDMA的方法使上行通道的帶寬利 用率、時延和時延抖動等指標達到要求。其中，上行帶寬的分配方法、ONU發送窗口固定還是可變、最大的 ONU發送窗口應爲多大、ONU發送視窗的間隔、 乙太網幀是否切割等問題都有待於研究和確定。由

10、於資料 /視頻業務流是自相似的，不存在最佳大小的固定時隙，故流量聚 合也不能起多大作用。突發包大小分佈爲長相關性（大的拖尾），即大多數突 發包都比較小，但絕大多數都是有大量的突發包同時出現。實現統計時分複用 要考慮的問題有：突發時間與業務流大小都難以預料，所以要有反饋；採用Roll-call輪詢方式是比較好，但需要 ONU之間相互偵聽，也就是 PON只能用作廣播星型或無源環（這太嚴格了）。也可以採用Hub輪詢方式，但是工作時間非常長。解決方法爲採用間插輪詢路由方式。上行信號應該採用靈活的請求/許可方式。例如可以通過"邏輯埠"，可以靈 活地爲一個ONU中的每個用戶、每個服務提

11、供許可信號，可以實現靈活操作， 或採用"多請求方式"縮短許可周期，並使TCP流量高。2 EPON中採用TDMA方式的關鍵技術EPON採用WDMA方式、TDMA方式時的許多技術，如動態帶寬分配、上行 通道複用實現技術、乙太網在 PON上的成幀技術與實現技術、突發信號的快速 同步技術等等都不再需要，因此簡化了整個系統的設計。採用WDMA時的關鍵技術主要有：低成本波長穩定的光發射模組、低成本光接收模組、低成本DWDM、測距等等。而對於低成本波長穩定的光發射模組、低成本光接收模組華中科技大學 光纖教研室都已基本開發出來。3其他關鍵技術其他一些關鍵技術有：乙太網在PON上的成幀技術與實現技術；