浅析EPON技术应用及其市场分析

《能力拓展训练》任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:光纤通信技术的应用和产品的市场分析课程设计目的：安排学生进行与专业有关的综合性设计和研究，开展专题调研、探索、研究和设计，培养学生综合应用所学知识分析问题、解决问题的能力；锻炼学生查询文献资料、灵活运用知识、有效开展科学研究的能力；提高学生的综合素质。课程设计内容和要求:对光纤通信技术的应用和产品的市场分析相关课题和问题进行调研，查阅资料，分析问题，设计和比拟方案，进行综合分析、实验或仿真并得出结论，写出研究报告。初始条件：计算机1台；中国期刊全文数据库；万方数据库；维普数据库。时间安排：第19周，安排设计任务；第20-24周，完成各项任务，并撰写课程设计报告；第25周，辩论。指导教师签名：2010年月日系主任〔或责任教师〕签名：2010年月日目录1EPON概述11.1EPON的组成单元21.2EPON的工作原理31.3EPON的实现原理3下行传输原理31.3.2上行传输原理42EPON的关键技术52.1动态带宽分配DBA52.2上行信道复用技术52.3OLT的测距和延时补偿技术及ONU即插即用技术62.4突发信号的收发63EPON在FTTH中的市场分析73.1FTTH市场开展分析73.2EPON市场分析73.2.1EPON市场的优势73.2.2EPON与GPON的比拟94展望EPON技术的未来115参考文献12摘要近几年，网络的核心局部发生了翻天覆地的变化，无论是交换，还是传输都己更新了好几代。不久，网络的这一局部将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络，而另一方面，现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的、原始落后的模拟系统。两者在技术上存在巨大的反差，制约全网的进一步开展。同时随着光纤通信技术的日臻成熟，具有巨大宽带优势，可提供全业务、高速率的光纤到户〔FTTx〕光接入网便逐渐浮出水面，成为了宽带接入网的最有效的解决方案。而EPON是基于以太网技术的传输技术，技术简单、设备造价也相对较低，是当前业界公认最好的实现FTTx的传输技术之一。本论文分析和阐述了EPON的技术原理。其次，介绍了EPON技术在“接入最后一公里”中的组网应用。最后，介绍了EPON技术的市场现状和开展方向。关键词：光纤通信技术，EPON，接入网AbstractThecorepartofnetworkhasundergoneearth-shakingchanges,exchangeandtransmissionhaveupdatedforgenerationsrecently.Soon,thispartofthenetworkwillbecomethedigitalcontrolandmaster,software,networkintegrationandintelligent,butontheotherhand,theexistingaccessisstilldominatedbytwisted-paircopper,primitivesimulationsystem.Bothtechnicallyandrestrictstheexistinghugecontrasttothefurtherdevelopmentoftheentirenetwork.Atthesametime,opticalfibercommunicationtechnologiesmaturegradually,hasgreatadvantage,canprovidethebroadbandservice,highrateofFTTH(FTTx)lightaccess,graduallysurfacedbecamethemosteffectivebroadbandaccesssolutions.BasedonEthernettechnologyandEPONisthetransmissiontechnology,technologyissimple,equipmentcostarerelativelylow,istherealizationofthebestcurrentindustryasoneofthetransmissiontechnologyFTTx.ThethesisexplainedtheapplicationsanddevelopmentofEPONtechnologyinthelastkilometerofbroadbandaccessing.Finally,itintroducesthepresentmarketsituationandEPONtechnologydevelopmentdirection.Keywords:Opticalfibercommunicationtechnology,EPON,accessnetwork浅析EPON技术应用及其市场研究1EPON概述无源光网络〔PON〕技术是为了支持点到多点应用而开展起来的光接入技术。PON由光线路终端〔OLT〕、光网络单元〔ONU〕和光分配网络〔ODN〕组成。其本质特征为ODN全部由无源器件组成，信号通过分光器从单一共享光纤分散至各个独立的用户。之所以称其为“无源光网络”，是因为该系统有别于传统的中心局端及客户端的连接，无需使用有源电子设备装置介于该接入网之间。因此，PON的优势除了可节省光纤资源外，还大大简化了网络系统的操作和维护，有效地减少建设和运营本钱。而纯光介质的结构，透明的光纤宽带网络，使得对未来业务可扩展保持了技术的平安性。迄今为止，PON技术的开展已历经了好几个阶段，电信运营商和设备制造商开发了多种协议和技术，使PON解决方案能更好地满足接入网市场的需求。PON技术最初是基于ATM的，即在PON上实现基于ATM信元的传输，简称为APON。ITU-T和FSAN(FullServiceAccessNetwork)为APON制定了相应的G.983系列标准。随着以太网〔Ethernet〕技术的快速开展，其简便实用、价格低廉的特性，几乎已经完全占据了局域网的主导地位，并在事实上被证明是承载IP数据包的最正确载体。目前，IP/Ethernet应用占了整个局域网通信的95%以上。因此，把简单经济的以太网网络技术与PON接入技术相结合，便构成了基于以太网的无源光网络〔EPON〕。为了突出接入网的优先地位和重要性，IEEE802.3工作组把人们以前熟知的“最后一英里”接入网络端改称为“第一英里〔TheFirstMile〕”，并在2000年11月成立了EFM〔EthernetintheFirstMile〕研究组。在IEEE组织下，以太网的设备制造商们抛弃了自我的一些标准，瞄准接入网市场，开展已广泛使用和证实的以太网协议标准。EPON最大的优越性在于允许运营商放弃复杂昂贵的ATM和SONET设备，能与现有的以太网相兼容，从而大大简化了接入网的系统结构。EPON是一个多业务平台，不仅能综合现有的有线电视、数据和语音业务，还还可满足用户的各种宽带业务需要，如数字电视、VoIP、电视会议等。1.1EPON的组成单元典型的EPON的组成单元如图1所示。图1-1典型的EPON系统组成OLT位于中心局端，可以说一个L2交换机或者L3路由器。OLT是整个EPON系统的核心部件：向下提供面向无源光纤网络的一点对多点的PON接口；向上提供接入网与骨干网的高速接口，将来10Gbps的以太网技术标准定型后，OLT也会支持类似的高速接口。OLT通过支持EI接口可以实现传统的TDM语音的接入。OLT通过ODN与各个ONU相连。ODN是无源光纤分配器组成的光纤分配网络，使得一个PON接口的光纤传输带宽可以有多个ONU共享，能节省大量的光纤敷设本钱。EPON的无源器件位于ODN中，包括单模光纤光缆、无源光纤分配器/耦合器〔POS〕、连接器和街头。其中，POS的功能是分发下行数据和集中上行数据。ONU位于用户端，接入用户终端。ONU提供对用户业务的各种适配功能，即提供用户数据、图像和网络与PON的接口。ONU的根本功能是接收光信号，并将其转换成用户需要的格式〔以太网、IP多播、POTS等〕。EPON一个特有的功能是ONU除了接收光信号并进行转换之外，还提供第2、3层的网络交换功能，允许企业业务在ONU内部实现路由。EPON技术采用这种点对多点的拓扑结构，并以以太网为承载协议。在EPON的统一网管方面，OLT是主要的控制中心，通过EMS实现网络管理的主要功能。1.2EPON的工作原理EPON的特征是：ONU除了接收和转换光信号外，还提供2～3层交换功能，它允许在ONU中内置企业级路由器。EPON也适合用第三个波长传输模拟CATV信号或者IP视频。光信号通过POS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〔POS〕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。EPON采用单纤波分复用技术〔下行1490nm，上行1310nm〕，仅需一根主干光纤一个OLT，传输距离可达20km。在ONU侧通过POS最多分送给32个用户，因而可大大降低OLT和主干光纤的本钱压力。EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频播送的能力，其中TDM和IP数据采用IEEE802.3ah以太网的格式进行传输，复议电信级的网管西哦他能够，足以保证传输质量。通过扩展第三个波长〔通常为1550nm〕可实现视频业务播送传输。1.3EPON的实现原理根据IEEE802.3协议，EPON传输的数据包长度是可变的，最长可达1518B；根据ATM协议，APON中传输的数据包是固定长度的〔53B〕，其中含48B净载荷和5B信号。假设用APON传输IP业务，数据包将被分成48B/组，然后再每一组前附加5B信头开销，这个过程耗时且复杂，也给OLT和ONU增加了额外本钱。与此相反，EPON适合传输IP业务信息，与APON相比，极大地降低了开销。下行传输原理在EPON中，上下行传输采用不同的技术。下行传输采用播送传输方式，如图1-2所示。图1-2EPON下行传输原理EPON的下行为播送方式，所有的ONU都能收到相同的数据，但是通过LLID来区分不同的ONU的数据，ONU过滤播送报文来接收属于自己的数据。上行传输原理EPON在上行传输时，采用TDMA传输方式。图1-3EPON上行传输原理OLT安排好各ONU允许发送上行信号的时候，OLT发出时隙分配帧。ONT根据时隙分配帧，在OLT分配给它的时隙中发送自己的上行信号。2EPON的关键技术2.1动态带宽分配DBA动态带宽分配算法就是实时地〔ms/us量级〕改变EPON的各OUN上行带宽的机制。EPON中如果用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适合，如按峰值速率静态分配带宽，那么整个系统带宽很快就被耗尽，带宽利用率很低，而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。通过DBA，就可以根据ONU突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带宽来提高PON上行带宽效率。由于能更有效地利用带宽，可以实现在一个已有的PON上增加更多用户，用户可以用到的带宽峰值甚至可以超过传统的固定分配方式的带宽。根据EPON的特点及ITU-TG.983建议，可以得出对动态带宽分配设计的具体要求有：业务透明；高带宽利用率；低时延和低时延抖动；公平分配带宽，健壮性好，实时性强。动态带宽分配采用集中控制方式：所有的ONU的上行信息发送，都要向OLT申请带宽，OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽〔时隙〕占用授权，其分配准许算法的根本思想是：各ONU利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分布并请求带宽，OLT根据各ONU的请求公平合理地分配带宽，并同时考虑处理超载、信道有误码、有信元丧失等情况的处理。2.2上行信道复用技术时分多址复用〔TDMA〕方式是目前主要的实现方式，可以采用固定时隙的时分多址复用、统计时分多址复用、随机接入等方式。固定时隙时分多址复用方式缺乏之处有：当其中有的时隙未用时，还是占用一样的带宽；对高突发率业务适应力不强；ONU需要同步等；随机接入方式没有确定的接入时间；而统计时分多址复用可以克服前两者的缺乏，所以一般都选择采用统计时分多址复用。上行信号传输在ONU被分配到的时隙里发送以太网帧，统计复用通过提供的数据量的大小来改变时隙大小的方法来实现。2.3OLT的测距和延时补偿技术及ONU即插即用技术由于EPON的上行信道采用TDMA方式，多点接入导致各ONU的数据帧延时是不同的，因此必须引入测距和时延补偿技术以防止数据时域碰撞。此外，由于上行信道采用TDMA方式，为防止OLT接收侧魄数据碰撞．．必须利用测距和肘延补偿技术实现全网时隙同步，使数据包按DBA算法确实定时隙到达，并支持ONU的即插即用。准确测量各个ONU到OLT的距离，并精确调整ONU的发送时延，可以减小ONU发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。EPON的测距由OLT通过时间标记在监测ONU的即插即用的同时发起和完成。2.4突发信号的收发由于OLT接收到的信号为各个ONU的突发信号，OLT必须能在很短的时间内实现相位的同步，进而接收数据。要求在ONU和OLT中使用支持突发信号的光器件，现有的大局部光器件还不能满足这一要求，少数突发模式的光器件也只能工作在１５５Ｍ的速率上，而且价格昂贵。为了实现突发模式，在收发端都要采用特别的技术。光突发发送电路要求能够非常快速的开启和关闭，迅速建立信号，因而传统的电光转换模块采用的加反应自动功率控制将不再适用，需要使用响应很快的激光器。而在接收端，由于来自各个用户的信号光功率是不同的且是变化的，所以突发接收电路必须在每次收到新的信号时调整接收电平〔门限〕。突发模式前置放大器的阀值调整电路可以在几个比特内迅速建立起闭值，接收电路根据这个门限正确恢复数据。3EPON在FTTH中的市场分析3.1FTTH市场开展分析当前，宽带的迅速开展已经成为通信行业的主流方向。固定宽带接入速率不断提升，移动无线宽带接入市场逐步启动。纵观全球通信市场，全球宽带用户数量迅猛增长，宽带网络建设不断加快，宽带应用日益丰富。无论是固网的DSL、光纤接入，还是移动的3G、HSPA、Wi-Fi等无线宽带接入，都日益成为所有重要运营商重点开展的业务。宽带接入市场开展现状和特点虽然日本、韩国以及一些西欧国家的宽带市场趋于饱和，但中国、美国、德国、印度、额多斯以及拉美地区的宽带用户仍在快速增长，带动全球宽带接入市场继续保持快速增长的势头。根据Pointtopic的统计数据，截至2008年第三季度，全球宽带接入用户已经到达3.98亿户，同比增长率为21.2%。宽带普及率也在稳步提升。DSL仍是当前主流的宽带接入技术，截至2008年第三季度，DSL用户到达2.57亿户，占宽带接入用户中的64.5%；cablemodem用户到达8470万户，占宽带接入用户的21.3%；FTTx用户到达4800万户，在宽带接入用户中占12%。在中国、印度、俄罗斯、中东以及拉美地区，新增宽带用户中绝大局部仍是ADSL用户。根据工业和信息化部电信研究所通信信息研究所的统计数据，截至2008第三季度，我国宽带接入用户累计到达8812万户，应景超过美国，成果全球用户规模最大的宽带市场。但中国宽带普及率仍人比拟低。随着社会经济开展和信息化进程的加速，未来互联网和宽带将逐渐成为人们工作和日常生活的必需品，因此我国宽带市场仍有较大的开展空间。根据预测，未来两年我国宽带接入市场仍将保持快速增长的势头，到2011年我国宽带接入用户将到达1.49亿。3.2EPON市场分析EPON市场的优势从2002年开始，FTTx在日本燃起了星星之火；2003年，这棵火种蔓延至美国、韩国，FTTx开展势头强劲。市场调研公司InfoneticsResearch日前发表一份报告指出，全球电信运营商争相靠署无源光网络〔PON〕，正在为该市场带来繁荣景象，预FTTH亚太理事会主席ShoichiHanatani介绍：“目前北美只占总体PON用户的6%，但2008年将上升到23%”。Howard表示：“2004年亚洲占全球PON销售额的76%，北美占20%。”。亚太地区宽带业务市场主要集中在中国、日本、新加坡、韩国。在接受调查的12个热点地区和国家中有一半市场的宽带渗透率超过了30%，中国香港以84%的宽带渗透率高居榜首，韩国以77%排在其后。目前EPON的开展优势在于：〔1〕技术比拟成熟。EPON从始进入商用，2004年到达比拟高的热潮，在推广过程中，产品已经得到了比拟长时间的考验和验证，说明FTTx技术相对柬说是比拟成熟的。〔2〕本钱下降很快。随着技术的进步和竞争的加剧，与EPON系统相关的芯片本钱下降幅度比拟大，光纤、光缆的价格下降也为EPON的开展创造了有利条件。EPON系统主要用的是光器件，光器件本钱是最大的一局部，占整个系统的60%。光器件本钱下降很快，是原来的1/10，这就使整个的FTTx系统设备的本钱下降比拟大．而2006年，随着铜材价格上涨，相对光纤接入的本钱正逐步下降，各地接入网的光纤化进程也逐渐开始升温。〔3〕EPON高性价比。虽然目EPON的接入本钱仍然比ADSL/LAN等接入技术本钱高，但是综合EPON的可到达1.25Gbps的上下行相等的高带宽，且随着10G以太技术的成熟，最大速率可达10Gbps；可以支持10km和20km两种最大传输距离，而ADSL只能覆盖半径为5公里的区域，且最高速率只有8Mbps，且在实际环境中要受到线路、距离等许多因素的制约；光纤传输质量高，可靠性高、抗电磁干扰的特性；能够实现带宽的动态分配。综合这些的性能而占，EPON的性价比是非常有竞争力的，在与其它宽带接入技术〔如ADSL2，VDSL、LAN〔4〕市场开展的需要当IPTV采用新的编码技术如MPEC4/H.264时，在1~2Mbps带宽下可获得DVD效果，为满足IPTV要求，用户接入带宽至少满足1.5M，因此2~3M作为根本目标，随着更多宽带业务的应用，现有的以ADSL为主的宽带接入方式已经很难满足用户对高带宽、双向传输能力以及平安性等方面的要求，大带宽的接入网络将逐渐走入家庭，EPON的生命力会越来越旺盛。目前，NTT、韩国电信、Verizon、法国电信、Swisscom、中国电信、中国联通等一些领先运营商已经开始采用EPON技术建设ETTx网络。EPON与GPON的比拟〔1〕上行可用带宽

从系统上行传输总带宽中减去各种系统运行开销就是上行可用带宽。它EPON和GPON都是宽带接入技术，承载的业务以IP数据业务为主。下面将分别计算EPON和GPON在包含32个ONU，轮询周期为750s的情况下，承载纯IP业务时的上行可用带宽。EPON的上行线路速率是1.25Gbit/s，因为采用了8B/1OB线路编码，每10bit中有8bit有效数据，所以其有效上行传输总带宽为1Gbit/s，即1000Mbit/s。EPON上行的系统运行开销及其占总带宽的比例如下:用于突发接收的物理层开销:约3.5%；以太网帧的封装开销:约7.4%；MPCP(多点控制协议)和OAM(运行管理维护)协议开销:约2.9%；DBA算法造成的剩余时隙(即缺乏以传输一个完整以太网帧的时隙)浪费:约0.6%；EPON上行总开销为上述开销之和，约为144Mbit/s，可用带宽约为856Mbit/s(即1000Mbit/s-144Mbit/s)。上行线路速率为1.244Gbit/s的GPON，采用NRZ编码，上行总带宽为1.244Gbit/s，即1244Mbit/s。GPON上行的系统运行开销及其占总带宽的比例如下:用于突发接收的物理层开销:约2.0%；GEM(GPON封装方法)帧和以太网帧的封装开销:约5.8%；PLOAM(物理层运行管理维护)协议开销:约2.1%；DBA算法剩余时隙引入额外的封装开销(GPON中允许分割帧，当剩余时隙缺乏以传输一个完整的以太网帧时，该以太网帧可以被分割成多个GEM帧传输，但每段分割的帧都要再额外增加一个新的GEM帧头):约0.8%。GPON上行总开销为上述开销之和，约为133Mbit/s.〔2〕技术成熟度EPON①标准EPON的标准是IEEE802.3ah，标准中定义了EPON的物理、MPCP(多点控制协议)、OAM(运行管理维护)等相关内容。IEEE制定EPON标准的根本原那么是尽量在802.3体系结构内进行EPON的标准化工作，最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。②核心芯片目前可以提供EPON核心芯片的专业厂商有5-6家(不包括自主设计芯片的系统厂商)，在标准讨论的过程中，这些厂商就己开始芯片的设计和验证，因此在802.3a标准正式公布时，他们大多都已推出了第二代和标准完全兼容的芯片，可以迅速支EPON系统的大规模部署。GPON①标准GPON的标准是ITU-TG.984系列标准，规定了GPON的物理层、TC层和OAM相关功能。GPON标准的制订考虑了对传统TDM业务的支持，继续采用125s固定帧结构，以保持8K定时延续。为了支持ATM等多协议，GPON定义了一种全新的封装结构GEM(GPONencapsulationmethod)，可以把ATM和其它协议的数据混合封装成帧。②核心芯片除GPON设备厂商自主设计的GPON芯片外，目前还没有专业的芯片厂商推出商用GPON核心芯片。〔3〕多业务能力和平安性

目前对EPON多业务能力质疑最多的就是它传输传统TDM业务的能力。且不说目前EPON设备厂商采用的各种TDMoverEthernet的专利技术提供了EPON单一网段的TDM业务传输通道，从测试结果来看，其性能完全满足1.5ms时延等指标要求，完全符合传统TDM业务的应用标准。就是在普通的以太网设备上，现在也可以使用各种标准的PWE3(pseudowireemulationedgetoedge)设备提供跨网段、端到端的、透明的传统点对点TDM通道。在平安性方面，EPON也使用标准的基于AES的加密技术，其平安性和GPON无区别。〔4〕QoS

在QoS方面，EPON定义了8个优先级队列，DBA算法考虑了对不同优先级队列的带宽分配策略和公平性等问题。对于数据包中的IP优先级或以太网优先级可以很容易地映射到这8个优先级队列中，再通过DBA算法保证其传输的带宽和时延，因此完全可以满足不同业务的QoS要求。GPON中OLT检测每个CONT-T的业务负荷，用于预测/分析ONU的业务流情况和网络的拥塞情况，根据网络状况给每个CONT-T分配资源，但并不涉及VP/VC或Port_ID的QoS。VP/VC或Port_ID提供的QoS保证由两端的ATM/GEMclient的相应机制来完成。对于有不同QoS要求的业务，GPON通过使用指针安排ONU用不同的传输方式来实现:调整其授权带宽和授权周期来保证业务的带宽和时延要求。实际上，在如何保证业务的QoS方面，EPON和GPON的实现机理本质上是一样的。GPON中的OAM包括带宽授权分配、DBA、链路监测、保护倒换、密钥交换以及各种告警功能。4展望EPON技术的未来EPON能够帮助解决接入网建设中的很多实际问题，如此看来，EPON的开展前景是一片光明。不过，随着FTTx市场的开展变化，还有许多需要解决的问题，有许多不确定的因素。第一个问题就是EPON和GPON的技术竞争问题。对国内市场而言，这个方程的求解还需要较长的时间。哪一种技术能够以符合要