EPON的标准化与关键技术

摘要：本文简要介绍IEEE802．3 EFM 正在研究的EPON技术。以及EPON作为一种宽带接入技术的优势、EPON的基本工作原理和实现EPON关键的技术问题。

李 勇 信息产业部武汉邮电科学研究院

PON系统在90年代初期就出现了。1996年IrrU—T完成了对G．982的标准化，其主要目标是对2Mbit／s以下接入速率的窄带PON系统进行定义。与此同时，以ATM为基础的PON(即APON系统)也发展较快。1998年ITU—T正式通过了G．983．1建议，即基于PON系统的高速光接入系统，对APON系统进行了详尽的规范。G．983．1建议主要规定标称线路速率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求、会聚层要求、测距方法和传输性能要求等。1999年IrI’U—T又推出G．983．2建议即APON的光网络终端(ONT)管理和控制接口规范，该建议主要从网络管理和信息模型上对APON系统进行定义，以确保不同厂商的设备可实现互操作。

随着Intemet的高速发展，用户对网络带宽的需求不断的提高，各种新的宽带接入技术已成为目前研究的热点。正是在这种背景下，IEEE于2000年底成立了EFM工作组(Ethernet in the First Mile StudyGroup)，试图引入一种新的接入技术标准-EthernetPON(或Ethernet over PON，以下简称EPON)。顾名恩义，EPON是利用PON(无源光网络)的拓扑结构实现以太网的接入。除IEEE研究组外，EPON提倡者还计划参加其它标准化组织，例如rrU—T和IETF(Intemet Engineering Task Force)。甚至他们还有可能就此计划和FSAN组织联系，FSAN文件并未排除非ATM协议，FSAN文件所包括的范围很广，包括了许多最后一公里的问题，例如G．983的许多部分仍然保持有效，很可能IEEE 802．3的EFM组会集中精力为EPON开发MAC协议，其他的所有部分都引用FSAN。这也是EPON实现标准化的最快途径。

本文将对EPON作为一种宽带接入技术的优势、EPON的基本工作原理进行讨论。其中包括对EPON提供的业务质量进行分析，最后对EPoN必须解决的几个关键技术难点进行了阐述。

1、 EPON技术的优势

tEEE EFM 工作组的目的是在现有IEEE802．3协议的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧。总结起来，EPON相对于现有类似技术的优势主要体现在以下几个方面：

(1)与现有以太网的兼容性：EPON的基本做法是在G．983的基础上，设法保留APON(ATM PON)的精华部分—— 物理层PON，而用以太网代替ATM作为数据链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体。这一思想已经在以太网界获得了积极响应。以太网技术，是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。EPON只是对现有IEEEgO2．3协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。

随着EPON标准的制定和EPON的使用，在WAN和LAN连接时将减少APON在ATM和IP协议间转换的需要。

(2)高带宽：根据目前的讨论，EPON的下行信道为百兆／干兆的广播方式，而上行信道为用户共享的百兆／千兆信道。这比目前的接入方式，如Modem、ISDN、ADSL甚至RTM PON (下行622／155Mbps，上行共享155Mbps)都要高得多。

(3)低成本：EPON提供较大的带宽和较低的用户设备成本，首先，由于采用PON的结构，EPON网络中减少了大量的光纤和光器件以及维护的成本。降低了预先支付的设备资金和与SONET及ATM有关的运行成本。其次，以太网本身的价格优势，如廉价的器件和安装维护使EPON具有ATM PON所无法比拟的低成本。

(4)为灵活供应和快速的服务重组提供了方便。提供了多层安全，例如限制用户、支持虚拟专用网的VLAN、IP安全(IPSec)等。最后，电信公司可以通过在EPON体系结构上开发的广泛而灵活的服务来增加收入，例如管理防火墙、语音交易支持、VPN和Intemet接入。

2、 EPON技术的基本网络结构

虽然，EPON 的网络结构在目前还没有定论，但肯定会采用PON的结构，因此，讨论中许多成员都沿用了删一T G．983 中定义的ATM PON的结构来描述EPON，如图1所示。

由业务网络接口到用户网络接口间为EPON，而EPON通过SNI与业务节点相连，通过UNI与用户设备相连。EPON主要分成三部分， 即OLT(Optical Line Termination)、O13N(OpticM Distribution Network)和ONU／ONT(Optical Network Unit／Optical Network Termination)组成。其中OLT位于局端，ONU／ONT位于用户端(其区别为ONT直接位于用户端，而ONU与用户间还有其它的网络如以太网)。OLT到ONU／ONT的方向为下行方向，反之为上行方向。OLT根据IEEE 802．3协议，将数据以可变长度的数据包广播传输给所有在PON上的ONU，每个包携带一个具有传输到目的地ONU标识符的信头。此外，有些包可能要传输给所有的ONU，或者指定的一组ONU。当数据到达ONU时，它接收属于自己的数据包，丢弃其它的数据包。利用TDMA技术，多个ONU的上行信息组织成一个TDM信息流传送到OLT。在TDMA技术中将合路时[FS:Page]隙分配给每个ONU，每个ONU的信号在经过不同长度的光纤(不同的时延)传输后，进入光分配器的共用光纤，正好占据分配给它的一个指定时隙，以避免发生相互碰撞干扰。

尽管在结构上与ATM PON类似，但EPON在功能和实现上都与ArI’M PON有所不同，因此，其各部分实现的功能也和ATM PON不同：

(1)OLT：作为EPON的核心，OLT应实现以下功
① 向ONU以广播方式发送以太网数据。
②发起并控制测距过程，并记录测距信息。
③ 发起并控制ONU功率控制。
④为ONU分配带宽，即控制ONU发送数据的起时间和发送窗口大小。
⑤ 其它相关的以太网功能。

(2)ODN：由无源光分路器和光纤构成。

(3)ONU／ONT：ONU／ONT为由户提供EPON接人的功能。
①选择接收OLT发送的广播数据。
②响应OLT发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整。
③对用户的以太网数据进行缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送。
④ 其它相关的以太网功能。
从EPON 中功能划分可以看出，EPON中较为复杂的功能主要集中于OLT，而ONU／ONT的功能较为简单，这主要是为了尽量降低用户端设备的成本。

3 EPON的层次模型
对于以太网技术而言，PON是一个新的媒质。
802．3工作组定义了新的物理层。而对以太网MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质。EPON的层次模型按照2003年1月发布的IEEE 802．3ah Draft 1．3规定(图2)。

EPON系统通过一条共享光纤将多个DTE连接起来，其拓扑结构为不对称的基于无源光分路器的树形分支结构。MPCP就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制机制。

EPON作为EFM讨论标准的一部分，建立在MPCP(Muhi—Point Control Protocol多点控制协议)基础上，该协议是MAC control子层的一项功能。MPCP使用消息、状态机、定时器来控制访问P2MP(点到多点)的拓扑结构。在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体，用以和OLT中的MPCP的一个实体相互通信。作为EPON／MPCP的基础，EPON实现了一个P2P仿真子层，该子层使得P2MP网络拓扑对于高层来说就是多个点对点链路的集合。该子层是通过在每个数据报的前面加上一个LLID(Lo~cMLink Identification)逻辑链路标识来实现的。该LLID将替换前导码中的两个字节。PON将拓扑结构中的根结点认为是主设备，即OLT；将位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即ONUs。MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收。系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告，以便优化PON系统内部的带宽分配。EPON系统通过MPCPDU来实现OLT与ONU之间的带宽请求、带宽授权、测距等。

MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配，ONU的自动发现和加入，向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。MPCP多点控制协议位于MACControl子层。MAC Control向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。

4 EPON系统的关键技术

如前所述，EPON技术目前还处在研究讨论阶段，还有许多问题有待解决，基于以太网技术的EPON宽带接入网，与传统的用于计算机局域网的以太网技术不同，它仅采用了以太网的帧结构和接口，而网络结构和工作原理完全不同。虽然EPON有许多诱人的优点，但是要想解决关键技术问题，难度却很大。

4．1 上行信道复用技术

可以说上行的复用技术是EPON技术的核心，从目前的研究来看， 大多数方案都使用了DWDM+TDMA的复用方法。DWDM的使用是发展的趋势，但主要取决于光器件。因此， 主要讨论的焦点将是TDMA的实现方法，即如何使用TDMA的方法使上行信道的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求。其中，上行带宽的分配方法、ONU发送窗口固定还是可变、最大的ONU发送窗口应为多大、ONU发送窗口的间隔、以太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定。

4．2 测距和时延补偿技术

测距的目的是补偿因为ONU与OLT之间的距离不同而引起的传输时延差异，使所有ONU感觉到与OLT的逻辑距离相同。由于各个ONU信号到达OLT的时[FS:Page]间不确定，并且到达OLT的时延也不同，各个ONU的上行帧会发生碰撞，因此必须采用测距技术进行补偿。各个ONU到OLT的物理距离的不同、环境温度的变化和光电器件的老化等因素都可能产生传输时延。测距的程序可以分为粗测和精测。在ONU的注册阶段，进行静态粗测补偿由物理距离差异造成的时延，而在通信过程中实时进行动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移。测距方法有扩频法、带外法和带内开窗法等几种。为了不中断其它ONU的正常通信，可以规定测距的优先级较信元传输的优先级低，这样只有在空闲带宽充足的情况下才允许静态开窗测距，使得测距仅对信元时延和信元时延变化有一定的影响，而不中断业务。另外，测距过程应充分考虑到整个EPON的配置情况。例如，系统在工作中加入新的ONU，此时对它的测距不应对其它ONU有太大的影响。由于TDMA存在以上的许多关键技术难题， 拟议中的EPON也有可能采用波分复用和微波副载波接入。

4．3 突发信号的收发

由于EPON上行信道是所有ONU分时复用的，每个ONU只能在指定的时间窗口内发送数据。因此，EPON上行信道中使用的是突发信号，这就要求在ONU和OLT中使用支持突发信号的光器件。现有的大部分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155Mbps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地开启和关断，迅速建立信号，因而传统的电光转换模块中采用的加反馈自动功率控制将不适用，并且需要使用响应速度很快的激光器。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阈值调整电路可以在几个比特内迅速建立起阈值，接收电路根据这个门限正确恢复数据。可以说，这是EPON技术面临的一大问题，但是， 目前已有厂商正在研制满足EPON要求的光器件，相信随着EPON标准的制定，会有更多的产品出现。此外，突发模式的上行信号会引入光放大器的“浪涌”效应。EDFA输出会达到数瓦，这种高功率有可能“烧坏”光连接器和接收机。

4．4 实时业务传输质量

EPON具备许多成本和性能方面的优点，使得服务提供商们能够在高度经济的平台上传输可产生收益的服务。然而，对于EPON厂商来说，关键的技术挑战是增强以太网的能力，以保证实时语音和IP语音服务能够在单一平台上传输，而且与ATM或SONET有同样的服务质量，易于管理。目前EPON厂商正在着手解决这个问题。其中一个实现技术是采用TOS字段。TOS字段提供8层优先级，从而保证信息包按照重要程度传输；另一种技术叫做带宽预留，它提供了一条开放的大路，为POTS交易保证反应时间，从而使数据不必竞争。除此之外，下行信道安全性、如何实现VLAN等也是影响EPON应用前景的问题，必须加以考虑。基于以太网技术的宽带接入网应该具有高度的信息安全性、电信级的网络可靠性、强大的网管功能，并且能保证用户的接入带宽，这些问题也需要解决。EPON现在还处于商业开发的早期阶段，今年出现了初步的试验配置。相比之下，虽然APON已经优先启动了一小部分市场，但是企业界的趋势更看好EPON，这包括快速增长的数据交易和日益重要的快速以太网和千兆以太网服务。另外，光IP以太网结构承诺根本改变在单一网络上传输打包的语音、数据和电视服务的方法，可以把内容提供商、服务提供商、网络运营商和设备制造商集合到一起，为企业提供通信打包服务。在广泛采纳光纤和以太网技术的坚实基础上，通信行业不久将可能进入一个全新的设备配置时期。另外，随着城域网络和接入网系统中以太网技术的大量使用，PON技术也逐渐发展出与以太网相兼容的EPON技术。EPON通过对IEEE802．3协议进行一些修改，以实现在用户接入网络中传输以太网帧。利用以太网的优势，EPON成为PON技术发展的一个方向。可以预见， 不久以后EPON将很可能成为IEEE802．3协议中的又一重要成员，EPON的快速发展将进一步表明PON具有其他接入技术无法比拟的优势。