EPON關鍵技術及實現(xiàn)原理課件

EPON關鍵技術及實現(xiàn)原理2008年2月2007-00-00內容提要FTTH技術EPON技術FTTx系統(tǒng)FTTx系統(tǒng)的基本組成：光線路終端（OLT，局端設備）光分配網(wǎng)（ODN，包含光分路器、光纖光纜及光纜分線盒、光纜交接箱等一系列無源器件）光網(wǎng)絡單元（ONU/ONT）ONU功能模塊示意圖FTTx的實現(xiàn)技術FTTx主要包括有源與無源兩種技術，當前兩種技術的市場份額相當無源光網(wǎng)絡PON逐漸成為FTTx的主要實現(xiàn)技術，包含A/BPON、EPON、GPON等傳統(tǒng)的P2P光纖接入系統(tǒng)采用媒質轉換器（MC），應用比較普遍；新的P2P標準定義了光接口、OAM等內容，改善了傳統(tǒng)MC方式存在的缺陷無源光網(wǎng)絡（PON）系統(tǒng)原理－1(a)PON系統(tǒng)中的上行方向工作原理上行工作波長范圍:1260-1360nm上行數(shù)據(jù)分時發(fā)送，各ONU的發(fā)送時間與長度由OLT集中控制－－TDMA的接入機制PON技術體制BPON業(yè)務適配復雜，業(yè)務提供能力有限，傳送速率不高，成本較高，IP業(yè)務映射效率低等原因，已經(jīng)被舍棄，不宜再采用；EPON技術由IEEE標準化。其核心是在保留傳統(tǒng)以太網(wǎng)體系結構基礎上定義了一種新的應用于PON系統(tǒng)的物理層（主要是光接口）規(guī)范、一種新的MAC多點控制層協(xié)議（MPCP），以實現(xiàn)在點到多點無源光網(wǎng)絡中的以太網(wǎng)幀的時分多址接入、一種運行維護和管理（OAM）機制。GPON由FSAN/ITU標準化（G.984）。其目標是形成傳輸速率更高、更大分路比、能高效承載多種業(yè)務并具有更強大的OAM功能的寬帶PON技術。GPON引入了一個全新的傳輸匯聚（TC）子層，并規(guī)定TC子層可以采用ATM和GEM兩種封裝方式。采用了125us的幀長及定時機制，將各種業(yè)務載荷（包括TDM和分組）都通過GFP封裝入定長幀中，可以較容易的支持TDM和話音業(yè)務，并通過帶寬指針（pointers）為每一個ONU動態(tài)分配上行帶寬。EPON和GPON已成為近期研究的熱點。PONvs.點到點光纖以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡PON：點到多點的樹形-分支結構局端設備和用戶端設備之間為全無源結構可以節(jié)約主干光纖和局端設備的光接口可擴展性好，便于維護管理

SplitterFiberCOBusiness/ResidenceP2P光纖以太網(wǎng)：點到點結構局端設備和用戶端設備之間采用獨立的一對或者一根光纖，用戶獨享，保密性好，局端和用戶端各需要1個光收發(fā)器業(yè)務透明性好，帶寬高，每個用戶的上下行帶寬都可以達到100Mbit/s甚至1000Mbit/s。消耗較多的主干光纖PONvs.點到點光纖以太網(wǎng)基于MC的點到點技術的兩種使用方式：點到點以太接入N根光纖，2N個光收發(fā)器管理獨立小區(qū)交換機接入只需鋪設1或2根光纖到小區(qū)2N+2個光收發(fā)器設備占用局端機房空間小在傳輸過程中需要有源設備設備分級管理PON的接入方式：只需鋪設1或2根光纖到小區(qū)需N+1個光收發(fā)器設備占用局端機房空間最小傳輸中不需有源設備設備集中管理局端用戶局端用戶小區(qū)交換機以32個結點為例32/64根光纖64個收發(fā)器P2PP2P1/2根光纖66個收發(fā)器局端用戶分光器P2MP1根光纖33個收發(fā)器內容提要FTTH技術EPON技術EPON基本特點PON的基本特點OLT與ONU之間信號傳輸基于IEEE802.3以太網(wǎng)幀采用8B/10B的線路編碼，數(shù)據(jù)速率為上下行對稱1Gbps,線路比特率為上下行對稱1.25GbpsP2P仿真子層是EPON/MPCP協(xié)議中的關鍵組件。以MAC控制子層的MPCP機制為基礎，MPCP通過消息、狀態(tài)機和定時器來控制訪問P2MP的拓撲結構分光比1：32支持A、B類ODN網(wǎng)絡Attenuationrange(ITU-TRec.G.982)dBClassA:5-20、ClassB:10-25、ClassC:15-30EPON分層結構參考模型（a）分層結構參考模型(b)分層結構參考模型細化EPON分層結構參考模型-層次PCS（PhysicalCodingSublayer,物理編碼）子層，PCS將GMII發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼/解碼（8B/10B），使之適合在物理媒體上傳送；PMA（PhysicalMediumAttachment,物理媒介接入子層），為PCS提供一種與媒介無關的方法，支持使用串行比特的物理媒介，發(fā)送部分把10位并行碼轉換為串行碼流，發(fā)送到PMD層；接收部分把來自PMD層的串行數(shù)據(jù)，轉換為10位并行數(shù)據(jù)。生成并接收線路上的信號；PMD（PhysicalMediumDependent,物理媒介相關）子層，為于最底層，主要完成光纖連接、電/光轉換等功能。PMD為電/光收發(fā)器，把輸入的電壓變化狀態(tài)變?yōu)楣獠ɑ蚬饷}沖，以便能在光纖中傳輸。EPON分層結構參考模型-層次接口GMII（GigabitMediumIndependentInterface,吉比特媒介無關接口），字節(jié)寬度的數(shù)據(jù)通道；TBI（TenBitInterface,十位接口），是10位寬度的數(shù)據(jù)通道；MDI（MediumDependentInterface,媒介相關接口），是串行比特的物理接口；物理媒質相關（PMD）子層規(guī)定了1000BASE-PX10和1000BASE-PX20兩種光模塊：目前的PX10/20光模塊分別可以達到1:32的分路比和10/20公里的傳輸距離；在物理層業(yè)務接口上，誤碼率小于等于10e-12。描述1000BASEPX10-U1000BASEPX10-D1000BASEPX20-U1000BASEPX20-D單位光纖類型B1.1,B1.3單模光纖光纖數(shù)目1標稱發(fā)射波長1310149013101490nm發(fā)射方向上行下行上行下行最小范圍（注1）0.5m～10km0.5m～20km最大通道插入損耗（注2）2019.52423.5dB最小通道插入損耗（注3）510dB注1：如果在鏈路上啟用前向糾錯，可獲得較大的最小傳輸范圍；也可以允許鏈路上有較高的通道插入損耗。注2：在標稱發(fā)射波長處。注3：鏈路的差分插入損耗是通道最大插入損耗和最小插入損耗之差。突發(fā)模式光收發(fā)器技術OLT光接收機的快速功率恢復要求OLT在每個接收時隙的開始處迅速調整0-1判決門限ONU光發(fā)射機的突發(fā)發(fā)射和關斷為抑制自發(fā)散射噪聲，要求ONU的激光器能夠快速的冷卻和回暖OLT光接收機的突發(fā)同步技術上行接收數(shù)據(jù)相位的突變要求OLT的接收機工作在突發(fā)模式接收狀態(tài)OLT的接收機和ONU的發(fā)射器工作在突發(fā)模式EPON的OAM功能EPON系統(tǒng)定義了一種全新的運行管理和維護協(xié)議，以支持：RemoteFailureIndication（遠端故障指示）RemoteLoopbak（遠端環(huán)回）LinkMonitoring（鏈路監(jiān)視）不支持功能和單條鏈路不相關的管理功能，比如保護倒換和設備管理業(yè)務提供和協(xié)商功能，比如帶寬分配，速率適配和速度/雙工協(xié)商等功能OAM數(shù)據(jù)的安全性保證和OAM實體的認證不在標準定義的范疇不支持設置/寫遠端MIB變量的能力特點OAM的實現(xiàn)和使能是可選的。提供一種實現(xiàn)OAM能力發(fā)現(xiàn)的機制。提供一種機構擴展機制使高層管理功能的應用成為可能EPON技術研究－MAC幀結構前導碼7Bytes幀定界符1BytesDA6BytesSA6Bytes長度/類型2Bytes數(shù)據(jù)46—1500Bytes填充不定FCS4Bytes前導碼8BytesDA6BytesSA6Bytes長度/類型2Bytes數(shù)據(jù)46—1500Bytes填充不定FCS4Bytes5555SLD5555LLIDLLIDCRC8傳統(tǒng)以太網(wǎng)MAC幀EPONMAC幀SLD:SLD指示LLID和CRC位置MPCP協(xié)議的主要特點支持規(guī)范定義的點到點仿真（P2PE）；OLT支持多個LLID和MAC客戶端；每個ONU至少支持一個LLID；支持單拷貝廣播機制；支持動態(tài)帶寬分配的靈活體系結構；使用32比特時間戳來發(fā)布定時信息；基于MAC控制的體系結構；對已發(fā)現(xiàn)設備進行測距來提高網(wǎng)絡性能；進行連續(xù)測距以補償往返時間的變化。GATE（OLT發(fā)出）允許接收到GATE幀的ONU立即或者在指定的時間段發(fā)送數(shù)據(jù)REPORT（ONU發(fā)出）向OLT報告ONU的狀態(tài)，包括該ONU同步于哪一個時間戳、以及是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。REGISTER_REQ（ONU發(fā)出）在注冊規(guī)程處理過程中請求注冊。REGISTER（OLT發(fā)出）在注冊規(guī)程處理過程中通知ONU已經(jīng)識別了注冊請求。REGISTER_ACK（ONU發(fā)出）在注冊規(guī)程處理過程中表示注冊確認。五種類型的MPCP幀MPCP在OLT和ONU之間規(guī)定了一種控制機制來協(xié)調數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；MPCP功能是基于專門的協(xié)議數(shù)據(jù)報文完成的，即MPCPDU；目前定義了5中MPCPDU：EPON的關鍵技術——MPCP控制幀REPORT消息幀報告(REPORT)消息有幾個功能。每個報告消息中的時間戳用于計算RTT。ONU在每個報告消息中指明針對每個802.1Q優(yōu)先級隊列所需的上行帶寬。報告消息用于保持ONU到OLT的激活狀態(tài)。為了保持OLT端的鏈路，ONU將周期性地發(fā)布報告消息。OLT可以明確的請求一個報告消息。

REGISTER_REQ消息幀REGISTER_REQMPCPDU由某個未發(fā)現(xiàn)ONU的MAC控制實體產(chǎn)生。該MPCPDU被標記為廣播類型的LLID。

值指示描述0保留接收時忽略1RegisterONU注冊嘗試2保留接收時忽略3DeregisterONU的重注冊請求。相應的，解除分配的MAC并重新使用LLID。4-255保留接收時忽略REGISTER_REQMPCPDU的標志域REGISTER消息幀REGISTERMPCPDU由對應于所有ONU的MAC控制實體產(chǎn)生，并被標記為廣播LLID。

值指示描述0保留接收時忽略1Register要求ONU進行重注冊2Deregister請求解除端口分配并釋放LLID，相應的也要解除MAC分配。3Ack請求重注冊成功4Nack高層實體否定重注冊請求5-255保留接收時忽略Flag域REGISTER_ACK消息幀REGISTER_ACKMPCPDU由對應于某個激活的ONU的MAC控制實體產(chǎn)生，該MPCPDU被標記為單播類型的LLID。

值指示描述0Nack上層實體否定請求的重注冊嘗試1Ack重注冊進程成功確認2-255保留接收時應忽略REGISTER_ACKMPCPDU的標志域

MPCP發(fā)現(xiàn)過程－－ONU的發(fā)現(xiàn)、注冊和認證OLT以一定間隔發(fā)送一個發(fā)現(xiàn)窗口（如1秒）。新上線的ONU可以利用這個窗口進行注冊和認證，進而被OLT接納。OLT基于MPCP消息中的timestamp字段進行測距OLT基于ONU的MAC地址進行ONU的認證ONU完成注冊后的MPCP協(xié)議交互ONU完成注冊后，系統(tǒng)維持一個Keep-alive機制：OLT定期（最低50ms一次）發(fā)送Gate消息給ONU，ONU也定期（最低50ms一次）的發(fā)送Report消息給OLT如果OLT；如果OLT在一定時間內沒有收到ONU發(fā)來的任何MPCP消息，則認為該ONU的MPCP協(xié)議異常，將解注冊（Deregister）該ONU；如果ONU在一定時間內沒有收到OLT發(fā)來的任何MPCP消息，則認為與OLT之間的鏈路異?；蛘逴LT的MPCP協(xié)議異常，也將自動解注冊；MPCP協(xié)議基于MPCPDU中的timestamp進行動態(tài)測距，確保多個ONU上行TDMA的有序性MPCP發(fā)現(xiàn)過程進程由OLT發(fā)起，它周期性地產(chǎn)生合法的發(fā)現(xiàn)時間窗口(DiscoveryTimeWindows)，使OLT有機會檢測到非在線的ONU。發(fā)現(xiàn)進程的下一步是OLT向新發(fā)現(xiàn)的ONU發(fā)送注冊(Register)消息，該消息包含ONU的LLID以及OLT要求的同步時間。OLT可以要求ONU重新執(zhí)行發(fā)現(xiàn)進程并重新注冊。同樣，ONU也可以通知OLT請求注銷，然后通過發(fā)現(xiàn)進程進行重注冊。

測距OLT與各ONU間的環(huán)路時延不同：各ONU距OLT的光纖路徑不同各ONU元器件的不一致性環(huán)境溫度的變化和器件老化，環(huán)路延時也會發(fā)生不斷的變化測距是保證PON系統(tǒng)內ONU上行方向不發(fā)生時隙沖突的基礎測距包括靜態(tài)測距和動態(tài)測距：靜態(tài)測距：用在新的ONU安裝調試階段、停機的ONU重新投入運行時，通過開窗測距技術獲得往返時延，并對時延差異進行補償動態(tài)測距：應用于系統(tǒng)運行過程中，通過檢測往返時延的變化對溫度、光電器件老化等因素的影響進行補償測距要求測距精度高，一般要求在全1～2bit內測距過程對運行中的其它ONU的影響最小，保證運行業(yè)務的QOS測距范圍大，即能提供的均衡延時大EPON－測距OLTONUt0OLT本地時間=t0OLT本地時間=t2MPCPDU的時間戳域為t0設置ONU本地時間=t0ONU本地時間=t1MPCPDU的時間戳域為t1時間時間t1t0t0t1TdownstreamTupstreamTwaitTresponseRTT=Tdownstream+Tupstream=Tresponse–Twait=（t2-t0）-（t1-t0）=t2-t1EPON中下行TDM的實現(xiàn)OLT根據(jù)以太網(wǎng)幀的目的ONU在每個以太網(wǎng)幀的Preamble中打上不同的LLID，然后復用到GE鏈路，并廣播到該PON下的所有ONU；PON下的ONU能夠接收到所有用戶的下行業(yè)務，ONU根據(jù)接收到的以太網(wǎng)幀的preamble中的LLID過濾出屬于自己的以太網(wǎng)幀：如果該LLID等于OLT給自己分配的LLID，則接收并轉發(fā)該以太網(wǎng)幀；如果該LLID不等于OLT給自己分配的LLID，則丟棄該以太網(wǎng)幀；EPON中上行TDMA的實現(xiàn)OLT和ONU為主從管理ONU上行方向的TDM完全由OLT靜態(tài)或者動態(tài)控制OLT給每個ONU發(fā)布授權（grant）：授權以窗口的形式存在，特定的窗口發(fā)布給特定的ONU；（grantwindow由Gate發(fā)布給ONU）ONU僅在屬于自己的grantwindow中向OLT發(fā)送上行業(yè)務OLT發(fā)布grantwindow時已經(jīng)考慮了各ONU與OLT距離的差別（RTT）動態(tài)帶寬分配（DBA）機制相對于靜態(tài)帶寬分配（SBA），DBA是指OLT基于用戶的業(yè)務等級協(xié)議（SLA），結合ONU的本地隊列狀態(tài)的匯報（Report幀中的Queue＃nReport）或者業(yè)務預測動態(tài)的給ONU發(fā)布上行業(yè)務授權優(yōu)點：實現(xiàn)高效的上行帶寬利用率和服務質量保證DBA是采用輪詢ONU的方式，例如每1ms給該PON下所有ONU各分配一次grant（每個ONU的grant的大小可能是不同的）。Cycletime對上行業(yè)務時延有一定影響DBA的具體要求：業(yè)務透明低時延和低時延抖動公平帶寬分配健壯性好實時性強DBA的原理DBA的工作流程是Gate－Report－Gate－Report，如此循環(huán)OLT給ONU發(fā)布的grant在Gate消息中承載；ONU通過Report消息使OLT了解其本地的隊列狀態(tài)和業(yè)務流量Grant的分配是基于特定算法的。DBA要按照SLA進行grant分配（包括保證帶寬、最大帶寬等參數(shù)典型的DBA算法兩級調度算法ONU上報隊列的總帶寬請求可以設置多個閾值（隊列集）OLT基于ONU的REPORT和SLA為每個ONU分配帶寬，ONU本地帶寬調度QoS保證能力能夠滿足Triple-Play的要求下行數(shù)據(jù)的安全性因為PON的多點廣播特性，所有的下行數(shù)據(jù)都會被廣播到PON系統(tǒng)中所有的ONU上。如果有一個匿名用戶將它的ONU接收限制功能去掉，那么它就可以監(jiān)聽到所有用戶的下行數(shù)據(jù)，這在PON系統(tǒng)中稱為“監(jiān)聽威脅”PON網(wǎng)絡的另一個特點是，網(wǎng)絡中ONU不可能監(jiān)測到其它ONU的上行數(shù)據(jù)在PON上解決安全性的措施是OLT對下行信息加密（包括所有的數(shù)據(jù)幀和OAM幀）系統(tǒng)應針對每個LLID進行攪動，每個LLID有獨立的密鑰。加密的核心問題包括：加密算法密鑰的產(chǎn)生和傳遞密鑰的更新與同步下行數(shù)據(jù)安全性加密算法：AES-128;安全性很高，但不符合國內的商用密碼管理條例Churning；安全性較低，簡單Triple－Churning：中國電信的專利技術，提高了churning的安全性中國電信采用TripleChurning算法密鑰是ONU由上行用戶數(shù)據(jù)中提取的3字節(jié)數(shù)據(jù)與3字節(jié)隨機數(shù)ExclusiveOR(XOR)異或相加的結果密鑰由ONU以OAM消息的方式傳送給OLT，OLT利用這個密鑰根據(jù)特定的加密算法對下行數(shù)據(jù)進行加密密鑰更新：密鑰必須周期性更新；密鑰同步：因為密鑰需要定期更新，所以需要一個同步機制，使ONU能夠知道當前使用的哪個密鑰業(yè)務QoS處理EPON支持IEEE802.1p支持IPTOS隊列調度算法：SP、WRR、SP+WRR支持端口限速….EPON-業(yè)務QoS處理與帶寬控制交換板PON卡EPONEPONTDM業(yè)務處理（網(wǎng)關）GE10/100M/GEONUONUONU采用IEEE802.1p或IPTOS機制，實現(xiàn)業(yè)務優(yōu)先級區(qū)分業(yè)務擁塞發(fā)生在交換芯片上PON系統(tǒng)上下行基本不會擁塞，但須進行更精確的帶寬控制和管理無連接、只能簡單的控制帶寬（根據(jù)LLID—1個ONU）一個PON口相當于交換芯片的一個邏輯端口TDMoverEPON技術（1）IEEE802.3本身不關注如何在EPON中承載TDM業(yè)務，可以采用電路仿真CESOP提供TDM業(yè)務接入功能CESOP技術基本思想就是在分組交換網(wǎng)絡上搭建一個“通道”，在其中實現(xiàn)TDM電路，從而使網(wǎng)絡任一端的TDM設備不必關心其所連接的網(wǎng)絡是否是一個TDM網(wǎng)絡。CESOP的技術難點：TDM信號與以太網(wǎng)之間高效合理的適配封裝TDM信號的嚴格同步定時；電路業(yè)務的QoS的保證：分組丟失、分組包亂序、包抖動分組交換網(wǎng)絡TDM電路（如E1）TDM電路（如E1）基于分組網(wǎng)絡的電路仿真業(yè)務（CESoP）TDMoverEPON技術（2）CESoP標準化TDMoverEPON技術小結EPON承載TDM的兩種主要方式――TDMoE（MEF）和TDMoIP（PWE3）在標準上已比較成熟EPON系統(tǒng)采用分組方式承載TDM（CESoP）的性能能滿足G.703的要求，可以為商業(yè)客戶提供E1專線業(yè)務。TDMoE在帶寬效率上好于TDMoA和TDMoIP目前采用PWE3和MEF的芯片較少，現(xiàn)網(wǎng)應用有限，其實際傳輸效果有待進一步驗證，建議進一步跟蹤技術進展，可在芯片進一步成熟的基礎上，采用TDMoE方式時鐘恢復可以采用自適應方式或者差分方式如果要利用EPON的E1業(yè)務接口傳遞時鐘信號（如為3G基站提供時鐘輸入），需要采取特殊的時鐘恢復方式（差分時鐘恢復方式或者ONU采用自適應+高精度本地晶振）單拷貝廣播充分發(fā)揮EPON網(wǎng)絡點到多點結構的特點，實現(xiàn)在EPON系統(tǒng)中高效視頻組播，使同一個組播組的用戶共享一條流，從而提高下行帶寬的利用率。光纖保護倒換：骨干光纖冗余OLT：采用單個PON端口，PON口處內置1×2開關，由OLT檢測線路狀態(tài)光分路器：使用2:N光分路器；ONU：無特殊要求。光纖保護倒換：OLTPON口冗余OLT：備用的OLTPON端口處于冷備用狀態(tài)，由OLT檢測線路狀態(tài)、OLTPON端口狀態(tài)，倒換應由OLT完成。光分路器：使用2:N光分路器；ONU