EPON系统关键技术和相关测试方法分析

   信息产业部电信研究院 刘册

近年来，随着互联网中多媒体信息的日益丰富，网络带宽的需求量在成倍增长。接入网的带宽瓶颈问题变得越来越突出，现有的xDSL技术已经使以铜线资源为传输介质的接入网带宽发挥到了接近理论极致，仍难以满足日益增长的需求；而光接入网的引入无疑是解决接入网带宽瓶颈问题的有效方式。所谓光接入网（OAN）是指在本地交换机或端模块与用户之间采用光纤（或部分采用光纤）为传输介质的通信系统。它从形式上可分为有源光网络（AON）和无源光网络（PON）。在AON中，主要采用SDH、PDH、Ethernet的有源设备为节点，设备往往要完成光-电信号转换的再生过程，优点是节点设备大多具有智能性，可以上/下或终结业务；缺点是网络成本高，管理、维护成本高。PON是一种树状结构的全光网络，采用点到多点拓扑结构和稀疏波分复用(CWDM)技术来解决双向传输问题，具有节约光纤资源和便于运营、维护的特点，适合在接入网使用。因此，许多国家和ITU组织更注重推动无源光网络在接入网的发展。

     一、技术发展与标准化情况

    目前，大量应用于宽带光接入网的技术主要是以GPON、EPON为代表的无源光网络技术。GPON是ITU组织推出并持续致力于研究的技术，在ITU-TG.984系列标准中规定了GPON的物理层、TC层和OAM相关功能。由于ITU在制定GPON标准的过程中考虑到对传统TDM业务的承载问题，沿用了125ms固定帧结构，以保持8k定时基准；而为了支持ATM等业务，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。以上因素加大了GPON系统的技术复杂度，在一定程度上阻碍了其商用推广。EPON是IEEE组织推出并持续致力研究的技术，它是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，它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IEEE802.3ah，该标准规定了EPON的物理层、MPCP(多点控制协议)、OAM(运行管理维护)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。过去的一年中，我国技术人员也在积极制定适合我国发展需求的EPON系列的相关行业标准。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（EPON）（2006年12月发布）。

    二、EPON的体系结构

    EPON由光线路终端（OLT）、光分配网络（ODN）和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构。使用上行1310nm和下行1490nm波长传送数据和语音，CATV业务使用1550nm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之间通过无源的光分配网络按照1:16/1:32/1:64等方式连接（系统参考配置如图1所示）。

    三、EPON系统的关键技术和测试方法

    1.上行接入方式

    (1)ONU突发工作方式分析

    在EPON系统中，上行方向（ONU到OLT），ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU，且各ONU共享上行信道。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用TDMA多址接入方式并对各ONU的数据发送进行仲裁，考虑到以太网业务的突发性，如果给每个ONU分配固定的时隙或随机竞争占用时隙，将会使带宽利用率大幅度下降。目前，普遍应用的算法是一种简单可行的基于轮询带宽分配算法——即先由OLT对已注册的ONU进行轮询，发信ONU通过上行信道向OLT提出带宽申请，再由OLT进行调度，决定ONU发送数据帧，并将调度信息通过下行信道发送给ONU，这样就可以从逻辑上解决共享信道带宽分配的问题。故此，在大部分时间里，ONT是不发光的（在大约100ms时间内，ONT只有约2μs时间是放光的）。另外，ONU只有探测到来自OLT的光信号才能激活，正常工作，所以使用常规的测试方法和普通功率计将无法测量ONU的上行突发光功率。

    (2)测试方法

    为保证测试的准确性和可靠性，首先要保证ONU与OLT之间的光链路是连通的，即测量仪表应具有"通过（或透传）"模式；其次要考虑到ONU发送信号的突发性，测量仪表应具有脉冲记录功能，测试配置如图2。

    如果测试仪表不具备"通过（或透传）"模式和脉冲触发记录功能，需考虑采用分光测试和时域分析法计算出ONU的突发光功率，测试配置如图3。从光功率计读出平均发射功率P1，断开光功率计连接上示波器，测量ONU总的发送周期T1和实际发送信号的时长T2，则P=P1+10log2N+P2，其中N=T1/T2，P2为加入的1:2光分路器的插入损耗（dB）。

    值得我们注意的是：在测试ONU的其它光接口参数（如过载光功率、接收灵敏度、光信号眼图和光谱特性等指标）时，也应考虑到其信号突发的工作特性，采用相应的测试方法，在这里就不赘述了。

    2.测距技术

    (1)测距原理

    由于ONU与OLT之间光链路长度各不相同，使得信号时延也各不相同，可能会造成ONU的上行数据帧发生碰撞，因此必须采用测距技术加以补偿，保证各ONU到OLT的逻辑距离是相同的。这个逻辑距离时间就是均衡环路时延，它是一个常数。

    测距的程序相应分为两步：第一步，静态粗测——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；第二步，动态精测——在有业务运行的情况下实时进行动态精测，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。

    EPON系统测距方式采用GATE/REPORT机制，即ONU到OLT的同步是通过GATE/REPORT控制帧中的时间标记（timestamp）来实现的。在OLT中有一个计时器，OLT根据这个计时器来设置各个ONU的计时器。首先要测出往返时间（RTT），然后由OLT在绝对时间T0发送一个GATE，其中包括一个时间标记T0；当ONU在T1时间收到GATE帧，将本地的计时器重新设置为T0；然后在T2时刻发送REPORT帧；最后在T3时刻OLT收到该REPORT帧；这样，RTT=T3-T2，如图4所示。

    (2)测试方法

    基于以上原因，EPON系统的测距性能测试变得尤为重要，在制定测试方案时应考虑测试项目、测试参数的充要性，仅仅做功能性验证是远远不够的，这里给出YD/T1531-2006标准中描述的测试方法。

    a.测距范围

    定义：EPON系统应保证OLT对ONU进行测距能覆盖标称的最小距离和最大距离，最小距离0km，最大10km/20km。

    测试方法：配置系统在最大分路比下工作，ONU1～ONUn-1与OLT距离为0km（通过分路器直连），ONUn与OLT距离为10km/20km；确保所有ONU正常工作后，在OLT侧对各ONU分别测距；如果所有ONU都能正常测距，用误码测试仪或网络分析仪监视所有ONU是否能正常工作（对于TDM业务，要求无误码；对于IP业务，要求在吞吐量的90%时，无丢包），测试配置见图5。

    b.测距精度

    定义：测距所能达到的最小时间范围，测距精度为±16ns。

    测试方法：例如对图5中ONU3进行测距，记录测距值为b1；在ONU3加入3m的光跳线（根据EPON测距精度为16ns，可以推算出光跳线的长应为1.6～3.2m之间，测试时可取3m的光跳线）；重新对ONU3进行测距，记录测距值为b2；去掉光跳线，再对ONU3进行测距，记录测距值为b3；计算测距值的变化"b2-b1|和|b2-b3|应小于等于16ns。值得注意的是在测试过程中应考虑EPON测距机制的特点，可能产生64ns左右的偏差，应采取适当措施加以控制。

    c.动态测距

    定义：在业务正常运行的情况下实时地进行动态精测，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。

    测试方法：在标准中没有给出明确的测试方法。可考虑将被测试EPON系统置于环境箱内，配置系统在最大分路比下工作，且在OLT与各ONU间分别接入不同长度光跳线（覆盖0～10km/20km范围）；如果系统在完成静态测距后进入正常工作状态，启动环境测试（温度变化范围应覆盖系统标称的工作温湿度范围）；观察测距数据变化，同时用误码测试仪或网络分析仪监视所有ONU是否能正常工作（对于TDM业务，要求无误码；对于IP业务，要求在吞吐量的90%时，无丢包），建议测试时间不小于24h。

    四、结束语

    用户对网络带宽需求量的增长，促使光接入网技术飞速发展，EPON以其自身的技术优势在接入网已经逐步走向商用。产品的质量是推动产业发展的关键因素之一,科学、严谨的测试方法，完善、精准的测试体系可以实现对产品质量的客观分析和评估。以上阐述的仅仅是EPON系统中部分关键技术的测试方法，完整的测试还应包括接口电气特性测试、协议测试、性能测试、网络与信息安全测试、电气安全测试、环境适应性测试等诸多方面。