EPON----全新的宽带接入技术

　　刘溯　李昕　何越
　　摘要：本文全面地介绍了目前一种先进的宽带接入技术----以太无源光纤网络（EPON）接入技术，介绍了EPON的工作原理以及技术特点。

　　关键词：宽带接入　点到多点　EPON　ONU　OLT

　　1　无源光纤网络的发展过程

　　无源光纤网络为服务供应商的中心机房和商业及居民客户之间解决了最后一公里的网络通信基础。众所周知，在接入网和本地环路中，在最后一公里的居民区范围里，电话铜线和CATV的同轴电缆的分布占有很大的优势。在城域范围内，商业用户比较集中的区域一般采用高容量的SONET环、光纤T-3线路或者基于铜线的T-1来解决用户接入问题。

　　一般说来，租用一条T-3(45Mbit/s)或OC-3（155Mbit/s）线路，每个月的租金至少需要20000-30000元，只有大型企业才能够负担这样高昂的费用。对于中型规模的企业，通常会选择T-1接入，月租金大约为3000元。但是大多数小规模的企业和广大住宅用户只能采用基于电话线路的窄带接入（POTS和拨号）。现在，DSL和Cable Modem作为过渡技术，提供了比较便宜的数据传输服务，但是这些技术也有其缺点，如实施比较困难，施工周期比较长，带宽受到传输距离和现有线路的质量影响较大，对话音服务支持不好等。

　　虽然接入网的发展相对缓慢，远距离网络传输的带宽却因为波分复用（WDM）等新技术的应用而迅速增长。近来WDM已经开始渗透到城域网范围。与此同时，企业内部的局域网已经从10Mbit/s升级到100Mbit/s，其中很多不久还会升级到1000Mbit/s。城域网具有巨大的带宽容量，末端用户的带宽需求也不断增长，而“最后一公里”的接入就成为了两者之间的瓶颈。根据Vertical Systems Group的调查，在1999年，76％的美国商业用户，其公司所在位置方圆一英里范围内都有光纤接入点，但是却没有光纤连接到公司。近年来，运营商们一直在设法给网络市场的接入段提供廉价的宽带。然而，接入网中存在大量的断点。虽然在长距离传输网和城域段中的投资已经很大，但在网络的边缘却发展很慢。技术和经济的原因阻碍了接入市场上廉价宽带的采用。

　　人们关注EPON技术已经超过十年了。最近，由于光部件价格的大幅下降和终端用户带宽需求的增长，PON已经显示出了它的经济性和技术上的可行性。无源光纤网络技术可以为最终用户提供至少达T-1到OC-3的接入带宽，从而消除了接入中最后一公里的带宽瓶颈。无源光纤网络主要有两种类型：ATM PON和Ethernet PON。

　　（1）ATM PON

　　ATM PON是FSAN(Full Service Access Network)联盟于90年代中期开发完成的。当时为了制定一个基于光纤能够为商业用户和居民用户提供包括IP数据、视频、以太网等服务的标准，顺理成章地选择ATM和PON分别作为网络协议和网络平台，因为当时ATM被看作是能够提供各种类型通信的唯一协议，而PON是最经济的宽带光纤解决方案。后来FSAN使用的ATM　PON格式成为ITU的标准，即ITU-T Rec.G.983。然而APON接下来的发展并不如意，各个APON厂商的产品目前仍然难以实现互通，APON的市场也并没有打开。

　　（2）Ethernet PON

　　由于技术和市场的原因使得ATM已经从局域网上全面败退。与此同时，IP/Ethernet却越来越得到人们的青睐。以太网的传输速率从10Mbit/s、100Mbit/s发展到1000Mbit/s，现在10Gbit/s的以太网已经投入使用。由于DWM等新技术在以太网中的使用使得IP/Ethernet逐步走向WAN和MAN市场。

　　目前，包括Salira在内的一些新兴公司认为，把Ethernet和PON技术结合起来可以克服ATM PON的很多缺点，例如缺乏视频传输能力、带宽有限、系统复杂以及价格昂贵等等，利用Ethernet的简单性，从而在接入网上提供低价格高效率的宽带。

　　Salira的首期目标是FTTB（fiber-to-the-business）和FTTC（fiber-to-the-curb）系统，然后再发展到FTTH（fiber-to-the-home），通过一个简单的平台为用户提供包括数据、视频和语音在内的全面服务。EPON可以提供比APON更高的带宽和更全面的服务，成本却很低，同时EPON的体系结构也符合G.983标准的大多数要求。

　　从2000年开始，Ethernet over PON的概念开始引起设备供应商和运营商的很大兴趣。在IEEE802.3 EFM(Ethernet for the First Mile)研究组的头两次会议上，压倒多数的人投票同意继续研究这个课题，并加速EPON的标准化工作。这个组织已经指出了以Ethernet为中心的EPON的许多优点，包括成熟的协议，易于扩展，面向用户以及采用现成的知识和技术等等。共有69个公司参加了EFM小组，包括3Com、Cisco Systems、Intel、Salira和Alloptic等等。

　　2　EPON的工作原理

　　EPON是几种最佳的技术和网络结构的结合。EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95％以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，从而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10Gbit/s以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后一公里的解决方案。

　　在一个EPON中，不需任何复杂的协议，光信号就能精确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各ONU与OLT之间突发性数据通信和实时的TDM通信，在协议的第二层，EPON采用成熟的全双工以太技术，使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需CDMA/CD，从而充分利用带宽。另外，EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON类似的QOS。

　　一个典型的Ethernet over PON系统由OLT、ONU、POS组成。OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房（CO,Central Office），ONU（Optical Network Unit）放在网络接口单元（NIU：Network Interface Unit）附近或与其合为一体。POS（Passive Optical Splitter）是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。

　　在一个EPON系统中，OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务平台（MSPP），它提供面向无源光纤网络的光纤接口。根据以太网城域和广域发展的趋势，OLT上将提供多个Gbit/s和10Gbit/s的以太接口，支持WDM传输。为了支持其他流行的协议，OLT还支持ATM、FR以及OC3/12/48/192等速率的SONET的连接。如果需要支持传统的TDM话音，普通电话线（POTS）和其他类型的TDM通信（T1/E1）可以被复用连接到PSTN接口。OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QOS/SLA的不同要求进行带宽分配、网络安全和管理配置。

　　OLT根据需要可以配置多块OLC（Optical Line Card），OLC与多个ONU通过POS连接，POS是一个简单设备，它不需要电源，可以置于全天候的环境中。一般一个POS的分线率为8、16或32，并可以多级连接。

　　在EPONk，OLT到ONU间的距离最大可达20km，如果使用光纤放大器（有源中继器），距离还可以扩展。

　　EPON中的ONU采用了技术成熟而又经济的以太网络协议。在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第二层第三层交换功能。这种类型的ONU可以通过层叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。因为都使用以太协议，在通信的过程中，就不再需要协议转换，实现ONU对用户数据的透明传送。ONU也支持其他传统的TDM协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。在更高带宽的ONU中，将提供大量的以太接口和多个T1/E1接口。当然，对于光纤到家（FTTH）的接入方式，ONU和NIU可以被集成在一个简单的设备中，不需要交换功能，从而可以在极低的成本下给终端用户分配所需的带宽。

　　远程业务分配控制（remote provisionig）管理可以让运营商通过对用户不同时段的不同业务需求做出响应，这样可以提高用户满意度。运营商可以通过中心管理系统（central management system）对OLT、ONU等所有网络单元设备进行管理，还可以为用户提供可管理的CPE业务。PON系统可以很灵活地根据用户的需要来动态分配带宽，例如：一个互动游戏的开发者，平时需要5Mbit/s的带宽与其公司交流信息，而当准备在他的网站上发行一个受欢迎的游戏时，运营商就可以在游戏发行期间，根据用户的要求，为其分配更多的带宽。带宽的分配可以很细密的方式进行，最小可达64kbit/s为单位增加或减少，这方面和SONET/SDH的呆板结构完全不同。

　　3　EPON和APON的比较

　　虽然EPON和APON都采用PON结构作为物理层的传输门市部技术，然而两者在许多方面存在巨大的差异。在1995年，ATM技术的全盛时期，ITU（International Telecommunications Union）和FSAN（Full Services Access Network）联盟建立了ATM标准，并把它作为在PON之上的第二层的帧和封装技术。自那以后，许多设备供应商都在开发APON的产品。然而到现在，为了克服APON的一些固有弱点，设备商和运营商们的兴趣转到了EPON上。

　　由于难以提供OC-12以上的高带宽来满足突发式的光传送和接收需求，也由于在ONU上需要进行复杂的协议转换，APON的发展受到很大限制。众所周知，5字节的ATM头相对于48字节的数据来说，带来超过10％的带宽损失。相反，在EPON系统中，由于高效的帧结构和可变长度以太MAC帧的灵活支持，协议所带来的带宽损失只有2％-3％。从光传输的角度来说，ONU上行传输码速必须和PON的突发光传输以及调整相位和数据恢复。所有这些突发模式的传输都相当复杂而且设备昂贵，APON中过高的带宽的损失带来了更高的成本。另外，由于以太帧在长度上的灵活性，可以通过MAC控制命令和一些特殊的帧（如PAUSE帧）来优化EPON的传输处理。

　　从数据处理方面来看，在APON中，用户数据必须要在协议转化（TDM用AAL1/2，数据包传输用AAL5）下传送。这种转换对于高带宽难以适应，而执行这种功能的设备，包括一些相关的附属设备，如信元存储器（cell memory）、胶合逻辑（glue logic）等也给系统增加了不少成本。

　　为了降低过高的系统成本，特别是对于用户单元和外部设备大大超过CO设备的容量的接入网，复杂的处理功能必须从ONU移到在CO的设备，即OLT中。APON和EPON不同，它必须使用AAL1/2 SAR、AAL5 SAR或其他ATM技术转换所有用户端通信并传输到网络端，为了执行这些转换，需要许多额外功能的ASIC设备。

　　从连接和流管理的方面来看，APON和ONU需要实现IP流和ATM虚连接（VPC VCC）相互间的映射功能。这同样需要额外的处理能力，从而导致更高的设备成本。另外，从总带宽上来说，APON能支持的比EPON少的多，那么每个ONU上的接口数量和连接的用户数也相应减少。相对来看，单端口的成本就增加了。

　　现在，无论是长距离的核心传输网络，还是城域接入网汇聚层部分，数字通信技术已经从ATM为中心，逐渐转移到以IP为基础来提供视频、音频和数据通信了。只有适应当前接入和未来网络核心技术的接入网络结构才能推动未来的全光IP网络成为现实。想象一下这样的前景，不需要额外的协议转换，支持一致的端到端连接服务模式，设备成本低廉，操作和维护简单。换句话说，这是一个端到端的IP光网络。它将产生巨大的效益，也将保护运营商在接入网中的投资。

　　4　EPON与其他接入技术的结合

　　除了在FTTB、FTTC等结构中扮演重要角色之外，EPON也会用于推动其他各种接入网技术的应用。

　　使用EPON能使DSL突破传统的1800英尺的距离，从而增加约50％的用户。当把ONU集成到DSLAM（Digital Subscriber Line Access Multiplexer）时，DSL可以到达的范围和其潜在的用户群都会大大增加。

　　同样，通过集成ONU到CMTS（Cable Modem Termination System），EPON可以用来给现有的Cable连接提供带宽，而且可以让有线电视运营商实现真正的交互式服务，同时还可以降低建设和运营成本。

　　在这两种情况下，运营商都可以在他们现有的网络结构和投资的基础上，增加他们的用户群体。

　　EPON还可以在距离上拓展点到点的MSPP（Multiple Services Provision Platform）和IP/Ethernet。如果将OLC集成到高层建筑的中心网络设备中，那么这些运营商就可以保护原有的点到点光纤系统投资的基础，而通过邻接一个小规模的EPON系统来增加用户数。

　　在不久的将来，以太数据将可以直接在VDSL（甚高速数字用户线）上传输，将不再需要协议转换。这是一种在现有用户端的铜线结构基础上提供高带宽的十分经济的方式。v
　　最后，EPON技术还可以用来给固定的无线发射塔提供带宽，也可以很好地解决无线接入技术中如何将上行数据汇集到CO的问题。

　　EPON能够给各种运营商带来更好的效益，所以我们相信，EPON的使用首先是从加强利用现有的铜线和同轴电缆资源开始。

　　5　EPON带来的好处

　　EPON给运营商带来的好处是多方面的。其中最重要的一点就是，从单个用户的角度来看，点到多点的以太网结构为用户提供了一种非常低廉的宽带解决方案。吉比特以太网能提供很高的带宽，这意味着运营商可以为极大数量的用户提供宽带服务。网络一旦建立起来，服务的提供和管理都可以在中心机房进行，这就避免了来回奔波以及其它一些不菲的管理和维护的费用。另外，运营商可以根据不断变化的用户需求和相应的SLA（Service Level Agreement）来动态地进行带宽分配。随着以太网速度的提高，运营商拥有可扩展的网络基础设施，这也能够应对将来宽带业务的需要。而且，由于只需按照目前的需要进行建设，并根据市场的需求曲线增加投入和提供服务，运营商们以从分散投资中受益。因为一个小型的OLT可以支持大量的用户，而中心机房的初期投资也很少。

　　6　实现EPON的技术难点

　　要实现EPON，需要解决以下技术难点：
　　（1）如何通过无源光纤网络来传输标准的以太协议？因为目前的以太协议是通过铜线或者点到点结构（point-to-point）的光纤传输的，而PON是一种点到多点（point-to-multipoint）的光纤结构。

　　（2）如何解决光纤点到多点拓扑结构中的突发模式（burst mode）问题？因为传统的以太是基于共享介质的，仅适合于LAN，但是不刊登接入传输技术；现代的以太可以支持基于点到点的光纤结构，但是其成高高、扩展性差。

　　（3）由于突发模式的光信号来自不同的端点，所以可能导致光信号的偏差，如何消除这种偏差？

　　（4）如何为不同的用户动态地分配带宽，使各用户能够按照相应的SLA得到QOS保证？

　　（5）由于光信号来自远近不同的端设备（ONU），所以可能产生相应的信号冲突，如何通过距离修正的技术来消除这种冲突？

　　（6）如何对PON中的错误进行检测和隔离？

　　Salira拥有十多项专利，其中一些就可以解决上述的问题。

　　7　有关EPON的标准化和商业化的现状

　　（1）标准化进程

　　IEEE 802.3ah工作小组从20001年11月就开始进行EPON的标准化工作。大约有70个公司加入了这个工作小组，包括Cisco、Nortel、Worldcom、SBC、Verizon、Salira、Broadcom、Agere、Intel、BroadLight、Alcatel等等。

　　为了加快标准化的进程，EPON光学级的一些标准借鉴了APON的FSAN（Full Service Network）的标准。

　　完成EPON标准的制定还需要很长的时间（大约12-24个月）。如果没有标准，大型的运营商就不会进行大规模的系统实施。但是，现在主要的运营商和设备供应商（Cisco、Nortel、Alcatel、Broadcom、Salira等）都非常看好EPON在宽带接入方面的巨大优势，他们希望有关标准化工作能尽快取得进展。

　　（2）商业化进程

　　SBC宣布在2001年5月实施BPON（Broadband PON），而在2002年实施第二阶段。Verizon正在实施小规模的APON系统，Qwest正在进行APON的试验，BellSouth正在为实现FTTH进行RF-PON的试验。

　　因为还没有可以实用的产品，所以目前EPON还没有试验，但是Salira已经确定与美国最大的运营商中的三家共同建立三个试验系统。

摘自《电信科学》2001.11