EPON的上行接入方式及关键技术

□华中科技大学光电子工程系 谢满红 胡保民
　　以太网是在20世纪80年代发展的一种局域网技术，其带宽为10Mbit/s，最初是共享媒体型，需要防碰侦听,这就限制了其使用效率和传输距离。90年代发展了交换型以太网，解决了上述问题，并先后推出了快速以太网FE（100Mbit/s）和吉位以太网GbE(1000Mbit/s)。以太网由于具有使用简单方便、价格低、速度高等优点，很快成为局域网的主流。以太网的帧格式与IP是一致的，特别适合于传输IP数据。随着因特网的快速发展，以太网被大量使用。随着吉位以太网的成熟和万兆以太网的出现，以及低成本在光纤上直接架构吉位以太网和万兆以太网技术的成熟，以太网开始进入城域网MAN和广域网WAN领域。目前，万兆以太网已经成为宽带IP城域网的首选方案，也已经开始用于WAN。2002年万兆以太网标准完成后，将被广泛用于MAN和WAN。如果接入网也采用以太网将形成从局域网、接入网、城域网到广域网全部是以太网的结构。采用与IP一致的统一的以太网帧结构，各网之间无缝连接，中间不需要任何格式转换。这将可以提高运行效率、方便管理、降低成本。这种结构可以提供端到端的连接，根据与用户签订的服务协议SLA，保证服务质量QoS。

　　基于上述原因，以太网接入网得到快速发展和广泛重视。2001年初，IEEE成立了802.3EFM工作组（EFM的意思是"以太网第一里"，即以太网接入网），发展制定以太网接入网标准。随着标准的制定完成，将有一批以太网接入网设备出现。

　　PON的结构采用无源光器件，可以提供高带宽，可靠性、经济性，可升级性都有着非常大的优势。不可避免以太网接入将主要采用PON这种形式。

　　一、EPON的上行接入技术

　　EPON上行接入技术可以使用频分多址复用(FDMA)、时分多址复用(TDMA)、波分多址复用（WDMA）、码分多址复用等方式(CDMA)。频分复用的缺点有：OLT中需要多个转发器；初期成本高；信道容量固定；增加/减少用户时比较麻烦。码分复用的缺点有：信道间的干扰由ONU的数量决定；需要高速器件。WDMA主要的问题是：成本比较高，主要是因为光器件成本目前还比较高。但如果开发出便宜的、适用于WDMA方式接入网的光发射和光接收器件，使用WDMA是发展的趋势。时分复用具有N个ONU只需要一个OLT转发器和极少的波长等优点，但时分复用还是需要高速电子器件。综合以上考虑，现在一般我们都是采用时分复用多址接入方式，波分复用多址接入方式也有非常大的竞争力,是发展的方向。

　　OLT安排好各ONU允许发送上行信号的时隙，发出时隙分配帧。ONU根据时隙分配帧，在OLT分配给它的时隙中发出自己的上行信号。这样，ONU之间就可以共同享有上行信道，即众多的ONU共享有限的上行信道带宽。

　　 各ONU独占一个波长，探测器阵列接收各ONU的信号。根据接收探测器，就可以判断出对应是哪个ONU。由于ONU独占一个波长，所以不需要与其他ONU共享带宽，每个上行信道可以实现与下行信道对称的带宽。也就是说，采用这种方式，每个ONU享有的上行带宽可以得到保证，不用与其它ONU争用有限的带宽。

　　二、EPON中的关键技术分析

　　 1．EPON中采用TDMA方式的关键技术

　　EPON采用TDMA方式时的关键技术有动态带宽分配、上行信道复用实现技术、以太网在PON上的成帧技术与实现技术、测距与延时补偿、光器件、突发信号的快速同步技术等等。

　　（1） 动态带宽分配

　　动态带宽分配算法就是实时地（ms/μs量级）改变EPON的各ONU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则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，我们可以根据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，网络管理员可以在一个已有的PON上增加更多用户，终端用户也可以享有更好的服务，如用户可以用到的带宽峰值可以超过传统的固定分配方式的带宽。

　　根据EPON的特点及ITU-T G.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，ONU根据分配的时隙发送信息。其分配准许算法的基本思想是：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、有信元丢失等情况的处理。

　　ONU可能经常要断开（特别是在FTTH情况下），已经断开的ONU不应再占用网络带宽。解决这个问题的方法有：使新的请求在许可信号后的RTT+Dt时间内到达；如果请求（k个）丢失了就意味着ONU已经断开；下次询问此ONU前先等待1分钟。这样可使断开ONU只占用大约0.0005% 的PON带宽。

　　在PON中，在传输会聚层上用流量容器来存储管理上行带宽分配的业务流，使PON段带宽利用率得到提高。分析表明，采用DBA，最大的带宽利用率可达80%，而没有DBA时只有40%。平均传输时延无DBA时为100ms，而用DBA时为<10ms。

　　（2） EPON上行实现技术

　　时分多址复用方式又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不足之处有：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。随机接入没有确定的接入时间；由于采用CSMA/CD，故有传输距离的限制。而统计时分多址复用可以克服前两者的不足，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。

　　TDMA的实现方法是重点，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。

　　由于数据/视频业务流是自相似的，不存在最佳大小的固定时隙，故流量聚合也不能起多大作用。突发包大小分布为长相关性（大的拖尾），即大多数突发包都比较小，但绝大多数都是有大量的突发包同时出现。实现统计时分复用要考虑的问题有：

　　●突发时间与业务流大小都难以预料，所以要有反馈；

　　●采用Roll-call轮询方式是比较好，但需要ONU之间相互侦听，也就是PON只能用作广播星型或无源环（这太严格了）。也可以采用Hub轮询方式，但是工作时间非常长。解决方法为采用间插轮询路由方式。

　　上行信号应该采用灵活的请求/许可方式。例如可以通过"逻辑端口"，可以灵活地为一个ONU中的每个用户、每个服务提供许可信号，可以实现灵活操作，或采用"多请求方式"缩短许可周期，并使TCP流量高。

　　2．EPON中采用TDMA方式的关键技术

　　EPON采用WDMA方式、TDMA方式时的许多技术，如动态带宽分配、上行信道复用实现技术、以太网在PON上的成帧技术与实现技术、突发信号的快速同步技术等等都不再需要，因此简化了整个系统的设计。采用WDMA时的关键技术主要有：低成本波长稳定的光发射模块、低成本光接收模块、低成本DWDM、测距等等。而对于低成本波长稳定的光发射模块、低成本光接收模块华中科技大学光纤教研室都已基本开发出来。

　　3．其他关键技术

　　其他一些关键技术有：以太网在PON上的成帧技术与实现技术；测距和时延补偿技术；支持高速率突发信号的光器件；突发信号的快速同步等等。

　　除此之外，下行信道安全性、如何实现QoS、如何实现VLAN和网管等也是影响EPON应用前景的问题，必须加以考虑。

　　以上讨论了EPON中上行信号的两种接入方式。可以看出，只要需要的光器件的成本降下来，EPON采用WDMA接入方式比TDMA方式有非常大的优势。

摘自《通信世界》2002.12