基于EPON技术的FTTH应用浅析.docx
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基于EPON技术的FTTH应用浅析
毕业设计（论文）报告
题目名称：
基于EPON技术的FTTH应用浅析
学生姓名：
苏来飞学号：
109F313108
二级学院（系）/专业：
国际教育学院/电气与自动化系
班级：
电气1015
指导教师：
郝翠霞
2013年5月20日
摘要
FTTH（光纤到户）是光纤直接接入用户通过运营商提供光网络单元（ONU）,为用户提供全面的业务解决方案的用户家庭。
近年来，为商业客户的要求越来越高要求的带宽和稳定性，数字电视的普及，促进FTTH在接入网络成为运营商的最佳选择。
本文首先概述了接入网络工程，并给实现FTTH的EPON技术，与EPON，GPON的比较。
其次，本文着重分析和阐述EPON系统架构的原则。
第三，讨论针对不同客户的EPON网络建设和原则的含义，在此基础上实施的FTTH解决方案。
最后，在南苑小区的EPON工程作为一个例子，并验证了EPONFTTH的实施，EPON网络运营商在运营商的建设模式进行了讨论。
关键字：
FTTHEPON解决方案
Abstract
FTTH（fibertothehome）referstothedirectfiberaccessuserfamilyandbytheoperatortoprovideanopticalnetworkunit（ONU）foruserstoprovidecomprehensivebusinesssolutions.Inrecentyears,commercialcustomerdemandforbandwidthandstabilityoftheincreasinglyhighdemand,thepopularizationofdigitalTVhavepromptedFTTHtobecomeoperatorsintheaccessnetworkisthebestchoice.Thispaperfirstgivesanoverviewoftheaccessnetworkworkingprinciple,andintroducestheimplementationofFTTHEPONtechnology,andmakeEPON,GPONcompared.Secondly,thispaperanalyzesandexpoundstheEPONprinciple,systemarchitecture.Third,thispaperdiscussesthesignificanceandprincipleofEPONnetworkisintroducedinthispaper,onthebasisofcustomersofdifferentFTTHsolutions.Finally,insunshinehomedistrictEPONprojectasanexample,andputsforwardtheimplementationschemeofEPONFTTH,andEPONincarriernetworksoperatinginthedifferentconstructionmodeisdiscussed.
Keywords:
FTTHEPONsolution
目录
1绪论与概述5
1.1FTTH在国外发展状况6
1.2FTTH在国内发展现状6
2接入网工作原理8
2.1FTTH系统结构8
2.1.1点到点（P2P）光接入技术8
2.1.2点到多点（P2MP）光接入技术8
2.2PON技术的发展和介绍9
2.2.1EPON技术9
2.2.2GPON技术10
2.3EPON和GPON的技术比较10
2.3.1技术对比分析10
2.3.2产品比较10
3EPON技术原理及系统架构12
3.1EPON技术的原理及系统架构12
3.2EPON的关键技术13
3.2.1系统时间同步13
3.2.2ONU的自动发现13
3.2.3EPON中信息安全的考虑13
3.2.4多点控制协议（MPCP）14
3.2.5动态带宽分配（DBA）14
3.3EPON的特点和应用14
4基于EPON技术的网络建设16
4.1EPON网络建设意义16
4.2EPON网络建设原则16
4.2.1EPON网络建设的应用模式16
4.2.2EPON在城市中的应用16
4.2.3EPON在农村中的应用18
5南苑小区EPON工程实例19
5.1项目方案19
5.2设备介绍19
5.2.1华为OLT：
MA5680T设备19
5.2.2华为ONU：
HG8245R设备21
5.3组网方案22
5.4性能测试23
5.4.1语音指标测试23
5.4.2百兆端口拨号上网测试23
5.5项目验收23
6结论24
致谢25
参考文献26
1绪论
FTTH（fibertothehome），亦称为“光纤到户”，是指光纤向用户的进一步延伸，光纤直接接入用户住宅或办公室内，接入网内的分支段光纤只连接一个用户的一个端口或几个端口。
狭义的FTTH也可以称为FTTO/FTTD（fibertotheoffice/desk）。
广义的FTTH还可以是FTTP（fibertothepremise），光纤到用户所在地，它包括FTTB（fibertothebuilding）、FTTC（fibertothecurb）以及狭义的FTTH。
总体来说，目前应用于FTTH的系统技术主要有三种，它们分别是基于SDH的多业务传送技术（MSTP）、多业务的无源光网络技术和多业务点对点光端机（MC）。
FTTH发展初期，在FTTH用户较为分散、用户密度较低的地区，P2P/MC技术有一定的市场空间。
PON的树状网络拓扑与环形骨干网络配合较为有利，是光纤进入用户驻地最有效的网络解决方案，节省了大量骨干光纤资源；从长远发展来看光纤接入是一种理想的选择，适合大多数用户的普遍接入，市场潜力巨大。
当然，用于FTTH的PON技术在业界也存在着EPON和GPON技术之争，EPON技术不完美、标准不完善，但成本低、产业链相对完整，而GPON技术完美，标准完善，但成本高、产业链不完整，就目前而言，EPON技术因为支持的厂家多，成本相对便宜，占据了市场主导，但长期来看，一旦技术难点攻克，GPON成本优势凸显后将极具发展潜力。
目前，我国具有巨大的宽带用户群体，市场发展潜力非常大，被认为是FTTx发展建设的新热点地区。
2007年中国网民总人数达到2.1亿，位居世界第二，其中宽带网民数达到1.63亿。
但互联网普及率偏低，只有16%（全球平均水平为19.1%）。
因此从潜在的用户数量上来说，我国的FTTx市场发展潜力巨大。
工信部同时提出，我国2012年宽带普及提速工程的主要目标包括：
增强宽带接入能力，新增光纤到户（FTTH）覆盖家庭超过3500万户；总体提升我国固定宽带用户的接入速率，使用4M及以上宽带接入产品的用户超过50%，降低单位带宽价格；提高固定宽带家庭普及率，新增固定宽带接入互联网家庭超过2000万户；扩大公共热点区域无线局域网覆盖规模；宽带应用进一步推广和普及。
概述
我国家庭宽带用户大部分仍以ADSL宽带接入为主，但这种方式已经无法满足用户对高带宽的需求，目前运营商已经开始采用FTTH，采用FTTH可以进一步开展数字网络电视等多媒体综合业务。
FTTH是指光纤到家，是指运营商与用户家庭之间完全以光纤作为传输媒体的光纤接入方式，通过这种方式，可以为用户提供上网冲浪和电视服务。
实际上，FTTH是一个光纤接入的解决方案，而不是技术。
1.1FTTH在国外发展状况
（1）全球FTTH用户数
根据相关机构研究数据显示，到2010年底，全球FTTX用户为7500万，新增用户1800万。
其中亚洲占80%。
据预测，到2015年，全球FTTH用户可达2亿。
全球最大FTTH运营商为日本的NTT、中国电信、中国联通。
（2）日本FTTH的发展
日本式全世界较早开展FTTH的国家，其FTTH发展是较为成熟的。
根据日本总务省发布的信息，日本光纤（FTTH）用户数2010年底约达1,977万户。
季度增长数约65万户（3.0%）。
其中，NTTEast和West占74.5%，日本电力占9.1%，KDDI占8.5%。
（3）韩国FTTH的发展
根据韩国的IT839战略规划，开始采用FTTX取代原有的DSL网络，2004年，韩国启动BCN（BroadbandConvergenceNetwork）计划，将接入网最后一公里全面走向FTTH。
2010年底，韩国FTTX实现普及率超过一半达到53.5%，排名世界第一。
其FTTX用户数到达980万，排名第三。
（4）北美FTTH的发展
在北美，到2010年约有2000万家庭实现了光纤接入，占北美家庭总数的20%。
其中约有800万家庭实现了光纤接入互联网、IPTV等业务。
1.2FTTH在国内发展现状
﹙1﹚我国FTTH的发展现状主要为：
2010年，我国三家运营商开始持续加大对FTTH的投入，除了电信和联通的EPON采集外，中国移动也开始推行FTTH，实现全网光纤化。
在“十一五”期间提出的光进铜退规划中，中国电信共实现6500万线的光纤替代铜缆。
使最后一公里光纤化。
光纤入户家庭数约为1000万，中国电信的光纤在城市小区基本实现全覆盖；乡镇已经基本实现光缆全覆盖；根据业内有关人士估计，2012我国FTTx用户超过3300万户，PON用户超过1亿线，跃居世界第一。
﹙2﹚电信“宽带中国.光网城市”工程
中国电信推出“宽带中国.光网城市”工程，计划用三年时间实现城市接入网光纤化。
2011年，中国电信新增FTTH用户3000万家庭，南方城市全部实现8M带宽接入，其中对部分地区实现20M带宽接入。
对于中东部沿海地区实现80%以上的20M宽带覆盖。
按电信规划要求，2013年底要求南方城市所有家庭用户均可提供20M宽带接入。
﹙3﹚联通FTTH
中国联通目前拥有PON设备端口数已经超过3500万线，2011年联通宽带及数据网络投资187.5亿元，占全部投资的25%。
﹙4﹚移动的FTTH
虽说中国之前的网络运营商为两家：
中国电信和中国网通，但自从联通与网通合并后，中国移动租用铁通的运营牌照开始推广自己的FTTH，并成功的抢占了部分市场份额。
2010年，中国移动EPON建设量为600万线，2011年仍在持续增加。
2接入网工作原理
2.1FTTH系统结构
在FTTH解决方案中主要分为2种模型:
点到点（P2P）和点到多点（P2MP）。
2.1.1点到点（P2P）光接入技术
FTTH网络中的点到点光接入技术是从局端到每个用户家庭均使用一对（或一根）光纤（如图1），上下行速率都为千兆。
点到点（P2P）光接入技术具有产品成熟、技术简单、安全性高的特点。
但这种技术需要大量的不放光收发器和光纤，在大规模应用情况下导致设备成本上升，施工量大，维护麻烦问题。
因此被认为是实现FTTH的中间过渡技术，在早期的少量用户阶段比较适合。
2.1.2点到多点（P2MP）光接入技术
P2MP的连接方式通常采用PON的形式来实现，即分光器（l:
8，1:
32，1:
641:
128等），在局端OLT下行方向将局端光信号分配给每一个ONU，在上行方向将每个ONU的信号进行复接（采用时分多址等方式）。
采用这种组网模式，可以大量节省局端设备的光口和光模块的数量，并且可以减少布放光纤的施工量，便于维护，适合于用户数量较多，光纤资源紧张的场合，但需求的技术相比点到点就高的多了。
2.2PON技术的发展和介绍
历经十多年的发展和创新，FTTH已经取得了巨大的进步，从原始的点到点模型到点到多点模型。
PON（无缘光网络）在传输网络协议时是透明的，并能够解决光纤资源，因此在光接入网中有着举足轻重的地位。
在过去的二十年中，以太网已经成功的统治了局域网，其成熟的技术已经充分的证实了它在承载IP业务的的可靠性。
随着业务承载的IP化，以太网也不断的改进其传输速率和可靠性向骨干城域网渗透。
EPON（以太网无源光网络）便是有PON和以太网结合形成的。
EPON集成了以太网对IP传输的可靠性，同时又具有PON技术的特点。
PON系统组成包括：
光线路终端OLT、光网络单元ONU、光分配网ODN。
所谓“无源”，是指光分配网中全部是由无源的器件组成，PON为点到多点拓扑模型，OLT业务板的PON口向下发送的光信号由单根光纤经分光器分配给下挂的ONU。
数据链路层采用的技术不同和PON技术结合起来形成的PON技术也是不同的，其中ATM+PON形成了APON，Ethernet+PON形成了EPON，GEM+PON则形成了GPON，这是各种PON技术之间的最大区别。
2.2.1EPON技术
ATM的逐渐没落，同时以太网的飞速发展，因此以太网和PON技术的结合逐渐成为运营商组网中的一个新亮点应引起业界的广泛关注。
以太网与PON技术结合产生的EPON技术同时具有了以太网对IP承载能力和PON技术的特点。
所谓EPON就是利用PON光纤传输以太网帧信号，实现在EPON系统中承载以太网综合业务。
EPON系统采用无源光纤传输，同时利用点到多点的组网模型提供以太网的综合业务。
由EPON在物理层采用PON技术，在链路层采用了以太网的技术，因此它成为接入网最后一公里最佳的通信解决方案。
在一个EPON系统中，可以轻松的实现管理用户家中的光网络单元，能够及时的为用户解决上网等问题。
2.2.2GPON技术
GPON（Gigabit-CapablePON）是由FSAN在2002年9月提出，并于2004年完成了GPON的标准化工作。
GPON是最新一代的无源光网络接入技术标准。
其具有高带宽，高速率，能提供较多的业务接口等特点。
GPON组网模型与EPON相同，都是由局端设备OLT,用户侧设备ONU，分光网ODN组成。
但其支持的最大分光比为1:
128远远高于EPON的1:
32。
相对于其他的PON标准而言，GPON可以提供非对称的上下行速率，即上行下行速率可以不一样。
因此它能够提供前所未有的高带宽。
但由于是最新的技术，其标准化并不是很完善，而且其技术复杂度远远高于标准化较为成熟的EPON，所以在各大运营商中目前EPON还是占有绝大部分份额。
但比起EPON而言，GPON可以提高更高的带宽，更灵活的组网，更丰富多样的业务类型，因此在未来的发展道路上会逐渐代替EPON而引领接入网的市场。
2.3EPON和GPON的技术比较
EPON技术和GPON技术存在较大的区别。
2.3.1技术对比分析
（1）GPON支持多种速率，并能够支持非对称的上下行速率。
相比之下，EPON要求对称的1Gbit上下行速率。
因此GPON可以提供更高的带宽选择。
（2）EPON只支持ClassA和B的ODN等级，而GPON可支持ClassA、B和C，因此GPON选择的ODN可以支持达到最高1:
128的分光比而EPON一般情况为1:
32。
（3）EPON是基于以太网802.3的架构，单从协议上讲，EPON的协议更为简单，实现方便，成本更为低廉。
（4）GPON加入了一个新的传输汇聚子层（TC），因此在一定程度上影响了借助以太网的理念，但其传输汇聚子层具有将任何格式的帧类型原封不动的放在PON中传输的功能，因此相比EPON来说，技术是负责了，但其支撑的业务就变得灵活多样了。
（5）在EPON系统中，为了能够承载TDM业务而增加的MAC机制，需要增加新的硬件来支撑这种机制，相比之下，由于GPON采用TC子层，因此能够很容易的支持TDM业务和语音业务。
2.3.2产品比较
EPON的标准化已经相当成熟，而GPON的标准化尚为成熟，因此市场上大多数为支持1Gbit的EPON产品，而对于GPON产品还是为数不多，目前华为的MA5680T支持的业务板卡就有基于EPON的EPBC、EPBA板和基于GPON标准的GPBC、GPBA板卡，同时，华为的MA5626，MA5612，MA5626E，都是可以支持EPON和GPON的。
EPON具有相对宽松的标准，因此设备商在生产具有自己特色产品的同时具有较大的灵活空间，同时，EPON系统的核心部分—光模块已经形成产业化，而GPON因遵循的标准尚未完全成熟，而且支持其TC子层的光模块也尚未形成产业化，因此在目前市场上，多见的还是EPON产品。
3EPON技术原理及系统架构
3.1EPON技术的原理及系统架构
EPON系统由局端的光线路终端（OLT）、用户侧的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成（见图3）。
原理：
当OLT上电启动后，在OLT使能PON口的自动发现功能，，使该PON口广播允许ONU接入时隙信息。
ONU上电启动后，根据收到的广播信息向OLT发起注册请求。
OLT通过相关机制验证后允许来自OLTPON口下的ONU接入，并分配一个LLID（逻辑链路标识符），该标识符同时和OLT的PON和ONU的上行口绑定。
同时在OLT上可以看见ONU的在线情况。
在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的数据通过ODN到达所有ONU。
在OLT侧，所有的数据均采用广播的方式通过PON口向下行方向发送，并通过ODN中的分光器将OLT过来的光根据分光比分成若干条光路分别送往下挂的ONU。
此时，因为采用的广播方式，因此OLT发送过来的数据会同时发给该PON口下的所有ONU，但并不是所有ONU都需要接收数据，这时候，ONU就会根据注册的时候OLT分配的LLID做判断，数据包头文件中包含了LLID字段，ONU在收到数据包的时候会拆开头文件比较LLID，如果是自己的就接收，非自己的就直接丢弃。
在上行方向（ONU到OLT），ONU发送的数据只能够达到上层的OLT,并不会发给其他的ONU，虽然一个PON下的ONU同属于一个广播域，但可以通过vlan隔离的方法实现将每个ONU分配一个不同的vlan，这样，在同一个广播域内，ONU的数据就不会发送给其他的ONU，并能阻止广播风暴的产生。
当ONU数据发送到ODN的时候，一个PON下的所有ONU的数据都会被耦合到一根光纤中，因此，为了避免数据在传送的时候产生冲突，上行方向采用一种TDMA（时分复用）技术，并同时多每个ONU发送数据进行仲裁。
在同一PON口下面，ONU发送的上行数据会根据OLT分配给每个ONU的数据传送时隙严格执行，这样就可以避免多台ONU在上行数据传输的过程中产生冲突的问题。
ODN由光纤和多个无源器件组成，在OLT和ONU之间提供分光功能。
EPON扩展了光接入层的承载能力，一般分光器的分光比为1:
32或1:
64。
目前，EPON系统最高的传输距离为20KM。
3.2EPON的关键技术
EPON的几个主要关键技术为：
系统时间同步，ONU自动发现，信息安全，MPCP和DBA
3.2.1系统时间同步
在EPON系统中，为了避免ONU在上行方向发送数据的时候产生冲突，采用了时分方式的，所以为了保障OLT和ONU之间数据通信的正常进行，就必须要求OLT和ONU的系统时间要求绝对的同步，这样就必须有个可以作为参考的时钟，且该系统中的所有设备必须严格遵守这个系统时间。
在运营商的接入网中可以通过网管来实现，即所有的设备都添加到网管上去，又网管统一规定系统时间。
在EPON中还可以OLT时钟作为参考时钟，由OLT统一下放系统同步时钟，该台OLT下所有的ONU也必须遵守这个系统时钟。
在EPON系统中，由于每个ONU到OLT的距离不同，所以信号的传输延迟也就不同了，要达到所有设备系统时间同步的要求，就必须对ONU时钟比OLT时钟有一个提前的时间量，这个提前的时间量就是传输过程中的延迟时间。
3.2.2ONU的自动发现
ONU自动发现是指在OLT到ONU系统上电运行的过程中，OLT可以自动发现新上线的ONU并自动完成新上线ONU的注册。
但某些情况下，会产生ONU注册冲突，为了解决这种冲突以下提供了两种解决方案：
（1）随机延迟时间
当发生ONU注册冲突时，该ONU会随机延迟一段时间之后再重新响应OLT发来的注册授权信令。
这就和以太网中一个广播域中利用的CSMA/CD技术具有类似的效果。
这个随机推迟的时间必须在开窗时间内，因此利用这种方式的注册开窗长度必须要比默认的大得多，虽然可以减少ONU注册的时间，但降低了系统带宽的利用率。
（2）随机跳过开窗
当发生ONU注册冲突时，该ONU会随机跳过若干个注册授权周期后再重新响应OLT的注册授权，但会花费更多的时间，因此采用这种方式不需要增大开窗长度不会占用系统带宽利用率，但会消耗更多的时间。
3.2.3EPON中信息安全的考虑
EPON系统成采用的是点到多点的系统模型，在这种模式下，EPON下行以广播报文的形式发送，这样就会产生一个安全隐患，任何一个ONU只要在该PON口下都可以接收到该PON口发送的数据,这样不仅使用户的信息紊乱，而且会占用大量的系统带宽。
同时，对于一些视频点播业务就显得极为不安全，造成用户的损失。
在EPON系统传输的数据包中，只会对原始数据进行加密，但根据数据报文封装格式可以看出，在原始数据上面是三层头部，在上面是二层头部，也就是说，其他ONU仍可以看到其他用户的MAC地址，通过一些黑客软件冒充对方的MAC造成非法入侵。
EPON系统中还有一种加密方式，就是MAC层进行加密，解决方案是通过给合法的ONU分配一个密钥，通过密钥给MAC地址进行类似MD5或者哈希算法类似的加密，但这种方法会加重EPON系统的承载。
在EPON系统中，物理层传输的是标准的以太网帧格式，因此，OLT会为每个特定的连接分配一个LLID，每个ONU只能接受属于自己的LLID数据包，但这种LLID主要是为了区分不同的连接，并不能完全依靠LLID来完成安全性的保护。
因此，IEEE802.3ah工作组开始着手研究安全机制，目前采用的几种主要方法为：
物理层LLID，AES加密算法加密，ONU认证。
3.2.4多点控制协议（MPCP）
在EPON系统中，采用的是点到多点的组网模型，其中采用MPCP（多点控制协议）实现一个点控制整个网络的配置。
如，ONU的带宽分配，监控等等。
3.2.5动态带宽分配（DBA）
带宽分配分为两种：
静态分配和动态分配。
其中静态分配是指由连接打开的窗口大小决定，而动态带宽分配则是由OLT根据ONU的实际需要进行分配。
DBA技术是二层的关键技术，其直接影响到上行带宽的利用率和延迟。
由于EPON系统采用的是TDMA方式,此方式缺点在于其系统带宽利用率较低，因此采用DBA可以大大的提高上行带宽的利用率，在带宽相同的情况下可以接入更多的客户，从而节约运营商的再投入成本。
从目前的应用来看，DBA已经开始普遍运用在接入网中。
3.3EPON的特点和应用
EPON的特点和应用在于:
（1）运营商到家庭用户直接没有其他设备不需要租赁其他的机房和电源设备，节约投资成本。
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