EPON关键技术及其应用毕业论文.docx
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EPON关键技术及其应用毕业论文
EPON关键技术及其应用毕业论文
第1章绪论1
1.1课题研究背景及意义1
1.2本论文的研究容4
第2章EPON技术概述5
2.1xPON综述5
2.2EPON技术的概念及特点6
2.3EPON的网络结构和体系结构11
2.3.1EPON的网络结构11
2.3.2参考模型12
2.3.3协议栈13
2.3.4EPON各部分的功能14
第3章EPON的关键技术17
3.1多点控制协议17
3.2测距与同步22
3.3QoS和OAM23
3.4动态带宽分配24
3.5安全性考虑25
第4章EPON的应用26
4.1EPON的应用特点26
4.2EPON在接入网中的应用模型26
4.2.1EPON在小区接入中的应用26
4.2.2EPON在工业区接入中的应用28
4.2.3EPON在商务街区接入中的应用29
4.2.4EPON在边远地区接入中的应用31
4.3EPON组网实例32
4.3.1商务街区应用实例32
4.3.2边远地区应用实例32
第5章总结与展望34
参考文献35
致谢36
附录主要英文缩写语对照表37
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
接入网已成为制约全网进一步发展的瓶颈，随着光纤传输技术的发展，光纤正逐渐应用到接入网领域。
由于光纤具有极高的带宽和优越的抗干扰传输特性，光接入网（OpticalAccessNetwork，OAN）将成为未来有线接入网的必然发展趋势。
所以光纤到家（FTTH）的技术和应用迅速发展，已经成为世界围的热点之一。
自从无源光网络（PassiveOpticalNetwork，PON）概念提出以来，一直被业界看好。
PON是通过单一平台综合接入语音、视频、数据等多种业务的理想物理平台，由于其易维护、高带宽、低成本等优点，成为光接入网未来发展的方向。
目前比较流行的PON技术主要有APON（ATMPassiveOpticalNetwork，ATM无源光网络）、EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork，以太网无源光网络）和GPON（GigabitpassiveOpticalNetwork，吉比特无源光网络）。
起初人们认为将ATM技术和PON技术相结合的APON技术是实现综合接入的理想模式。
然而，由于数据业务的爆炸式增长，ATM技术暴露出低效率、协议复杂且成本过高等缺点，并未得到大规模的应用。
在这种背景下，由IEEE802.3以太网第一公里任务工作组（EthernetintheFirstMileStudyGroup，EFM）负责制定的EPON标准孕育而生。
而GPON由于技术实现复杂，成熟的商业产品还很少，目前还没有规模的商业应用系统。
考虑到以太网的普遍性及其低成本高带宽的优点以及光纤网的低成本、大容量的特性，EPON被认为是解决“最后一英里”或“第一英里”（针对用户来说）问题极富前景的解决方案[1]。
EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，比其他接入技术具有独特的优势，主要体现在以下几个方面[2]：
（1）与现在以太网的兼容性：
以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。
EPON是对现有的IEEE802.3协议作一定补充，基本上是以太网技术兼容。
考虑到以太网的市场优势，PON与以太网的兼容性是其最大的优势之一。
（2）低建设成本：
EPON系统显著减少了光纤、光收发模块、中心局设备的数量。
另外，由于光电子器件的成本不断降低，EPON的接入成本已可与ADSL（AsymmetricalDigitalSubscriberLine，非对称数字用户线路）、CableModem（电缆调制解调器）相比，特别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件成为FTTH发展的基础，同时，以太网的相关器件、设备价格低廉。
用EPON做接入网、成本低、通用性好、效率高、管理简单。
（3）低运营维护成本：
局端与用户之间仅有光纤、光分/合路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此可有效节省运营维护成本。
（4）覆盖围大：
EPON可以达到20km的传输距离，避免了传统传输介质（如双绞线、五类线、Cable等）的距离瓶颈问题。
（5）高带宽：
由于EPON采用复用技术，能够提供高达1Gbps的上下行带宽。
这比目前的接入方式，如ADSL,CableModem都要高得多。
EPON可以为用户提供高带宽，可以满足宽带上网、视频点播、在线游戏、可视、数字高清电视等各种业务的带宽需求，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽。
（6）支持多种业务：
由于EPON系统建立在IP的技术上，因此，EPON系统支持各种以IP技术为基础的网络服务，使电视网、电信网、互联网（三网）的融合也成为现实。
（7）高的接入可靠性：
整个光传输通道为光纤和无源光器件，可以有效避免电磁干扰和雷电的影响，保证信号传输质量。
（8）便于管理：
对业务透明，便于系统升级、管理和引进新业务。
（9）统一的标准：
IEEE802.3ah工作小组从2001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、SBC、Worldcom、Verizon、Salira、Broadcom、Agere、Inte、BroadLigh、Alcatel等。
2004年6月27日，IEEE己经正式推出了关于EPON系统的802.3ah协议。
基于上述原因，EPON己经成为最具有发展前途的宽带接入技术，它得到了广泛的重视，目前各国都投入一定的力量进行相关技术的研究。
因为目前运营商既追求网络的运维成本的降低又要实现可运营、可扩展、可盈利的目标。
面对着有巨大发展前景的EPON技术，国外厂商都表现出浓厚的兴趣。
如何把EPON作为一项技术推广开去，应用到终端用户上，成为各大厂商最关心的问题。
在过去的几年里，盛力亚、富士通相继进入中国的市场，格林威尔、讯风光通信也不断有产品问世。
中国电信、联通、网通等电信运营商以及驻地运营商也对EPON倍加关注。
在当前的情况下，EPON技术大多会以一种与其他技术相结合的姿态进入市场。
FTTB/FTTC+DSL，FTTB/FTTC+LAN都是不错的选择。
DSL（DigitalSubscriberLine，数字用户线路）和LAN（LocalAreaNetwork，局域网）是目前中国宽带的两种主要接入方式。
但DSL的距离限制挡住了大量的客户，传统的LAN技术也难以灵活地提供和保证用户的带宽。
采用EPON技术，可以通过无源传输网络直接连接到服务区域，再进行DSL或LAN扩展，从而为大围的用户提供服务，而且可以集中进行管理和带宽分配。
把ONU集成到DSLAM（DigitalSubscriberLineAccessMultiplexer），数字用户线路接入复用器），使用EPON能使DSL突破传统的距离，从而增加约50%的用户，DSL可以到达的围和其潜在的用户群都会增加。
通过集成ONU到CMTS（CableModemTerminationSystems），电缆调制解调器终端系统），EPON可以用来给现有的电缆连接提供带宽，而且可以实现真正的交互式服务，同时降低建设和运营成本。
EPON技术还可以用来给固定的无线发射塔提供带宽，很好地解决无线接入技术中如何将上行数据汇集到中心机房的问题。
运用EPON方式部署网络正逐渐成为宽带网络的一种主流方式。
该技术充分利用光网络以及无源光分/合路器的特点，降低了运营商的设备成本、运维成本，并为用户提供更快更稳定的宽带网络。
在其网络上可以同时承载语音、视频和数据业务，做到三网合一。
业人士预测，未来几年中国将在宽带接入方面进入新的增长期，尤其以解决FTTH方案为主，EPON将成为一种主流宽带接入技术。
目前，富士通利用在日本成功推广EPON宽带接入的经验，与国运营商、集成商合作，已经成功地在中国多家运营商、写字楼等铺设宽带网络。
另外，今年我国在、、北京、等许多城市己经开始大量使用EPON系统。
系统长时间可靠稳定运行，得到用户认可。
同时，系统在很大程度上降低了用户网络成本和运营成本。
从运营商和服务提供商的角度来看，EPON系统可以带来多方面的好处，包括降低安装、管理和运营成本，提高投资回报率，增加新的赢利机会，长期保持竞争优势等。
在适当的场合，适时地采用EPON系统，无论对于原有的运营商还是新兴的运营商，都将是一个明智的选择。
1.2本论文的研究容
本论文主要分为5章，具体划分如下：
第1章介绍了EPON技术诞生的背景，及其技术特点，以及与传统接入网比较存在的巨大优势，从而说明EPON技术具有巨大的市场前景，体现本文的研究价值，最后介绍本文的章节安排。
第2章总结性的介绍了EPON的工作原理、上下行传输特点、系统各个部分的功能，以及EPON的协议基础和传输帧的结构特点。
第3章详细的介绍了EPON的关键技术。
第4章阐述了EPON的组网应用以及浅谈了EPON的组网实例。
第5章总结了全文的工作，并对今后的工作加以展望。
第2章EPON技术概述
2.1xPON综述
1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。
1995年，FSAN联盟成立，目的是要共同定义一个通用的PON标准。
1998年，ITU-T以155Mbit/sATM技术为基础，发布了G.983系列APON（ATMPON）标准。
同时各电信设备制造商也研发出了APON产品。
目前在北美、日本和欧洲都有APON产品的实际应用。
但在我国由于价格较高且ATM技术效率不高、协议复杂推广受阻，所以APON在我国几乎没有什么应用。
2000年底，一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟（EFMA）,提出基于以太网的PON概念—EPON,并促成IEEE在2001年成立第一英里以太网（EFM）小组，开始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在的EFM相关标准。
EPON标准IEEE802.3ah已于2004年6月正式颁布。
我国在“十五”“863”计划中也设立了吉比特EPON的相应课题。
2001年底，FSAN更新网页，把APON更名为BPON，即“带宽PON”。
实际上，在2001年1月左右EFMA提出EPON概念的同时，FSAN也开始进行1Gbit/s以上的PON-GPON标准的研究。
2003年3月ITU-T颁布了描述GPON总体特性的G.984.1和ODN物理媒质相关（PMD）子层的G.984.2GPON标准，2004年3月和6月发布了规传输汇聚（TC）层的G.984.3和运行管理通信接口的G.984.4标准。
表2.1依据相关标准规描述了BPON、EPON和GPON的主要特征：
表2.1BPON、GPON和EPON的技术参数
项目
BPON
GPON
EPON
下行速率
155.52M,
622.08Mbit/s
1.25G,2.5Gbit/s
1.25Gbit/s
上行速率
155.52Mbit/s
156M，622M，1.25G,2.4Gbit/s
1.25Gbit/s
分支数
16或32
64（理论上128）
32-64
线路编码
NRZ
NRZ
8B/10B
最大传输距离（km）
20
60
20
TDM支持能力
TDMoverATM
TDMoverATM
TDMoverPacket
TDMoverEthernet
上行可用宽带（Mbit/s）（传输IP业务）
500（在上行622Mbit/s速率情况下）
1600（在上行1.244Gbit/s速率情况下）
760-860
OAM
有
有
有
下行数据加密
搅动或AES加密
AES加密
没有定义
2.2EPON技术的概念及特点
EPON利用以太网作为其第二层的成帧协议。
数据传输采用可变长度的包，最长达1518字节。
这时IP数据来说是最好的，因为IP数据的平均包长为500-1200字节。
EPON对上行数据流和下行数据流传输采用不同的方法。
在下行链路上，OLT以广播方式发送以太网数据帧。
通过N的无源分光器，数据帧到达各ONU，ONU通过检查接收到的数据帧的目的媒体接入控制（MAC）地址和帧类型来判断是否接收此帧[3][4]。
图2.1表达EPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输。
图2.1EPON的WDM技术
为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术：
（1）下行数据流采用TDM技术；
（2）上行数据流采用TDMA技术。
图2.2中表述EPON的下行传输原理：
数据从OLT到多个ONU广播式下行，根据IEEE802.3协议，每一个包的表明是给ONU（ONU1、ONU2、ONU3…ONUN）中的唯一一个。
另外，部分包可以是给所有的ONU（广播式）或者特殊的一组ONU（组播），在光分路器处，流量分成独立的三组信号，每一组载有所有指定ONU的信号。
当数据信号到达该ONU时，它接收给他的包，摈弃那些给其它ONU的包。
举例说明：
图2.2中，ONU1收到包1、2、3，但是它仅仅发送包1给终端用户1，摈弃包2和包3。
图2.2EPON工作原理——下行数据传送
图2.3中表述EPON的上行传输原理：
在上行链路上，各ONU的数据帧以突发方式通过共同的无源分配网传输到OLT，因此必须有一种多址接入方式保证每个激活的ONU能够占用一定的上行信道带宽。
与卫星通信的多址方案类似，可选的方案有：
波分多址（WDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和随机接入（CSMA/CD）。
最理想的接入方式应该是WDMA方式，即：
每一个ONU占用一个波长，OLT根据波长的不同来区别ONU，但由于可调光收发器成本较高，WDMA方式使EPON的管理较为复杂；随机接入的CSMA/CD协议的带宽利用率太低，网络跨距受协议限制，且无法支持QOS应用：
CDMA中存在多址干扰、光正交码有限和扩频带宽远大于用户数据带宽等问题。
EPON的服务对象是家庭用户和小企业，考虑到业务的不对称性和ONU的低成本，EFM工作组决定在上行链路上采用TDMA方式。
图2.3EPON工作原理——上行数据传送
EPON的标准是IEEE802.3ah，标准中定义了EPON的物理层、MPCP（多点控制协议）、OAM（运行管理维护）等相关容。
IEEE制定了EPON标准的基本原则是尽量在802.3体系结构进行EPON的标准化工作，最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。
采用1Gbps双向对称数据速率，传输距离为10km和20km两种物理层规，采用WDM方式实现单纤双向传输。
上、下行分别使用1310nm波长和1490nm波长进行传输。
目前可以提供EPON核心芯片的专业厂商不到10家（其中不包括自主设计芯片的系统厂商），在标准讨论的过程中，这些厂商就已开始芯片的设计和验证，因此在802.3ah标准正式颁布时，他们大多数都已推出了第二代和标准完全兼容的芯片，可以迅速支持EPON系统的大规模部署。
日前，EPON的核心芯片已发展到第三代SOC（systemonchip）阶段，集成了多端口标准以太网的MAC和PHY、SRAM、CPU以及PON专用的SerDes。
以这种芯片为核心，只需要增加少数的外围器件（如模块和接口电路）就可以构成一个完整的系统，某些厂商提供的ONU参考设计，面积只有手掌一半那么大。
最近，我国开鼎科技，中国唯一拥有EPON芯片核心技术的国企业，日前与中国电力科学研究院通信与用电技术分公司就“基于PON的配用电光通信OLT/ONU芯片合作开发”正式投产强保护、高安全、低功耗、体积小的芯片。
据介绍，开鼎科技自创建伊始即专注于光接入网核心芯片的研发，是中国第一家、全球第四家EPON系统核心芯片供应商。
在对EPON系统核心芯片拥有自主知识产权的基础上，KDT为产业链提供应用系统的设计开发服务，为光网络终端制造商提供简便易用、高性价比的芯片产品。
EPON光收发模块的产业链已经完整并开始与EPON系统的发展互相推动，二者开始步入良性循环的轨道；ONU模块的价格从最初的200美元以上下降到目前不足50美元，价格水平已经和普通的千兆以太网光模块相当。
模块价格的下降反过来又带动了EPON系统的规模部署速度，日本和韩国都已开始了大规模的EPON商业化应用。
EPON模块的主流厂商也从日本和美国转移到中国的和陆。
现在能够提供EPON模块的厂商已经有10-20家。
提供EPON系统的最初都是一些新兴专业厂商，如Alloptic和Salira。
现在传统的主流电信大厂也开始进入该领域，如：
富士通、UT斯达康和烽火集团，极大地带动了EPON的产业化发展。
我国从EPON国际标准制订一开始就把EPON列入国家的“863”重大项目，支持格林威尔等国厂商对EPON关键技术进行攻关，2004年初完成“863”项目的验收，之后滚动投入二期资金支持优秀厂商进行EPON系统的商业化推广。
现在，能够提供商用EPON系统的厂商近10家，从技术水平上看，因为几乎同步开发，国外厂商的差别很小。
而价格方面，国厂商占优。
影响成本的因素是多方面的，比如：
技术复杂度、规模产量以及市场应用规模。
从技术角度来看：
EPON“进入门槛”很低，容易吸引大批厂商加入EPON产业联盟。
EPON继承了以太网“简单即是美”的优点，尽量只做最小的改动来提供增加的功能，这就使得传统的以太网芯片厂商可以很容易地进行EPON芯片设计，新的设计公司也能利用随处可得的以太网相关IPcore（具有知识产权的设计核）来加入EPON芯片设计的阵营。
目前EPON的第三代芯片的价格并不比前两代芯片价格高（甚至还有下降的趋势），功能却不可同日而语。
从产量规模角度来看：
EPON系统厂商在标准制订过程中就已经开发了早期的系统，开始进行小规模现场试验，一方面随着标准的演化及时跟进，另一方面也为将来的的大规模部署积累着相关的工程和服务经验。
这样在标准颁布之时就早已做好了各方面的准备，一旦需求爆发，马上就能够大规模部署。
日本YahooBB之所以能在EPON标准刚正式颁布不久即大规模采用EPON部署FTTH，就是因为EPON的工艺技术如火纯青。
这反而又大大促进了EPON产业的发展，仅其一家的采购规模就足以拉低EPON光模块的价格。
EPON模块价格已接近传统模块。
目前对EPON多业务能力质疑最多的就是它传输传统TDM业务的能力。
且不说目前EPON设备厂商采用的各种TDMoverEthernet的专利技术提供了EPON单一网段的TDM业务传输通道，从测试结果来看，其性能完全满足1.5ms时延等指标要求，完全符合传统TDM业务的应用标准。
就是在普通的以太网设备上，也可以使用各种标准的PWE3（PseudoWireEmulationEdgeToEdge）设备提供跨网段、端到端的、透明的传统点对点TDM通道。
而且，随着传统TDM业务量所占比例的日趋减少，使用分组交换技术，把TDM业务收容到日益扩大的分组网络中来，无疑将是一种更为经济的手段。
即使是现在部署的G/EPON系统，也会更看重其对各种以太网数据业务的支持能力。
对于IPTV、VOIP等IP/以太网基础上的多业务，EPON更是可以很好地承载。
对模拟的CATV业务，EPON采用增加一个波长进行承载。
在安全性方面，EPON也使用标准的基于AES的加密技术。
2.3EPON的网络结构和体系结构
2.3.1EPON的网络结构
EPON的网络结构如图2.4所示。
EPON位于业务网络接口（SND）到用户网络接口（UNI）之间（即接入层），主要分成三部分:
一个光线路终端（OpticalLineTerminal，OLT）、多个光网络单元（OpticalNetworkUnit，ONU）和光分配网络（OpticalDistributionNetworks，ODN）[5]。
其中OLT设备位于中心局端（CenterOffice，CO），充当交换机和路由器的角色。
ONU设备位于用户端，用于暂时存储用户端传来的上行数据或者OLT传来的下行数据，并在适当的时候进行数据转发。
ODN由光纤和光分路器/合路器（Sputter/Combiner）等无源器件组成。
用户经过EPON，通过OLT所连接的不同SNI节点，可以接入Internet、PSTN等网络，能够为用户提供多种不同的网络服务。
图2.4EPON的网络结构
2.3.2参考模型
以太网无源光纤网络（EPON）是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网络，其典型拓扑结构为树型，参考结构如图2.5所示。
图2.5EPON参考结构
EPON系统由局侧的光线路终端（OLT）用户侧的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成，为单纤双向系统。
在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过一个1：
N的无源光分路器（或几个分路器的级联）到达各个ONU；在上行方向（ONU到OLT），一个ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。
为了避免数据冲突并提高网络利用率，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。
ODN在一个OLT和一个或多个OUN间提供一条或多条光通道，每个光通道被限制在一个特定波长窗口。
由于是无源分路，因此在性和安全性方面需要采取特殊措施。
ODN由POS和光纤构成，POS是一个连接OLT和ONU的无源设备，可以置于全天候环境中，它分发下行数据并集中上行数据，一般一个POS的分线比为8、16、32或64，并可多连接。
OLT位于中心交换局的机架上，它既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，提供EPON系统与业务供应商的核心数据、视频和网络间的接口，它通过一个EMS到业务供应商的网络上。
OLT可提供各种广域网接口，可与DCS、话音网关、IP路由器等设备相连：
还可提供多个吉比特以太网和10吉比特以太网接口，提供第二层和第三层的交换与路由功能，OLT根据需要配置多块OLC（光线路卡）。
OLC与多个ONU通过POS（无源光切分器）连接。
ONU/ONT位于用户端，放在一个住户、企业或MDU/MTU处。
ONU与ONT的区别在于ONT直接位于用户端，而ONU与用户间还有其他网络如以太网。
ONU提供客户的数据、视频和网络与PON间的接口。
ONU的主要功能是接收光信号并将其转换为客户需要的形式，如以太网、IP多播、POTS、T1等。
EPON的独特之处是：
ONU除了终接和转换光信号外，还提供第二层和第三层交换功能，允许在ONU上实现企业数据流的部路由。
2.3.3协议栈
图2.6描述了EPON系统的协议分层以及与ISO/IECOSI参考模型之间的关系。
由于EFM工作组的目的是以尽量小的协议改动将以太网引入接入网畴，目前暂定的协议分层（图2.6）与千兆以太网的协议分层相比，物理层定义几乎相同（主要改动是增加功率控制功能），主要的区别是在数据链路层增加了两个子层：
多点接入子层和以太网仿真/安全子层。
多点接入子层用于支持上行和下行链路的多点接入：
仿真子层的作用是将一点对多点的通信等效为传统以太网的对等实体的通信（P2P）；安全子层主要用于下行链路的MAC帧加密[6]。
图2.6EPON协议分层和OSI参考模型间的关系
从EPON的结构图和协议分层图可以看出：
EPON中较为复杂的功能主要集中于OLT，ONU应尽量简单和廉价，并且在EPON中，一方面由于传统的点到点的光纤线路已转变为点到多点的光传输结构（类似于卫星通信
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