張 凱

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

1 無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程

伴隨著網(wǎng)絡(luò)的快速普及，一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)體系已經(jīng)建立，我們的生活、學(xué)習(xí)、工作與網(wǎng)絡(luò)密不可分。網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度的要求也在不斷提高，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究與探索，光纖通信網(wǎng)絡(luò)以其無(wú)以倫比的優(yōu)越性已經(jīng)覆蓋全球，為解決傳輸網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)帶寬瓶頸，無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)而生。

無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱PON網(wǎng)絡(luò)。由于波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的快速發(fā)展，WDM已經(jīng)用在城域網(wǎng)范圍。一些企業(yè)內(nèi)部和高檔小區(qū)內(nèi)，局域網(wǎng)的速度開(kāi)始從10 Mbit/s向100 Mbit/s進(jìn)行過(guò)渡，甚至有的地方已經(jīng)達(dá)到1000 Mbit/s。城域網(wǎng)的巨大帶寬容量與終端用戶有限的接入帶寬，成為限制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。多年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商一直在努力為市場(chǎng)提供一個(gè)廉價(jià)的接入網(wǎng)，同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所需的帶寬，但是經(jīng)濟(jì)與技術(shù)等多方面的因素嚴(yán)重導(dǎo)致了接入網(wǎng)技術(shù)的緩慢發(fā)展。

社會(huì)關(guān)注關(guān)注PON技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)多年。近年來(lái)，由于光部件價(jià)格的下降和終端用戶接入網(wǎng)帶寬的增長(zhǎng)，PON技術(shù)已經(jīng)展露出經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行性。PON可以為用戶提供足夠的接入帶寬，從而消除接網(wǎng)絡(luò)的帶寬瓶頸。PON網(wǎng)絡(luò)主要有兩種類型：ATM PON和Ethernet PON。

1.APON APON在90年代由FSAN聯(lián)盟設(shè)計(jì)完成。由于ATM可作為支持多種通信類型的協(xié)議，PON是光纖網(wǎng)絡(luò)，所以選擇ATM和PON分別作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，即后來(lái)的ITU的標(biāo)準(zhǔn)，ITU-T Rec.G.983。然而APON并沒(méi)有被廣泛應(yīng)用，因?yàn)楦鱾€(gè)APON廠商的產(chǎn)品沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，APON的發(fā)展也不如預(yù)料那么好。

2.EPON 諸多因素致使APON從局域網(wǎng)舞臺(tái)中推出。而IP/Ethernet卻越發(fā)得到大家的關(guān)注。以太網(wǎng)的傳輸速率不斷被提高，如今10Gbit/s的以太網(wǎng)也已經(jīng)投入使用。DWM等技術(shù)的應(yīng)用使得IP/Ethernet強(qiáng)勢(shì)進(jìn)入WAN和MAN市場(chǎng)。許多公司達(dá)成共識(shí)，把Ethernet和PON技術(shù)結(jié)合起來(lái)的EPON可以克服APON的多個(gè)缺點(diǎn)，同時(shí)利用Ethernet的普及性，可以方便的實(shí)現(xiàn)從Ethernet向EPON的過(guò)渡，從而為接入網(wǎng)的終端用戶提供低價(jià)格高寬帶的EPON網(wǎng)絡(luò)。

2 EPON和APON的差異

EPON和APON的物理層傳輸訪問(wèn)技術(shù)都采用PON結(jié)構(gòu)，但是他們還是有著各自的不同特點(diǎn)。在1995年，ITU和FSAN制訂了ATM標(biāo)準(zhǔn)，諸多供應(yīng)商陸續(xù)開(kāi)發(fā)APON產(chǎn)品。然而APON的結(jié)構(gòu)缺陷，迫使運(yùn)營(yíng)商們不得不把想法寄托到EPON上。有限的終端帶寬，雜亂的協(xié)議轉(zhuǎn)換，APON技術(shù)的發(fā)展受到很大限制。APON引起結(jié)構(gòu)缺陷，造成10%的帶寬浪費(fèi)。而在EPON結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所造成的帶寬損失為2%～3%。APON必須采用多種技術(shù)轉(zhuǎn)換（如AAL1/2 SAR、AAL5 SAR）轉(zhuǎn)換所有終端通信并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，為實(shí)現(xiàn)這一目的，必須添置相應(yīng)的設(shè)備。從網(wǎng)絡(luò)連接的角度出發(fā)，APON的ONU需要實(shí)現(xiàn)IP和ATM虛連接的對(duì)應(yīng)。這樣的功能仍需添加設(shè)備，提高自身的硬件成本。現(xiàn)在，無(wú)論網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)距離傳輸，還是用戶終端接入網(wǎng)部分，其通信技術(shù)已經(jīng)從ATM轉(zhuǎn)為IP，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視頻、音頻和數(shù)據(jù)通信。設(shè)想一下，EPON依靠其絕對(duì)特點(diǎn)——無(wú)需多余的協(xié)議轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一的端到端連接服務(wù)模式，低廉的設(shè)備成本，簡(jiǎn)單的操作和維護(hù)，必將強(qiáng)勢(shì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)，成為運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)搶的寵兒。

3 EPON工作原理

3.1 EPON組成及工作原理

EPON是英特網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合。EPON采用端到端的結(jié)構(gòu)，無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)，在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上提供多個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?，F(xiàn)在，因特網(wǎng)基本占據(jù)整個(gè)局域網(wǎng)市場(chǎng)，EPON是與因特網(wǎng)結(jié)合使用的，其包括了因特網(wǎng)基本框架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，從而成為接入網(wǎng)終端的最直接、最有效的通信方法。EPON中，無(wú)需復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，光信號(hào)就能準(zhǔn)確地傳送到終端接入用戶，來(lái)自用戶的數(shù)據(jù)通過(guò)光信號(hào)傳送到網(wǎng)絡(luò)。

一個(gè)典型的Ethernet over PON 系統(tǒng)包括OLT、ONU、POS三部分。OLT（光線路終端）、ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）以及POS（無(wú)源光分配器）等單元端到端網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用星型或樹(shù)型分支結(jié)構(gòu)，下行方向采用廣播方式，ONU將接收的下行信息，根據(jù)各自地址提取相關(guān)信息；上行方向使用分布式共享系統(tǒng)，通過(guò)控制機(jī)制將多個(gè)ONU有序接入。在EPON中，OLT不光是路由器，也是多業(yè)務(wù)提供平臺(tái)(MSPP)，可作為無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖接口。參照以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，OLT將提供10Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)為保證其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的正常工作，OLT還支持ATM、FR等速率的通信。OLT主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中和接入的功能，還可以按照不同用戶的要求帶寬分配帶寬、網(wǎng)絡(luò)安全和管理策略。POS是一個(gè)無(wú)源，可以置于任何環(huán)境中，OLT通過(guò)POS連接多個(gè)ONU。一個(gè)POS的分線率為8、16或32，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)連接。OLT到ONU間的連接距離可達(dá)20 km，如果使用光纖放大器(有源中繼器)，可擴(kuò)展連接距離。EPON中采用應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)協(xié)議。通過(guò)ONU單元實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)第二層第三層交換功能，采用以太協(xié)議可以更方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，所以傳輸過(guò)程中無(wú)需協(xié)議轉(zhuǎn)換，ONU還支持其他的TDM協(xié)議。對(duì)于光纖到戶(FTTH)的接入方式，ONU和NIU可以集成在一起，從而給終端用戶分配足夠的帶寬，同時(shí)保證極低的成本。遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)分配控制管理可以針對(duì)用戶不同的帶寬需求做出響應(yīng)操作，從而大大提高帶寬的使用效率。中心管理系統(tǒng)可以對(duì)OLT、ONU等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置及用戶可管理的CPE業(yè)務(wù)。PON系統(tǒng)可以方便、靈活地為用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配帶寬，根據(jù)用戶的要求，為其靈活分配。

3.2 EPON中的核心技術(shù)

3.2.1 信道復(fù)用技術(shù)

信道復(fù)用技術(shù)是EPON的一個(gè)重要技術(shù)，通過(guò)一條光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào),而每個(gè)光信號(hào)可以承載多路電信號(hào)（包括數(shù)字和模擬兩種）。WDM原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)整理到一起,并放在光纜線路中的一條光纖中進(jìn)行傳輸,在接收端將這些信號(hào)按照各自波長(zhǎng)的不同進(jìn)行分解和處理，最終發(fā)送到不同的用戶終端。在整個(gè)過(guò)程中,發(fā)送端與接收端是WDM的重要組成部分，其工作性能直接決定了網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的好壞。一般情況下，為保證傳輸質(zhì)量，我們?cè)谶x擇發(fā)送與接收設(shè)備時(shí)，設(shè)備損耗應(yīng)控制在1.0～2.5db以內(nèi)，同時(shí)，不同信道間的相互干擾也是影響傳輸質(zhì)量的重要因素，值得我們注意。

從發(fā)展現(xiàn)狀看，多數(shù)EPON采用DWDM及TDMA技術(shù)。EPON在IEEE802.3以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀格式上進(jìn)行必要的修改，通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)，可同時(shí)處理雙向信號(hào)傳輸，在同一根光纖中，上、下行兩個(gè)信號(hào)分別使用不同的波長(zhǎng)。上行采用時(shí)分多址接入（TDMA）技術(shù)，下行采用純廣播的方式。在下行傳輸過(guò)程中，OLT為ONU分配相應(yīng)的PON－ID，每個(gè)ONU監(jiān)測(cè)收到數(shù)據(jù)的PON－ID，如果接收數(shù)據(jù)的PON－ID和自身PON－ID一致，則接收數(shù)據(jù)，否則丟棄。

另一方面，PON系統(tǒng)采用“同纖異波”的傳輸方式，系統(tǒng)中的 OLT 和ONU 之間采用上下行雙向傳輸?shù)膯文９饫w，上行使用1255nm～1355nm 波長(zhǎng)（標(biāo)稱1310nm），下行使用1480nm～1500nm 波長(zhǎng)（標(biāo)稱1490nm），而1540nm～1560nm 波長(zhǎng)（標(biāo)稱1550nm）則預(yù)留給CATV服務(wù)。

3.2.2 光鏈路損耗測(cè)量

OLT及ONU都支持光功率測(cè)量功能，OLT對(duì)其接收到的ONU上行光功率進(jìn)行測(cè)量，誤差控制在±1dB，ONU對(duì)來(lái)自O(shè)LT 的下行光功率進(jìn)行測(cè)量，誤差控制在±2dB。

前面說(shuō)過(guò)，PON系統(tǒng)主要由OLT、POS以及ONU三部分組成，其中POS（無(wú)源光分配器）的損耗直接影響PON的使用性能。因此，分析研究PON中的POS損耗是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。影響POS的因素主要有：光纖損耗、無(wú)源分配器損耗、接頭損耗。

PON系統(tǒng)的光鏈路損耗可用下式表達(dá)：

其中，Lfiber代表光纖損耗，Lsplitter代表無(wú)源分光器損耗，Lconnector代表接頭損耗。

根據(jù)G.652.C和G.652.D規(guī)定，PON系統(tǒng)光纖損耗為：

無(wú)源分光器主要實(shí)現(xiàn)將PON系統(tǒng)中的輸入光源均分至多路輸出，且各路輸出光功率總和應(yīng)與理論輸入光功率相同。

一般情況下，分光器的每路損耗約為0.5dB，用發(fā)光指數(shù)n表示分光比為2n（即：2、4、8、16、32）。無(wú)源分光器的損耗為：

通常，光連接器損耗約為0.5dB，并成對(duì)存在。接頭損耗主要取決于末端接入點(diǎn)至匯聚點(diǎn)的跳數(shù)。以目前常見(jiàn)光纜資源和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，跳接數(shù)一般在1～2跳。按最差情況分析，接頭損耗為：

3.2.3 系統(tǒng)同步

系統(tǒng)同步是指為防止各個(gè)ONU上行數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，按照EPON上行為多點(diǎn)到一點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)，每個(gè)ONU發(fā)送的時(shí)間間隙必須與OLT的系統(tǒng)分配的時(shí)間間隙一致。為實(shí)現(xiàn)ONU與OLT的時(shí)鐘信號(hào)同步，EPON采用時(shí)間標(biāo)簽方式。在OLT端設(shè)有一個(gè)全局計(jì)數(shù)器，下行方向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)插入時(shí)鐘標(biāo)簽，ONU根據(jù)收到數(shù)據(jù)的時(shí)鐘標(biāo)簽調(diào)整本地計(jì)數(shù)器，完成兩端時(shí)間同步；上行方向ONU發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)插入時(shí)鐘標(biāo)簽，OLT根據(jù)收到數(shù)據(jù)的時(shí)鐘標(biāo)簽進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)同步。

3.3 EPON應(yīng)用特點(diǎn)

（1）EPON所使用的光無(wú)源器件，無(wú)冗余電源、無(wú)需過(guò)多的維護(hù)人員，有效降低運(yùn)營(yíng)成本；

（2）EPON采用廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)，二者能夠更好的融合，消除了復(fù)雜的傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的建設(shè)成本因素；

（3）采用波分復(fù)用技術(shù)，傳輸距離可達(dá)20公里，通過(guò)添加放大器，可增加傳輸距離，傳輸范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他網(wǎng)絡(luò)。光分路器可最大配置32個(gè)用戶，大大降低成本；

（4）上下行均具備高速率，下行方向采用廣播方式共享系統(tǒng)，上行方向使用分布式共享系統(tǒng)，可方便靈活的為用戶分配帶寬；

（5）端對(duì)端的結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加ONU數(shù)量，有效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，方便實(shí)現(xiàn)；

（6）EPON具有多種能力，可傳輸TDM、IP數(shù)據(jù)和視頻廣播，通過(guò)擴(kuò)展第三個(gè)波長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)廣播傳輸。

4 EPON展望

遠(yuǎn)距離傳輸，方便可調(diào)的帶寬，兼并因特網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，光纖的接入和傳輸，光纖化的ONU/ONT，EPON系統(tǒng)所能提供的諸多優(yōu)勢(shì)為企業(yè)和個(gè)人提供了更快、更方便的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時(shí)，更少的設(shè)備維護(hù)和成本投資，支持遠(yuǎn)端ONU/ONT的加入，方便的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，終端設(shè)備的統(tǒng)一管理，帶寬資源共享、設(shè)備安全性高、快捷的建網(wǎng)速度、綜合建網(wǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，更能滿足現(xiàn)在及未來(lái)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)發(fā)展的需求，且最大程度的降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。目前，EPON還處于發(fā)展階段，但數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增多、快速以太網(wǎng)應(yīng)用、G比特以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，都加快了EPON的發(fā)展速度。FTTx作為針對(duì)大客戶、集團(tuán)用戶的解決方案越來(lái)越受到青睞。隨著PON技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用和芯片成本的不斷降低，以及光纖鋪設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，EPON技術(shù)將很快成為FTTx的主要接入方式之一。EPON技術(shù)在今后將會(huì)被越來(lái)越多的使用。

更值得注意的是，2002年美國(guó)一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建議：為加速網(wǎng)絡(luò)的普及和發(fā)展，重點(diǎn)發(fā)展以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，并建議將其作為一項(xiàng)長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃。這無(wú)疑奠定了EPON的發(fā)展?jié)摿Γ瑫r(shí)也為EPON在全球網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的發(fā)展推波助瀾。

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