EPON技术特点及其在广电网络中的应用

    作者:刘阳春，深圳飞通光电股份有限公司；杨春艳，吉林大学　
    中国广播电视网络经过多年的建设，目前有超过9000万户有线电视用户，光纤有线电视网络（Hybrid Fiber Coaxial Network：HFC）已经得到了广泛的普及。许多城市实现了部分网络的双向化改造，通过Cable Modem实现宽带数据接入。 
    以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network：EPON）是当今世界上新兴的覆盖最后一公里的宽带光纤接入技术，中间采用光分路等无源设备，单纤接入各个用户点（ONU），更多地节省光缆资源，并具有带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。 
    在当今宽带接入网建设中，2003年6月份美国三家RBOCs: Bell South, Verizon,SBC提出的需求建议书RFP中，PON技术再次成为FTTP最大的热门话题。日本在7月底之前FTTH用户已经超过50万。 
    中国广电网络面临着中国电信、中国网通的xDSL技术的激烈竞争，如果能够采用PON技术，将会在较短时间内，在原有的HFC网络中，实现宽带数据传输，促进广电网络在宽带接入市场中的份额。 
    EPON的技术特点 
    组成单元 
    PON致力于解决服务提供商中心局端、前端或者POP到商务或家庭节点向最后一公里的通信结构。由于IP技术的突飞猛进，在90年代中期曾非常盛行的APON（ATM PON）被认为不适合于解决本地环路。同时随着网络向快速以太网、千兆以太网，直至现在的万兆以太网的发展，EPON将消除WAN/LAN中ATM与IP协议间的连接转换的必要性。 
    EPON与APON光路结构类似，都遵循G ·983协议，最终它将以更低的价格、更宽的带宽和更强的服务能力取代APON。 
    EPON的组成单元如图1所示，光信号通过光分路器把光纤线路终端（OLT）一根光纤下行的信号分成多路给每一个光网络单元（ONU），每个ONU上行的信号通过光耦合器合成在一根光纤里给OLT。因而EPON中包括无源网络设备和有源网络设备。无源网络设备包括单模光缆、无源光分路器/耦合器、适配器、连接器和熔接头等。它一般放置于局外，也称之为局外设备。无源网络设备十分简单、稳定可靠、寿命长、易于维护、价格极低。 
    有源网络设备包括中心局机架设备、光网络单元和设备管理系统（EMS）。中心局机架上插装光纤线路终端、网络界面模块（NIM）以及交换模块（SCM），因此以上三种设备也统称为中心局机架设备。 
    中心局机架设备提供EPON系统与服务提供商核心的数据、视频和话音网络的接口。它也通过设备管理系统与服务提供商的核心运行网络相连接。中心局机架上广域网界面通常将与以下设备接口相连接： 
    ● 数字交叉连接（DCS），它传送未交换的或未本地交换的TDM流量到电话网络，普通的DCS界面包括DS1、DS3、STS-1和OC-3； 
    ● 语音网关，它传送本地交换的TDM/话音流量到公众交换电话网络（PSTN）； 
    ● IP路由器或ATM边缘交换机，它将数据流量引到核心数据网络； 
    ● 视频网络设备，它传送视频流量到核心视频网络。 
    光网络单元（ONU）给用户提供数据、视频和电话网络与PON之间的接口。ONU最初的作用是接收光路信号，转换成用户所需的格式（以太网、IP广播、POTS电话、T1/E1等）。EPON独一无二的特征是：ONU中除了终接和转换光信号外，还提供2-3层交换功能，它允许在ONU中内置企业级路由器。EPON同样也适合用第三个波长传送模拟CATV信号或者IP视频。 
    因为ONU在FTTB和FTTH应用中，放置于用户节点处，而且成本不与众多用户共享，所以ONU的设计和成本成为EPON系统被接受和采用的关键，通常ONU在FTTB应用中占系统成本的70%多，在FTTH应用中占成本的大约80%。 
    设备管理系统管理PON中的不同设备，并向服务提供商核心运营网络提供接口。它的管理职责包括全程的查错、配置、记费、运行和安全（FCAPS）功能。 
    传输原理 
    EPON与APON最大的区别是EPON根据IEEE802.3协议，包长可变至1518字节传送数据，而APON根据ATM协议，按照固定长度53个字节包来传送数据，其中48个字节负荷，5个字节开销。这种差别意味着APON运载IP协议的数据效率低且困难。用APON传送IP业务，数据包被分成每48个字节一组，然后在每一组前附加上5个字节开销。这个过程耗时且复杂，也给OLT和ONU增加了额外的成本。此外，每一48个字节段就要浪费5个字节，造成沉重的开销，即所谓的ATM包的税头。相反，以太网传送IP流量，相对于ATM开销急剧下降。 
    上行/下行流量管理 
    EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。所采取的不同的上行/下行技术分别如图2、3所示： 
    数据从OLT到多个ONU广播式下行，根据IEEE802.3协议，每一个包的包头表明是给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，它接收给它的包，摒弃那些给其它ONU的包。举例，图2中，ONU1收到包1、2、3，但是它仅仅发送包1给终端用户1，摒弃包2和包3。 
    采用时分复用技术（TDM）分时隙给ONU管理上行流量，时隙是同步的，以便当数据信号耦合到一根光纤时各个ONU的上行包不会互相干扰。ONU在ONU指定的时隙上行数据给OLT，采用时分复用避免数据传输冲突，即上行采用争用方式，下行采用广播方式。 
    拓扑结构 
    EPON网络采用一点至多点的拓朴结构，取代点到点结构，大大节省了光纤的用量、管理成本。无源网络设备代替了传统的ATM/SONET宽带接入系统中的中继器、放大器和激光器，减少了中心局端所需的激光器数目，并且OLT由许多ONU用户分担。而且EPON利用以太网技术，采用标准以太帧，无须任何转换就可以承载目前的主流业务－IP业务。 
    因此EPON十分简单、高效、建设费用低、维护费用低，是最适合宽带接入网需求的。 
    HFC网络 
    从上个世纪40年代末期发展起来的有线电视系统，一般由前端、干线传输、分配网络、用户单元等组成。直至80年代末期，由于DFB激光器高线性、高功率输出等显著优点，被引用到CATV中，取代电缆干线传输。由于光纤传输损耗小、传输带宽宽、传输距离长、不易受外界干扰、传输CNR/CSO/CTB指标高，因此该技术在有线电视网络得到迅速发展，从光纤干线网发展演变到FTTC（光纤到小区）、到FTF（馈源），及到FTTLA（最后一级有源体），也就是FTTB（光纤到大楼）。 
    HFC双向网络一般采用星型结构：一台光发射机带多台光接收机，下行带宽49~750MHZ或者870MHz，上行采用5~42MHz。下行占用一根光纤，上行一根光纤。前端CMTS下行30~40Mbps，可以带2048个用户，占用一个6Mhz带宽频道，上行从几百K到10Mbps。 
    一个HFC网络，下行结构与无源光网络十分类似，上行系统必须是每一个光节点都要向前端发送信号,都需要一根光纤。因此造成前端需要非常多的光纤，而且所有光节点的回传噪声在前端汇集，形成漏斗状噪声，劣化回传系统的CNR，以至于不得不降低传输速率。 
    EPON在HFC网络的应用 
    EPON可采用两个波长或三个波长的系统设计。两个波长的EPON系统适用于传送数据、语音和IP交换的数字视频（IP-SDV）。三个波长的EPON系统可用于提供RF图像服务（CATV）或者密集波分复用。 
    三个波长EPON的光路设计。这种结构中，1490nm和1310nm波长分别用于下行和上行，而1550nm用于下行CATV射频的传输。采用这种设计，PON可以覆盖20Km以内16个以上的光节点。 
    一般在HFC网络中,光发射机选择1310nm或者1550nm。要采用EPON技术在同一光纤网络中传输数据、图像，乃至声音，HFC必须选用1550nm波长。通过波分复用（WDM）的方式与EPON的OLT合成于一根光纤。经过分路，光纤传输送到ONU前的解波分复用，还原成1550nm信号给CATV光接收机，其他信号接到ONU，完成宽带数据和声音的传输。 
    由于HFC网络采用星型结构，此结构与EPON十分相似；因此，在HFC网络中采用EPON，只需在原来的光纤网络上做简单的配置，可在较短时间内完成网络的叠加。同时HFC基本上采用FC/APC连接器，反射损耗大于60dB；而EPON网络对光的反射比较敏感，一般要求APC连接器。 
    三个波长EPON中也可以采用DWDM设计。这种设计采用光纤中1490nm下行、1310nm上行。1550nm窗口（1530nm到1565nm）允许DWDM信道在PON中透明传输，增加VOD、数字视频和带宽等功能。 
    EPON采用以太网帧结构、点到多点结构、无源光纤传输方式，极大地简化了网络结构。HFC目前是最经济的CATV信号传输接入方式，它的光网络结构与EPON十分相似。EPON技术和HFC技术的结合，无疑给广电网络建设者在原有网络基础上扩展新的宽带数据接入功能、迅速占领宽带接入市场提供了机会。