EPON技術(shù)特點及其在廣電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

    作者:劉陽春，深圳飛通光電股份有限公司；楊春艷，吉林大學(xué)　
    中國廣播電視網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的建設(shè)，目前有超過9000萬戶有線電視用戶，光纖有線電視網(wǎng)絡(luò)（Hybrid Fiber Coaxial Network：HFC）已經(jīng)得到了廣泛的普及。許多城市實現(xiàn)了部分網(wǎng)絡(luò)的雙向化改造，通過Cable Modem實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)接入。 
    以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network：EPON）是當(dāng)今世界上新興的覆蓋最后一公里的寬帶光纖接入技術(shù)，中間采用光分路等無源設(shè)備，單纖接入各個用戶點（ONU），更多地節(jié)省光纜資源，并具有帶寬資源共享、節(jié)省機房投資、設(shè)備安全性高、建網(wǎng)速度快、綜合建網(wǎng)成本低等優(yōu)點。 
    在當(dāng)今寬帶接入網(wǎng)建設(shè)中，2003年6月份美國三家RBOCs: Bell South, Verizon,SBC提出的需求建議書RFP中，PON技術(shù)再次成為FTTP最大的熱門話題。日本在7月底之前FTTH用戶已經(jīng)超過50萬。 
    中國廣電網(wǎng)絡(luò)面臨著中國電信、中國網(wǎng)通的xDSL技術(shù)的激烈競爭，如果能夠采用PON技術(shù)，將會在較短時間內(nèi)，在原有的HFC網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸，促進廣電網(wǎng)絡(luò)在寬帶接入市場中的份額。 
    EPON的技術(shù)特點 
    組成單元 
    PON致力于解決服務(wù)提供商中心局端、前端或者POP到商務(wù)或家庭節(jié)點向最后一公里的通信結(jié)構(gòu)。由于IP技術(shù)的突飛猛進，在90年代中期曾非常盛行的APON（ATM PON）被認(rèn)為不適合于解決本地環(huán)路。同時隨著網(wǎng)絡(luò)向快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)，直至現(xiàn)在的萬兆以太網(wǎng)的發(fā)展，EPON將消除WAN/LAN中ATM與IP協(xié)議間的連接轉(zhuǎn)換的必要性。 
    EPON與APON光路結(jié)構(gòu)類似，都遵循G ·983協(xié)議，最終它將以更低的價格、更寬的帶寬和更強的服務(wù)能力取代APON。 
    EPON的組成單元如圖1所示，光信號通過光分路器把光纖線路終端（OLT）一根光纖下行的信號分成多路給每一個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），每個ONU上行的信號通過光耦合器合成在一根光纖里給OLT。因而EPON中包括無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括單模光纜、無源光分路器/耦合器、適配器、連接器和熔接頭等。它一般放置于局外，也稱之為局外設(shè)備。無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備十分簡單、穩(wěn)定可靠、壽命長、易于維護、價格極低。 
    有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括中心局機架設(shè)備、光網(wǎng)絡(luò)單元和設(shè)備管理系統(tǒng)（EMS）。中心局機架上插裝光纖線路終端、網(wǎng)絡(luò)界面模塊（NIM）以及交換模塊（SCM），因此以上三種設(shè)備也統(tǒng)稱為中心局機架設(shè)備。 
    中心局機架設(shè)備提供EPON系統(tǒng)與服務(wù)提供商核心的數(shù)據(jù)、視頻和話音網(wǎng)絡(luò)的接口。它也通過設(shè)備管理系統(tǒng)與服務(wù)提供商的核心運行網(wǎng)絡(luò)相連接。中心局機架上廣域網(wǎng)界面通常將與以下設(shè)備接口相連接： 
    ● 數(shù)字交叉連接（DCS），它傳送未交換的或未本地交換的TDM流量到電話網(wǎng)絡(luò)，普通的DCS界面包括DS1、DS3、STS-1和OC-3； 
    ● 語音網(wǎng)關(guān)，它傳送本地交換的TDM/話音流量到公眾交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）； 
    ● IP路由器或ATM邊緣交換機，它將數(shù)據(jù)流量引到核心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)； 
    ● 視頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它傳送視頻流量到核心視頻網(wǎng)絡(luò)。 
    光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）給用戶提供數(shù)據(jù)、視頻和電話網(wǎng)絡(luò)與PON之間的接口。ONU最初的作用是接收光路信號，轉(zhuǎn)換成用戶所需的格式（以太網(wǎng)、IP廣播、POTS電話、T1/E1等）。EPON獨一無二的特征是：ONU中除了終接和轉(zhuǎn)換光信號外，還提供2-3層交換功能，它允許在ONU中內(nèi)置企業(yè)級路由器。EPON同樣也適合用第三個波長傳送模擬CATV信號或者IP視頻。 
    因為ONU在FTTB和FTTH應(yīng)用中，放置于用戶節(jié)點處，而且成本不與眾多用戶共享，所以O(shè)NU的設(shè)計和成本成為EPON系統(tǒng)被接受和采用的關(guān)鍵，通常ONU在FTTB應(yīng)用中占系統(tǒng)成本的70%多，在FTTH應(yīng)用中占成本的大約80%。 
    設(shè)備管理系統(tǒng)管理PON中的不同設(shè)備，并向服務(wù)提供商核心運營網(wǎng)絡(luò)提供接口。它的管理職責(zé)包括全程的查錯、配置、記費、運行和安全（FCAPS）功能。 
    傳輸原理 
    EPON與APON最大的區(qū)別是EPON根據(jù)IEEE802.3協(xié)議，包長可變至1518字節(jié)傳送數(shù)據(jù)，而APON根據(jù)ATM協(xié)議，按照固定長度53個字節(jié)包來傳送數(shù)據(jù)，其中48個字節(jié)負(fù)荷，5個字節(jié)開銷。這種差別意味著APON運載IP協(xié)議的數(shù)據(jù)效率低且困難。用APON傳送IP業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)包被分成每48個字節(jié)一組，然后在每一組前附加上5個字節(jié)開銷。這個過程耗時且復(fù)雜，也給OLT和ONU增加了額外的成本。此外，每一48個字節(jié)段就要浪費5個字節(jié)，造成沉重的開銷，即所謂的ATM包的稅頭。相反，以太網(wǎng)傳送IP流量，相對于ATM開銷急劇下降。 
    上行/下行流量管理 
    EPON從OLT到多個ONU下行傳輸數(shù)據(jù)和從多個ONU到OLT上行數(shù)據(jù)傳輸是十分不同的。所采取的不同的上行/下行技術(shù)分別如圖2、3所示： 
    數(shù)據(jù)從OLT到多個ONU廣播式下行，根據(jù)IEEE802.3協(xié)議，每一個包的包頭表明是給ONU（ONU1、ONU2、ONU3......ONUN）中的唯一一個。另外，部分包可以是給所有的ONU（廣播式）或者特殊的一組ONU（組播），在光分路器處，流量分成獨立的三組信號，每一組載有所有指定ONU的信號。當(dāng)數(shù)據(jù)信號到達該ONU時，它接收給它的包，摒棄那些給其它ONU的包。舉例，圖2中，ONU1收到包1、2、3，但是它僅僅發(fā)送包1給終端用戶1，摒棄包2和包3。 
    采用時分復(fù)用技術(shù)（TDM）分時隙給ONU管理上行流量，時隙是同步的，以便當(dāng)數(shù)據(jù)信號耦合到一根光纖時各個ONU的上行包不會互相干擾。ONU在ONU指定的時隙上行數(shù)據(jù)給OLT，采用時分復(fù)用避免數(shù)據(jù)傳輸沖突，即上行采用爭用方式，下行采用廣播方式。 
    拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 
    EPON網(wǎng)絡(luò)采用一點至多點的拓樸結(jié)構(gòu)，取代點到點結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了光纖的用量、管理成本。無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備代替了傳統(tǒng)的ATM/SONET寬帶接入系統(tǒng)中的中繼器、放大器和激光器，減少了中心局端所需的激光器數(shù)目，并且OLT由許多ONU用戶分擔(dān)。而且EPON利用以太網(wǎng)技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)以太幀，無須任何轉(zhuǎn)換就可以承載目前的主流業(yè)務(wù)－IP業(yè)務(wù)。 
    因此EPON十分簡單、高效、建設(shè)費用低、維護費用低，是最適合寬帶接入網(wǎng)需求的。 
    HFC網(wǎng)絡(luò) 
    從上個世紀(jì)40年代末期發(fā)展起來的有線電視系統(tǒng)，一般由前端、干線傳輸、分配網(wǎng)絡(luò)、用戶單元等組成。直至80年代末期，由于DFB激光器高線性、高功率輸出等顯著優(yōu)點，被引用到CATV中，取代電纜干線傳輸。由于光纖傳輸損耗小、傳輸帶寬寬、傳輸距離長、不易受外界干擾、傳輸CNR/CSO/CTB指標(biāo)高，因此該技術(shù)在有線電視網(wǎng)絡(luò)得到迅速發(fā)展，從光纖干線網(wǎng)發(fā)展演變到FTTC（光纖到小區(qū)）、到FTF（饋源），及到FTTLA（最后一級有源體），也就是FTTB（光纖到大樓）。 
    HFC雙向網(wǎng)絡(luò)一般采用星型結(jié)構(gòu)：一臺光發(fā)射機帶多臺光接收機，下行帶寬49~750MHZ或者870MHz，上行采用5~42MHz。下行占用一根光纖，上行一根光纖。前端CMTS下行30~40Mbps，可以帶2048個用戶，占用一個6Mhz帶寬頻道，上行從幾百K到10Mbps。 
    一個HFC網(wǎng)絡(luò)，下行結(jié)構(gòu)與無源光網(wǎng)絡(luò)十分類似，上行系統(tǒng)必須是每一個光節(jié)點都要向前端發(fā)送信號,都需要一根光纖。因此造成前端需要非常多的光纖，而且所有光節(jié)點的回傳噪聲在前端匯集，形成漏斗狀噪聲，劣化回傳系統(tǒng)的CNR，以至于不得不降低傳輸速率。 
    EPON在HFC網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 
    EPON可采用兩個波長或三個波長的系統(tǒng)設(shè)計。兩個波長的EPON系統(tǒng)適用于傳送數(shù)據(jù)、語音和IP交換的數(shù)字視頻（IP-SDV）。三個波長的EPON系統(tǒng)可用于提供RF圖像服務(wù)（CATV）或者密集波分復(fù)用。 
    三個波長EPON的光路設(shè)計。這種結(jié)構(gòu)中，1490nm和1310nm波長分別用于下行和上行，而1550nm用于下行CATV射頻的傳輸。采用這種設(shè)計，PON可以覆蓋20Km以內(nèi)16個以上的光節(jié)點。 
    一般在HFC網(wǎng)絡(luò)中,光發(fā)射機選擇1310nm或者1550nm。要采用EPON技術(shù)在同一光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)、圖像，乃至聲音，HFC必須選用1550nm波長。通過波分復(fù)用（WDM）的方式與EPON的OLT合成于一根光纖。經(jīng)過分路，光纖傳輸送到ONU前的解波分復(fù)用，還原成1550nm信號給CATV光接收機，其他信號接到ONU，完成寬帶數(shù)據(jù)和聲音的傳輸。 
    由于HFC網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與EPON十分相似；因此，在HFC網(wǎng)絡(luò)中采用EPON，只需在原來的光纖網(wǎng)絡(luò)上做簡單的配置，可在較短時間內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)的疊加。同時HFC基本上采用FC/APC連接器，反射損耗大于60dB；而EPON網(wǎng)絡(luò)對光的反射比較敏感，一般要求APC連接器。 
    三個波長EPON中也可以采用DWDM設(shè)計。這種設(shè)計采用光纖中1490nm下行、1310nm上行。1550nm窗口（1530nm到1565nm）允許DWDM信道在PON中透明傳輸，增加VOD、數(shù)字視頻和帶寬等功能。 
    EPON采用以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)、點到多點結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸方式，極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。HFC目前是最經(jīng)濟的CATV信號傳輸接入方式，它的光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與EPON十分相似。EPON技術(shù)和HFC技術(shù)的結(jié)合，無疑給廣電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上擴展新的寬帶數(shù)據(jù)接入功能、迅速占領(lǐng)寬帶接入市場提供了機會。