EPON系统E1业务实现方案

赫 伟， 孙应飞

0 引言

EPON（以太无源光网络）为点对多点的拓扑结构，通过MPCP协议控制 802.3以太帧在系统中传输，连接终端用户提供多业务接入服务[1]。它主要由OLT（局端光线路终端）、ONU（户端光网络单元）和ODN（光分配网络）组成。下行采用广播方式，ONU根据LLID（逻辑链路标识）接收属于自己的数据；上行采用TDMA方式，由OLT向ONU授权发送数据的时隙，实现宽带光纤接入[2]。

在国内 EPON系统广泛应用于家庭和企业。在企业中，基于专线业务需求的多样性，要求ONU能提供丰富的接口，包括支持E1业务的G.703接口，从而与传统SDH传输网络进行数据交互。使EPON支持TDM业务，满足运营商、用户节省投资成本，多业务共平台的发展方向。

1 技术标准要求

TDM业务对时延、同步要求严格。而EPON是基于以太网的异步传送网络，没有全网同步的高精度时钟。其精度为±10.0×10-5,而E1要求时钟精度为±5.0×10-5(GB7611规范)。

ITU-T G.982中规定“SNI和UNI接口之间端到端单向E1信号时延不能超过 1.5 ms”并且“24小时内，设备的N×64 Kbit/s及2 Mbit/s通道的误比特率为0”。

为在技术上达到这些规范要求，要把 E1数据按照一定的方式和周期封装成EPON传输的802.3以太帧，并保证传输带宽及ONU、OLT两端E1时钟同步[3]。

2 时延分析及数据封装

在分组交换网络中传输 E1数据，引起时延的因素在以下几方面：

码型变换时延：主要由HDB3向8B/10B码型变换电路组成，由特定电路完成数字处理。

封装时延：没有复杂的运算，仅对来自 E1接口的数据进行分组，增加帧头和校验位。

系统传输时延： OLT与ONU之间的速率为1 000 Mbit/s，最大距离为20 km，RTT=200 us。

排队等待时延，采用多LLID的EPON系统DBA(动态带宽分配算法)，根据E1业务对应的LLID号码分配最高优先级，减少发送端口排队时间。 以上时延经测算约为450 us。

平滑抖动时延：网络时延的变化即时延抖动，起源于网络中的队列或缓冲，增加去抖动缓存对抖动进行平滑，抖动时延总和在 500 us以内不会产生误码，这些会被抖动平滑处理模块平滑掉。

封装周期：即经过多长时间做一次 E1数据到以太帧的封装。考虑标准要求及以上时延，选用 500 us作为封装周期，对应E1数据长度为128 byte（4个E1帧），以太帧长为155 byte如图1所示。

图1 E1封装到以太帧

E1接口芯片将数据送到封装电路缓存中，到达4帧长度（500 us）后，将数据按以太帧格式封装。根据 E1端口查找地址表，确定此E1帧的目的和源地址，计算FCS值；写入数据长度完成适配[4]。

3 多LLID的优先级队列动态带宽算法

EPON 使用基于帧的仿真子层来建立OLT 到ONU 的逻辑链路,在以太帧8 字节的前导码中承载LLID，由1 bit模式指示和15 bit标记组成。在单LLID的EPON中，针对多业务使用 802.1p优先级技术,不能保障某一优先级带宽,进行优先级同业务的绑定，也不具备带宽控制能力。

图2 LLID与优先级队列

在定义中有3万个LLID容量，从而可以为每个ONU分配多个LLID ,通过管理这些LLID,使得传输质量得到控制，更好地支持TDM业务。当ONU向OLT注册时，根据自身业务配置申请多个(例如三个) LLID号。在ONU中跟据不同业务建立对应关系表，E1数据对应LLID1,视频对应LLID2，普通上网对应LLID3。建立3个优先级缓存队列：加速转发（EF）、确定转发（AF）、尽力而为（BE），EF业务有限定的端到端延时。每一级别数据缓存在指定的优先级队列中，根据不同LLID进行带宽分配。

多LLID的DBA，其向ONU分配带宽等同于向拥有LLID号的逻辑链路分配带宽,这时LLID相当于逻辑的ONU。假设在EPON系统中有N个ONU(3N个LLID),传输速率为R Mbit/s。轮询周期。上传数据的时隙保护带宽为(=2 us)，避免时延抖动发生的冲突。同时定义为OLT能分配给LLIDi的最小保证带宽，即在重负载的情况下OLT分配给每个LLID链路的带宽为：

在多LLID的EPON内，通过DBA和链路权重配比，可以直接控制链路分配带宽，从而对业务时延进行保证[5]。利用OPNET为算法进行仿真得到EF业务时延小于1.5 ms，符合要求。

4 时钟同步

在EPON中实现E1业务，要保证ONU与OLT的E1时钟同步，需要在以太帧中加入时钟标签，由OLT向ONU传送封装时钟标签的以太帧。其方法为：

在OLT侧提取上游E1线路时钟，若上端没有时钟信号，则采用本地晶振时钟源，通过CY22392时钟芯片进行16倍频，生成时钟信号soltf 通过计数器进行周期计数，得到8位的时钟标签数值范围：0～255。将时钟标签封装在E1帧中占用1 byte，每500 us发送一次。采用16倍频有利于ONU接收到OLT时钟标签后根据差值调整分频器，实现时钟同步。若时钟频率过小会造成500 us内时钟标签差值变化太小，失去同步功能。

在ONU侧E1板上提取本地时钟，经过倍频得到 fsonu与fsolt频率相同，用8位计数器计算本地时钟 fsonu的周期数，生成ONU侧的时钟标签，此数值和OLT发送的时钟标签相比较；根据差值回馈调整分频控制器的具体参数，通过调整分频输出得到E1业务时钟，实现时钟同步。

当ONU接收到OLT的时钟标签与本地时钟标签相比较，如果差值为0，说明达到了同步；如果存在差值，则用OLT侧的计数器值替换ONU侧的计数器值，使ONU与OLT达到同步[6]。E1业务经过 16倍频得到时钟信号为：2.048 MHz×16=32.768 MHz，时钟信号32.768 MHz的时钟精度为±3.0×10-5，比特率容差32.768 Mbit/s×60× 1 0-6s=1966.08 bit,时钟标签封装在E1数据帧中，每500 us传送一次，则在500 us内产生的时钟标签差值为1966.08×500× 1 0-6s=0.98≈1 bit。

因此在32.768 MHz时钟下，500 us封装周期的E1数据帧内时钟标签的差值为1 bit，即使出现丢帧现象，即1 ms内没有实现时钟同步，造成2 bit差值，也在E1时钟标签容限内。通过差值调整分频数来控制输出的E1业务时钟，如图3。

图3 系统同步流程图

这就是说，ONU侧利用时间标签法恢复的时钟在精度上满足相应的ITU-T G.703标准规定；在长期的数据发送数量上与OLT侧保持一致，采用此方法实现同步是可行的。

5 模块设计及验证

在系统中与E1相关的功能模块主要有：E1接口电路、收发接口、以太帧封装/解封装、环回控制、OAM处理、DBA、帧类型识别、同步处理等；相关模块设计采用FPGA实现。

对方案中E1的基本性能指标，我们进行了误码率测试：在ONU侧挂误码分析仪，OLT相应端口打硬环。测试仪表与ONU设备通过G.703接口线路相连。单端口12小时测试误码率为0。

正负5.0～10.0×10-5时钟频率拉偏测试：在OLT侧挂误码分析仪，ONU端做硬环。分析仪设置内部时钟， OLT与ONU设置线路时钟。正向拉偏到3.36×10-5时，测试30分钟没有出现误码，负向拉偏到-8.59×10-5时，测试30分钟没有出现误码，设备可承受时钟拉偏值在-8.59～3.36×10-5之间。

传输时延测试：在OLT侧挂误码分析仪，ONU端做硬环。测试时延数值1.37 ms，符合要求。

6 结语

分组交换业务与电路交换业务的结合，有利于 EPON系统的发展满足不同业务需要，文章对 E1业务仿真方案和模块设计实现了E1业务在EPON中的传输，保证了同步、时延和带宽，相应指标满足国内外标准规定。

[1] 纪越峰.综合业务接入技术[M].北京：北京邮电大学出版社，1999.

[2] 刘溯,李昕,何越.EPON——全新的宽带接入技术[J].电信科学,2001(11)：50-54.

[3] 吴学智，齐修森，何如龙,等.以太网无源光网络的服务质量分析[J].通信技术,2007,40(11)：096-100.

[4] 李涛,陈雪,邓羽. E1 over EPON的实现[J],光通信技术, 2004(02)：15-19.

[5] 李昭,陈前斌. 一种EPON上行接入带宽动态带宽分配算法[J],通信技术,2008,41(05)：026-030.

[6] 朱丽丽.EPON系统承载 IPTV业务的关键技术研究[J],通信技术，2009,42(06)：66-69.