EPON网络接入技术的分析与研究

张 凯

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

1 无源光纤网络的发展过程

伴随着网络的快速普及，一个庞大的网络体系已经建立，我们的生活、学习、工作与网络密不可分。网络的应用范围不断扩大，人们对网络速度的要求也在不断提高，经过长时间的研究与探索，光纤通信网络以其无以伦比的优越性已经覆盖全球，为解决传输网络的接入网带宽瓶颈，无源光纤网络营运而生。

无源光纤网络简称PON网络。由于波分复用（WDM）技术的快速发展，WDM已经用在城域网范围。一些企业内部和高档小区内，局域网的速度开始从10 Mbit/s向100 Mbit/s进行过渡，甚至有的地方已经达到1000 Mbit/s。城域网的巨大带宽容量与终端用户有限的接入带宽，成为限制网络发展的瓶颈。多年来，网络运营商一直在努力为市场提供一个廉价的接入网，同时满足网络发展所需的带宽，但是经济与技术等多方面的因素严重导致了接入网技术的缓慢发展。

社会关注关注PON技术的发展已经多年。近年来，由于光部件价格的下降和终端用户接入网带宽的增长，PON技术已经展露出经济和技术上的可行性。PON可以为用户提供足够的接入带宽，从而消除接网络的带宽瓶颈。PON网络主要有两种类型：ATM PON和Ethernet PON。

1.APON APON在90年代由FSAN联盟设计完成。由于ATM可作为支持多种通信类型的协议，PON是光纤网络，所以选择ATM和PON分别作为网络协议和网络平台，即后来的ITU的标准，ITU-T Rec.G.983。然而APON并没有被广泛应用，因为各个APON厂商的产品没有统一标准，APON的发展也不如预料那么好。

2.EPON 诸多因素致使APON从局域网舞台中推出。而IP/Ethernet却越发得到大家的关注。以太网的传输速率不断被提高，如今10Gbit/s的以太网也已经投入使用。DWM等技术的应用使得IP/Ethernet强势进入WAN和MAN市场。许多公司达成共识，把Ethernet和PON技术结合起来的EPON可以克服APON的多个缺点，同时利用Ethernet的普及性，可以方便的实现从Ethernet向EPON的过渡，从而为接入网的终端用户提供低价格高宽带的EPON网络。

2 EPON和APON的差异

EPON和APON的物理层传输访问技术都采用PON结构，但是他们还是有着各自的不同特点。在1995年，ITU和FSAN制订了ATM标准，诸多供应商陆续开发APON产品。然而APON的结构缺陷，迫使运营商们不得不把想法寄托到EPON上。有限的终端带宽，杂乱的协议转换，APON技术的发展受到很大限制。APON引起结构缺陷，造成10%的带宽浪费。而在EPON结构中，其结构特点所造成的带宽损失为2%～3%。APON必须采用多种技术转换（如AAL1/2 SAR、AAL5 SAR）转换所有终端通信并传输到网络上，为实现这一目的，必须添置相应的设备。从网络连接的角度出发，APON的ONU需要实现IP和ATM虚连接的对应。这样的功能仍需添加设备，提高自身的硬件成本。现在，无论网络的长距离传输，还是用户终端接入网部分，其通信技术已经从ATM转为IP，进而实现视频、音频和数据通信。设想一下，EPON依靠其绝对特点——无需多余的协议转换，统一的端到端连接服务模式，低廉的设备成本，简单的操作和维护，必将强势进入网络市场，成为运营商争抢的宠儿。

3 EPON工作原理

3.1 EPON组成及工作原理

EPON是英特网与光网络结构的结合。EPON采用端到端的结构，无源光纤网络，在以太网基础上提供多个网络服务。现在，因特网基本占据整个局域网市场，EPON是与因特网结合使用的，其包括了因特网基本框架结构，网络传输协议，从而成为接入网终端的最直接、最有效的通信方法。EPON中，无需复杂的协议转换，光信号就能准确地传送到终端接入用户，来自用户的数据通过光信号传送到网络。

一个典型的Ethernet over PON 系统包括OLT、ONU、POS三部分。OLT（光线路终端）、ONU（光网络单元）以及POS（无源光分配器）等单元端到端网络，其网络架构采用星型或树型分支结构，下行方向采用广播方式，ONU将接收的下行信息，根据各自地址提取相关信息；上行方向使用分布式共享系统，通过控制机制将多个ONU有序接入。在EPON中，OLT不光是路由器，也是多业务提供平台(MSPP)，可作为无源光纤网络的光纤接口。参照以太网的发展趋势，OLT将提供10Gbit/s的网络接口，同时为保证其他网络协议的正常工作，OLT还支持ATM、FR等速率的通信。OLT主要实现网络集中和接入的功能，还可以按照不同用户的要求带宽分配带宽、网络安全和管理策略。POS是一个无源，可以置于任何环境中，OLT通过POS连接多个ONU。一个POS的分线率为8、16或32，可实现多级连接。OLT到ONU间的连接距离可达20 km，如果使用光纤放大器(有源中继器)，可扩展连接距离。EPON中采用应用广泛的以太网协议。通过ONU单元实现以太网第二层第三层交换功能，采用以太协议可以更方便的实现网络通信，所以传输过程中无需协议转换，ONU还支持其他的TDM协议。对于光纤到户(FTTH)的接入方式，ONU和NIU可以集成在一起，从而给终端用户分配足够的带宽，同时保证极低的成本。远程业务分配控制管理可以针对用户不同的带宽需求做出响应操作，从而大大提高带宽的使用效率。中心管理系统可以对OLT、ONU等网络设备进行设置及用户可管理的CPE业务。PON系统可以方便、灵活地为用户进行动态分配带宽，根据用户的要求，为其灵活分配。

3.2 EPON中的核心技术

3.2.1 信道复用技术

信道复用技术是EPON的一个重要技术，通过一条光纤中同时传输多个波长的光信号,而每个光信号可以承载多路电信号（包括数字和模拟两种）。WDM原理是在发送端将不同波长的光信号整理到一起,并放在光缆线路中的一条光纤中进行传输,在接收端将这些信号按照各自波长的不同进行分解和处理，最终发送到不同的用户终端。在整个过程中,发送端与接收端是WDM的重要组成部分，其工作性能直接决定了网络传输质量的好坏。一般情况下，为保证传输质量，我们在选择发送与接收设备时，设备损耗应控制在1.0～2.5db以内，同时，不同信道间的相互干扰也是影响传输质量的重要因素，值得我们注意。

从发展现状看，多数EPON采用DWDM及TDMA技术。EPON在IEEE802.3以太网的数据帧格式上进行必要的修改，通过波分复用技术，可同时处理双向信号传输，在同一根光纤中，上、下行两个信号分别使用不同的波长。上行采用时分多址接入（TDMA）技术，下行采用纯广播的方式。在下行传输过程中，OLT为ONU分配相应的PON－ID，每个ONU监测收到数据的PON－ID，如果接收数据的PON－ID和自身PON－ID一致，则接收数据，否则丢弃。

另一方面，PON系统采用“同纤异波”的传输方式，系统中的 OLT 和ONU 之间采用上下行双向传输的单模光纤，上行使用1255nm～1355nm 波长（标称1310nm），下行使用1480nm～1500nm 波长（标称1490nm），而1540nm～1560nm 波长（标称1550nm）则预留给CATV服务。

3.2.2 光链路损耗测量

OLT及ONU都支持光功率测量功能，OLT对其接收到的ONU上行光功率进行测量，误差控制在±1dB，ONU对来自OLT 的下行光功率进行测量，误差控制在±2dB。

前面说过，PON系统主要由OLT、POS以及ONU三部分组成，其中POS（无源光分配器）的损耗直接影响PON的使用性能。因此，分析研究PON中的POS损耗是一个很重要的环节。影响POS的因素主要有：光纤损耗、无源分配器损耗、接头损耗。

PON系统的光链路损耗可用下式表达：

其中，Lfiber代表光纤损耗，Lsplitter代表无源分光器损耗，Lconnector代表接头损耗。

根据G.652.C和G.652.D规定，PON系统光纤损耗为：

无源分光器主要实现将PON系统中的输入光源均分至多路输出，且各路输出光功率总和应与理论输入光功率相同。

一般情况下，分光器的每路损耗约为0.5dB，用发光指数n表示分光比为2n（即：2、4、8、16、32）。无源分光器的损耗为：

通常，光连接器损耗约为0.5dB，并成对存在。接头损耗主要取决于末端接入点至汇聚点的跳数。以目前常见光缆资源和网络结构为例，跳接数一般在1～2跳。按最差情况分析，接头损耗为：

3.2.3 系统同步

系统同步是指为防止各个ONU上行数据发生碰撞，按照EPON上行为多点到一点的组织结构，每个ONU发送的时间间隙必须与OLT的系统分配的时间间隙一致。为实现ONU与OLT的时钟信号同步，EPON采用时间标签方式。在OLT端设有一个全局计数器，下行方向OLT发送数据时插入时钟标签，ONU根据收到数据的时钟标签调整本地计数器，完成两端时间同步；上行方向ONU发送数据时插入时钟标签，OLT根据收到数据的时钟标签进行调整，实现同步。

3.3 EPON应用特点

（1）EPON所使用的光无源器件，无冗余电源、无需过多的维护人员，有效降低运营成本；

（2）EPON采用广泛应用的以太网技术，二者能够更好的融合，消除了复杂的传输协议转换所带来的建设成本因素；

（3）采用波分复用技术，传输距离可达20公里，通过添加放大器，可增加传输距离，传输范围远远超过其他网络。光分路器可最大配置32个用户，大大降低成本；

（4）上下行均具备高速率，下行方向采用广播方式共享系统，上行方向使用分布式共享系统，可方便灵活的为用户分配带宽；

（5）端对端的结构，通过增加ONU数量，有效地对系统进行升级，方便实现；

（6）EPON具有多种能力，可传输TDM、IP数据和视频广播，通过扩展第三个波长，可实现视频业务广播传输。

4 EPON展望

远距离传输，方便可调的带宽，兼并因特网的结构特点，光纤的接入和传输，光纤化的ONU/ONT，EPON系统所能提供的诸多优势为企业和个人提供了更快、更方便的网络架构。同时，更少的设备维护和成本投资，支持远端ONU/ONT的加入，方便的网络扩展，终端设备的统一管理，带宽资源共享、设备安全性高、快捷的建网速度、综合建网成本低等优点，对于运营商来说，更能满足现在及未来网络市场发展的需求，且最大程度的降低运营维护费用。目前，EPON还处于发展阶段，但数据业务增多、快速以太网应用、G比特以太网技术的实现，都加快了EPON的发展速度。FTTx作为针对大客户、集团用户的解决方案越来越受到青睐。随着PON技术的规模应用和芯片成本的不断降低，以及光纤铺设规模的不断扩大，EPON技术将很快成为FTTx的主要接入方式之一。EPON技术在今后将会被越来越多的使用。

更值得注意的是，2002年美国一项网络发展建议：为加速网络的普及和发展，重点发展以太网无源光网络，并建议将其作为一项长期发展计划。这无疑奠定了EPON的发展潜力，同时也为EPON在全球网络市场的发展推波助澜。

[1]张中荃,接入网技术（第2版）[M].北京：人民邮电出版社,2009.7

[2]王庆,胡卫编著.光纤接入网规划设计手册,北京：人民邮电出版社，2009.8

[3]黄彩明,PON 技术分析及应用[J].新闻天地(下半月刊)，2010.12

[4]陈小灵,PON 技术在光接入网的应用，2012.04

[5]何淑贞,国内外光通信的发展趋势 [J].卫星电视与宽带多媒体,2007.12

[6]张煦,光纤通信技术的发展趋势 [J].中兴通讯技术,2000

[7]辛化梅 ,李忠 .论光纤通信技术的现状及发展[J].山东师范大学学报(自然科学版),2003.4

[8]毛谦,我国光纤通信技术发展的现状和前景[J].电信科学,2006.8