张文华 刘丽萍
民航中南空管局设备工程公司 广州民航职业技术学院
摘 要 本文介绍了光接入网的发展背景，讲述了全新的光接入技术EPON的工作原理和工作过程。
关键词 OLT ONU 光接入网 PON EPON 光切分器
随着Internet用户的不断增加，视频会议、存储仓库、大文件传输业务的发展，使得对网络带宽的需求日益增长，现有的双绞线和同轴电缆已不能满足需求。随着光纤成本的下降，EPON（以太无源光网络）中心局光线路终端设备（OLT），终端用户光网络单元（ONU）将使长期被称为最后一公里的瓶颈达到Gbit/s的速率。EPON是一个点到多点的光接入网。它综合了以太网成本低、兼容性好以及PON技术介质共享的优点，以远远高于现有接入技术的带宽向终端用户提供可靠的数据、话音和视频通信。
1 光接入网的发展背景
接入网驻留在独立用户和网络运营商的中心局之间。不像城域网和长途网络，接入网以为更分散及对成本敏感的用户提供服务为基础。终端用户可以是独立的家庭、公司、学校、酒店等，根据不同的用户提供不同的服务。要求它能够在同一条具有QoS保证的连接上提供数据、话音及视频服务，并根据需要提供不同的带宽。为了处理这些业务，发展了多种光接入的体系结构。
对大的公司用户或大学校园，通常安装成点到点的网络。这种结构允许最大的上行和下行带宽，但不能扩展，实现和维护成本高。
对于接入网首选结构为星型拓扑。在星型网络中，从每个节点的发送都是分路地被送往每一个其他节点。为了避免碰撞，每个节点在不同的波长上发送。为了接收信息，其他节点必须调谐到相应的波长。这样的结构需要调谐收发信机，实现成本高。星型网络特别适合短距离对等连接的网络。
另一种技术是采用点到多点的无源光网络（PON），它与点到点和星型拓扑的网络相比，可节约大量的光缆。在PON中，在终端用户和中心局间的所有设备都是无源的，如光切分器和耦合器。 由于去除了电子再生中继器、放大器及数据管理体制，PON成本效益高，维护费用低。在一个单个光纤上传送下行数据流距离可达20km。所有的下行数据流通过无源耦合器分成相等的功率传送到Ｎ个用户。在Ｎ条光纤上的来自Ｎ个用户的上行数据流在组合器被集合，传送20多公里后回到中心局。由于下行数据流的功率被分离，所以下行为数据流传输需要较大功率的激光。
最近10年常用的PON体系结构之一是ATM无源光网络（APON）。APON采用ATM虚拟电路交换协议进行传输。但当大部分的网络业务是IP/Ethernet数据时，APON存在很多的限制。APON对每一种特定的业务，都必须提供一个ATM路径。对一个综合环境，如每个用户可能有一个电话呼叫、10个网站和一个视频会议同时传输，这种开销是十分巨大的。
ATM特别适合于TDM时延敏感的数据。由于LAN中主要是以太数据，每个以太包必须被拆成许多48字节的ATM净荷，前面加5字节的ATM报头，信宿再将ATM信元合并成以太包，这样存在着巨大的处理开销。另外，ATM需要许多不必要的OEO转换，这是SONET TDM体系结构所必需的。由于技术的复杂性，ATM网络的成本很高。
为了解决这些问题出现了EPON。EPON的优点是成本低、以太设备的性能好，是世界上最流行的LAN技术。EPON允许企业用户和网络运营商动态地简化他们的网络，不需要牺牲业务就可降低成本。随着吉比特以太网和10吉比特以太网城域网的发展，以太接入网络允许IP/Ethernet数据包在传输过程中不需要经过协议转换，从而减少开销和时延。
与APON相比，EPON具有低的协议开销等APON无法比拟的优点。
由此可见，EPON的带宽可达10Gbit/s, 而ATM很难超过2.5Gbit/s。另外， 以太网采用动态复用，数据不是被迫插入固定的时隙。
Ethernet常被称为是尽力而为的，由于碰撞会产生不可预测的时延，但情况未必如此。在最后一公里的封闭环路，时延是显著的。通过采用TDM上行数据流传输体制，碰撞和由之引起的后续以太网指数重传时延可以避免。802.3AH任务组当前采用这些方法来对以太网实施QoS保证，以传送低时延的话音、视频和高速率的数据。
下面主要讨论一下EPON的工作原理。
2 EPON结构和工作原理
EPON的最后一公里接入采用点—多点光接入体系结构。通过在网络中采用高性价比的以太端口，以及低成本、可靠性高的无源部件，实现EPON经济和快速性的。与基于ATM或SONET的网络相比，EPON使得起止都是IP/Ethernet包的形式，不需要花费时间进行协议转换或电路建立过程。
2.1 EPON的结构
EPON利用PON拓扑结构实现以太网的接入，在电信运营商的中心交换局与用户端间配置光接入线路。一个典型的EPON系统由OLT（光线路终端）、ODN（光分配网络）、ONU/ONT（光网络单元）和EMS（网元管理系统）组成。
OLT位于中心交换局的机架上，它既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，提供EPON系统与业务供应商的核心数据、视频和电话网络间的接口，它通过一个EMS链接到业务供应商的网络上。OLT可提供各种广域网接口，可与DCS、话音网关、IP路由器等设备相连；还可提供多个吉比特以太网和10吉比特以太网接口，提供第二层和第三层的交换与路由功能。OLT根据需要配置多块OLC（光线路卡）。OLC与多个ONU通过POS（无源光切分器）连接。
ODN由POS和光纤构成，POS是一个连接OLT和ONU的无源设备，可以置于全天候的环境中，它分发下行数据并集中上行数据，一般一个POS的分线比为8、16、32或64，并可有多连接。
ONU/ONT位于用户端，放在一个住户、企业或MDU/MTU处。ONU与ONT的区别在于ONT直接位于用户端，而ONU与用户间还有其他网络如以太网。ONU提供客户的数据、视频和电话网络与PON间的接口。ONU的主要功能是接收光信号并将其转换为客户需要的形式，如以太网、IP多播、POTS、T1等。EPON的独特之处是，ONU除了终接和转换光信号外，还提供第二层和第三层交换功能，允许在ONU上实现企业数据流的内部路由。
EMS管理PON的不同元素，提供进入业务供应商的核心运营网络的接口，其管理职责包括全程故障查找、配置、计费、性能和安全功能。
2.2 EPON的工作过程
EPON利用以太网作为其第二层的成帧协议。这里，数据传输采用可变长度的包，最长达1518字节。这对IP数据来说是最好的，因为IP数据的平均包长为500~1200字节。
EPON对上行数据流和下行数据流传输采用不同的方法。对于下行数据流，中心局OLT发出数据包，数据包最长为1518字节，每个数据包带有一个标题，唯一标识该数据包是发往哪个ONU。一个无源分离器确保每个节点都能看到所有的下行数据流业务。以太网协议确保每个节点只处理发往本节点的数据包。
如何利用TDM技术管理上行数据流，由于所有用户共享同样的上行数据流波长，必须采用TDM体制来防止光的碰撞。TDM时隙可动态地改变以满足用户可变带宽的要求并确保上行链路本质上是统计复用的。其中的传输时隙是专门用于ONU的。时隙被同步，从而使得在数据汇合到公共光纤时不会使从ONU来的信息包互相干扰。对于上行数据流，由于不需要像下行数据流那样，进行光的切分，减少了光损失，因此，发射机可采用诸如1310nm的LED光源。
目前，IEEE的EFM工作组正致力于有关EPON的标准的研究，有多个公司加入了这个工作组，包括Cisco、Nortel、Salira等，特别是Salira公司已公布了其EPON体系结构，包括接入操作系统，具有QoS和业务分类的分组结构等。虽然EPON的实现还存在着许多技术问题，诸如上行信道的复用技术，即如何使用TDMA的方法使上行信道的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求；测距和时延补偿技术，即如何精确测量各个ONU到OLT的距离并精确地调整ONU的发送时延，以减小ONU发送窗口间的间隔，提高上行信道的利用率； ONU和OLT中要使用支持突发信号的光器件，目前大部分光器件还不能满足这一要求等。但EPON作为一种光接入技术，它解决了传统的本地交换局、电缆多系统运营商、新本地交换局、楼宇本地交换局、公用事业部门等各种应用问题。这种在单一的光接入系统传递汇聚的数据、话音、视频信息的技术最终将取代其他的接入技术。
----《中国数据通信》
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