EPON技術特點及其在廣電網絡中的應用

    作者:劉陽春，深圳飛通光電股份有限公司；楊春艷，吉林大學　
    中國廣播電視網絡經過多年的建設，目前有超過9000萬戶有線電視用戶，光纖有線電視網絡（Hybrid Fiber Coaxial Network：HFC）已經得到了廣泛的普及。許多城市實現了部分網絡的雙向化改造，通過Cable Modem實現寬帶數據接入。 
    以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network：EPON）是當今世界上新興的覆蓋最后一公里的寬帶光纖接入技術，中間采用光分路等無源設備，單纖接入各個用戶點（ONU），更多地節省光纜資源，并具有帶寬資源共享、節省機房投資、設備安全性高、建網速度快、綜合建網成本低等優點。 
    在當今寬帶接入網建設中，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用戶已經超過50萬。 
    中國廣電網絡面臨著中國電信、中國網通的xDSL技術的激烈競爭，如果能夠采用PON技術，將會在較短時間內，在原有的HFC網絡中，實現寬帶數據傳輸，促進廣電網絡在寬帶接入市場中的份額。 
    EPON的技術特點 
    組成單元 
    PON致力于解決服務提供商中心局端、前端或者POP到商務或家庭節點向最后一公里的通信結構。由于IP技術的突飛猛進，在90年代中期曾非常盛行的APON（ATM PON）被認為不適合于解決本地環路。同時隨著網絡向快速以太網、千兆以太網，直至現在的萬兆以太網的發展，EPON將消除WAN/LAN中ATM與IP協議間的連接轉換的必要性。 
    EPON與APON光路結構類似，都遵循G ·983協議，最終它將以更低的價格、更寬的帶寬和更強的服務能力取代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絡單元（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中包括無源網絡設備和有源網絡設備。無源網絡設備包括單模光纜、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，也稱之為局外設備。無源網絡設備十分簡單、穩定可靠、壽命長、易于維護、價格極低。 
    有源網絡設備包括中心局機架設備、光網絡單元和設備管理系統（EMS）。中心局機架上插裝光纖線路終端、網絡界面模塊（NIM）以及交換模塊（SCM），因此以上三種設備也統稱為中心局機架設備。 
    中心局機架設備提供EPON系統與服務提供商核心的數據、視頻和話音網絡的接口。它也通過設備管理系統與服務提供商的核心運行網絡相連接。中心局機架上廣域網界面通常將與以下設備接口相連接： 
    ● 數字交叉連接（DCS），它傳送未交換的或未本地交換的TDM流量到電話網絡，普通的DCS界面包括DS1、DS3、STS-1和OC-3； 
    ● 語音網關，它傳送本地交換的TDM/話音流量到公眾交換電話網絡（PSTN）； 
    ● IP路由器或ATM邊緣交換機，它將數據流量引到核心數據網絡； 
    ● 視頻網絡設備，它傳送視頻流量到核心視頻網絡。 
    光網絡單元（ONU）給用戶提供數據、視頻和電話網絡與PON之間的接口。ONU最初的作用是接收光路信號，轉換成用戶所需的格式（以太網、IP廣播、POTS電話、T1/E1等）。EPON獨一無二的特征是：ONU中除了終接和轉換光信號外，還提供2-3層交換功能，它允許在ONU中內置企業級路由器。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應用中，放置于用戶節點處，而且成本不與眾多用戶共享，所以ONU的設計和成本成為EPON系統被接受和采用的關鍵，通常ONU在FTTB應用中占系統成本的70%多，在FTTH應用中占成本的大約80%。 
    設備管理系統管理PON中的不同設備，并向服務提供商核心運營網絡提供接口。它的管理職責包括全程的查錯、配置、記費、運行和安全（FCAPS）功能。 
    傳輸原理 
    EPON與APON最大的區別是EPON根據IEEE802.3協議，包長可變至1518字節傳送數據，而APON根據ATM協議，按照固定長度53個字節包來傳送數據，其中48個字節負荷，5個字節開銷。這種差別意味著APON運載IP協議的數據效率低且困難。用APON傳送IP業務，數據包被分成每48個字節一組，然后在每一組前附加上5個字節開銷。這個過程耗時且復雜，也給OLT和ONU增加了額外的成本。此外，每一48個字節段就要浪費5個字節，造成沉重的開銷，即所謂的ATM包的稅頭。相反，以太網傳送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下行傳輸數據和從多個ONU到OLT上行數據傳輸是十分不同的。所采取的不同的上行/下行技術分別如圖2、3所示： 
    數據從OLT到多個ONU廣播式下行，根據IEEE802.3協議，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。當數據信號到達該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，但是它僅僅發送包1給終端用戶1，摒棄包2和包3。 
    采用時分復用技術（TDM）分時隙給ONU管理上行流量，時隙是同步的，以便當數據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指定的時隙上行數據給OLT，采用時分復用避免數據傳輸沖突，即上行采用爭用方式，下行采用廣播方式。 
    拓撲結構 
    EPON網絡采用一點至多點的拓樸結構，取代點到點結構，大大節省了光纖的用量、管理成本。無源網絡設備代替了傳統的ATM/SONET寬帶接入系統中的中繼器、放大器和激光器，減少了中心局端所需的激光器數目，并且OLT由許多ONU用戶分擔。而且EPON利用以太網技術，采用標準以太幀，無須任何轉換就可以承載目前的主流業務－IP業務。 
    因此EPON十分簡單、高效、建設費用低、維護費用低，是最適合寬帶接入網需求的。 
    HFC網絡 
    從上個世紀40年代末期發展起來的有線電視系統，一般由前端、干線傳輸、分配網絡、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指標高，因此該技術在有線電視網絡得到迅速發展，從光纖干線網發展演變到FTTC（光纖到小區）、到FTF（饋源），及到FTTLA（最后一級有源體），也就是FTTB（光纖到大樓）。 
    HFC雙向網絡一般采用星型結構：一臺光發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網絡，下行結構與無源光網絡十分類似，上行系統必須是每一個光節點都要向前端發送信號,都需要一根光纖。因此造成前端需要非常多的光纖，而且所有光節點的回傳噪聲在前端匯集，形成漏斗狀噪聲，劣化回傳系統的CNR，以至于不得不降低傳輸速率。 
    EPON在HFC網絡的應用 
    EPON可采用兩個波長或三個波長的系統設計。兩個波長的EPON系統適用于傳送數據、語音和IP交換的數字視頻（IP-SDV）。三個波長的EPON系統可用于提供RF圖像服務（CATV）或者密集波分復用。 
    三個波長EPON的光路設計。這種結構中，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。采用這種設計，PON可以覆蓋20Km以內16個以上的光節點。 
    一般在HFC網絡中,光發射機選擇1310nm或者1550nm。要采用EPON技術在同一光纖網絡中傳輸數據、圖像，乃至聲音，HFC必須選用1550nm波長。通過波分復用（WDM）的方式與EPON的OLT合成于一根光纖。經過分路，光纖傳輸送到ONU前的解波分復用，還原成1550nm信號給CATV光接收機，其他信號接到ONU，完成寬帶數據和聲音的傳輸。 
    由于HFC網絡采用星型結構，此結構與EPON十分相似；因此，在HFC網絡中采用EPON，只需在原來的光纖網絡上做簡單的配置，可在較短時間內完成網絡的疊加。同時HFC基本上采用FC/APC連接器，反射損耗大于60dB；而EPON網絡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設計。這種設計采用光纖中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、數字視頻和帶寬等功能。 
    EPON采用以太網幀結構、點到多點結構、無源光纖傳輸方式，極大地簡化了網絡結構。HFC目前是最經濟的CATV信號傳輸接入方式，它的光網絡結構與EPON十分相似。EPON技術和HFC技術的結合，無疑給廣電網絡建設者在原有網絡基礎上擴展新的寬帶數據接入功能、迅速占領寬帶接入市場提供了機會。