EPON技术原理

供电
OAM
ONU功能模块示意图
业务部分
用户端 口功能
核心部分
交换功能
复用/ 解复用 功能
ODN 接口 功能 ODN
用户
用户端 口功能
供电
OAM
公共部分
EPON的关键技术
突发模式光收发器技术
帧结构 测距 动态带宽分配（DBA）机制 下行数据安全性技术 业务QoS处理 TDM业务的承载 运行维护管理（OAM）功能的实现
• PON是一种应用于接入网，局端设备（OLT）与多个用户端设备（ONU/ONT） 之间通过无源的光缆、光分/合路器等组成的光分配网（ODN）连接的网络。
• • • • OLT（Optical Line Terminal）－光线路终端 ONU（Optical Network Unit）－光网络单元 ONT（ Optical Network Terminal）－光网络终端 ODN（Optical Distribution Network）－光分配网
DA
LLID
MAC4 LLID1
DA=MAC6
MAC5 LLID2 MAC6 LLID3
DA=MAC7
MAC7 LLID4
ULSLE
ONU 1 (MAC 1)
LLID 1 LLID 2
CPE1 (MAC4) CPE2 (MAC5)
MAC & PHY
光分路器
ONU 2 (MAC 2)
LLID 3
CPE3 (MAC6)
EPON的参考模型
IFPON
SNI
IFPON
ODN
ONU 1 ONU 2
UNI
OLT
1:n无源光分路器
SNI：业务节点接口 UNI：用户网络接口 IFPON：PON 专用接口
ONUห้องสมุดไป่ตู้n
链路仿真技术
链路仿真技术工作原理
链路仿真技术是用于解决EPON点到多点的拓扑结构与传统以太网拓扑 结构的兼容而开发的，可以在逻辑层面实现OLT与多个ONU的通信机制。 IEEE 802系列标准定义了两种类型的媒质：共享的媒质和全双工。在共 享媒质情况下，所有站点都连接到同一个访问域，每次最多只能有一个 站点发送数据，但所有站点都可以一直接收数据。在全双工方式下，通 常采用一个点到点的链路连接两个站点或一个站点与一个网桥，此时， 每个站点都可以同时发送和接收数据。基于以上定义，网桥将不转发从 一个端口发送回本端口的帧，即连接在同一网桥端口的所有站点可以在 不需要网桥参与的情况下互相通信。这就会引起一个有趣的现象：同一 EPON系统内部连接到不同ONU的用户之间在没有3层处理的情况下无 法实现相互通信。为了解决这一问题，同时易于与其他以太网的无缝集 成，在EPON系统内引入了新的链路仿真技术，以实现同一EPON系统 内连接到不同ONU的用户之间可以互相通信。
下行数据广播发送，每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃其 他用户的数据 上行数据分时发送，各ONU的发送时间与长度由OLT集中控制－－TDMA的接入机制
PON的原理——信号复用
PON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输（强制）。
1490nm
1310nm
为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用 技术：
PCS＝物理编码子层 PHY＝物理层 PMA＝物理媒质附加 PMD＝物理媒质相关 RS＝调和子层
在IEEE802.3ah-2004中，定义了EPON系统的ISO/OSI参考模型（如图 2所示）。其中，与高层接口的是传统的MAC客户子层，负责将高层的 业务流映射进EPON中进行传送；OAM子层是新增加的一项可选功能模 块，主要用于传递OLT与ONU间的操作、维护和管理（OAM）消息； 多点MAC控制子层则是EPON的核心功能层，负责一个OLT与多个ONU 的通信控制和协调，利用MAC控制帧（如Gate、Report等）实现控制 信息的交互；MAC子层则是通信的主体，与普通以太网MAC没有区别； 适配子层（RS子层）则被用于实现点到点的仿真（P2PE：Point to Point Emulation），用于对EPON内部的逻辑链路标识（LLID）进行处 理；数据链路层与物理层通过GMII接口通信；
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项目
EPON的基本原理；
EPON的参考模型； 光网络要求； 业务承载能力； SNI和UNI接口； 功能要求； 业务承载要求。
交流目的
分析EPON中国标准； 了解EPON的关键技术； 了解EPON的工作原理。
PON技术
PON（Passive Optical Network）－无源光网络的定义
EPON关键技术
EPON
基本特点
• OLT与ONU之间信号传输基于IEEE 802.3以太网帧 • 传输线路速率下行/上行：1250 Mbit/s / 1250 Mbit/s • 以MAC控制子层的MPCP（multi point control protocol）机制为基础，MPCP通 过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构 • P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件 • 逻辑分光比1：32（1：64） • 支持A、B类ODN网络
“0”表示该帧为单播帧，“1”表示该帧为广播或多播帧。ONU上行发送的帧都 会携带自身的源MAC地址和LLID信息，在OLT内部通过MAC地址的学习，建 立ONU各用户的MAC地址与所使用的LLID对应表。在OLT侧，当接收到的帧 的目的地至少有一个位于EPON系统外部时，将该帧转发至外部接口；当接收 到的帧的目的地至少有一个位于EPON系统内部时，修改该帧的LLID信息后将 该帧转发回EPON系统。OLT下行发送时，根据帧的目的MAC地址，查询对应 的LLID，并将该值插入前导码中的LLID域。ONU接收到下行帧时，当LLID的 模式比特为“0”，且LLID属于该ONU，则接收该帧，并将其转发至该LLID所 对应的端口；当LLID的模式比特为“1”，且LLID不属于该ONU，同样接收该 帧，并提交高层处理；所有其他类型的帧都将被丢弃。
DA=MAC6
OLT
ONU 3 (MAC 3)
LLID 4
CPE4 (MAC7)
DA=MAC7
DA=MAC7
LLID4
IPG
DA=MAC6
LLID3
EPON内不同ONU间通信原理示意
Downstream
同一EPON系统内部不同ONU间通信的处理方式示意。从ONU1发送过 来的DA＝MAC7的帧到达OLT侧的ULSLE模块时，由于其DA已存在于 已有的DA－LLID对应表中，说明该DA帧应发送回该EPON系统内。于 是将该帧的LLID域改为LLID4后下行单播发送，CPE4可以无须通过L3 设备即可顺利接收来自同一PON内部ONU发送过来的数据帧，也就是 通常所说的EPON peer－peer功能。这也就为同一EPON内部多种业务 流的灵活、高效、快速传送提供了重要的技术支撑。
为了标识不同的ONU和ONU的不同端口或同一端口的不同业务类型， 引入了LLID这一仅在EPON内部使用的标记，所有的EPON内部操作 如带宽分配、地址学习、VLAN模式等都是基于每个LLID实现的，一 个ONU可以拥有1个或多个LLID值。图表示出了一种链路仿真技术的 工作原理。上层共享局域网仿真（ULSLE：Upper Layer Shared LAN Emulation）模块通过检查帧的目的MAC地址处理同一EPON系 统内部和EPON系统与外部用户间的通信。LLID信息通过替换原有前 导码的第六和第七字节来传递，其中第六字节的最高位（第7比特） 用于指示传输模式。
多点MAC控制 MAC MAC RS MAC
OLT
MAC RS
ONU
GMII PCS
GMII PCS
FEC
PMA PMD MDI
PHY
FEC
PMA PMD MDI 无源光介质
PHY
FEC=前向纠错 GMII＝千兆比媒质无关接口 MDI＝媒质相关接口 OAM＝运行、管理和维护 OLT＝光线路终端 ONU＝光网络单元
• 下行数据流采用TDM技术； • 上行数据流采用TDMA技术。
PON基本原理－下行传输
下行数据的安全？
下行数据广播发送，每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃 其他用户的数据
PON基本原理－上行传输
上行数据的同步？
上行数据分时发送，各ONU的发送时间与长度由OLT集中控制－－TDMA 的接入机制
OLT的接收机和ONU的发射器工作在突发模式
EPON协议栈
LAN分层 OSI参考 模型分层
MAC Client OAM
LAN分层
上层
MAC Client OAM
上层
MAC Client OAM
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
MAC Client OAM 多点MAC控制
物理编码子层（PCS）则在完成传统PCS子层8B/10B编解码和字节同 步的功能之外，新增加了可选的前向纠错（FEC）模块，以进一步提高 系统的性能；PMA子层则主要完成串并和并串转换及时钟提取等功能， 与普通千兆以太网技术一致；PMD子层则主要完成信号的光电转换，根 据EPON自身的特点，要求OLT的光收发模块具有突发接收的能力，而 ONU的光收发模块则必须具备突发发送的能力。由于EPON中各个ONU 距离OLT物理距离的差异，到达OLT侧的不同ONU的光功率可能有很大 的差异，因此要求OLT侧的光接收机具有自动阈值控制（ATC）的功能。 此外，由于EPON上行为TDMA的工作方式，每个ONU只能在预先分配 好的时段内发送数据，否则将在OLT侧造成接收冲突。因此要求ONU侧 的光发射机具有突发发送的功能，在不属于自己的时段内应不发光或只 发微弱的光（<－45dBm），在属于自己的发送授权到来时，能迅速将 光发射功率调整到正常工作水平。
EPON协议层次
EPON协议栈示意图
EPON设备模型
EFM EPON开放式接入业务模型
上图为EFM建议的一种EPON开放式接入系统架构。从图中可以看出，对于 EPON系统本身，既可以是只提供光/电转换的媒体转换器，也可以是具有L2汇 聚功能的业务集中器，具体实现可以根据用户的实际需要确定。在这个开放系 统架构中，有2种业务模型：一种是通过L3业务复用交换设备与一个集成的业 务提供商相连，同时提供多种宽带接入业务；另一种是通过L2带宽集中器直接 与各业务提供商的IP router、VoIP Gateway、Video Server等相连，提供灵活 的业务选择。此种架构可以最大限度提高EPON系统设计的灵活性，降低设备 成本，保护现有投资，具有强大的扩容和升级能力，便于实现业务平面与承载 平面的分离，易于开展多项增值业务。从图中还可以清楚看出，对于EPON OLT设备，是不需要提供L3路由等功能的，否则将影响系统的模块化分割和业 务的灵活性与扩展性。
Attenuation range (ITU-T Rec. G.982)
dB
Class A: 5-20、Class B: 10-25、Class C: 15-30
OLT功能模块示意图
ODN 接 口功能
复用 / 解复用 功能
千兆以 太接口 交换 功能 千兆以 太接口 TDM 接口
核心 网络
ODN 接 口功能
绝对时标技术
为了避免多个ONU上行突发发送时的冲突，EPON系统采用了先进的绝对时标 （Absolute Timestamp）技术，即同一EPON系统内部所有设备的定时都以 OLT侧的定时为基准。系统通过上下行MPCP帧的Timestamp域传递定时信息。 GATE和REPORT操作是MPCP协议的两种操作模式（分别如图 5和图 6所 示）。在OLT侧，发送GATE帧（Discovery Gate和Normal Gate）的同时将本 地时钟计数器的值插入该帧的时标域。在Normal Gate中，还将包含OLT分配 给该ONU的发送起始和结束时刻。ONU接收到属于自己的Gate帧后，提取其 时隙起始和结束时刻存入相应寄存器，并将本地定时寄存器的值改为GATE帧 中的时标值，同时比较这两个时标值的差是否大于guard_threshold的值 （IEEE规定该变量的默认值为4*16bits time），若大于该值，则认为时标发生 了较大漂移，ONU将发起一次重新注册来修正。
突发模式光收发器技术
OLT光接收机的快速功率恢复
• 要求OLT在每个接收时隙的开始处迅速调整0-1判决门限
ONU光发射机的突发发射和关断
• 为抑制自发散射噪声，要求ONU的激光器能够快速的冷却和回暖
OLT光接收机的突发同步技术
• 上行接收数据相位的突变要求OLT的接收机工作在突发模式接收状态