以太网无源光网络浅析

在电力系统中分配电能的网络称为配电网，它是将高压电变成农业用电、商业用电和居民用电的电网，由架空线或配电线路、配电所或柱上降压器构成。配电自动化系统（DAS，Distribution Automation System）利用现代计算机及通信技术，将配电网的实时运行、电网结构、设备、用户以及地理图形等信息进行集成，实现配电网运行状态监控及管理的自动化、信息化。DAS主要由配电主站系统、配电子站监控系统、通信系统、配电网现场终端组成。其中，现场终端包括：安装在变电站、开闭所的站内监控终端，即RTU（Remote Terminal Unit,远方终端单元）；安装在线路环网柜内、柱上开关上的线路监控终端，即FTU(Feeder Terminal Unit,馈线终端单元)；安装在配电变压器上的配变监测终端，即TTU （Transflrmer Terminal Unit,变压器终端单元）。这些终端向主站传送断路器、负荷开关、变压器等配电设备的运行数据，接收主站控制命令，完成开关的操作。综上所述，DAS需要借助有效的通信手段将控制中心的命令准确地传送到远方终端，并将反映远方设备运行状况的数据信息收集到控制中心。由于DAS中远方终端数量庞大，因此，如何合理选取通信方式来最大限度在满足DAS的性价比要求是值得关注的一个问题。

1.EPON技术介绍

1.1概述

EPON（以太网无源光网络）是一种新兴的宽带接入技术，由IEEE 802.3 EFM 研究组提出，在物理层采用了PON技术，在链路层使用了以太网协议，利用PON 的拓扑结构实现了以太网的接入，因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点，即频带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组、与现有以太网的兼容性、方便的管理等

一个典型的EPON系统由光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）和无源光分路器（POS）组成，系统结构如图1所示。

图1. EPON系统管理

OLT放在通信机房，ONU放在配电终端设备附近或与其一体化，POS是连接OLT与ONU的无源设备，其功能是分发下行数据并集中上行数据。OLT既

是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，可以配置多块OLC（Optical Line Card,光线路卡），OLT与多个ONU通过POS连接，1个OLT PON端口下最多呆以连接的ONU数量与设备密切相关，一般是固定的。在EPON系统中，OLT与ONU间的最大距离可达20km，支持1.25Gbit/s的对称速率。

在下行方向，IP数据、语音、视频等多咱业务由位于局端的OLT采用广播方式通过ODN（Optical Distribution Network,光配网络）中的1：N无源光分路器分配到PON口所有ONU；在上行方向采用时分复用方式，来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1：N无源光分路器耦合到同一根光纤，最终被送到位于局端的OLT接收端。

2.关键技术

2.1 分光器技术

分光器是组建EPON网络的一个组件，是连接OLT和ONU的无源设备，其功能是分发下行数据，并集中上行数据。典型均分型分光器损耗见表1所列，非均分型分光器损耗见表2所列。

2.2 多点控制协议技术

EPON拓扑结构是树状结构，由位于根部的OLT和位于枝端的多个ONU组成。OLT可以和各个ONU互通信号，但ONU之间不能互通。因此，当不同的ONU 向OLT发送数据时有可能发生碰撞，这就需要由OLT进行全局控制，安排好各个ONU之间有效地传输数据，需要一个有效的控制机制来控制OLT和ONU，这就是多点控制协议（MPCP）。

2.3 突发工作模式

EPON的点对多点的特殊结构和时分多址的接入方式，决定了ONU发送机工作在突发发送的模式下，这就对激光器的响应速度，更重要的是对发射机输出光功率控制电路提出了新的要求。传统APC（Automatic Power Control,自动功率控制）电路针对连续传输设计，其偏置电流在整个传输过程中恒定不变。然而在突发模式中，激光器被不断地打开和关闭，其偏置电流必须能快速地响应变化，否则很可能在直流偏置还没有调整到指定值之前，ONU的发送已经结束，激光器又要关闭，直流偏置重新归零，这将导致自动功率控制回路无法正常工作。因些，传统连续模式的自动功率控制回路无法正常工作在突发模式下。

对传统连续模式自动功率控制电路进行修改，使其能工作于突发模式下。连续模式的自动功率控制回路不能正常工作在突发模式下，是由于当激光器关闭时，直流偏置切断；当激光器被重新打开时，自动功率控制回路已丢失了原来的状态，直流偏置呈现不连续的变化。只要能在激光器关闭期间保持自动功率控制回路的状态不变，当激光器被重新打开时，自动功率控制回路就能在前一个突发间隔结束状态的基础上继续工作，直流偏置的变化将是一个连续的过程，因而自动功率控制回路将能稳定工作在突发模式下。

接收时，上行数据流由各个ONU以突发形式到达OLT。由于突发信号的不确定性，0码和1码在整个上行信道上的不均衡性以及每个ONU和OLT之间的不同传输距离等各种因素，造成各个OLT接收到的ONU信号强度各不相同。在极限情况下，从最近ONU发来的代表0信号的光强度甚至比从最远ONU传来的代表1信号的光强度还要大。为了正确恢复出原有数据，OLT必须根据每个ONU的信号强度实时调整接收机的判决门限。现有的突发模式接收机分为直接耦合方式和交流耦合两大类。

2.4 测距技术

EPON为点对多点拓扑结构，采用TDMA（时分多址）技术实现信息传送。各个ONU 与OLT之间的逻辑距离是不相等，为了能够精确地实现时隙分配，OLT需要测量它和每个ONU之间的距离。OLT需要有一套测距功能来测试每个ONU与OLT之间的逻辑距离，以

此来指挥ONU 调整其信号发送时延，使不同距离的ONU 所发送的信号能在OLT 处准确地复用在一起。

目前，EPON 测距一般采用比较成熟的数字计时技术的带内开窗测距法，原理如图2所示

OLT 发送一个GA TE 信号，其中包含时标T1，ONU 在T2时刻接收到GA TE 信号后，将自己的时间设置为T1，并在一个固定时延（T3-T2）后，于T3时刻回复REPORT 信号，该信号包含时标T3，OLT 在T4时刻收到REPORT 信号，计算出OLT 和此ONU 之间的距离为[41(32)]/2C T T T T ⨯---。由于光纤双向时延对等，2143T T T T -=-，故OLT 与ONU 之间的距离为(43)[2,5]C T T ⨯-。

2.5 动态带宽分配技术

动态带宽分配（DBA ）算法就是实时地（ms/us ）改变EPON 的各ONU 上行带宽的机制。EPON 中如虹用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适合，如按峰值速率静态分配带宽，则整个系统带宽很快就被耗尽，带宽利用率很低，面动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。通过DBA ，可以根据ONU 突发业务的要求，通过在ONU 之 间动态调节带宽来提高PON 上行带宽效率。由于能更有效地利用带宽，网络管理员可以在一个已有的PON 上增加更多用户，终端用户也可以享有更好的服务，如用户可以用到的带宽峰值能够超过传统的固定分配方式的带宽。上行方向信道中的传输采用时分复用接入方式共享光纤，各个ONU 收集来自用户的信息并以1.25Gbit/s 以上的速率向OLT 发送数据，不同的ONU 发送的数据占用不同的时隙。

根据EPON 的特点以及ITU-T G .983建议，对动态带宽分配设计的具体要求有：业务透明、高带宽利用率、低时延和低时延抖动、公平分配带宽、健壮性好、实时性强。动态带宽分配采用集中控制方式，即所有ONU 的上行信息发送都要向OLT 申请带宽，OLT 根据ONU 的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权。其分配准许算法的基本思想是：各ONU 利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分布并请求带宽。OLT 根据各ONU 的请求公平合理地分配带宽，并同时考虑处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况。