(01)EPON关键技术及实现原理解析.ppt

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EPON关键技术及实现原理烽火科技学院培训中心张皓2008年12月2007-00-00 内容提要FTTH技术EPON技术 FTTx系统FTTx系统的基本组成：光线路终端（OLT，局端设备）光支配网（ODN，包含光分路器、光纤光缆及光缆分线盒、光缆交接箱等一系列无源器件）光网络单元（ONU/ONT） OLT功能模块示意图 ONU功能模块示意图 FTTx的实现技术FTTx主要包括有源与无源两种技术，当前两种技术的市场份额相当无源光网络PON渐渐成为FTTx的主要实现技术，包含A/BPON、EPON、GPON等传统的P2P光纤接入系统接受媒质转换器（MC），应用比较普遍；新的P2P标准定义了光接口、OAM等内容，改善了传统MC方式存在的缺陷 无源光网络（PON）系统原理－1(a)PON系统中的上行方向工作原理上行工作波长范围:1260-1360nm上行数据分时发送，各ONU的发送时间与长度由OLT集中限制－－TDMA的接入机制 无源光网络（PON）系统原理－2下行工作波长范围:1480-1500nm下行数据广播发送，每个ONU依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(b)PON系统中的下行方向工作原理 PON技术体制BPON业务适配困难，业务供应实力有限，传送速率不高，成本较高，IP业务映射效率低等缘由，已经被舍弃，不宜再接受；EPON技术由IEEE标准化。其核心是在保留传统以太网体系结构基础上定义了一种新的应用于PON系统的物理层（主要是光接口）规范、一种新的MAC多点限制层协议（MPCP），以实现在点到多点无源光网络中的以太网帧的时分多址接入、一种运行维护和管理（OAM）机制。GPON由FSAN/ITU标准化（G.984）。其目标是形成传输速率更高、更大分路比、能高效承载多种业务并具有更强大的OAM功能的宽带PON技术。GPON引入了一个全新的传输汇聚（TC）子层，并规定TC子层可以接受ATM和GEM两种封装方式。接受了125us的帧长及定时机制，将各种业务载荷（包括TDM和分组）都通过GFP封装入定长帧中，可以较简洁的支持TDM和话音业务，并通过带宽指针（pointers）为每一个ONU动态支配上行带宽。EPON和GPON已成为近期探讨的热点。 PONvs.点到点光纤以太网无源光网络PON：点到多点的树形-分支结构局端设备和用户端设备之间为全无源结构可以节约主干光纤和局端设备的光接口可扩展性好，便于维护管理SplitterFiberCOBusiness/ResidenceP2P光纤以太网：点到点结构局端设备和用户端设备之间接受独立的一对或者一根光纤，用户独享，保密性好，局端和用户端各须要1个光收发器业务透亮性好，带宽高，每个用户的上下行带宽都可以达到100Mbit/s甚至1000Mbit/s。消耗较多的主干光纤 PONvs.点到点光纤以太网基于MC的点到点技术的两种运用方式：点到点以太接入N根光纤，2N个光收发器管理独立小区交换机接入只需铺设1或2根光纤到小区2N+2个光收发器设备占用局端机房空间小在传输过程中须要有源设备设备分级管理PON的接入方式：只需铺设1或2根光纤到小区需N+1个光收发器设备占用局端机房空间最小传输中不需有源设备设备集中管理局端用户局端用户小区交换机以32个结点为例32/64根光纤64个收发器P2PP2P1/2根光纤66个收发器局端用户分光器P2MP1根光纤33个收发器 PONvs.点到点光纤以太网无源分光器ONUONUIP数据网光电收发器OLTONUIP数据网MC接入PON接入PSTNCATV100M带宽xG带宽收发器运维盲点、故障率高无源网络，无需维护单一业务全业务 内容提要FTTH技术EPON技术 EPON基本特点PON的基本特点OLT与ONU之间信号传输基于IEEE802.3以太网帧接受8B/10B的线路编码，数据速率为上下行对称1Gbps,线路比特率为上下行对称1.25GbpsP2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件。以MAC限制子层的MPCP机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来限制访问P2MP的拓扑结构分光比1：32支持A、B类ODN网络Attenuationrange(ITU-TRec.G.982)dBClassA:5-20、ClassB:10-25、ClassC:15-30 EPON分层结构参考模型（a）分层结构参考模型(b)分层结构参考模型细化 EPON分层结构参考模型-层次MACClient(媒体访问限制客户端)子层供应终端协议栈的以太网MAC和上层之间的接口；OAM子层则负责有关EPON网络运维的功能；MAC限制子层：负责ONU的接入限制，通过MAC限制帧完成对ONU的初始化、测距、和动态带宽支配，接受申请/授权(Request/Grant)机制，执行多点限制协议(MPCP),MPCP的主要功能是轮番检测用户端的带宽恳求，并支配带宽和限制网络启动过程；MAC(MediumAccessControl,媒介接入限制)子层：将上层通信发送的数据封装到以太网的帧结构中，并确定数据的发送和接收方式；协调子层RS（ReconciliationSublayer）将MAC层的业务定义映射成GMII接口的信号。RS子层定义了EPON的前导码格式，它在原以太网前导码的基础上引入了逻辑链路标识（LLID）区分OLT与各个ONU的逻辑连接，并增加了对前导码的8位循环冗余校验（CRC8）； EPON分层结构参考模型-层次PCS（PhysicalCodingSublayer,物理编码）子层，PCS将GMII发送的数据进行编码/解码（8B/10B），使之适合在物理媒体上传送；PMA（PhysicalMediumAttachment,物理媒介接入子层），为PCS供应一种与媒介无关的方法，支持运用串行比特的物理媒介，发送部分把10位并行码转换为串行码流，发送到PMD层；接收部分把来自PMD层的串行数据，转换为10位并行数据。生成并接收线路上的信号；PMD（PhysicalMediumDependent,物理媒介相关）子层，为于最底层，主要完成光纤连接、电/光转换等功能。PMD为电/光收发器，把输入的电压变更状态变为光波或光脉冲，以便能在光纤中传输。 EPON分层结构参考模型-层次接口GMII（GigabitMediumIndependentInterface,吉比特媒介无关接口），字节宽度的数据通道；TBI（TenBitInterface,十位接口），是10位宽度的数据通道；MDI（MediumDependentInterface,媒介相关接口），是串行比特的物理接口； 物理媒质相关（PMD）子层规定了1000BASE-PX10和1000BASE-PX20两种光模块：目前的PX10/20光模块分别可以达到1:32的分路比和10/20公里的传输距离；在物理层业务接口上，误码率小于等于10e-12。描述1000BASEPX10-U1000BASEPX10-D1000BASEPX20-U1000BASEPX20-D单位光纤类型B1.1,B1.3单模光纤光纤数目1标称发射波长1310149013101490nm发射方向上行下行上行下行最小范围（注1）0.5m～10km0.5m～20km最大通道插入损耗（注2）2019.52423.5dB最小通道插入损耗（注3）510dB注1：如果在链路上启用前向纠错，可获得较大的最小传输范围；也可以允许链路上有较高的通道插入损耗。注2：在标称发射波长处。注3：链路的差分插入损耗是通道最大插入损耗和最小插入损耗之差。 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支配（DBA）机制下行数据平安性技术业务QoS处理TDM业务的承载运行维护管理（OAM）功能的实现 突发模式光收发器技术OLT光接收机的快速功率复原要求OLT在每个接收时隙的起先处快速调整0-1判决门限ONU光放射机的突发放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OLT的接收机和ONU的放射器工作在突发模式 EPON的OAM功能EPON系统定义了一种全新的运行管理和维护协议，以支持：RemoteFailureIndication（远端故障指示）RemoteLoopbak（远端环回）LinkMonitoring（链路监视）不支持功能和单条链路不相关的管理功能，比如疼惜倒换和设备管理业务供应和协商功能，比如带宽支配，速率适配和速度/双工协商等功能OAM数据的平安性保证和OAM实体的认证不在标准定义的范畴不支持设置/写远端MIB变量的实力特点OAM的实现和使能是可选的。供应一种实现OAM实力发觉的机制。供应一种机构扩展机制使高层管理功能的应用成为可能 EPON技术探讨－MAC帧结构前导码7Bytes帧定界符1BytesDA6BytesSA6Bytes长度/类型2Bytes数据46—1500Bytes填充不定FCS4Bytes前导码8BytesDA6BytesSA6Bytes长度/类型2Bytes数据46—1500Bytes填充不定FCS4Bytes5555SLD5555LLIDLLIDCRC8传统以太网MAC帧EPONMAC帧SLD:SLD指示LLID和CRC位置 PCS子层对数据监测和前向纠错的扩展对IEEE802.3定义的PCS层的扩展，以支持在点对多点物理介质中的突发模式操作。突发模式操作：为了避开近端ONU的放射噪声造成远端ONU的信号衰减，ONU的激光器在信号发送间隔必需能够关闭。为了限制激光器，PCS必需进行扩展以便能依据信号状态产生tx_enable信号，在正确的时刻开/关激光器。标准定义了可选择的前向纠错机制（FEC），用于提高光连接牢靠性和传输距离。1000BASE-X设备可运用自协商机制进行连接，但在1000BASE-PX的P2MP网络中，禁止运用自协商协议。FEC具有以下基本特性：保证帧格式符合1000BASE-XPCS；支持功能可选；向后兼容1000BASE-X设备；支持PCS子层10-12误码特性；支持FEC子层10-4误码特性。 MPCP协议的主要特点支持规范定义的点到点仿真（P2PE）；OLT支持多个LLID和MAC客户端；每个ONU至少支持一个LLID；支持单拷贝广播机制；支持动态带宽支配的灵敏体系结构；运用32比特时间戳来发布定时信息；基于MAC限制的体系结构；对已发觉设备进行测距来提高网络性能；进行连续测距以补偿来回时间的变更。 GATE（OLT发出）允许接收到GATE帧的ONU立刻或者在指定的时间段发送数据REPORT（ONU发出）向OLT报告ONU的状态，包括该ONU同步于哪一个时间戳、以及是否有数据须要发送。REGISTER_REQ（ONU发出）在注册规程处理过程中恳求注册。REGISTER（OLT发出）在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了注册恳求。REGISTER_ACK（ONU发出）在注册规程处理过程中表示注册确认。五种类型的MPCP帧MPCP在OLT和ONU之间规定了一种限制机制来协调数据的发送和接收；MPCP功能是基于特地的协议数据报文完成的，即MPCPDU；目前定义了5中MPCPDU：EPON的关键技术——MPCP限制帧 通用MPCPDU目的地址(DA)：MPCPDU中的DA为MAC限制组播地址，或者是MPCPDU的目的端口关联的单独MAC地址。源地址(SA)：MPCPDU中的SA是和发送MPCPDU的端口相关联的单独的MAC地址。对于源于OLT端的MPCPDU，源地址可以是随意一个单独MAC的地址。Length/Type：MPCPDU都进行类型编码，并且承载MAC_Control_Type域值。Opcode：操作码指示所封装的特定MPCPDUTimestamp：在MPCPDU发送时刻，时间戳域传递localTime寄存器中的内容。该域长度为32比特，对16比特发送进行计数。时间戳计时步进值为16比特。Data/Reserved/PAD：这40个八位字节用于MPCPDU的有效载荷。当不运用这些字节时，在发送时填充为0，并在接收时忽视。FCS：该域为帧校验序列，一般由下层MAC产生。 选通（GATE）消息帧GATE消息的目的在于给ONU支配发送窗口，使得ONU可以进行发觉消息的发送以及正常的数据发送。一个GATE消息可包括4个授权。为了将GATE消息作为MPCP从而使得OLT到ONU保持激活状态，授权的个数可以被设置为0。 REPORT消息帧报告(REPORT)消息有几个功能。每个报告消息中的时间戳用于计算RTT。ONU在每个报告消息中指明针对每个802.1Q优先级队列所需的上行带宽。报告消息用于保持ONU到OLT的激活状态。为了保持OLT端的链路，ONU将周期性地发布报告消息。OLT可以明确的恳求一个报告消息。 REGISTER_REQ消息帧REGISTER_REQMPCPDU由某个未发觉ONU的MAC限制实体产生。该MPCPDU被标记为广播类型的LLID。值指示描述0保留接收时忽略1RegisterONU注册尝试2保留接收时忽略3DeregisterONU的重注册请求。相应的，解除分配的MAC并重新使用LLID。4-255保留接收时忽略REGISTER_REQMPCPDU的标记域 REGISTER消息帧REGISTERMPCPDU由对应于全部ONU的MAC限制实体产生，并被标记为广播LLID。值指示描述0保留接收时忽略1Register要求ONU进行重注册2Deregister请求解除端口分配并释放LLID，相应的也要解除MAC分配。3Ack请求重注册成功4Nack高层实体否定重注册请求5-255保留接收时忽略Flag域 REGISTER_ACK消息帧REGISTER_ACKMPCPDU由对应于某个激活的ONU的MAC限制实体产生，该MPCPDU被标记为单播类型的LLID。值指示描述0Nack上层实体否定请求的重注册尝试1Ack重注册进程成功确认2-255保留接收时应忽略REGISTER_ACKMPCPDU的标记域 MPCP发觉过程－－ONU的发觉、注册和认证OLT以确定间隔发送一个发觉窗口（如1秒）。新上线的ONU可以利用这个窗口进行注册和认证，进而被OLT接纳。OLT基于MPCP消息中的timestamp字段进行测距OLT基于ONU的MAC地址进行ONU的认证 ONU完成注册后的MPCP协议交互ONU完成注册后，系统维持一个Keep-alive机制：OLT定期（最低50ms一次）发送Gate消息给ONU，ONU也定期（最低50ms一次）的发送Report消息给OLT假如OLT；假如OLT在确定时间内没有收到ONU发来的任何MPCP消息，则认为该ONU的MPCP协议异样，将解注册（Deregister）该ONU；假如ONU在确定时间内没有收到OLT发来的任何MPCP消息，则认为与OLT之间的链路异样或者OLT的MPCP协议异样，也将自动解注册；MPCP协议基于MPCPDU中的timestamp进行动态测距，确保多个ONU上行TDMA的有序性 MPCP发觉过程进程由OLT发起，它周期性地产生合法的发觉时间窗口(DiscoveryTimeWindows)，使OLT有机会检测到非在线的ONU。发觉进程的下一步是OLT向新发觉的ONU发送注册(Register)消息，该消息包含ONU的LLID以及OLT要求的同步时间。OLT可以要求ONU重新执行发觉进程并重新注册。同样，ONU也可以通知OLT恳求注销，然后通过发觉进程进行重注册。 测距OLT与各ONU间的环路时延不同：各ONU距OLT的光纤路径不同各ONU元器件的不一样性环境温度的变更和器件老化，环路延时也会发生不断的变更测距是保证PON系统内ONU上行方向不发生时隙冲突的基础测距包括静态测距和动态测距：静态测距：用在新的ONU安装调试阶段、停机的ONU重新投入运行时，通过开窗测距技术获得来回时延，并对时延差异进行补偿动态测距：应用于系统运行过程中，通过检测来回时延的变更对温度、光电器件老化等因素的影响进行补偿测距要求测距精度高，一般要求在全1～2bit内测距过程对运行中的其它ONU的影响最小，保证运行业务的QOS测距范围大，即能供应的均衡延时大 EPON－测距OLTONUt0OLT本地时间=t0OLT本地时间=t2MPCPDU的时间戳域为t0设置ONU本地时间=t0ONU本地时间=t1MPCPDU的时间戳域为t1时间时间t1t0t0t1TdownstreamTupstreamTwaitTresponseRTT=Tdownstream+Tupstream=Tresponse–Twait=（t2-t0）-（t1-t0）=t2-t1 EPON中下行TDM的实现OLT依据以太网帧的目的ONU在每个以太网帧的Preamble中打上不同的LLID，然后复用到GE链路，并广播到该PON下的全部ONU；PON下的ONU能够接收到全部用户的下行业务，ONU依据接收到的以太网帧的preamble中的LLID过滤出属于自己的以太网帧：假如该LLID等于OLT给自己支配的LLID，则接收并转发该以太网帧；假如该LLID不等于OLT给自己支配的LLID，则丢弃该以太网帧； EPON中上行TDMA的实现OLT和ONU为主从管理ONU上行方向的TDM完全由OLT静态或者动态限制OLT给每个ONU发布授权（grant）：授权以窗口的形式存在，特定的窗口发布给特定的ONU；（grantwindow由Gate发布给ONU）ONU仅在属于自己的grantwindow中向OLT发送上行业务OLT发布grantwindow时已经考虑了各ONU与OLT距离的差别（RTT） 动态带宽支配（DBA）机制相对于静态带宽支配（SBA），DBA是指OLT基于用户的业务等级协议（SLA），结合ONU的本地队列状态的汇报（Report帧中的Queue＃nReport）或者业务预料动态的给ONU发布上行业务授权优点：实现高效的上行带宽利用率和服务质量保证DBA是接受轮询ONU的方式，例如每1ms给该PON下全部ONU各支配一次grant（每个ONU的grant的大小可能是不同的）。Cycletime对上行业务时延有确定影响DBA的具体要求：业务透亮低时延和低时延抖动公允带宽支配健壮性好实时性强 DBA的原理DBA的工作流程是Gate－Report－Gate－Report，如此循环OLT给ONU发布的grant在Gate消息中承载；ONU通过Report消息使OLT了解其本地的队列状态和业务流量Grant的支配是基于特定算法的。DBA要依据SLA进行grant支配（包括保证带宽、最大带宽等参数 典型的DBA算法两级调度算法ONU上报队列的总带宽恳求可以设置多个阈值（队列集）OLT基于ONU的REPORT和SLA为每个ONU支配带宽，ONU本地带宽调度QoS保证明力能够满足Triple-Play的要求 下行数据的平安性因为PON的多点广播特性，全部的下行数据都会被广播到PON系统中全部的ONU上。假如有一个匿名用户将它的ONU接收限制功能去掉，那么它就可以监听到全部用户的下行数据，这在PON系统中称为“监听威逼”PON网络的另一个特点是，网络中ONU不行能监测到其它ONU的上行数据在PON上解决平安性的措施是OLT对下行信息加密（包括全部的数据帧和OAM帧）系统应针对每个LLID进行搅动，每个LLID有独立的密钥。加密的核心问题包括：加密算法密钥的产生和传递密钥的更新与同步 下行数据平安性加密算法：AES-128;平安性很高，但不符合国内的商用密码管理条例Churning；平安性较低，简洁Triple－Churning：中国电信的专利技术，提高了churning的平安性中国电信接受TripleChurning算法密钥是ONU由上行用户数据中提取的3字节数据与3字节随机数ExclusiveOR(XOR)异或相加的结果密钥由ONU以OAM消息的方式传送给OLT，OLT利用这个密钥依据特定的加密算法对下行数据进行加密密钥更新：密钥必需周期性更新；密钥同步：因为密钥须要定期更新，所以须要一个同步机制，使ONU能够知道当前运用的哪个密钥 业务QoS处理EPON支持IEEE802.1p支持IPTOS队列调度算法：SP、WRR、SP+WRR支持端口限速…. EPON-业务QoS处理与带宽限制交换板PON卡EPONEPONTDM业务处理（网关）GE10/100M/GEONUONUONU接受IEEE802.1p或IPTOS机制，实现业务优先级区分业务拥塞发生在交换芯片上PON系统上下行基本不会拥塞，但须进行更精确的带宽限制和管理无连接、只能简洁的限制带宽（依据LLID—1个ONU）一个PON口相当于交换芯片的一个逻辑端口 TDMoverEPON技术（1）IEEE802.3本身不关注如何在EPON中承载TDM业务，可以接受电路仿真CESOP供应TDM业务接入功能CESOP技术基本思想就是在分组交换网络上搭建一个“通道”，在其中实现TDM电路，从而使网络任一端的TDM设备不必关切其所连接的网络是否是一个TDM网络。CESOP的技术难点：TDM信号与以太网之间高效合理的适配封装TDM信号的严格同步定时；电路业务的QoS的保证：分组丢失、分组包乱序、包抖动分组交换网络TDM电路（如E1）TDM电路（如E1）基于分组网络的电路仿真业务（CESoP） TDMoverEPON技术（2）CESoP标准化 TDMoverEPON技术小结EPON承载TDM的两种主要方式――TDMoE（MEF）和TDMoIP（PWE3）在标准上已比较成熟EPON系统接受分组方式承载TDM（CESoP）的性能能满足G.703的要求，可以为商业客户供应E1专线业务。TDMoE在带宽效率上好于TDMoA和TDMoIP目前接受PWE3和MEF的芯片较少，现网应用有限，其实际传输效果有待进一步验证，建议进一步跟踪技术进展，可在芯片进一步成熟的基础上，接受TDMoE方式时钟复原可以接受自适应方式或者差分方式假如要利用EPON的E1业务接口传递时钟信号（如为3G基站供应时钟输入），须要实行特殊的时钟复原方式（差分时钟复原方式或者ONU接受自适应+高精度本地晶振） 单拷贝广播充分发挥EPON网络点到多点结构的特点，实现在EPON系统中高效视频组播，使同一个组播组的用户共享一条流，从而提高下行带宽的利用率。 光纤疼惜倒换：骨干光纤冗余OLT：接受单个PON端口，PON口处内置1×2开关，由OLT检测线路状态光分路器：运用2:N光分路器；ONU：无特殊要求。 光纤疼惜倒换：OLTPON口冗余OLT：备用的OLTPON端口处于冷备用状态，由OLT检测线路状态、OLTPON端口状态，倒换应由OLT完成。光分路器：运用2:N光分路器；ONU：无特殊要求。 光纤疼惜倒换：全疼惜OLT：主、备用的OLTPON端口均处于工作状态；光分路器：运用2个1:N光分路器；ONU：在PON端口前内置开关装置，由ONU检测线路状态，并确定确定主用线路，倒换应由ONU完成。 EPON的OAM功能EPON系统定义了一种全新的运行管理和维护协议，以支持：RemoteFailureIndication（远端故障指示）RemoteLoopbak（远端环回）LinkMonitoring（链路监视）不支持功能和单条链路不相关的管理功能，比如疼惜倒换和设备管理业务供应和协商功能，比如带宽支配，速率适配和速度/双工协商等功能OAM数据的平安性保证和OAM实体的认证不在标准定义的范畴不支持设置/写远端MIB变量的实力特点OAM的实现和使能是可选的。供应一种实现OAM实力发觉的机制。供应一种机构扩展机制使高层管理功能的应用成为可能 OAM功能原理OAM协议供应了OAM实体之间的运行、管理和维护信息的交互；OAM功能由OAM协议数据单元在OLT和ONU之间承载就OAM功能而言，OLT与ONU是主从关系：OLT处于Active模式，ONU处于Passive模式OAM协议定义了事务通告（CriticallinkEvent、linkevent）、loopback、机构扩展等机制OAM实力也须要一个发觉机制：OAM发觉供应了一个OLT和ONU双方相互探测对方OAM子层是否存在的机制OAM是一个slowprotocol，每对实体间每秒最多发送10帧；OAM也有一个keep－alive机制（每秒最少向对等实体发送一个OAM帧），假如5s没有收到对等实体的OAM帧，则认为OAM链路中断，重新起先OAM发觉过程。OAM协议供应了一种机构自行扩展以支持更多高层功能的机制；中国电信也基于此机制进行了扩展 EPON技术总结与以太网系列标准兼容(标准为：802.3)具有较强的运行管理和维护（OAM）实力适合承载基于以太网的业务以太网技术成熟且已大规模应用，设备成本低EPON技术是当前FTTX的主要实现技术 烽火科技学院培训中心2007-00-00