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s以太无源光网络10GEPON介绍

发布时间:2020-02-12 20:10:12 阅读: 来源:格栅灯厂家

作者:Steve Gorshe - PMC-Sierra CTO 部门的首席工程师1. 引言作为提供宽带及其它接入服务的未来基础架构,无源光网络 (PON) 已日益普及。新兴的 IEEE 802.3av 10G EPON [1] 标准是一种最新、速度最快的时分多址 (TDMA) PON 协议。随着超过 100 Mbit/s 容量的 IEEE 802.11n 无线和有线网络的家庭部署成本之不断降低,家庭网络的带宽需求同时相对提高,成为推动现有技术向 10G EPON 标准发展的一大动力。此外,客户对数字视频点播的需求有望进一步提高,而这也将成为推动 10G EPON 技术发展的另一个推动力量。尽管当前的 PON 系统能够满足上述某些需求,但随着高清视频的推广,用户必然需要更快速的 PON技术。本文首先将简短回顾一下 TDMA PON 协议的概念,随后将介绍 10G EPON 协议及其与目前正在部署的 EPON 协议的区别。2. PON 介绍如图 1 所示,PON 系统在光纤线路终端 (OLT) 使用单光纤收发器,通过无源光纤信号分配器构建的树形/总线网络为不同用户提供服务。10G EPON 协议使用 TDMA,在此机制下,OLT 不仅将广播下行数据,同时还将与所有光网络单元 (ONU) 实现信息同步。ONU 可根据数据包地址信息识别下行数据。在上行方向上,OLT 将为每个 ONU 分配(或授予)传输数据的时间周期。OLT 上行传输时间的分配包括一个监控时间,以确保不同 ONU 的传输不会在 OLT 接收机上发生重叠。OLT 可根据它与 ONU 之间的往返时延大幅地缩短监控时间。3. 基于以太网的 IEEE 802.3av 10Gbit/s PON (10G EPON)10G EPON 构建于 EPON 标准基础之上并加以发展,使 EPON 与 10G EPON 系统能够通过粗波分复用 (CWDM) 以及时分多路复用 (TDM) 技术相结合,在同一 PON 上实现共存。上述二者都可通过 VoIP 技术进行语音通信,并通过电路仿真业务 (CES) 传输其它的 TDM 客户端信号。3.1. 10G EPON 物理层10G EPON 下行 MAC 的传输速率为 10 Gbit/s。上行传输支持 1 Gbit/s 与 10 Gbit/s 这两种传输速率。所有 10Gbit/s 信号均采用 64B/66B 模块线路代码,从而实现了 10.3125 Gbit/s 的线路速率。1 Gbit/s 上行采用相同的 8B/10B 模块线路代码作为 EPON,因而实现了 1.25 Gbit/s 的线路速率。如图 1 所示,我们通过 CWDM 在同一 PON 光纤上实现下行和上行数据传输的分离。由于每个 OLT 端口均有多个 ONU,因此我们选择的波长频段需允许在 ONU使用低成本的激光。10G EPON 针对 1 Gbit/s 上行运行采用与 EPON 一样的波长,因此 OLT 能针对所有的 1 Gbit/s 信号使用相同的接收器。由于 10 Gbit/s 与 1 Gbit/s 上行传输的波长频带相互重叠,因此上行带宽需要在使用 1 Gbit/s 与 10 Gbit/s 上行传输的 ONU 之间实现时间共享。通过动态带宽分配 (DBA) 算法将上行带宽在 EPON 和 10G EPON 之间进行分配。双速率运作是指 OLT 能从在同一 PON 上采用 1 Gbit/s 与 10 Gbit/s 速率的 ONU 上接收上行信号。由于 10G EPON 也能在 EPON 所采用的同一 PON 光纤分配网络上运作,因此我们能获得如下优势: 使客户能采用最低成本的 ONU 实现所需业务。 可通过升级 OLT,然后根据需要对 ONU 进行升级,从而使网络从 EPON升级至 10G EPON 过渡。 现有网络和服务在网络升级过程中仍能继续工作。图 1 显示了 OLT 支持 EPON ONU、10Gbit/s 下行与 1Gbit/s 上行 ONU 以及 10Gbit/s 上行与下行 ONU 的混合组合。我们将在以下章节进一步讨论支持 EPON 和 10G EPON ONU 共存的 ONU及其它协议扩展。与 EPON 一样,可将 1550 至 1560 nm的波长频带保留以用于下行视频传输。图1 EPON 与 10G EPON ONU 共享同一 PON 的示意图802.3av 规范采用 1:16(如单个 PON 上的 16 个 ONU 连接至一个 OLT 接口)或 1:32 的分光比作为光纤链路损耗预算的参考。实际上,如果其他光纤损耗(如光纤长度)有限,可以抵消拆分比翻倍情况下额外的 3dB 损耗,那么我们也可采用1:64或1:128这种更大的分光比。(注意,实际分光比限制取决于损耗预算和所需单位 ONU 带宽等光纤参数的组合。)与 EPON 一样,10G EPON 上行突发时间的要求不是很严格,因此可使用现有的成品器件。3.2. 信号格式与媒体存取控制 (MAC) 协议3.2.1. 信号格式下行信号实际上就是以太网帧与闲置字符组成的串流,这与点对点 10 Gbit/s 以太网信号基本相同,只是额外增加了前向纠错 (FEC) 编码。此外,上行信号实际上也与以太网信号流相同,只是如上所述采用了 TDMA 突发格式,其中也包含 FEC。上行传输突发开始于同步模式,使 OLT 能将接收器同步于 ONU 的新突发,其中包括确定 FEC 码字调正、扰码器同步以及数据帧的开始。前导码与起始帧分界符 (SFD) 的以太网正常值可针对 EPON 与 10G EPON 进行修改,例如,以传输 MAC 的 MODE 与 LLID 变量替代前导字节。LLID 是唯一识别 ONU MAC 的双八位组逻辑链路标示。每个 ONU 都具备一个唯一的 LLID,可将 OLT 与 ONU 进行连接,满足单播流量。换言之,MAC 实例是用于仿真在 PON 上ONU 与 OLT的点对点连接。此外,OLT 还具备两个用作向 ONU 高效广播下行流量的单拷贝广播 (SCB) MAC 实例。例如,如果 OLT 必须与未注册的 ONU 通信,就要使用这种实例。在上行方向,仅需使用一个 SCB MAC 便可满足客户端注册需求。多点控制协议 PDU (MPCPDU) 是基本的 802.3 MAC 控制帧,ONU 采用该协议提出带宽请求,而 OLT 采用其分配带宽。每个 MPCPDU 都包括 4 个字节的时戳与 40 字节的字段,可根据需要填满数据。此外,MPCPDU 信息还可用于发现与测距进程。MPCPDU 分层配置在数据接口下,优先级高于任何数据包,从而确保带宽请求与授权能及时发送。3.2.2. MAC 层控制协议10G EPON MAC 层控制协议基于 EPON 的协议基础之上。其工作基础是,ONU 通知 OLT 上行带宽要求,而 OLT 则为ONU 的上行带宽进行调度和授权。上行带宽授权的 GATE 信息OLT 在下行 GATE MPCPDU 信息中为ONU授权带宽。门控(Gating)是一种控制 ONU 何时可以传输上行数据的功能,主要依靠与 OLT 定时器同步的本地 ONU 定时器。GATE 信息可根据 ONU 本地时钟的周期数指定ONU 上行启始时间和传输时长,从而同时兼顾了 ONU 激光开/关时间与上行同步模式时间。ONU 在本地时间等于 GATE 信息指定的启始时间时便会打开激光,并在所分配传输时间结束前终止传输。OLT 向每个 ONU 定期发送 GATE 信息,以便报告其上行带宽需求。GATE 信息能包含最多 4 个上行带宽授权信息(例如,对应于 ONU 的不同队列优先级),但每个 GATE 发送多个授权信息会使 OLT 带宽分配进程变得极其复杂。每个 GATE信息只发送一个授权信息可大幅优化分辨率,并加快上行带宽分配的响应,而且对下行开销带宽的影响甚微。特别对于每个流程的 DBA 而言,首选方案是让 OLT 向每个 ONU 在每个 GATE 信息中发送一个授权信息,以满足 ONU 的带宽要求,并让 ONU 决定在上行带宽授权中发送哪些数据。上行带宽请求的 REPORT 信息ONU 通过发送 REPORT MPCPDU 信息传送上行带宽要求。与 EPON 一样,10G EPON也支持 IEEE 802.1Q 定义的 8 个队列优先级。与 EPON 不同的是,10G EPON REPORT 的带宽值不包含突发开销或 FEC 开销。即使没有等待传输的数据,每个 ONU 也会定期发送 REPORT 信息,以重设 OLT 的看门狗定时器,并避免网络中的注册失效。3.3. 前向纠错 (FEC)FEC 允许链路可以在接收器有更高的比特误差率下运行,从而有效提高光纤链路预算,可支持更长的链路距离或更高的分光率。由于在更高比特率下其日益显著的重要性,因而 FEC 是 10G EPON 所必需的。10G EPON FEC 在两方面有别于 EPON。首先,10G EPON 使用更强大的 RS(255,223),而非 EPON 指定可选的 RS(255,239)代码。其次,10G EPON FEC 没有采用以太网帧机制,而是采用了串流媒体数据的固定长度序列机制,将 FEC 同位字放入专门的 66B 模块中。下行信号是 FEC 码字的持续串流,包含了以太网帧以及所有数据包之间的信息(如 IPG 和 Ordered Set 数据)。上行传输也与此类似,只是上行突发的首个 FEC 码字与突发的开始一致,从而使 OLT FEC 解码器能够立即支持每次突发的码字同步。3.4. ONU 的发现与启动为了使新 ONU显示在系统中,OLT 通过发送一个Discovery GATE 信息定期打开发现窗口(Discovery Window)。该 GATE 信息包括了 OLT 是否能接收 1Gbit/s 上行信号和/或 10Gbit/s 上行信号的信息,以及这个发现窗口是针对 ONU 的 1Gbit/s 还是 10Gbit/s 上行信号。未注册的 ONU 通过发送包括 ONU 的 MAC 地址在内的 REGISTER_REQ 信息来响应Discovery GATE 信息。用冲突化解算法 (contention algorithm) 可尽量降低多个 ONU 试图在同一窗口期间注册而造成的冲突几率。OLT 通过分配和捆绑一个 LLID 至 ONU 的 MAC 地址来回应 REGISTER_REQ,同时还可通过发送 REGISTER 信息通知ONU其 LLID 及其它所需参数。注意,由于 ONU 在接收到 REGISTER 信息前并不知道其LLID ,因此 Discovery GATE、REGISTER_REQ 以及 REGISTER 信息均采用广播通道发送。ONU 接收到其 LLID 后,剩余 GATE 信息则采用单播通道发送。3.5. 测距机制测距机制 (ranging mechanism) 充分利用了 OLT 与每个 ONU 支持的本地计数器。计数器为 32 位,且增量频率为每 16 纳秒。OLT 计数器是 PON 主机,只要 OLT 发送 MPCPDU 信息,其当前值将被加载至时戳字段。如果 ONU 接收到 MPCPDU,就会将本身的本地计数器重设为 MPCPDU 中的值。ONU 将自己的当前本地计数器值插入发送给 OLT 的 MPCPDU 信息之时戳字段中。OLT 根据本身与 ONU 之间的往返时间 (RTT) 确定 ONU 测距,这就是本地计数器与从 ONU 接收到 MPCPDU 信息之间的时戳之差。OLT 在分配上行传输开始时间时会考虑到测距。3.6. EPON OAM以太网链路 OAM 作为 IEEE 802.3ah 项目的一部分与 EPON 一起开发而成。可定义多个以太网帧来实现与链路 OAM 信息的通信。3.7. 动态带宽分配 (DBA)DBA 使 OLT 能够根据必须发送的数据为 ONU 分配带宽。EPON DBA 能灵活地定制网络行为,以满足不同的载波需求,进而能迅速适应包括网络拓扑中阻塞因素在内的各种可能的挑战。可将用户和服务流程反映到由 DBA 管理的特定装置,从而确保所有用户和服务流都能符合服务水平协议 (SLA) 的 QoS 要求。时延和整体系统性能(上行带宽利用率)是与 EPON DBA 相关的两个直接可调节的参数,PMC-Sierra 的 EPON OLT 产品中采用的 Service DBA 算法就是一个具体的范例。4. 结论10G EPON 标准为现有 EPON 标准提供了强大的扩展,既能为每个用户交付更高带宽,也可通过同一 PON 为更多用户提供服务。10G EPON 的一大特点就是能作为 EPON 与 PON 实现共存。此外,这种共存还使电信运营商能以低成本机制实现现有 PON 网络的带宽升级,同时还能在同一 PON 上采用 10G EPON ONU 为高带宽要求的企业客户提供服务,并用更低成本的 EPON ONU 为较低带宽需求的用户提供服务。5. 参考文献[1] IEEE 802.3av(草案)修正案:10 Gb/s 无源光网络的物理层规范与管理参数[2] “FTTH/FTTH 技术与标准”,《中国通信》第三卷第六期 104-114 页,2006 年 12 月,作者:S. Gorshe。[3] “IEEE EPON 与 ITU-T GPON 协议的概览与比较”,《中国通讯》第四卷第二期 69-78 页,2007 年 4 月,作者:S. Gorshe。[4] IEEE 802.3 (2005) 信息技术——系统间电信与信息交换——局域网与城域网——具体要求——第 3 部分:支持冲突检测的载波侦听多路接入 (CSMA/CD) 访问方法和物理层规范。6. 作者简介Steven Scott Gorshe 是PMC-Sierra CTO 部门的首席工程师,电子工程师学会(IEEE)会士。他曾撰写多篇有关光纤传输和接入系统ICs通信标准的文章。他毕业于爱达荷大学 (University of Idaho) 获得电子工程学士学位,后于俄勒冈州立大学 (Oregon State University) 取得电子工程学硕士和博士学位。Steven Scott Gorshe 不仅拥有己注册或正在申请的32 项专利,而且还发表过逾 24 篇论文,并与他人合著过书籍。

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