EPON技术最新发展探讨

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从1978年至今FTTH已经历了两次大的发展契机，全部都因为成本太高、缺乏足够的市场需求而夭折。近年来，随着技术的进步，国家政策的驱动以及监管政策的变化，FTTH进入了第三次良好的发展机遇。其中，日本是发展FTTH最激进的国家，其主要驱动力是日本政府的e-Japan计划的带动，到2004年底，FTTH占宽带用户总数的比例已经接近10%；在美国，FCC允许传统本地运营商的FTTH网络可以不向其竞争对手开放，从而鼓励各运营商进行大规模的FTTH建设，其中，Verizon公司最积极，计划今年实现9个州的100万家庭的接入；FTTH在欧洲的发展较慢，只有50万的网络容量，但是，挪威、丹麦和荷兰等国正在评估和计划进行FTTH敷设，英国电信和德国电信也在考虑FTTH的实施策略。
　　在以上各国的FTTH网络中，EPON是应用最为广泛的主流技术，GPON虽然部署的规模不大，但一些国家已表示出浓厚的兴趣，在我国，这两项技术都是各运营商关注的重点，本文重点对EPON技术进行介绍，并结合GPON技术探讨EPON技术应用中的各种热点问题。
　　一、EPON的技术背景
　　早在2000年11月，来自80多家公司的200多名专家组成了一个IEEE的研究组，开始研究以太网在用户接入网中应用的问题，后来在2001年9月，这个研究组正式成为IEEE的第一英里以太网（EFM）工作组（TaskForce）。在802.3协议框架内，制定EPON标准是这个工作组最重要的任务之一。在制定EPON标准的过程中，EFM工作组又划分为PMD，P2MP和OAM三个小组分别研究EPON的物理层（特别是光接口）规范，点对多点的控制协议和OAM。PMD小组的研究成果是定义了两种EPON的光接口：1000BASE-PX10-U/D和1000BASE-PX20-U/D，分别指工作在10km范围和20km范围的EPON光接口；P2MP小组的研究成果是定义了MPCP（多点控制协议），使EPON系统具备了下行广播发送，上行TDMA（时分多址接入）的工作机制；OAM小组的工作成果是定义了可选的OAM层功能，力图在EPON系统中提供一种运营、管理、维护的机制，使其具有符合电信应用要求的接入网的特性。上述内容于2004年4月通过的IEEE802.3ah标准中描述。
　　二、EPON的技术原理
　　1.系统结构
　　与所有的PON系统一样，EPON系统由OLT、ONU和ODN组成，如图1所示。

图1EPON的系统结构
　　OLT位于局端，是整个EPON系统的核心部件，向上提供接入网与核心网/城域网的高速接口，向下提供一点对多点的PON接口；ONU位于用户端，终结光纤链路，并提供对用户业务的各种适配功能；ODN是由无源光分支分配器组成的光纤分配网络，使得一个PON接口的光纤传输带宽可以由多个ONU共享，节省了大量的光纤铺设成本。EPON技术利用这种点对多点的拓扑结构，以以太网为承载协议，因此而得名。
　　2.多点控制协议（MPCP）
　　EPON以MAC控制子层的MPCP（multipointcontrolprotocol）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。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP实体，它可以和OLT中的MPCP实体进行消息交互。MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的有效发送和接收：系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告从而优化PON系统内部的带宽分配。
　　P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件，通过给每个分组包增加LLID（logicallinkidentification）从而替代2字节的前缀，它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。图2表示了EPON中MPCP在IEEE802.3体系结构中的位置，图3表示了P2P仿真子层的实现原理。

图2MPCP与OSI协议栈的对应关系

图3P2P仿真子层的实现
　　3.EPON的OAM功能
　　如图2所示，IEEE在802.3ah中定义了可选的OAM功能，但目前只包含以下这些基本的OAM功能。
　　(1)RemoteFailureIndication（远端故障指示）
　　a.提供一种机制来向对端指示接收端的DTE已不能运行。
　　b.物理层链路要支持单向传输，以使OAM远端的故障指示能够在链路故障状态下单向传递到对方。
　　c.RemoteLoopbak（远端环回）提供一种机制来支持让所有帧在数据链路层环回的模式。
　　d.LinkMonitoring（链路监视）提供一种支持事件报告的机制，报告中可包括诊断信息；提供一种支持变量轮询的机制，可获取任何在802.3ahMIB中定义的变量的值。
　　802.3ah明确说明，EPON的OAM不包含如下功能：
　　(1)和单条链路不相关的管理功能，比如保护倒换和设备管理。标准定义的OAM只是定位在链路段（OAM帧不能穿过交换机），不支持端到端的OAM通信。
　　(2)业务提供和协商功能，比如带宽分配，速率适配和速度/双工协商等功能。
　　(3)OAM数据的安全性保证和OAM实体的认证不在标准定义的范畴。
　　(4)不支持设置写远端MIB变量的能力。（即MIB变量的SET操作）
　　因此，EPON中定义的OAM有如下特点：
　　(1)OAM的实现和使能是可选的。
　　(2)提供一种实现OAM能力发现的机制。
　　(3)提供一种扩展机制使高层管理功能的应用成为可能。
　　4.其他
　　与其他PON技术一样，EPON技术除了上述IEEE802.3ah标准中定义的主要机制外，还必须解决下行广播数据的加密，上行多址接入方式下的动态带宽分配等PON网络结构所面临的相同问题，IEEE802.3ah中并未对这些问题进行规范，而是通过MPCP机制为其他问题的解决提供了一个开放的平台。
　　三、EPON面临的技术挑战
　　EFM制定EPON标准的基本原则是尽量在802.3体系结构内进行EPON的标准化工作，最小程度地扩充以太网MAC协议。虽然增加了可选的OAM功能，并提出需支持IP业务所需的各种业务配置和管理功能，但在电信级的应用领域，仍然面临诸多技术挑战。在与GPON技术比较时，这些问题尤为明显。
　　1.GPON标准介绍
　　GPON技术由ITU-T提出并标准化。2003年1月31日，ITU-T批准了GPON标准G..984.1和G.984.2，2004年，相继批准了G.984.3和G.984.4，形成了G.984.x系列标准，至此，GPON技术标准已经完成。
　　各标准内容如下：
　　(1)G.984.1（G.gpon.gsr）：千兆比无源光网络的总体特性
　　该标准主要规范了GPON系统的总体要求，包括OAN的体系结构、业务类型、SNI和UNI、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能目标。
　　G.984.1对GPON提出了总体目标，要求ONU的最大逻辑距离差可达20km，支持的最大分路比为16、32或64，不同的分路比对设备的要求不同。从分层结构上看，ITU定义的GPON由PMD层和TC层构成，分别由G.984.2和G.984.3进行规范；
　　(2)G.984.2（G.gpon.pmd）：千兆比无源光网络的物理媒质相关（PMD）层规范
　　该标准2003年定稿，主要规范了GPON系统的物理层要求。G.984.2要求，系统下行速率为1.244或2.488Gbit/s，上行速率为0.155、0.622、1.244或2.488Gbit/s。标准规定了在各种速率等级下OLT和ONU光接口的物理特性，提出了1.244Gbit/s及其以下各速率等级的OLT和ONU光接口参数。但是对于2.488Gbit/s速率等级，并没有定义光接口参数，原因在于此速率等级的物理层速率较高，对光器件的特性提出了更高的要求，有待进一步研究，从实用性角度看，在PON中实现2.488Gbit/s速率等级将会比较难。
　　(3)G.984.3（G.gpon.gtc）：千兆比无源光网络的传输汇聚（TC）层规范
　　该规范2003年完成，规定了GPON的TC子层、帧格式、测距、安全、动态带宽分配（DBA）、操作维护管理功能等。
　　G.984.3引入了一种新的传输汇聚子层，用于承载ATM业务流和GEM（GPONEncapsulationMethod）业务流。GEM是一种新的封装结构，主要用于封装那些长度可变的数据信号和TDM业务。
　　G.984.3中规范了GPON的帧结构、封装方法、适配方法、测距机制、QoS机制、加密机制等要求，是GPON系统的关键技术要求；
　　(4)G.984.4（GPONOMCI规范）：GPON系统管理控制接口规范
　　2004年6月正式完成的G.984.4规范提出了对OMCI的要求，目标是实现多厂家OLT和ONT设备的互通性。该建议指定了协议无关的MIB管理实体，模拟了OLT和ONT之间信息交换的过程。
　　2.EPON对TDM业务承载
　　从IEEE802.3工作组制定EPON标准的原则来看，具体的业务封装由高层协议支持，因此，对于TDM业务在EPON中的传送，大部分厂家认为应该采用VoIP的业务方式。但目前对于电路交换方式TDM业务的需求占主要地位，主要是一些企事业单位希望光纤接入网能提供E1的传输能力，所以，一些厂家各自推出了私有的TDMoverEPON的解决方案。总的来看，TDMover EPON需解决如下问题：
　　(1)TDM信号与以太网之间高效合理的适配封装；
　　(2)TDM信号的严格同步定时；
　　(3)电路业务的QoS的保证。
　　目前，EPON对于以上问题的解决主要集中在以下方式上：
　　(1)提供的电路型TDM业务以N×E1类型为主，这主要是因为N×E1的TDM信号封装在以太网帧中的效率较N×64kbit/s的方式要高，提供以64kbit/s为单位的业务在设备实现上成本与复杂度都较高；
　　(2)定时发送E1overEthernet帧。发送E1over Ethernet帧的周期有具体的系统设计决定；
　　(3)采用预留带宽的方式保证TDM业务的传送是最高优先级的业务。
　　以上方式虽然很好地解决了EPON承载TDM业务的问题，但其仍然是一种非标准化的基于厂家私有协议的解决方案，这与GPON的TC层具有天然的承载TDM业务能力相比，还是有很大的局限性的。
　　3.EPON的OAM支持能力
　　从前面对IEEE802.3ah中规范的OAM能力功能及特点可以看出，这种OAM的支持能力与传统的电信级网络要求的OAM功能是有很大差距的，至少在功能的支持范围和具体功能的定义上很不具体。而ITU-T制定的GPON标准则充分地考虑了这些问题。
　　在GPON的帧结构设计中，预留了多个域用做OAM功能，从另一个角度看，可以将这些功能抽象为GPON的C/M（控制/管理）功能集，该功能集由三部分组成：嵌入的OAM、PLOAM和OMCI（ONU管理控制接口）。嵌入的OAM和PLOAM管理物理层和TC（传输汇聚）层的功能，OMCI提供对高层（与承载业务相关）的统一管理。
　　嵌入的OAM通道功能包括：上行带宽授权、密钥切换指示和DBA信息报告。由于采用OAM信息直接映射到帧中的相应域，保证了控制信息的传送于处理的实时性。
　　PLOAM通道功能包括嵌入OAM通道传送信息以外的所有物理层和TC（传输汇聚）层的功能，通过消息交互方式实现，因此是实时性低于嵌入OAM通道的低时延通道。
　　OMCI信道用来管理高层定义的业务，包括ONU的可实现的功能集、T-CONT业务种类与数量、QoS参数协商等参数。是实现GPON网络集中业务管理的信令传输通道，通过ATMPVC或GEM封装，实时性最低，处理层次高，并保证了开放性、可扩展的特性。
　　4.EPON终端的互通性问题
　　从DSL产业的发展过程中可以看到，终端的互通性将是实现FTTH规模发展的重要前提。采用不同厂家的设备实现OLT和ONU功能将有效地降低网络建设的成本，并能促使终端设备的专业厂家加入到FTTH产业中来。但设备间互通的实现在很大程度上依赖于国际标准的成熟度，在EPON系统中，这不仅涉及到PMD层定义的标准光接口，MPCP机制中定义的ONU自动发现与加入等基本功能，还涉及到动态带宽分配，下行数据加密机制，TDM业务实现的具体方案，与高层业务相关的管理通道及其交互机制等更复杂的功能。EPON在标准化方面高度的开放性和可扩展性带来的不利影响就是在上述附加功能集方面不做规范，导致的结果是厂家纷纷利用私有协议实现各自的系统功能，终端互通无法实现。
　　四、结论
　　2004年4月IEEE802.3ah标准的通过极大地促进了EPON技术的发展，这使得早期开发非标准化的100MEPON的厂家开始转向标准化的EPON，并将其命名为GEPON，另外，许多传统电信设备制造商和专业化的终端设备厂家开始EPON系统的研发。尽管EPON技术面临着诸多的技术挑战，但不可否认的是，EPON技术是目前FTTH领域中为用户提供光纤接入的最为经济有效的方式。随着实际应用经验的积累和研究的深入，EPON技术会不断走向成熟的。


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