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1、FTTX（EPON）技术原理介绍,纲 要,1,EPON接入技术,2,EPON关键技术,3,FTTX接入技术介绍,什么是FTTH,FTTH类型,FTTH类型,1、FTTX接入方式,不属于技术范畴,点到点光接入方式,点到多点光接入方式,点到点MC方式,PON,PDH/SDH,FTTX的主要技术,FTTX接入,FTTC/FTTNFTTBFTTH/FTTO,2、FTTX接入技术,FTTX实现技术,传统的P2P光纤接入系统采用媒质转换器（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逐渐成为FTTX的主要实现技术，包含A/BPON、EPON、
2、GPON等,媒体转换器方式是将电信号转换成光信号进行长距离传输的技术实现方式，是对于已有的电的Ethernet设备要加上MC。其中MC是一个单纯的光电/电光转换器，它并不对信号包做加工，因此成本低廉。这样用户可以减少升级的成本，是点对点FTTH方案过渡期间网络的解决方案。由于其技术架构相当简单、便宜并直接结合以太网络而一度成为日本FTTX的主流。优点：点到点系统避免了复杂的上行同步技术和终端自动识别技术。另外上行的全部带宽可被一个终端所用，这非常有利于带宽的扩展，便于在线监测。缺点：随着FTTX用户数量的增加，局端设备和光纤的数量也将会增加。,点到点的媒体转换器（MC）方式,PON vs MC
3、,无源分光器,ONU,ONU,IP数据网,光电收发器,OLT,ONU,IP数据网,MC接入,PON接入,PSTN,CATV,1、速率高、带宽高2、支持多业务接入3、集中管理、便于维护,PON vs MC,MC技术的两种使用方式：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需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,以32个结点为例,32/64根光纤64个收发器,P2P,P2P,1/2根光纤66个收发器,1
4、、节省 设备2、节省光纤3、节省投资,PON vs MC 结果,PON相较与点到点的MC方式而言，有以下几点优势：节省了大量的光纤资源；由于一个局端设备可以支持大量的用户，中心机房设备数量少，网络一旦建立起来，服务的提供和管理都可以在中心机房进行，从而降低了管理和维护的费用；由于光纤带宽容量巨大，未来提高网络速率时，不用对已经铺设的光纤网络进行改造，可以很好保护现有投资，也可以满足未来业务的需求；在PON中无有源器件，设备故障少，基本免维护，也不需建设室外机房，节省供电成本。由此可知，点到多点PON的FTTH在后期扩容的成本、维护管理的成本以及业务提供能力等方面优于点到点的MC方式，是实现FT
5、TH的最佳技术。,PON技术,PON技术体制,BPON业务适配复杂，业务提供能力有限，传送速率不高，成本较高，IP业务映射效率低等原因，已经被舍弃，不宜再采用；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多点控制层协议（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（T
6、C）子层，并规定TC子层可以采用ATM和GEM两种封装方式。采用了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，可以较容易的支持TDM和话音业务，并通过带宽指针（pointers）为每一个ONU动态分配上行带宽。EPON和GPON成为近期研究的热点。,纲 要,1,2,EPON关键技术,3,FTTX接入技术介绍,EPON技术介绍,EPON系统组成,光线路终端（OLT，局端设备）光分配网（ODN，光纤环路系统，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）光网络终端（ONU）/光网络单元,PON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输。为了
7、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：下行数据流采用TDM技术；上行数据流采用TDMA技术。,EPON工作原理（续）,1490nm,1310nm,EPON工作原理（续）,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系统中的下行方向工作原理,PON系统中的上行方向工作原理,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,EPON工作原理（续）,OLT内部电路功能图,OLT内部电路功能图,ONU内部电路功能图,ONU内部电路功能图,EPON技术基本特点,OLT与ONU之间信号传输基于IEEE
8、 802.3以太网帧采用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1.25Gbps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协议中的关键组件分光比1：32（1：64）支持A、B类ODN网络,EPON技术优势,传输距离长：最大可达20KM(与分路比有关）系统可靠性高：采用无源光分路器及光纤实现了接入网的高带宽：目前可提供上下行对称100Mb/s1Gb/s的带宽，将来可以升级到10Gb/s的带宽天然以太网技术，效率
9、高，成本低支持多业务接入，是Triple-Play业务的天然载体服务质量保障：EPON可以对每个用户的带宽进行静态/动态分配，并保证每个用户的QoSEPON具有测距、环回测试、断电告警及端口状态监视等维护功能，克服了以太网缺乏OAM的缺陷。系统成本低：EPON在一根光纤上实现了双向传输，节省了光纤资源；节省了大量的光收发模块。,纲 要,1,2,3,FTTX接入技术介绍,EPON技术介绍,EPON关键技术,EPON协议栈,规定了1000BASE-PX10和1000BASE-PX20两种光模块：PX10:在单模光纤上，以1000Mbps速率，分路比为1:32，传输距离达到10km；PX20:在单模
10、光纤上，以1000Mbps速率，分路比为1:32，传输距离达到20km；,物理媒质相关（PMD）子层,物理媒质相关（PMD）子层,PCS子层对数据监测和前向纠错的扩展,对IEEE 802.3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：为了避免近端ONU的发射噪声造成远端ONU的信号衰减，ONU的激光器在信号发送间隔必须能够关闭。为了控制激光器，PCS必须进行扩展以便能根据信号状态产生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），用于提高光连接可靠性和传输距离。1000BASE-X设备可使用自协商机制进行连接，但在1
11、000BASE-PX的P2MP网络中，禁止使用自协商协议。FEC具有以下基本特性：保证帧格式符合1000BASE-X PCS；支持功能可选；可以减小激光器发射功率预算，减少功耗；可以增加光信号的最大传输距离；支持PCS子层E-12误码特性；支持FEC子层E-4误码特性。,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；支持动态带宽分配的灵活体系结构；使用32比特时间戳来发布定时信息；对已发现设备进行测距来提高网络性能；进行连续测距以补偿往返时间的变化。,多点控制协议（MPCP）（1）,MPCP基本特征,MPCP主要功
12、能,多点控制协议（MPCP）（2）,1,2,测距流程,3,带宽授权流程,用于OLT对ONU的发现以及注册,用于OLT对ONU的实时测距,用于OLT对ONU的带宽授权以及ONU对ONU的带宽请求等。,自动发现流程,多点控制协议（MPCP）（3）,MPCP控制帧,GATE（OLT发出）允许接收到GATE帧的ONU立即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、以及是否有数据需要发送。REGISTER_REQ（ONU发出）在注册规程处理过程中请求注册。REGISTER（OLT发出）在注册规程处理过程中通知ONU已经识别了注册请求。RE
13、GISTER_ACK（ONU发出）在注册规程处理过程中表示注册确认。,MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的发送和接收；MPCP功能是基于专门的协议数据报文完成的，即MPCPDU；目前定义了5 种MPCPDU：,多点控制协议（MPCP）（4）,目的地址(DA)：MPCPDU中的DA为MAC控制组播地址，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，源地址可以是任意一个单独MAC的地址。Length/Type：MPCPDU都进行类型编码，并且承载MAC_
14、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。当不使用这些字节时，在发送时填充为0，并在接收时忽略。FCS：该域为帧校验序列，一般由下层MAC产生。,MPCP控制帧,多点控制协议（MPCP）（5）,GATE消息的目的在于给ONU分配发送窗口，使得ONU可以进行发现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。
15、授权的个数可以被设置为0，此时目的是向ONU传递时间戳。,GATE帧（OLT发出）,Nmuber of Grants/Flags,多点控制协议（MPCP）（6）,报告(REPORT)消息几个功能。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可以明确的请求一个报告消息。,REPORT帧（ONU发出）,多点控制协议（MPCP）（7）,REGISTER_REQ 帧（ONU发出）,REGISTER_REQ MPCPDU由某个未发现ONU
16、的MAC控制实体产生。该MPCPDU被标记为广播类型的LLID。,REGISTER_REQ MPCPDU的标志域,REGISTER 帧（OLT发出）,REGISTER MPCPDU由对应于所有ONU的MAC控制实体产生，并被标记为广播LLID。,Flag域,多点控制协议（MPCP）（8）,REGISTER_ACK 帧（ONU发出）,REGISTER_ACK MPCPDU由对应于某个激活的ONU的MAC控制实体产生，该MPCPDU被标记为单播类型的LLID。,REGISTER_ACK MPCPDU的标志域,多点控制协议（MPCP）（9）,EPON关键技术,突发模式光收发器技术 测距 自动发现 动
17、态带宽分配（DBA）机制 业务QoS处理 下行数据安全性技术 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的接收机和ONU的发射器工作在突发模式,测距（1）,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元器件的不一致性环境温度的变化和器件老化，环路延时也会发生不断的变化测
18、距是保证PON系统内ONU上行方向不发生时隙冲突的基础,1、测距：测的是什么？什么是测距？,获得RTT的过程即为测距（ranging）。RTT下行传输时延上行传输时延。,2、测距：为什么进行测距？,测距精度高，一般要求在全 12bit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，即能提供的均衡延时大,3、测距：测距包括那些类型？,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往返时延，并对时延差异进行补偿动态测距：应用于系统运行过程中，通过检测往返时延的变化对温度、光电器件老化等因素的影响进行补偿,4、测距：对测距的要求,如何
19、进行测距？,测距（2）,OLT在时隙T1发送GATE,ONU收到GATE，把本地计数器设为T1,ONU在时隙T2发送REPORT，带时间标签T2,OLT在时隙T5收到REPORT,自动发现（1）,进程由OLT发起，它周期性地产生合法的发现时间窗口(Discovery Time Windows)，使OLT有机会检测到非在线的ONU。发现进程的下一步是OLT向新发现的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重新执行发现进程并重新注册。同样，ONU也可以通知OLT请求注销，然后通过发现进程进行重注册。,ONU完成注册后，系统维持
20、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；如果OLT在一定时间内没有收到ONU发来的任何MPCP消息，则认为该ONU的MPCP协议异常，将解注册（Deregister）该ONU；如果ONU在一定时间内没有收到OLT发来的任何MPCP消息，则认为与OLT之间的链路异常或者OLT的MPCP协议异常，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。,自动发现（2）,ONU完成注册后的MPCP协议交互,动态带宽分配（DBA）机制
21、,静态带宽分配（SBA）和动态带宽分配(DBA)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 n Report）或者业务预测动态的给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总类：可变周期的间插轮询算法 估计”带宽分配算法 周期性间插轮询算法 半双工上行接入算法 DBA的具体要求：业务透明低时延和低时延抖动公平带宽分配健壮性好实时性强,DBA的原理,DBA的工作流程是GateReportGateReport，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
22、了解其本地的队列状态和业务流量Grant的分配是基于特定算法的DBA要按照SLA进行grant分配（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上报队列的总带宽请求可以设置多个阈值（队列集）OLT基于ONU的REPORT和SLA为每个ONU分配带宽，ONU本地带宽调度QoS保证能力能够满足Triple-Play的要求,业务QoS处理（1）,EPON支持IEEE802.1p支持IP TOS队列调度算法：SP、WRR、SP+WRR支持端口限速,无连接、只能简单的控制带宽（根据LLID1个ONU）一个PON口相当于交换芯片的一个逻辑端口,业务QoS处理（2）,下行数据的安全性
23、技术(1),因为PON的多点广播特性，所有的下行数据都会被广播到PON系统中所有的ONU上。如果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所有用户的下行数据，这在PON系统中称为“监听威胁”PON网络的另一个特点是，网络中ONU不可能监测到其它ONU的上行数据在PON上解决安全性的措施是OLT对下行信息加密（包括所有的数据帧和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,加密算法：AES-128;安全性很高，但不符合国内的商用密码管理条例Churning；安全性较低，简单TripleCh
24、urning：中国电信的专利技术，提高了churning的安全性中国电信采用Triple Churning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利用这个密钥根据特定的加密算法对下行数据进行加密密钥更新：密钥必须周期性更新；密钥同步：因为密钥需要定期更新，所以需要一个同步机制，使ONU能够知道当前使用的哪个密钥,下行数据的安全性技术(2),TDM业务的承载（1）,采用电路仿真CESOP提供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T
25、DM设备不必关心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,TDM业务的承载（2）,测试结果,3种技术均能较好实现E1业务传送功能，性能指标满足行标要求EPON系统的TDM仿真技术：TDMoE和TDMoIP在功能和性能（信号传输指标）上不劣于BPON系统的TDM仿真技术在一些指标上存在差异物理端口性能：接口比特率容差指标、在输出抖动指标等系统的TDM性能：时延、带宽效率、12小时误码率、双PON背靠背环回抖动传递函数、环回功能,支持厂家,EPON系统的TDM ove
26、r IP(PWE3，Teknovus、烽火公司)EPON系统的TDM over Ethernet(类MEF，GWTT公司）EPON系统的TDM over EPON（MEF，中兴）,运行维护管理（OAM）功能的实现,EPON系统定义了一种全新的运行管理和维护协议，以支持：Remote Failure Indication（远端故障指示）Remote Loopbak（远端环回）Link Monitoring（链路监视）不支持功能和单条链路不相关的管理功能，比如保护倒换和设备管理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
27、不支持设置/写远端MIB变量的能力特点OAM的实现和使能是可选的提供一种实现OAM能力发现的机制提供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协议提供了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协议定义了事件通告（Critical link Event、link event）、loopback、机构扩展等机制OAM能力也需要一个发现机制：OAM发现提供了 一个OLT和ONU双方互相探测对方OAM子层是否存在的机
28、制OAM是一个slow protocol，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），如果5s没有收到对等实体的OAM帧，则认为OAM链路中断，重新开始OAM发现过程OAM协议提供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,扩展的OAM,中国电信实现IEEE802.3-2005所未规定的扩展的ONU远程操作、维护和管理（OAM）所必须的管理维护功能。扩展的OAM支持如下管理功能：扩展的OAM发现（Extended OAM Discovery）和能力通告（Capability Notification）
29、；ONU的基本信息和能力通告；与搅动功能相关的密钥交换、更新和同步功能；与DBA功能相关的DBA参数读取和设置功能；用户端口配置功能（Configuration of User Ports）和管理；VLAN配置和管理；组播相关功能的配置；QoS相关配置，包括业务流分类和标记等；reset ONU等Action功能；标准的OAMPDU和扩展的OAMPDU均支持1518字节的最大帧长。,OAMPDU简介,OAMPDU包括如下几种：InformationEvent NotificationVariable Request（MIB请求）Variable Response（MIB响应）Loopback
30、ControlOrganization Specific,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。,光纤保护倒换：骨干光纤冗余,OLT：采用单个PON端口，PON口处内置12光开关，由OLT检测线路状态光分路器：使用2:N光分路器；ONU：无特殊要求。,光纤保护倒换：OLT PON口冗余,OLT：备用的OLT PON端口处于冷备用状态，由OLT检测线路状态、OLT PON端口状态，倒换应由OLT完成。光分路器：使用2:N光分路器；ONU：无特殊要求。,光纤保护倒换：全保护,OLT：主、备用的
31、OLT PON端口均处于工作状态；光分路器：使用2个1:N光分路器；ONU：在PON端口前内置光开关装置，由ONU检测线路状态，并决定决定主用线路，倒换应由ONU完成。,2023年7月,两种常见的分路器,熔锥型分路器优点：技术成熟，成本低。分光比可以根据需要制作，可制作不等分分路器。缺点：损耗对光波长敏感。均匀性较差，不能确保均匀分光，可能影响整体传输距离。插入损耗随温度变化变化量大（TDL）多路分路器（如116、132）体积比较大，可靠性也会降低，安装空间受到限制。,平面光波导功率分路器（PLC）优点：损耗对传输光波长不敏感。分光均匀。结构紧凑，体积小。单只器件分路通道很多，可以达到32路以上。多路成本低，分路数越多，成本优势越明显。缺点：器件制作工艺复杂，技术门槛较高。相对于熔融拉锥式分路器成本较高，特别在低通道分路器方面更处于劣势。,2023年7月,两种分路器的比较,Q&A,
