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摘要

本文介绍了以太无源光网络，一个结合低成本点对多点的光纤基础设施的新兴本地用户接入网架构。EPONs 是设计用于携带在标准的以太网速率的以太网帧。一个EPON采用从一个中心局延伸到无源光分路器的单个主干光纤，使得扇出连接到用户节点的多个光纤数减少。与其他终端设备相比，网络中没有需要供电的设备，因此环境适应强。当地运营商早已对无源光网络感兴趣由于它能提供的优点：最小的光纤基础设施，并在厂外没有供电的要求。随着以太网现在已成为在城域网和接入网承载IP业务的首选协议，EPON已经成为了光纤到楼和光纤到家庭的潜在优化的架构。

引言

尽管近年来电信主干网经历了大幅发展，但在接入网中几乎没有变化。互联网流量的巨大增长更突出加剧了接入网络的能力滞后。“最后一英里”仍然是高容量的局域网（LAN）和骨干网之间的瓶颈。如今最应用部署最广泛的宽带解决方案是数字用户线（DSL）和线缆调制解调器（CM）网络。虽然它们经过过调制解调器的改善超过56 kb / s，但它们仍无法为新兴产业提供服务，如IP电话，点播（VoD）的视频，互动游戏，或双向视频会议提供足够的带宽。产生一项便宜的，简单的，可扩展的，并能够在一个单一的网络向终端用户用户传送捆绑的语音，数据和视频服务的新技术是必需的。以太网无源光网络（EPON的），其代表低成本的以太网设备和低成本光纤基础设施的收敛性，似乎是下一代接入网络最好的候选者。

“第一公里”的发展

第一公里？曾经被称为最后一英里，以太网社会更名这个为网络部分的第一英里，以象征其优先级和重要性。第一公里把服务提供商中心办公室到企业和家庭用户连接起来。也被称为用户接入网络或本地回路，它是在邻近级别的网络基础设施。接入网满足住宅用户的需求的解决方案是宽带，提供互联网各种媒体服务，并且在价格上与现有网络相媲美。

现电话公司通过部署DSL技术满足互联网接入的需求。DSL传输采用的双绞线与电话线相同，并且需要在用户房屋DSL调制解调器，并在该中心局的数字用户线接入复用器（DSLAM）。通过DSL提供的数据速率在普遍在128 kb / s—1.5 Mb / s的范围。虽然这比模拟调制解调器明显更快，但很少考虑用于宽带，因为它不能支持全方位服务的语音，数据和视频。此外，该物理区域的一个中心局可使用DSL覆盖范围被限制在距离中心局小于5.5公里，其中构成终端用户占用户的约60％。其结果是，网络运营商正在部署远程DSLAMS接近用户;然而，在一般情况下，服务供应商由于成本不会提供DSL服务对于位于大于本地交换局几公里的用户[1]。

有线电视公司在其最初设计用于模拟视频广播积分数据服务的同轴电缆网络集成数据服务来响应因特网服务的需求。通常，这些混合光纤同轴（HFC）网络光纤运行在视频始端之间或集线器到路边光节点之间，最后传输到用户是同轴电缆，中继器，和抽头耦合器。这种结构的缺点是，每个共享光节点具有小于36 Mb / s的有效数据吞吐量，这是通常被划分为2000家之间，导致高峰时段速度慢。为了减轻带宽瓶颈，光纤和光节点正在更广泛应用于接入网。下一代的本地接入的部署有望带来光纤到楼（FTTB）和光纤到户（FTTH）。不同于以往的结构中，光纤被用作馈线缩短铜和同轴网的长度，这些新的部署光纤应用于整个接入网络。新的光纤网络架构正在出现的能够支持每秒的速度吉比特，其成本可比DSL和HFC网络。

流量增长

数据流量正在以前所未有的速度增加。自1990年以来观察每年超过100％的持续数据流量的增长速度。有时经济和技术因素的结合导致了更大的增长率（每年1000％的增长，1995年和1996年）[2]。这种情况很可能未来一直持续。简单地说，越来越多的用户上网，而且那些已经在网上都在网上花费更多的时间。市场调查显示，在升级到宽带连接后，用户比以前花更多35％的在线时间[3]。语音流量也越来越大，但以慢得多的8％速度递增。据大多数分析师分析，数据流量已经超过语音流量。越来越多的用户远程办公，当使他们看到企业局域网需要相同的网络性能。每个用户的宽带增加使得用户可使用更多服务和新的应（图1）。

图1 每个用户对于新业务的带宽需求

无论是DSL还是CM都不可以使这样的需求跟上。这两种技术都是建立在流量现有的铜缆通信基础设施之上而不是数据流量的优化。在CM中的网络，只有少数射频信道被专用于数据，而大多数的带宽被应用于服务传统模拟视频。DSL铜线网络不能在所需距离有足够的数据传输速率。大多数网络运营商已经开始认识到一个新的数据为中心的解决方案是必要的。这样的技术将因特网协议（IP）的数据流量最优化。列如语音和视频等其它服务，将收敛成数字格式，真正的全业务网将会出现。

下一代接入网

光纤能够在超出所述用户接入网络中20公里距离递送带宽密集集成的语音、数据和视频服务。使用一个点对点（P2P）拓扑结构，与专用光纤从本地交换机到每个终端用户订户（图2a）上运行是一个逻辑的方法来部署局部存取网络中的光纤。虽然这是一个简单的结构，在大多数情况下，由于它需要部署重要的外部光纤设备以及在本地交换机连接器端接的空间使得其成本过高。考虑在从中央局的平均距离L公里N订户，点对点设计需要2N收发和N* L总纤维长度（假设单个纤维用于双向传输）。为了减少光纤部署，也可以部署在远程开关（集中器）附近的附近。这减少了纤维消费仅L千米（假设交换机和客户之间的可忽略的距离），但实际上增加了收发信机到2N 2的数量，因为还有一个链接添加到网络（图2b）。此外，路边交换结构需要在路边单元的电功率以及备用电源。目前，对于本地交换运营商的最高成本之一是提供电力、并在本地环路维持电力。

图2 FTTH发展场景

因此，它用廉价的无源光学构件来替换硬化活性路边侧开关。无源光网（PON）是有许多方面使得成为一个有吸引力的解决方案，以第一英里问题观察的技术[4,5]。PONs使光学收发器，中央局终端和光纤部署的量最小化。一个PON是整个路径没有有源元件从源到目的地的点对多点光学网络。在PON中使用的唯一的内部元件是无源光学元件，如光学纤维，接头，和分离器。基于singlefiber PON接入网络仅需要N 1个收发机和光纤（图2c）L的公里。

PON拓扑

实际上，第一英里是点对点、点对多点（P2MP），中心局通常服务成千上万的用户。有适用于接入网络的几个点到多点拓扑结构中，包括树，树和分支，环和总线（图3）。采用1：2光分路器耦合器和1：N光分路器，PON的可灵活部署在这些拓扑结构。此外，桥可以在冗余配置，如双圈或双树木进行部署;或冗余可仅添加到PON的一部分，表示树的树干（图3d）。PON中的所有传输都在光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）间进行。OLT驻留在本地交换（局端），连接了光接入网络和城域骨干。该ONU位于任一路边（FTTH解决方案）或最终用户位置（FTTH和FTTB），并提供宽带语音，数据和视频服务。在下行方向（从OLT到ONU的），一个PON是点到多点网络，并且在上行方向是一个多点到点网络。

图3 PON拓扑

在用户接入网络中使用的PONs有许多优点：

bull;PONs允许中心办公室和客户端之间的长距离，在运行距离超过20多公里。

bull;PONs在本地交换局和本地环路都最大限度地减少光纤部署。

bull;PONs由于光纤更深的渗透提供了更高的带宽，提供每秒千兆比特的解决方案。

bull;在下行方向为一个广播网络，PONs允许视频广播使用一个单独的波长叠加无论是IP视频或模拟视频。

bull;PONs消除在分路位置安装多路复用器的需求，从而减轻了网络运营商为了保持路边设备运行而不断提供电力的繁重任务。PONs在连接处使用小无源分光器，使其部署为光缆设备的一部分，来代替那些有源设备。

bull;作为光学透明材料的端到端，PONs允许升级到更高的比特率或额外的波长。

APON到EPON

在被互联网带宽需求刺激之前，无源光网络已经被考虑应用于接入网。全业务接入网络（FSAN）议案（ITU G.983）定义了使用异步转移模式（ATM）作为其层2协议的基于PON的光接入网络。 1995年，当FSAN倡议开始，ATM技术被寄予厚望能在局域网、城域网、骨干网成为主流技术。然而，自那时以来，以太网技术已经一举超越ATM。以太网已经成为一个被普遍接受的标准，在全球分布拥有超过3.2亿端口，提供了规模惊人的经济体[6]。高速千兆位以太网部署广泛的加速发展，万兆以太网产品是可实现的。以太网便于扩展和管理，使城域网和广域网的赢得新天地。考虑到95％的局域网的使用以太网，互连两个以太网网络ATM PON可能不是最好的选择。

ATM异步传输模式的缺点之一是实际上删除或损坏的一个单元格将整使整个IP数据无效。然而，相同IP数据报携带的部分剩余单元格会进一步传输，从而消耗不必要的网络资源。此外，ATM规定了可变长度的IP的信元消耗。例如，对于在所报告的三个分组大小分布[7]，在信元开销是约13％;也就是说，发送相同量的网络用户数据一个ATM网络必须传送比以太网网更多的13％的字节（计数的64位前同步码和96位的IPG在以太网和12个字节的AAL-5中的ATM相关联的消耗的）。最后，也可以说是最重要的，ATM没有实现其成为一种廉价的技术的承诺;厂商都在减少，生产量相对较低。 ATM交换机和网络卡显著（大约8yen;）比以太网交换机和网卡更昂贵[6]。

另一方面，以太网看起来像一个IP数据优化的接入网络的合理选择。以太网PON（EPON）是所有数据执行封装在以太网帧中的PON。

EPON网络

在IEEE802.3标准定义了以太网网络两种基本配置。在一种情况下，它可以部署在使用具有碰撞检测（CSMA / CD）协议载波侦听多路访问共享介质。在另一种情况下，站可以通过使用全双工链路的交换机连接。在EPON的性质使得它不能被认为是共用平台或点对点的网络;相反，它是两者的结合。

在下行方向，由OLT发送的以太网帧通过1：N无源分光器，达到每个ONU。分裂比率通常为4至64之间的这种行为类似于一个共享介质网络。因为以太网是广播本质，在下游方向（从网络到用户），它完美地与EPON架构配合：分组由OLT广播和基于媒体访问控制（MAC）地址通过其目的地ONU的萃取（图4）。

图4 EPON下行通信

在上行方向，由于无源组合器（分光器）的方向性，来自任何ONU的数据帧将只到达OLT，而不是其他ONU。在这个意义上，在上游EPON的行为是类似的点对点体系结构的。然而，不同于在一个真正的P2P网络中，在来自不同ONU的EPON帧同时发射仍可能发生碰撞。因此，在上行方向（从用户到网络），所述ONU需要共享主干光纤信道容量和资源。

多路访问

分离信道的一个可能的方法是使用波分复用（WDM），其中每个ONU以不同的波长工作。是简单的（从理论的角度）的解决方案，但它仍然成本高昂用于接入网络。WDM解决方案需要既可调谐接收器也需要在OLT的接收器阵列接收多个频道。对于网络运营商一个更严重的问题是特定波长-ONU库存：根据自己的激光波长多种类型的ONU，而不是一种类型ONU的。这也使不合格的用户更换有缺陷的ONU时有更多问题。目前的技术状态ONU设备采用可调谐激光器过于昂贵由

于这些原因，在当今环境WDM PON网络不是有吸引力的解决方案。

基于竞争的媒体访问（类似于CSMA / CD的东西）是难以实现，因为ONU的不能检测在OLT发生的碰撞（因为光分路器/组合器的方向性的）。OLT可以检测碰撞，并通过发送一个堵塞信号通知的ONU，但是，在PON的传播延迟，这种方案效率将大大降低在长度超过20公里传输时。基于竞争的方案也有提供服务非确定性的缺点;也就是说，节点的吞吐量和信道利用率可被描述为统计平均值。在小规模（与传播延迟）时，不能保证节点能访问媒体。这对连接地方短、配置过量、流量主要用数据组成的CSMA / CD型企业网络不是问题。用户接入网络，然而，除数据，必须支持语音和视频服务，因此必须保证提供对这些流量类型的及时递送。

我们相信时分复用方法处理接入网中信道共享的最好方法，因为它允许单个上行波长（例如，1310纳米），并在OLT单个收发器，产生了成本有效的解决方案。

为了介绍在帧传送确定性，提出不同的非竞争方案。图5示出在EPON的上行时间共享数据流。

图5 EPON上行通信

所有ONU都同步到共用一个时钟，并且每个ONU被分配一个时隙。每个时隙能够承载多个以太网帧。一个ONU应该存储在帧缓冲区在接受用户发送的时隙之前。当时隙到达时，ONU会传送所有存储帧用全通道速率（标准的以太网速率）。

如果缓冲器内没有帧填入时隙，空转将被传送。时隙分配方案可以在一个静态分配（固定时分多址TDMA）和以基于在每个ONU的瞬时队列大小（统计复用方案）的动态方案范围内调整。有更多的可能的分配方案，包括利用流量优先级方案和QoS，服务水平协议（SLA），和超额预订比率。

分散方法来实现一个动态时隙分配方案也是可行的，ONU决定何时发送数据和多长时间。这类方案是有点类似于一个令牌环，除了它是一种被动的环。在这种方案中，每一个ONU，它发送数据前，会发送一个特殊的消息，宣布它有多少字节要发送。这样ONU的调度下一个时（比方说，在roundrobin的方式）将监测上一个ONU的传输和传输时间，能准确的在上一个ONU传输之后到达至OLT。

因此，不会有冲突，也没有带宽将被浪费。这种方案类似于枢纽投票[8]。然而，该方案有一个主要的限制：它要求ONU之间的连接性（传染性）。这就对PON的拓扑结构有一些限制;即网络应部署为环或广播明星。这个要求是不可取的，因为：

bull;它可能需要更多的光纤部

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