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EPON 的关键技术

时间:2020-05-25 15:20 作者: 世讯电科融合通信系统
 EPON 的关键技术
1) 测距技术
        在 EPON 中,一 个 OLT 可以接 16 ~ 64 个 ONU, ONU 至 OLT 的距离有长有短, 最短的可为0km,  最长的可以达20km, 这将导致时延在 0 ~ 200µs    之间变化。由于环路延时不同 ,如果没有足够的间隔间隙,来自不同的 ONU 的信号可能同时(或时间上部分重叠)到达 OLT 的接收端,这将引起上行信号的冲突,如图 一所示,
        OLT 无法进行判断和提取冲突的信息 ,这样会导致大量的误码和同步信息的丢失, 造成系统不能正常工作。
        EPON 采用 TDMA 方式接入技术,使每一个 ONU 的上行信号在公用光纤汇合后,插入指定的时隙,彼此间既不发生碰撞,也 不要间隔太大。所以 OLT 必须要 准确知道数据在 OLT 和每个 ONU 之间传输的往返时间 ( Round  Trip Time, RTI) , 即:
图 一    上行信号可能引起冲突示意图
       OLT 要不断地对每个 ONU 与 OLT 的距离进行精确定位(即测距),从 而 控制每个ONU 发送上行 信号 的 时 刻。
       测距具体过程如下。OLT 发送一个测距信息,该信 息 经 过 OLT 内的电 子电路和光电转换延时后,进入光纤传输并产生延时,达到 ONU, 再 经过 ONU 内 的光电 转换和电 子电路延时后,发送 光 信 号 到 光 纤并 再 次 产生时延,最后到达 OLT , OLT 把其收到的传输时延信号和它发出去的信号相位进行比较,从而获得传输时 延 值。
        OLT 以距离最远的 ONU 的 延时为基准,算 出每个 ONU 的 延 时 补 偿 值 兀并通知ONU。 该 ONU 在 收到 OLT 允许它发送信息的授权后,延 时 兀后再发送自己的信息,这样各个 ONU 采用不同的 兀补偿时延调整 自己的发送时刻,以便 使所 有 ONU 达到 OLT 的时间 都相同 。G. 983. 1 建议要求测 距精度为正负1bit。
        在 EPON 系统 中 ,OLT 和每个 ONU 内 部 都 有一个 326 的计数器,计 数 器 每隔16ns 增加 1 ,这些定时器为设备提供本地时钟。OLT 的本地时钟为整个 PON 系统的时钟基准,下面所 有 ONU 的 时钟都 要 和 OLT 的时钟同步。EPON 所 采用的多点控制协议 MPCP 消息都 有一个 4 字节长度的 timestamp  字段,用 于携带和发送该MPCP 消息时的本地计数器的值,进而实现本地时刻值的传递。
测距原理如图 二 所示,OLT 和 ONU 之 间 的 往返时间 RTI  主 要 由两部分组成,即 TowNSTREAM 和 TuPSTREAM 。 如果 OLT 发送 MPCP 消息时的本地时刻为 to' 那 么 这个消息在经过光纤长度为L 的传输后 到达 ONU, ONU 会 立 刻 设 置本地的时间为 to; 在 经过 TWAIT时间后 ,ONU 向 OLT 发送上行 MPCP 消息时,会 把本地时钟当前的值 ti  写  入 timestamp 字段,这个 消息  经 过 同 样 长度的光纤后到达 OLT 时 ,我们把 OLT 当前的本地时间设 置为 2t , 那 么 可以得出:
RTT  =  TDWNSTREAM+TUPSTREAM =  ( t2飞 )- TWAIT =  ( 2t  -  to ) -   ( t1  -  to ) = 2t  -  t,
图中 :TDWNST REAM 表 示下行传输时延; TursTREAM 表 示上行传输时延; TWAIT 表 示
在 ONU 上的等  待时间为 t1 -   to , TRESPONSE 表 示在 OLT 上的响应时间 2t  -t0 o
OLT 只要简单地把本地计 数器的值与接收到的 MPCP 消息中携带的 ONU 本
地计数器的值相减就得到了 RTT。一般情况下,光信号在光纤传输中的时延占
RTT 的绝大部分,设备内部处理时延基本可以忽略,因此 RTT 值基本能够反应光纤长度 L, 简化后的公式为L = 3. 75 x RTT , 其中 L 的单位是米( m) , RTT 的单位是纳秒( ns ) 。OLT 根据计算出的每个 ONU 的 RTT 值进行授权窗口的补充,在完成注册阶段的测距后 ,OLT 还必须不断地对 ONU 进行实时的 RTT 测量以实现动态补充。
图二    测距原理示意图
2) 动态带宽分配
       动态带宽分配( DBA) 是 EPON 系统的主要优点之一。OLT 可以对每个 ONU 的上、下行带宽进行动态管理,根据  ONU  的业务类型、带宽需求以及带宽使用状态来灵活分配 ONU 的带宽,实行按需分配,可以实现按流量和业务类型的管理 ,既可以保证相关业务的QoS , 又可以方便用户管理。
EPON 标准中没有定义DBA 的具体算法,所以实现算法有很多。当前许多厂家生产的各类芯片都可以支待 DBA 算法,算法的效率 和有效性是衡量 DBA 算法性能的重要指标。
3) 操作管理维护( OAM) 功能的实现
       OAM 在 EPON 系统中属于网络管理部分 ,其功能为负责 系统中性能 测量、带宽设置和故障警报等功能的处理。
       EPON 外部 管理整个系统使用的是简单网络管理( Simple Network Management Protocol, SNMP ) 协议,在系统的内部 OLT 通过 OAM 协议来管理 OLT 所连接的所有 ONU。 如图 三 所示,网络端通过 SNMP 协议对代理端( OLT) 进行操作,SNMP 相关管理操作完成后,完成外部管理。同时网络端也可以通过OLT 对 ONU 进行远程管理操作。远程管理的关键一步是在OLT 侧完成标准 MIB 和 OAM 的MIB 的转换,如果完成了该转换 ,网络侧就可以透明地对 ONU 进行管理。这种 MIB 变量的操作是通过在OLT 和 ONU 之间用标准 OAM 和扩展 OAM 帧来完成的。
前面已经提到,在 EPON 系统中有单独的 OAM 子层,I EEE 于 2004 年 6 月正
式推出了以太网接入的第一个标准:IEEE 802. 3ah, 其正式引入了EFM 的 OAM 规范,详细规定了 OAM 子层的位置、功能、实现机制、帧构成等内容。在 EPON标准的制定过程中 ,对 OAM 层的位置和 OAM 信息的传输机制存在争论。2003 年以后,基本上把 OAM 子层的位置定义在 MAC( 媒体接入控制)子层和LLC( 逻辑链路控制)子层之间,如图 四所示,E PON 的 OAM 层向高层( MAC 客户层和链路汇聚层)和底层 ( MAC 层和 MAC 控制层)分别要求 IEEE 802. 3 MAC 服务接口。
图 三    EPON 管理系统
      OAM 协议是基于两端 DTE 实现的,当链路两端的 OAM 都运行时,两个链接的OAM 子层之间交互OAMP- DU, OAM 子层接收到报文时,根据目的 MAC 地址和协议子类型判断是否为OAMP- DU。而 OAMP - DU 帧兼容IEEE802.3 定义的以太网结构,长度在 64~ 1518 字节之间 ,且遵循慢速帧协议。由于 IEEE 802. 3ah 修正后的慢速协议定义 l s 时间最多发送 10 个报文,所以尽管 OAMPDU  占用带内带宽 ( OAMPDU 和数据帧共享信道),但是对正常的数据通信是没有影响的。
      EPON的 OAM 可以快速准确地查 出失效链路 ,确定故障的具体位置,保证网络质量,其提供如下具体功能:
图 四    OAM 在网络层次中的位置
( 1 ) 远端故障警告( Remote Failure Indication ) 。远端故障警告能在本地接收故障发生时,发出一个故障警告,以便对发端接收并进行相应的处理,这需要物理层和链路层支持单行传输的功能。
( 2) 远端环路( Remote Loopback) 。远端环回实现链路层帧方式的 环回测试, 用 于测试链路的连接质量。
(3) ) 链路检测( Link  Mon itoring) 。链路检测用于实现故障诊断的时间通知和查询,以及对管理信息库( MIB) 的查询等功能。
(4) OAM 的发现功能。实现设备启动后,确定远端实体是否存在 OAM 子层, 确认后建立 OAM 连接功能。
(5) ) 扩展功能。允许用户扩展,使得上层方便管理。
(6) ) 总之,EPO N 是 一个点对多点的结构 ,局端设备OLT 必须有能力检测业务提供网络和远端设备 ONU  之间的物理链路和设备的一些重要信息。OAM  子层就是针对 EP ON 的树状拓扑结构的性能检测、故障判断等问题而提出的。
4) 协议兼容性
兼容性是 EFM 的 EPON 草案有争论的重要问题之一。其焦点在千 EPON 对网桥功能是否支持、是单逻辑端口支持还是多逻辑端口支持问 题上。如果  OLT  的逻辑对象是 ONU, 则ONU 内用户 的桥接、流量控制及部分的QoS 功能由 ONU 完成 ( ONU 含以太网交换机/桥接功 能),ONU 间的桥接和流量控制由 OLT 控制; 如果OLT 的逻辑对象是每个用户,则 OLT 的逻辑链路控制( MAC 层以上功能)直接面向用户,因此 ONU 必 须有多个逻辑链路 ID ( Lo即 Link ID , LLID ) 对应多个终端用户。
       单 LLID/ ONU 方案虽然在数据链路层的控制管理上有缺陷 ,但该方案仍有优势,如:与传统以太网的兼容性好;ONU 的内置交换/桥接功能减少了EPON 的流量,相对增加了上行和下行信道的业务带宽 ;单 LLID/ ONU 方案中同时减少了 OLT和 ONU 的复杂度降低了造价;高层软件技术足以解决单 LLlD/ ONU 方案中的二级管理、QoS、多业务支持和区分服务等级问题等。目前以 NTT   公司为代表又提出另一种方案,即 LLID 既不与终端用户对应也不与 ONU 对应,而是对应于 ONU。 这样,对于 OLT 而言,既可以直接管理到具体终端用户 ,也可以通过 ONU 代理管理,
        ONU 与用户的对应关系由网管灵活决定 ,当前协议兼容性问题仍处于争论中。

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