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为更好适应IP业务,第一英里以太网联盟(EFMA)在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM的EPON技术,IEEE802.3ah工作小组对其进行了标准化,EPON可以支持1.25Gbps对称速率,随着光器件的进一步成熟,将来速率还能升级到10Gbps。
由于其将以太网技术与PON技术完美结合,因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。
2、EPON系统
在一个EPON中,不需任何复杂的协议,光信号就能准确地传送到最终用户,来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。
在物理层,EPON使用1000BASE的以太PHY,同时在PON的传输机制上,通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信,在协议的第二层,EPON采用成熟的全双工以太技术,使用TDM,由于ONU在自己的时隙内发送数据报,因此没有碰撞,不需CDMA/CD,从而充分利用带宽。
另外,EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON/GPON类似的QoS。
与其它PON技术一样,EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构,利用光纤实现数据、语音和视频的全业务接入的目的。
EPON的系统结构上图所示。
一个典型的EthernetoverPON系统由OLT、ONU、POS组成。
OLT(OpticalLineTerminal)在广电组网系统中放置于分前端;
因成本等因素的制约,在光纤铺设到楼的条件下,ONU(OpticalNetworkUnit)放置于楼道,下连EOC局端设备。
POS(PassiveOpticalSplitter)是无源光纤分支器,可多级连接,灵活组网。
EPON系统使用单模光纤,在一芯光纤上利用上下行两个波(上行波长:
1310nm,下行波长:
1490nm)传输双向数据。
EPON的优点主要表现在:
成本低,维护简单,容易扩展,易于升级;
EPON结构在传输途中不需电源,节省电力,容易铺设,不占用小区机房,无需任何有源光模块,长期运营成本和管理成本的节省很大。
EPON系统这种无源点对多点的光网络和原有广电HFC网络中的光网络完全类似,在光纤到楼道的布局方式中可以多个楼道共用一芯主干光纤,并且可以根据用户的实际地理分布情况和用户数灵活分光布纤,接入大量用户,大量节省主干光纤。
EPON系统是面向未来的技术,完全基于以太网标准协议802.3ah,模块化程度高,扩展容易,投资回报率高,对于日后向全IP网络过渡是一个很好的选择。
上下行数据都在同一芯光纤传输,完全解决双向传输问题,提供高对称带宽。
EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽。
带宽分配灵活,服务有保证。
对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。
EPON可以通过DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配,并保证每个用户的QoS。
3、EPON传输原理
EPON从OLT到多个ONU下行传输数据和从多个ONU到OLT上行数据传输是十分不同的。
所采取的不同的上行/下行技术分别如下图所示:
当OLT启动后,它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。
ONU上电后,根据OLT广播的允许接入信息,主动发起注册请求,OLT通过对ONU的认证(本过程可选),允许ONU接入,并给请求注册的ONU分配一个本OLT端口唯一的一个逻辑链路标识(LLID)。
数据从OLT到多个ONU以广播式下行(时分复用技术TDM),根据IEEE802.3ah协议,每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识(LLID),该标识表明本数据帧是给ONU(ONU1、ONU2、ONU3......ONUn)中的唯一一个。
另外,部分数据帧可以是给所有的ONU(广播式)或者特殊的一组ONU(组播),在上图的组网结构下,在分光器处,流量分成独立的三组信号,每一组载到所有ONU的信号。
当数据信号到达ONU时,ONU根据LLID,在物理层上做判断,接收给它自己的数据帧,摒弃那些给其它ONU的数据帧。
举例,上图中,ONU1收到包1、2、3,但是它仅仅发送包1给终端用户1,摒弃包2和包3。
对于上行,采用时分多址接入技术(TDMA)分时隙给ONU传输上行流量。
当ONU在注册时成功后,OLT会根据系统的配置,给ONU分配特定的带宽,(在采用动态带宽调整时,OLT会根据指定的带宽分配策略和各个ONU的状态报告,动态的给每一个ONU分配带宽)。
带宽对于PON层面来说,就是多少可以传输数据的基本时隙,每一个基本时隙单位时间长度为16ns。
在一个OLT端口(PON端口)下面,所有的ONU与OLTPON端口之间时钟是严格同步的,每一个ONU只能够在OLT给他分配的时刻上面开始,用分配给它的时隙长度传输数据。
通过时隙分配和时延补偿,确保多个ONU的数据信号耦合到一根光纤时,各个ONU的上行包不会互相干扰。
对于安全性的考虑。
上行方向,ONU不能直接接收到其它OUN上行的信号,所以ONU之间的通信,都必须通过OLT,在OLT可以设置允许和禁止ONU之间的通信,在缺省状态下是禁止的,所以安全方面不存在问题。
对于下行方向,由于EPON网络,下行是采用广播方式传输数据,为了保障信息的安全,从几个方面进行保障:
⏹所有的ONU接入的时候,系统可以对ONU进行认证,认证信息,可以是ONU的一个唯一标识(如MAC地址或者是预先写入ONU的一个序列号),只有通过认证的ONU,系统才允许其接入。
⏹对于给特定ONU的数据帧,其它的ONU在物理层上,也会收到数据,在收到数据帧后,首先会比较LLID(处于数据帧的头部)是不是自己的,如果不是,就直接丢弃,数据不会上二层,这是在芯片层实现的功能,对于ONU的上层用户,如果想窃听到其它ONU的信息,除非自己去修改芯片的实现。
⏹加密,对于每一对ONU与OLT之间,可以启用128位的AES加密。
各个ONU的密钥是不同的。
⏹VLAN隔离:
通过VLAN方式,将不同的用户群、或者不同的业务限制在不同的VLAN,保障相互之间的信息隔离。
二、EPON解决方案及最后一百米同轴宽带接入技术
1、EPON广电网络解决方案
设计独立互不干扰的两套网络:
EPON数据传输网和原有的有线电视承载网。
如下图所示:
有线电视承载网由数字电视平台、总前端设备、分前端设备、光节点、同轴分配网组成,完全继承和利用广电原有网络资源,承载原有的广播电视信号。
EPON网络由分前端OLT设备,分光器,放置于楼道的ONU设备组成,提供数据双向传输通道,解决分前端到楼道的光纤双向传输问题,可承载IPTV,数据传输,IPPHONE等多种业务。
广播电视节目根据距离的远近采用1550nm/1310nm“物理星型、逻辑环型”的拓扑结构,先由总前端送至分前端,然后再由各分前端采用1310nm将信号送至片区内各个光节点。
EPON系统使用单模光纤,在一芯光纤上利用上下行两个不同波长的光纤,上行波长1310nm,下行波长1490nm传输双向数据。
利用EPON实现FTTB之后的入户方式主要有:
⏹FTTH
光纤到户,用户端配置ONU,接收数据信息。
⏹LAN
ONU到楼栋后,使用双绞线入户,用户带宽可控制OLT输出端口及楼栋二层交换机进行调节。
⏹EOC
ONU到楼栋,用户端最后100米依然使用同轴电缆入户,尽可能小地缩小改造范围,用户端配置EOC模块与ONU进行数据交换。
EOC(EthernetOverCable,EthernetOverCoax)主要可分为基带传输、调制传输、2.4GHz扩展应用三类,其中又可细分出很多具体的标准/非标技术,如基带、HPNA3.0(homephonelinenetworking,家庭电话线网络,ITU-TG.9954标准)、PLC(HOMEPLUGAV200MPLC、HOMEPLUG1.145MbpsPLC)、MoCA、同轴WiFi、CableRan、UcLink等。
EOC方案使用原有同轴资源解决最后100M接入问题,避免庞大的双线入户改造工程,在不影响原有下行广播电视信号的情况下,提供数据上下行传输功能。
PON+最后100米无源同轴宽带接入是最适合广电网络的双向改造模式,解决方案如下图所示,电信目前主推PON+最后一公里双绞线接入。
2、最后一百米同轴宽带接入技术
(1)基带
同轴电缆带内频率是0~1000MHz,有线电视系统工作于5—860MHz,其中,5—65MHz用于上行通道。
而在实际的应用中,5—20MHz频带由于杂散信号干扰严重,无法被采用频带传输方式的CMTS/CM通讯系统所使用。
而以太网是基带传输系统,以10Mbps(10BASE-T)速率传输时,以太网信号的功率谱主要集中在0.5MHz~15MHz范围内。
这就为在同轴电缆网络中建立以太网提供了频率资源的可能。
事实上,当今的数据交换芯片和电子技术,完全可以低成本地在有线电视HFC网络中通过-5同轴电缆实现100米距离无中继的10BASE-T通讯。
(2)同轴WiFi带外传输
通过深入研究发现,在一定的应用环境和条件下,与其它传输媒介/方式相比,同轴电缆传输频率高于1GHz信号的优势依然十分突出。
当传输距离小于60米时,-5同轴电缆对2.4GHz信号的传输性能优于无线传输可达50dB以上。
同轴电缆这一优势,可供有线电视网络充分利用,实现基于同轴电缆的WLAN接入。
(3)MoCA
MoCA的全称是MultimediaoverCoaxAlliance同轴电缆多媒体联盟,是同轴电缆的拥护者成立的联盟,其目的是充分利用70%家庭的客厅以及83%家庭的主卧室内装有同轴电缆。
MoCA的带宽能够同时满足一个高清电视、一个ATSC数字电视、两个标清电视和10M的数据流,并且可以对视频流进行远程控制(如PVR等)。
据介绍,在现场测试中MoCA的净数据率在95%的家庭中超过100Mbps,另外的5%是由于电缆老化导致的。
在100%的家庭中,净数据率至少达80Mbps。
(4)CABLERAN
CABLERAN是一种建立在单向有线电视网络上的宽带接入系统。
CableRan接入设备的组成包括:
前置小局端MAS、智能端口IO、网络管理软件。
前置小局端MAS是一种多方式接入IP网关设备,它可以把前端设备IO再还原成IP信号,是IP和射频转换的介于同轴和IP接口部分的设备。
每个前置MAS可以支持64个端口IO,该前置MAS可以方便地放置在楼栋或光节点处。
智能端口IO设备是一种信号转换设备,它可以把来自于前置MAS调制在同轴电缆上的IP信号,还原为以RJ45或USB接口形式的标准以太网信号。
只需要智能终端IO来替换现有的普通用户盒,另外在干线和楼栋之间加一个MAS小局端就可以了。
CableRan技术上行带宽可达10M,下行带宽可达48M。
占用5~65MHz频率部分,其中5~36用于上行,40~65是下行频段。
下行采用16/64/256QAM调制,上行采用QPSK、16QAM调制。
(5)UCLINK
UCLink系统在现有单向HFC网络上采用叠加网的方式实现同轴宽带接入。
UCLink采用QAM调制解调方式,并将传输信号放在HFC网的最高端(800~1000MHz),该频段信道内常规干扰最低,800~1000MHz信号使用简易高通滤波器即可绕过网内单向放大器。
UCLink将上行信号放在800~900MHz的频率范围,下行信号放在900~1000MHz的频率范围,是上、下行速率完全对称的传输结构。
按64QAM计算,100MHz频率范围能传输的速率容量约为500Mb。
UCLink综合接入系统中的局端设备,一般放置于光节点,主要完成用户终端的接入,数据报文的转发,接入用户管理和带宽控制(需要与BAS配合);
上行提供10/100Base-T以太网接口与LanSwitch(以太网交换机)或BAS(宽带接入服务器)相接,下行提供同轴射频接口经CATV同轴分配网与用户终端相接(下行信道频率900~1000MHz);
每一个局端设备根据带宽要求可接入若干个UCLink用户终端。
UCLink综合接入系统中的用户终端设备(UCM),其功能是实现以太网数据的调制解调和协议转换处理。
上行接口为射频(RF)接口(上行信道频率800~900MHz),经HFC网络中的同轴分配网与UCM相连,下行提供10/100Base-T以太网接口与计算机或其它数据设备相连。
750~1000MHzo为预留双向数字个人通信频域。
电缆在800~1000MHz范围的衰减很大,传输距离短。
所以要求UCLink接收设备有高灵敏度的信号接收能力,而高灵敏度接收设备又容易受外部人为信号干扰。
(6)PLC
PLC的全称是PowerLineCommunication,电力线网络技术,是指利用电力线传输数据和语音信号的一种通信方式,通过电线解决最后100米宽带接入问题。
PLC接入广泛采用OFDM调制技术。
OFDM是一种多载波数字调制技术,可以很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰,特别适宜于电力线这种非常恶劣的信道环境。
HomePlugAV是Homeplug电力线联盟的最新技术标准。
(7)HPNA
HPNA的全称是HomePhonelineNetworkingAlliance,它是1998年由3Com、AMD、IBM等11家具有前瞻意识的公司建立的非盈利性联盟组织。
该技术的最初目的是用来组建家庭局域网,随着我国宽带网络技术的推广,HPNA已成为一种多用户共享宽带接入的技术。
HomePNA的工作原理是利用现存电话线,采用分频技术,在一条电话上实现话音和资料同时传送,互不产生干扰。
HomePNA工作在传输频率2MHz以上,可提供1M到10M的速率进行数据传输。
三、现有产品介绍
1、EPON传输网设备
华为3Com公司EPON系列产品包括光线路终端(OLT)设备和光网络单元(ONU)设备。
通过具有OLT功能的QuidwayS6500系列以太网交换机和用户侧AolynkET系列ONU以及无源分光器组成点到多点的EPON网络,可以提供完整的EPON解决方案。
OLT缺省提供4GE的上行带宽,可通过加配普通GE/10GE业务板来扩展上行带宽。
ONU提供到住宅用户和企业客户的最后一公里宽带接入。
OLT最大提供44个千兆下行接口,分光器最大提供32个光分支,系统最大可支持1408个用户,传输距离可达20km。
其它相关设备厂家有:
美国Terawave公司PON产品系列、武汉烽火通信、深圳市首迈通信技术有限公司、盛立亚(Salira)公司等。
2、EOC终端设备
华为3COM用户侧AolynkET系列ONU、EOC模块。
深圳市波导实业有限公司MP2100系列EOC/PLC产品。
武汉牧马人:
同轴电缆集线器方式EOC、同轴串联混合方式EOC、无源复用方式EOC。
WLAN入户情况下,EOC设备内的数据交换模块变成为WOC(WLANOverCoax)设备WirelessAP模块,数据通讯信号的工作频带为2.4—2.485GHz。
基于同轴电缆的WLAN接入也有三种方式:
同轴电缆集线器方式WOC、同轴串联混合方式WOC、无源复用方式WOC。
四、实验方案建议
可以在用户密集区进行局部EPON+EOC宽带接入入户实验。
在总前端机房配置OLT,分前端通过无源光纤分支器POS接收并下发,根据距离的长短及用户情况使用POS级联到楼栋。
1、实验所需的资源及变更有:
⏹OLT设备、POS、ONU、EOC,建立EPON传输网
⏹传输所用光纤资源,可能用到的设备有粗波分复用设备
⏹用户分配网需改造成集中分配模式,如下图
集中分配入户是一种星型入户结构,而不同于树枝型入户的传统串接分配结构。
一般以楼栋的每个单元(10户左右)为一个最基础的汇集点安装1台集中分配器,有线电视信号集中从一点按星型结构分配入户。
集中分配方式可以减少噪声侵入点,解决上行电平均衡问题。
2、实验内容:
分公司办公网络接入目前是采用CM+LAN方式,网络速度较慢,而分公司运维部使用的GIS系统需要经常与公司本部服务器进行大容量的数据交互,网络速度一直是个瓶颈。
可改为ONU+LAN方式,提高分公司办公网络速度。
EPON接入需要对分配网进行改造,工作量大。
实验期可考虑针对大客户提供ONU+EOC、ONU+LAN接入。
五、青岛有线项目投资实例(EPON+LAN)
1、以某小区一个光节点为例计算材料费
2、计算该光节点的施工费
3、以500个光节点为例计算接入总费用:
4、骨干网投资费用
5、项目总投资
6、市场收益预期
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