長(zhǎng)距離EPON的研究分析
長(zhǎng)距離EPON的研究分析
摘要：目前的EPON協(xié)議規(guī)定了EPON最長(zhǎng)傳輸距離與差分距離均不得超過(guò)20km，本文探討了長(zhǎng)距離EPON的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)對(duì)EPON物理子層和MPMC（Multi-point MAC Conrtol多點(diǎn)MAC控制）子層的部分修改可以實(shí)現(xiàn)60km甚至80km的傳輸距離。
關(guān)鍵詞：EPON；長(zhǎng)距離；物理層； 多點(diǎn)MAC控制； RTT（Round Trip Time，往返時(shí)間）。
Abstract: The maxim and difference distance of EPON was specified no more than 20km in IEEE802.3-2008. This paper discusses the long-distance EPON implementations. Through change EPON physical sub-layer and MPMC (Multi-point MAC Conrtoll) sub-layer , transmission distance of 60km or 80km is achievable.
Key words: EPON；Long distance; Physical sub-layer; MPMC; RTT (Round trip time)
作者：北京總參通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心?? 王立新；武漢長(zhǎng)光科技有限公司 胡保民
引言
目前在電力、煤炭、鐵路、部隊(duì)等專網(wǎng)通信領(lǐng)域，開(kāi)始越來(lái)越多的用到EPON技術(shù)，然而在這些應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)遇到傳輸距離以及差分傳輸距離超過(guò)20km的情形，但是在IEEE 802.3ah-2004（已被并入802.3-2008）中明確定義了EPON最長(zhǎng)和差分傳輸距離不得超過(guò)20km。為了克服這一矛盾，本文就如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的EPON進(jìn)行了研究。
EPON的傳輸距離從根本上來(lái)說(shuō)受限于兩類因素：一類是物理層的光特性要求，一類是MPMC層的時(shí)序要求。前者和拓?fù)?、物理?a target="_blank">收發(fā)器、色散等相關(guān)，后者和EPON的帶寬分配算法、DBA（動(dòng)態(tài)帶寬分配）周期以及注冊(cè)開(kāi)窗時(shí)間等息息相關(guān)。
1、 EPON的功率預(yù)算
按照IEEE 802.3ah-2004的約定：OLT側(cè)發(fā)射功率大于2dBm，接收靈敏度<-27dBm；對(duì)于ONU發(fā)射功率大于-1dBm，接收靈敏度<-24dBm，整個(gè)光鏈路的損耗上行<24dB，下行<23.5dB。EPON上行1310nm和下行1490nm波長(zhǎng)在G.652光纖中的損耗約為0.3dB/km。綜上可見(jiàn)功率預(yù)算對(duì)于長(zhǎng)距離EPON來(lái)說(shuō)是最為重要的因素。為了提高傳輸距離，除了減少線路插入損耗外，還可以采用光放大的手段來(lái)提高光功率預(yù)算，具體包括以下兩類方法：光放大器(圖1)和中繼器（OEO，optical-electrical-optical，光電光）（圖2）。光放大器方案在上下行方向均需要使用到Diplexer（WDM 復(fù)用/解復(fù)用器）和OA（Optical Amplifier,光放大器），而OBF(Optical Bandpass Filter, 光帶通濾波器)則是可選的，使用OBF主要是為了克服OA的自發(fā)輻射效應(yīng)，以提供更好的性能。中繼器方案則直接采用兩個(gè)光模塊背靠背互連，并使用本地的控制器來(lái)控制兩個(gè)光模塊的發(fā)光，從而達(dá)到簡(jiǎn)單的OEO中繼的目的，成本較低。但圖2的方案仍然不夠精細(xì)，因?yàn)镺EO會(huì)帶來(lái)延時(shí)，而我們知道EPON上行方向是突發(fā)的，這樣會(huì)帶來(lái)一些時(shí)序上的輕微措施，在長(zhǎng)距離的情形下，表現(xiàn)將更加明顯。為此對(duì)于更長(zhǎng)距離的應(yīng)用將需要內(nèi)置智能單元以截獲MPMC層的消息，來(lái)計(jì)算分析并彌補(bǔ)突發(fā)開(kāi)銷。
圖1 光放大器方案
圖2 中繼器（OEO）方案
上述均是基于采用標(biāo)準(zhǔn)的1000BASE-PX20的PMD進(jìn)行的討論，也可以使用非標(biāo)準(zhǔn)的PMD，通過(guò)加大OLT/ONU的發(fā)射光功率和/或提高OLT/ONU的接收靈敏度來(lái)提高EPON系統(tǒng)的光功率預(yù)算。采用該方法缺點(diǎn)是無(wú)法使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的光模塊，定制成本較高，對(duì)于成本不是很敏感的應(yīng)用領(lǐng)域又或使用光放大器/中繼器成本更高的情形下可以使用定制光模塊的方法。
2、 EPON的拓?fù)湫问?/b>
EPON應(yīng)用拓?fù)湫问揭话阌袠?shù)形（圖3）和總線型（圖4）兩種拓?fù)洌渲袠?shù)形拓?fù)湟话悴捎镁址止馄?，而總線事拓?fù)湟话悴捎梅蔷址止馄鳌１?和表2分別列出兩類分光器的插入損耗參考值，以利于計(jì)算功耗。
圖3 樹(shù)形拓?fù)?/P>
圖4 總線式拓?fù)?/P>
表1 分光器典型插入衰減參考值
表2 非均勻分光器的插入衰減參考值
拓?fù)湫问綄?duì)EPON的傳輸距離有較大影響，主要是功率預(yù)算方面的影響。為了達(dá)到較長(zhǎng)的傳輸距離，對(duì)于樹(shù)形拓?fù)湟话氵x擇更小的分支比，可以傳輸更長(zhǎng)的傳輸。1：8均分的情況下可以傳輸(23.5-10.7)/0.3≈42.5km（不考慮器件和光纖老化等其他因素），在1：4均分的情況下可以傳輸(23.5-7.3)//0.3≈54km（同上），直接無(wú)分光器僅帶一個(gè)ONU的極端情況下可以傳輸23.5/0.3≈78.3km（同上）。對(duì)于總線式拓?fù)錇榱诉_(dá)到較長(zhǎng)的傳輸距離則除了控制分光器級(jí)數(shù)以外還要注意控制好分光器分光比。然而對(duì)于采用該拓?fù)涞膽?yīng)用來(lái)說(shuō)，每個(gè)ONU站點(diǎn)的位置是固定的，機(jī)動(dòng)性不大，因此主要需要從如何放大光功率方面來(lái)考慮，詳見(jiàn)第1節(jié)中的討論。
3．EPON的色散
EPON系統(tǒng)中上行使用1310nm波長(zhǎng)，下行使用1490nm波長(zhǎng)，采用的光纖維ITU-T G.652光纖，我們知道G.652光纖的零色散波長(zhǎng)為1300~1324nm區(qū)間，上行波長(zhǎng)正好在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，因此對(duì)于ONU的光譜特性要求不高，可以使用FP激光器。對(duì)于下行1490nm不在零色散波長(zhǎng)區(qū)間，對(duì)于長(zhǎng)距離EPON系統(tǒng)，OLT必須使用譜寬較窄的DFB激光器以減小色散代價(jià)。
4．EPON的時(shí)序要求
EPON協(xié)議中有三個(gè)時(shí)間是很重要的一個(gè)是系統(tǒng)最大RTT（圖5），一個(gè)是注冊(cè)開(kāi)窗時(shí)間還有一個(gè)是DBA輪詢周期。當(dāng)加長(zhǎng)傳輸距離后，距離OLT最遠(yuǎn)的那個(gè)ONU的RTT最大，假設(shè)最遠(yuǎn)ONU為70km，則RTT為2×（70000/2*108）=700us（光信號(hào)在真空中速度為3×108m/s，在光纖中速度按照2×108計(jì)），因此該情形下EPON系統(tǒng)的注冊(cè)開(kāi)窗時(shí)間至少應(yīng)該在700us以上。由上分析可見(jiàn)隨著傳輸距離的加長(zhǎng)，注冊(cè)時(shí)間將不可避免的加長(zhǎng)。另外需要考慮的是DBA的輪詢周期，從圖6可以看出DBA輪詢周期至少應(yīng)該大于系統(tǒng)最大的RTT（即最遠(yuǎn)ONU的往返時(shí)間），可見(jiàn)在長(zhǎng)距離情形下，DBA的效率是較低的，在大多數(shù)情況下，建議采用SBA（靜態(tài)帶寬分配）算法來(lái)代替SBA。
圖5 RTT（往返時(shí)間）示意圖
圖6 DBA輪詢周期示意圖
5．結(jié)束語(yǔ)
考慮以上的因素，我們?cè)谖錆h長(zhǎng)光科技有限公司的EPON系統(tǒng)上進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)踐證明通過(guò)調(diào)整最大輪詢周期，不調(diào)整物理層參數(shù)，可以做到在1：8均分分支比下，傳輸60km。通過(guò)OEO的方式，做到了1:32分支比80km的傳輸。目前該司的相關(guān)長(zhǎng)距離EPON產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量銷售，上述研究得到了市場(chǎng)檢驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] IEEE Standard 802.3ah-2004[S].
作者簡(jiǎn)介: 王立新(1967- ) ，女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向計(jì)算機(jī)通信，
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