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图解丨全面评比EPON技术优势

2021-02-27 18:03
光通讯世界
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引言

随着ADSL、LAN、WLAN等宽带接入业务的大力发展,宽带业务已经零距离地深入到国计民生的各个角落。政府机关、企业机构、商业用户和越来越多的普通居民都已认可并广泛使用宽带业务。

普通的高速上网、专网互联和互联网游戏业务是目前上网业务的主流。随着用户忠诚度的提高,开拓客户资源不再是宽带应用的唯一迫切要务,提供更多的宽带增值业务来提升ARUP值,是运营商目前最迫切的课题。

目前,大规模部署的ADSL宽带业务,由于其距离限制和带宽较低,已经很难满足高端用户的带宽需求和业务需求。视频业务,尤其是IPTV,已成为可以看到的宽带热点。上海电信在2008年发展几十万IPTV用户,而全国的有线电视用户超过1亿。经过几年的探索和发展证实完全可行的IPTV业务,是摆在电信运营商面前的一个拥有巨大机遇的市场。

EPON解决方案的推动有其迫切的业务需求:EPON FTTX解决方案不仅可以解决目前宽带业务发展中的带宽和距离问题,还可以借此推动IPTV、互动游戏、视频会议等增值业务的发展,加上VoIP的兴起,各种业务种类进一步融合,Triple Play的实现将真正成为可预期的现实。EPON系统将成为三网合一的接入平台,各种增值业务将会大大推动宽带业务ARUP值的提高,增加电信运营商的业务收入。

 一、EPON概述

无源光网络(PON)技术是为了支持点到多点应用发展起来的光接入技术,PON由光线路终端(OLT)、光网络单元(ONU)和光分配网络(ODN)组成。其本质特征为ODN全部由无源器件组成,无源的特性使得网络布放更加灵活,无需机房和电源等;共享光纤的特性能够节省大量的光纤资源,使得接入网线路成本更低。

而纯光介质的结构,透明的光纤宽带网络,使得对未来业务扩展保持了技术的安全性。

PON技术自诞生以来,根据数据链路层协议的不同,分为APON(基于ATM)、BPON(基于ATM)、GPON(基于ATM和GEM)、EPON(基于以太网),几种PON技术的比较如表1所示。

表1 几种PON技术的比较



1998年,ITU-T制定了APON的技术标准。APON以ATM技术为基础,其承载的是53字节固定长度的ATM信元,因而能更快、更有效地实现同步。但因为APON中的信元长度固定,因此在承载IP数据流时,必须首先将数据包分割成48字节,然后加上5字节的信元头。

这种处理过程既费时、复杂又浪费带宽,同时还增加了额外的成本,加之协议转换麻烦、技术复杂、设备昂贵、多厂家互操作性差等,在IP业务量越来越大的今天,这已成为APON的致命伤,所以APON系统并未如预期的那样发展起来。

当前技术上较先进的PON技术有EPON与GPON。GPON是ITU提出的千兆比特级的无源光网络,ITU在2003年正式通过并颁布了GPON标准系列中的三个标准:G.984.1、G.984.2和G.984.3。

由于GPON标准是ITU在APON标准之后推出的,因此G.984标准系列沿用了G.983标准的很多思想。2000年11月,IEEE成立了802.3EFM(EFM——Eth-ernet in the First Mile,第一英里以太网即以太网接入网)工作组,开始了EPON的技术标准化工作,2004年6月IEEE已经正式批准802.3ah为EPON 千兆以太网无源光网标准。

EPON将以太网技术与PON技术结合,具有以太网的诸多优势,如技术简单、成熟、良好的兼容性及可对IP业务进行有效承载等。

关于EPON和GPON除了有表1的一些区别外,还有下面五个不同点:

(1)IEEE的EPON标准化工作比ITU-T的GPON标准化工作开展得早,并且IEEE关于Ethernet的802.3标准系列已经成为业界最重要的标准之一;

(2)EPON标准制定的更宽松,制造商在开发自己的产品时有更大的灵活性;

(3)GPON有更好的TDM业务支持能力;

(4)GPON技术较复杂,而EPON保持以太网特性,它的实现较简单;

(5)从产业链的角度看,EPON系统最核心部分:PON光发送/接收模块已经成熟,核心MAC控制芯片已经规模生产;而GPON系统的相应核心模块还在逐步成熟中,目前推出的GPON产品正处于试用阶段,还难于实现大规模商用,成本比较高。

随着用户对带宽需求的不断提高,业务种类的融合,同时又需要降低整体的建设运维成本,EPON技术的成熟商用很好的解决了上述问题,可以针对城市中的中高档住宅小区、别墅、商务楼、酒店、网吧等商业客户提供成熟的点到多点的FTTX 解决方案,构建三网合一的接入平台。

现在业界商用量最大、使用最成熟的是EPON系统。中国网通、中国电信两大运营商正在展开较大规模的商用。

 二、EPON的网络结构

从某种意义上说,EPON是一种基于光纤传送网的长距离的以太网接入技术。EPON采用点对多点架构,一根光纤承载上下行数据信号,经过1:N分光器将光信号等分成N路,以光分支覆盖多个接入点或接入用户。

EPON在传统上还有GEPON的叫法,这里并不是表述错误。业界早期的EPON设备是基于FE总线的,在基于GE总线的EPON设备推出后,为了区分称之为GEPON,目前业界的EPON设备基本上都是基于GE总线。目前基本上统称EPON。

一套典型的EPON 系统由OLTONU、ODN组成。EPON的网络结构如图1所示。



图1 EPON的网络结构

OLT放在中心机房,它可以看作是一个L2交换机或者L3路由交换机。在下行方向,OLT提供面向无源光纤网络(ODN)的光纤接口;在上行方向,OLT将提供了GE光/电接口,将来10Gbit/s的以太网技术标准定型后,OLT也会支持类似的高速接口。为了提供多业务接入,OLT还可支持E1以及OC3等接口,来实现传统话音的接入或电路中继业务。

在EPON的网管方面,OLT是主要的控制中心,内置OAMP Agent,可以管理其下的ONU终端设备,实现网络管理的五大功能。EPON网管可以通过在OLT上通过定义用户带宽参数来控制用户业务质量,通过编写访问控制列表来实现网络安全控制,通过读取MIB库获取系统状态以及用户状态信息等,还能提供有效的用户隔离。

ODN是光分发网,由无源光纤分支器和光纤构成。无源光纤分支器是连接OLT和ONU的无源设备,它的功能是分发下行数据和集中上行数据。无源分光器的部署相当灵活,由于是无源器件,几乎可以适应于所有环境。一般无源光纤分支器的分光比有1:2、1:4、1:8、1:16、1:32、1:64等。一般建议采用一级分光,最多不能超过二级分光。

ONU是放在用户驻地侧的终端设备,EPON中的ONU采用以太网协议,实现了成本低廉的以太网第二层交换功能。由于使用以太网协议,在通信的过程中就不再需要协议转换,实现ONU对用户数据的透明传送。OLT到ONU之间采用加密协议保证用户数据的安全性。

基于EPON的FTTH 的优势在于其强大的覆盖能力,最远覆盖可达20公里(1:32的分路比),从端局出发,经过ODN连接各光接入点。传统的光接入网,光纤的延伸范围一般到网络接入点截止,要实现光纤入户,就需要在接入点配置大量的光口接入层交换机,成本昂贵。

随着无源光网络技术的出现、成熟,尤其是现在的EPON技术,可以提供光纤直接到用户末梢的经济可行方案,FTTH成为高效的接入方式。在基于EPON的FTTX解决方案中,如何解决光缆到大楼、小区的引入,规划OLT、ODN、室内用户终端(OUN)的光纤连接成为关键所在。

 三、EPON的几个关键技术

 1.EPON的上下行技术

EPON在OLT和ONU间采用单根光纤提供对称1.25Gbps带宽,受物理接口限制,实际提供1Gbps带宽,可传输数据、语音和视频业务。EPON 在单芯光纤上采用波分复用(WDM)技术,上下行数据流分别在不同的频段传输。其中,下行 1490nm ;上行 1310nm ;1550nm 可选用于CATV。

下行的数据流采用广播方式,OLT将802.3格式的以太网帧数据流通过单播复制的方式推送到所有的ONU处;ONU通过判断以太网帧帧头里的由OLT分配的LLID(Logical Link Id)来判断是否接收,接收属于自己的数据帧,将不属于自己的数据帧丢弃。如图2所示。



图2 EPON下行数据流

上行的数据流采用时分多址(TDMA)技术,把上行的时间分成了许多的时间片,根据ONU分配的带宽和业务的优先级给ONU的上行数据流分配不同的时间片,每个时间点上光纤上只传送一个ONU的上行数据流。通过OLT和ONU之间协商,避免了ONU上行数据流之间的冲突,不会造成数据丢失。如图3所示。



图3 EPON上行数据流

 2.MPCP多点控制协议

多点控制协议(MPCP)定义了点到多点光网络的MAC 控制机制,它是OLT和ONU之间的一种控制机制,用于协调数据的有效发送和接收,是EPON的关键技术。

MPCP主要功能是:下ONU的自动发现和加入;下测距;下向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽,在MAC控制层完成。

MPCP引 入 了 新 的 MAC控 制 信 息 , GATE和REPORT用于分配和请求带宽,REGISTER信息用来控制自动发现过程。OLT能够实现对ONU的自动发现和加入。如图4所示。



图4 ONU自动注册过程

ONU的测距主要为确保ONU获得足够的授权发送上行数据流,避免冲突的阻塞。如图5所示。



图5 ONU测距

3.DBA动态带宽分配协议

DBA是OLT和ONI之间的动态带宽分配协议,它可以起到提高系统上行带宽利用率以及保证业务公平性和QoS的作用。

在带宽控制方面DBA将给ONU分配的带宽分成三种属性:固定带宽(Fixed Bandwidth);保证带宽(Assured Bandwidth);尽力而为带宽(Best Effort Bandwidth)。

DBA为规定了针对上传数据的业务公平性机制,在保证用户规定的带宽属性基础上,可以按照优先级进行剩余带宽的加权分配;也可以按照与不同用户所签署的SLA的保证带宽进行剩余带宽的加权分配;还可以按照ONU类型(如商业客户、住宅用户;类型1/2、类型3的ONU)进行剩余带宽的加权分配,以充分提高上行带宽利用率,以及保证业务公平性。

在QoS保证方面,DBA是由OLT全局控制的,不同于以太网的带宽争用机制,OLT基于ONU对其本地队列状态信息的汇报进行上行带宽分配,并且ONU应能够在DBA分配的带宽授权基础上,基于本地的队列状态进行上行业务的优先级调度。

  四、EPON技术优势

随着EPON技术的成熟,业界主流的运营商已经开始大规模部署EPON系统,展开FTTX应用,并在此基础上实现Triple Play(三重播放,提供语音、数据和视频业务),构建三网合一的接入平台。

自2004年起,在FTTH最发达的日本、韩国、台湾以及美国、欧洲等国家和地区,EPON技术得到了大规模的应用,并进一步刺激了IPTV业务的繁荣。在中国市场,目前EPON产品已经在所有省份都有了试点和商用。

EPON技术采用波分复用(WDM)技术在单根光纤上实现对称1Gbps的带宽,并且且可以在接近客户段实现分光下行,大量节省了骨干光纤资源。目前达到的最大分光比是1:64。EPON系统的另一个优势在于其强大的覆盖能力,在1:32的分路比下最远覆盖可达20 km,在1:64分光比下,最远覆盖范围是10km,这充分保证了设备的覆盖范围。在1:32分光比下,每个ONU用户的平均带宽可达30M以上,使得视频业务得到了足够的带宽保证。

无源光分支器的使用,节省了大量的维护资源,节省了机房、电源配套等资源,整体降低了FTTX网络的建设成本和维护成本。近年来的光纤成本的下降,为FTTX提供了缆线配套成本的下降。

目前各运营商提供的宽带接入业务主要是ADSL和LAN接入两种,此外,随着带宽需求的不断增加,VDSL也逐渐成为一种选择。下面将对EPON和这三种接入方式进行技术和经济性的比较。其它的接入方式,如Cable Modem,电力线接入等由于市场占有量不大并且受行业资源限制,在此不做讨论。

EPON与ADSL的比较

ADSL经过几年的大力发展,目前已经成为中国固网运营商最普及的宽带接入手段。ADSL利用传统的铜线资源的传送宽带数据,充分利用了固网运营商的铜线资源,对中国电信和中国网通这样的运营商来说,是早期发展宽带接入的一种最佳选择。

ADSL/ADSL2+业务是一种不对称传输的宽带接入技术,上行带宽有限,小于1M,下行带宽最大到26Mbps,实际商用中覆盖不超过3km的距离,一般提供512Kbps到2Mbps的下行带宽,主要应用为公众上网。

然而随着各种新业务,尤其是视频业务的兴起,用户的带宽要求越来越高。随着博客、在线游戏、即时通讯、宽带电话、视频电话、个人相册共享等应用的快速增长,用户对上行带宽的需求也越来越大。中国电信和中国网通在其宽带网的规划中,未来个人用户的双向带宽将达到10M~20M。

ADSL的带宽严格受到传送距离的限制,较高的带宽只能在短距离实现,即便经过“光进铜退”改造,缩短ADSL的覆盖范围,这也只能在一定时间段内、一定程度上满足带宽要求。

基于光纤的接入网,其带宽理论上是可以无限扩展的。因此随着EPON技术的成熟,其高带宽、长距离的覆盖范围,使得EPON取代ADSL技术将成为技术发展的必然选择。

相对ADSL,EPON在初期建设的支出比较高,包括前期的设备费用和光纤铺设费用。但由于采用无源光网络技术组网,基于光纤的PON技术在运营维护方面的费用要大大低于ADSL和铜线。

通过后期运营维护成本的降低,提供更高带宽和更远距离的业务覆盖能力,并由此带来的提供更多新业务的能力,带来更多的业务收入,可以相对抵消在设备和线路成本上的投入。目前光纤的成本已经很低,FTTX已进入一个黄金发展期,设备的费用也将在建设中不断降低。

因此,运营商通过部署EPON可以增强在包括宽带接入在内的全面业务方面的竞争力,由此稳定用户资源,甚至带来流失用户的回流,这都会为运营商带来更多的业务收入,使运营商长期受益。

 EPON与LAN接入的比较

LAN接入是目前除ADSL之外最普遍的宽带接入形式,被包括中国电信、中国网通这样的传统运营商以及中国移动、中国联通、中国铁通、长城宽带等固网领域的竞争运营商所普遍采用并形成了激烈的竞争格局。

LAN交换机设备放置在写字楼或小区内部,通过5类线连接用户。小区LAN接入需要配置小区汇聚机房和相应的电源等配套设备,需要资源投入。目前的楼宇交换机很多是一些低端的产品,运营商在管理维护方面困难很多,简单的故障排除需要占用大量维护人员,运营成本比较高。采用具有较强管理和业务控制能力的交换机则设备价格比较高。

交换机的故障往往会造成远程监控失效,需要人员到场排除,同时,有源设备对电源,温度等方面也有比较严格的要求,各种影响用户使用的情况可能都需要运营商解决,而且需要有经验的技术人员来维护,成本比较高。

EPON与之相比,OLT放置于局端机房,易于管理维护。从机房到用户家里的连接完全是无源的光网络,免去了中间汇聚交换机等有源设备所需要的空间、电源、维护等方面的问题。EPON可以通过在OLT和ONU之间采用加密协议做到很好的安全控制,保证用户业务的安全性,避免用户之间的不安全的访问。

EPON技术提供一定的服务质量保证(QoS),结束了传统以太网提供尽力而为的局面。和传统的FTTX+LAN接入方式相比,EPON系统各方面的优势明显。EPON接入和LAN接入的比较见表2。

表2 传统LAN接入和EPON接入对比



从建网成本角度看,随着光线成本的下降,运营商的总部统谈和大量建设EPONFTTX项目,目前EPON的建网成本在持续下降,EPONFTTB建设模式和LAN接入建设的成本已经相当甚至更低,FTTH的建设成本也在大量下降。

 EPON与VDSL的比较

VDSL与ADSL类似,利用铜线的传送宽带数据。与ADSL相比,VDSL可以提供对称的带宽,带宽更高,可以达到对称26Mbps或更高。但VDSL同样受到距离的限制,比ADSL的覆盖距离更短。

关于VDSL和EPON的比较与ADSL与EPON的比较类似,在此不再赘述。

 EPON系统的优势

与其它几种接入方式相比,EPON系统具有以下一些优势:

(1)EPON的接入带宽最大。

EPON的用户接入带宽可以在1Mbps至1000Mbps灵活调整,能充分满足用户对多种业务的需求,可以满足普通高速上网、远程教学、可视电话、互动视讯、IPTV、视频点播(VOD)、等业务的需要。

(2)EPON的接入可靠性最高。

光纤损耗低、频带宽,传输距离远。光纤不受电磁干扰,保证了信号传输质量。在用户小区到用户家庭的接入段采用光纤,故障点比较少,网络的安全容易得以保证。

(3)光纤成本逐步下降,而铜缆成本却逐步上升。

光缆代替铜缆,还可以降低铜缆成本投入,实现“光进铜退”、减少盗割问题,解决城市地下通信管道拥挤的问题。

(4)EPON接入的外围建设成本低,维护简单,容易扩展,易于升级。

EPON结构在传输途中采用无源器件,不需配置电源,容易铺设,基本不用维护,长期运营成本和管理成本的节省很大。EPON系统模块化程度高,系统扩展容易。EPON系统是面向未来的IP多业务平台,符合全网业务化IP化的发展方向。

(5)带宽分配灵活,服务有保证。

EPON支持灵活的带宽分配和QoS。EPON可以通过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。

EPON虽然具有很多的优越性,但是鉴于ADSL和LAN接入已经大量部署,事实上在一定阶段内 ,EPON和LAN以及DSL可以混合覆盖,互相作为一种补充,满足不同的用户需求。

对于带宽和业务要求不高的普通用户,可以沿用ADSL、VDSL或现有LAN方式;对于新建楼宇和高端用户,需要转向用EPON实现FTTX覆盖。从长期需求看,EPONFTTX是最终的解决方案,提供给所有用户真正的TriplePlay业务能力。

  五、结束语

传统移动通信运营商的核心竞争优势在于移动通信,利润丰厚。随着近几年的PHS的发展,传统固网运营商夺取了一部分移动通信的份额,但是固网普通电话业务的下滑趋势明显。固网运营商的核心竞争优势在哪里?

日益发展并已经形成规模的宽带接入业务以及IPTV业务的兴起给了我们一个清晰的提示:带宽!有了足够的网络带宽和充分普及的宽带业务应用,固网运营商足以在激烈的竞争中保持核心竞争力。

随着深化改革电信重组,各大运营商均获得了移动和固网业务的经营权,竞争日趋白热化。中国电信和新联通将在移动通信领域增强竞争力,但是与先到者的差距还需要慢慢弥补,需要从3G业务上迎头赶上。中国移动也会借助其光纤资源优势,在固网领域进行拓展,FTTX将成为其重要的武器。

此外,中国广电集团也在其有线电视/数字电视的技术上,在各地纷纷展开EPONFTTX的宽带建设,或者与固网运营商合作开发IPTV业务。因此,在固网领域,扩大和锐化“带宽”这个核心竞争力,是中国电信和新联通稳守固网市场的有利武器。

随着最终用户对带宽需求的不断提高,业务种类的融合,以及EPON技术的成熟商用,基于EPON系统的FTTX解决方案给了新联通大力发掘高端用户、全面推动FTTH建设、掌握带宽优势的良好契机,也将为新联通发展下一代网络(NGN)构建三网合一的接入平台。


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