基于EPON的光入网设计课程设计说明书.docx
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基于EPON的光入网设计课程设计说明书.docx
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基于EPON的光入网设计课程设计说明书
课程设计说明书
题目名称:
基于EPON的光接入网设计
新疆工程学院
计算机工程系(部)课程设计任务书
2014学年第二学期2014年7月4日
专业
班级
课程名称
设计题目
基于EPON的光接入网设计
指导教师
起止时间
周数
设计地点
设计进度与要求:
1.掌握光纤通信系统中,光接入网单元功能;
2.利用光接入网系统工作原理,设计并实现基于EPON的光接入网系统。
进程安排:
第1天:
布置任务,收集资料,建立光接入网系统的系统框架;
第2天:
利用光接入网系统的工作原理,设计并实现基于EPON的光接入网系统的单元功能;
第3天-第4天:
完善系统功能,现场调试设备,撰写论文;
第5天:
收论文,现场答辩。
主要参考书及参考资料:
[1]聂兵,光纤通信[M],北京理工大学出版社,2010
[2]庞宝茂,肖刚,杜思深,翁木云,现代移动通信[J],清华大学出版社,2004
教研室主任(签名)系(部)主任(签名)
新疆工程学院
课程设计评定意见
设计题目基于EPON的光接入网设计
系部专业班级
学生姓名学生学号
评定意见:
评定成绩:
指导教师(签名):
年月日
摘要
基于EPON的光接入方式是电信运营商的“光进铜退”过程中一个典型应用。
通过基于EPON的光接入,可以实现语音通话,高速宽带互联网数据传送,IPTV,CATV等业务,而这些业务正是EPON在发展中最主要的业务。
本文在这样的背景下进行基于EPON的光接入网方案设计,根据该实际需求设计出EPON网络拓扑图,选择合适的ONU、OLT和分光器设备,接入互联网、IP网或者公共电话网,实现上述的几种业务。
本次设计中,我们通过设计相关网络,选用相关科技的部分接入产品,成功设计出基于EPON的光接入网方案。
关键词:
EPON、接入网、FTTx
1、光接入网
OAN(opticalaccessnetwork)
1.1、光接入网的概念
所谓光接入网(OAN)就是采用光纤传输技术的接入网,泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。
通常,OAN指采用基带数字传输技术,并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统,将来应能以数字或模拟技术升级传输带宽广播式和交互式业务。
采用各种宽带承载技术的一系列信息传送实体所组成的,对用户以及用户相关的信令透明;可以支持现有宽带业务、窄带业务以及扩展支持未来宽带业务开展所需承载能力的实施系统;并可经由网络管理接口进行配置和管理。
它所具有的以下一些主要特征,决定了必将以无可比拟的优势成为下一代接入网。
(1)程以光纤作为传输媒质或者光纤作为主干传输媒质,以金属线或无线作为用户末端传输媒质。
(2)具有高带宽、长距离的传送能力。
(3)支持多业务接入,包括各种窄带业务、宽带业务以及对未来业务的扩展支持能力和上述业务的同时接入。
(4)支持分组方式承载上层业务,可以作为下一代网的接入层网络。
⑤支持接入网络的平滑演进。
1.2、光接入网的基本构成
光纤接入网(OAN),是指用光纤作为主要的传输媒质,实现接入网的信息传送功能。
通过光线路终端(OLT)与业务节点相连,通过光网络单元(ONU)与用户连接。
光纤接入网包括远端设备——光网络单元和局端设备——光线路终端,它们通过传输设备相连。
系统的主要组成部分是OLT和远端ONU。
它们在整个接入网中完成从业务节点接口(SNI)到用户网络接口(UNI)间有关信令协议的转换。
接入设备本身还具有组网能力,可以组成多种形式的网络拓扑结构。
同时接入设备还具有本地维护和远程集中监控功能,通过透明的光传输形成一个维护管理网,并通过相应的网管协议纳入网管中心统一管理。
1.2.1、光线路终端
OLT的作用是为接入网提供与本地交换机之间的接口,并通过光传输与用户端的光网络单元通信。
它将交换机的交换功能与用户接入完全隔开。
光线路终端提供对自身和用户端的维护和监控,它可以直接与本地交换机一起放置在交换局端,也可以设置在远端。
1.2.2光网络单元
ONU的作用是为接入网提供用户侧的接口。
它可以接入多种用户终端,同时具有光电转换功能以及相应的维护和监控功能。
ONU的主要功能是终结来自OLT的光纤,处理光信号并为多个小企业,事业用户和居民住宅用户提供业务接口。
ONU的网络端是光接口,而其用户端是电接口。
因此ONU具有光/电和电/光转换功能。
它还具有对话音的数/模和模/数转换功能。
ONU通常放在距离用户较近的地方,其位置具有很大的灵活性。
光纤接入网(OAN)从系统分配上分为有源光网络(AON,ActiveOpticalNetwork)和无源光网络(PON,PassiveOpticaOpticalNetwork)两类。
有源光网络又可分为基于SDH的AON和基于PDH的AON。
有源光网络的局端设备(CE)和远端设备(RE)通过有源光传输设备相连,传输技术是骨干网中已大量采用的SDH和PDH技术。
无源光网络(PON),是指在OLT和ONU之间是光分配网络(ODN),没有任何有源电子设备,它包括基于ATM的无源光网络APON及基于IP的PON。
1.2.3、光接入网的拓扑结构
光纤接入网的拓扑结构,是指传输线路和节点的几何排列图形,它表示了网络中各节点的相互位置与相互连接的布局情况。
网络的拓扑结构对网络功能、造价及可靠性等具有重要影响。
其三种基本的拓扑结构是:
总线形、环形和星形,由此又可派生出总线—星形、双星形、双环形、总线—总线形等多种组合应用形式,各有特点、相互补充。
图1.3光接入网的拓扑结构
(1)总线形结构
总线形结构是以光纤作为公共总线(母线)、各用户终端通过某种耦合器与总线直接连接所构成的网络结构。
这种结构属串联型结构,特点是:
共享主干光纤,节省线路投资,增删节点容易,彼此干扰较小;但缺点是损耗累积,用户接收机的动态范围要求较高;对主干光纤的依赖性太强。
(2)环形结构
环形结构是指所有节点共用一条光纤链路,光纤链路首尾相接自成封闭回路的网络结构。
这种结构的突出优点是可实现网络自愈,即无需外界干预,网络即可在较短的时间里从失效故障中恢复所传业务。
(3)星形结构
星形结构是各用户终端通过一个位于中央节点(设在端局内)具有控制和交换功能的星形耦合器进行信息交换,这种结构属于并联形结构。
它不存在损耗累积的问题,易于实现升级和扩容,各用户之间相对独立,业务适应性强。
但缺点是所需光纤代价较高,对中央节点的可靠性要求极高。
星形结构又分为单星形结构、有源双星形结构及无源双星形结构三种。
(1)单星形结构:
该结构是用光纤将位于电信交换局的OLT与用户直接相连,基本上都是点对点的连接,与现有铜缆接入网结构相似。
每户都有单独的一对线,直接连到电信局,因此单星型可与原有的铜现网络兼容;用户之间互相独立,保密性好;升级和扩容容易,只要两端的设备更换就可以开通新业务,适应性强。
缺点是成本太高,每户都需要单独的一对光纤或一根光纤(双向波分复用),要通向千家万户,就需要上千芯的光缆,难于处理,而且每户都需要专用的光源检测器,相当复杂。
(2)有源双星形结构:
它在中心局与用户之间增加了一个有源接点。
中心局与有源接点共用光纤,利用时分复用(TDM)或频分复用(FDM)传送较大容量的信息,到有源接点再换成较小容量的信息流,传到千家万户。
其优点是灵活性较强,中心局有源接点间共用光纤,光缆芯数较少,降低了费用。
缺点是有源接点部分复杂,成本高,维护不方便;另外,如要引入宽带新业务,将系统升级,则需将所有光电设备都更换,或采用波分复用叠加的方案,这比较困难。
(3)无源双星形结构:
这种结构保持了有源双星形结构光纤共享的优点,将有源接点换成了无源分路器,维护方便,可靠性高,成本较低。
由于采取了一系列措施,保密性也很好,是一种较好的接入网结构。
1.3、光纤接入网的形式与特点
[1]根据光网络单元(ONU)的位置,光纤接入方式可分为如下几种:
FTTB(光纤到大楼);FTTC(光纤到路边);FTTZ(光纤到小区);FTTH(光纤到用户);FTTO(光纤到办公室);FTTF(光纤到楼层);FTTP(光纤到电杆);FTTN(光纤到邻里);FTTD(光纤到门);FTTR(光纤到远端单元)。
其中最主要的是FTTB(光纤到大楼)、FTTC(光纤到路边)、FTTH(光纤到用户)三种形式。
FTTC主要是为住宅用户提供服务的,光网络单元(ONU)设置在路边,即用户住宅附近,从ONU出来的电信号再传送到各个用户,一般用同轴电缆传送视频业务,用双绞线传送电话业务。
FTTB的ONU设置在大楼内的配线箱处,主要用于综合大楼、远程医疗、远程教育、及大型娱乐场所,为大中型企事业单位及商业用户服务,提供高速数据、电子商务、可视图文等宽带业务。
FTTH是将ONU放置在用户住宅内,为家庭用户提供各种综合宽带业务,FTTH是光纤接入网的最终目标,但是每一用户都需一对光纤和专用的ONU,因而成本昂贵,实现起来非常困难。
[2]根据接入网框架和体制要求,接入网的重要特征可以归纳为如下几点:
(1)接入网对于所接入的业务提供承载能力,实现业务的透明传送。
(2)接入网对用户信令是透明的,除了一些用户信令格式转换外,信令和业务处理的功能依然在业务节点中。
(3)接入网的引入不应限制现有的各种接入类型和业务,接入网应通过有限的标准化的接口与业务节点相连。
(4)接入网有独立于业务节点的网络管理系统,该系统通过标准化的接口连接TMN,TMN实施对接入网的操作、维护和管理。
[3]与其他接入技术相比,光纤接入网具有如下优点:
(1)光纤接入网能满足用户对各种业务的需求。
人们对通信业务的需求越来越高,除了打电话、看电视以外,还希望有高速计算机通信、家庭购物、家庭银行、远程教学、视频点播(VOD)以及高清晰度电视(HDTV)等。
这些业务用铜线或双绞线是比较难实现的。
(2)光纤可以克服铜线电缆无法克服的一些限制因素。
光纤损耗低、频带宽,解除了铜线径小的限制。
此外,光纤不受电磁干扰,保证了信号传输质量,用光缆代替铜缆,可以解决城市地下通信管道拥挤的问题。
(3)光纤接入网的性能不断提高,价格不断下降,而铜缆的价格在不断上涨。
(4)光纤接入网提供数据业务,有完善的监控和管理系统,能适应将来宽带综合业务数字网的需要,打破“瓶颈”,使信息高速公路畅通无阻。
当然,与其它接入网技术相比,光纤接入网也存在一定的劣势。
问题是成本较高。
尤其是光节点离用户越近,每个用户分摊的接入设备成本就越高。
另外,与无线接入网相比,光纤接入网还需要管道资源。
这也是很多新兴运营商看好光纤接入技术,但又不得不选择无线接入技术的原因。
2、以太无源光网络
EPON(EthernetPassiveOpticalNetwork)
2.1、EPON的概念
2.1.1、无源光网络
PON是无源光网络(PassiveOpticalNetwork)的简称,由光线路终端OLT(OpticalLineTermina1)、光网络单元ONU(OpticalNetworkUnit)和无源分光器POS(PassiveOpticalSplitter)组成。
所渭“无源”,就是指ODN(OpticalDistributionNetwork)全部由无源光分路器和光纤等无源光器件组成,不包括有源器件。
PON系统为点到多点(P2MP)的拓扑结构,采用WDM技术,实现单模光纤双向传输,下行数据采用广播技术,上行数据采用TDMA技术。
PON系统优势在于无源光器件不易受雷电损坏和辐射干扰、网络结构灵活易于扩展、共享馈线段光纤可节约铺设成本、业务透明性好、多业务支持能力、易于管理维护、具有较为完善的加密机制等。
目前,PON的大主两流技术为EPON和GPON技术。
图2.1.1PON的两个主要标准体系
2.1.2、以太无源光网络
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。
IEEE802.3定义了以太网的两种基本操作模式。
第一种模式采用载波侦听多址访问/冲突检测(CSMA/CD)协议而应用在共享媒质上;第二种模式为各个站点采用全双工的点到点的链路通过交换机连接到一起。
相应的,以太网MAC可以工作于这两种模式之一:
CSMA/CD模式或全双工模式。
EPON媒质的性质是共享媒质和点到点网络的结合。
在下行方向,拥有共享媒质的连接性,而在上行方向其行为特性就如同点到点网络。
下行方向:
OLT发出的以太网数据报经过一个1:
n的无源光分路器或几级分路器传送到每一个ONU。
N的典型取值在4~64之间(由可用的光功率预算所限制)。
这种行为特征与共享媒质网络相同。
在下行方向,因为以太网具有广播特性,与EPON结构和匹配:
OLT广播数据包,目的ONU有选择的提取。
上行方向:
由于无源光合路器的方向特性,任何一个ONU发出的数据包只能到达OLT,而不能到达其他的ONU。
EPON在上行方向上的行为特点与点到点网络相同。
但是,不同于一个真正的点到点网络,在EPON中,所有的ONU都属于同一个冲突域――来自不同的ONU的数据包如果同时传输依然可能会冲突。
因此在上行方向,EPON需要采用某种仲裁机制来避免数据冲突。
2.2、EPON的原理
2.2、EPON的系统结构
一个典型的EthernetoverPON系统由OLT、ONU、POS组成。
OLT(OpticalLineTerminal)放在中心机房,ONU(OpticalNetworkUnit)放在用户设备端附近或与其合为一体。
POS(PassiveOpticalSplitter)是无源光纤分支器,是一个连接OLT和ONU的无源设备,它的功能是分发下行数据,并集中上行数据。
EPON中使用单芯光纤,在一根芯上转送上下行两个波(上行波长:
1310nm,下行波长:
1490nm,另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长,来传递模拟电视信号)。
OLT既是一个交换机或路由器,又是一个多业务提供平台,它提供面向无源光纤网络的光纤接口(PON接口)。
根据以太网向城域和广域发展的趋势,OLT上将提供多个1Gbps和10Gbps的以太接口,可以支持WDM传输。
OLT还支持ATM、FR以及OC3/12/48/192等速率的SONET的连接。
如果需要支持传统的TDM话音,普通电话线(POTS)和其他类型的TDM通信(T1/E1)可以被复用连接到出接口,OLT除了提供网络集中和接入的功能外,还可以针对用户的QoS/SLA的不同要求进行带宽分配,网络安全和管理配置。
OLT根据需要可以配置多块OLC(OpticalLineCard),OLC与多个ONU通过POS(无源分光器)连接,POS是一个简单设备,它不需要电源,可以置于相对宽松的环境中,一般一个POS的分光比为8、16、32、64,并可以多级连接,一个OLTPON端口下最多可以连接的ONU数量与设备密切相关,一般是固定的。
在EPON中系统,OLT到ONU间的距离最大可达20km。
在下行方向,IP数据、语音、视频等多种业务由位于中心局的OLT,采用广播方式,通过ODN中的1:
N无源分光器分配到PON上的所有ONU单元。
在上行方向,来自各个ONU的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1:
N无源分光器耦合到同一根光纤,最终送到位于局端OLT接收端。
根据ONU在所处位置的不同,EPON的应用模式又可分为FTTC(光纤到路边)、FTTB(光纤到大楼)、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。
在FTTC结构中,ONU放置在路边或电线杆的分线盒边,从ONU到各个用户之间采用双绞线铜缆;传送宽带图像业务,则采用同轴电缆。
FTTC的主要特点之一是到用户家里面部分仍可采用现有的铜缆设施,可以推迟入户的光纤投资。
从目前来看,FTTC在提供2Mbps以下窄带业务时是OAN(称光纤接入网)中最现实、最经济的方案,但如需提供窄带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想。
在FTTB结构中,ONU被直接放到楼内,光纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN,即FTTB+ADSL、FTTB+Cable和FTTB+LAN等方式接入用户家中。
FTTB与FTTC相比,光纤化程度进一步提高,因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区。
FTTO和FTTH结构均在路边设置无源分光器,并将ONU移至用户的办公室或家中,是真正全透明的光纤网络,它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束,是光纤接入网络发展的理想模式和长远目标。
2.3、EPON4.EPON的传输原理
EPON与APON最大的区别是EPON根据IEEE802.3协议,包长可变至1518字节传送数据,而APON根据ATM协议,按照固定长度53个字节包来传送数据,其中48个字节负荷,5个字节开销。
这种差别意味着APON运载IP协议的数据效率低且困难。
用APON传送IP业务,数据包被分成每48个字节一组,然后在每一组前附加上5个字节开销。
这个过程耗时且复杂,也给OLT和ONU增加了额外的成本。
此外,每一48个字节段就要浪费5个字节,造成沉重的开销,即所谓的ATM包的税头。
相反,以太网传送IP流量,相对于ATM开销急剧下降。
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/下行技术分别如图2.3-1所示:
图2.3-1EPON上行/下行技术
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)。
图2.3-2上下行传输原理
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),在图3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,图2.3-2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,动态带宽调整的进一步说明见后面章节)。
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ONU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:
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
2.4、EPON的技术优点
EPON的优点主要表现在:
(1)相对成本低,维护简单,容易扩展,易于升级。
EPON结构在传输途中不需电源,没有电子部件,因此容易铺设,基本不用维护,长期运营成本和管理成本的节省很大;EPON系统对局端资源占用很少,模块化程度高,系统初期投入低,扩展容易,投资回报率高;EPON系统是面向未来的技术,大多数EPON系统都是一个多业务平台,对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。
(2)提供非常高的带宽。
EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽,并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbps。
(3)服务范围大,EPON作为一种点到多点网络,可以利用局端单个光模块及光纤资源,服务大量终端用户。
(4)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、基于PON技术的接入网
3.1、基于PON技术的接入网应用场景
目前,宽带用户大致可以分为商业用户、高端用户、普通用户,下面通过国内某电信运营商针对不同用户群,采取的三种不同接入方的介绍,简要分析PON技术应用场景。
应用场景一:
商业用户,基于EPON/GPON技术的FTTB+DSLAM方式。
商业用户主带宽需求一般相对较高,业务需求以IP业务为主,辅以El语音专线或POTS业务,可以承受较高的资费,对系统的可用性和维护质量要求较高。
应用场景二:
普通家庭用户,基于EPON的FTTN+LAN。
普通家庭客户数量多,业务需求以IP为主,辅以POTS业务,带宽需求一般,对成本和资费敏感。
但随着IPTV、视频通信等高带宽业务的陆续出现,将来的接人带宽升级压力较大。
采用EPON+LAN(多FE端口的ONU)或EPON+DSL(内置DSLAM功能模块)实现FTTB,在提供高带宽的同时可大幅降低网络建设成本,满足普通家庭用户对低资费高带宽的要求。
3.2、应用模式与组网方式
1、目前PON的应用模式:
(1)“PON+DSL”的方案“PON+DSL”的方案,将DSLAM尽量靠近用户,克服xDSL接入距离和带宽的限制,并采用PON设备将下移的DSLAM汇聚。
该方案保护已有铜线投资,实现从铜线到FTTH的过渡,是当前PON应用和发展的主要定位。
(2)移动网络基站互联移动基站互联,需要PON设备支持TDME1业务。
支持源模式:
TDM传输的GPON技术,其传输质量可以与SDH/MSTP相媲美,可以直接利用GPONONU设备的E1端口连接基站。
此外还可以通过GPONONU的GE/FE端口为邻近驻地客户提供以太网数据接入业务,通过同轴有线电视口提供模拟有线电视节目。
(3)“FTTH”光纤到用户EPON非常适合进行FTTH光纤到户的综合业务接入(低成本,丰富的家庭业务接口,
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