EPON体系结构

1. EPON系统组成

以太网无源光网络（EPON）是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网， 其典型拓扑结构为树型。EPON系统由局侧的光线路终端（OLT）、用户侧的光网络单元（ONU） 和光分配网络（ODN）组成，为单纤双向系统。在下行方向（OLT到ONU）, OLT发送的信 号通过ODN到达各个ONU。在上行方向（ONU到OLT）, ONU发送的信号只会到达OLT, 而不会到达其他ONU。为了避免数据冲突并提高网络利用效率，上行方向采用TDMA多址 接入方式，并对各ONU的数据发送进行仲裁。ODN在OLT和ONU间提供光通道。EPON 系统组成如图2-1所示。
用户侧接口 其中，IFPON 为 PON 专用接口，POS 代表无源光分路器（POS, Passive Optical Splitter）, ODN中的无源光分路器可以是一个或多个光分路器的级联。

1. OLT

OLT 一方面将承载各种业务的信号在局端进行汇聚，按照一定的信号格式送入接入 网，以便向终端用户传输，另一方面将来自终端用户的信号按照业务类型分别送入各种业 务网中。OLT的作用是为应用提供网络侧与本地交换机及本地内容服务器之间的接口， 并经ODN与用户侧的ONT进行通信。OLT可以直接设置在本地交换机接口处，也可以 设置在远端。
OLT在S/R点提供与ODN连接的光接口，应至少能提供一个或一个以上的ODN侧接口。 OLT可以与本地交换机或/和本地内容服务器共处一地，也可以安装在远端，其功能块如图 2-2所示。
由图2-2可知，OLT功能是由3部分构成的，即核心部分、业务部分和公共部分。 （1） 核心部分
OLT的核心部分功能包括汇聚分发和业务处理功能以及ODN适配功能。

汇聚分发和业务处理功能用于对不同业务类的信息进行处理，包括复用/解复用、交换和/ 或交叉、业务质量控制、带宽管理、用户隔离和业务隔离、广播和多播等，上行与业务接口功 能相连，下行与ODN适配功能相连。其中，复用/解复用功能用于为各类业务流量实现在ODN 方向上的发送和接收提供统一复用的信息传送通道；交换和/或交叉功能，用于为OLT的ODN 侧可用的带宽与OLT网络侧可用的带宽提供交换和/或交叉能力；业务质量控制功能是指为保 证OLT业务处理过程中各类业务的QoS、安全等特性所需的对OLT资源和相关业务流量的控 制功能；用户隔离和业务隔离功能是指基于用户或业务类型对流量釆取的隔离措施，以防止用 户数据的私有性被破坏和业务被窃取；广播和多播功能是指OLT节点为实现点到多点流量传 输所应支持的广播和多播能力，以提高带宽使用效率。

ODN适配功能对ODN接口（S/R点）进行分配，一个OLT可以提供至少一个ODN接 口，并具有一系列物理光接口的适配功能，包括光/电和电/光转换、物理媒质访问控制以及 定时同步功能。需要光路保护时，OLT应能提供备用ODN接口。
（2） 业务部分
OLT业务部分具有业务接口功能，可包括接口适配、接口保护以及在需要时具有特定业 务（如语音业务等）的信令处理和媒质传输制式的转换功能。OLT业务部分应至少提供一种 业务端口。
（3） 公共部分
OLT公共部分功能包括供电与OAM功能。供电功能将外部供电转换为所需的电源，必 要时提供电源保护功能。OAM功能提供必要的手段来处理所有功能块的运行、管理和维护 功能，并可提供网络运营相关的信息（如计费原始信息）。公共部分功能还提供OAM接口功 能。对于本地控制’可以提供测试接口。通过网络管理接口（NMI, Network Management Interface）接口还可以与上层网管系统相连。

2. ONU/ONT

ONU/ONT的作用是对相应用户的不同业务进行复用和解复用，以便在上行方向将各种 不同的家庭终端的不同业务信号复用起来，在同一传输媒质中传输；而在下行方向将不同的 业务解复用，通过不同的接口送到相应的终端（如电话机、电视机、计算机等）。UNI支持 语音、视频、数据等业务接入，并为用户提供对外的接口。ONU/ONT还在R/S处提供与ODN 之间的光接口，在UNI点实现FTTx用户侧的接口功能，其功能块如图2-3所示。 由图2-3可知，ONU/ONT功能是由3部分构成的，即核心部分、业务部分和公共部分。
（1） 核心部分
ONU/ONT核心部分功能包含与ODN的接口适配功能和业务处理功能。与ODN的接口 适配功能提供一系列物理光接口适配，包括光/电和电/光转换。
业务处理功能对不同业务类的信息进行处理，如复用/解复用、业务质量控制和安全机制 等，上行与ODN适配功能相连，下行与用户业务接口功能相连。其中，复用/解复用功能为 各类业务流量实现在ODN方向上的发送和接收提供统一复用的信息传送通道；业务质量控 制和安全机制是指为保证ONU/ONT业务处理过程中各类业务的QoS、安全等特性所需的对 ONU/ONT资源和相关业务流量的控制功能。
（2） 业务部分
ONU/ONT的业务部分提供用户网络接口功能，如提供给用户的POTS、以太网、CATV 等业务接口。
（3） 公共部分
ONU/ONT公共部分功能包括供电与OAM功能。其中，供电功能为ONU/ONT供电（如 交流/直流转换或直流/直流转换），一般采用本地供电。ONU/ONT应该支持节能功能。 ONU/ONT应能在备用电池条件下正常工作。OAM功能为ONU/ONT的所有功能块提供处理 运行、管理和维护功能，如不同功能块的环回控制功能等。

3. ODN

ODN是FTTx网络中参考点S/R和R/S之间的部分，如图2-4所示。其作用是将OLT和ONT连接起来，为OLT与ONT之间提供传输手段。 ODN可由OLT和ONT之间直接连接的光纤/光纤组成，也可包含具有汇聚/分配功能的 光分配点（ODP）, ODP主要完成光信号的分路/合路功能。包含ODP的ODN具有若干内部 参考点，如ODPu、ODPdo参考点S/R与ODPu之间的光缆线路为FTTx主干线路，参考点 ODPd与R/S之间的光缆线路为FTTx支线线路。釆用有源方式实现的ODP主要完成有源电 信号的汇聚/分配/处理功能等，其功能块如图2-5所示。 有源ODP的功能由两部分构成，即核心部分和公共部分。
（1） 核心部分
ODN核心部分功能包含业务汇聚/分配功能和线路适配功能。业务汇聚/分配功能是指以 实现FTTx网络拓扑适配为目的，在ODP处的业务信号汇聚、分配等处理功能（可以包括 FTTx提供某些特定业务时所需的多播控制功能）以及用于保证各类业务信号所需服务特性 （如QoS、安全等）的控制功能。线路适配功能主要包括一系列物理线路光接口的适配功能， 包括光/电和电/光转换。在进行光路保护时，线路适配功能应能提供备用线路接口功能。
（2） 公共部分
有源ODP公共部分功能包括供电和OAM功能。供电功能将外部供电转换为所需的电源, 必要时提供电源保护功能；OAM功能则提供必要的手段来处理所有功能块的运行、管理和 维护。有特殊需要时，公共部分功能还可提供OAM接口功能。
EPON系统应使用符合ITU-T G.652要求的单模光纤。EPON系统为单纤双向系统，上、 下行应分别使用不同的波长，其中上行应使用1 260〜1 360nm波长，下行应使用1 480〜 1 500nm波长，如果采用第三波长方式实现CATV业务承载，则应使用1 540〜1 560nm波长。

4. 接口

EPON系统有3类主要接口，即网络侧接口、用户侧接口和网络管理接口。
(1) 网络侧接口
业务节点接口(SNI)是AN和一个SN(业务节点)之间的接口。如果AN-SNI侧和SN-SNI 侧不在同一个地方，可以通过透明传送通道实现远端连接。通常，AN需要支持大量的接入 类型，而SN主要有3种情况：仅支持一种专用接入类型；可支持多种接入类型，但所有接 入类型支持相同的接入承载能力；可支持多种接入类型，且每种接入类型支持不同的接入承 载能力。按照特定SN类型所需要的能力，根据所选接入类型、接入承载能力和业务要求可 以规定合适的SNIo
EPON系统的网络侧必须支持吉比特以太网(GE, Gigabit Ethernet)接口，•可选支持 10/100Base-T、10GBase-X 接口。GE 接口可以是 1 000Base-LX、1 000Base-SX、1 000Base-CX 和1 OOOBase-T接口中的一种或多种。当EPON提供TDM数据专线业务承载能力时，网络侧 应支持EI接口；当EPON提供语音业务时，网络侧应支持V5.2协议或H.248协议、媒质网 关控制协议(MGCP, Media Gateway Control Protocol)协议中的一种。
(2) 用户侧接口
用户侧接口是用户和网络之间的接口。用户口功能(UPF, User Port Function)仅与一个 SNI通过指配功能建立固定联系，这一原则既适用于单个的UNL也适用于共享的UNI。在 单个UNI的情况下，ITU-T所规定的UNI (包括各种类型的公用电话网和ISDN的UNI)应 当用于AN中，以便支持目前所能提供的接入类型和业务。当一个以上的业务节点(SN)可 以通过单个UNI接入时(如UNI采用ATM方式时)，单个UNI可以支持多个逻辑接入，其 中每个逻辑接入经由一个SNI连接至不同的SN。
EPON系统的用户侧必须支持10/100Base-T接口，可选支持GE接口。当EPON提供TDM 数据专线业务承载能力时，用户侧应支持E1接口；当EPON提供语音业务承载能力时，网 络侧应支持Z接口或Za接口。
(3) 网络管理接口
接入网的管理应纳入TMN的管理范畴，因而AN应通过TMN的标准管理接口 Q3接口 经协调设备(MD, Mediation Device)与TMN相连，以便统一协调不同网元(如AN和SN) 关于 UPF、传送功能(TF, Transfer Function)和业务端 口功能(SPF, Service Port Function) 的管理，形成用户所需要的接入和接入承载能力。

2. 层次模型

对于以太网技术而言，PON是一个新的媒质。IEEE 802.3工作组定义了新的物理层。而 对以太网MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质。按照 IEEE 802.3ah的规定，EPON系统的协议分层以及ISO/IEC OSI参考模型之间的关系如图2-6 所示。 
EPON的分层模型是在IEEE 802.3定义的以太网分层模型的基础上建立的。高层主要完 成业务控制功能。为了使EPON具有QoS能力，要在ONU侧使用排队技术，即为不同业务 的队列划分优先级，优先级队列的管理和调度是在高层完成的。MAC控制层主要完成与点 到多点PON相关的功能，如ONU的发现和测距、下行帧的广播和上行帧的多址接入等问题。
EPON物理层通过GMII接口与调和子层(RS, Reconciliation Sublayer)相连，担负着为 MAC层传送可靠数据的责任。物理层主要功能有：将数据编成合适的线路码；完成数据的前 向纠错；将数据通过光电、电光转换完成数据的收发等。现将各子层的的功能进行简要介绍。

1. PMD子层

物理媒质相关(PMD, Physical Medium Dependent)子层的基本功能是发送和接收光信 号以及实现信号监测功能。光发送器通过串行接口接收来自PMA的码流，然后将码流转换 为适合在链路上传输的物理信号，物理信号在通过媒质相关接口(MDL Medium Dependent Interface)输出到无源光介质上。
光接收器通过MDI接收来自物理介质的物理信号，取得同步判决时钟将物理信号还原为 码流。同时，光接收器还监测接收信号的质量，如果它足够好，则产生Signal_Detect信号， 通过PMA送到物理编码子层(PCS, Physical Coding Sub-layer)的同步模块。
在EPON系统中，OLT与ONU在PMD上实现的不同之处主要就在于接收时的码流同 步判决时钟提取电路。由于ONU的接收为连续接收，因此可以采用经典的锁相环方法将本 地接收时钟与OLT所发送的连续比特流同步。而对OLT,它的接收为突发接收，因此要求在 非常短的时间内(小于100ns)恢复本地接收时钟，普通的锁相环方法不再适用，因此需要釆 取新的同步时钟提取方案。

2. PMA子层

物理媒质附加(PMA, Physical Medium Attachment)子层的基本功能是实现并/串以及串/ 并的转换。发送时，PMA接收来自PCS的经8B/10B编码后的10位代码组，利用本地发送时 钟将其并/串转换后，再以升位顺序送给PMD。接收时，PMA从PMD接收串行比特流，利用 PMD取得的同步时钟在代码组对齐模块的控制下对比特流进行串/并转换后，再送给PCS。此 外，PMA还有反馈功能，可以将PMA的发送与接收短路，主要用于测试功能。

3. PCS子层

PCS子层处于物理层最上层，上接吉比特媒质无关接口(GMIL Gigabit Media Independent Interface),下接PMA子层，主要实现8B/10B和10B/8B编码变换。10位数据能有效减小直 流分量以便接收端时钟提取并降低误码率，因此该层把上层送来的8位并行数据转换成10 位并行数据输出。

发送时，PCS进行8B/10B的编码，加入帧开始字符、帧结束字符和帧间的逗号字符。 另外，当ONU发送时，还需在帧开始字符之前加入一部分训练比特，因为各ONU的发送时 钟不相关，OLT接收时，在切换不同ONU时，PMD的同步判决时钟提取电路需要重新提取 同步时钟。另外，激光器的开启也需要一定时间，因此这段时间内不能发送有效数据，只能 发送训练比特。

接收时，PCS进行8B/10B译码，并且检测帧开始字符、帧结束字符，并去掉帧间逗号 字符和训练比特。
在OLT侧，PCS的发送和接收都采用连续的工作模式，而在ONU侧的PCS子层是连 续接收OLT侧来的广播数据，发送却是断断续续地工作。因此，EPON的PCS子层不仅要 能像普通的吉比特PCS子层一样在连续的数据流状态下能正常工作，在进行突发发送和突 发接收时也要保持稳定。其中OLT侧的突发同步和突发接收是实现EPON系统PCS子层技 术的关键。

4. FEC子层

可选子层FEC位于PCS和PMA之间，主要包括以下功能。
发送：接收从PCS层发来的包，进行10B/8B变换后执行FEC编码算法，用校验字节取 代一部分扩展的包间间隔，最后把整个包经过8B/10B编码再发给PMA层。
字节对齐：接收从PMA层来的信号并对齐帧，选择FEC子层时禁止PMA子层的字节对齐。 接收：把经字节对齐的数据进行RS译码、插入空闲码后发送到PCS层。
EPON系统使用前向纠错技术具有以下优点：减小激光器发射功率预算和功耗；增加光 信号最大传输距离；减小误码率；大分路•比的光分路器衰减很大，配合前向纠错技术可在同 样接入距离内，支持更多的接入用户。因此，前向纠错技术使我们可以选择价格低廉的激光 器作为光源。虽然它同时也会增加开销和系统的复杂性，并使有效传输速率减小，但总体来 说，对EPON系统利大于弊，是一种较好技术方案。

5. RS子层

调和子层（RS）的基本功能是将GMII的数据与相关控制信号映射到百兆以太网的PLS 服务原语。
在EPON系统中，对RS的功能进行了扩展。利用RS的扩展功能来进行点到点信道的 模拟，把EPON的点到多点的结构，模拟为一个多条点到点信道的集合。下文中会对此进行 详细的描述。

6. MAC子层

MAC层的基本功能是成帧。在EPON的MAC层中，除了沿用802.3数据帧和PAUSE 控制帧以外，还增加了 5种控制帧。ONU注册过程中使用GATE、REGISTER_REQ、 REGISTER、REGISTER ACK,动态带宽分配过程中使用GATE、REPORT。
7. MPMC子层
多点MAC控制（MPMC, Multi-Point MAC Control）子层的基本功能就是完成ONU向 OLT的注册流程控制和OLT对ONU的动态带宽分配。
在802.3中只定义了以太网在点到点信道以及全广播信道上的通信方式。而EPON则是 一个点到多点的拓扑结构，因此EPON利用了 MPMC子层，通过运行在MPMC子层上的多 点控制协议（MPCP）,从而实现点到多点的通信。ONU的注册和OLT对ONU发送窗口的 分配都是通过MPCP协议完成的。

3. 互通性参考模型

EPON系统的互通可分为3个部分：EPON基本功能的互通、业务承载相关功能的互通 以及运行、管理和维护（OAM）功能的互通，如图2-7所示。

1. EPON基本功能的互通

EPON基本功能的互通包括PMD （物理媒质相关）、PMA （物理媒质附加）、PCS （物理 编码子层）、RS （调和子层）、MAC （媒质接入控制）、MPMC （多点MAC控制）等子层的 互通，也包括DBA （动态带宽分配）、FEC （前向纠错）等功能。

2. 业务承载相关功能的互通

业务承载相关功能的互通主要是指为正常开展各种业务（数据、语音、视频等），要求确 保协议的一致性和功能上的互操作，包括多业务环境下的QoS互通、多播控制功能的互通、 安全性的互通以及时分复用（TDM）业务和语音业务的互通。

3. 运行、管理和维护（OAM）功能的互通

运行、管理和维护（OAM）功能的互通是指通过OLT的网络管理系统，对不同厂商的 ONU进行必要的运行、管理和维护，包括扩展OAM能力的发现，ONU的基本信息和能力 的通告，密钥交换、更新与同步功能，用户端口的配置功能和管理、多播的配置功能和管理， VLAN配置和管理，QoS相关功能和参数配置,DBA参数的读取和设置功能以及重启动ONU 等操作功能。
OAM功能的互通包含基本功能互通所必需的OAM功能（主要涉及对EPON基本功能 的配置管理）和部分必需的，与业务承载相关的OAM功能（主要涉及对部分业务承载功能 的配置管理）。