接入网与交换网：EPON的关键技术

    在EPON系统的设计中引入了非常多的核心技术，也正是这些核心技术的引入，才使得EPON在完全不一样工作原理的以太网中实现光网络的接入和多业务的支持。这些技术主要包括上、下行的TDMA技术和物理层技术两大类。下面分别予以介绍。

    1. 上、下行TDMA接入技术

    目前已成功商用的EPON系统通常都是符合IEEE802．3ah－2004标准的上/下行传输速率均为1． 25Gbps的宽带光纤接入系统，它主要由局端光线路终端（OLT）、用户端光网络单元（ONU，）和光分配网络（ODN）等几部分组成。EPON作为被广泛看好的下一代宽带接入技术，必须而且也能够提供传统TDM业务的经济、可靠接入。这里提及的TDM业务包括语音业务（POTS，Popular Old Telephone Service，传统旧式电话服务）和电路业务（T1/E1，N*64kbps等租用线）两大类。

    尽管传统的TDM业务的ARPU（Average Revenue Per User，每用户平均收入）值已变得越来越低，但是它仍然是运营商现在乃至未来几十年的主要利润来源。近几年，电信业务收入结构呈现“本地话音业务稳中有降，长途话音业务持续下滑，数据业务增长迅速”等显著特点，接入业务结构也呈现“宽带接入超出窄带接入，即接入宽带化趋势，专线接入依然是主要收入来源，窄带接入收入下滑”等特点。运营商在决定是否采用新技术时，一定会充分考虑其对现有技术、投资和客户利益的保护。

    从设备商角度看，为EPON设备提供商，能否有效支持多种业务的可靠传输，也是设备能否得到大规模应用的关键因素之一。这不仅是网络融合趋势的需要，也是弥补EPON与其他宽带接入技术相比劣势的必然选择。

    从用户角度看，作为最终用户，总是希望能在尽可能少地替换现有设备（如小型交换机PBX、电话机、传真机、电视机等）的情况下，轻松升级到更快速、更可靠的网络连接。毋庸置疑，他们总是希望在企业/家庭内部以尽可能简单的布线，实现电话、视频和数据等多种业务的综合接入。

    EPON采用TDMA方式时的关键技术有动态带宽分配、上行信道复用实现技术、以太网在PON上的成帧技术与实现技术、测距与延时补偿、光器件、突发信号的快速同步技术等等。

    在TDMA技术中又包括许多具体的技术，如动态带宽分配技术、上行信道复用技术、测距技术、搅动技术、时钟撮技术和同步接收技术等。下面分别予以介绍。

    动态带宽分配（DBA）技术

    动态带宽分配算法就是实时地（ms/μs量级）改变EPON的各ONU上行带宽的机制。EPON中如果用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适合，如按峰值速率静态分配带宽，则整个系统带宽很快就被耗尽，带宽利用率很低，而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。通过DBA，我们可以根据ONU突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带宽来提高PON上行带宽效率。由于能更有效地利用带宽，网络管理员可以在一个已有的PON上增加更多用户，终端用户也可以享有更好的服务，如用户可以用到的带宽峰值可以超过传统的固定分配方式的带宽。

    上行方向信道中的传输是采用时分复用接入方式来共享光纤的，各个ONU收集来自用户的信息并以 1.25Gbps以上的高速向OLT发送数据，不同的ONU发送的数据占用不同的时隙。随着各种宽带业务的发展，用户对带宽的需求肯定越来越大，如何根据不同用户的业务类型与业务特点合理分配信道带宽，使网络提供者以一套最有效的手段利用网络资源，是决定EPON系统性能的关键技术之一。

    根据EPON的特点及ITU-T G.983建议，可以得出对动态带宽分配设计的具体要求有：业务透明；高带宽利用率；低时延和低时延抖动；公平分配带宽，健壮性好，实时性强。动态带宽分配采用集中控制方式：所有的ONU的上行信息发送，都要向OLT申请带宽，OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权，其分配准许算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分布并请求带宽，OLT根据各ONU的请求公平合理地分配带宽，并同时考虑处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况的处理。

    上行信道复用技术

    时分多址复用（TDMA）方式又可以采用固定时隙的时分多址复用、统计时分多址复用、随机接入等方式。固定时隙时分多址复用方式不足之处有：当其中有的时隙未用时，还是占用一样的带宽；对高突发率业务适应力不强；ONU需要同步。随机接入没有确定的接入时间；由于采用CSMA/CD，故有传输距离的限制。而统计时分多址复用可以克服前两者的不足，所以一般都选择采用统计时分多址复用。上行信号传输在ONU被分配到的时隙里发送以太网帧，统计复用通过提供的数据量的大小来改变时隙大小的方法来实现。
　　TDMA的实现方法是重点，即如何使用TDMA的方法使上行信道的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求。其中，上行带宽的分配方法、ONU发送窗口固定还是可变、最大的ONU发送窗口应为多大、ONU发送窗口的间隔、以太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定。
　　由于数据/视频业务流是自相似的，不存在最佳大小的固定时隙，故流量聚合也不能起多大作用。突发包大小分布为长相关性（大的拖尾），即大多数突发包都比较小，但绝大多数都是有大量的突发包同时出现。上行信号应该采用灵活的请求/许可方式。例如可以通过“逻辑端口”，可以灵活地为一个ONU中的每个用户、每个服务提供许可信号，可以实现灵活操作，或采用“多请求方式”缩短许可周期，并使TCP流量高。

    测距技术

    EPON的点对多点的特殊结构决定了各个ONU对OLT的时延不同，各个ONU的发出的信号会在上行信道发生碰撞，且信号到达OLT的时间具有不确定性。这些特点决定了必须采用测距技术补偿因ONU和OLT之间的距离不同和温度变化引起的传输时间差异。EPON 产生传输时延的根源有两个：一个是物理距离的不同，另一个是环境温度的变化和光电器件的老化等因素。

    EPON测距的程序也相应的分为两步：（1）在新ONU的注册阶段进行的静态粗测，这是对物理距离差异进行的时延补偿；（2）在通信过程中实时进行的动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移。测距方法有扩频法测距、带外法测距和带内开窗法测距等几种。综合考虑，EPON宜采用带内开窗法测距技术。在注册阶段即粗测过程中，使用的GATE（DISCOVERY，发现）、REGISTER REQUEST（注册请求）帧来完成测距。冲突检测由一个计数器完成，如计数器超时，则说明有冲突发生，ONU采取一定的冲突避免策略再次发送 GATE（DISCOVERY）帧。在精测过程使用GATE、REPORT（报告）帧来进行测距，因为在传输过程中不会发生冲突，计数器不会超时。

    搅动技术

    参考G.983标准中对下行搅动的建议，根据EPON的安全性需求和对实现代价的综合考虑，在EPON系统中采用搅动方案来实现信息安全保证。通过对下行数据的搅动解搅动，保证用户信息的隔离，下行数据只有目的ONU可以接收；通过对上行MAC控制帧和OAM帧的搅动解搅动，防止用户通过数据通道伪造MAC控制帧或OAM帧，来更改系统配置或捣毁系统。这是由于PON固有的组播特性决定的。为了保证信息有起码的保密性，系统必须采用这种所谓“搅动”的保护措施。该措施介于传输系统扰码和高层编码之间，这种搅动功能实施信息扰码并能为信息保密提供低水平的保护。

    搅动过程包括OLT和ONU间密钥的同步和更新，分下行搅动和下行搅动两种方案。通过定义新的OAM帧来实现 OLT与ONU之间密钥的握手动态交互，包括：新密钥请求帧，新密钥确认帧，搅动失步通知帧。根据IEEE 802.3ah草案，OAM帧格式上包括了通用以太网帧格式中所有的域，通过唯一的类型标识符0x8809标识，并以2BYTE操控代码区分不同的OAM 帧。

    在EPON的下行方向上，为了隔离用户数据，OLT侧根据下行数据的目的地的不同采用不同的密钥进行搅动处理，为了充分保密，除了保证搅动正常进行的前导码不搅动外，搅动区间为目的MAC地址到FCS域；在ONU侧，对接收到的数据的相应字段根据与OLT侧相一致的密钥，进行解搅动处理，恢复搅动之前的数据。通过这种方式，不同的ONU下行数据根据不同的搅动密钥进行了处理之后，使得不同ONU之间的下行数据互不相知，达到了保证ONU下行数据私密性的要求。

    在EPON的上行方向，为了防止用户假冒，ONU侧对MAC控制帧和OAM帧进行搅动处理，由于要判断帧类型，搅动区间为帧类型标识符0x8808或0x8809之后到FCS域，在OLT侧根据帧类型标识对控制帧和OAM帧的相应字段进行解搅动处理，然后进行 FCS校验，如果正确则表明这是合法的控制帧，进行相关处理。如果出现FCS错误表明这是用户伪造的控制帧或者控制帧在线路上传输错误，应当丢弃，从而防止了合法用户伪造OAM帧或控制帧。

    在密钥的保护方面，G.983规定的搅动算法是：用3byte随机数（X1-X8，P1-P16）作为搅动码，用搅动码根据固定算法生成10bit的辅助搅动参数K1到K10，这34个比特构成了一组搅动密钥，在搅动端利用P1到P8和K1到K10共18比特按照固定对8比特宽的数据流进行搅动，在解搅动端利用同样的18比特对8比特宽的经过搅动的数据流进行解搅动。
     产生有较好随机性的随机数是这个算法的关键，通常选用随机性较好的M序列，利用反馈移位寄存器产生，并从M序列中随机取3byte作为搅动码。根据密码学的原则加密算法是可以公开的，而密钥是保密的，EPON也是如此。EPON的搅动加密是单钥体制（对称密钥），即无论加密还是解密都使用同一个密钥。

    这种密钥方案的优点是：安全性高、加解密速度快。OLT和ONU双方通过握手和同步机制保证密钥同步，密钥是由OLT进行请求，ONU产生，上行发送给OLT的，不可能被用户截获。从连续不断运算的M序列中随机取3byte作为搅动码，1byte共有28＝ 256种可能组合，从中随机取3byte共有256×254×253＝16581120种组合，抗密码分析能力很强。

    时钟提取技术

    对于系统的高速率，快速同步是必须解决的核心问题。而其中ONU和OLT以及上下行比特码的时钟一致是其中的关键。目前一般都采用PLL（锁相环）从下行信号中提取时钟，利用帧同步字检测方式实现帧同步。

    同步接收技术

    EPON是一个网同步系统，需要实现OLT与ONU之间的快速同步。各个ONU与OLT都需要有一个同步接收的问题，否则一旦发生bit错位或者相位突变，数据接收错误不但影响到数据严重丢失，不断重传，还有可能导致网络拥塞和网络瘫痪。

   SLA（服务等级协议）

    传输话音和视频业务时要求延时既恒定又很小，延时抖动也要小。一种方法是对不同服务质量要求的信号设置不同的优先权等级。另一种技术是采用保留带的方法，提供一个开放的高速通道，不传输数据，而专门用来传输语音业务，以确保POTS等需要保证响应时间的业务能得到高速传送。
2. 物理层关键技术

    在EPON物理层（主要是PMD（物理媒介相关层）中也引入的了几种关键技术，主要用于上、下行数据突发和接收，以及突发时钟恢复。下面是具体的介绍。

    突发数据发送技术

    EPON的点对多点（P2MP）的特殊结构和时分多址（TDMA）的接入方式决定了ONU发送机工作在突发发送的模式下。这就对激光器的响应速度，更重要的是对发射机输出光功率控制电路提出了新的要求。传统APC电路针对连续传输设计，其偏置电流在整个传输过程中恒定不变。然而在突发模式中，激光器被不断地打开和关闭，其偏置电流必须能快速地响应变化。否则很可能在直流偏置还没有调整到指定值之前，ONU的发送已经结束，激光器又要关闭，直流偏置重新归零，这导致自动功率控制回路无法正常工作。因此，传统连续模式的自动功率控制回路是无法正常工作在突发模式下的。针对这种情况提出两种解决方案：

    方案一是采用数字APC电路的方法。在每个ONU突发发送期间特定时间点对激光器的输出光信号进行采样，根据激光器输出光功率的具体样值，按一定的算法对激光器的直流偏置进行调整。采样值在两段数据发送时间间隔内保存，这就解决突发模式下的自动功率控制问题。但是数字APC存在一些缺点，如它需要一个微控制器的参与，并需要一块高速的RAM，不利于模块的集成，且对微控制器的速率要求较高。

    方案二是对传统连续模式自动功率控制电路进行修改，使其能工作于突发模式之下。连续模式的自动功率控制回路之所以不能正常工作在突发模式下，是由于当激光器关闭时，直流偏置切断，当激光器被重新打开时，自动功率控制回路已丢失了原来的状态，直流偏置呈现不连续的变化。只要能在激光器关闭期间保持自动功率控制回路的状态不变，当激光器被重新打开时，自动功率控制回路就能在前一个突发间隔结束状态的基础上继续进行工作，直流偏置的变化将是一个连续的过程，因而自动功率控制回路将能稳定工作在突发模式下。

    自动功率控制回路主要是通过一个模拟开关和一个运放来实现。图中模拟开关COM引脚连接激光器APC控制的反馈回路，IN引脚连接激光器的控制信号，低电平时选通激光器。当输入信号IN为高电平时，输出COM与输入NO连通；当输入信号为低电平时，输出COM与输入NC连通。通过利用运放近似无穷大的输入阻抗，在激光器关闭期间来保持电容CAPC上的电荷不被释放掉，同时保持激光器CAPC引脚的电压不变，从而实现在激光器关闭时，“记忆”自动功率控制回路的直流偏置值来满足突发工作要求。

    经过实验比较，使用激光驱动芯片自带的Enable引脚开关激光器典型值为：打开延迟250ns，关断延迟 34ns。而通过方案二所示的APC稳定电路控制激光器直流偏置，激光器从截至状态过渡（光功率为0）到打开状态（光功率稳定）需要约10ns，从稳定的打开状态到截至状态仅需要5ns，完全满足1.25Gbps速率下突发传送的要求。

    突发数据接收技术

    在EPON系统中，上行数据流由各个ONU以突发形式到达OLT。由于突发信号的不确定性，0码和l码在整个上行信道上的不均衡性以及每个ONU和OLT之间的不同传输距离等各种因素造成各个OLT接收到的各个ONU的信号强度各不相同。在极限情况下，从最近 ONU发来的代表0信号的光强度甚至比从最远ONU传来的代表l信号的光强度还要大。为了正确恢复出原有数据，OLT必须根据每个ONU的信号强度实时调整接收机的判决门限。

    现有的突发模式接收机分为直接耦合方式和交流耦合两大类。

    直流耦合模式的基本构思：依据接收的突发信号，通过测量其光功率而做出相应的调节。根据反馈方式不同又可以分为自动增益控制（后向反馈模式）和自动门限控制（前向反馈模式）两种方式。直流耦合模式接收机在整个信元时间内动态调整判决电平，如果为了提高传输效率而减小自适应阀值控制电路放电时间，但这样会使误码性能下降，因此会引入传输容量代价，而且在一个信元时间内阈值的抖动也会引入灵敏度代价。如果通过在信头插入一定的比特位来确定判决阈值，则引入了传输容量代价，并且噪声对阈值的影响会引入灵敏度代价。

    交流耦合模式的基本构思：由于接收到的高速数据流被看做是高频信号的话，前后两个数据流之间平均功率的变化可以认为是低频信号，因此，只需要一个高通滤波器滤除低频信号就可以完成判决门限恢复。经过交流耦合的信号即转换成可以用0电平作为门限电压的信号。采用交流耦合方式的系统相对直流耦合方式将会付出约1.5dB的灵敏度代价。

    不管采用哪种模式，突发接收会都对系统性能造成一定影响，相对于传统连续模式光接收机将付出一定的光功率代价。在突发接收过程中，对系统性能造成影响的因素主要有两个：一是接收机中固有高斯噪声影响了判决门限的判定，使其偏离最佳值，进而造成接收灵敏度损失；第二个因素来源于接收机中门限检测电路的有限的充放电时间常数。

    突发时钟恢复技术

    EPON中OLT端的接收机必须工作在突发模式下。因此，突发模式下的高速时钟和数据恢复技术就成为其关键技术之一。传统的锁相环虽然能应用于GHz数量级的系统中，但是其同步时间较长，不能满足突发模式下的高速时钟同步的要求。突发模式下的时钟恢复技术可总结为时间上的附加抽样和空间上的附加抽样两大类。

    时间上的附加抽样法，即用一个更高速的时钟，由对数据抽样所得的图案和已知图案比较，从而得到同步时钟。但是对G比特级别的数据来说，需要一个达到约5G的采样速率，使得这种方案相当难实现。相对来说，使用多路时钟进行空间上的附加抽样要简单得多，也易于实现。