EPON媒体接入控制的关键技术研究

随着因特网的普及，骨干网正在高速向前发展，而接入网已经成为信息高速公路的瓶颈。目前无源光网络（PON）因为成本低、对业务透明、易于升级和易于维护管理而深受用户欢迎。

典型的PON系统有窄带无源光网络（NPON）和基于ATM技术的无源光网络（APON）。2000年11月美国IEEE802局域网城域网标准委员会成立了802．3 EFM（Ethernet in the First Mile）工作组，试图引入一种新的宽带接入技术-以太网PON（EPON），并致力于EPON体系规约的标准化。

本文对EPON的技术优势、基本结构进行了简要介绍，讨论了EPON媒体接入控制（MAC）层的关键问题：上行带宽分配与测距，并提出了ONU的软、硬件实现方案。

1　EPON介绍

1.1 系统结构

EPON由光线路终端（OLT）、光合／分路器和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。ONU放置在用户侧，OLT与ONU之间通过无源光合／分路器连接。EPON使用波分复用（WDM）技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送．EPON只在IEEE802．3的以太数据帧格式上做必要的改动，如在以太帧中加入时戳（Time Stamp）、PON－ID等内容．下行采用纯广播的方式，注册后，OLT为已注册的ONU分配PON－ID，由各个ONU监测到达帧的PON－ID，以决定是否接收该帧，如果该帧所含的PON－ID和自己的PON－ID相同，则接收该帧；反之则丢弃。上行采用时分多址接入（TDMA）技术。此外EPON还需通过已定义的接口与电信管理网相连，进行配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及计费管理，完成操作维护管理（OAM）功能。

1.2 EPON与APON的比较

ITU－T已经制定了APON技术的G．983建议。但是APON有两个问题：一是传输速率不够高，下行为622 Mbit／s或155 Mbit／s，上行为155 Mbit／s，带宽被16～32个ONU所分享，每个ONU只能得到5～20 Mbit／s。另一个更主要的问题是，与以太网设备相比，ATM交换机和ATM终端设备相当昂贵。而且，现在因特网工作于TCP／IP协议，用户终端设备都是IP设备，采用ATM技术必须将IP包拆分重新封装为ATM信元，这就大大增加了网络的开销，造成网络资源的浪费。

而EPON融合了PON和以太数据产品的优点，形成了许多独有的优势．EPON系统能够提供高达1 Gbit／s的上下行带宽，这一带宽能够适应现在及将来10年内用户对带宽的需求。由于EPON采用复用技术，支持更多的用户，每个用户可以享受到更大的带宽．EPON系统不采用昂贵的ATM设备和SONET设备，能与现有的以太网相兼容，大大简化了系统结构，成本低，易于升级．由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维护费用大为减少。标准的以太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网络设备．而PON结构本身就决定了网络的可升级性比较强，只要更换终端设备，就可以使网络升级到10 Gbit／s或者更高速率．EPON不仅能综合现有的有线电视、数据和话音业务，还能兼容未来业务如数字电视、VoIP、电视会议和VOD等等，实现综合业务接入。

虽然APON对实时业务的支持性能优越，但随着多协议标签交换（MPLS）等新的IP服务质量（QoS）技术的采用，高层协议与EPON MAC协议相配合，EPON已完全可能以相对较低的成本提供足够的QoS保证．加之EPON的价格优势明显，因而被认为是解决"第一英里"电信接入瓶颈，最终实现光纤到家的优秀过渡方案。

2 EPON MAC的关键技术

2.1 测距技术讨论

由于各个ONU信号到达OLT的时间不确定，并且到达OLT的时延也不同，各个ONU的上行帧会发生碰撞，因此必须采用测距技术进行补偿。各个ONU到OLT的物理距离的不同、环境温度的变化和光电器件的老化等因素都可能产生传输时延。测距的程序可以分为粗测和精测。在ONU的注册阶段，进行静态粗测补偿由物理距离差异造成的时延，而在通信过程中实时进行动态精测，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、带外法和带内开窗法等几种．本文提出了一个综合粗测与精测的简单测距方法，易实现且成本较低，适合应用于EPON系统中。对于粗测过程中可能会发生的冲突，则可以用随机重发的简单算法解决。粗测时由一个计数器进行冲突检测，如计数器超时，则说明注册过程中发生了冲突，ONU需再次发送测距帧．因为在传输过程中不会发生冲突，因此在精测中计数器不会超时。

2.2 上行接入算法研究

在EPON中各ONU共享上行信道，由于上行数据的突发性，如果给每个ONU分配固定的时隙或随机竞争接入，