EPON技术及工作原理(3)

3.PMA子层

EPON的PMA层技术同千兆以太网PMA层技术相比没有什么变化，其主要功能是完成串

并、并串转换，时钟恢复并提供环回测试功能，它同相邻子层的接口是TBI接口。

4.PMD子层

EPON的PMD子层的功能是完成光电、电光转换，按1.25Gbps的速率发送或接收数据。802.3ah要求传输链路全部采用光无源器件，光网络能支持单纤双向全双工传输。上下行的激光器分别工作在1310nm和1490nm窗口；光信号的传输要做到当光分路比较小的时候，最大传输20km无中继。

按所处位置的不同，光模块又可以分为局端和远端两种。对于远端的光模块而言，接收机处于连续工作状态，而发送机则工作于突发模式，只有在特定的时间段里激光器才处于打开状态，在剩下的时间段里，激光器并不发送数据。由于激光器发送数据的速率是1.25Gbps，因此要求激光器的开关的速度要足够快。同时要求在激光器处于关闭状态时，要使从PMA层发送过来的信号全部为低，以确保不工作的ONU激光器的输出总功率叠加不会对正在工作的激光器的信号造成畸变影响。

2.2 EPON关键技术

2.2.1 EPON物理层的关键技术

EPON是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输、基于以太网和TDM时分复用的MAC（Media Access Control）媒体访问控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。从物理层看，EPON从电气、机械、规程、功能特性等功能基本上采纳了Ethernet的GE或1000BASE的标准，包含物理层协议 PHY（Physical Layer Protocol）和物理媒介协议PMD（Physical Medium Dependence Protocol）两大子层功能。在物理层，EPON使用1000BASE的以太网物理层协议PHY，无源光纤传输方式。（二）EPON数据链路层的关键技术EPON数据链路层分为逻辑LLC（Link Layer Control Protocol）和MAC两大部分。LLC遵循的标准为802.2 ，MAC遵循的标准为802.3（CSMA/CD）等。EPON在数据链路层的MAC层采用多点控制协议MPCP(Multi-Point Control Protocol，MPCP)，基于TDM时分复用的控制协议，OLT是控制中心，利用时间标记字段在下行传输GATE MAC控制信息，实现ONU与OLT同步，ONU接收GATE信息并传送REGISTER_REQUEST信息，在预定的时间周期内将其注册到 OLT，OLT利用REGISTER信息回复给ONU，用以指明认可ONU的注册。这样通过对时间分片，将不同的时间片指定给不同的ONU设备使 用，ONU自动回报带宽需求给OLT， OLT自动发现ONU的过程，包含了带宽排序和Logical Link IDs(LLID)的指定，灵活地将不同的网络带宽赋予不同带宽需求的ONU，实现动态带宽分配(Dynamic Bandwidth Allocation，DBA)，实现了用户带宽的有效控制，从而避免数据传输过程的冲突问题以及复杂的冲突检测问题。而这种带宽控制功能一般需要在路由 器或者宽带接入服务器上才能够实现，是Ethernet所不具备的。OLT与ONU的光收发器的参数由OLT与ONU的交流控制机制而达到最佳状态。

2.2.2 EPON数据链路层的关键技术

数据链路层的关键技术主要包括：上行信道采用时分多址接入技术（TDMA），分时隙给各个ONU传输上行数据流。来自各个ONU的多种业务信息根据各自分配到的时隙，互不干扰地通过ODN无 源分光器耦合到同一根光纤，最后送到OLT接收头端。OLT每一个端口（PON口）下面所有的ONU与OLT PON端口之间时钟是严格同步的，每一个ONU只能在OLT给它分配的

特定允许时隙传输数据，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的上行数据不会互相干扰。EPON具备一系列比如有效的带宽控制、优先权处理、点对多点等优越的特性。在传输机制上，通过MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线 路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，通过在MAC层中实现802.1p来提供 QOS确保服务质量。

下行信道采用广播方式，数据从OLT到多个ONU根据不同的时间片段以广播式下行（TDM时分复用技术），通过ODN中的1：N（一般是1：32）无源分 光器，分配给PON上所有ONU光网络单元。当OLT启动后，它会周期性地在各端口上广播允许接入的时隙允许接入信息，ONU上电后根据允许接入信息，发 起注册请求，实现OLT对ONU的认证，允许请求注册的合法的ONU接入，并给ONU分配一个唯一的逻辑链路标识（LLID），当数据信号到达该ONU 时，ONU根据LLID在物理层上做出判断，接收给它的数据帧，摒弃不是给自己的数据帧。带宽分配和时延控制可以由高层协议完成，因而上行信道的MPCP便成为EPON的MAC层技术的核心。目前的802.3ah标准确定在EPON的MAC层中增加MPCP子层。

MPCP子层的基石主要有3点：一是上行信道采用定长时隙的TDMA方式，但时隙的分配由OLT实施；二是对于ONU发出的以太网帧不作分割，而是组合，即：每个时隙可以包含若干个802．3帧，组合方式由ONU依据QoS决定；三是上行信道必须有动态带宽分配（DBA）功能支持即插即用、服务等级协议（SLA）和QoS。

1.DBA

目前MAC层争论的焦点在于DBA的算法及802．3ah标准中是否需要确定统一的DBA算法，由于直接关系到上行信道的利用率和数据时延，DBA技术是MAC层技术的关键。带宽分配分为静态和动态两种，静态带宽由打开的窗口尺寸决定，动态带宽则根据ONU的需要，由OLT分配。TDMA方式的最大缺点在于其带宽利用率较低，采用DBA可以提高上行带宽的利用率，在带宽相同的情况下可以承载更多的终端用户，从而降低用户成本。另外，DBA所具有的灵活性为进行服务水平协商（SLA）提供了很好的实现途径。

目前的方案是基于轮询的带宽分配方案，即：ONU实时地向OLT汇报当前的业务需求（Request）（如：各类业务的在ONU的缓存量级），OLT根据优先级和时延控制要求分配（Grant）给ONU一个或多个时隙，各个ONU在分配的时隙中按业务优先级算法发送数据帧。由此可见，由于OLT分配带宽的对象是ONU的各类业务而非终端用户，对于QoS这样一个基于端到端的服务，必须有高层协议介入才能保障。

2.系统同步

因为EPON中的各ONU接入系统是采用时分方式，所以OLT和ONU在开始通信之前必须达到同步，才会保证信息正确传输。要使整个系统达到同步，必须有一个共同的参考时钟，在EPON中以OLT时钟为参考时钟，各个ONU时钟和OLT时钟同步。OLT周期性的广播发送同步信息给各个ONU，使其调整自己的时钟。EPON同步的要求是在某一ONU的时刻T(ONU时钟)发送的信息比特，OLT必须在时刻T(OLT时钟)接收他。在EPON中由于各个ONU到OLT的距离不同，所以传输时延各不相同，要达到系统同步，ONU的时钟必须比OLT的时钟有一个时间提前量，这个时间提前量就是上行传输时延，也就是如果OLT在时刻0发送一个比特，ONU必须在他的时刻RTT(往返传输时延)接收。RTT等于下行传输时延

加上上行传输时延，这个RTT必须知道并传递给ONU。获得RTT的过程即为测距(ranging)。当EPON系统达到同步时，同一OLT下面的不同ONU发送的信息才不会发生碰撞。

3.测距和时延补偿

由于EPON的上行信道采用TDMA方式，多点接入导致各ONU的数据帧延时不同，因此必须引入测距和时延补偿技术以防止数据时域碰撞，并支持ONU的即插即用。准确测量各个ONU到OLT的距离，并精确调整ONU的发送时延，可以减小ONU发送窗口间的间隔，从而提高上行信道的利用率并减小时延。另外，测距过程应充分考虑整个EPON的配置情况，例如，若系统在工作时加入新的ONU，此时的测距就不应对其它ONU有太大的影响。EPON的测距由OLT通过时间标记（Timestamp）在监测ONU的即插即用的同时发起和完成。

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