EPON 原理及相关协议介绍

EPON原理及相关协议介绍 华为技术有限公司 Huawei Technologies Co., Ltd. http://www.huawei.com

EPON技术背景介绍 EPON协议内容简介 EPON关键技术介绍

HD TV、VoD、IPTV、P2P等高带宽应用的出现使基于铜线技术的DSL接入网成为带宽瓶颈。接入网从上而下的光纤化是不可避免的大趋势。光纤接入技术中P2MP的PON技术最受瞩目 EPON是目前应用最广、成熟度最高的一种PON技术 Why EPON？

接入网的光纤化 光纤接入网中P2P vs P2MP 比较

Splitter(s)up to 1:32 ONT 1 or 2 fibers up to 32 subscribers OLT (in CO) up to 20 km PON 及其网络结构 • 无源：没有室外有源设备 • 由有源OLT和ONT、以及无源ODN（光分配网络组成） • ODN：由光纤、光分路器（Splitter）和其他无源器件组成 • 非常低的生命周期费用，无室外有源设备维护费用 • 能够很容易承载语音（Voice）, 视频（Video）和数据（ Data） • 相对P2P方式的光纤接入，成本低一半左右

PON技术比较

PON PON技术标准化状况 APON/ BPON TPON GPON EPON WDM PON 国际标准国际标准国际标准国际标准国际标准 ITU-T G.982 ITU-T G.983.x ITU-T G.984.x IEEE 802.3ah 国家标准国家标准国家标准国家标准国家标准 YD/T 1077-2000 YD/T 1090-2000

ONU OLT ONT Splitter ONU PON基本技术－下行下行信号：OLT连续广播发送，ONU选择性接收（根据LLID）

PON基本技术－上行 ONU ONT OLT Splitter ONU 上行信号： TDMA突发发送，采用测距技术保证上行数据不发生冲突

无测距及控制 有测距及控制 PON基本技术－测距和突发控制 • OLT根据DBA算法向ONU发布授权时间窗口 • 测量OLT下行发送到上行接收的数据信号环路时延，并据此对ONU授权时间窗口进行延时补偿，从而保证上行数据不会发生冲突 • 测距方式：定时自动、初始测距、自动相位补偿

ONU 上行为TDMA方式 OLT指定时隙有数据时发送，无数据时断开 OLT 多个ONU数据源 ONU距离、功率不同突发接收 AGC 突发技术都时在光模块上实现的时间要求 EPON：OLT恢复时间400ns，ONU开关时间512ns GPON：OLT恢复时间60.8ns，ONU开关时间12.8ns PON基本技术－突发发送和接收

PON基本技术－突发发射 • 快速开启和关断能力 • 消光比大（>10dB） 0# ONU 1# ONU 连续模块 0# ONT 0# ONU 突发模块 1# ONU 0# ONT

0# ONU 无快速AGC 1# ONU 0# ONT PON基本技术－突发接收快速AGC（光模块）(动态范围 >20dB) 快速时钟恢复（B-CDR SERDES) 有快速AGC 阈值线

单纤双向，上行1310nm，下行1490nm 下行广播发送，选择接收上行TDM方式发送，分享带宽直接基于以太网包传输，数据业务不需映射或处理，与IP网络紧密结合 TDM等异质协议数据包需要映射，关键特性能够保证传输距离≤20 Km，分支比1:32 IEEE 802.3ah,2004年7月定稿 EPON基本特征

EPON技术背景介绍 EPON协议内容简介 EPON关键技术介绍

EPON技术背景介绍 EPON协议内容简介 EPON关键技术介绍 • EPON协议总体介绍 • 多MAC控制简介 • MPCP协议介绍 • RS、PCS、PMA子层简介

EPON协议由IEEE 802.3ah定义，主要参考章节如下： 56-EPON介绍 57-OAM定义 60-EPON PMD子层定义 64-Multi-Point MAC Control子层定义 65-EPON对于RS/PCS/PMA子层的扩展和FEC 67-EPON系统建议 EPON协议简介（一）

在以太网架构中实现P2MP拓扑结构的机制和控制协议在以太网架构中实现P2MP拓扑结构的机制和控制协议多点MAC控制实现在不同的ONU中分配上行资源、在网络中发现和注册ONU、允许DBA调度 RS子层为EPON扩展了字节定义 PMD子层定义了EPON兼容器件的指标 OAM定义了EPON各种告警事件和控制处理标准的基本内容

P2P拓扑下的协议架构

P2MP拓扑下的协议架构

支持P2PE这种特例 OLT支持多个LLID和MAC客户端 ONU支持单个LLID 支持单拷贝广播机制允许动态带宽分配的灵活架构使用32位时间戳使用基于MAC控制的结构对发现的设备进行测距以改进网络性能用持续测距的方式实现对RTT补偿多点MAC控制——多点MAC控制的实现目标

OSI参考模型 上一层上一层 APP MAC Client MAC Client MAC Client MAC Client Presentation OAM 可选 OAM 可选 OAM 可选 OAM 可选多点MAC控制多点MAC控制 Session OLT ONU MAC MAC MAC MAC TS RS RS Network GMII GMII DL PHY PHY PHY MDI MDI 无源光介质图1-1 多点MAC控制在OSI参考模型中的位置多点MAC控制——在IEEE802.3中的层次

代替了MAC控制子层的位置，位于DLL的底层，支持多个客户和其他的MAC控制功能代替了MAC控制子层的位置，位于DLL的底层，支持多个客户和其他的MAC控制功能通过特定的协议实现实时控制多个MAC的机制，并实现对MAC子层的操作 MPCP是一种管理P2MP 的协议。目前还没有制定管理P2MP的标准多个MAC共用一个物理层。每一个独立的MAC给OLT和ONU提供P2PE,附加的一个MAC提供SCB功能 ONU的RS层完成了帧过滤，所以只要一个MAC EPON终端在注册过程中分配的LLID唯一标识了MAC 多点MAC控制——在IEEE802.3中的层次

发现处理 报告处理门限处理 MPCPDU的结构和编码 MPCP——发现处理

发现处理为新添加的的或离线的ONU提供PON接入。发现处理为新添加的的或离线的ONU提供PON接入。发现处理的过程 OLT广播一个发现GATE消息，该消息包括开始时间和发现时间窗的长度未注册ONU等待一个随机时间后发送REGISTER_REQ消息，ONU采用竞争算法和测量来避免碰撞。REGISTER_REQ中包括ONU的MAC地址和最大等待时间。 OLT接收到一个可用的REGISTER_REQ消息后，注册该ONU，分配一个LLID并绑定正确的MAC地址到LLID上。 OLT发送Register消息(包括ONU的LLID和OLT的同步时间)到ONU。OLT现在可以发送标准的GATE消息允许ONU发送REGISTER_ACK消息。发现处理完成，OLT和已注册的ONU开始正常的通讯整个发现处理的消息流程如下页图示： MPCP——发现处理

MPCP——发现处理 ONU OLT GATE 开始随机延迟时间发现时间窗口 REGISTER_REQ 广播通道 REGISTER GATE 单播通道 REGISTER_ACK 发现握手操作完成图1-11 发现处理的握手消息流程

在Discovery过程中，OLT下发Register消息给ONU，消息包含OLT的一个TimeStamp。ONU收到此消息后，将一个内部的32位计数器初始化为这个TimeStamp的值。在Discovery过程中，OLT下发Register消息给ONU，消息包含OLT的一个TimeStamp。ONU收到此消息后，将一个内部的32位计数器初始化为这个TimeStamp的值。这样，ONU和OLT就取得了时间同步。实际上，我们可以发现，ONU的计数器时间比OLT慢－－慢了RTT/2的时间。此后OLT发出的所有Gate消息中的StartTime就是基于这个同步时间的偏移。可以想像，Gate消息中的StartTime也会针对RTT作相应补偿和调整。 MPCP－发现处理

发现处理 报告处理门限处理 MPCPDU的结构和编码 MPCP——报告处理

报告处理负责对网络中报告的产生和终止进行排队。报告有较高层产生，通过MAC控制的客户端送入MAC控制子层。状态报告用于带宽需求和OLT的watchdog时钟。报告处理负责对网络中报告的产生和终止进行排队。报告有较高层产生，通过MAC控制的客户端送入MAC控制子层。状态报告用于带宽需求和OLT的watchdog时钟。即使没有带宽需求，也需要周期性地产生报告。报告处理功能模块和它的MPCP协议被设计成与802.1P桥接 MPCP——报告处理

MPCP——Report报文格式

发现处理 报告处理门限处理 MPCPDU的结构和编码 MPCP——门限处理

多点MAC控制的关键概念是公平裁决多个ONU进行传输的能力。多点MAC控制的关键概念是公平裁决多个ONU进行传输的能力。 OLT通过许可分配的方式控制ONU的传输 ONU通过GATE消息设置传输窗口产生周期性的许可 (发送GATE消息)以防止watchdog超时 ONU注册以后，如果设置了Discovery标志，则忽略所有的GATE消息 MPCP——门限处理

MPCP——Gate消息报文格式

发现处理 报告处理门限处理 MPCPDU的结构和编码 MPCP—— MPCPDU的结构和编码

MPCP—— MPCPDU的结构和编码 • MPCP PDU是IEEE802.3的基本帧。 • DA:MPCPDU的DA是MAC控制的广播地址或者MPCPDU定义的独立MAC地址 • SA:与MPCPDU相关的独立的MAC地址 • Length/Type:MPCPDU携带MAC_Control_Type字段，按Type编码 • Opcode: MPCPDU封装的Opcode标识 • Timestamp: MPCPDU在传输时的localTime的内容 • Data/Reserved/PAD:这40个八位元是MPCPDU的有效载荷。如果没有内容，则在传输式用0填充，接收时忽略 • FCS: Frame Check Sequence。通常由下一层的MAC产生 • RS层生成合适的LLID

MPCP——PDU帧结构 • MPCP帧结构

MPCP消息类型－Code域

Gate消息包括最多4个授权窗口的Start Time和Length等。 Report消息包括ONU多个队列的长度。 Register_REQ消息包括Register和Deregister请求 Register消息包括OLT对ONU注册请求的响应：ACK或NACK，以及分配的LLID Register_ACK消息包括ONU的响应其他消息格式和细节描述请参考协议文本64.3.6章节 MPCP—— 消息结构

RS子层定义了LLID

LLID域内详细定义

PCS的扩展，用于数据检测和前向错误校正 扩展后的PCS支持P2MP的突发工作模式对PCS/PMA的扩展

PCS子层扩展定义了FEC

FEC时域图示

自动发现是少量的，尽量不占用有效带宽 何时启动可以静态设置Discovery操作频率可以按照DBA算法指定多个ONU避免注册冲突 ONU采用随机算法，保证ONU尽量在不同的时刻响应，提高成功率。随机延迟法：ONU自行延时一段时间随机跳过窗口：ONU自行决定是否响应 OLT广播Discovery窗口按照最大窗口：20km 按照软件设置的最大窗口参数 EPON原理－自动发现和测距

EPON技术背景介绍 EPON协议内容简介 EPON关键技术介绍 • ONU自动发现和测距 • DBA技术介绍 • EPON传送效率分析 • QoS和组播简单分析

自动发现 不必等序列号登记认证以后才使能数据通路软件可设置该操作的频率 OLT定时分配discovery时隙 OLT发出GATE CDR、AGC ONU立即响应Register_REQ MAC地址光ON/OFF时间待定的授权数 OLT接收REQ 校验ONU数据有效性交给OLT处理器鉴定分配LLID 计算RTT OLT再次确认，ONU响应确认若不成功，则下次再进行发现。 EPON原理—— ONU自动发现

各个ONU到OLT传输时延变化 物理距离环境温度的变化光电器件的老化等因素在ONU的注册阶段进行静态测距补偿由物理距离差异造成的时延通信过程中实时进行动态精测校正环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移． EPON原理－为什么要测距和动态测距

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