長距離EPON的設(shè)計(jì)研究方案

長距離EPON的設(shè)計(jì)研究方案

目前在電力、煤炭、鐵路、部隊(duì)等專網(wǎng)通信領(lǐng)域，開始越來越多的用到EPON技術(shù)，然而在這些應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)遇到傳輸距離以及差分傳輸距離超過20km的情形，但是在IEEE 802.3ah-2004（已被并入802.3-2008）中明確定義了EPON最長和差分傳輸距離不得超過20km。為了克服這一矛盾，本文就如何實(shí)現(xiàn)長距離的EPON進(jìn)行了研究。

Abstract: The maxim and difference distance of EPON was specified no more than 20km in IEEE802.3-2008. This paper discusses the long-distance EPON implementations. Through change EPON physical sub-layer and MPMC (Multi-point MAC Conrtoll) sub-layer , transmission distance of 60km or 80km is achievable.


EPON的傳輸距離從根本上來說受限于兩類因素：一類是物理層的光特性要求，一類是MPMC層的時(shí)序要求。前者和拓?fù)?、物理?a target="_blank">收發(fā)器、色散等相關(guān)，后者和EPON的帶寬分配算法、DBA（動(dòng)態(tài)帶寬分配）周期以及注冊(cè)開窗時(shí)間等息息相關(guān)。

1、 EPON的功率預(yù)算

按照IEEE 802.3ah-2004的約定：OLT側(cè)發(fā)射功率大于2dBm，接收靈敏度<-27dBm；對(duì)于ONU發(fā)射功率大于-1dBm，接收靈敏度<-24dBm，整個(gè)光鏈路的損耗上行<24dB，下行<23.5dB。EPON上行1310nm和下行1490nm波長在G.652光纖中的損耗約為0.3dB/km。綜上可見功率預(yù)算對(duì)于長距離EPON來說是最為重要的因素。為了提高傳輸距離，除了減少線路插入損耗外，還可以采用光放大的手段來提高光功率預(yù)算，具體包括以下兩類方法：光放大器(圖1)和中繼器（OEO，optical-electrical-optical，光電光）（圖2）。光放大器方案在上下行方向均需要使用到Diplexer（WDM 復(fù)用/解復(fù)用器）和OA（Optical Amplifier,光放大器），而OBF(Optical Bandpass Filter, 光帶通濾波器)則是可選的，使用OBF主要是為了克服OA的自發(fā)輻射效應(yīng)，以提供更好的性能。中繼器方案則直接采用兩個(gè)光模塊背靠背互連，并使用本地的控制器來控制兩個(gè)光模塊的發(fā)光，從而達(dá)到簡(jiǎn)單的OEO中繼的目的，成本較低。但圖2的方案仍然不夠精細(xì)，因?yàn)镺EO會(huì)帶來延時(shí)，而我們知道EPON上行方向是突發(fā)的，這樣會(huì)帶來一些時(shí)序上的輕微措施，在長距離的情形下，表現(xiàn)將更加明顯。為此對(duì)于更長距離的應(yīng)用將需要內(nèi)置智能單元以截獲MPMC層的消息，來計(jì)算分析并彌補(bǔ)突發(fā)開銷。



圖1 光放大器方案



圖2 中繼器（OEO）方案

上述均是基于采用標(biāo)準(zhǔn)的1000BASE-PX20的PMD進(jìn)行的討論，也可以使用非標(biāo)準(zhǔn)的PMD，通過加大OLT/ONU的發(fā)射光功率和/或提高OLT/ONU的接收靈敏度來提高EPON系統(tǒng)的光功率預(yù)算。采用該方法缺點(diǎn)是無法使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的光模塊，定制成本較高，對(duì)于成本不是很敏感的應(yīng)用領(lǐng)域又或使用光放大器/中繼器成本更高的情形下可以使用定制光模塊的方法。

2、 EPON的拓?fù)湫问?br>
EPON應(yīng)用拓?fù)湫问揭话阌袠湫危▓D3）和總線型（圖4）兩種拓?fù)?，其中樹形拓?fù)湟话悴捎镁址止馄鳎偩€事拓?fù)湟话悴捎梅蔷址止馄?。?和表2分別列出兩類分光器的插入損耗參考值，以利于計(jì)算功耗。




圖3 樹形拓?fù)?br>


圖4 總線式拓?fù)?br>
表1 分光器典型插入衰減參考值


表2 非均勻分光器的插入衰減參考值


拓?fù)湫问綄?duì)EPON的傳輸距離有較大影響，主要是功率預(yù)算方面的影響。為了達(dá)到較長的傳輸距離，對(duì)于樹形拓?fù)湟话氵x擇更小的分支比，可以傳輸更長的傳輸。1：8均分的情況下可以傳輸(23.5-10.7)/0.3≈42.5km（不考慮器件和光纖老化等其他因素），在1：4均分的情況下可以傳輸(23.5-7.3)//0.3≈54km（同上），直接無分光器僅帶一個(gè)ONU的極端情況下可以傳輸23.5/0.3≈78.3km（同上）。對(duì)于總線式拓?fù)錇榱诉_(dá)到較長的傳輸距離則除了控制分光器級(jí)數(shù)以外還要注意控制好分光器分光比。然而對(duì)于采用該拓?fù)涞膽?yīng)用來說，每個(gè)ONU站點(diǎn)的位置是固定的，機(jī)動(dòng)性不大，因此主要需要從如何放大光功率方面來考慮，詳見第1節(jié)中的討論。

3．EPON的色散

EPON系統(tǒng)中上行使用1310nm波長，下行使用1490nm波長，采用的光纖維ITU-T G.652光纖，我們知道G.652光纖的零色散波長為1300~1324nm區(qū)間，上行波長正好在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，因此對(duì)于ONU的光譜特性要求不高，可以使用FP激光器。對(duì)于下行1490nm不在零色散波長區(qū)間，對(duì)于長距離EPON系統(tǒng)，OLT必須使用譜寬較窄的DFB激光器以減小色散代價(jià)。

4．EPON的時(shí)序要求

EPON協(xié)議中有三個(gè)時(shí)間是很重要的一個(gè)是系統(tǒng)最大RTT（圖5），一個(gè)是注冊(cè)開窗時(shí)間還有一個(gè)是DBA輪詢周期。當(dāng)加長傳輸距離后，距離OLT最遠(yuǎn)的那個(gè)ONU的RTT最大，假設(shè)最遠(yuǎn)ONU為70km，則RTT為2×（70000/2*108）=700us（光信號(hào)在真空中速度為3×108m/s，在光纖中速度按照2×108計(jì)），因此該情形下EPON系統(tǒng)的注冊(cè)開窗時(shí)間至少應(yīng)該在700us以上。由上分析可見隨著傳輸距離的加長，注冊(cè)時(shí)間將不可避免的加長。另外需要考慮的是DBA的輪詢周期，從圖6可以看出DBA輪詢周期至少應(yīng)該大于系統(tǒng)最大的RTT（即最遠(yuǎn)ONU的往返時(shí)間），可見在長距離情形下，DBA的效率是較低的，在大多數(shù)情況下，建議采用SBA（靜態(tài)帶寬分配）算法來代替SBA。



圖5 RTT（往返時(shí)間）示意圖



圖6 DBA輪詢周期示意圖

5．結(jié)束語

考慮以上的因素，我們?cè)谖錆h長光科技有限公司的EPON系統(tǒng)上進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)踐證明通過調(diào)整最大輪詢周期，不調(diào)整物理層參數(shù)，可以做到在1：8均分分支比下，傳輸60km。通過OEO的方式，做到了1:32分支比80km的傳輸。目前該司的相關(guān)長距離EPON產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量銷售，上述研究得到了市場(chǎng)檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] IEEE Standard 802.3ah-2004[S].

作者簡(jiǎn)介: 王立新(1967- ) ，女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向計(jì)算機(jī)通信，m2wllx@163.com。胡保民（1977-），男，博士，武漢長光科技有限公司產(chǎn)品總監(jiān)，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信及接入網(wǎng)。