長距離EPON的設計研究方案

長距離EPON的設計研究方案

目前在電力、煤炭、鐵路、部隊等專網(wǎng)通信領域，開始越來越多的用到EPON技術，然而在這些應用領域經(jīng)常會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，本文就如何實現(xiàn)長距離的EPON進行了研究。

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層的時序要求。前者和拓撲、物理層收發(fā)器、色散等相關，后者和EPON的帶寬分配算法、DBA（動態(tài)帶寬分配）周期以及注冊開窗時間等息息相關。

1、 EPON的功率預算

按照IEEE 802.3ah-2004的約定：OLT側發(fā)射功率大于2dBm，接收靈敏度<-27dBm；對于ONU發(fā)射功率大于-1dBm，接收靈敏度<-24dBm，整個光鏈路的損耗上行<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。綜上可見功率預算對于長距離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 復用/解復用器）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，以提供更好的性能。中繼器方案則直接采用兩個光模塊背靠背互連，并使用本地的控制器來控制兩個光模塊的發(fā)光，從而達到簡單的OEO中繼的目的，成本較低。但圖2的方案仍然不夠精細，因為OEO會帶來延時，而我們知道EPON上行方向是突發(fā)的，這樣會帶來一些時序上的輕微措施，在長距離的情形下，表現(xiàn)將更加明顯。為此對于更長距離的應用將需要內置智能單元以截獲MPMC層的消息，來計算分析并彌補突發(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準的1000BASE-PX20的PMD進行的討論，也可以使用非標準的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)的光功率預算。采用該方法缺點是無法使用業(yè)界標準的光模塊，定制成本較高，對于成本不是很敏感的應用領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的拓撲形式

EPON應用拓撲形式一般有樹形（圖3）和總線型（圖4）兩種拓撲，其中樹形拓撲一般采用均分分光器，而總線事拓撲一般采用非均分分光器。表1和表2分別列出兩類分光器的插入損耗參考值，以利于計算功耗。




圖3 樹形拓撲



圖4 總線式拓撲

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


拓撲形式對EPON的傳輸距離有較大影響，主要是功率預算方面的影響。為了達到較長的傳輸距離，對于樹形拓撲一般選擇更小的分支比，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ONU的極端情況下可以傳輸23.5/0.3≈78.3km（同上）。對于總線式拓撲為了達到較長的傳輸距離則除了控制分光器級數(shù)以外還要注意控制好分光器分光比。然而對于采用該拓撲的應用來說，每個ONU站點的位置是固定的，機動性不大，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區(qū)間內，因此對于ONU的光譜特性要求不高，可以使用FP激光器。對于下行1490nm不在零色散波長區(qū)間，對于長距離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。

4．EPON的時序要求

EPON協(xié)議中有三個時間是很重要的一個是系統(tǒng)最大RTT（圖5），一個是注冊開窗時間還有一個是DBA輪詢周期。當加長傳輸距離后，距離OLT最遠的那個ONU的RTT最大，假設最遠ONU為70km，則RTT為2×（70000/2*108）=700us（光信號在真空中速度為3×108m/s，在光纖中速度按照2×108計），因此該情形下EPON系統(tǒng)的注冊開窗時間至少應該在700us以上。由上分析可見隨著傳輸距離的加長，注冊時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輪詢周期至少應該大于系統(tǒng)最大的RTT（即最遠ONU的往返時間），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（往返時間）示意圖



圖6 DBA輪詢周期示意圖

5．結束語

考慮以上的因素，我們在武漢長光科技有限公司的EPON系統(tǒng)上進行了驗證。實踐證明通過調整最大輪詢周期，不調整物理層參數(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。目前該司的相關長距離EPON產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了批量銷售，上述研究得到了市場檢驗。

參考文獻：

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

作者簡介: 王立新(1967- ) ，女，碩士，高級工程師，主要研究方向計算機通信，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)，主要研究方向為數(shù)據(jù)通信及接入網(wǎng)。