以太无源光网络的系统设计

摘要：EPON(Ethemet over Passive Optical Network，以太无源光网络)是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光网络传输，在以太网之上提供多种业务。主要研究EPON网络系统的设计和实现，以及EPON的网络结构特点，通过逻辑分析与实证相结合的办法，论述了EION网的设计过程，得出了不同接入需求下的设计方案。创新之处在于从用户带宽需求入手实现资源配置最优的效果。
关键词：有线电视；EPON；设计

1 网络设计步骤
    首先，选择网络拓扑结构，其次，进行网络设计及设备选择。对需求进行充分分析，全面了解用户需求，分析需达到的技术指标和限制条件，就商业目标和对其约束的条件进行充分论证。在对网络现在及未来通信以及需求特征了解的基础上，进行网络设计。需求来源于决策者的建设思路、国家／行业政策、用户技术人员对技术细节的理解、用户能提供的各种资料；而应用需求则要考虑可靠性／可用率、响应时间、安全性、可实现性、实时性等。
    根据前面步骤的分析，选配好设备，确定网络连接线缆和各层设备的数量便可制定整个网络的拓扑图。无源光网络采用对称分光比分光器，保证每条链路在设备光接收灵敏度范围内，分光器最大光分支比为1：32，适用于用户比较集中的情况。

2 EPON系统设计
2．1每户带宽设计
    (1)若按标清MPEG-2标准计算，要求每用户点播视频流为4 Mbps，若按标清MPEG-4标准计算，要求每用户点播视频流为2 Mbps；
    (2)交互数字电视正式运营后，按总有线电视用户的20％接入交互数字电视，且同时点播视频节目的用户按50％计算；
    (3)其他业务按接入交互式数字电视用户数的30％计算，且按30％在线，每户平均在线流量按500 kbps计算。
    按以上条件每100户用户将占用带宽为：
    100×20％x50％×4+100×20％×30％×30％×0．5≈41 Mbps
    100×20％×50％×2+100×20％×30％×30％×0．5≈21 Mbps
    每有线电视用户平均接入带宽为0．41／0．21 Mbps。
2．2 OLT每千兆光口可带用户数
    OLT既是一个交换机或一个路由器，又是一个多业务提供平台，它为PON提供光纤接口，根据以太网向城域网及广域网发展的态势，OLT在提供千兆光口的同时，还提供多个Gbit／s和10 Gbit／s的以太网口。
    在目前的系统中，每个OLT提供2～4个千兆光口。每个千兆光口可带的用户数目计算如下：
    (1)按每个交互数字电视用户4 Mbps带宽计算
    OLT每个千兆光口可覆盖的用户数约为1 000／0．4=2500。若一栋楼按50户计算，则可覆盖2 500／50=50栋楼。
    (2)按每个交互数字电视用户2 Mbpe带宽计算
    OLT每千兆光口可覆益的用户数约为1 000／0．2=5 000。若一栋楼按50户计算，则可覆盖5 000／50=100栋楼。
    由于OLT每千兆光口可以由PON分为32／64个光分支，支持32／64个用户终端ONU。如果EPON采用FTTBLAN接入方式，则OLT每千兆光口可以覆盖32／64栋楼。
    当采用MPEG-2编码标准时，按常规32个ONU到楼，覆盖1600用户，则每个ONU覆盖1600／32=50户。每个ONU的平均带宽为1000／32=31．25 Mbps，按总有线电视用户的40％接入交互数字电视，且同时点播视频节目的用户按40％计算，一栋楼的交互数字电视用户的带宽为31．25／50×40％×40％≈4 Mbps。能满足要求。
    当采用MPEG-4编码标准时，按64个ONU到楼，覆盖3200用户，则每个ONU覆盖仍为3200／64=50户。每个ONU的平均带宽为1000／64=15．63 Mbpe，按总有线电视用户的40％接入交互数字电视，且同时点播视频节目的用户按40％计算，一栋楼的交互数字电视用户的带宽为15．63／50×40％×40％≈2 Mbps，能满足要求。
2．3 光分配网(ODN)的设计与应用
2．3．1 光分配网设计的一般概念
    EPON系统中ODN位于分布的光网络中，包括单模光纤、光分路器等。OLT采用单纤波分复用技术，通过光纤与分光器与ONU连接，最大传输距离可达20 km。在ONU侧通过光分路器分送给多达32～64栋楼的用户。
    在ODN的设计中主要涉及到光缆布线、安全保证、光分路器的级联等问题。ODN系统的设计主要与城市居民小区的物理分布有关。常规结构的ODN设计较为简单，如下列举了ODN设计中的一种光分路器级联的方案供参考。
    例：4个小区，每个小区16栋楼，分前端机房距离第一个分光器5 km，第一个分光器距离各小区最远2 km。
    可采用下列光分路器级联的方式进行设计，由于光分路器的级联与其级数无关，只与整个ODN系统的损耗有关，4个小区，每个区16栋楼，可用2个PON口进行覆盖即可，如图1所示：

    此设计方案可大量节省光纤，使布线更加灵活，减少了布线过程中所遇到的各种麻烦。其链路损耗如下：
    1×2光分路器损耗：3．2 dB
    1×16光分路器损耗：13．5 dB
    光纤损耗：0．32 dB／km(1 310nm波长)
    链路总损耗为：
    3．2+13．5+8．2x0．32+6 x0．5=22．32
    如OLT发射功率为PT=0dBm，ONU接收光功率为PR=-26 dBm，这是由于下行为数字基带信号，ONU的接收功率一般可达-26 dBm，则
    PT-PR=0-(-26)=26 dB>22．32 dB
    这就保证了PT-PR>22．32dB的链路总损耗，才能达到IEEE802.3ah对EPON物理层规定数据通道误码率10-12要求。
2．3．2 ODN系统设计的光损耗计算
    根据PON系统特点，覆盖范围从OLT到ONU的各条光链路总长度应在20 km内。ODN系统设计中，光网络的光损耗应计算OLT到距OLT最远的ONU的光路损耗L：
   
    式中：a为光纤损耗系数(dB／km)；l1为OLT到第一个分光器的距离(km)；l2为第一个分光器到第二个分光器的距离(km)；l3为第二个分光器到第三个分光器的距离(km)；l4为第三个分光器到距离第三个分光器最远的ONU的距离(km)；Ls1、Ls2、Ls3分别为第一级、第二级、第三级分光器的损耗(dB)；a×0．5为a个活动光连接起的总损耗(dB)；PT为OLT／ONU的发射光功率(dBm)；PR为OLT／ONU的接收光功率(dBm)；a按1310 nm波长取值，即a=0．30-0．35 dB／km，光纤融熔拉锥型分光器的损耗Ls取值如下：
    1：2分光器Ls=3．2 dB；1：4分光器Ls=6．4 dB；1：6分光器Ls=8．5 dB；1：8分光器Ls=9．7 dB；1：16分光器Ls=13．5 dB；1：32分光器Ls=18．3 dB。
    可以看出，分光器的分支数越大，损耗也越大。因此，从OLT到ONU最多只能用三级分光器。
    无源光网络设计时，在设计光路结构方面，不能按照设备的接收极限值设计，通常需要留出至少3 dB的余量。即：
   
    由于不同厂家选用的光模块不同，所以，PT-PR的值也不同。实际设计时应根据所选用的设备参数来确定PT-PR的值，并由此确定L的最终dB值。如本例所选设备其PT-PR=26dB，则光路损耗上限L=(PT-PR)-3=23 dB。倘若L超过此值，则不能满足BER≤1×10-12的要求，须重新设计。

3 EPON技术的优势
    (1)与现有以太网的兼容性：以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。EPON只是对现有IEEE802．3协议作一定补充，基本上是与其兼容的。EPON与以太网的兼容性是其最大的优势之一。
    (2)高带宽：EPON的下行信道为百兆／千兆的广播方式，而上行信道为用户共享的百兆／千兆信道。这比目前的接入方式，如Mode、ISDN、ADSL都要高得多。
    (3)低成本：首先，由于采用PON的结构，EPON网络中减少了大量的光纤和光器件以及维护成本。其次，以太网本身的价格优势使EPON具有无法比拟的低成本。EPON技术目前还处在研究讨论阶段，还有一些问题有待解决，包括上行信道复用技术、测距和时延补偿技术、光器件和突发信号快速同步等方面。