以太無源光網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：EPON(Ethemet over Passive Optical Network，以太無源光網(wǎng)絡(luò))是一種新型的光纖接入網(wǎng)技術(shù)，它采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無源光網(wǎng)絡(luò)傳輸，在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務(wù)。主要研究EPON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過邏輯分析與實(shí)證相結(jié)合的辦法，論述了EION網(wǎng)的設(shè)計(jì)過程，得出了不同接入需求下的設(shè)計(jì)方案。創(chuàng)新之處在于從用戶帶寬需求入手實(shí)現(xiàn)資源配置最優(yōu)的效果。
關(guān)鍵詞：有線電視；EPON；設(shè)計(jì)

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟
    首先，選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其次，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇。對(duì)需求進(jìn)行充分分析，全面了解用戶需求，分析需達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和限制條件，就商業(yè)目標(biāo)和對(duì)其約束的條件進(jìn)行充分論證。在對(duì)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在及未來通信以及需求特征了解的基礎(chǔ)上，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。需求來源于決策者的建設(shè)思路、國家／行業(yè)政策、用戶技術(shù)人員對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)的理解、用戶能提供的各種資料；而應(yīng)用需求則要考慮可靠性／可用率、響應(yīng)時(shí)間、安全性、可實(shí)現(xiàn)性、實(shí)時(shí)性等。
    根據(jù)前面步驟的分析，選配好設(shè)備，確定網(wǎng)絡(luò)連接線纜和各層設(shè)備的數(shù)量便可制定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D。無源光網(wǎng)絡(luò)采用對(duì)稱分光比分光器，保證每條鏈路在設(shè)備光接收靈敏度范圍內(nèi)，分光器最大光分支比為1：32，適用于用戶比較集中的情況。

2 EPON系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1每戶帶寬設(shè)計(jì)
    (1)若按標(biāo)清MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，要求每用戶點(diǎn)播視頻流為4 Mbps，若按標(biāo)清MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，要求每用戶點(diǎn)播視頻流為2 Mbps；
    (2)交互數(shù)字電視正式運(yùn)營后，按總有線電視用戶的20％接入交互數(shù)字電視，且同時(shí)點(diǎn)播視頻節(jié)目的用戶按50％計(jì)算；
    (3)其他業(yè)務(wù)按接入交互式數(shù)字電視用戶數(shù)的30％計(jì)算，且按30％在線，每戶平均在線流量按500 kbps計(jì)算。
    按以上條件每100戶用戶將占用帶寬為：
    100×20％x50％×4+100×20％×30％×30％×0．5≈41 Mbps
    100×20％×50％×2+100×20％×30％×30％×0．5≈21 Mbps
    每有線電視用戶平均接入帶寬為0．41／0．21 Mbps。
2．2 OLT每千兆光口可帶用戶數(shù)
    OLT既是一個(gè)交換機(jī)或一個(gè)路由器，又是一個(gè)多業(yè)務(wù)提供平臺(tái)，它為PON提供光纖接口，根據(jù)以太網(wǎng)向城域網(wǎng)及廣域網(wǎng)發(fā)展的態(tài)勢，OLT在提供千兆光口的同時(shí)，還提供多個(gè)Gbit／s和10 Gbit／s的以太網(wǎng)口。
    在目前的系統(tǒng)中，每個(gè)OLT提供2～4個(gè)千兆光口。每個(gè)千兆光口可帶的用戶數(shù)目計(jì)算如下：
    (1)按每個(gè)交互數(shù)字電視用戶4 Mbps帶寬計(jì)算
    OLT每個(gè)千兆光口可覆蓋的用戶數(shù)約為1 000／0．4=2500。若一棟樓按50戶計(jì)算，則可覆蓋2 500／50=50棟樓。
    (2)按每個(gè)交互數(shù)字電視用戶2 Mbpe帶寬計(jì)算
    OLT每千兆光口可覆益的用戶數(shù)約為1 000／0．2=5 000。若一棟樓按50戶計(jì)算，則可覆蓋5 000／50=100棟樓。
    由于OLT每千兆光口可以由PON分為32／64個(gè)光分支，支持32／64個(gè)用戶終端ONU。如果EPON采用FTTBLAN接入方式，則OLT每千兆光口可以覆蓋32／64棟樓。
    當(dāng)采用MPEG-2編碼標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，按常規(guī)32個(gè)ONU到樓，覆蓋1600用戶，則每個(gè)ONU覆蓋1600／32=50戶。每個(gè)ONU的平均帶寬為1000／32=31．25 Mbps，按總有線電視用戶的40％接入交互數(shù)字電視，且同時(shí)點(diǎn)播視頻節(jié)目的用戶按40％計(jì)算，一棟樓的交互數(shù)字電視用戶的帶寬為31．25／50×40％×40％≈4 Mbps。能滿足要求。
    當(dāng)采用MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，按64個(gè)ONU到樓，覆蓋3200用戶，則每個(gè)ONU覆蓋仍為3200／64=50戶。每個(gè)ONU的平均帶寬為1000／64=15．63 Mbpe，按總有線電視用戶的40％接入交互數(shù)字電視，且同時(shí)點(diǎn)播視頻節(jié)目的用戶按40％計(jì)算，一棟樓的交互數(shù)字電視用戶的帶寬為15．63／50×40％×40％≈2 Mbps，能滿足要求。
2．3 光分配網(wǎng)(ODN)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
2．3．1 光分配網(wǎng)設(shè)計(jì)的一般概念
    EPON系統(tǒng)中ODN位于分布的光網(wǎng)絡(luò)中，包括單模光纖、光分路器等。OLT采用單纖波分復(fù)用技術(shù)，通過光纖與分光器與ONU連接，最大傳輸距離可達(dá)20 km。在ONU側(cè)通過光分路器分送給多達(dá)32～64棟樓的用戶。
    在ODN的設(shè)計(jì)中主要涉及到光纜布線、安全保證、光分路器的級(jí)聯(lián)等問題。ODN系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要與城市居民小區(qū)的物理分布有關(guān)。常規(guī)結(jié)構(gòu)的ODN設(shè)計(jì)較為簡單，如下列舉了ODN設(shè)計(jì)中的一種光分路器級(jí)聯(lián)的方案供參考。
    例：4個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)16棟樓，分前端機(jī)房距離第一個(gè)分光器5 km，第一個(gè)分光器距離各小區(qū)最遠(yuǎn)2 km。
    可采用下列光分路器級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于光分路器的級(jí)聯(lián)與其級(jí)數(shù)無關(guān)，只與整個(gè)ODN系統(tǒng)的損耗有關(guān)，4個(gè)小區(qū)，每個(gè)區(qū)16棟樓，可用2個(gè)PON口進(jìn)行覆蓋即可，如圖1所示：

    此設(shè)計(jì)方案可大量節(jié)省光纖，使布線更加靈活，減少了布線過程中所遇到的各種麻煩。其鏈路損耗如下：
    1×2光分路器損耗：3．2 dB
    1×16光分路器損耗：13．5 dB
    光纖損耗：0．32 dB／km(1 310nm波長)
    鏈路總損耗為：
    3．2+13．5+8．2x0．32+6 x0．5=22．32
    如OLT發(fā)射功率為PT=0dBm，ONU接收光功率為PR=-26 dBm，這是由于下行為數(shù)字基帶信號(hào)，ONU的接收功率一般可達(dá)-26 dBm，則
    PT-PR=0-(-26)=26 dB>22．32 dB
    這就保證了PT-PR>22．32dB的鏈路總損耗，才能達(dá)到IEEE802.3ah對(duì)EPON物理層規(guī)定數(shù)據(jù)通道誤碼率10-12要求。
2．3．2 ODN系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光損耗計(jì)算
    根據(jù)PON系統(tǒng)特點(diǎn)，覆蓋范圍從OLT到ONU的各條光鏈路總長度應(yīng)在20 km內(nèi)。ODN系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光網(wǎng)絡(luò)的光損耗應(yīng)計(jì)算OLT到距OLT最遠(yuǎn)的ONU的光路損耗L：
   
    式中：a為光纖損耗系數(shù)(dB／km)；l1為OLT到第一個(gè)分光器的距離(km)；l2為第一個(gè)分光器到第二個(gè)分光器的距離(km)；l3為第二個(gè)分光器到第三個(gè)分光器的距離(km)；l4為第三個(gè)分光器到距離第三個(gè)分光器最遠(yuǎn)的ONU的距離(km)；Ls1、Ls2、Ls3分別為第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)分光器的損耗(dB)；a×0．5為a個(gè)活動(dòng)光連接起的總損耗(dB)；PT為OLT／ONU的發(fā)射光功率(dBm)；PR為OLT／ONU的接收光功率(dBm)；a按1310 nm波長取值，即a=0．30-0．35 dB／km，光纖融熔拉錐型分光器的損耗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，分光器的分支數(shù)越大，損耗也越大。因此，從OLT到ONU最多只能用三級(jí)分光器。
    無源光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，在設(shè)計(jì)光路結(jié)構(gòu)方面，不能按照設(shè)備的接收極限值設(shè)計(jì)，通常需要留出至少3 dB的余量。即：
   
    由于不同廠家選用的光模塊不同，所以，PT-PR的值也不同。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)所選用的設(shè)備參數(shù)來確定PT-PR的值，并由此確定L的最終dB值。如本例所選設(shè)備其PT-PR=26dB，則光路損耗上限L=(PT-PR)-3=23 dB。倘若L超過此值，則不能滿足BER≤1×10-12的要求，須重新設(shè)計(jì)。

3 EPON技術(shù)的優(yōu)勢
    (1)與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性：以太網(wǎng)技術(shù)是迄今為止最成功和成熟的局域網(wǎng)技術(shù)。EPON只是對(duì)現(xiàn)有IEEE802．3協(xié)議作一定補(bǔ)充，基本上是與其兼容的。EPON與以太網(wǎng)的兼容性是其最大的優(yōu)勢之一。
    (2)高帶寬：EPON的下行信道為百兆／千兆的廣播方式，而上行信道為用戶共享的百兆／千兆信道。這比目前的接入方式，如Mode、ISDN、ADSL都要高得多。
    (3)低成本：首先，由于采用PON的結(jié)構(gòu)，EPON網(wǎng)絡(luò)中減少了大量的光纖和光器件以及維護(hù)成本。其次，以太網(wǎng)本身的價(jià)格優(yōu)勢使EPON具有無法比擬的低成本。EPON技術(shù)目前還處在研究討論階段，還有一些問題有待解決，包括上行信道復(fù)用技術(shù)、測距和時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)、光器件和突發(fā)信號(hào)快速同步等方面。