摘要：分析了EPON工作原理、接入网系统的结构组成，对EPON系统的动态带宽分配网络模型和流程进行等关键技术进行了研究，提出了一种基于评估的动态带宽分配方案，设计了一种新型的EPON接入系统，实现了多业务、高带宽的新一代接入网平台。
关键词：EPON,光纤,宽带接入网
0 引言
随着Internet的讯猛发展，各大电信主干网络扩张十分迅速，主干网的传输速度已经达到了高速传输的要求，但接入网方面确没有太大的变化，各种“宽带”接入方案实际是仍然是ADSL和Cable Model网络，这些技术与56kbps的拨号上网相比虽然有了很大的进步，但对于VOD、视频会议、互动游戏等网络新功能来说，还不足以提供足够的带宽，用户需要一种集成语音、图像服务等多功能的接入网方案，以解决接入网这一“瓶颈”问题，而光纤传输技术是一种简单实用的方案，本文提出的EPON(Ethernet Passive Optical Network)集成了低成本以太网设备和光纤基础设施的特点，成为了下一代宽带接入网的首选方案。
1 接入网与EPON技术
实际上接入网技术可以分为有线和无线接入两大类，本文只讨论有线接入中的光纤接入技术在以太网的应用，目前以太网有着十分巨大的网络基础和长期的经验知识，他已经作为用户宽带接入的主要手段，其性价比高、可扩展性好，与现有的操作系统应用兼容，可靠性好。而基于SDH或PDH的有源光纤接入网(AON, Active Optical Network)有点对点、自愈环和星形等多种拓扑结构，无论哪一种结构，其技术都相当成熟，运营者已考虑在接入网引入2.5Gbit/s系统。
在接入网中应用SDH的优点主要有三个方面: (1)对于Qos要求高的大企业用户，SDH可提供理想的网络性能和业务可靠性; (2)可以以增加传输带宽、改进网管能力、简化维护工作和降低运行成本: (3)网络运营商可以借助SDH的灵活性更快更有效地提供用户所需的长期和短期的业务与组网需要。
IEEE于2000年底成立了EFM工作组，试图引入一种新的接入标准-EPON(即Ethernet over PON)。它是利用PON的拓扑结构以实现以太网的接入。EPON就是Ethemet PON，对于IP业务，OLT与ONU之间的链路层彩以太技术，通过在TDM时隙里的映射、封装进行相互通信，采用点到多点结构、无源光纤传输方式，上下行可以达到对称的1.25Gb/s，下行速率可以达到10 Gb/s，另外还提供一定的运行维护和管理(OAM)功能，其最大的优点是极大地简化了传统的多层重叠网结构，硬件简单，无需室外设备，大量采用以太网的芯片技术，初始和运行成本都比较低，而且EPON还提供多层安全机制，如虚拟局域网VLAN(Virtual Local Access Network)、闭合用户群和支持虚拟个人网络VPN(Virtual Private Network)
2 EPON系统设计
2.1 系统总体设计
本文设计的接入系统是一种基于Ethernet-PON技术为核心的宽带接入系统。其结构如图1所示。由图可见，EPON系统由OLT, POS、多个ONU和网元管理系统组成。OLT在业务侧提供业务节点接口，在EPON侧提供接入线路接口(ALI)。OLT把ALI来的输入信号经OLT内部的交叉连接，传送到目的地SNI，反之，它把从SNI来的输入信号也经OLT内部的交叉连接传送到目的地ALI. ONU在用户侧提供用户网络接口((UNI)，在EPON侧提供线路接口，并经ODN连接到OLT. ODN由光纤和POS组成。网元管理系统也可以管理OLT和多个ONU. OLT和来自业务源的电话、数据和视频信号相连，接收相应的信号，并选择相应的通路传送给其目的的ONU;与此同时，收集来自不同ONU的信号，交叉连接到相应的业务源。下行传送采用TDM方式，上行接入使用TDMA方式。
2.2 EPON拓扑结构设计
EPON将套用PON的拓扑结构，可以有单星型、多星型(树型)、总线型和环型四种，相应的EPON也可以沿用这几种结构，拓扑结构的选择主要考虑用户和分布拓扑，OLT和ONU的距离和光纤容量等因素，但在实际实施工程中，上述任何一种结构都不能完全适用于所有的实际情况，不仅要考虑设备的配置地点，而且还要充分考虑用户的分布及客观条件，基于以上原因，本系统中的拓扑结构暂不于固定，可以根据具体施工现场情况再确定。
2.3 EPON网络结构配件选择
EPON主要的配件包括光纤、光纤分配器和耦合器、光放器以及光纤连接器和接头。目前市面上已经有许多可以直接应用于EPON系统上的产品，如OLT、ONU等，一般OLT产品应遵循IEEE802.3al标准，最好达到电信级通信设备产品要求。
3 EPON的技术要点及解决方案
动态带宽分配是EPON系统的关键技术，可以改进系统时延和以太网帧丢失率等，其分配算法就是实时地改变EPON的各ONU上行带宽机制，控制调度多个ONU的接入，以实现高效的带宽分配。
3.1 动态带宽分配网络模型
设计如下EPON网络模型：设定EPON网络为1个OLT, i个POS, i个ONU，其中i∈[1, N], N是ONU的个数。EPON网络结构如图2所示。
为了便于后面的计算，先定义如下参数:
Li (n)—在n周期ONUi的队列长度
Ai (n)—在[n, n+l]周期ONUi的收到的数据包大小
Wi(n)—在n周期由OLT所分配的带宽大小
maxWi—ONUi的最大授权带宽大小
Ti(n)—在n周期ONUi的实际可传送的数据包大小
Bi(n) —ONUi待传递的数据包大小
由上可知Ti (n) =min [W, (n)，B, (n-1)]
Li (n+l)=Li (n) +Ai (n)-Ti (n+1)
Bi (n-1)=Li (n-1) +Ai (n-1)
令Di (n) =Wi (n)-Bi(n-1)
若假定可以用Di (n)来评估n+l周期ONUi的分配大小，则
Wi (n+1) =Wi (n) -αDi (n) 其中α为增益控制系数，
模型分析结论如下：
若Wi(n) > Bi(n-1)时，Di >0, Wi (n+l)减少
若Wi (n) < Bi(n-1)时，Di (n) < 0, Wi (n+1)增加
若Wi (n) =Bi (n-1)时，Di (n) =0
3.2 带宽实际分配流程
EPON有N个ONU，假定Di (n)=0, Wi(n)=maxWi， i∈[1, N]实际分配流程如下：
1.OLT首先保存每个ONU的Di和往返时间RTT。在n周期，OLT传送一授权信息给ONU,，允许其传送Wi (n)。
2.ONUi收到授权信息后，传送OLT所允许大小的数据Ti (n)，在传送包的尾部，ONU产生问询信息，该问询信息包含Di (n)信息。
3.在OLT收到来自ONUi的传送包之前，OLT以IPACT(即Interleaved Pollingwith Adaptive Cycl Time，自适应周期时间的交织轮询)授权帧形式传送信息给下一个ONU。
4.OLT收到ONUi的数据包之后。OLT提取信息Di (n)，同时更新问询表中下周期的带宽分配大小，在此Wi (n+l)=Wi (n)一αDi (n)
5.同以上步骤类似，OLT传送授权信息给ONUi+2，允许其传送Wi+2 (n)，在来自ONUi+1的包到达之后，OLT与提取Di+1(n)，之后更新问询表中登记项。
通过以上理论分析表明，基于评估的动态带宽分配算法具有带宽利用率高，传送延迟低等特点。而且通过改变参数α的大小可以方便地给用户分配保证带宽，从而可适应不同用户的需求。
4 结论
EPON因其具有成本低、带宽高和与现有以太网兼容等独特优势而具有美好的发展前景，是FTTC, FTTB, FTTH的首选接入技术。本设计中的EPON系统可以有效地解决带宽丢失率与延迟率低的问题，实现一种基于EPON的新一代多业务、高带宽接入网平台。
参考文献
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