长距离EPON的设计研究方案
长距离epon的设计研究方案
目前在电力、煤炭、铁路、部队等专网通信领域，开始越来越多的用到epon技术，然而在这些应用领域经常会遇到传输距离以及差分传输距离超过20km的情形，但是在ieee 802.3ah-2004（已被并入802.3-2008）中明确定义了epon最长和差分传输距离不得超过20km。为了克服这一矛盾，本文就如何实现长距离的epon进行了研究。
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的传输距离从根本上来说受限于两类因素：一类是物理层的光特性要求，一类是mpmc层的时序要求。前者和拓扑、物理层收发器、色散等相关，后者和epon的带宽分配算法、dba（动态带宽分配）周期以及注册开窗时间等息息相关。
1、 epon的功率预算
按照ieee 802.3ah-2004的约定：olt侧发射功率大于2dbm，接收灵敏度<-27dbm；对于onu发射功率大于-1dbm，接收灵敏度<-24dbm，整个光链路的损耗上行<24db，下行<23.5db。epon上行1310nm和下行1490nm波长在g.652光纤中的损耗约为0.3db/km。综上可见功率预算对于长距离epon来说是最为重要的因素。为了提高传输距离，除了减少线路插入损耗外，还可以采用光放大的手段来提高光功率预算，具体包括以下两类方法：光放大器(图1)和中继器（oeo，optical-electrical-optical，光电光）（图2）。光放大器方案在上下行方向均需要使用到diplexer（wdm 复用/解复用器）和oa（optical amplifier,光放大器），而obf(optical bandpass filter, 光带通滤波器)则是可选的，使用obf主要是为了克服oa的自发辐射效应，以提供更好的性能。中继器方案则直接采用两个光模块背靠背互连，并使用本地的控制器来控制两个光模块的发光，从而达到简单的oeo中继的目的，成本较低。但图2的方案仍然不够精细，因为oeo会带来延时，而我们知道epon上行方向是突发的，这样会带来一些时序上的轻微措施，在长距离的情形下，表现将更加明显。为此对于更长距离的应用将需要内置智能单元以截获mpmc层的消息，来计算分析并弥补突发开销。
图1 光放大器方案
图2 中继器（oeo）方案
上述均是基于采用标准的1000base-px20的pmd进行的讨论，也可以使用非标准的pmd，通过加大olt/onu的发射光功率和/或提高olt/onu的接收灵敏度来提高epon系统的光功率预算。采用该方法缺点是无法使用业界标准的光模块，定制成本较高，对于成本不是很敏感的应用领域又或使用光放大器/中继器成本更高的情形下可以使用定制光模块的方法。
2、 epon的拓扑形式
epon应用拓扑形式一般有树形（图3）和总线型（图4）两种拓扑，其中树形拓扑一般采用均分分光器，而总线事拓扑一般采用非均分分光器。表1和表2分别列出两类分光器的插入损耗参考值，以利于计算功耗。
图3 树形拓扑
图4 总线式拓扑
表1 分光器典型插入衰减参考值
表2 非均匀分光器的插入衰减参考值
拓扑形式对epon的传输距离有较大影响，主要是功率预算方面的影响。为了达到较长的传输距离，对于树形拓扑一般选择更小的分支比，可以传输更长的传输。1：8均分的情况下可以传输(23.5-10.7)/0.3≈42.5km（不考虑器件和光纤老化等其他因素），在1：4均分的情况下可以传输(23.5-7.3)//0.3≈54km（同上），直接无分光器仅带一个onu的极端情况下可以传输23.5/0.3≈78.3km（同上）。对于总线式拓扑为了达到较长的传输距离则除了控制分光器级数以外还要注意控制好分光器分光比。然而对于采用该拓扑的应用来说，每个onu站点的位置是固定的，机动性不大，因此主要需要从如何放大光功率方面来考虑，详见第1节中的讨论。
3．epon的色散
epon系统中上行使用1310nm波长，下行使用1490nm波长，采用的光纤维itu-t g.652光纤，我们知道g.652光纤的零色散波长为1300~1324nm区间，上行波长正好在这个区间内，因此对于onu的光谱特性要求不高，可以使用fp激光器。对于下行1490nm不在零色散波长区间，对于长距离epon系统，olt必须使用谱宽较窄的dfb激光器以减小色散代价。
4．epon的时序要求
epon协议中有三个时间是很重要的一个是系统最大rtt（图5），一个是注册开窗时间还有一个是dba轮询周期。当加长传输距离后，距离olt最远的那个onu的rtt最大，假设最远onu为70km，则rtt为2×（70000/2*108）=700us（光信号在真空中速度为3×108m/s，在光纤中速度按照2×108计），因此该情形下epon系统的注册开窗时间至少应该在700us以上。由上分析可见随着传输距离的加长，注册时间将不可避免的加长。另外需要考虑的是dba的轮询周期，从图6可以看出dba轮询周期至少应该大于系统最大的rtt（即最远onu的往返时间），可见在长距离情形下，dba的效率是较低的，在大多数情况下，建议采用sba（静态带宽分配）算法来代替sba。
图5 rtt（往返时间）示意图
图6 dba轮询周期示意图
5．结束语
考虑以上的因素，我们在武汉长光科技有限公司的epon系统上进行了验证。实践证明通过调整最大轮询周期，不调整物理层参数，可以做到在1：8均分分支比下，传输60km。通过oeo的方式，做到了1:32分支比80km的传输。目前该司的相关长距离epon产品已经实现了批量销售，上述研究得到了市场检验。
参考文献：
[1] ieee standard 802.3ah-2004[s].
作者简介: 王立新(1967- ) ，女，硕士，高级工程师，主要研究方向计算机通信，m2wllx@163.com。胡保民（1977-），男，博士，武汉长光科技有限公司产品总监，主要研究方向为数据通信及接入网。
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目前在电力、煤炭、铁路、部队等专网通信领域，开始越来越多的用到epon技术，然而在这些应用领域经常会遇到传输距离以及差分传输距离超过20km的情形，但是在ieee 802.3ah-2004（已被并入802.3-2008）中明确定义了epon最长和差分传输距离不得超过20km。为了克服这一矛盾，本文就如何实现长距离的epon进行了研究。
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的传输距离从根本上来说受限于两类因素：一类是物理层的光特性要求，一类是mpmc层的时序要求。前者和拓扑、物理层收发器、色散等相关，后者和epon的带宽分配算法、dba（动态带宽分配）周期以及注册开窗时间等息息相关。
1、 epon的功率预算
按照ieee 802.3ah-2004的约定：olt侧发射功率大于2dbm，接收灵敏度<-27dbm；对于onu发射功率大于-1dbm，接收灵敏度<-24dbm，整个光链路的损耗上行<24db，下行<23.5db。epon上行1310nm和下行1490nm波长在g.652光纤中的损耗约为0.3db/km。综上可见功率预算对于长距离epon来说是最为重要的因素。为了提高传输距离，除了减少线路插入损耗外，还可以采用光放大的手段来提高光功率预算，具体包括以下两类方法：光放大器(图1)和中继器（oeo，optical-electrical-optical，光电光）（图2）。光放大器方案在上下行方向均需要使用到diplexer（wdm 复用/解复用器）和oa（optical amplifier,光放大器），而obf(optical bandpass filter, 光带通滤波器)则是可选的，使用obf主要是为了克服oa的自发辐射效应，以提供更好的性能。中继器方案则直接采用两个光模块背靠背互连，并使用本地的控制器来控制两个光模块的发光，从而达到简单的oeo中继的目的，成本较低。但图2的方案仍然不够精细，因为oeo会带来延时，而我们知道epon上行方向是突发的，这样会带来一些时序上的轻微措施，在长距离的情形下，表现将更加明显。为此对于更长距离的应用将需要内置智能单元以截获mpmc层的消息，来计算分析并弥补突发开销。
图1 光放大器方案
图2 中继器（oeo）方案
上述均是基于采用标准的1000base-px20的pmd进行的讨论，也可以使用非标准的pmd，通过加大olt/onu的发射光功率和/或提高olt/onu的接收灵敏度来提高epon系统的光功率预算。采用该方法缺点是无法使用业界标准的光模块，定制成本较高，对于成本不是很敏感的应用领域又或使用光放大器/中继器成本更高的情形下可以使用定制光模块的方法。
2、 epon的拓扑形式
epon应用拓扑形式一般有树形（图3）和总线型（图4）两种拓扑，其中树形拓扑一般采用均分分光器，而总线事拓扑一般采用非均分分光器。表1和表2分别列出两类分光器的插入损耗参考值，以利于计算功耗。
图3 树形拓扑
图4 总线式拓扑
表1 分光器典型插入衰减参考值
表2 非均匀分光器的插入衰减参考值
拓扑形式对epon的传输距离有较大影响，主要是功率预算方面的影响。为了达到较长的传输距离，对于树形拓扑一般选择更小的分支比，可以传输更长的传输。1：8均分的情况下可以传输(23.5-10.7)/0.3≈42.5km（不考虑器件和光纤老化等其他因素），在1：4均分的情况下可以传输(23.5-7.3)//0.3≈54km（同上），直接无分光器仅带一个onu的极端情况下可以传输23.5/0.3≈78.3km（同上）。对于总线式拓扑为了达到较长的传输距离则除了控制分光器级数以外还要注意控制好分光器分光比。然而对于采用该拓扑的应用来说，每个onu站点的位置是固定的，机动性不大，因此主要需要从如何放大光功率方面来考虑，详见第1节中的讨论。
3．epon的色散
epon系统中上行使用1310nm波长，下行使用1490nm波长，采用的光纤维itu-t g.652光纤，我们知道g.652光纤的零色散波长为1300~1324nm区间，上行波长正好在这个区间内，因此对于onu的光谱特性要求不高，可以使用fp激光器。对于下行1490nm不在零色散波长区间，对于长距离epon系统，olt必须使用谱宽较窄的dfb激光器以减小色散代价。
4．epon的时序要求
epon协议中有三个时间是很重要的一个是系统最大rtt（图5），一个是注册开窗时间还有一个是dba轮询周期。当加长传输距离后，距离olt最远的那个onu的rtt最大，假设最远onu为70km，则rtt为2×（70000/2*108）=700us（光信号在真空中速度为3×108m/s，在光纤中速度按照2×108计），因此该情形下epon系统的注册开窗时间至少应该在700us以上。由上分析可见随着传输距离的加长，注册时间将不可避免的加长。另外需要考虑的是dba的轮询周期，从图6可以看出dba轮询周期至少应该大于系统最大的rtt（即最远onu的往返时间），可见在长距离情形下，dba的效率是较低的，在大多数情况下，建议采用sba（静态带宽分配）算法来代替sba。
图5 rtt（往返时间）示意图
图6 dba轮询周期示意图
5．结束语
考虑以上的因素，我们在武汉长光科技有限公司的epon系统上进行了验证。实践证明通过调整最大轮询周期，不调整物理层参数，可以做到在1：8均分分支比下，传输60km。通过oeo的方式，做到了1:32分支比80km的传输。目前该司的相关长距离epon产品已经实现了批量销售，上述研究得到了市场检验。
参考文献：
[1] ieee standard 802.3ah-2004[s].
作者简介: 王立新(1967- ) ，女，硕士，高级工程师，主要研究方向计算机通信，m2wllx@163.com。胡保民（1977-），男，博士，武汉长光科技有限公司产品总监，主要研究方向为数据通信及接入网。
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