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、物理層收發器、色散等相關，后者和EPON的帶寬分配算法、DBA（動態帶寬分配）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側發射功率大于2dBm，接收靈敏度<-27dBm；對于ONU發射功率大于-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的發射光功率和/或提高OLT/ONU的接收靈敏度來提高EPON系統的光功率預算。采用該方法缺點是無法使用業界標準的光模塊，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節中的討論。

3．EPON的色散

EPON系統中上行使用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區間，上行波長正好在這個區間內，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不在零色散波長區間，對于長距離EPON系統，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協議中有三個時間是很重要的一個是系統最大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，在大多數情況下，建議采用SBA（靜態帶寬分配）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，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產品已經實現了批量銷售，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品總監，主要研究方向為數據通信及接入網。