EPON系統E1業務實現方案

赫 偉， 孫應飛

0 引言

EPON（以太無源光網絡）為點對多點的拓撲結構，通過MPCP協議控制 802.3以太幀在系統中傳輸，連接終端用戶提供多業務接入服務[1]。它主要由OLT（局端光線路終端）、ONU（戶端光網絡單元）和ODN（光分配網絡）組成。下行采用廣播方式，ONU根據LLID（邏輯鏈路標識）接收屬于自己的數據；上行采用TDMA方式，由OLT向ONU授權發送數據的時隙，實現寬帶光纖接入[2]。

在國內 EPON系統廣泛應用于家庭和企業。在企業中，基于專線業務需求的多樣性，要求ONU能提供豐富的接口，包括支持E1業務的G.703接口，從而與傳統SDH傳輸網絡進行數據交互。使EPON支持TDM業務，滿足運營商、用戶節省投資成本，多業務共平臺的發展方向。

1 技術標準要求

TDM業務對時延、同步要求嚴格。而EPON是基于以太網的異步傳送網絡，沒有全網同步的高精度時鐘。其精度為±10.0×10-5,而E1要求時鐘精度為±5.0×10-5(GB7611規范)。

ITU-T G.982中規定“SNI和UNI接口之間端到端單向E1信號時延不能超過 1.5 ms”并且“24小時內，設備的N×64 Kbit/s及2 Mbit/s通道的誤比特率為0”。

為在技術上達到這些規范要求，要把 E1數據按照一定的方式和周期封裝成EPON傳輸的802.3以太幀，并保證傳輸帶寬及ONU、OLT兩端E1時鐘同步[3]。

2 時延分析及數據封裝

在分組交換網絡中傳輸 E1數據，引起時延的因素在以下幾方面：

碼型變換時延：主要由HDB3向8B/10B碼型變換電路組成，由特定電路完成數字處理。

封裝時延：沒有復雜的運算，僅對來自 E1接口的數據進行分組，增加幀頭和校驗位。

系統傳輸時延： OLT與ONU之間的速率為1 000 Mbit/s，最大距離為20 km，RTT=200 us。

排隊等待時延，采用多LLID的EPON系統DBA(動態帶寬分配算法)，根據E1業務對應的LLID號碼分配最高優先級，減少發送端口排隊時間。 以上時延經測算約為450 us。

平滑抖動時延：網絡時延的變化即時延抖動，起源于網絡中的隊列或緩沖，增加去抖動緩存對抖動進行平滑，抖動時延總和在 500 us以內不會產生誤碼，這些會被抖動平滑處理模塊平滑掉。

封裝周期：即經過多長時間做一次 E1數據到以太幀的封裝。考慮標準要求及以上時延，選用 500 us作為封裝周期，對應E1數據長度為128 byte（4個E1幀），以太幀長為155 byte如圖1所示。

圖1 E1封裝到以太幀

E1接口芯片將數據送到封裝電路緩存中，到達4幀長度（500 us）后，將數據按以太幀格式封裝。根據 E1端口查找地址表，確定此E1幀的目的和源地址，計算FCS值；寫入數據長度完成適配[4]。

3 多LLID的優先級隊列動態帶寬算法

EPON 使用基于幀的仿真子層來建立OLT 到ONU 的邏輯鏈路,在以太幀8 字節的前導碼中承載LLID，由1 bit模式指示和15 bit標記組成。在單LLID的EPON中，針對多業務使用 802.1p優先級技術,不能保障某一優先級帶寬,進行優先級同業務的綁定，也不具備帶寬控制能力。

圖2 LLID與優先級隊列

在定義中有3萬個LLID容量，從而可以為每個ONU分配多個LLID ,通過管理這些LLID,使得傳輸質量得到控制，更好地支持TDM業務。當ONU向OLT注冊時，根據自身業務配置申請多個(例如三個) LLID號。在ONU中跟據不同業務建立對應關系表，E1數據對應LLID1,視頻對應LLID2，普通上網對應LLID3。建立3個優先級緩存隊列：加速轉發（EF）、確定轉發（AF）、盡力而為（BE），EF業務有限定的端到端延時。每一級別數據緩存在指定的優先級隊列中，根據不同LLID進行帶寬分配。

多LLID的DBA，其向ONU分配帶寬等同于向擁有LLID號的邏輯鏈路分配帶寬,這時LLID相當于邏輯的ONU。假設在EPON系統中有N個ONU(3N個LLID),傳輸速率為R Mbit/s。輪詢周期。上傳數據的時隙保護帶寬為(=2 us)，避免時延抖動發生的沖突。同時定義為OLT能分配給LLIDi的最小保證帶寬，即在重負載的情況下OLT分配給每個LLID鏈路的帶寬為：

在多LLID的EPON內，通過DBA和鏈路權重配比，可以直接控制鏈路分配帶寬，從而對業務時延進行保證[5]。利用OPNET為算法進行仿真得到EF業務時延小于1.5 ms，符合要求。

4 時鐘同步

在EPON中實現E1業務，要保證ONU與OLT的E1時鐘同步，需要在以太幀中加入時鐘標簽，由OLT向ONU傳送封裝時鐘標簽的以太幀。其方法為：

在OLT側提取上游E1線路時鐘，若上端沒有時鐘信號，則采用本地晶振時鐘源，通過CY22392時鐘芯片進行16倍頻，生成時鐘信號soltf 通過計數器進行周期計數，得到8位的時鐘標簽數值范圍：0～255。將時鐘標簽封裝在E1幀中占用1 byte，每500 us發送一次。采用16倍頻有利于ONU接收到OLT時鐘標簽后根據差值調整分頻器，實現時鐘同步。若時鐘頻率過小會造成500 us內時鐘標簽差值變化太小，失去同步功能。

在ONU側E1板上提取本地時鐘，經過倍頻得到 fsonu與fsolt頻率相同，用8位計數器計算本地時鐘 fsonu的周期數，生成ONU側的時鐘標簽，此數值和OLT發送的時鐘標簽相比較；根據差值回饋調整分頻控制器的具體參數，通過調整分頻輸出得到E1業務時鐘，實現時鐘同步。

當ONU接收到OLT的時鐘標簽與本地時鐘標簽相比較，如果差值為0，說明達到了同步；如果存在差值，則用OLT側的計數器值替換ONU側的計數器值，使ONU與OLT達到同步[6]。E1業務經過 16倍頻得到時鐘信號為：2.048 MHz×16=32.768 MHz，時鐘信號32.768 MHz的時鐘精度為±3.0×10-5，比特率容差32.768 Mbit/s×60× 1 0-6s=1966.08 bit,時鐘標簽封裝在E1數據幀中，每500 us傳送一次，則在500 us內產生的時鐘標簽差值為1966.08×500× 1 0-6s=0.98≈1 bit。

因此在32.768 MHz時鐘下，500 us封裝周期的E1數據幀內時鐘標簽的差值為1 bit，即使出現丟幀現象，即1 ms內沒有實現時鐘同步，造成2 bit差值，也在E1時鐘標簽容限內。通過差值調整分頻數來控制輸出的E1業務時鐘，如圖3。

圖3 系統同步流程圖

這就是說，ONU側利用時間標簽法恢復的時鐘在精度上滿足相應的ITU-T G.703標準規定；在長期的數據發送數量上與OLT側保持一致，采用此方法實現同步是可行的。

5 模塊設計及驗證

在系統中與E1相關的功能模塊主要有：E1接口電路、收發接口、以太幀封裝/解封裝、環回控制、OAM處理、DBA、幀類型識別、同步處理等；相關模塊設計采用FPGA實現。

對方案中E1的基本性能指標，我們進行了誤碼率測試：在ONU側掛誤碼分析儀，OLT相應端口打硬環。測試儀表與ONU設備通過G.703接口線路相連。單端口12小時測試誤碼率為0。

正負5.0～10.0×10-5時鐘頻率拉偏測試：在OLT側掛誤碼分析儀，ONU端做硬環。分析儀設置內部時鐘， OLT與ONU設置線路時鐘。正向拉偏到3.36×10-5時，測試30分鐘沒有出現誤碼，負向拉偏到-8.59×10-5時，測試30分鐘沒有出現誤碼，設備可承受時鐘拉偏值在-8.59～3.36×10-5之間。

傳輸時延測試：在OLT側掛誤碼分析儀，ONU端做硬環。測試時延數值1.37 ms，符合要求。

6 結語

分組交換業務與電路交換業務的結合，有利于 EPON系統的發展滿足不同業務需要，文章對 E1業務仿真方案和模塊設計實現了E1業務在EPON中的傳輸，保證了同步、時延和帶寬，相應指標滿足國內外標準規定。

[1] 紀越峰.綜合業務接入技術[M].北京：北京郵電大學出版社，1999.

[2] 劉溯,李昕,何越.EPON——全新的寬帶接入技術[J].電信科學,2001(11)：50-54.

[3] 吳學智，齊修森，何如龍,等.以太網無源光網絡的服務質量分析[J].通信技術,2007,40(11)：096-100.

[4] 李濤,陳雪,鄧羽. E1 over EPON的實現[J],光通信技術, 2004(02)：15-19.

[5] 李昭,陳前斌. 一種EPON上行接入帶寬動態帶寬分配算法[J],通信技術,2008,41(05)：026-030.

[6] 朱麗麗.EPON系統承載 IPTV業務的關鍵技術研究[J],通信技術，2009,42(06)：66-69.