ofdm-pon媒质接入控制协议的研究

密级保密期限硕士研究生学位论文题目OFDMPON媒质接入控制协议的研究学号105210姓名丁福玲专业通信与信息系统导师乔耀军学院信息与通信工程2012年12月23日独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名日期关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）保密论文注释本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名日期导师签名日期北京邮电大学硕士生学位论文摘要IOFDMPON媒质接入控制协议的研究摘要无源光网络（PON）可以为更多种类的通信业务提供更高的带宽支持，无源光网络技术近年来受到了各界的广泛关注。由于正交频分复用接入（OFDMA）的诸多优点，正交频分复用接入（OFDMA）与无源光网络（PON）结合的方案在下一代接入网技术中体现出极大的优势。文章首先对正交频分复用无源光网络（OFDMPON）系统尤其是其MAC层的关键技术进行了简单的阐述，对目前比较成熟的无源光网络的媒质接入控制进行研究，深入研究目前已有的一些动态带宽分配算法。其次提出了一种称为提供服务质量（QOS）保障的特殊情况下区别用户服务等级的动态带宽分配算法。该算法引入两级调度的机制，将带宽资源的分配分为不同优先级业务的调度和同类型业务下不同等级的光网络单元（ONU）调度。提出的算法适用于OFDMPON的网络架构，很好的实现了对各业务的服务质量保障。采用带宽申请比例分配结合固定参数调节的机制，使得AF、BE业务的带宽分配在保障业务优先级和公平性之间取得了较好的平衡；采用最小带宽申请优先方法结合固定参数调节的机制为不同等级ONU的在同优先级业务的带宽分配上提供的等级保障和相对公平。仿真结果显示，新提出的算法提供了很好的服务质量保障，符合多业务接入对服务质量等的需求。关键词媒质接入控制（MAC）；服务质量（QOS）；动态带宽分配算法（DBA）；正交频分复用无源光网络北京邮电大学硕士生学位论文摘要II北京邮电大学硕士生学位论文ABSTRACTIIIMEDIAACCESSCONTROLPROTOCALRESEARCHONOFDMPONABSTRACTPASSIVEOPTICALNETWORKHASBEENWIDELYFOCUSEDONBYRESEARCHERSANDINDUSTRYFIELDBECAUSEOFITSHIGHBANDWIDTHANDSUPPORTINGMOREKINDSOFCOMMUNICATIONSERVICESANOVELPASSIVEOPTICALNETWORKPONNAMEDOFDMPONWHICHCOMBINEDORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGACCESSOFDMAWITHPASSIVEOPTICALNETWORKISPROPOSEDANDWIDELYDISCUSSEDINALLFIELDSATFIRST,THETHESISINTRODUCESTHEKEYTECHNOLOGIESINOFDMPON,ESPECIALLYTHESEINMACLAYERTHENTHETHESISRESEARCHEDTHEMEDIAACCESSCONTROLMECHANISMSINPASSIVEOPTICALNETWORKANDANALYZEDEXISTINGDYNAMICBANDWIDTHALLOCATIONALGORITHMSANOVELDBAALGORITHMSISPROPOSEDINTHETHESIS,WHICHNOTONLYSUPPORTSMULTISERVICEACCESSBUTALSOENSUREQOSDISTINGUISHINGUSERLEVELATSPECIALCASETHEPROPOSEDALGORITHMUSESTWOLEVELMECHANISMSDURINGTHEALLOCATINGPROGRESSININTRAPRIORITYALLOCATION,THEDBAALGORITHMSAPPLIEDBANDWIDTHPREALLOCATIONMECHANISMTOENSURETHEQUALITYOFEFSERVICEANDTHEAPPLYINGOFPROPORTIONALALLOCATIONMECHANISMPLAYSANEXCELLENTBALANCEBETWEENTHEPRIORITYOFDIFFERENTSERVICESANDFAIRNESSBETWEENTHEHIGHERANDLOWERPRIORITYSERVICEDURINGTHEALLOCATIONOFINTERPRIORITY,THEPRINCIPLEOFSMALLESTBANDWIDTHREQUESTALLOCATEDFIRSTCOMBINEDWITHPROPORTIONALALLOCATIONMECHANISMISUSEDBETWEENONUAMONGTHESAMEPRIORITYTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHAT,COMPAREDWITHTRADITIONALDBAALGORITHMS,THEPROPOSEDALGORITHMGUARANTEESTHEQOSREQUIREMENTSOFDIFFERENTTYPEOFSERVICESEXCELLENTLYKEYWORDSMEDIAACCESSCONTROLMACQUALITYOFSERVICEQOSDYNAMICBANDWIDTHALLOCATIONDBAOFDMPON北京邮电大学硕士生学位论文ABSTRACTIV北京邮电大学硕士生学位论文目录V目录第一章绪论111引言112OFDMPON系统的应用背景和研究现状2121OFDMPON系统的应用背景2122OFDMPON的研究现状313本论文的结构安排314本章小结4第二章OFDMPON的系统结构和关键技术521OFDMPON系统的结构5211OFDMPON的网络结构5212OFDMPON的工作原理622OFDMPON的关键技术9221测距和同步9222服务质量保障10223动态带宽分配（DBA）算法11224操作管理维护（OAM）功能11225安全性1223本章小结12第三章无源光网络的媒质接入控制1331TDMPON的媒质接入控制13311EPON13312GPON1932无源光网络的上行带宽分配算法分析23321静态带宽分配算法23322恒定比特率算法23323基于比例分配的动态带宽分配算法2433OFDMPON现有媒质接入控制方案26331NEC实验室26北京邮电大学硕士生学位论文目录VI332赫特福得大学LANE学院28333ATHENS信息技术中心29334国内研究机构3134本章小结35第四章OFDMPON的媒质接入控制协议设计3641OFDMPON的协议栈3642OFDMPON的媒质接入控制协议设计38421帧结构设计40422多点控制协议的控制过程及执行方式41423业务优先级设置45424EF业务的预分配机制4643OFDMPON的评价参数4644OFDMPON的动态带宽分配算法及仿真分析47441不同优先级的业务资源调度48442ONU的带宽资源分配50443仿真实验以及性能分析5145本章小结54第五章总结55参考文献56致谢59攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利60北京邮电大学硕士生学位论文第一章绪论1第一章绪论11引言近年来，光纤通信技术的发展对信息技术产业起到了极大的推动作用。随着网络规模的迅速扩大，光接入网已经成为整个网络最大的投资部分。无源光网络和有源光网络近来年均有所发展，光网络的发展得到了更多国家和ITUT的重视1。ITUT早在1996年就已经通过了首个关于无源光网络的国际建议G9822，很多国家也开始在接入网的规划设计实施中引入光接入网。光纤接入网OAN技术比其他接入技术有更大的可用带宽；此外，光纤接入技术还有很多巨大潜力有待我们去开发3。光纤接入网（OAN）在系统性能上有许多其他系统不具备的优势，对无源光网络PASSIVEOPTICALNETWORK，PON技术的进行学习和研究有着非常重要的意义。光接入网由每个用户平均的分摊接入设备的成本，光节点离用户近时，每个用户平均分摊的成本比较高。此外，光纤接入网还需要管道资源，这就使得很多运营商在选择光纤接入技术时有所顾虑，正是因此，虽然看好光纤接入，但其中的不少运营商最终还是选择了无线接入技术。但是从长远的观点来看，光纤接入技术在传输性能上有极大的优势，而且有很强的支持长远发展的能力，这是其他接入技术所没有的优势46。作为光接入网的一项主要技术，无源光网络技术的研究也同样非常有意义。在无源光网络中不需要造价相对较高的有源电子设备。无源光网络的户外不需要配置有源设备，在交换机或者用户宅内进行信号处理。与有源光纤接入系统相比，无源光网络的传输距离短，覆盖范围小；但是无源光网络的造价比较低，不需要另设机房，可以极大的降低维护成本。正是如此，无源光网络的结构适合提供居家用户的服务78。在上行方向，各个ONU必需要采用多址接入协议完成上行共享信道的信息传输，常用的接入协议有时分多址接入（TDMA）、正交频分复用接入（OFDMA）协议。在下行方向，交换机以广播的方式将信号发给所有用户。北京邮电大学硕士生学位论文第一章绪论212OFDMPON系统的应用背景和研究现状121OFDMPON系统的应用背景OFDM技术已经广泛应用在音频视频广播、无线通信等各种通信系统中，但由于OFDM技术对高速模数和数模转换器件以及数字信号处理电路有很高的要求，所以一直没能在光纤通信系统得到应用。近年来，随着集成电路技术的高速发展，将OFDM技术应用于高速光接入系统已经在技术上可实现，国际上对基于OFDM的PON技术已经展开了的广泛研究9。目前，10GBPS的PON技术已经开始商用，但仍然不能够满足需求。光接入网面临接入容量大、用户数量多、覆盖范围广的挑战。要提升接入容量，可以采用更窄的时隙。但是因此也会造成定时、测距的困难。这就需要一种高频谱效率的方案；要增大用户数，可以采用提高分光比的方法。但是提高分光比的同时，会造成功率预算不足。这就需要一种高抗噪能力的方案；要增加覆盖范围，就需要增大光纤长度。但是由于增加光纤长度，色散导致的信号劣化会更为严重。这就需要一种高色散容限的方案。而光OFDM技术采用多个子载波正交，可以提高频谱效率、解决频谱效率问题；子载波之间相互独立，抗窄带干扰能力强，可以采用信道均衡和前向纠错等DSP技术提高抗噪能力，解决抗噪能力的问题；子载波并行传输，降低了每路的符号速率，提高了色散容限，可以解决色散容限问题；子载波可以灵活分配，进行灵活星座映射，可以提供多业务服务以解决业务融合问题。因而，OFDMPON是光接入网的最佳选择，也受到各界的广泛关注1011。相比目前主流的TDMPON技术方案，OFDMPON具有更高的灵活性和更好的传输性能。并且，OFDM技术可以把对于高成本光器件的要求转移到低成本电器件的要求，而随着集成电路技术的发展，OFDMPON更容易降低实现成本。现有的研究结果表明，OFDMPON传输性能优秀，灵活性高，易于控制管理，是40GBPS甚至100GBPS的NGPON2技术的有竞争力的方案之一12。与其他的无源光网络技术相比较，OFDMPON系统的优势主要体现在以下的几个方面1可以提高带宽效率。采用16QAM调制，25GHZ的带宽可以支持10GBPS的总速率，带宽效率可达4BIT/S/HZ。2成本效益好。与传统的WDMPON相比较，OLT需要更少的接收机，因而可以有效的降低搭建网络的成本。3灵活性好。在带宽资源共享和虚拟化处理时，具有极好的灵活性。北京邮电大学硕士生学位论文第一章绪论34协议独立，业务透明。子载波的子集合就像是透明的管道，可以支持各种不同服务质量要求的数字和模拟信号。5具有可扩展性。OFDMAPON是一个可扩展的结构，可以与TDMPON和WDMPON很好的结合。6可以支持简单的低开销的媒质接入控制操作。122OFDMPON的研究现状目前国际上主要有NEC美国实验室等对OFDMPON进行了理论的研究和实验的验证。最早的有关OFDMPON的实验研究结果，发表于2007年9月的ECOC会议上，NEC美国实验室的研究组第一次完整提出了OFDMPON的概念，并进行了10GBPSOFDMPON的上下行传输演示实验13。随后又提出了基于偏振复用（PDM）的OFDMPON系统方案14，采用直接探测和MIMO算法相结合的方式实现了PDMOFDM信号的解调，并且将单载波速率从40GBPS升级到了108GBPS。WDMOFDMPON接入方案是由佐治亚理工的JIANJUNYU教授提出,这种方案将光OFDM技术与WDMPON技术相结合15，下行的10GBPS光OFDM信号通过射频调制加载，在ONU处进行25GBPSOOK上行信号再调制。为了消除OFDM信号功率损耗，ONU接收端仅滤出一个边带进行解调，并实验验证了低成本直接调制激光器光源可应用于OFDMPON系统中。国内一些研究机构也开展了一些光OFDM方面的研究。北京大学研究组研究了网络光线路终端OLT与光网络单元ONU为环形组网或树状组网连接，还提出了一种基于DFT扩展OFDM技术的SCFDMAPON的系统架构。北京邮电大学研究组提出了10GBPS的WDMOFDMPON接入系统方案,其下行采用10GBPSOFDM信号，并且与25GBPS的偏振键控（POLSK）多播信号正交传输，在ONU处进行了25GBPSOOK上行信号再调制。OFDMPON可以通过数字信号处理技术实现，支持多种粒度的带宽分配，具有高度的灵活性。通过高效数字调制和动态资源管理，具有很高的带宽效率。13本论文的结构安排北京邮电大学硕士生学位论文第一章绪论4本论文主要对OFDMPON系统的媒质接入控制协议进行研究，并提出了一种适用于OFDMPON系统的提供服务质量保障的特殊情况下区别用户服务等级的动态带宽分配算法，并对算法进行了仿真和性能分析，主要工作包括1阅读文献资料，了解OFDMPON关键技术和近期进展，主要对测距和同步、服务质量保障、动态带宽分配算法、OAM功能、安全性研究等进行了详细的学习研究；2查阅现存的无源光网络标准和建议中MAC层部分，学习研究G9843标准16、IEEE8023标准以及后来的各项修正案17，就帧结构的设计、多点控制协议以及动态带宽分配算法进行研究；3整理分析现阶段提出的动态带宽分配算法和MAC方案，对比分析各个方案的系统架构、指标参数、算法或者方案的具体设计、仿真结果以及优势和不足，以此熟悉掌握近期的研究方案，了解媒质接入控制协议的设计方法；4根据系统结构设计动态带宽分配算法，实现对载波、时隙等多种颗粒度的资源调度，满足三网融合异构业务的服务质量和吞吐量要求，通过MATLAB对设计的动态带宽分配算法进行仿真，整理分析仿真结果。论文具体的结构安排如下第一章介绍光接入网尤其是OFDMPON的现状和研究意义，阐述文章的研究内容，对论文进行结构安排；第二章对OFDMPON系统的结构进行简单的介绍，对OFDMPON系统的MAC层的关键技术进行了简单的阐述；第三章对目前比较成熟的无源光网络的媒质接入控制进行研究，深入研究目前已有的一些动态带宽分配算法，并对现存的OFDMPON的媒质接入控制方案进行分析和整理总结；第四章进行OFDMPON的媒质接入控制协议设计，提出了一种提供服务质量保障的特殊情况下区别用户服务等级的动态带宽分配算法，并对该算法性能进行了仿真和分析；第五章对本文所做的研究以及取得的成果进行总结。14本章小结本章主要探讨了现今无源光网络的发展情况，并且对OFDMPON的应用北京邮电大学硕士生学位论文第一章绪论5背景和研究现状进行简单的阐述，最后提出了文章将要研究的内容和论文的结构安排。北京邮电大学硕士生学位论文第二章OFDMPON的系统结构和关键技术6第二章OFDMPON的系统结构和关键技术21OFDMPON系统的结构图21为OFDMPON的网络结构图。OFDMPON是一种有线接入网，由三个构成部分一个光线路终端（OPTICALLINETERMINAL，OLT）、多个光网络单元（OPTICALNETWORKUNIT，ONU）和光分配网络（OPTICALDISTRIBUTIONNETWORK，ODN）18。光线路终端设备位于局端，承担接入网中的转发数据包的任务。光网络单元设备位于用户端，用于临时性的存储由光线路终端传来的下行数据或者是由用户端传来的上行数据，在恰当的时间进行转发数据。光分配网络主要由无源器件组成，如无源光分配器、无源光耦合器COUPLER/SPLITTER等。用户可以通过OFDMPON的光线路终端连接到不同的业务中心。可以通过不同的业务中心的支持同时享受多种不同的网络服务。光耦合器光纤中心局光线路终端光网络单元1光网络单元3光网络单元2光分配网络业务节点接口用户网络接口OFDMPON用户用户用户MAN业务中心PSTN业务中心CATV业务中心图21OFDMPON的网络结构示意图211OFDMPON的网络结构对于光接入网来说，成本的高低，以及用户端的设备复杂与否，很大程度的决定着某项技术是否可以应用在接入层面。这是由于在光接入网中的设备投放量很大，成本的高低对于技术的推广使用造成很大的影响。光接入网的成本与网络的物理拓扑关系密切。因而我们在规划设计未来的光接入网时，就需要根据方案中的拓扑形式考虑整体造价水平，只有获得合适的性价比的方案才有可能被商用。OFDMPON的网络拓扑结构与传统无源光网络一样，都是点对多点POINT2MULTIPOINT,PMP的拓扑结构。可以实现点对多点的网络拓扑结构类北京邮电大学硕士生学位论文第二章OFDMPON的系统结构和关键技术7型主要有如图22所示的环型拓扑、总线型拓扑、树型拓扑等。图22（A）所示的是环型拓扑结构。环形拓扑可以进行自由、灵活的线路设定，可以组成自愈环，网络的可靠性较高。但是仅依靠现在的无源器件技术，数据环路问题无法解决，通过无源器件使得数据链路层的功能得以实现目前还存在技术实现上的难题。环型拓扑结构由于现阶段技术上的不可行性，在光接入网中不予以考虑。图22（B）所示的是总线型拓扑结构。总线型拓扑中，所有的网络节点可以通过共享的总线来实现相互之间的连接。采用总线拓扑结构，用户之间可以共享传输设备，节点的增加和移除操作简单，但同时也会有保密性差、可靠性低的缺陷。总线的各个分支零散分布在整条总线上，因而需要许多分光器、耦合器等。由于网络中引入了昂贵的无源器件，因而总线型网络拓扑的实现成本也变得极高。出于对成本因素的考虑，环型网络拓扑结构一般也不考虑用于光接入网的规划和搭建。图22（C）所示的是树型拓扑结构。它继承了总线型结构的优点，采用共享介质的总线，并且将零散分布在总线上的所有分支集中在一起，形成一个树的节点。由于它将总线型网络拓扑中散落分布的无源器件集中成为一个节点，可以降低网络的技术成本，因此在目前的无源光网络技术中最为常见。此外，采用树形网络拓扑，针对有业务需要但是对业务需求量不明朗的条件下的接入网业务量的增长，可以采用先将光纤接入到小区或大楼、再根据各个用户的需求为用户接入分支光纤。采用这样的方案可以减少初期的资金投入，避免造成过度投资，因而树型网络拓扑结构比较适合接入网初期的规划和建设。A环型B总线型C树型图22OFDMPON的网络结构示意图212OFDMPON的工作原理在OFDMPON系统中，一般是上、下行数据采用不同的波长同时在一根北京邮电大学硕士生学位论文第二章OFDMPON的系统结构和关键技术8光纤中的进行传输。典型的波长分配方案是上行方向采用1310NM波长，下行方向采用1550NM波长19。下行传输方向是指从OLT到ONU方向。在下行传输中，OFDMPON系统从OLT至ODN共享物理介质，是一个广播网络。由于共享物理介质，因而比点到点的拓扑结构节省铺设成本。下行数据流由OLT发送，经过1N分光比的无源ODN将下行光信号复制并且对各个ONU，分光比的典型取值4128。如图23所示。由于OFDMPON系统的点到多点的拓扑结构，因而有必要对所有的光网络单元进行逻辑编址，并且在下行帧帧头添加目的地址的信息，以此来创建无源光网络点到点逻辑拓扑结构。在OFDMPON中，建立逻辑上的点到点网络是通过逻辑链路标识LLID字段实现的。在每个下行帧帧头添加一个唯一标识目的地址的字段，称为逻辑链路标识LLID字段，就可以建立逻辑上的点到点的网络。所有的光网络单元均侦听系统的下行信道，并对接收到数据帧的LLID进行检查，有选择性的仅接收OLT发送给自己的数据帧和广播帧，对其他帧丢弃。图23是OFDMPON系统的传输方式的示意图，系统的下行链路采用OFDM调制方式。在光线路终端中，所有的下行流量被调制在OFDM光信号上，在到达光分配单元之后，由无源光分配网络SPLITTER将下行光信号做N份相同的复制，然后发送给各光网络单元。光网络单元根据其自身的逻辑链路地址LLID的值，接收发送个自己的下行广播帧，丢弃其他帧。至此，从业务中心发送至用户的下行流量的转发过程就完成了。光耦合器F1F3F2中心局OLTONU3ONU2ODNT用户用户用户ONU1123F1F3F2T123F1F3F2T123F1F3F2T123123图23OFDMPON的下行传输过程示意图从ONU到OLT的数据传输称为上行传输方向。与传统的无源光网络技术有所区别的是，在OFDMPON系统中采用的多址技术是正交频分复用多址接入（OFDMA）。正交频分复用多址接入技术把上行带宽资源划分成二维复用（时隙/子载波）的资源模式，而传统的无源光网络系统只有一维（时隙）带宽调度粒度。在系统带宽粒度方面，OFDMA比传统的无源光网络更加细致。现对OFDMPON的上行数据传输过程进行分析。ONU按照OLT指定的（可以是北京邮电大学硕士生学位论文第二章OFDMPON的系统结构和关键技术9静态指定，也可以是动态分配）的子载波和时隙向OLT发送数据帧。无源光耦合器具有方向属性。OFDMPON系统在上行传输方向采用的是多点到点的网络拓扑形式，需要在所有上行帧帧头添加LLID的源地址信息，通过这种方式建立逻辑上的点到点的拓扑。在上行数据传送时，由于定时不准或者子载波的精度不准，有可能会发生碰撞。为此必须对每个ONU的发送过程进行严格的定时，同时要确保调制子载波的精度以避免ONU发送的数据帧之间发生碰撞。物理距离、环境等因素不同，ONU到OLT的传输延时、信号衰减的程度也不尽相同。OFDMPON系统的上行传输如图24所示。ODN通过无源光耦合器，将来自于不同的ONU的光信号耦合成为一个OFDM多址复用的光信号，然后将这个光信号发送给OLT。光耦合器F1F3F2中心局OLTONU1ONU3ONU2F1F2F3ODN123TTTT321123用户用户用户图24OFDMPON的上行传输过程示意图与其他PON系统一样，OFDMPON由OLT、ODN和ONU构成，各个部分的功能如下。1光线路终端OLT的功能OLT是系统的核心部件。它实现了普通接入网中的交换机或路由器的功能，同时也是一个多业务提供的平台。在OFDMPON系统中，OLT向上可以提供GBPS、10GBPS以及更加高速的业务接口，可以良好的支持网络内部的多业务、大流量的复杂接入的需求；向下可以支持高速的数据收发，其中包括复用、发送需要复用或者传送到各个ONU的下行数据20；接收和识别来自于所有ONU的上行数据；根据服务等级协议（SERVICELEVELAGREEMENT，SLA）的要求，根据ONU上报的带宽请求信息，按照规定的动态带宽分配算法实现各个ONU的动态带宽分配，通过这种方式为各个等级的业务提供相应的服务质量保障；加强用户管理机制的有效性，可以使用多点控制协议实现ONU节点的动态加入和节点的退出。OLT的功能可以总结为以广播的方式，对系统中的每个ONU进转发下行流量；进行带宽资源分配；完成测距、ONU的注册和注销等。2光网络单元ONU的功能北京邮电大学硕士生学位论文第二章OFDMPON的系统结构和关键技术10ONU是系统的主要部件之一。ONU的功能包括对来自于OLT的下行广播信号进行选择性接收，并将信号转发至特定的用户；根据OLT分配的带宽，将用户需要进行传输的业务数据转发到ODN，以实现多业务的接入；实现电信号和光信号之间的相互转换、实现数/模、模/数转换；需要提供不同业务的接口等。3光分配网络ODN的功能ODN是一个树形分支结构的无源设备，连接OLT和ONU，是树形网络拓扑的核心节点。ODN是一种无源设备，它几乎不受供电场景的限制，可以对部署的环境的限制很少。ODN的功能体现在两个方面，一个是将OLT发送的下行光信号分发到各个ONU；二是通过无源光耦合器将ONU发送的光信号耦合成一个信号，然后转发给OLT。由OFDMPON的网络拓扑结构我们可以看出，网络的智能主要是在OLT端进行实现，相对而言，ODN、ONU的控制和计算功能都比较简单。在搭建一个网络时，用户端设备的用量要比OLT局端设备多很多，几乎可以占到网络成本的60至70，可以显著的降低网络的总成本。22OFDMPON的关键技术221测距和同步在OFDMPON系统中，确保各个ONU实现准确定时，环路时间（ROUNDTRIPTIME，RTT）是实现ONU与OLT之间的收发同步的关键参数。OLT和ONU之间保持同步时，多个ONU和OLT之间的通信才可以实现，避免传输数据之间的时域碰撞、干扰。ONU与OLT距离的不一致、环境不一致等因素都会造成的RTT值的不同。为了确保上行链路数据顺利发送，消除时域干扰，可以采用测距和时延补偿的方法。在OFDMPON系统中，在授权帧和报告帧引入时间标签，以此实现对RTT的测量和补偿，即OLT在接收到控制帧后，计算时间标签与本地时钟的时间标签的差值，以此来实现测距，并且根据测距的结果对所有的ONU进行时域补偿。图25所示的是RTT的计算方法，RTT的计算过程如下（1）OLT向ONU发送授权帧，其中在授权帧携带有OLT的本地时钟标记，以此告知ONUOLT在发送授权帧的本地时钟；T（2）ONU接收到授权帧的本地时刻为。然后ONU读取收到的授权帧的2T北京邮电大学硕士生学位论文第二章OFDMPON的系统结构和关键技术11时间标签，然后将自己的本地时钟设置为；1T1T（3）ONU向OLT发送报告帧，记下本地时刻为，并且将本地时间标签3T添加到报告帧中；T（4）OLT收到ONU发送的报告帧，记下此时的本地时刻为，得到4TONU发送该报告帧的时间标签。4TRTT的值如公式（21）所示。化简公式，我们可以看出RTT的值为OLT接收到报告帧的OLT的本地时间与ONU发送报告帧的ONU本地时间4的差值。3T（214132413143ABCDRTTTTTT）OLT将各个ONU对应的RTT值进行告知，ONU用对应的RTT值对发送数据包在时域上进行补偿，各个ONU之间就可以进行时域上的无干扰通信。图25采用时间标签机制测量OLT和ONU间的环路时延值222服务质量保障OFDMPON是一种新型的下一代光接入网，它适用于未来的大流量、多业务的接入场景。不管带宽资源有多少，对于用户来说带宽资源总是有限的，并且系统中通常需要对实时语音、TDM、视频等业务，这些业务对于服务质量的要求相对较高，而且业务量巨大，这就要求我们针对不同的业务类型，提供不同的服务质量保障，以最大的发挥OFDMPON系统的潜力。OFDMPON网络对于服务质量的保障主要是通过下面的方式实现1根据不同业务特性，根据业务的服务质量需求对业务划分优先等级。通北京邮电大学硕士生学位论文第二章OFDMPON的系统结构和关键技术12过对业务的服务质量需求归类，划分优先级提供服务质量；2语音、TDM、视屏会议等为最高优先级。OFDMPON系统中，保证这类业务的带宽、延时、延时抖动等各个性能参数，确保这些业务类型正常展开；3IP业务对时延、时延抖动要求不高，因而可以其归为最低优先级的业务。对于最低优先级的业务，OFDMPON系统的数据发送是尽力而为、不保证送达的；4在对业务进行了优先级的划分之后，对不同的优先级的业务，我们可以使用不同的带宽分配机制。研究出一种高效的带宽分配算法可以保证系统性能最优化。223动态带宽分配（DBA）算法OFDMPON是一种新型的、高性能的下一代接入网的解决方案，它可以适应未来大容量、多业务接入网的需求。系统上行方向是多点到点的网络结构，上行链路中通过正交频分复用多址的方式共享介质。在OFDMPON中，下行方向OLT可以根据服务质量需求自行安排下行信道，从而实现对每个ONU业务的服务质量保障；但是在上行方向，OLT并不知道每个ONU的所有队列的状态，因而需要每个ONU对其带宽请求信息进行实时上报，OLT参考ONU上报的带宽请求信息进行带宽分配。综上可以看出，带宽分配研究的重点在于上行方向。因此，如何利用网络的带宽粒度、如何对ONU的业务进行带宽的动态分配、如何保障业务服务质量需求，都是OFDMPON系统动态带宽分配算法要解决的重点问题。如何设计一种公平、高效、合理的算法是当前的研究热点。带宽分配算法需要考虑的因素包括网络拓扑结构、业务流量特性、帧结构设计等。根据带宽分配方式的不同，带宽分配可以分为动态带宽分配（DBA）和静态带宽分配（SBA）。SBA算法不考虑当前每个ONU负载，对于每个ONU的每种业务分配固定的带宽大小。DBA算法根据ONU实时上报的带宽请求信息，动态的为每个ONU进行带宽分配，是现在广泛使用的带宽分配方式。现在OFDMPON系统尚未有典型的动态带宽分配算法。为了保证系统性能，我们需要设计出一种性能优秀、复杂度较低，并且易实现的动态带宽分配算法。北京邮电大学硕士生学位论文第二章OFDMPON的系统结构和关键技术13224操作管理维护（OAM）功能OFDMPON需要由运营商来运营，所以我们有必要根据网络运营的需求，设计网络的管理功能。网络管理通常可以划分为三类操作（OPERATION）、管理（ADMINISTRATION）、维护（MAINTENANCE），这三者可以简称为OAM23。不同于传统的局域网，光接入网是无源通信的，要求局端可以检测网络状态的某些信息，包括远端环路检测和错误指示、链路状态监测等。225安全性OFDMPON系统采用点到多点的网络拓扑结构，以广播形式发送下行数据。在系统正常运行的条件下，可以实现对不同用户数据的区分，实现逻辑上的点到点的连接。但是网络中也存在一些安全隐患，如某些非法用户侦听网络的下行流量，从而获取其他ONU的LLID信息，对数据包进行修改或者重发、伪造控制信息、窃取用户的一些机密信息等。为保障网络安全，在OFDMPON系统中，我们需要对多点控制协议帧、OAM帧和所有ONU的下行信号加密，防止非法用户的窃听。可以通过密钥的方法实现防窃听。通信过程中只有持有正确密钥的ONU才可以解密数据，进而获取OLT的发送数据，这样就保证了下行的信息可以安全的到达指定的ONU，而同时可以保证下行信息不被其他的ONU恶意获取，保护每个用户的隐私。此外，通过对密钥进行定期更新以防止用户对其他用户的信息进行尝试解密。加密问题现在仍然是技术上的难题。23本章小结文章对OFDMPON的系统结构和关键技术进行研究。首先，研究了OFDMPON系统的网络结构和工作原理，然后研究了OFDMPON系统MAC层的关键技术，如测距和同步，服务质量的保障，动态带宽分配算法，OAM功能和安全性等。北京邮电大学硕士生学位论文第三章无源光网络的媒质接入控制14第三章无源光网络的媒质接入控制31TDMPON的媒质接入控制当前，国际上已经提出来的主流无源光网络（PON）技术标准有三种宽带无源光网络（BROADBANDPASSIVEOPTICALNETWORK，BPON）、吉比特无源光网络技术（GIGABITCAPABLEPASSIVEOPTICALNETWORK，GPON）和以太网无源光网络（ETHERNETPASSIVEOPTICALNETWORK，EPON）标准。这三种无源光网络技术标准都是采用TDM/TDMA的复用/多址方式。BPON基于异步传输模式（ASYNCHRONOUSTRANSFERMODE，ATM）协议，由于复杂性使得实现成本过高、封装开销大，并且在很多情况下也显得有些多余。目前A/BPON标准已基本退出接入网技术研究的范围，新的EPON和GPON技术标准发展迅速。311EPON为了避免上行链路发生碰撞冲突，EPON引入了多点控制协议（MULTIPOINTCONTROLPROTOCOL，MPCP）机制21。MPCP定义了5种消息，称之为多点控制协议数据单元（MPCPDATAUNITS，MPCPDU），这5种消息分别是报告帧（REPORT）、授权帧（GATE）、注册请求帧（REGISTER_REQ）、注册帧（REGISTER）、注册确认帧（REGISTER_ACK），他们均用于OLT和ONU之间的信息交换。所有的多点控制协议数据单元均为64字节的媒质接入控制（MEDIAACCESSCONTROL，MAC）帧，如图31所示。包括以下域目的地址DESTINATIONADDRESS源地址SOURCEADDRESS长度/类型LENGTH/TYPE8808操作码OPCODE时间戳TIMESTAMP数据/预留DATA/RESERVED/PAD帧校验序列FCS66224404OCTETS北京邮电大学硕士生学位论文第三章无源光网络的媒质接入控制15图31多点控制协议数据单元示意图目的地址（DESTINATIONADDRESS），6个字节，除了注册报文之外的所有多点控制协议数据单元都采用一个共同的多播MAC目的地址，其取值为0180C2000001。注册报文使用ONU的实际MAC地址。源地址（SOURCEADDRESS）在OLT中，对应一个GMII接口有多个MAC实例，因此不同的MAC发出的数据都必须携带其对应的源地址。长度/类型（LENGTH/TYPE）字段的值为8808，以此标识帧的类型是控制帧。操作码（OPCODE）用来区分控制帧类型。0001至0006分别表示不同类型的控制帧。时间戳（TIMESTAMP）表示时标，其功能是实现OLT与ONU的多点控制协议时钟的同步，参考点是目的地址的首字节。帧校验序列（FCS）采用CRC32进行校验。下面将分别对5种控制帧作较为详细的介绍。报告（REPORT）帧目的地址DESTINATIONADDRESS源地址SOURCEADDRESS长度/类型LENGTH/TYPE8808操作码OPCODE0003时间戳TIMESTAMP队列集数量NUMBEROFQUEUESETS帧校验序列FCS6622411报告位图REPORTBITMAP队列1REPORT队列2REPORT队列3REPORT队列4REPORT队列5REPORT队列6REPORT队列7REPORT队列8REPORT填充PAD0222222220394北京邮电大学硕士生学位论文第三章无源光网络的媒质接入控制16图32报告（REPORT）帧结构示意图光网络单元（ONU）向光线路终端（OLT）上报本地队列状态时，采用的就是图32所示的报告帧。队列N报告（QUEUENREPORT）表示传送队列中的字节所需要的时间，其中也包括了前导码、帧间隔、FEC检验域等的时间。报告位图（REPORTBITMAP）是队列的有效指示，队列域值有效，则将相应位置为1，否则队列域值无效。总共可以对应8个队列的指示。队列集数量（NUMBEROFQUEUESETS）OLT分配给ONU的时隙一般不是恰好等于ONU中数据队列的发送时间，由于不能传送被切断的以太网帧，因而在时隙的边界有可能会浪费部分带宽。因此，8023AH工作组引入了多个队列集（QUEUESETS），每个队列集分别指示了不同的长度。若在OLT分配的时隙中不能够发送整个队列，那么可以选择其中的一种队列集为依据，给ONU分配时隙。也就是说，ONU提供了本地队列长度的多个门限截至位置，而这些门限截至位置可以使得OLT的带宽分配更加灵活、更加有效。授权（GATE）帧图33为授权帧结构示意图。授权帧按照其功能可以分为两种，一种是普通的授权帧，用于带宽分配的授权；另外一种是用于发现的授权帧，用于网络中新加入ONU的注册。1授权数量/标识（NUMBEROFGRANTS/FLAGS）低3比特（比特2比特0）表示此授权帧携带的窗口授权的个数，可取的值为0到4，最多为4个。取值为0时，表示不进行窗口授权，仅用来表示链接机制，取值为1时表示携带一个窗口的授权参数，取值为4表示携带4个窗口的授权参数。比特3用以表示和区分授权消息是用于发现的授权消息还是普通授权，取值为0表示此授权消息是普通授权，取值为1表示此授权消息用于发现新加入的ONU。比特7比特4表示在对应的授权窗口内需要ONU回告报告消息（强制回告）。比特4对应第1个授权窗口，比特7对应第4个授权窗口。2授权N开始时间（GRANTNSTARTTIME）开始时间是一个32位的计数器，ONU将在开始时间指定的时刻开启激光器。在用于发现的授权帧当中指定的开始时间只是可以打开激光器的参数值，ONU可以在这个值的基础上延时一个随机时间再打开激光器。北京邮电大学硕士生学位论文第三章无源光网络的媒质接入控制17目的地址DESTINATIONADDRESS源地址SOURCEADDRESS长度/类型LENGTH/TYPE8808操作码OPCODE0002时间戳TIMESTAMP授权数量/标识09帧校验序列FCS6622414授权开始时间GRANTSTARTTIME授权长度GRANTLENGTH同步时间SYNCTIME22314目的地址DESTINATIONADDRESS源地址SOURCEADDRESS长度/类型LENGTH/TYPE8808操作码OPCODE0002时间戳TIMESTAMP授权数量/标识帧校验序列FCS授权1开始时间STARTTIME授权1长度LENGTH授权2开始时间STARTTIME授权2长度LENGTH授权3开始时间STARTTIME授权3长度LENGTH授权4开始时间STARTTIME授权4长度LENGTH填充PAD06622414242424215/394填充PAD0ABA用于发现的授权帧B普通授权帧图33授权（GATE）帧示意图3授权长度（GRANTNLENGTH）授权N长度ONU上报的队列长度同步时间TAGCTCDR数据和空闲TOFFTON授权N开始时间时间图34授权示意图图34为授权长度示意图。在用于发现的授权帧中，授权长度字段是用来给ONU计算随机时间范围的。在ONU中随机时间范围是由授权长度与注册请求帧的传送时间的差值决定的。4同步时间（SYNCTIME）仅在用于发现的授权帧进行设置。ONU在指定的TAGC与TCDR期间发送固定的空闲码型。北京邮电大学硕士生学位论文第三章无源光网络的媒质接入控制18注册请求（REGISTER_REQ）帧注册请求帧如图35所示。OLT收到ONU发送的注册请求帧后，需要计算环路时间（ROUNDTRIPTIME，RTT），并且对ONU的MAC地址进行学习。1标识（FLAGS）标识域为1表示帧发送的是注册请求，标识域为3表示帧发送的是撤销注册请求。其他取值为保留值。如果OLT接收到的帧标识为保留值，则不进行处理。目的地址DESTINATIONADDRESS源地址SOURCEADDRESS长度/类型LENGTH/TYPE8808操作码OPCODE0004时间戳TIMESTAMP标识FLAGS帧校验序列FCS6622411请求PENDINGGRANTS384填充PAD0图35注册请求（REGISTERREQ）帧示意图2请求（PENDINGGRANTS）ONU在收到授权消息以后，会对开始时间等参数进行存储。当本地的多点控制协议时钟到点时，ONU会根据存储起来的参数进行数据的发送。ONU中会设置有一个缓存，请求字段用来指示缓存区域中剩余的空间。通过设置请求字段，OLT可以知道ONU还可以缓存多少个授权窗口；超过缓存区域的大小，则会有数据被丢弃。注册（REGISTER）帧注册帧如图36所示。注册消息可以为通过注册验证的ONU分配逻辑链路标识（LOGICALLINKIDENTIFIER，LLID）。由于ONU仅注册验证尚未获得LLID，此时的链接尚未建立。注册消息在发送时采用的是广播的LLID，但是采用的MAC地址是学习到的对应ONU的MAC地址。值得注意的是，如果这个过程中有其他用户根据广播LLID获取MAC数据帧，那么这个用户将它的MAC设置为混杂模式，就可以对其他ONU的下行数据进行监听。北京邮电大学硕士生学位论文第三章无源光网络的媒质接入控制19注册消息还可以用于撤销注册。当OLT发送注册消息给某个已经注册过ONU，这就表示OLT要求该ONU重新进行注册或者撤销其注册资格。这个过程中OLT发出的注销消息采用唯一的LLID和多播MAC地址0180C2000001。目的地址DESTINATIONADDRESS源地址SOURCEADDRESS长度/类型LENGTH/TYPE8808操作码OPCODE0005时间戳TIMESTAMP帧校验序列FCS6622421分配端口ASSIGNEDPORT标识FLAGS同步时间SYNCTIME21344填充PAD0回应请求授权ECHOEDPENDINGGRANTS图36注册（REGISTER）帧示意图1分配端口（ASSIGNEDPORT）这个字段用于携带LLID信息。一个无源光网络的调度处理中的所有LLID都必须是唯一的，即同一个处理平台上分配的LLID不能有重复，否则就会出现冲突。但是在不同的处理系统中的LLID则不受此限制，因为他们是各自独立的分配系统。2标识（FLAGS）这个字段只可能有四种情况，除此之外的其他报文在ONU处不进行处理1对已经注册过的ONU，要求其重新进行注册；2对已经注册过的ONU撤销注册，撤销以后的ONU将被加入到未初始化的ONU中；3注册成功响应，表示通过ONU注册信息的验证；4注册未成功响应，表示未通过ONU注册信息的验证。3同步时间（SYNCTIME）这个字段与注册请求中的同步时间相似，但在取值上可以不相同，取值可北京邮电大学硕士生学位论文第三章无源光网络的媒质接入控制20以是经过调整的数值。4回应请求授权（ECHOEDPENDINGGRANT）这个字段用于表示OLT已经知道ONU中缓存空间的大小。注册确认（