（信息与通信工程专业论文）epon系统中带宽分配算法研究及局端onu部分设计实现.pdf

摘要 以太无源光网络( e p o n ) 技术是基于以太网和光纤的宽带接入技术，它是一种点到 多点的媒体访问机制。光线路终端( o l t ) 在其下行信道采用广播方式发送到各个光网 络单元( o n u ) ，在上行信道方向则以多点接入控制和动态带宽分配实现信道共享，从 而成为兼容性强的一种廉价的新型高速数据接入系统。 本论文介绍了基于国际标准的e p o n 系统的研究和开发，在深入了解其整体架构、 基本工作原理和当前研究开发现状后，针对理论难点中的动态带宽分配( d b a ) 方案进 行了有效的改进并通过实验仿真验证了该方案的合理性。之后结合当前研究已有研究 成果，设计出綦于现场可编程门阵y 1 ( f p g a ) 年1 其他硬件器件的具有广阔应用前景的 e p o n 系统。 本论文分为六个部分详细阐述了课题的研究内容。第一部分从e p o n 技术发展背 景讨论e p o n 兴起的技术优势与当前发展。第二部分着重讨论e p o n 的相关标准及其 工作原理，并对开发e p o n 系统中的关键问题进行了讨论，提出具体系统设计的主要 方向。第三部分主要针对系统设计中的d b a 分配方案问题进行了理论研究，提出并 验证了自行设计方案的有效性。第四部分阐述对系统方案的各模块功能及具体实现进 行的设计，包括硬件各部分关键器件和软件设计。第五部分对课题中关键f p g a 模块 的编程实现进行了详细介绍。最后在第六部分对研究成果进行了总结，并提出后继开 发问题和展望。 关键词：以太无源光网络，光线路端，光网络单元，多点控制协议，q o s ，动态带 宽分配，o p n e t ，现场可编程门阵列 a b s t r a c t e p o n ( e t h e m e t - b a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) i sap o i n tt om u l t i - p o i n tb r o a d - b a n d a c c e s sn e t w o r kb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fe t h e r n e ta n d o p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g i e s i nt h e d o w n s t r e a md i r e c t i o n ，t h eo l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) b r o a d c a s t si t sp a c k e t st oa l lo n u s ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t s ) a n do n l yt h ed e s i g n a t e do n uc a na c c e p tt h e m i nt h eu p s t r e a m d i r e c t i o n ，m u l t i p l eo n u ss h a r et h es a m et r a n s m i s s i o nc h a n n e lu n d e rt h ec o n t r o lo fa m u l t i - p o i n t sa c c e s ss c h e m ea n ds o m ed y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m s t h e e p o ns y s t e mi sc o s t e f f e c t i v ea n dh a sn o wb e e nc o n s i d e r e da sap r o m i s i n gs o l u t i o nf o r n e x t g e n e r a t i o nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g no fa ne p o ns y s t e m ，i t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n d o u m o v e ls c h e m e sf o rd b aa l g o r i t h m sw h i c hw e r ep r o v e de f f i c i e n tb ys i m u l a t i o n s a s y s t e md e s i g na n ds p e c i a l l y ，t h ed e s i g no fm o d u l eb a s e do nf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) h a sb e e ne x p m i m e do n t h i sp a p e rh a ss i xd i f f e r e n tp a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，t h eb a c k g r o u n d ，a d v a n t a g e sa n d d e v e l o p i n gs t a t u so fe p o nw a si n t r o d u c e d i nt h es e c o n dp a r t ，is t u d i e d t h er e l a t e d i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dt h ek e yt e c h n o l o g i e s i nt h et h i r dp a r t ， if o c u s e do nt h ed b aa l g o r i t h m s ，p r o p o s e ds o m es c h e m e sa n dv a l i d a t e dt h e mb y s i m u l a t i o n s i nt h ef o u r t hp a r t ，id e s c r i b e dae p o ns o l u t i o na n dt h er e a l i z a t i o no f e a c hp a r t ， i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h ef i f t hp a r t ，id e s c r i b e dt h er e a l i z a t i o no ft h e m o d u l e sb a s e do nf p g a si nd e t a i l i nt h el a s tp a r t ，ig a v et h es u m m a r ya n de x p e c t a t i o n k qw o r d s ：e t h e r n e t b a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，o 硼c a ll i n et e r m i n a l ，o p t i c a l n e t w o r ku n i t ，m u t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c a l ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 通信网与接入网 从1 8 3 7 年s a m u e lm o r s e 发明电报，到上世纪9 0 年代万维网的诞生，通信领域 不断发生巨大变革。尤其是近年来随着经济的全球化、信息化趋势，w i n d o w s 和i n t e m e t 等技术迅猛发展，电信业务已由单一电话电报业务扩展为集数据、语音和视频等多种 业务为一体的综合业务，因而对通信网的发展要求也在不断的变革中。 1 1 1 通信网与四网融合 通信信息网络在传统上被划分为长途网( 长途端局以上部分) 、中继网( 长途端局与 市局或市局之间的部分) 和接入网( 端局与用户之间的部分) 。目前一般把长途网和中继 网一起称为核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) ，其他部分则称为接入网( a c c e s sn e t w o r k ，a n ) 。 实际上，由于用户和设备的不断激增，在接入网和核心网之间演变出城域网 ( m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ，m a n ) ，而在接入网的终端又出现了用户驻地网或局域网 ( l o c a l a l e a n e t w o r k ，l a n ) ，其模型结构如图1 - 1 所示。 核心骨干网 w d m s d h w d m 千兆以太网 s d h 城域网 接入网 以太网h f c x d s lp o n 无线接入等 7 计算机电话 传真机电视机 苎竺兰兰， 用户驻地网或局域网 图1 - 1 信息网络模型 在实际业务提供市场中，我国目前存在着各自独立经营的四大网络：固话网络、 有线电视( c a t v ) 、数据网络和移动通信网络。而各大网络所提供的各种业务目前已 越来越趋于会聚统一，为了最大利用有限的宝贵网络资源，避免低水平重复建设的多 网络融合是网络发展的必然趋势。 进行网络融合的最终目的是多业务共享网络资源。虽然各网络在业务侧重和技术 1 浙江大学硕士学位论文 优势上各有不同，但它们在技术、业务、市场及设备制造等多方面的融合基础即基本 的数字技术和协议上是趋向一致的，因此经过相当长段时间内的共存竞争后，必将 产生电信综合网、电视综合网和数据综合网，彼此业务互为渗透，并最终融合为真正 的全业务综合网。 1 1 2 接入网技术 1 9 7 5 年英国电讯( b t ) 首次提出了接入网概念，它是一个降低接入段线路投资的组 网概念，并通过接下来几年的相关试用和推广，最终在1 9 7 9 年由c c i t t 用远端用户 集线器( r e m o t es u b s c r i b e rc o n c e n t r a t i o n ，r s c ) 命名方式正式对具备类似性能的设备进 行了框架描述，标志着接入网技术得到国际电信技术界的认可。 相对核心网而言，接入网的环境、业务量密度以及技术等有很大差别。在物理分 布上随用户分散，并且需求量大，建设投资也要比核心网大得多。而在承载业务方面， 图像、视频等高速数据和语音低速率数据并存。此外，由于历史原因，已有体制种类 繁多，从电信部门的铜线接入到有线电视的同轴电缆单向传输，再从计算机网的 m o d e m 、i s d n 、x d s l 及光纤等接入到蜂窝无线电话接入等，多种接入方式的共存造 成当前繁杂的现状。在当今核心网已形成了以光纤线路为基础的高速信道情况下，宽 带综合信息接入网作为这条信息高速公路的“最后一公里”已经成为通信网络建设中 难度最高、耗资最大的一部分。根据i t u t 的g 9 0 2 定义，位于交换端局和用户终 端间的接入网是由业务节点接i ( s e r v i c en o d ei n t e r f a c e ，s n i ) 积相关的用户网络接口 ( u s e r n e t w o r k i n t e r f a c e ，u n i ) 间的一系列传送实体( 如线路设施和传输设施等) 组成的， 可支持交换型或非交换型业务，并将业务流组合后沿公共通道传送至业务点，其功能 结构如图1 2 所示。 光纤的诞生和应用应该说是信息公路高速化的一大里程碑，而基于光纤的波分复 r e ( w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，w d m ) 使骨干网满足了日益增长的通信要求， 相比之下的接入网却仍然是个瓶颈。为了解决这个瓶颈效应，许多有线接入网技术如 i s d n 、a d s l 、h d s l 、v d s l 、h f c 和无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，p o n ) 等便应运而生。由于光纤具有高达3 0 0 0 0 g h z 的带宽及优越的抗干扰远距传输特性， 它为接入网的革命性改革提供了有力的技术手段，因此也使得基于光纤的接入网技术 即光接入网( 0 p d c a la c c e s sn e t w o r k ，o a n ) 技术近年来已被确立为未来有线接入网发 展的必然趋势。 浙江大学硕士学位论文 电信管理功能 q 3 管理接口- i -q 3 管理接口 用户口 功能 核心 功能 系 统 管 理 功 能 业务口 功能 核心 功能 转换功能 图1 2 接入网功能结构 驯尝 ii 节 l 点 1 2 光接入网与e p o n 光纤的优越性能为未来高速通信网络的发展描绘了美好蓝图，而同时，以太网技 术的发展也使i n t e m e t 网能够以较低的成本迅猛普及，如果能够把这两个技术统一起 来，那么产生的这个高速而又低廉的以太网化的光纤接入网无疑是前途无量的，这种 技术就是以太无源光接x1 网( e t h e r n e t b a s e dp o n ，e p o x ) 技术。 1 2 1 光接入网 光接入网即o a n 技术是指局端与用户之间完全或部分以光纤作为传输媒体的接 入方式，通常的o a n 是指基带数字传输技术，并以传输双向交互式业务为目的的接 入传输系统。用户网光纤化有很多方案，从光纤接入方式看主要有三种： 1 综合的o a n 系统，这类系统主要特点是通过一个开放的高速数字接1 2 1 与数据 交换机相连。由于接口开放，o a n 系统与交换机制造厂商无关，因而也可以降低用 户接入网的成本，目前这种方式代表了o a n 的主要发展方向。 2 通用的o a n 系统，其特点是在o a n 和交换机之间需要一个局内终端设备， 这种方式虽然适合于任何环境，但由于这个额外的设备及其他相关线架的增加，其成 本和维护费用要比综合o a n 系统高。 3 专用交换机的o a n 系统，这类系统与交换机间不存在开放的标准接口，也不 浙江大学硕士学位论文 需要中间设备，但o a n 系统和交换机必须由同一厂商制造。这种方式显然不太具有 竞争力，因而已渐渐被淘汰。 综合的o a n 系统根据光网络单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，o n u ) 所设置的位置，有 光纤到路边( f i b e rt ot h ec u r b ，f t t c ) 、光纤到小区( f i b e rt ot h ez o n e ，f t t z ) 、光纤 到办公室( f i b e rt ot h eo f f i c e ，f t t o ) 、光纤到大楼( f i b e rt ot h eb u i l d i n g ，f t t b ) 和光 纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 等多种方式，而f t t h 则是最终趋势。不管是何种 领域的应用，实现光纤到户都是为了满足高速及双向宽带业务的客观需要。就发展趋 势看，馈线光纤必将代替现在广泛使用的馈线电缆，实现纯光纤接入。然而，由于实 际成本等原因，目前短期内并不能形成主流，成主流的是f t t x + l a n ( f t t x 是光纤接 入方式总称1 方式的接入。 1 2 2e p o n 的兴起 从光纤接入的网络结构看，光接入网主要分为有源和无源两种。 有源光接入网( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ，a o n ) 也有几种形式，其中的一种是用光 纤代替原来的铜线主干网，从交换局通过光纤用v 5 接口连接到远端单元，然后经铜线 分配到各终端用户，提高复用率。这种技术实际仍属窄带技术，并不适应高速业务需 求。基于s d h 或p d h 的接入是有源接入，其有源光节点虽可降低对光器件的要求，但 初期投资较大，而且维护也比较麻烦，因此不是有竞争力的接入网技术。 p o n 是一种以光纤作为传输媒质的，在其传输线路即光配线网( o p t i c a l d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，o d n ) 中不含有任何电子器件及电子电源等有源设备的接入技 术。o d n 中只有光分路器耦合器等无源光器件，因此在消除了户外有源设备的p o n 网络中，所有的信号处理功能必须由交换机和用户宅内设备完成。这种接入方式的前 期投资小，大部分资金可以等到用户真正接入时才投入。由于其造价低、易维护等优 点，可经济服务于居家用户，近年来p o n 发展极为迅速。 目前用于宽带接入的p o n 技术主要有a p o n ( a t mp o n ) 和e p o n 两种。 a p o n 是2 0 世纪9 0 年代中期开发完成的，为制定一个基于光纤的能够为商业用户和 居民用户提供包括i p 数据、视频、以太网等服务的标准，当时顺理成章地选择a t m 和p o n 分别作为网络协议和网络平台，因为a t m 是能够提供各种类型通信的协 议，而p o n 是最经济的宽带光纤解决方案。a p o n 可以通过利用a t m 的集中和 统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使成本比传统的、以 4 浙江大学硕士学位论文 电路交换为基础的p d h s d h 接入系统低2 0 4 0 。 e p o n 是几种最佳技术和网络结构的结合。e p o n 采用点到多点结构，无源光纤 传输方式，在以太网之上提供多种业务。目前，i p e t h e m e t 的应用已经占到整个局域 网通信的9 5 以上，e p o n 由于使用上述经济而高效的结构，将成为接入网最终用户 的一种最有效的通信方法。 a p o n 有两个问题：传输速率不够高和a t m 设备的昂贵，而e p o n 融合了p o n 和以太数据产品的优点，能够提供高达1 g b p s 的上下行带宽，又因不需昂贵的a t m 设备和s o n e t 设备，而以其标准以太网接口利用价格低廉的以太网络设备，从而能 与现有的以太网相兼容，大大简化了系统结构。此外，p o n 结构本身就决定了网络的 可升级性比较强，而无源光器件也有很长的寿命，采用的复用技术也可支持更多的用 户。e p o n 技术代表了国际上宽带接入网的最新发展趋势。 1 2 3e p o n 的发展现状 美国计划到2 0 0 6 年，装有f t t h 的家庭数将从2 0 0 1 年的8 9 万户增加到2 6 5 万 户，年复合增长率为6 3 。为了推动f 唧的发展，美国新成立了f 瑚协会，各社 区都在采取行动为在社区内安装f t t h 做好准备。在管制和税收方面已经或正在推出 一些有利于促进在全国范围安装宽带设施和在农村地区开展服务的政策，并且要求采 用e p o n 技术来实施f t t h 。 欧洲的f t t h 市场在未来仍然是欧洲的政府机构和公用事业公司占据着主导地 位。2 0 0 4 年欧洲的f 兀h 市场开始缓步启动，其中荷兰由于k p n 电信与众多的d s l 和有线运营商之间的激烈竞争有可能产生一个全国性产业联盟，以共享f t t h 网络， 荷兰目前正在评估一个遍布全国的f 砌网络工程，预计该工程价值7 5 亿欧元。而 在欧洲其他地方如瑞典、希腊，已进行了一些f t t h 网络铺设，预计在未来将会有更 多网络的投入运营。挪威和丹麦也计划进行新的f t t h 网络铺设。与此同时，f t t h 也逐步进入英国和德国这些d s l 和i s d n 占主导地位的国家，英国电信有可能抛弃 v d s l 进而选择f t t h 技术，德国电信仍在d s l 和i s d n 市场保持强大的地位，未来 也有可能投资f t t h 。 日本是全球f t t h 发展最好的国家。日本制定的“e j a p a n 战略要求国内使用光纤 线路的用户或家庭要达到整个宽带市场的三分之一以上，日本的司法和建筑物管理机 构甚至还联合出台了一份建议，提出在未来数年内，新建的楼宇和公寓都推荐使用光 e 浙江大学硕士学位论文 纤接入或无线接入线路。这种着重发展“超高速”宽带接入方式的指导思想使提供 f t t h 接入方式的服务提供商数量增加较快。截至2 0 0 3 年6 月，日本f t t h 用户为 4 5 8 万，并且有加速发展的趋势。最新统计数据显示到2 0 0 4 年3 月底，达到1 1 4 2 万户，而2 0 0 5 年可达7 7 3 万，并将超过d s l 增长数。而a d s l 大国之一的韩国也瞄 准了f t t h ，并在2 0 0 3 年宣布将逐步发展f t t h 替代现有的d s l 网络。据k t e c h 公 司称，在a d s l 普及率很高的韩国，不少网吧为了突出自己的特色，已经开始采用高 速稳定的f t l h 系统o 从全球范围看，宽带用户中的6 6 是采用d s l ，在中国这个比例高达9 0 ，目 前中国是全球d s l 第一大国。中国在光纤到家f t t h 的发展方面是比较缓慢的。不 论是主流电信运营商，还是新兴接入提供商，对f t t h 还没有进入真正的实施阶段。 政府相关主管部门也还未就f t t h 的发展与推广制定系统的政策措施。但从另一角度 看，正因为现在的相对落后，反而预留出今后更为广阔的发展空间。未来4 5 年内， 中国f t t h 的发展将有很大空间的。 浙江大学硕士学位论文 第二章e p o n 标准和关键技术分析 2 1e p o n 系统的标准化 i n t e r a c t 数据网络自9 0 年代以来迅猛发展，其相关领域内技术研究开发的不断突 破是它得以广泛应用的根本动力。i n t e r n e t 网络中的业务流也早已成为集数据、语音 和视频等多媒体业务为一体的会聚业务流，支持多业务的高速且可靠的通信网络已成 为关系整个国民经济发展的重要社会资源。接入网瓶颈的解决近年来聚焦于继a p o n 之后发展起来e p o n ，作为一种新的p o n 技术，e p o n 目前已经成为运营商和设备商 关注的颇具前途的宽带接入热点技术。 2 1 1e p o n 的标准化过程 具有速率、网络结构、可扩展性和经济节约等各方面优势的e p o n ，从一开始就 得到广泛关注，但在e p o n 诞生之前早有其他p o n 技术在接入网领域内存在并被标 准化了，e p o n 正是基于这些前辈标准发展起来的。 第一个发迹的p o n 技术是1 9 9 5 年被提出的a p o n ，于1 9 9 8 年首先被一直走在 p o n 标准化前列的国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 标准化， 其开发的g 9 8 3 系列标准目前已得到广泛应用，并且因不排除非a t m 协议留有很大 发展余地。2 0 0 1 年，全业务接入网联盟( f u l ls e r v i c e a c c e s s n e t w o r k ，f s a n ) 提出g p o n 概念，并把原先的a p o n 改名为b p o n 。之后在不同组织和厂商推动下，i t u 于2 0 0 3 年1 月正式通过并颁布了g p o n 系列标准中g 9 8 4 1 和g 9 8 4 ，2 ，这两个标准都沿用了 g c 9 8 3 标准的思路。g p o n 应用一一种称为s d h 中通用成帧协议g f p 的变形( g p o n e n c a p s u l a t i o nm e t h o d ，g e m ) 技术，在接入语音上有较大优势，但目前g e m 并不成 熟，其业务技术基点仍然常常是a t m 。在a p o n 之后与g p o n 同期成长起来的e p o n 也同样不可避免地沿用a p o n 标准的思路。 电气和电子工程师协会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 成立 的“项目8 0 2 3 ”小组致力于标准化网络的物理部件，先后制定了8 0 2 1 网间互连、8 0 2 2 逻辑链路及8 0 2 3 以太网等一列标准，以统一局域网的工业标准。在1 9 9 8 年发布了吉 比特以太网标准后，i e e e 从2 0 0 0 年开始就成立了以太网第公里联盟( t h ee t h e m e t i nt h ef i r s tm i l ea l l i a n c e ，e f m a ) 的8 0 2 3 a h 工作组开始了e p o n 的标准化之路。e f m a 7 浙江大学硕士学位论文 把工作重点放在e p o n 的媒体接入控制( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层上，其他 则参照i t u - t 的g 9 8 3 建议。在g 9 8 3 基础上，e f m a 于2 0 0 3 年提出和建立起自己 的e p o n 标准i e e e 8 0 2 3 a h 。2 0 0 4 年6 月，历时3 年时间制订的i e e e 8 0 2 3 a h 标准正 式被i e e e 标准协会批准。 单从协议比较，e p o n 标准是以8 0 2 3 为基础的，因而比g p o n 标准的协议分层 简单易实现。目前在市场上，以太网产品曰趋成熟并得到广泛应用，因此，对以太网 兼容性更好的e p o n 比g p o n 更具竞争力。 2 1 28 0 2 3 协议概述 e p o n 是在传统以太网的点到点和共享多点到多点的媒体访问机制基础上增加 的一种点到多点的媒体访问机制。为允许多个网络节点共享接入，i e e e 将数据链路 层分割为两个子层：逻辑链路控制( l o g i c a ll i n kc o m r o l ，l l c ) 子层，是一个与媒体无 关的独立予层( i e e e 8 0 2 2 ) ，提供一个通用接1 ：3 以支持可靠性和流控制服务；介质访问 控制子层，是仅依赖于物理媒体的媒体访闯控制方法( i e e e 8 0 2 3 - 8 0 2 5 ) ，将目标计算 机的物理地址添加到数据帧。8 0 2 3 协议根据这两个分层主要规范了以下内容： 1 载波侦听多路访问冲突检测( c a r d e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o n d e t e c t i o n ，c s m m c d ) 接入方法，采用分布式控制方法，附接总线的各个结点通过竞 争的方式，获得总线的使用权。 2 二进制指数退避算法和1 一坚持算法，用来进行c s m a c d 媒体访问控制。 3 通用帧格式如图2 - 1 ( a ) 所示： p r e a m b l e ：前导码，用于使接收端进入同步状态 s f d ：帧开始标志，标识本信息帧的开始 d a ：目的地址，指明该帧发往的目的节点 s a ：源地址，指明发送该帧的节点 l e n g t h t y p e ：数据帧中表示d a t a 字段长度控制帧表示帧类型 d a t a ：用户数据字段，小于1 5 0 0 字节，存放高层l l c 的信息 p a d ：填充字段，小于4 6 字节，以保证整帧不小于6 4 字节 f c s ：帧检验序列，用于循环冗余校验码 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 通用以太帧格式；( b ) 用于v l a n 的以太帧格式；( c ) 以太控制帧格式； 图2 1 以太帧格式 基于这个通用帧格式，还定义了用于虚拟l a n ( v i r t u a ll a n ，v l a n ，i e e e 8 0 2 3 q ) 数据帧的加入q 标签前缀( q t a gp r c f i x ) 的格式，如图2 1 ( b ) 所示。针对m a c 控制帧 也专门定义了加入m a c 控制操作代码的6 4 字节长的格式，如图2 - 1 ( c ) 所示，其类型 域0 x 8 8 0 8 专门保留用于以太网m a c 控制。各帧根据功能不同采用不同格式。 4 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 规范 m a c 子层和物理层之间的接口，提供包括成帧、载波监听、启动传输、解决争 用、两层间传送串行比特流及定时等待等功能。物理层规范指明其配置方案简观表示 方法是：数据传输率( m b r l s ) - - ，如1 0 b a s e - f ，1 0 b a s e - f 是8 0 2 3 中关 于以光纤作为媒体的系统的规范。在该规范中，每条传输线路均使用一条光纤，每条 光纤采用曼切斯特编码传输一个方向上的信号，数据经编码后转换为一对光信号元素 在光纤中传送到终端。 浙江大学硕士学位论文 2 1 38 0 2 3 a h 协议概述 e p o n 中的标准定义须遵循原i e e e8 0 2 协议族的结构，且不能超出i e e e8 0 2 3 标准的范畴，这个原则保证了整个协议体系的灵活性和可扩展性，却不可避免会削弱 e p o n 系统自身的协议完整性。i e e e8 0 2 3 标准定义的是针对传输介质的存取控制， 在具体实现中，必须有高层次的网桥或者逻辑连接实体。i e e e8 0 2 3 a h 标准不能对一 个e p o n 设备的网桥以及网桥的其它端口进行规范，也无法定义整个设备的管理信息 和链接的安全性。这就为e p o n 的市场应用造成了一定的困难。 8 0 2 3 a h 主要包括四项标准：单模光纤上的点对点以太网( e f m f ) 、e p o n 、铜线 以太网( e f m c ) 及网络的o a m ( o p e m f f o n sa d m i n i s t r a t i o na n dm a i m e n a n c e ) 。第一公里 以太网接入与以往的企业内部以太网不同之处在于对运行维护管理要求的提升。为提 高网络的可操作和维护性，o a m 要求包括远端故障指示、远端环回、链路监视等功 能，i e e e8 0 2 3 a l l 对o a m 制订的规范是可选的。而e p o n 规范则包括多点控制协议 ( m u f f p o i n tc o n t r o lp r o t o c a l ，m p c p ) 和两种不同的p m d ( 1 0 0 0 b a s e p x l 0 2 0 ) 规范，同 时还对协调子层( r e l a t i o ns u b l a y e r ，r s ) 进行了一定的扩展，这都是设计一个e p o n 系 统前必须深入研究的，而其中最值得注意的部分是m p c p 和物理层规范。 2 2e p o n 系统工作原理 2 2 1e p o n 基本原理与m p c p 图2 - 2e p o n 的系统结构 e p o n 的系统结构如图2 - 2 所示，主要由局端( c e n t e ro f f i c e ，c 0 ) 的光线路终端 ( o p t i c a ll i n e t e r m i n a l ，o l t ) 、途中的o d n 和位于用户端的o n u 组成的。而在o l t 和o n u 之间传输的是长度不定的以太网帧。e p o n 下行信道采用广播方式发送到各 l o 甲固 等一穗r古 豳园 一习 豳园 曰团 团回 圈 目一 i 一 目 赋一国麟一e 圈一目 囹 国 囹一医咽譬园 匡 囫一e刚一悃 雾 浙江大学硕士学位论文 个o n u ，但只被相应的o n u 接受，而在上行信道方向，用户采用共享信道的方式。 这样的信道共享就要求o l t 端采用某种多址接入协议来完成共享传输通道信息访问。 信道共享有许多方式， e p o n 所用技术与g 9 8 3 建议有许多类似，它上行采用 t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 协议，下行用t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 协议。而在t d m 的诸多具体接入机制中，轮询是一种较好的受控接入方式。局端o l t 上必须有一种高效的m p c p 及调度算法，来控制多个o n u 的接入和高效的带宽分配。 针对这个问题，i e e e 8 0 2 3 a h 规划了m p c p ，虽然m p c p 并没有指定任何具体算法， 但提供了一个框架并引入几个控制帧，推动了一系列算法的提出和发展。m p c p 是一 个驻留在o l t 的m a c 层的二通道通信协议，用时间轮询方案实现对o n u 的配置与 控制。如图2 - 3 所示为o l t 端的管理框图。通过时间轮询，m p c p 协议可控制和管理 各o n u 的接入，以此优化各种网络资源，比如用测距实现多个o n u 共享传输线路 以提高带宽利用率，或者通过报告其带宽需求使网络管理者据此对o n u 进行动态带 宽分配( d ，n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ，d b a ) 等。 图2 - 3o l t 端管理框图图2 4 开放接入系统构架0 a s a 规划了网络的结构和功能要求之后，再深入研究并规划出该系统的各层次协议功 能是进行该系统设计的关键。作为基于t c p i p 的以太接入网技术的e p o n ，其各层 架构符合开放的接入系统架构( o p e n a c c e s ss y s t e m a r c h i t e c t u r e ，o a s a ) 。如图2 - 4 所 示，除了物理层外，对应t c p i p 中由数据链路层l 1 、网络层l 2 、传输层l 3 和应用 层组成的四层网络协议模型，其中应用层由软件实现，其他三层则一般由硬件实现。 e p o n 的数据链路层和物理层规划如图2 5 所示。关于数据链路层，这里值得注 意是复用控s t ( m u l t i p l e x i n gc o n t r 0 1 ) 层和竞争层( e m u l a t i o nl a y e r ) 。复用控制的作用是 1 1 浙江大学硕士学位论文 保证其下层的m a c m a cc o n t r o l 在一时刻只有一帧存在，其功能特点是：控制m a c c o n t r o l 的授权；选择m a c m a cc o n t r o l 用户中的一个工作；选择算法不具体指明； 除非授权，否则m a cc o n t r o l 层可以不产生任何帧。竞争层主要功能有：对p h y 层 发来的包进行解复用和标签( t a g ) 剥离；对要送到p h y 层的包进行透明传输，并基于 m a c 实体插入标签；在o n u 端，对l l i d ( l o g i c a ll i n ki d ) 与之不匹配的包进行过滤。 厂面i i 厂葡瓦 厂i 武f 曼i i 璺也|曼! ! 曼旦i j垦! ! 璺噬 。 m u l t i p t e x l n gc o n t r o l 剖引謦 r s g m i l p c s p m a p m d 图2 - 5e p o n 协议层次结构图 2 2 2e p o n 的物理层规范 从8 0 2 3 a h 概述中知道，e p o n 另一规范要点在于物理层，除r s 层扩展外其他 各层在功能上则与之前以太网规范类似，因此这里重点讨论它基于千兆以太网发展的 物理层。e p o n 物理层通过g m i i ( g i g a b i tm e d i u mi n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 接口与r s 层 相连，担负着为m a c 层传送可靠数据的责任。物理层主要功能有：将数据编成合适 的线路码；完成数据的前向纠错；将数据通过光电、电光转换完成数据的收发等。主 要有物理编码子层( p c s ) 、前向纠错子层( f e c ) 、物理媒体附属子层( p m a ) 和物理媒体 依赖子层( p m d ) 。同千兆以太网的物理层相比，唯不同的是e p o n 的物理层多了一 个f e c 层，其它各层的名称、功能、顺序没有太大的变化。前向纠错子层完成前向 纠错的功能，是一个可选的子层，它处在物理编码子层和物理媒体附属予层中间。它 的存在引入使我们在选择激光器、光分路器的分路比和接入网最大传输距离等方面有 了更大自由。宏观上讲，除f e c 和p m d 层外，各子层基本上可同千兆以太网兼容。 1 p c s 子层 p c s 子层处于物理层最上层，上接g m i i 接口下接p m a 子层，主要实现8 b 1 0 b 芒咎霉婚善 r，111i11i。1111|1iji|1i，|，1|】1j|】j，i|ij|_l 浙江大学硕士学位论文 和1 0 b s b 编码变换。1 0 位数据能有效减小直流分量以便接收端时钟提取并降低误码 率，因此该层把上层送来的8 位并行数据转换成1 0 位并行数据输出。编码器工作在 1 2 5 m h z ，以达到1 2 5 0 m b p s 传输速率，编码原理是5 b 6 b 和3 b 4 b 两种编码变换。 e p o n 按照单纤双向全双工方式传送数据，当o l t 通过光纤向各o n u 广播时， 为对各o n u 区别，保证只有发送请求的o n u 能收到数据包，8 0 2 3 a h 标准引入了 l l i d 。l l i d 是一个两字节的字段，由o l t 为每个o n u 分配一个，各l l i d 号都是 独一无二的，这个号决定了哪个o n u 有权接收广播数据。这个字节占居了原千兆以 太8 0 2 3 z 中的前导码部分两个字节的空间，一位用来指示是点到点广播传输模式中 的哪一种，剩下1 5 位才真正作为o n u 的i d ，o n u 各帧数据的传输都是基于这个l l i d 的。对于在e p o n 中新增的l l i d ，我们可以把它当作数据发送出去，不用对p c s 作 什么变动。 在o l t 侧，p c s 的发送和接收都处于连续的工作模式，而在o n u 侧的p c s 子 层是连续接收o l t 侧来的广播数据，发送却是断断续续地工作。因此，e p o n 的p c s 子层不仅要能像普通的千兆p c s 子层一样在连续的数据流状态下能正常工作，在面 对突发发送和突发接收时也要保持稳定。其中o l t 侧的突发同步和突发接收是实现 e p o n 系统p c s 子层技术的关键。 2 f e c 子层 可选子层f e c 位于p c s 和p m a 之间，主要功能是：1 ) 发送：接收从p c s 层发 来的包，进行1 0 b 8 b 变换后执行f e c 编码算法，用校验字节取代一部分扩展的包间 间隔，最后把整个包经过8 b 1 0 b 编码再发给p m a 层。2 ) 字节对齐：接收从p m a 层 来的信号并对齐帧，选择f e c 子层时禁止p m a 子层的字节对齐。3 ) 接收：把经字节 对齐的数据进行r s 译码、插入空闲码后发送到p c s 层。 e p o n 系统使用前向纠错技术具有以下优点：1 ) 减小激光器发射功率预算和功耗； 2 ) 增加光信号最大传输距离；3 ) 减小误码率；4 ) 大分路比的光分路器衰减很大，配合 前向纠错技术可在同样接入距离内，支持更多的接入用户。因此，前向纠错技术使我 们可以选择价格低廉的激光器作为光源。虽然它同时也会增加开销和系统的复杂性， 并使有效传输速率减小，但总体来说，对e p o n 系统利大于弊，是一种较好技术方案。 3 p m a 子层 e p o n 的p m a 层技术同千兆以太网p m a 相比没什么变化，其主要功能是完成串 13 浙江大学硕士学位论文 并并串转换，时钟恢复并提供环回测试功能，它同相邻子层的接口是t b i 接口。 4 p m d 子层 p m d 子层的功能是完成光电、电光转换，按1 2 5 g b p s 的速率收发数据。8 0 2 3 a h 要求传输链路全部采用光无源器件，支持单纤双向全双工传输，上下行的激光器分别 工作在1 3 1 0 n m 和1 4 9 0 n m 窗d ( 1 5 5 0 n m 实现其他服务如模拟视频等) 。光信号的传输 要做到光分路较小时，最大传输2 0 k m 无中继，分光比最小须达到1 ：1 6 。 按所处位置不同，光模块可分为局端和远端两种。对于远端光模块而言，接收机 处于连续工作状态，而发送机则工作于突发模式，只有在特定的时间段里激光器才处 于打开状态，在剩下的时间段里，激光器并不发送数据。由于激光器发送数据的速率 是1 2 5 g b p s ，因此要求激光器的开关的速度要足够快。同时要