（信息与通信工程专业论文）以太无源光网络（epon）mac层算法优化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 在信息社会对通信网络带宽的需求不断增长的今天，骨干网上的带宽已经基本可以满足 高带宽业务的需要，但是接入网技术却成了宽带网络发展的瓶颈，制约了信息高速公路的发 展。以太无源光网络( 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 , e p o n ) 是基于以太网的无源 光纤接入网，由于目前宽带骨干网大多基于以太网协议，e p o n 本身也具有高带宽，性能稳 定，低故障率，低维护成本等优点，e p o n 技术成为宽带业务综合接入的重要手段，也被普 遍认为是最有前途的下一代宽带接入网技术。 i e e e 正式提出的e p o n 8 0 2 3 a h 标准【l 】对e p o n m a c 层定义了多点控制协议( m u l t i p l e p o i n t sc o n t r o ll r o t o l , m p c p ) ，但并没有进一步对具体的算法进行规定，因此e p o n 的 m a c 层算法优化研究成为目前宽带接入技术最有意义的研究热点之一。e p o n 系统具有一 点对多点的网络拓扑结构，在e p o nm a c 层，上行链路通信采用t d m a 2 的方式避免不同 用户数据的冲突，因此有效的上行链路带宽分配算法决定了整个网络的性能【3 】。如何在 8 0 2 3 a h 的基础上对e p o nm a c 层算法进行优化，设计出高带宽利用率，低端到端延迟和延 迟抖动，支持业务q o s 【4 】，公平分配带宽，实时性强，可移植性强的上行链路带宽分配算 法，成为决定下一代宽带接入网性能的关键。 在这种背景下，本文针对e p o nm a c 层算法的优化进行研究。在介绍e p o n 的体系结 构，m p c p 协议控制帧格式，e p o n 系统同步，测距，延迟补偿，o n u 注册，q o s 保证等 关键技术和e p o n 上行链路带宽分配原理的基础上，本文首次全面具体地分析了e p o n 上 行链路通信周期中的各种时隙损耗因素，从而阐明了e p o nm a c 层上行链路带宽分配算法 优化所要削弱和消除的几个具体的时隙损耗因素；在介绍经典的e p o n 上行链路动态分配 算法i p a c t 5 的基础上。提出了两种新的i p a c t 的优化方案：1 i p a c t 在下载模式的优化 与改进，该优化方案解决了传统i p a c t 算法下载模式中可能存在的一些问题；2 基于先产生 先发送的i p a c t 算法，该优化算法减小了传统i p a c t 算法的最大端到端延迟，同时减小了 传统i p a c t 算法的端到端延迟抖动，提高了i p a c t 算法支持业务q o s 的能力；本文还首次 对i p a c t 算法不同用户之间数据的端到端延迟的比较做了分析。另外，对于区分业务等级 的e p o n 上行链路带宽分配算法，本文在详细总结和分析近年来主流的基于比例分配的带 宽分配算法的基础上，介绍了一种基于令牌转换的带宽分配算法，并且通过仿真结果对比例 浙江大学硕士学位论文 分配算法和令牌转换算法的优缺点进行了全面的分析。为了向终端用户提供更好的实时业务 q o s ，本文对目前处理实时业务的最新研究成果混合授权方式算法( h y b r i dc , r a n t i n g a l g o r i t h m , h g ) 和高带宽利用率混合授权方式算法( h i g hu t i l i z a t i o na n dh y b r i dg r a n t i n g a l g o r i t h m ，h u i - i g ) 进行了介绍和分析，并在此基础上提出了一种全新的基于令牌转换的高 带宽利用率混合授权方式算法( t o k e ns w i t c b r a g - b a s e dh i g hu t i l i z a t i o na n dh y b r i d0 f 叫曲g a l g o r i t h m , t s h u h g ) 。t s h u h g 是一种高带宽利用率且能满足特定实时业务q o s 要求的性 能优越的算法该算法不仅能提供非常良好的实时业务端到端延迟和延迟抖动性能，符合特 定的实时业务q o s 需要，还能最大限度的消除上行链路通信周期中的闲置时间和未利用时 隙碎片，从而具有较高的带宽利用率。另外，本文将自适应网络流量预测的方法应用到i p a c t 中，实现和分析了一种基于自适应网络流量预测的d b a 算法，并对介绍该自适应网络流量 预测方法的原参考文献中对该方法的一些性能指标理论推导不完善的地方进行了重新推导， 同时还通过仿真结果对该算法的优缺点进行了全面的评估，补充了原参考文献对预测算法缺 点分析的空白。 关键词；e p o n ，d b a ，优化，i p a c t ，比例分配，令牌转换，t s h u h g ，流量预测，q o s - 2 - 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e l l t ，t h ed e m a n do fi n f o r m a t i o n a ls o c i e l yf o rb r o a d b a n di n t c r n e t r v i si n c r e a s e s d r a m a t i c a l l y , a n dt h eb a c k b o n en e t w o r kc a ns 撕s 母h d b 锄ds 盯“淄d e m a n db a s i c a l l y n e v e r t h e l e s s , a c c e s sn e t w o r ki sab o t t l e n e c kb e t w e e nt h eh i 曲- c a p a c i t yl o c a la mn e t w o r k sa n d t h eb a c k b o n en e t w o r k s e t h c m c = t - b a s e dp a s s i v e 删c a ln e t w o r ko z p o n ) i st h ep a s s i v eo p t i c a l a c c e s sn e t w o r kb a s e do ne t h e r n e t s i n c em o s tw o m b a n db a c k b o n en e t w o r k su s ee t h e m c t p r o t o c o la n de p o nh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sb r o a db a n d w i d t h , s t a b l ep e r f o r m a n o e , l o w f a i l u r ep r o b a b i l i t ya n dl o wm a i n t e n a n c ec o s t ，e p o nt e c h n o l o g yh a sb e c a m e i m p o r t a n tm e t h o d t op r o v i d em u l t i p l eb r o a d b a n ds e r v i c e sa c c e s s a n di th a se m e r g e da so t 砖o f t h em o s tp r o m i s i n g a c n e t w o r kt e c h n o l o g i e s 8 0 2 3 a h 【1 】s t a n d a r df o re p o nh a v i n gb e e np r e s e n t e db yi e e ei nd u ef o r m , t h ee n t i r e s y s t e mf r a m eb e c o i n m o l ef i x e d 8 0 2 3 a bs p e c i f i e st h em u l t i p l ep o i n t sc o n t r o lp r o t o c o l ( m p c p ) f o re p o nm a c l a y e r , b u ti td o e sn o ts p e c i f yt h ei d i o g r a p h i ca l g o r i t h m a c c o r d i l l g l y e p o nm a c l a y e ra l g o r i t h mo p t i m i z a t i o nr e s e a r c hh a sb c c o m eo n eo f t h em o s tm c a l l i o g f h lr e s e a r c hh m s p o t so f b r o a d b a n d a c c e s s n e t w o r k t e c h n o l o g i e s a n e p o ns y s t e m i s a p o i n t - t o - m u l t i p o i n t 删c a l n e t w o r k i nt h eu p s t r e a mt r a n s m i s s i o np r o g e t h l l , at i m ed i v i s i o nm u l t i p l e c e 鲻( t d m a ) 【2 】m a n n e ri s u s e dt op r e v e n td a t ao fd i f f e r e n tu s e r sf i o mc o l l i s i o n a c c o r d i n g l y , a l lo p t i m a lb a n d w i d t h a l l o c a t i o ns c h e m ec i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l ea c c e sn e t w o r kf 3 】h o wt oo p t i m i e p o nm a cl a y e ra l g o r i t h mb a s e do l l8 0 2 3 a ba n dh o wt os c h e m eo u te f f i c i e n tu p s t r e a m b 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 sw i t hh i g hb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n , l o we n d - t o - e n dd e l a ya n dd e l a y j i t t e r , q o s 【4 】s l l l ，p c l m n gc a p a b i l i t y , b a n d w i d t ha l l o c a t i o nf a i r n e s s , g o o dr e a l - t i m ec a p a b i l i t ya n d g o o dp o r t a b i l i t yb e c o m el l l ek e yi s s u e sd c t e m 自m gt h ep e 幡叫m 锄l o fn e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , t h ea u t h o rd o e sr e s e a r c hi ne p o nm a c l a y e ra l g o r i t h mo l 坩m i 枷。儿 i nt h i sp i p e a f t e ri n t r o d u c i n ge p o na x c h i t e c t u r e , k e yt e c h n o l o g i e s , m p c pa n di t sc o n m ) lf l a m e s f o r m a t , e l o nc o m m u n i c a t i o nm o d ea n d 珥 吼啪b a n d w i d t ha l l o c a t i o np r i n c i p l e ，b a n d w i d t hl o s s f a c t o r si nu p s t r e a mc o m m u n i c a t i o nc y c l ea r ea n a l y z e d r o u n d l yf o rt h ef i r s tt i m ea n d t h e s e b a n d w i d t hl o s sf a c t o r ss h o u l db ew e a k e n e do re l i m i n a t e di ne p o nm a c u p s t r e a mb a n d w i d t h 3 浙江大学硕士学位论文 a l l o c a t i o na l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n i na d d i t i o n , a f i 盯i n t r o d u c i n gt h ec l a s s i cd y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o na l g o r i t k mi p a c t 【5 】，t w on 哪i p a c to p t i m i z a t i o ne x t e n s i o n sa p r e m e d ：1 t h e i m p r o v e m e n ta n do l 坩m i z 砒i o nf o ri p a c ti nd o w n l o a dm o d e , w h i c hi m p r o v e si p a c t p e r f o r m a n c ei nd o w n l o a dm o d e ；2 e a r l i e rg e n e r a t ee a r l i e rs e n d - b a s e di p , c t , w h i c hi m p r o v e s i p a c td e l a ya n dd e l a yj i t t e rp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n , t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ef a i n e s st 劬v e e n d i f f e r e n to n u si ni p a c i o nt h es i d e , f o rd 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 ss u p p o r t i n g d i f f e r e n t i a t i n gs e , l v i c ec l a s s e s , m a i m t r c a mp r o p o r t i o n - b a s e da l g o r i t h m si nr e c e n ty e a r sh a v eb e e n i n t r o d u c e da n da n a l y z e di nd e t a i la n dat o k e ns w i t c h i n g - b a s e db a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m eh a s b e e ni n t r o d u c e d t h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ea l g o r i t h m si sa l s oe v a l u a t e da e r o * t h e - a b o a r dt h r o u g h t h es i m u l a t i o nr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，i no r d e r t op r o v i d eb e t t e rr e a l - t i m es e r v i c e sq o s ，b a s e do nu p t od a ma l g o r i t h md i s p o s i n gr e a l - t i m es e r v i e e h y b r i dg f a i i t i l l g a l g o r i t h mo l g ) a n dn i g h u t i l i z a t i o na n d h y b r i dg r a n t i n g , a l g o r i t h mo t u l q ( 1 ) , t h ea u t h o rp l 馏3 n t san o v e lt o k e n s w i t c h i n g - b a s e dn i g hu t i l i z a t i o na n dh y b r i dg r a n t i n ga l g o r i t h mf r s l - n o ) t s h u i - i g p r o v i d ev e r yg o o dr e a l - t i m es e l v i c l 3q u e u i n gd e l a ya n dd e l a yj i t t e rp e r f o r m a n c e , s a t i s f y i n g r e a l - t i m es e r v i c eq o s d e m a n d , a n dc a l le l i m i n a t ei d l et i m ea n dm o s tu n u s e dt i m es l o tf r a g m e n ti n t h eu p s t r e a mc o m m u n i c a t i o nc y c l e ，a n da e c o r d i a g l yp r o v i d i n gv e r yh i g hb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n i n a d d i t i o n , t h ea u t h o ra p p l i e a t e st h ea d a p t i v en e t w o r kt m 仿cp r e d i c t i o nm e t h o dt oi p a c t , a c t u a l i z e s a n da n a l y z e saa d a p t i v en e t w o r kt r a f f i cp r e d i c t i o n - b a s e dd b a a l g o r i t h ma n dc a l c u l a t e ss o l n e p e r f o r m a n c em e t r i c st h e o t r e t i e a l l y m e a n w h i l e ，t h ea u t h o re v a l u a t e s t h ep e r f o r m a n c eo ft h i s a l g o r i t h ma c r o s s - t h e - a b o a r db a s e do nt h ea c t u a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n d 锄a l y 西f i l ed i d v 粕诅g e o f p r e x l i e t i o nm e t h o di nb a n d w i d t hl o s sw h i c hh a sn o tb e e nd i s c u s s e di nt h er f e r e n e e k e yw o r d s ：e p o n ，d b a , o p t i m i z a t i o n , i p a c t , p r o p o r t i o n - b a s s ia l l o c a t i o n , t o k e ns w i t c h i n g , t s h u h gt r a t t i ep r e d i c t i o n , q o s 4 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着信息时代的到来，随着通信技术和网络技术飞速发展，网络的普及程度迅速提高， 普及速度大大加快，人们对信息的需求与日俱增，对网络的依赖程度也逐渐加深，网络承载 的业务也早已从过去一些单一的数据业务发展为语音，数据，图像，多媒体等多种综合业务， 网络流量也空前高涨。这些都对提供业务的通信网络的8 - 7 y 面性能提出了更高的要求，其中 网络所能提供的带宽是衡量网络性能最重要的指标之一 目前，坤骨干网，m 城域网已经成为宽带网络主要的传送方式，世界上m 骨干网，口 城域网和口局域网都在以前所未有的规模和速度快速发展。骨干网以及用户局域网的带宽 已经飞速发展。目前骨干网的带宽大都在几十g 到几百g 的水平，而局域网的带宽达到千 兆水平。 骨干网和用户侧的都快速发展。连接在两者之间的接入网的带宽水平却迟迟难以有大 的突破，其发展还停留在很低的水平，比如a d s l 的下行带宽最高只有6 - 8 m b p s ，而已经实 现标准化的a p o n 技术也只能达到百兆的水平，而且a p o n 还没有实现大规模商用。，这也 就是所谓的“最后一公里”问题。因此，接入网的宽带化是广大研究人员研究的重点问题， 也是接入网发展的主要技术趋向。 1 2 接入网概况 接入网( a c c e s s n e t w o r k , a n ) 由业务节点接口( s e r v i n o d e h l t e r f a , s n d 和相关用 户网络接1 7 1 ( u s e r n e t w o r ki n t e r f a c e ，u n i ) 之间的一系列实体所组成；接入网的作用在于将 业务透明的传送到各个用户接入网通常包括用户传输系统，复用设备，交叉连接设备或用 户网络终端设备对于接入网的建设而言，最敏感的因素是成本这是由于接入网中的网 络资源设备的共享性是远低于核心网络的。正是由于成本的敏感性有些在骨干网和城域网 中的适用的技术并不一定适用于接入网。同样是出于成本考虑。需要实现业务交换节点和业 务接入节点的分离，这其实也是接入网技术出现的原因。接入网本质上是一个与业务和应用 无关的传送网，它的主要功能在于复用，交叉连接和传输。 接入网可以按其所用的传输介质的不同来分类。首先，接入网可以分成有线接入网和无 一5 浙江大学硕士学位论文 线接入网。 无线接入技术发展势头强劲，它在本地网中的重要性日益增长无线接入网可以实现接 入网的全部或部分功能，它已经成为有线接入网的有效支持、补充与延伸。无线接入的基本 技术主要有多址接入、无线空中接口，无线a t m 、数字调制与扩频、抗衰落等。除此之外 近年来还出现了许多无线接入的新技术，例如：蓝牙、红外无线、g p r s 接入、w c d m a 接 入、d b s 卫星接入、h o m e r f 等。 有线接入网主要可以分为铜线接入网和光纤接入网。在实际的一些接入网中，还会用到 其它一些传输介质，形成了混合接入网。 在有线接入网中，数字用户线( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，d s l ) 技术在2 0 世纪年代 出现，并且应用广泛。d s l 技术可以在一对双绞线上获得全双工传输。它主要包括h d s l 、 a d s l 以及v d s l 几类。相比于光纤技术，d s l 的劣势在于它只能实现基本速率业务 电缆调制解调器( c a b l em o d e r n ) 技术是混合光纤同轴网( m ) 基础上发展起来的。 这种技术在有线电视( c a t v ) 网络内添置电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) ，建立了强大的 数据接入网。它不仅可以提供高速的数据业务，也能支持电话业务。 另外，有线接入网还包括一种非常重要的接入网光纤接入网。下一节中将对这种接 入网作专门介绍 1 3 光纤接入网概况 与铜线接入网以及混合接入网相比，光纤接入网( o a n ，o p i i c a la c c e s sn e t w o r k ) 的优势 在于它可以实现很高的网络带宽，从而能够最大限度地满足用户日益增长的对网络带宽的需 求。 光纤接入网是指在接入网中全部或部分采用光纤传输介质，构成光纤用户环路，从而实 现实现信息传送的宽带接入的网络形式。光纤接入网主要分为有源光网络( a c t i v eo 面c a l n e t w o r k , a p o n ) 和无源光网络( p a s s i v eo p i i c a ln e t w o r k ，1o n ) 两种二者的区别主要在 于有源光网络采用电复用器分路，而无源光网络采用分路器分路。 无源光网络采用无源光节点将信号传送给终端用户。与有源光网络相比，其优势在于投 资成本低，维护成本低，结构灵活，易于扩展，可以充分利用光纤的巨大带宽和优良的传输 性能。因此，目前的光纤接入网几乎都采用的是无源光纤网络( p ( ) n ) 的形式。另外，p o n 系统是面向未来的技术，大多数p o n 系统都是多业务平台，这对于向全光口网络过渡是一 6 浙江大学硕士学位论文 个很好的选择。 在无源光网络中，目前用于接入网的技术有三种：1 基于a 刑技术的a p o n ；2 基于以 太网技术的e p o n , 3 具有多种传输功能的千兆以太网无源光网- 绍o p o n 。 三种技术中，出现较早的是基t a t m r 术的a p o n 。a p o n 的优点在于，它的标准体系 g 9 8 3 系列及相关算法都比较成熟， a m 技术也非常适合多业务传输。但是随着i n t 朋e t 的迅 速普及，i p 业务呈几何级数式增长，并且迅速成为用户业务的主要组成部分，而a t m 在传 输m 业务时具有一些明显的劣势。例如协议复杂、带宽浪费大等，因此，a p o n 并不是解决 本地环路问题的最佳方法 由髓e 的e f m i 作组负责制定的e p o n 标准m e e 8 0 2 3 a h 于2 0 0 4 年9 月份通过。e p o n 将 以太网技术与p o n 技术相结合，它与a p o n 的主要区别在于：根据i e e e 的8 0 2 3 以太网协议 ( 6 ，在e p o n 中传送的是可变长度的数据包，数据包长度最大为1 5 1 8 字节，最小为6 4 字节； 而根据协议的规定，藿e a p o n 中，传送的是包含4 8 个字节的净荷和5 字节信头的5 3 个字节的 固定长度信元。a p o n 系统不能直接用来传送i p 业务信息，如果a p o n 要传送伊业务，需要 将i p 包按照每4 8 个字节为一组拆分，并且在每组前面加上5 个字节的信头，形成a t m 的帧格 式。这个过程的劣势明显，除了浪费时间，还增加t o l t 和o n u 的成本，而且5 个字节的信 头对带宽而言也是一种浪费。与此相比，以太网适合携带i p 业务，因此与a t m 相比。极大 的节约了成本，还节约了带宽。 总的来说，与a p o n 相比，e p o n 具有以下几点优势：1 以太网遍布全世界，技术成熟# 2 以太网器件价格低廉；3 以太帧比a t m 帧更适合传输i p 业务；4 a p o n 的用户数据必须 要在协议转化下传送，而e p o n 不需要复杂的协议转换，这样可以使设备成本降低；5 a p o n 的上，下行带宽较低，不适宣传输视频业务及其他一些宽带的多媒体业务，而在e p o n 中， 上，下行带宽均在l g b p s 以上，可承载各种宽带业务 由f s a n 工作组在2 0 0 3 年1 月份通过了千兆以太无源光网耋鲁g p o n 的标准体系- - i t u - 例 系列标准，该标准的特点在于：1 能够提供高速的对称与非对称的带宽；2 能够以原有的格 式和极高的效率传送包括视频、音频、数据等综合业务；3 采用全新的传输汇聚层协议“通 用成帧协议( g e n e f i cf 埘n i l l gp t 砷啪l ，简称g f p ) 7 ”，实现多种业务码流的通用成帧协 议封装，为高层用户信号业务流和传输网络提供一种通用的适配机制；4 保持了g 9 8 3 中许 多与p o n 没有直接关系的特性理论上，g f o n 比e p o n 在传输距离限制、组网的灵活性， q o s 保证等性能上有很大的优势。 但是，g p o n 与e p o n 相比，也存在如下劣势：1 面向普通用户的接入业务主流仍然是 ，- 浙江大学硕士学位论文 简单的上网业务。未来网络中传输的主要业务仍是i p 业务 2 e p o n 可以对业务进行合理 地区分。以保证高优先级的队列能够获得高的带宽利用率和尽可能低的端到端的延迟 8 ， 这种情况下g p o n 在功能上优势将无法体现；3 g p o n 的设备成本要远远高于e p o n ； 4 g p o n 的标准体系远未成熟，设备的商业化还有待时日。 e p o n 系统具有商带宽，性能稳定，低故障率，低建设成本，低维护成本等优点，而且 现在宽带骨干用大多基于以太网协议。综合前面的备方面因素考虑，在a p o n ，e p o n 与 g p o n 的选择中。e 翩4 是目前解决接入网瓶颈的最佳方案 9 】 自e p o n 标准i e e e $ 0 2 3 a h 制定以来，e p o n 系统趋于稳定，但是由于i e e e 8 0 2 3 a h 针 对e l a n m a c 层只是定义了多点控制协议( m u l t i p l e p o i n t s c o n t r o l p r o t o c a l ，m c p ) 1 】。 并没有对具体的算法进行规定，因此，e p o nm a c 算法有着很大的优化空间。 1 4 本文的主要贡献和篇章结构 本文的工作主要集中于在对e l o nm a c 层上行链路带宽分配算法进行优化，主要目的 是削弱和消除各个时隙损失因素，提高e p o nm a c 层中的上行带宽利用效率，减小业务数 据端到端延迟和廷迟抖动，满足网络流量q o s 要求，保证带宽分配的公平性和提高算法的 可移植性。本文的主要贡献如下： 1 全面地介绍了e p o n 体系结构m p c p 协议控制帧格式。e p o n 系统同步，测距。 延迟补偿，o n u 注册，q o s 保证等关键技术e p o n 通信模式与上 亍链路带宽分配原理； 2 首次全面地阐明和分析了e p o n 上行链路通信周期中的各种时隙损耗因素# 3 在舟绍i p a c t 算法的基础上。提出了两种新的基于默c l 的优化方案：i i p a c t 下 载模式的改进与优化，该优化方案解决了传统i p a c t 算法下载模式中可能存在的一些阐题； 2 基于先产生先发送的i p a c t 算法，该优化算法减小了传统i p a c t 算法最大的端到端延迟， 同时减小了传统i p a c t 算法的端到端惩迟抖动，提高了i p a c t 算法支持业务q o s 的能力； 另外，首次对i p a c t 不同o n u 之间的公平性问题进行了分析与说明； 4 详细分析和总结了近年来主流的支持服务等级区分的基于比例分配的动态带宽分配 算法，并在此基础上介绍了一种基于令牌转换的带宽分配算法，通过仿真结果对比例分配算 法和令牌转换算法的优缺点进行了全面的分析i 5 在介绍和分析混台授权方式算法( h y b r i dg r a n t i n ga l g o r i t h m , i g ) 和高带宽利用率 混台授权方式算法( h i g h u t i l i z a t i o na n d h y b r i d g r a m i n g a l g o r i t h m 。h u h g ) 的基础上，提出 8 浙江大学硕士学位论文 了一种全新的基于令牌转换的高带宽利用率混合授权方式算法( t o k e n s w i t c h i n g - b 器e d h i 曲 u t i l i z a t i o na n dh y b r i dg r a n t i n g a l g o r i t h m , t s h u h g ) ：t s h u h g 是一种高带宽利用率且能满 足实时业务q o s 要求的性能优越的算法该算法能提供非常良好的实时业务端到端延迟和 延迟抖动性能，还能最大限度的消除上行链路周期中的闲置时间和未利用时隙碎片，从而具 有较高的带宽利用率： 6 将一种自适应网络流量预测的方法应用到i p a c t 当中实现了一种基于自适应网络 流量预测的e p o n 上行链路d b a 算法；针对原参考文献中对该自适应网络流量预测方法的 数据平均延迟性能，相对于无预测方法廷迟减小性能的理论推导中不完善的地方进行了重新 推导。另外，通过仿真结果t 分析了该预测算法在带宽利用效率方面的缺陷，补充了原参考 文献对于预测算法带宽损耗分析的空白； 7 首次对多种算法所存在的时隙损耗都进行了相应的全面具体的分析； 8 为下一步的工作提出了新的思想和建议。 本文的篇章结构如下： 第一章介绍了当前接入网的概况和光纤接入网的概况，并且着重阐述了e p o n 作为接 入网技术的优势。 第二章介绍了e p o n 的体系结构，m p c p 协议与其控制帧格式，e p o n 系统同步。测距， 延迟补偿。o n u 注册，q o s 保证等关键技术，e p o n 通信模式与上行链路带宽分配原理， 在此基础上首次全面具体地分析了e p o n 上行链路通信周期中的带宽损失因素，从而阐明 了e p o nm a c 层上行链路带宽分配算法优化的所要削弱和消除的几十具体的带宽损失因 素。并对e p o nm a c 层算法优劣的评价指标进行了说明。 第兰章在介绍经典的e p o n 上行链路d b a 算法i p a c t 的基础上，介绍和分析了本文所 提出的两种新的i p a c t 的优化方案：1 i p a c t 在下载模式的改进与优化；2 基于先产生先 发送的i p a c t 算法；两种优化算法部较好的解决了相应的问题另外，本章还对i p a c t 算 法不同用户数据的端到端延迟的比较作了分析。 第四章详细分析和总结了近年来主流的基于比饲分配的d b a 算法，并在此基础上介绍 了一种基于令牌转换的d b a 算法，通过仿真结果对比例分配算法和令牌转换算法的优缺点 避行了全面的分析 第五章的工作内容主要是对目前在处理实时业务时具有良好实时业务延迟和延迟抖动 性能的最新研究成果混合授权方式算法( h 0 ) 和高带宽利用率混合授权方式算法 ( h u h g ) 进行了介绍和分析。并在此基础上提出了一种全新的基于令牌转换的高带宽和用 9 浙江大学硕士学位论文 率混合授权方式算法( t s h u h g ) ，通过仿真结果对各种算法的性能进行了评估和比较 第六章将自适应网络流璧预测的方法应用到 p a c t 当中，实现了一种基于自适应弼络 流量预测的e p o n 上行链路d b a 算法；对介绍该自适应网络流量预测方法的原参考文献中 对该方法的一些性能指标理论推导不完善的地方进行了重新推导，并通过仿真结果对该算法 的优缺点进行了全面的评估，补充了原参考文献在预测算法的带宽资源损耗方顽所忽略的内 容。 第七章对全文的主要工作和重要的结论做了总结，并且说明了有待于进一步深入研究的 方向。 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 第二章e p o n 技术介绍与时隙损失分析 2 1e p o n 体系结构 一个典型的e p o n 系统主要包含了一个o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，光线终端) ，多个 o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，光网络单元) 和io s ( p a s s i v eo p t i c a ls p l i t t e r ，无源分光器) 。o l t 位于根节点，通过光分配网( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 和各个o n u 相连【1 0 l 。 e p o n 使用的无源器件包括单模光纤光缆，无源光分配器耦合器( s p l i t t e r c o m b i n e r ) 等； e p o n 使用的有源器件主要是o l t 和多个o n u ，o l t 位于中心局端，充当交换机和路由器 的角色，o n u 位于用户端，用于暂时存储用户端传来的上行数据或者o l t 传来的下行数据， 并在适当的时候进行数据转发。下行方向，o l t 发出的下行光信号经i ：n 光分配器( s p l i t t e r ) 分成n 路光信号，在多根光纤中传输；上行方向，多个o n u 发出的上行光信号经过1 ：n 光耦合器( c o m b i n e r ) 合路成一路光信号，在一根光纤中传输给o l t 。 由上面所述，e p o n 具有一点对多点的网络拓扑结构，它的典型结构如图2 - i 所示： o n u n 圈2 - i e p o n 体系结构 由e p o n 的体系结构可以很清楚的看到，在信号通路的的互连上，o l t 可以和各4 o n u 相互通信，传递数据，但o n u 之间不能相互通信，不能相互传递数据。 另外，在上行链路方向，多个o n u 发出的上行光信号经过1 ；n 光耦合器合路成一路 光信号，在一根光纤中传输给o l t ，由于信道的共用，当各个o n u 向o l t 发送数据时， 不同o n u 的数据有可能相互冲突，因此，这里需要使用复用技术避免共用信道时不同o n u 浙江大学硕士学位论文 数据间的冲突。e p o n 上行链路可以使用多种复用技术；频分多址( f d m a ) ，时分多址 ( t d m a ) ，波分多址( w d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。在各种复用技术中，使用时分多 址复用技术( t d m a ) 时多个o n u 只需要一个o l t 转发器，成本低，结构简单，所需波长 也少，优势明显，因此，目前e p o n 系统一般使用时分多址复用接入技术来避免不同o n u 问数据的冲突，实现上行链路信道的共用。 除了e p o n 一点对多点的典型结构外，还有一些研究针对一些特殊的结构展开，【1 l 】 提出了一种分布式结构，在这种结构中，o l t 不对整个系统进行控制，因此必须要在o n u 之间加入直接的链路，o n u 相互之间交换包含它们队列情况和带宽需求的信号及控制信息# 【1 2 】和【1 3 】还提出了一种新颖的环状结构，在环状结构中，各个o n u 可以互连，形成一个环， 整个环再和外部的o l t 相连。这些非典型的系统结构为e p o n 的研究提供了一些新颖的想 法，但可移植性不强，难以投入商用。 2 2m p e p 控制帧格式 上节中分析l 立e p o n 的上行链路通信使用t d m a 的方式实现信道的共用，这需要6 1 0 l t 进行全局控制，安排好各个o n u 的数据传送时隙。在此过程中，o i 脯演主控角色，o n u 扮演受控角色。为了在主控的o l t 和受控的o n o & 间有效地传输数据，需要一个有效的控制 机制来控制o l t 和o n u 。i e e es t d8 0 2 3 a h 中规定i m a c 控制子层中的多点控制协( m p c p ： m u l t i p l e p o i n t c o n t r o l p f o t o c l ) 来充当这个控制机制的协议。m p c p 在已有的e t h e m e t 帧格式的 基础上又定义了5 个控制帧：g a t e 、r e p o r t 、r e g i s t e r - - r f 、r e g i s t e r e r e g i s t e r - a c k ，通 过这5 个控制帧实现一系列通信协议，从而实现e p o n 系统的启动注册，时间同步、时隙分 配等功能下面，本文x c m p c v 协议中5 种控制帧的帧格式和功能作详细分析。m v c r 0 议中 启动注册、时问同步、时隙分配的原理将在2 3 ，2 4 两节中再作具体介绍。 2 2 1 控制帧的一般结构 上