（光学工程专业论文）mib在epon系统中的开发及应用.pdf

i 摘 要 随着英特网internet的发展和普及其业务量迅猛增长伴随着骨干网建设的日 臻完善接入网已经成为业务接入的瓶颈以太无源光网络ethernet passive optical network ,epon是用户接入网解决方案中继 atm 无源光网络atm passive optical network,apon后又一受到广泛关注的新技术由于它和目前应用最为广泛的局域 网上的标准以太网ethernet基本兼容所以被认为是接入网的最佳解决方案之一 其中局端的光线路终端optical line terminal,olt和用户端的光网络单元optical network unit,onu是 epon 系统的关键部分而要很好的管理和配置这些部件,合理 的管理信息库management information base,mib设计是十分重要的 本文是国家十五“863”项目 epon 的一个子课题 mib 在 epon 系统中的开发及 应用主要内容如下 (1) 第一章 绪论 介绍了pon的结构及网络中各元件的功能详细说明了apon和 epon的结构功能及上下行技术 (2) 第二章 epon嵌入式开发环境及其软件体系 介绍了epon基于入linux嵌入式 操作系统的开发 给出了epon系统olt/onu的软件体系 最后介绍了epon系统中mib 的软件体系结构 (3) 第三章 简单网络管理协议 介绍了网络管理的功能阐述了snmp的客户/服务 器模型及该模型的通信机制提出了利用smux协议对snmp协议进行扩展的方案 (4) 第四章 虚拟设备驱动程序 介绍了linux系统中虚拟设备驱动程序的相关机制 分析了虚拟设备在epon网管系统中的应用的可行性解释了实现虚拟设备的函数的功 能 (5) 第五章 epon网管系统中mib的实现 针对epon网管系统中实现mib的三个方 面介绍了snmp管理代理mib模块代码和网管中虚拟设备驱动程序的实现 关键词 apon epon snmp agent mib smux 设备驱动程序 ii abstract along with the development and prevalence of internet, its data capacity increases quickly. when backbone network is gradually consummated, access network has become the bottleneck of service access. epon (ethernet passive optical network), just like atm-pon (atm passive optical network), is another new technology used to resolve user access network which has been paid widely attention. epon has been considered one of the best solutions about access network because it is accordant with standard ethernet which now is used widely in local access network. in epon system, olt (optical line terminal) and onu (optical network unit) are the key parts. in order to manage and configure these components well, it is important for manager to design the mib (management information base). this paper is about the designing and implementing the mibs in network manangement system of epon which is a part of an “863” project. the main contents are as follows: (1) depict the structure of pon, the function of every component in pon system. the structures, functions and technology in upstream and downstream of apon and epon are discussed. (2) explain the development of epon basing the linux embedded system. introduce the software system of olt/onu parts of epon, and the software structure of mib of epons ems (element management sysstem). (3) introduce the function of network management, the client/sever mode in snmp, the communication mechanism of this mode. then put out the blue print to extend the snmp using smux protocol. (4) explain the relative mechanisms of linux virtual device drivers. analyze the feasibility of virtual device applied in epon network management system. explain the functions using to implement the virtual devices. (5) in the end, in order to illuminate how to implement the mibs in the epon network management system, the realization of snmp management agent, the source code of mib modules, and the virtual device drivers are introduced in detail. keywrods: apon epon snmp agent mib smux device drivers 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已 在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名叶红霞 日期2004 年 11 月 04 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采 用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 本论文属于 1 1 绪 论 1.1 引言 随着人类社会对网络通信业务从质量到种类提出越来越高的要求数字化宽带化 和智能化已成为未来通信发展的方向从整个网络来看骨干网已实现了光纤为基础的 宽带网并且技术日臻成熟城域网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 的宽带化发 展也取得了长足的进展 1 接入网a c c e s s n e t w o r k , a n 是网络数字化的最后一段由 传统的用户环路发展而来是用户环路的升级它直接面向用户通过各种传输媒介为 用户提供各种业务最后一公里的称谓由此而来 2 伴随着骨干网建设的逐渐完善 接入网已经成为业务接入的瓶颈接入网概念的提出主要用于综合考虑解决将本地交 换机用户环路和终端设备等各种类型的用户通过有限的标准化接口接入到业务节点 的问题 国际接入网技术种类繁多 3 有普通电话业务p o t s 所采用的双绞铜线传输方式 有线电视所采用的同轴电缆传输方式在原有铜线上扩容传送带宽的非对称数字用户线 路系统a s y m m e t r i c d i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e , a d s l / x d s l 技术即是集普通电话与 上网功能于一条电话线使上网接听和拨打电话互不影响由传统的同轴电缆有线电 视c a t v 技术发展起来的混合光纤同轴电缆h y b r i d f i g e r c o a x , h f c将数字电 信传输系统与模块视频图像系统进行综合的交换式数字图像s w i t c h e d d i g i t a l v i d e o , s d v 等光纤/ 铜线混合传输技术光纤到大楼f i b e r t o t h e b u i l d i n g , f t t b 光纤到路边f i b e r t o t h e c u r b , f t t c 或光纤到办公室f i b e r t o t h e o f f i c e , f t t o 光纤到家f i b e r t o t h e h o u s e , f t t h 等多种形式的光纤接入技术 虽然接入网技术多种多样但是由于通用接入网传输全业务f u l l s e r v i c e , f s 的需要光纤宽带接入网具有独特的发展优势光纤通信具有通信容量大质量高性 能稳定抗电磁干扰保密性强等一系列优点在干线通信方面以上优点已得到证明 同样它将在全业务宽带通用接入网中发挥重要作用 光纤接入网o p t i c a l a c c e s s n e t w o r k , o a n 是采用光纤传输技术的接入网 4 即 本地交换局和用户之间全部或部分采用光纤传输的通信系统从总的发展趋势看在接 入网中馈线光纤必将代替馈线电缆直接面向用户实现纯光纤接入方式又根据接入 网室外传输设施中是否含有源设备o a n可以划分为无源光网络p a s s i v e o p t i c a l 2 n e t w o r k , p o n 和有源光网络a c t i v e o p t i c a l n e t w o r k , a o n其中p o n 的发展已受 到国际电信联盟i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s u n i o n , i t u 和多个国家的更多 关注 目前最受关注的 p o n接入方式主要有两种基于异步传输模式asynchronous transfer mode a t m 技术的 p o n 接入技术 a t m - p o n 简称 a p o n 和基于以太网 e t h e r n e t 技术的 e p o n 1.2 无源光网络 pon 接入技术 根据 o a n参考配置可知o a n由光线路终端( o p t i c a l l i n e t e r m i n a l o l t ) 光网络 单元o p t i c a l n e t w o r k u n i t o n u 和光配线网o p t i c a l d i s t r i b u t i o n n e t w o r k , o d n 三大部分组成o l t 为o d n 提供网络接口并连接至一个或多个 o d n o d n 为o l t 和 o n u 提供 传输o n u 为o a n 提供用户侧接口并与o d n 相连p o n 就是光接入网中的 o d n 全部由光分 路器o p t i c a l s p l i t t e r o s 等无源器件组成且不含任何有源节点的光接入网 5 1.2.1 pon 功能结构 1.2.1.1 olt 的功能结构 在 p o n 中o l t 提供一个与 o d n 相连的光接口在 o a n 的网络端提供至少一个网络 业务接口它位于本地交换局或远端为 o n u所需业务提供必要的传输方式每个 o l t 由图 1 . 1 中虚线所分割的核心功能块服务功能块和通用功能块所组成 odn 接口功能 核心功能块数字交叉 连接功能 odn 通用功能块 供电功能 oam功能 服务功能块 业务 端口功能 网络 传输 复用功能 图 1 . 1 o l t 结构 o l t核心功能块包括数字交叉连接功能块传输复用功能块和 o d n接口功能块数 字交叉连接功能块提供网络端与 o d n 端允许的连接 传输复用功能块通过 o d n 的发送和 接收通道提供必要的服务 它包括复用需要送至各 o n u 的信息及识别各o n u 送来的信息 o d n 接口功能块提供光物理接口与 o d n 相关的一系列光纤相连当与 o d n 相连的光纤出 3 现故障时o a n 启动自动保护倒换功能通过 o d n 保护光纤与别的 o d n 接口相连来恢复 服务 o l t 服务功能块提供业务端口功能它支持一种或若干种不同业务的服务 o l t 通用功能块提供供电功能和操作管理与维护o a m 功能 1.2.1.2 onu 的功能结构 在 p o n 中o n u 提供通往 o d n 的光接口用于实现 o a n 的用户接入根据 o n u 放置 位置不同o a n 可分 f t t h f t t o f t t b 及 f t t c 等每个 o n u 由核心功能块服务功能 块及通用功能块组成其结构如图 1 . 2 所示 odn 接口功能 核心功能块 用户和服务 复用功能 odn 通用功能块 供电功能 oam功能 服务功能块 用户 端口功能 用户 传输 复用功能 图 1 . 2 o n u 结构 o n u的核心功能块包括用户和服务复用功能块传输复用功能块以及 o d n接口功能 块用户和服务复用功能包括装配来自各用户的信息分配要传输给各用户的信息以及 连接单个的服务接口功能传输复用功能包括分析从 o d n过来的信号并取出属于该 o n u 的部分以及合理地安排要发送给 o d n的信息o d n接口功能块则提供一系列光物理接口 功能包括光/ 电和电/ 光转换如果每个o n u 使用不止一根光纤与o d n 相连那么就 存在不止一个的物理接口 o n u服务功能块提供用户端口功能它包括提供用户服务接口并将用户电话信息适 配为 6 4 k b i t / s 或n * 6 4 k b i t / s 的形式该功能块可为一个或若干个用户服务并能根据 其物理接口提供信令转换功能 o n u通用功能块提供供电功能及系统的运行管理和维护功能供电功能包括交流 变直流或直流变交流供电方式为本地供电或远端供电若干个 o n u 可共享一个电源 o n u 应在用备用电源供电时也能正常工作 1.2.1.3 odn 的功能结构 p o n中的 o d n 位于 o n u和 o l t之间o n u 全部由无源器件构成它具有无源分配功 能其功能结构如图 1 . 3 所示 4 onu1 onun onu1olt s/rr/s 图 1 . 3 o d n 的功能结构 对于 o d n 的基本要求是 为今后提供可靠的光缆设备 易于维护 具有纵向兼容性 具有可靠的网络结构具有很大的传输容量有效性高一般说来o d n应该为 o n u到 o l t的物理连接提供光传输介质组成 o d n的无源元件有单模光纤光缆带状光纤光 连接器光分路器波分复用器光衰减器和熔接头等 1.2.1.4 操作管理维护功能 通常将操作管理维护o a m 功能分成两部分即 o a n 特有的 o a m功能和 o a m 功能 类别 o a n特有的 o a m功能包括设备子系统传输子系统光电子系统和业务子系统设 备子系统包括 o l t 和 o n u 的机箱机框机架供电及光分路器外壳光纤的配线盘和 配线架传输子系统包括设备的电路和光电转换光电子系统包括光纤光分支器滤 波器和光时域反射仪或光功率计 业务子系统包括各种业务和o a n 核心功能适配的部分 o a m 功能类别包括配置管理性能管理故障管理安全管理及计费管理 1.3 atm 无源光网络apon接入技术 p o n是实现宽带接入的一种常用网络形式电信网的骨干网绝大部分采用 a t m技术 进行传输和交换显然无源光网络的 a t m 化是一种自然的做法a t m - p o n 将 a t m 的多 业务多比特速率能力和统计复用功能与无源光网络的透明宽带传送能力结合起来从 长远来看这是解决电信接入瓶颈的较佳方案a p o n 实现用户与四个主要业务节点 之一的连接即公共交换电话网络/ 综合服务数字网( p u b l i c s w i t c h e d t e l e p h o n e n e t w o r k / i n t e g r a t e d s e r v i c e s d i g i t a l n e t w o r k , p s t n / i s d n ) 窄带业务b - i s d n 宽带业 务非 a t m 业务数字视频付费业务和 i n t e r n e t r 的 i p 业务 6 1.3.1 apon 模型及特点 a t m - p o n的模型结构如图 1 . 4所示其中 u n i u s e r n e t w o r k i n t e r f a c e 为用户 5 网络接口s n i s e r v i c e n o d e i n t e r f a c e 为业务节点接口 onuolt atm-pon pstn/isdn sn b-isdn sn 非atm sn 视频服务器 非atm sn ip服务器 sni uni 图 1.4 apon 模型结构 p o n 是一种双向交互式业务传输系统它可以在业务节点接口s n i 和用户网络节 点u n i 接口之间以透明方式灵活地传送用户的各种不同业务基于 a t m的 p o n接入 网主要由 o l t 局端设备光分路器s p l i t t e ro n u 用户端设备以及光纤传输 介质组成局端到用户端的下行方向由 o l t 通过分路器以广播方式发送 a t m 信元给各 个 o n u 各个 o n u则遵循一定的上行接入规则将上行信息同样以信元方式发送给 o l t 其关键技术是突发模式的光收发机快速比特同步和上行的接入协议- - - - 媒质访问控制 m e d i u m a c c e s s c o n t r o l , m a ci t u - t 于 1 9 9 8 年1 0 月通过了关于 a t m - p o n 的 g . 9 8 3 . 1 建议该建议提出下行和上行通信分别采用 t d m和 t d m a方式来实现用户对同一光纤宽 带的共享同时主要规定标称线路速率光网络要求网络分层结构物理媒质层要 求会聚层要求测距方法和传输性能要求等其目的就是使 p o n 携带的信息a t m 化 这种 a t m 化的 p o n 称为 a p o n 5 3 g . 9 8 3 . 1 对m a c 协议并没有详细说明只定义了上行和 下行的帧结构对 m a c 协议作了简要说明 7 1 9 9 9年 i t u - t又推出 g . 9 8 3 . 2建议即 a p o n的光网络终端o p t i c a l n e t w o r k t e r m i n a l , o n t 管理和控制接口规范目标是实现不同 o l t 和 o n u 之间的多厂商互通 规定了与协议无关的管理信息库被管实体o l t和 o n u之间信息交互模型o n u管理和 控制通道以及协议和消息定义等该建议主要从网络管理和信息模型上对 a p o n系统进 行定义以使不同厂商的设备实现互操作该建议在 2 0 0 0 年 4 月份正式通过 在宽带光纤接入技术中电信运营者和设备供应商普遍认为 a p o n是最有效的它 构成了既提供传统业务又提供先进多媒体业务的宽带平台 a p o n 主要特点有 采用点到 多点式的无源网络结构在光分配网络中没有有源器件比有源的光网络和铜线网络简 6 单更加可靠更加易于维护如果大量使用 f t t h 有源器件和电源备份系统从室外转 移到了室内对器件和设备的环境要求降低使维护周期加长维护成本的降低使运营 者和用户双方受益由于它的标准化程度很高可以大规模生产从而降低了成本另 外a t m 统计复用的特点使得 a t m 的 q o s 优势也得以继承 以 a t m 技术为基础的 a p o n综合了 p o n 系统的透明宽带传送能力和 a t m 技术的多业 务多比特率支持能力的优点代表了接入网发展的方向a p o n 系统主要有下述优点 ( 1 ) 理想的光纤接入网无源纯介质的o d n 对传输技术体制的透明性使a p o n 成为 未来f t t h f t t o f t t b 和f t t c 的最佳解决方案 ( 2 ) 低成本树型分支结构多个o n u 共享光纤介质使系统总成本降低纯介质网 络彻底避免了电磁和雷电的影响维护运营成本大为降低 ( 3 ) 高可靠性局端到远端用户之间没有有源器件可靠性较有源o a n 大大提高 ( 4 ) 综合接入能力能适应传统电信业务p s t n / i d s n 可进行i n t e r n e t w e b 浏览 同时具有分配视频和交互视频业务c a t v 和v o d 能力 虽然 a p o n 有一系列优势但是由于 a p o n 树型结构和高速传输特性还需要解决诸 如测距上行突发同步上行突发光接收和带宽动态分配等一系列技术及理论问题这 给 a p o n 系统的研制带来一定的困难目前这些问题已基本得到解决我国的 a p o n 产品 已经问世a p o n 系统正逐步走向实用阶段 1.3.2 apon 系统结构及工作过程 p o n为多个用户提供廉价的共享传输介质a t m技术为从低速到高速的各种多媒体 提供可靠且透明的接口a t m - p o n 将两者的特点结合起来显示了它在各种光纤接入技 术中的优势a p o n 系统结构如图 1 . 5 所示 a p o n 主传输介质 p o n 采用无源双星拓朴分路比为 1 3 2 从 o l t 往 o n u 传送下行 信号时采用时分复用t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g , t d m 技术o n u 传送到 o l t 的上 行信号采用时分多址t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a d d r e s s , t d m a 技术在上行和下行 信号传输时a t m 信元均被组装在一个 a p o n 包中通过给每个包加入 8 个开销比特提 供同步及其他与网络传输相关的功能 a p o n 系统所采用的双向传输方式主要有两种 其 一单向双纤的空分复用方式即使用两根光纤一根光纤传输上行信号另一根光纤 传输下行信号工作波长限定在 1 3 1 0 n m 区其二单纤粗波分复用方式即采用单根 光纤异波长双工上下行波长分别工作在 1 3 1 0 n m 区和 1 5 5 0 n m 区在 1 3 1 0 / 1 5 5 0 n m 的 7 w d m 器件和 1 3 1 0 n m 波长段的激光器价格逐渐降低的情况下采用后者是经济可行的方 案 onu1用户 onu2用户 onu3用户 123.n olt atm 交换机 下行连续比特率 上行突发模式 1 23 n 32branches 图 1.5 apon 系统结构 a p o n 系统可以采用光纤到 o n u 再采用短的铜缆到用户以代替传统的用户环境当 用户需要时能方便地升级为 f t t h a p o n 系统可以将 o n u 直接安放到用户处即 f t t h 在下行方向由 a t m交换机送来的 a t m信元先送到所有 o l t o l t将其变为 1 5 5 . 5 2 m b i t / s或 6 2 2 . 0 8 m b i t / s的速率并以广播方式用 1 5 5 0 n m波长区传送到所有与 o l t相连的 o n u 任意一个 o n u可以根据信元的信息选出属于自己的信元传送给用户终 端 在上行方向各个 o n u 收集来自用户的信息并通过 1 3 1 0 n m 区以 1 5 5 . 5 2 m b i t / s 的 速率采用突发模式发送数据为防止信元冲突需要有突发信号的同步功能及时延调 整功能以确保 a p o n 系统为各种业务提供 a t m 标准的接入平台 1.3.2.1 光线路终端olt a p o n 的o l t 通过v b 5 接口与外部网络连接 为了能够与现存的各类交换机实现互连 系统也具有向外部网络提供现存窄带接口的能力如 v 5 接口等o l t 与 o n u 通过 o d n 在业务网络接口s n i 和用户网络接口u n i 之间提供透明的 a t m传输业务o l t由 业务接口a t m 交叉连接o d n 接口o a m 模块和供电模块等组成 ( 1 ) 业务接口 业务接口实现系统不同类型的业务节点接入如 p s t n a t m交换机v o d服务器及 i n t e r n e t 服务器等其主要通过 v b 5 . x 或 v 5 . x 接口实现该功能模块将 a t m 信元插入 上行的同步数字系列s y n c h r o n o u s d i g i t a l h i e r a r c h y s d h 净负荷区也能够从下 行的 s d h 净负荷区中提取 a t m 信元 v b 5 接口的速率可以是s d h 的s t m - 11 5 5 . 5 2 m b i t / s 或 s t m - 4 6 2 2 . 0 8 m b i t / s 8 ( 2 ) a t m 交叉连接 a t m交叉连接模块是一个无阻塞的 a t m信元交换模块主要实现多个信道的交换 信元的路由信元的复制及错误信元的丢弃等功能 ( 3 ) o d n 接口 o d n的每个接口模块驱动一个 p o n 接口模块数的多少由所支持用户数的多少来确 定o d n的主要功能有和 o n u一起实现测距功能并且将测得的定距数据存储以便 在电源或者光中断后重新启动 o n u 时恢复正常工作从电到光变换下行帧从光到电变 换上行帧给用户信息提供一定的加密保护通过 m a c 协议给用户动态地分配带宽 ( 4 ) o a m 模块和供电模块 o a m 模块对 o l t 的所有功能块提供操作管理和维护手段如配置管理故障管理 性能管理等也提供标准接口如 q 3接口与电信管理网t e l e c o m m u n i c a t i o n m a n a g e m e n t n e t w o r k t m n 相连 供电功能模块将外部电源变换为所要求的机内各种电压 1.3.2.2 光分配网络odn o d n 为 o l t 和 o n u 之间的物理连接提供光传输介质它主要包括单模光纤光缆光 连接器无源光分支器件无源光衰减器光纤接头等无源光器件根据i t u - t 的建议 系统中一个 o d n 的分支比最高能达到 1 3 2 即一个 o d n 最多支持 3 2 个 o n u 光纤的最 大距离为 2 0 k m 光功率损耗为 1 0 2 5 d b 根据系统所支持用户群的大小o l t 能够提供 多个 o d n 接口以满足大用户群多 o n u 的需求 1.3.2.3 光网络单元onu o n u实现与 o d n 之间的接口及接入网用户侧的接口功能o n u主要由 o d n 接口功能 模块用户端口功能模块业务传输复用/ 解复用模块供电功能模块和 o a m功能模块 等组成 ( 1 ) o d n 接口功能模块 该模块实现的功能是光/ 电电/ 光变换功能从下行 p o n 帧中抽取 a t m 信元和向 上行 p o n 帧中插入 a t m 信元的功能与 o l t 一起完成测距功能在 o l t 的控制下调整发 送光功率当与 o l t 通信中断时则切断 o n u 光发送以减小该 o n u 对其他 o n u 通信的 串扰 ( 2 ) 用户端口功能模块 9 该模块提供各类用户接口用户接口单元采用模块化设计使系统支持现存的各类业 务通过添加新模块也为将来的新业务服务 ( 3 ) 业务传输复用/ 解复用模块 该模块将来自不同用户的信元进行拆卸组装以便和各种不同的业务接口端相连 并复用至 o d n 接口模块将 o d n 接口模块的下行信元进行解复用至各个用户端 ( 4 ) 供电功能模块 用以提供 o n u 电源a c / d c d c / a c 变换供电方式可以是本地交流供电也可以 是远地直流供电o n u 在备用电源供电的情况下也能够正常工作 ( 5 ) o a m 功能模块 对 o n u 所有的功能模块提供操作管理和维护如线路接口板和用户环路维护测 试和告警告警报告送给 o l t 等 a p o n系统所采用的传输复用技术为 t d m / t d m a 即下行信号采用 t d m广播方式各 个 o n u 从下行信号中选出属于自己的信元下行速率是 1 5 5 . 5 2 m b i t / s或者 6 2 2 . 0 8 m b i t / s 上行信号采用 t d m a传输方式上行速率为 1 5 5 . 5 2 m b i t / s 然而各个 o n u与 o l t之间的距离并不相同在上行传输时必然存在相位差别和幅度差别两个问 题 1.3.3 apon 帧结构及关键技术 1.3.3.1 apon 帧结构 a p o n 上下信道都是由连续的时隙流组成下行每时隙宽为发送一个 a t m 信元5 3 字节的时间上行每时隙为发送 5 6字节一个 a t m信元再加 3字节开销的时间 按 g . 9 8 3 . 1 建议a p o n 可采用两种速率结构即上下行均为 1 5 5 . 5 2 m b i t / s 的对称帧结 构下行为 6 2 2 . 0 8 m b i t / s 上行为 1 5 5 . 5 2 m b i t / s 的不对称帧结构 a p o n 的对称帧结构如图 1 . 6 所示不对称帧结构如图 1 . 7 所示下行每 2 8 个时隙 中插入一个物理层维护管理信元p h y s i c a l l a y e r o a m , p l o a m其余为 a t m信元 1 5 5 . 5 2 m b i t / s下行帧包含 2个 p l o a m共 5 6个时隙长6 2 2 . 0 8 m b i t / s下行帧包含 8个 p l o a m 共 2 2 4 个时隙长上行帧包含 5 3 个时隙每个时隙包含 5 6 个字节其中 3 个字 节是开销字节开销字节内容由 o l t 编程决定开销包括三部分用来防止上行信元间 碰撞的保护时间最短长度 4 b i t用作比特同步和幅度恢复的前导字节用于指示 a t m信元或微时隙开始的定界符开销中三部分的边界不固定以便容许厂商根据其接 10 收机要求自行设定另外上行时隙可以包含可分割时隙它由来自多个 o n u 的微时隙 组成 m a c 协议利用这些微时隙向 o l t 传送 o n u 的排队状态信息 以实现带宽动态分配 下行帧结构 56信元/帧 ploam 1atm-cell 1atm-cell 27atm-cell 54atm-cell 28ploam 2 包含53个上行许可信号 上行帧结构 53信元/帧 atm-cell 53atm-cell 1atm-cell 2atm-cell 3atm-cell 53 3字节开销 图 1.6 apon 对称帧结构 下行帧结构 56x4信元/帧 ploam 1atm-cell 1-27ploam 2atm-cell 28-54ploam 8atm-cell 190-216. 上行帧结构 53信元/帧 atm-cell 53atm-cell 1atm-cell 2atm-cell 3atm-cell 53 3字节开销 图 1.7 apon 不对称帧结构 g . 9 8 3 . 1规定了多种授权信号均为 8比特长分别用于上行发送 a t m信元 8 p l o a m 信元微信元和空闲等授权指示每个下行帧携带 5 3 个授权信号分别与上行帧 的 5 3 个时隙对应 o n u 只有收到给予自己的授权信号后 才能在相应的上行时隙发送上 行信元每个 p l o a m 信元携带 2 7 个授权信号两个p l o a m 信元则携带5 4 个授权信号 而一帧只需携带 5 3个授权信号于是第二个 p l o a m信元的最后一个授权信号区填充 空闲授权信号对于非对称帧结构第二个 p l o a m 信元的最后一个授权信号区与其余的 6 个 p l a o m 信元的授权信号区全部填充空闲授权信号 a p o n 系统是一个共享带宽的网络 每个用户会产生不同的带宽需求 这就要求网络 有一个功能强大的 m a c协议以完成信元时隙分配带宽的动态分配及接入允许/ 请求 等功能m a c 协议要求能够对各个用户提供公平且高效高质量的接入保证接入延迟 信元延迟变化信元丢失率等参数尽可能小同时 m a c 协议的选取还需要考虑协议实现 的复杂程度通常采用基于信元的授权分配算法即由 o n u发送请求到 o l t o l t 11 收到 o n u 请求之后根据授权分配算法向 o n u 发送许可 m a c 协议是基于请求/ 许可机制来完成上行信元传送的 即当用户端有信元需要发送 时 网络终端 n e t w o r k t e r m i n a l , n t , 处于 u n i 和 o n u 之间 在 o l t 的授权许可下向 o l t 发送请求以申请信元发送o l t收到请求后根据许可分配算法对相应的 n t 发放信元发送许可m a c协议根据 g . 9 8 3 . 1建议定义了帧结构下行帧中的 p l o a m 信元不仅用来传送物理层操作维护o a m 信息其中第一和第二个 p l o a m同时也用来 向 n t 发送各类授权许可信息 各个 n t 根据所接收到的相应的授权信息在 o l t 规定的时 隙内发送各类上行信元上行帧中除了携带数据的 a m t 信元外还包括 p l o a m 信元和可 分时隙d i v i d e d - s l o t其中可分时隙被各 n t 用来向 o l t 传送请求信息 1.3.3.2 apon 关键技术 采用 g . 9 8 3 . 1建议的 a p o n 系统在下行方向使用 t d m广播方式帧由连续时隙组 成 每个时隙填充一个 5 3 字节的 a t m 信元 下行分别为 1 5 5 . 5 2 m b i t / s 或 6 2 2 . 0 8 m b i t / s 两种速率 1 5 5 . 5 2 m b i t / s 下行链路上每帧 5 6 个时隙 含两个 p l o a m 信元 6 2 2 . 0 8 m b i t / s 每帧 2 2 4 个时隙有 8 个 p l o a m 信元由于下行方向是广播模式各个 o n u 将收到所有 的帧并自主地从相应时隙中提取出属于自己的信元所以在下行方向上不需要 o l t 进 行控制由于 a p o n 系统在下行方向以 t d m 方式工作可使用标准的 s d h 光接口因此 实现起来很容易 a p o n 系统的上行方向上 由于 p o n 的o d n 实际上是共享传输介质 需要接入控制才 能保证各个 o n u 的上行信号完整地到达 o l t a p o n 的接入复用是在时域实现的通常采 用 t d m a的上行接入控制信号是突发模式就是说上行信号是突发的幅度不等 的长度也不同的脉冲串并且间隔时间也不相同由于是突发模式a p o n 系统在物理 层传输上需要解决几个技术难点 ( 1 ) 测距方法 从各 o n u 发出的 a t m 信元传输路径不同到达接收机也是不同步的只有各 o n u 到 o l t 的连接距离相等 才能防止 a t m 信元在 o l t 处发生碰撞 实际线路中的各 o n u 到 o l t 距离是无法实现相等的 测距的目的是补偿因o n u 与o l t 之间的距离不同而引起的传输时延差异 使所有o n u 到 o l t 的逻辑距离相同产生传输时延差异的根源有两个其一是物理距离不同其二 是存在环境温度变化和光电器件老化等因素测距程序分为两步一是在新的 o n u 安装 调测阶段进行的静态粗测这是对物理差异进行的时延补偿二是在通信过程中实时进 12 行的动态精测以校正由于温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移目前实现测距 的方法有扩频法测距带外法测距和带内开窗测距 1 ) 扩频法测距 粗测时 o l t 向 o n u 发出一条指令通知 o n u 发送一个特定低幅值的伪随机码o l t 利用相关技术检测出从发出指令到接收到伪随机码的时间差并根据这个值分配给该 o n u 一个均衡时延 t d 动态精测需要开一个信元的窗口通过监测相位变化实时地调整 时延值这种方法的优点是不中断正常业务精测时占用的通信带宽很窄o n u所需的 缓存区较小对业务质量q u a l i t y o f s e r v i c e q o s 的影响不大缺点是技术复杂 精度不高 2 ) 带外法测距 粗测时 o l t 向 o n u 发出一条测距命令o n u 接到指令后将低频小幅的正弦波加到激 光器的偏置电流中正弦波的初始相位固定o l t通过检测正弦波的相位值计算出环路 时延并依据此值来分配给 o n u 一个均衡时延精测时需要开一个信元的窗口该方法 的优点是测距精度高o n u所需的缓存区较小对 q o s影响小缺点是技术复杂成本 高测距信号是模拟信号 3 ) 带内开窗测距 带内开窗测距的最大特点是粗测时占用通信带宽当一个 o n u需要测距时o l t命 令其他 o n u 暂停发送上行业务形成一个测距窗口供这个 o n u 使用测距 o n u 发送一个 特定信号在 o l t 处接收到这个信号后计算出均衡时延值精测采用实时监测上行信 号不需另外开窗此方法的优点是利用成熟的数字技术实现简单精度高成本低 缺点是测距占用上行带宽o n u 需要较大的缓存区对业务的 q o s 影响较大 ( 2 ) 突发模式同步技术 不管采用哪种测距方法总是测距精度受限在采用测距机制控制 o n u 的上行发送 后上行信号还是有一定的相位漂移在上行帧的每个时隙里有 3 字节开销保护时间 用于防止微小的相位漂移损害信号前导字节则用于同步获取o l t在接收上行帧时 搜索前导字节并以此快速获取码流的相应信息达到比特同步然后根据定界符确定 a t m信元的边界完成字节同步o l t在收到 o n u上行突发的前几个比特内实现比特同 步才能恢复 o n u 的信号同步获取可以通过将收到的码流与特定的比特图案进行相关 运算来实现一般的的滑动搜索方法延时太大不适用于快速比特同步可以采用并行 的滑动相关搜索方法 将收到的信号用不同相位的时钟进行采样 采样结果同时 并行 13 与同步比特图案进行相关运算并比较运算结果在相关系数大于某个门限时将最大值 对应的取样信号作为输出并把该相位的时钟作为最佳时钟源如果多个相关值相等 则可以取相位居中的信号和时钟 ( 3 ) 突发信号的收发 在使用 t d m a传输方式的上行接入中各个 o n u必须在指定的时间区间内完成光信 号的发送以免与其他信号发生冲突为了实现突发模式在收发端都要采用特别的技 术光突发发送电路要求能够快速地开启和关断快速建立信号传统的电光转换模块 中采用的加反馈自动功率控制不适用了需要使用响应速度很快的激光器在接收端 由于来自各个用户的信号光功率不同且是变化的所以突发接收电路必须在每收到新的 信号时调整接收电平门限调整工作通过 a p o n系统中的时隙前置比特实现突发 模式前置放大器的阈值调整电路可以在几个比特内迅速建立起阈值接收电路根据这个 门限正确恢复数据 常规的光纤通信 例如 s d h 系统 激光器的消光比大于 4 . 1 d b 就可以 但这对于 a p o n 系统是不能接受的因为 p o n系统是点对多点的光通信系统以 1 : 1 6系统为例上行 方向正常情况下只有 1 个激光器发光其他 1 5 激光器都处于0 状态根据消光比定 义即使是0 状态仍会有一些激光发出来如果消光比不大的话1 5个激光器的 光功率加起来有可能远大于信号光功率使信号淹没在噪声中因此用于 a p o n系统 的激光器要有很好的消光比 上述几个技术难题在窄带p o n 系统的开发时就曾遇到过 只是当时传输速率比较低 比较容易解决对突发同步来说速率越高同步越困难而且 a p o n系统测距过程比窄 带 p o n系统要复杂得多对于 a p o n系统有人主张采用光放大器因为激光器的输出 功率有限一般在 3 d b m左右为了扩大系统覆盖范围有必要引入掺饵光纤放大器 e d f a特别是应把 e d f a 放在