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浙江工业大学硕士学位论文 g p o n 系统0 n um a c 层上行链路的研究与设计 摘要 近些年来，接入网技术不断地发展。目前接入网主要有x d s l 、混合接入、光纤 接入、无线接入等。在有线接入领域，由于光纤技术带宽大、衰减少等优势，光纤接入 逐渐成为接入网的主流技术。无源光网络( p o n ) 是最受关注的光纤接入技术。p o n 经历了a p o n 、e p o n 和g p o n 的发展历程，g p o n 拥有高效率、高速率、高带宽利用 率、支持全业务等优点，被认为是最先进的p o n 技术。 g p o n 的技术特征主要体现在介质访问控制层，很多g p o n 的关键技术如动态带 宽分配、编码、测距等都是在介质访问控制层( m a c ) 实现的。本文的工作主要集中 在g p o n 系统光网络单元( o n u ) m a c 层上行链路的研究和实现，对上行链路的模 块用v 耐l o gh d l 语言其进行仿真实现，并研究了动态带宽分配算法。本文的主要工 作和成果如下： 1 介绍了接入网的现状和发展，以及三种主要的无源光网络a p o n 、e p o n 和 g p o n ； 2 从g p o n 的定义出发，阐明了g p o n 的标准、系统结构、协议模型、传输复用 方式和帧结构； 3 提出了o n u 的m a c 层整体结构图，介绍了各个模块的功能，设计了上行接入 的解决方案； 4 在详细分析上行链路的每个模块的基础上，在q u a r t u si i 开发环境下用v e f i l o g h d l 语言对每个模块进行仿真实现； 5 介绍了m a c 层的关键技术动态带宽分配，提出了一种基于带宽需求的动态分 配算法，提高了带宽利用率。 6 最后，对全文进行总结，并对进一步的研究提出一些展望。 关键词：吉比特无源光网络、光网络单元、介质访问控制层、上行接入、v 甜l o g h d l 、动态带宽分配 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n to f g p o ns y s t e mo n um a c l a 蜘e r su p l i n k a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g yo fa c c e s sn e t w o r kd e v e l o p si n c e s s a n t l y a t p r e s e n t ，a c c e s sn e t w o r km o s t l yi n c l u d ex d s l ，h y b r i da c c e s st e c h n o l o g y ，f i b e r a c c e s st e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y i nt h ef i e l do fw i r e d s o l u t i o n s ，f i b e ra c c e s st e c h n o l o g yb e c o m e st h em m n s t r e a mt e c h n o l o g yo f a c c e s s n e t w o r ks t e pb ys t e pd u et ot h e i rb a n d w i d t hc a p a c i t ya n dl i t t e ra r e n u a t i o n p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) i st h ef i b e ra c c e s st e c h n o l o g yt h a ta t t r a c t st h e m o s ta t t e n t i o n p o nh a se x p e r i e n c e dt h r e em o d e s ，n a m e l ya p o n ，e p o na n d g p o n g p o nh o l d st h es t r o n g p o i n t sw h i c hc o n t a i nh i 曲e f f i c i e n c y , h i g hs p e e d , h i 曲b a n d w i d t hu t i l i z i n gr a t ea n ds u p p o r to fw h o l es e r v i c e ，t h e r e f o r eg p o n i s c o n s i d e r e da st h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g yo fp o n t h et e c h n o l o g yc h a r a c t e ro f g p o nm a i n l ys h o w so nm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e r m a n yk e yt e c h n o l o g i e sa r e a c h i e v e do nm a cl a y e rs u c ha s d y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n t ，c o d i n ga n dr a n g i n g t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e s o nt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n to fg p o ns y s t e mo n um a cl a y e r su p s t r e a m l i n k , w es i m u l a t ea n di m p l e m e n te v e r ym o d u l eo fu p s t r e a ml i n ku s i n gv e r i l o g 浙江工业大学硕士学位论文 h d ll a n g u a g e ，a n ds t u d yt h ed y r m m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m t h e m a i nw o r ka n dp r o g e n yo fd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w 1 t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fa c c e s s n e t w o r k , t h r e em a i nk i n d so fp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ss u c ha sa p o n ，e p o n a n dg p o n ； 2 f r o mt h ed e f i n i t i o n so fg p o n ，w ei l l u m i n a t eg p o n ss t a n d a r d s ，s y s t e m c o n f i g u r a t i o n ，r e c o m m e n d a t i o nm o d e l ，t r a n s m i s s i o nm u l t i p l e x i n gm o d ea n d f r a m ef o r m a t 3 w ed e s i g nt h ew h o l es t r u c t u r a ld r a w i n go fo n um e d i u ma c c e s sc o n t r o l l a y e r , i n t r o d u c et h ef u n c t i o no fe v e r ym o d u l e ，a n dp u tf o r w a r dt h es o l u t i o no f u p s t r e a ma c c e s s ； 4 a n a l y z i n gi nd e t a i le v e r ym o d u l eo fu p s t r e a ml i n k , w es i m u l a t ea n d i m p l e m e n tt h em o d u l e su s i n gv e f i l o gh d ll a n g u a g eo nt h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to fo u a r t u si i ； 5 w ei n t r o d u c et h ek e yt e c h n o l o g yo fm a cl a y e r ：d y n a m i cb a n d w i d t h a s s i g n m e n t ，a n dp u tf o r w a r dad y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h mb a s e d o nb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t , i tc a ni m p r o v eb a n d w i d t hu t i l i z i n gr a t e 6 a tl a s t ，w es u m m a r yt h ed i s s e r t a t i o n , a n dp u tf o r w a r dt h ee x p e c t a t i o n k e yw o r d s ：圈c ) o n ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，u p s t r e a ma c c e s s ，v e r i l o g h d l ，d y m n n i cb a n d w i d ea l l o c a t i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：岛站刀 日期。7 7 引堋j ，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，同意学校保 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。本人授权浙江工业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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打叫”) 黧稚厘勰端： 导师签名： 乏1 f 象 日期：砌年i 月叫日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 接入网现状及发展趋势 在过去的十几年中，通信技术发展迅速，成为引领信息潮流的重要力量，强劲地 推动着人类社会向信息化方向的迈进并改变着人们的工作和生活方式【”。电信业务由原 来电话、电报业务逐渐向图像业务和高速数据业务转换，原来的接入网已经不能满足用 户对带宽的需求，成为电信网的“瓶颈”，阻碍着信息高速公路的进一步发展。当前， 在世界范围内接入网的建设已成为个焦点【2 】o 在2 0 世纪9 0 年代中期，光纤技术的迅 猛发展使光纤的传输容量迅速攀升，并且结合交换技术的研究，光波长具备了联网能力， 光通信的应用由传送扩展到交换领域，在提供巨大的传送容量的同时，极大地增加了网 络节点的吞吐能力。 1 9 9 5 年1 1 月，国际电联发布了接入网的第一个总体标准u - t g 9 0 2 。g 9 0 2 的制 定和发布，标志着接入网开始成为一个独立完整的网路【3 1 。 g 9 0 2 建议从功能的角度定义了接入网( a n ) 框架，从接入网的体系结构、功能、 业务节点、接入类型、管理等方面描述了接入网。按照r r u tg 9 0 2 的建议，接入网由 业务节点接口( s n i ) 和用户网络接口( u n i ) 之间的一系列传送实体( 包括线路设施 和传输设施) 组成。用户终端通过用户网络接口连接到接入网，接入网通过网络业务节 点接口连接到业务节点( s n ) ，通过管理接口( q 3 ) 接口连接到电信管理网( t m n ) 。 如图1 1 所示。 图i - i 接入网的界定f 4 】 浙江工业大学硕士学位论文 接入网可分为五个基本的功能模块：用户接口功能模块、业务接口功能模块、核心 功能模块、传送功能模块和管理功能模块。功能模块之间的关系如图1 2 所示。 i 接入网系统管理功能 l 用户承载和用户信令信息 控制和管理 图1 - 2 接入网的功能结构 功能接口模块：负责将特定的u n i 要求适配到核心功能模块和管理功能模块。主 要功能包括：终结u n i 功能；信令转换；u n i 的激活和去激活等。 业务接口功能模块；负责将特定s n i 定义的要求适配到公共承载体，以便在核心功 能模块中加以处理，并选择相关的信息用于接入网中的管理模块的处理。主要功能包括： 终结s n i 功能；s n i 的测试等。 核心功能模块：负责将各个用户接口承载体或业务接口承载体的要求适配到公共传 送载体。主要功能包括：接入承载通路的处理功能；管理和控制功能等。 传送模块：负责在接入网内不同位置之间为公共载体的传送提供通道，并对相关的 传输媒质提供适配。功能包括：复用功能；交叉连接功能等。 管理功能模块：负责对接入网中的用户接口功能模块、业务接口功能模块、核心功 能模块和传送功能模块进行指配、操作和管理，也负责协调用户终端( 经u n i ) 和业务 节点( 经s n i ) 的操作功能。主要功能包括：配置和控制功能；资源管理功能等。 目前来说宽带接入网有以下四类解决方案：金属线缆接入技术、混合接入技术、无 线接入技术和光纤接入技术。下面对这些方案进行简单介绍。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 1 金属线缆接入技术 迄今为止，世界各国金属电话用户缆线仍大量存在，目前主要研究如何利用这些金 属缆线使其成为数字用户线( x d s l ) ，实现交互式多媒体信息的用户传输。 金属线缆用户线在电话网中主要是为传送电话业务的，传输质量差，仅能传送低速 数据与模拟电话业务。为了使其适应交互式多媒体业务的要求，尽管x d s l 新技术采用 了自适应回波抵消、自适应均衡、多值逻辑编码等多种措施，但其传输信息的速率与距 离仍受到限制。其最高上下行速率分别为2 5 9 2 m b i t s 和5 1 8 4 m b i t s 。无中继最大传输 距离仅为7 k m 左右。 1 1 2 混合接入技术 混合接入技术包括混合光纤接入技术( h f c ) 、交换式数字视频( s d v ) 以及综合 数字通信和视像方式( i d v ) 。 h f c 是由有线电视网( c a t v ) 演变而来的，是一种新型的接入网技术，不仅能够 提供窄带电话业务，也能提供宽带图像业务，而且传输信号的衰减小、噪音低，是理想 的c a t v 网络传输技术 f l 。但要使传输电信业务从单向网络转向双向网络，并使网络接 口的可靠性符合电信网的要求，具有一定的难度。 s d v 是将h f c 和光纤到路边( f t t c ) 结合起来的一种组网方式。它由一个数字 f 1 陀系统与一个单向h f c 有线电视系统重叠而成。s d v 主干传输部分采用共缆分纤 的空分复用( s d m ) 方式，分别传送双向数字信号和单向模拟视像信号。但只有交互 式数字图像业务的使用率较高的时候，s d v 才经济。 i d v 方式的基本原理和s d v 方式的原理相似，它是异步传输模式( a r m ) 技术未 成熟推广前所采用的一种过渡方式。 1 1 3 无线接入技术 无线接入技术是指从交换节点到用户终端部分或全部采用无线方式。无线接入包括 移动无线接入和固定无线接入。 移动无线接入是指用户端可以在较大的范围移动的通信系统接入技术，如蜂窝系 统、移动卫星通信系统等。 浙江工业大学硕士学位论文 固定无线接入能把有线方式传输的信息用无线方式传输到固定用户端或相反传输 的通信系统，即无线本地环路技术。 总的来说，无线接入技术具有应用灵活、适应性强、安装方便等特点。 1 1 4 光纤接入技术 光纤接入网是以光纤为传输介质，并利用光波作为光载波传送信号的接入网。光纤 技术具有频带宽、容量大、衰减小、抗干扰性强、可提供多种业务，特别是宽带交互型 业务等一系列特点，因而成为用户接入网的主流。目前主要有三种应用形式：光纤到家 庭( f 1 丌h ) 、光纤到路边( f r r c ) 和光纤到大楼( 盯m ) 。 f 唧是一种全光网络结构，用户与节点间实现完全光缆传输，它是接入网的最终 解决方案。由于整个用户接入网完全透明，因而对传输制式、带宽、波长和传输技术没 有严格限制，适合于各种交互宽带业务。 f t l 用光纤代替主干铜缆和局部配置铜缆，将光网络单元( o n u ) 设置在路边， 然后通过双绞铜线或电缆接入用户，可用同轴电缆传送视像业务，双绞线传送电话业务。 f t t c 适合于居住密度较高的用户区。 f m 特别适用于给一些智能化办公大楼提供高速数据，电子商务和视频会议等业 务。将f t l b 与目前已在许多办公大楼使用的以5 类线为基础的大楼综合布线系统结合 起来，能够较好地提供多媒体交互式宽带业务。 ， 从系统配置上来说，光接入网分为有源光网络( a o n ) 和无源光网络( p o n ) 。无 源光网络由于在光线路终端( o l t ) 和o n u s 之间没有任何有源电子设备，对各种业务 呈透明状态，所以易于升级扩容，便于维护管理。 p o n 技术是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式，上行采用 时分多址方式，可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构。在光分支点不需要节 点设备，只需要安装一个简单的光分支器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、 节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。 p o n 以其较低的接入成本，受到电信主管部门和运营商重视。目前p o n 主要有三 种技术：基于a t m 的无源光网络( a p o n ) 、基于以太网的无源光网络( e p o n ) 和吉 比特无源光网络( g p o n ) 。下面对这三种p o n 进行简单的比较。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2a p o n 、e p o n 和g p o n 的比较 1 9 9 5 年，全业务接入网( f s a n ) 联盟成立，其目的是要共同定义一个通用的p o n 设备标准。1 9 9 8 年开始己提出了r r u tg 9 8 3 系列标准，因它是用a t m 作传输协议， 所以名为a p o n 。 a p o n 以a t m 作为承载协议。a p o n 的双向传输复用技术采用波分复用( w d m ) 方式，即上行采用1 3 1 0 r i m 波长进行传输，下行采用1 5 5 0 n m 波长进行传输。而o l t 到 0 n u 的下行信号传输采用时分复用( 1 r i ) 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，下行速率可以是1 5 5 5 2 m b i t s 或者6 2 2 0 8 m b i t s 。g 9 8 3 定义a p o n 系统主要面对宽带业务并没有考虑对窄带业务的支持。在下行的信元流中插有专门的物 理层运行维护管理( p l o a m ) 信元。上行传输的是突发形式的a t m 信元，为了实现突 发发送和接收，每5 3 个字节的信元前面插入3 字节的物理开销旧。a p o n 的网络结构 如图1 3 所示。 图1 - 3a p o n 的网络结构【7 1 a p o n 系统的主要特点；采用统计时分复用技术；动态带宽分配；提供非常丰富完 备的操作维护管理( o a m ) 功能，包括误码率监测、告警、自动发现与自动搜索以及 搅码加密等。然而，a p o n 有两大缺点：一是数据传输效率低；二是a t m 层上适配和 提供业务复杂。 浙江工业大学硕士学位论文 e p o n 是基于以太网的p o n 。用于接入网的以太网也称为“第一英里以太网”。e p o n 基于一种叫做多点控制协议( m p c p ) 的机制，是m a c 子层内的一种功能。m p c p 利 用消息、状态机和定时器来控制向点对多点主站( p 2 m p ) 网络拓扑的接入。在p 2 m p 网络拓扑中的每一个o n u 都有一个m p c p 协议实例，它与o l t 中的m p c p 协议实例 进行通信。e p o n 的网络结构如图1 4 所示： 图1 4e p o n 的网络结构 从图1 4 中可以看出，局域网( l a n ) 通过e p o n 系统接入以太网( i n t e m e t ) 时不 需要经过a t m 网就可实现透明传输。e p o n 支持上下行1 2 5 g b p s 的速率，比a p o n 高 的多。同时，以太网的性价比很高，安装比较容易，与a p o n 相比可以大大节省成本。 e p o n 有两大缺点，即效率低和难以支持以太网之外的业务。 2 0 0 3 年初，r r u - t 批准了g p o n 标准g9 8 4 ，1 和g 9 8 4 2 。g p o n 能提供前所未有 的高比特率( 最高可达2 4 8 8 g b p s ) 、全业务支持( 数据和t d m 业务) 、以原有数据 格式传送( 透传) 、具有极高效率【s 】。 g p o n 又称为本色p o n 。这是因为g p o n 有两大保证：在p o n 上传送业务时保证 高比特和高效率。故而g p o n 在一开始就自下而上地重新考虑了p o n 的应用和要求， 不再基于早先的a p o n 标准，所以称为本色p o n 。 g p o n 协议设计时主要考虑到基于帧的多业务( a t m 、t d m 、数据) 传送；上行带 宽分配机制采用时隙指配( 通过指示器) ；支持不对称线路速率；为了提高带宽效率，数 据帧可以分拆和串接；缩短上行突发方式报头( 包括时钟和数据恢复) ；动态带宽分配报 浙江工业大学硕士学位论文 告、安全性和存活率开销都综合于物理层；帧头保护采用循环冗余码( c r c ) ，误码率估 算采用比特交织奇偶校验；在物理层支持服务质量( q o s ) 。帧的净负荷中分a t m 信元 段和g p o n 封装格式( g e m ) 通用帧段，实现综合业务的接入。g p o n 的网络结构如图 1 5 所示。o n u 、o l t 和o d n 分别是光网络单元、光线路终端和光分配网络，参考点s 和r 分别表示光发射和光接收点。 1 2 4 三种p o n 的比较 图1 - 5g p o n 的网络结构【9 l 表1 - 1 列出了三种p o n 的主要技术指标。 表1 - 1 三种p o n 的比较【l o 】 a p o ne p l 3 ng p o n 协议和 a t m 】e e e 8 0 2 3 以太帧 a t m 或g f p 封装格式封装格式 下行速率 1 5 5 ，6 2 2 ，1 2 4 41 2 5 01 2 4 4 忽4 8 8 ( m b i v s ) 上行速率 1 5 5 6 2 21 2 5 01 5 5 6 2 2 ，1 2 4 4 2 4 8 8 ( m b i t n 分路比l ：1 61 ：3 2 l ：3 2 ，1 ：6 4 ，1 ：1 2 8 有效传输 2 02 06 0 距离( k m ) 编码方式 n r z8 b 1 0 bn r z 总效率7 l 4 9 9 3 从上表来看，在上下行速率方面，g p o n 提供更高的速率，更灵活的对称与不对称 浙江工业大学硕士学位论文 速率配置，满足更多用户的需求；g p o n 在分路比和有效传输距离方面比a p o n 和e p o n 有更大的优势，具有更大的灵活性；在总体效率方面，由于a p o n 采用a t m 信元传输， 内部开销较大，传输效率低，对于e p o n ，由于采用8 b 1 0 b 编码作为线路码，本身就 引入了2 0 的带宽损失。而其业务适配的开销大，适配业务的效率只有6 0 一- 7 0 ，再 加上其他效率的损失，e p o n 的总体效率只有4 9 ，而g p o n 采用扰码作为线路码， 不涉及带宽的额外损耗，其总体效率为9 3 ，远高于a p o n 的7 1 和e p o n 的4 9 【l ”。 对于今天的运营商来说，g p o n 在带宽和投资回报率上的优势使其比其他接入技术 更具竞争力。 ( 1 ) 与a p o n 和e p o n 相比，采用g p o n 网络能大大提高投资回报率。在网络建 设成本和每种网络协议提供的总带宽一定的前提下，a p o n 能够支持的用户数要少许 多。 ( 2 ) 采用g p o n 可以完成从传统的t 1 e i 语音电路向全口网络的平滑转变。g p o n 在以太网信号传输上完全支持q o s 、业务分类和其他先进特性，同时利用g e m 方式， g p o n 支持传统语音中继向同步光纤网同步数字系列( s o n e t s d h ) 信令的映射。这 种演进是g p o n 特有的，使得运营商可以选择在任何时候从传统语音转向互联网协议 语音技术( v o p ) 。 ( 3 ) g p o n 全面支持语音、视频和数据业务，实现真正的三网合一。通过g e m 业 务流以其本机模式传输，从而无需额外封装协议。对于a p o n ，所有业务必须映射到 a t m 层；对于e p o n ，所有业务必须映射到e t h e m e t i p ；相对而言，g p o n 节省了用于 封装的带宽开销、端到端同步及q o s 的成本。 g p o n 能完美地承载目前和未来的e t h e m e t i p 业务，同时利用类似s o n e t s d h 通 用成帧协议( g f p ) 的g e m 支持传统语音和视频业务到p o n 的映射，这个协议支持端 到端的同步和其它的准同步业务。利用g p o n ，p o n 首次完成从传统的t d m 业务到未 来的全驯分组网络的演进，并且在整个过程中还支持高达2 5 g b p s 的共享带科1 2 】。 g p o n 适合于部署任何f t t x 网络，利用从中心局引出的主干光纤既可以支持 f r r h 、f 1 广r c 和兀1 b 等所有的应用，而这些网络同时承载着语音、视频和数据。利 用g p o n 还可以在环形或是树形拓扑结构中实现网络的完全冗余保护。此外，利用波 分复用技术( w d m ) 多个g p o n 可以共享同一根主干光纤，进一步提高光纤基础设旌 的投资回报率。 在全世界运营商正在使用的所有p o n 技术中，只有g p o n 实现了p o n 的最初目 浙江工业大学硕士学位论文 标：为接入网业务节约成本，尤其是在网络需要同时支持以太，分组业务和传统业务的 场合下。对于那些离开城域环5 3 0 k m 的用户，g p o n 提供了一种切实可行的宽带接 入方式，而这是传统铜缆、x d s l 或其他p o n 技术所不能满足的。 1 3g p o n 目前的国内外发展 g p o n 由于标准门槛高，商用芯片推出较晚，但是2 0 0 6 年情况已经大为改观， b r o a d l i g h t 公司在第一季度推出g p o n 的单系统芯片( s o c ) 样片，a l c a t e l 已与f r e e s c a l e 合作，于2 0 0 6 年中推出商用g p o n 芯片，此外c o r t e x a n t 也宣布了2 0 0 6 年g p o n 芯片 计划，而e p o n 主要芯片商p a s s a v e 也宣布加入g p o n 芯片阵营，其中f r e s c a l e 、c o n e x a n t 等都是大型芯片商。 、 在系统制造商方面，世界主流厂商如北电、朗讯、阿尔卡特、c a l i x ( 收购了o p t i c a l s o l u t o m ) 、摩托罗拉、t e l l a b s 、日立、f i e x l i g h t 、n e c 等，以及国内的华为、中兴公司 都已经推出了g p o n 产品或者宣布相应的计划，加入到g p o n 阵营中来，看好g p o n 未来的发展。 运营商中，2 0 0 5 年1 1 月美国三大地方贝尔公司( a t & t ，b e l l s o u t h , v e r i z o n ) 发布 了g p o n 设备的联合招标( r f p ) 书。v e r i z o n 将在2 0 0 6 年内部署a l c a t e l 的g p o n 设 备。欧洲的法国电信、中东的科威特、新加坡电信等也己开始了g p o n 现场试验和部 署。在国内，中国电信和网通都确定了未来接入网向g p o n 演进的长远目标，中国电 信已经开始了g p o n 设备的实验室测试，g p o n 作为未来接入网发展的目标已成为运 营商的共识。 综上所述，越来越多的大厂商和运营商加入支持g p o n 的趋势已经非常明显，规 模部署g p o n 的产业链已经形成。 由于北美在a p o n 时代打下了很好的基础，因此在因电信业务扩展需要而升级设 备的时候选择带宽更宽，并且同处在r r u t 框架下的标准也就不足为奇了。 我国宽带接入网主导技术是a d s l 。大约占7 0 左右，其次是以太网技术，还有少 量宽带无线接入和电缆调制解调器接入，因此，接入网的速率相对较低。对于m h 技 术还处在跟踪阶段，少数发达城市也已经在开始考虑和试验各种m h 技术。e p o n 和 g p o n 技术都是各运营商关注的重点。据业内人士分析，我国的发展趋势将可能跨越 a p o n 和e p o n 阶段，较快地过渡到g p o n 阶段。 浙江工业大学硕十学位论文 1 4 本文所作的工作及贡献 g p o n 的技术特征主要体现在介质访问控制层，很多g p o n 的关键技术如动态带 宽分配、编码、测距等都是在介质访问控制层( m a c ) 实现的。本文的工作主要集中 在g p o no n um a c 层上行链路的研究和实现。 本文的工作包括： ( 1 ) g 9 8 3 3 标准的研究 g 9 8 4 3 标准名称为吉比特无源光网络的传输汇聚( 1 ) 层规范，即介质访问控制 ( m a c ) 层规范，该标准规定了g p o n 的t c 子层、帧格式、封装方法、适配方法、测 距机制、o o s 机制、安全机制、动态带宽分配和操作维护管理功能等。并在此基础上提 出改进了m a c 层的整体设计结构图。 ( 2 ) 上行链路的仿真实现 m a c 层的整体结构图分为上行部分和下行部分，本文主要详细分析了上行每个模 块的结构功能，并在q u a r t u si i 开发环境下用v e r i l o gh d l 语言进行仿真实现；上行接入 是根据o l t 分配给o n u 的授权并在相应的状态下发送帧的功能，本文提出了上行接入的 原理，给出了上行接入的解决方案。 ( 3 ) 动态带宽分配算法的提出 动态带宽分配就是根据o n u 的需求情况，o l t 实时地改变授权给o n u 的时隙大小 ( 带宽多少) ，因此提高了p o n 上行带宽得使用效率。在原有的两种主要的动态带宽分 配算法的基础上提出了一种基于带宽需求的动态带宽分配算法，并分析了其性能。 总之，本文研究实现了g p o n 关键子层m a c 层的上行链路，主要对上行链路进行仿 真实现，包括编码的实现和验证；上行接入的提出；新的动态带宽分配算法的提出。相 信对g p o n 的研究开发以及早日推向市场具有一定的参考价值和现实意义。 1 5 论文的内容安排 本文主要围绕g p o no n um a c 的上行链路的设计实现展开的。 第一章介绍了接入网的现状和发展，重点介绍了无源光网络，它将是接入网的最终 解决方案；对目前流行的a p o n 、e p o n 和g p o n 在几个重要的技术指标上进行比较， g p o n 由于其技术优势，将具有很大的前景；以及g p o n 目前国内外的发展状况。 第二章对新一代光接入技术g p o n 进行描述，介绍了g p o n 的协议制定的进程； 浙江工业大学硕士学位论文 简单分析了g p o n 四个协议g 9 8 3 1 、g 9 8 3 2 ，g 9 8 3 3 和g 9 8 3 4 ；介绍了g p o n 的系 统结构和协议模型；描述了g p o n 的传输复用方式；点出了g p o n 与a p o n 、e p o n 在结构上最大的不同以及g p o n 的优势；重点介绍了g p o n 的帧结构，简单分析了每 个模块的功能。 第三章首先介绍了所用的开发环境q u a r t u s l i 软件与开发语言v e r i l o g h d l ：给出了 o n u 的m a c 层整体设计图；重点介绍了以下模块的功能：物理层同步域( p s y i l c ) 、超 帧指示域( i d e n t ) 、下行物理层操作维护管理( p l o a m d ) 、奇偶校验域( b 琅) 、下行有 效载荷长度域( p l e n d ) 、带宽映射域( b w m a p ) 、下行有效负荷( p a y l o m ) 、前导码 ( p r e a m b l e ) 、定界符( d d i m i t 盯) 、o n u 标志符( o n ui d ) 、指示域( 枷) 、上行物理 层操作维护管理( p l o a m u ) 、功率测量序列( p l s u ) 、上行动态带宽报告( d b r u ) 、 上行有效负荷( p a y l o a d ) 、输出控制、缓冲器、加密和编解码，同时介绍了上行接入的 工作原理，给出了上行接入的方案。 第四章着重上行链路的设计实现，并给出了每个模块的逻辑图和仿真图，包括前导 码、定界符、奇偶校验域、下行有效载荷长度域、o n u 标志符、指示域、上行物理层 操作维护管理、功率测量序列、上行动态带宽报告、上行有效负荷、输出控制、缓冲器 和编码。 第五章主要对g p o n 的关键技术动态带宽分配进行分析设计，分析了两种主要的 动态带宽分配算法的优缺点，并在此基础上提出了一种基于带宽需求的带宽分配算法。 第六章则对整篇文章进行总结，阐述了设计实现过程中的一些体会，分析了文章的 不足和需改进的地方。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1g p o n 标准 第二章g p o n 技术简介 2 1 1g p o n 的标准化进程 1 9 8 7 年英国电信公司的研究人员最早提出了p o n 的概念。1 1 r u - t 制定了些p o n 标准，其中最重要的两个标准是g p o n a 和g p o n b 。 1 9 9 5 年，f s a n 联盟成立，其目的是要共同定义一个通用的p o n 设备标准。f s a n 努力的第一个结果是1 5 5 m b i f f s p o n 系统的技术规范，从1 9 9 8 年开始已提出了i t u t g 9 8 3 系列标准，因它是用a t m 作传输协议，所以名为a p o n ，其最高速率为6 2 2 m b i t s 。 1 9 9 8 年l o 月，r r u t 通过了g 9 8 3 1 建议，即“基于无源光网络的宽带光接入网”，主 要规定了线路速率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求、汇聚层要求、测距 方法和传输性能要求等。1 9 9 9 年又出台了g 9 8 3 2 建议，即“a p o n 的o n t 管理和控 制接口规范”，主要从网络管理和信息模型上对a p o n 系统进行了定义，以确保不同 厂商的设备可实现互操作。随后，又批准了g 9 8 3 3 建议，针对三网融合的趋势，对p o n 系统物理层光波段进行了重新分配。同时各电信设备制造商也研发出了a p o n 产品， 但由于价格较高，又受到a t m 推广受阻的影响，所以a p o n 在市场中也受到很大限制。 2 0 0 0 年底另一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟( e f m a ) ，提出基于以太 网的p o n 的概念一e p o n 。并促成i e e e 在2 0 0 1 年成立第一英里以太网小组( e f m ) ， 开始正式研究包括1 2 5 g b i t s 的e p o n 在内的e f m 相关标准。2 0 0 1 年底，f s a n 更新 网页把a p o n 改名为b p o n ，即“宽带p o n ”0 4 1 。 实际上，在2 0 0 1 年1 月左右e f m a 提出e p o n 概念的同时，f s a n 集团也开始进 行1 0 b i t s 以上的p o n 标准的研究。除了需要支持更高的比特速率外，f s a n 提出“对 全部协议开放地进行完全彻底的重新考虑”的正确决定，努力寻求一种最佳的、支持全 业务的、效率最高的解决方案。2 0 0 3 年年初，i n j t 批准了g p o n 标准g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 2 0 0 4 年，又相继批准了g 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 ，形成了c t 9 8 4 x 系列标准，至此。g p o n 技 术标准已经完成。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 g p o n 的标准介绍 g p o n 的标准分为四部分，分别是：g 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 、g 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 。g 9 8 4 1 标准的名称为吉比特无源光网络的总体特性，主要规范了g p o n 系统的总体要求，包括 o a m 的体系结构、业务类型、s n i 和u n l 、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能 目标【阍。 g 9 8 4 2 标准名称为吉比特无源光网络的物理媒体相关( p m d ) 层规范主要规范了 g p o n 系统的物理层要求。g 9 8 4 2 规定，系统下行速率为1 2 4 4 g b p s 或2 4 8 8 g b p s ，上 行速率为0 1 5 5 g b p s 、o 6 2 2 g b p s 、1 2 4 4 g b p s 或2 4 8 8 g b p s 。标准定义了在各种速率等 级下o l t 和o n u 光接口的物理特性，提出了1 2 4 4 g b p s 及其以下各速率等级的o l t 和o n u 光接口参数 1 6 】。 g 9 8 4 3 标准名称为吉比特无源光网络的传输汇聚( t c ) 层规范，即介质访问控制 ( m a c ) 层规范，该标准规定了g p o n 的t c 子层、帧格式、封装方法、适配方法、 测距机制、q o s 机制、安全机制、动态带宽分配和操作维护管理功能等。g 9 8 4 3 引入 了一种新的传输汇聚子层，用于承载a t m 业务流和g e m 业务流。g e m 是一种新的封 装结构，主要用于封装那些长度可变的数据信号和t d m 业纠”。 g 9 8 4 4 标准名称为g p o n 系统管理控制接口规范，提出了对o m c i ( 光网络终端 管理与控制接口) 的要求，目标是实现多厂家o l t 和o n t 设备之间的互通。该建议指 定了协议管理实体，模拟了o l t 和o n t 之间信息交换的过程1 羽。 2 2g p o n 的系统结构 g p o n 的系统结构g 9 8 4 1 建议的g p o n 参考模型如图2 1 所示。g p o n 系统主要 是由光线路终端( o l t ) 、光网络单元( o n u ) 和光分配网络( 0 d n ) 等构成。0 l t 位 于业务节点接口和p o n 接口之间，是整个g p o n 系统的核心部件，向上提供广域网接 口( 包括千兆以太网、a t m 等) ，作为无源光网络系统的核心功能器件，o l t 具有集中 带宽分配、控制各o d n 、实时监控、操作维护管理光网络系统的功能；o n u 放在用户 侧，为用户提供话音、视频、数据等业务数据流和光网络分配的接入；0 d 悄是一个连 接o l t 和o n u 的无源设备，其功能是分发下行数据和集中上行数据。g p o n 中上下行 数据工作于不同波长，下行数据采用广播方式发送，上行数据采用基于统计复用的时分 多址方式接入。图中波分复用器( w d m ) 和网关( n e ) 为可选项，用于在o l t 和o n u 浙江工业大学硕士学位论文 之间采用其他工作波长传输其他业务，如视频信号。 图2 - 1g p o n 参考模型 业务网络接口和用户网络接口之间的部分业务网络接口和用户网络接口之间的部 分为g p o n 。g p o n 通过s n i 与服务提供商的核心数据、视频和话音网络相连，通过 u n i 与用户终端设备相连。o l t 到o n u