（光学工程专业论文）epon上行接入中动态带宽分配算法研究.pdf

摘要 摘要 以e t h e m e t 为基础的e p o n ( e t h e m e to v e rp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，以太无源光 网络) 是未来实现宽带、多业务综合接入的重要技术手段。e p o n 综合了p o n 技术 和以太网技术的优点，以其高带宽、低成本、易使用、易升级的优良特性成为光 接入网的最佳选择。e p o n 系统典型的拓扑结构是点对多点，下行是点到多点的广 播，而上行多点到点的信道复用是e p o n 的关键技术。可选方案有波分复用 ( w d m a ) 、时分复用( t d m a ) 、码分复用( c d m a ) 和随机接入( c s m a c d ) ， 综合考虑各方面，目前采用的可行方案是时分复用方式。 本文重点分析了现有带宽分配的算法，并且基于网络流量的自相似特性，提 出了一种新的保证服务质量( q o s ) 的固定轮询周期的动态带宽分配算法。新算 法采用o l t 端集中统筹控制并以固定周期2 m s 轮询各个o n u ，o n u 端主要控制 分类缓存用户端来的不同类别业务流。通过仿真实验证明，本算法不仅保证了上 行带宽的高效利用率，同时保证了不同业务的服务质量( q o s ) ，具有良好的时 延特性。另外，基于实际e p o n 系统中动态带宽分配算法( d b a ) 的实现，本文 还探讨了满足用户等级需求( s l a ) 的算法，算法支持多业务并为不同类型的业务 提供不同的带宽服务保证，譬如：固定带宽服务、保证带宽服务、竞争带宽服务。 文章还介绍了e p o n 系统的软件模块总体设计。 本文主要研究e p o n 系统上行动态带宽分配算法以及初步实现，主要内容如 下： 1 ) 第一章介绍了接入网概念以及e p o n 技术。 2 ) 第二章介绍了e p o n 原理、核心技术，重点分析了多点控制协议( m p c p ) ， 它是一个关于解决信道复用的支撑协议。 3 ) 第三章总体介绍了本e p o n 系统的软件模块设计。 4 ) 第四章分析了目前经典的动态带宽分配算法以及优缺点，并基于实际系统 中动态带宽分配算法的实现，探讨满足用户等级需求的算法，提出了新型的保证 q o s 的上行接入方案，进行算法的仿真实验并分析结果。 5 ) 第五章结论。 关键词：以太无源光网络，光线路终端，光网络单元，动态带宽分配算法 a b s t r c l a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n ts o l u t i o nf o ra c c e s sn e t w o r k ，e p o nh a sm a t u r et e c h n o l o g ya n d w i d ea p p l i c a t i o n i t p r o v i d e sm u l t i - s e r v i c eb a s i n g o ne t h e r n e t i tc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fp o na n de t h e r n e t w i t hi t sf e a t u r eo fh i g hb a n d w i d t h ，l o wc o s t ，a n d b e i n gu s e da n du p d a t e de a s i l y ，e p o ni so n eo ft h eb e s ts o l u t i o n st ob r o a d b a n da c c e s s n e t w o r k i ne p o n ，t h et y p i c a ln e t w o r kt o p o l o g yi sp o i n tt om u l t i - p o i n t ad o w n s t r e a m p a c k e ti sb r o a d c a s t e db yo l t t oa l lo n u s f o ru p s t r e a mt r a n s m i s s i o n ，a l lo n u ss h a r e as i n g l ef i b e r ，w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yo fe p o n t h ea l t e r n a t i v es o l u t i o n st o u p s t r e a mi n c l u d ew d m a ，t d m a ，c d m a ，a n dc s m a c d ，a m o n gw h i c hw ea d o p t t d m aa tp r e s e n t i nt h i sp a p e r ，e x i s t i n gd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) s c h e m ei si n t r o d u c e d a n dan o v e ld b a a l g o r i t h mo v e rq o s i sp r e s e n t e d ，w h i c hh a sf i x e dc y c l e ，b a s e do nt h e s e l f - s i m i l a r i t yc h a r a c t e ro fn e t w o r kt r a f f i c t h en o v e lo l t - b a s e dp o l l i n gs c h e m eh a sa f i x e dp o l l i n gc y c l e ( 2 m s ) o n u sb u f f e rr e c e i v e sd i f f e r e n td a t ap a c k e t sf r o mu s e r ，a n d t h e s ep a c k e t sa r cc l a s s i f i e da n dt h e np l a c e di n t ot h e i rc o r r e s p o n d i n ga p p r o p r i a t ep r i o r i t y q u e u e i ti ss h o w nf r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h ea l g o r i t h mi m p r o v e sb a n d w i d t h u t i l i z a t i o no f u p l i n ka n de n s u r e st h eq o so f d i f f e r e n ts e r v i c e sa n ds h o w ss a t i s f i e dd e l a y p e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，d b as c h e m e o v e rs l ai sd i s c u s s e d ，b a s e do nt h e i m p l e m e n t i n go fd b ai na c t u a ls y s t e mo fe p o n t h es c h e m es u p p o r t sm u l t i p l e s e r v i c e sa n dp r o v i d e sd i f f e r e n tb a n d w i d t hs e r v i c eg u a r a n t e e sf o rd i f f e r e n ts e r v i c es u c h a sf i x e d ，g u a r a n t e e da n de x t e n d e db a n d w i d t hs e r v i c e i nt h i s p a p e r ，t h e s o f t w a r e d e s i g n i n go f e p o n i sp r e s e n t e d t h i st h e s i si sa b o u tt h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gt h ed b as c h e m e t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ec o n c e p to fa c c e s sn e t w o r k i si n t r o d u c e da n dt h e t e c h n o l o g yo fe p o ni ss u m m e r i z e d a b s t r c t 2 ) i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h eb a s i ct h e o r ya b o u te p o na n dt h ek e yt e c h n o l o g ya r e i n t r o d u c e d ，a n dm u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l ( m p c p ) i sa n a l y z e d ，w h i c hi st h e s u p p o r t i n gp r o t o c o la b o u tt h es o l u t i o nt ot h es h a r eo fc h a n n e l 3 ) i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h es o f t w a r ed e s i g n i n go fe p o ni sp r e s e n t e d 4 ) i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，e x i s t i n gd b as c h e m e ，t h e i rv i r t u ea n df l a wa r ea n a l y z e d t h e nd b as c h e m eo v e rs l ai sd i s c u s s e d ，b a s e do nt h ei m p l e m e n t i n go fd b ai na c t u a l s y s t e mo fe p o n i nt h ee n d ，an o v e ld b aa l g o r i t h mo v e rq o si sp r e s e n t e d t h e nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sb ye x p e r i m e n ti ss h o w n 5 ) i nt h ef i f t hc h a p t e r ，w es u m m a r i z ea n dc o n c l u d et h ew h o l ed i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ( o l t ) ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ( o n u ) ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) - 、 剀形列表 图卜1 图l 一2 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 - 1 图3 2 图33 图3 - 4 图4 一l 图4 - 2 图43 图4 - 4 图4 5 图46 图4 7 图48 图4 9 图41 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图形列表 e p o n 系统结构示意图 基于e p o n 的光纤到户接入图一 e p o n 结构简图 测距原理图 e p o n 理想模型分层简图 m p c p 帧的工作示意图 m p c p 帧操作码 g a t e 帧及r e p o r t 帧内容 修改后在e p o n 系统传输的8 0 2 _ 3 帧 自动发现注册过程中的m p c p 操作 e p o n 系统中软件总体构架 o a m 在网络管理中的作用 o a m 子层功能模块 o n u 配置管理界面图 静态带宽分配示意图 o n u 端包调度示意图 i p a c t 算法工作示意图 c b r 算法工作示意图 d b a 算法处理过程 o l t 端统筹处理d b a 算法工作示意 支持业务流量等级区分的帧格式一 算法工作原理图 o n u 内部调度流程图 包时延组成理论分析图一 仿真模型采用的网络结构图 o p n e t 中o l t 节点模型截图 o l t 模块工作流程图 v 卫4石愿m眩h他挖揖斟巧拍卯如弱”曲蛇的如 幽形列表 图4 - 1 4 o p n e t 中o n u 节点模型截图5 1 图4 1 5 o n u 模块工作流程图5 2 图4 1 6 o p n e t 中g a t e 帧结构模型截图5 3 图4 1 7 o p n e t 中r e p o r t 帧结构模型截图5 3 图4 一1 8 包平均时延与负载关系图5 3 图4 1 9 上行带宽利用率与负载关系图5 3 图4 2 0 新算法3 队列包平均延时5 5 图4 2 1 c b r 算法3 队列包平均延时5 6 v 表格列表 表格列表 表4 1 靠时刻轮询表 表4 2 t 。时刻轮询表 表4 - 3 矗时刻轮询表 表4 - 4 服务等级设定参数表 表4 5 r e p o r t 帧r e p o r t b i t m a p 域 表4 - 6 仿真系统参数设置 x 2 7 2 8 2 9 3 5 4 0 4 7 竺堕! 耋 a d s l a p o n a t m c a t v c d m a c m c s m a c d d b a d s l e f m e p o n f t t h f s a n g m l l g p o n h f c i e e e i p l p t v i t u l l l d m a c m d i 缩略字表 a s y n c h r o n o u sd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a t mp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a b l em o d e l c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o n d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s f i b e rt ot h eh o m e f u l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k h y b r i df i b e rc o a x i n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s i n t e r n e tp r o t o c o i t vo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l i n t e r n a t i o n a it e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n l o g i c a ll i n ki d e n t i f i e r m e d i aa c c e s sc o n t r o l m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e x 不对称数字州户线 a t m 无源光网络 异步传递模式 共大线电视 码分多址 电缆调制解调器 载波侦听多址接入碰 撞检测 动态带宽分配 数字州户线 以太网的第一英里 以太网无源光网络 光纤到家 全业务接入网 古比特j ! ! | l 质无关接口 古比特无源光网络 混合光纤同轴电缆网 电气与电子。r 程师。半 会 网络协议 基丁网络协议的电视 国际电信联盟 逻辑链路标示 f c ! f ! 体访问控制 媒体相关接口 塑 m p c p m u l t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l 多点控制协议 o a m o d n o l t o n u p c s p m a p m d p o n o o s s l a s n m p t d m a v l a n w d m w d m a o p e r a t i o n ，a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n o p t i c a ln e t w o r ku n i t p h y s i c a lc o d i n gs u b - l a y e r p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k q u a l i t yo fs e r v i c e s e r v i c el e v e la g r e e m e n t s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v i r t u a ll o c a ia r e an e t w o r k w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s x 操作管理维护 光配线网 光线路终端 光网络单元 物理编码子层 物理媒质连接子层 物理媒质相关层 无源光网络 服务质量 服务等级协定 简单网络管理协议 时分多址接入 虚拟局域网 波分复川 波分多址接入 l 、 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它 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谢意。 签名 另起 日期：加年j ，月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定 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，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名 第一章绪论 1 1 接入网概述 第一章绪论 随着因特网的迅猛发展和快速普及，图像、视频等多媒体和交互式的实时性 很强的业务越来越多。目前，城域网的数据传送速率已高达吉甚至几十吉，用户本 地网的数据传送速率也己高达几十兆甚至几百兆，但位于用户本地网和城域网之 间的接入网，数据的传送速率大部分低于1 兆，因此接入网现有的解决方案无法满 足用户的巨大需求，已经成为信息高速公路的“瓶颈”。目前使用的最普遍的“宽带” 方案是数字用户线( d s l ) 和电缆调制器( c m ) 网络，尽管它们相对于过去有了 一些改善，但是它们不能满足新出现的一些业务：如视频点播、i p 电话、i p 电视 视频会议等。 在美国，电缆电视( 有线电视) 公司通过在它们的同轴电缆网络上集成数据业务 来应对因特网业务需求，即其原有的c a t v 系统的干线( 前端到小区) 使用光缆，小 区到用户使用电缆传输的网络叫光纤同轴电缆混合n ( h f c ) 口】。利用光纤损耗 小、抗干扰能力强、带宽高的特点进行数据传输。h f c 适用于广播业务，对于开 放双向的交互式业务却存在严重的缺陷。在中国，电信公司为了有效利用现有电 话线资源，提高接入网的速度和带宽，满足用户对高速数据和宽带业务的需求， 以便于数据公司和广播电视部门争夺用户，所以开发了数字用户线( x d s l ) 技术p j 。 目前，我国大量采用的是a d s l ，它虽然是近、中期的一种有效接入方式，但从发 展趋势看，a d s l 始终是一个过渡性方案。 以太无源光网络( e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，e p o n ) 代表低成本以太 网络设备和低成本的光纤基础设施的结合，成为能够满足上述要求的下一代接入 网的最佳候选技术【4 】。2 0 0 0 年11 月美国i e e e 8 0 2 局域网城域网标准化委员会成立 了8 0 2 3 e f m ( e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l e ) 工作小组，致力于e p o n 体系规约的标准 化，在现有的i e e e 8 0 2 3 协议的基础上，引入一些新的以太网接入技术标准，通过 较小的修改实现在用户接入网络上传输以太网帧口j 。 电子科技大学硕士学位论文 1 2p o n 技术概述川7 】 p o n 采用无源光功率分配器( 耦合器) 将信息发送至各用户，自从在2 0 世纪 8 0 年代被采用至今已经历经几个发展阶段。起初人们认为将a t m 技术和p o n 技 术相结合的a p o n 技术是实现综合接入的理想模式，然而由于数据业务的爆炸式 增长，a t m 技术暴露出效率不高、协议复杂等弱点，且成本过高，因此并未得到 大规模的应用。在这种背景下，考虑到以太网的普及性及其低成本高带宽的优点 和光纤网的低成本大容量，一种基于以太网的无源光网络e p o n ( p a s s i v e0 p t i c a l n e t w o r kb a s e de t h e m e to v e r ) 孕育而生并成为下一代宽带接入网的最佳候选技术之 一。这就是由i e e e e f m 工作组负责制定的e p o n 标准c 8 j 。 e p o n 系统拓扑多为星型或树型分支结构，下行方向( 由o l t 到o n u ) 采用广 播方式，每一个o n u 将接收到所有下行信息，根据其m a c 地址提取有用信号： 臣五三_ 图1 - 1e p o n 系统结构示意图 上行方向( 由o n u 到o l t ) 采用时分多址方式，通过接入控制机制将各个o n u 有 序接入。其结构示意图如图1 1 所示。主要包括以下部分： 1 ) 光线路终端( o l t ，o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) 。o l t 的作用是提供网络侧 与本地交换机之间的接口并经一个或多个光配线网( o d n ) 与用户侧的光网络单 元( o n u ) 通信。 2 ) 光网络单元( o n u ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 。o n u 的作用是为光接入网提 供直接或远端的用户侧接口。它的主要功能是终结来自0 d n 的光纤、处理光信号 并为多个用户提供业务接口。其位置有很大的灵活性，可以设置在用户住宅处， 可以设置在路边的分线盒处。 2 第一章绪论 3 ) 光配线网( o d n ，o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 。o d n 为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，主要功能是完成光信号功率的分配。o d n 是由无源光器件 ( 光连接器、光分路器) 组成的纯无源的配线网。 1 3e p o n 系统的特点 p o n 发展至今，主要有a p o n 、e p o n 和g p o n 三种基本类型。起初人们认 为a t m 与p o n 结合的a p o n 是最理想的接入方式，但随着i p 技术的不断完善和 推广，大多数运营商已经将i p 技术作为数据网络的主要承载技术，使得a t m 技 术完全退出了局域网。以太网看起来是对一个i p 数据接入网的合理选择。最新采 用的q o s 技术使以太网能支持声音、数据和视频。这些技术包括全双工传输模式、 优先权( p 8 0 2 i p ) 、v l a n 标记( p 8 0 2 i q ) 等。而且e p o n 能够提供更高的带 宽，上下行都为1 g b i t s ，远大于a p o n 的下行6 2 2 m b i t s 或1 5 5 m b i t s ，上行1 5 5 m b i t s 的带宽。 因此，与e t l l e m e t 技术结合的e p o n 有了它巨大的优势和潜力。与其他系统 相比，e p o n 系统有非常突出的优点，主要表现在： 1 ) 基于i p 及以太网技术：e p o n 是对迄今为止最成功、最成熟、应用最广泛 的以太网技术等有关协议的补充，基本上是兼容的，这样一来可以节省大量的投 资，可以说这是它作为接入网技术的最大优势，未来的网络必定是基于i p 或以太 网的，经由e p o n 传输i p 包是最好的方案。 2 ) 提供非常高的带宽：e p o n 目前可以提供下行传输带宽为1 2 5 g b s ( 上 行带宽为1 2 5 m b s ) ，并且随着以太技术的发展可以升级到1 0 g b s 。 3 ) 低建设成本：e p o n 系统显著减少了光纤、光收发模块、中心局设备的数 量。另外，由于光电子器件的成本不断降低，e p o n 的每线设备接入成本已可与 a d s l 、c a b l em o d e m 相比，特别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件成为 f t t h 发展的基础。 4 ) 低运营维护成本：局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间仅有光纤、光分路器等光 无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此可有效 节省运营维护成本。 5 ) 解决远端用户的接入问题：e p o n 可以达到2 0 k i n 的传输距离，避免了传 统传输介质( 如双绞线、五类线、c a b l e 等) 的距离瓶颈问题。 电子科技大学硕士学位论文 6 ) 支持多种业务：由于e p o n 系统建立在i p 技术上，因此e p o n 系统支持 各种以i p 技术为基础的网络服务，使电视网、电信网、互联网( 三网) 的融合也成 为现实。 1 4 基于e p o n 的f t t h 的发展方向和前景 由于e p o n 的巨大优势，今后的解决方案有望在接入网方面做到“三网合一”， 承载多种业务：声音、视频、i n t e m e t 等，如图1 - 2 。 l p t v 暇务器 v o d 峨务器 7 i “。眦t m 户 ， 。而z。用户 图1 2 基于e p o n 的光纤到户接入图 目前炒得很火热的技术i p t v 如果能承载在f t t h 上，将会得到很好的解决。 i p t v 给未来广播电视观众带来新的娱乐方式。但是i p t v 巨大的市场潜力却被接 入带宽瓶颈所限制，借助目前的a d s l 等接入方式还不能满足用户期望的服务质 量。而f t t h 可以提供i p t v 一个良好的平台。 f t t h 目前在日本已经得到很好的应用，美国也开始大力发展浚技术。美国行 业营销研究公司r e n d e r v a n d e r s l i c e 统计分析美国2 0 0 5 年f 1 v r h 用户数量的增长超 过4 0 0 。 4 第一章绪论 1 5 课题来源及本文的主要研究内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于光纤重点实验室与四川汇源光通信科技股份有限公司合作启动 的f t t h e p o n 接入网项目，目前硬件平台正在搭建中，软件也正在丌发中。 1 5 2 主要研究内容 论文结合8 0 2 3 a h 协议对e p o n 整体系统及其关键技术进行了分析，结合本课 题项目中的软件开发，介绍了实现系统的总体软件功能构架。论文的重点在分析 介绍现有的e p o n 经典上行接入算法的基础之上，提出一种保证q o s 的高效动态 带宽分配算法，并通过仿真实验进行了算法可行性验证。 电子科技大学硕士学位论文 第二毒e p o n 原理及m p c p 协议分析 2 1e p o n 结构介绍9 1 套典型的e p o n 系统由o l t 、o n u 、o d n 组成。o l t 通过o d n 与各个 0 n u 相连，在下行方向，0 l t 提供面向无源光网络的光纤接口：在上行方向，0 l t 将提供g 比特速率。o l t 位于根节点，放置在中心局端，它是主要的统筹控制中 心，分配和控制信道的连接，并集成了时实监控、网络管理以及维护功能。o n u 放在用户驻地侧，接入用户终端。o d n 是由光纤和光无源分支耦合器组成，完成 下行光信号的功率分配和上行信号的集中，是个连接o l t 和0 n u 的无源器件。 e f m 确定无源分光器的分光能力在l ：1 6 到l ：1 2 8 之间。e p o n 在很大程度上继承 了i t u t 和f s a n 对a p o n 的建议，采用符合1 e e e 8 0 2 3 协议的以太帧承载业务 信息。 图2 1e p o n 结构简图 如图2 1 所示，e p o n 系统在下行链路上，o l t 以广播方式发送以太网数据帧。 通过1 ：n 的无源分光器，数据帧到达各o n u ，o n u 通过检查接收到的数据帧的目 的l l i d 地址或者m a c 地址和帧类型( 如：m p c p 帧、o a m 帧) 来判断是否接收此 帧。上行链路上，各o n u 的数据帧以突发方式通过共同的无源分配网传输到o l t ， 因此上行信道接入是一种多址接入方式，可选方案有：波分多址( w d m a ) 、时 分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和随机接入( c s m a c d ) 。本项目e p o n 6 第二章e p o n 原理及m p c p 协议分析 系统考虑到业务的不对称性和o n u 的低成本，上行数据接入采用t d m a 方式 各个o n u 在o l t 分配的不同时隙中将数据帧发送到o l t 。 2 2e p o n 关键技术 e p o n 系统有很多环节和技术上的问题，其主要关键技术如下 2 2 1 测距和时延补偿问题 e p o n 解决了远端用户的接入问题，接入最大距离可达2 0 公里，避免了传统 传输介质( 如：双绞线、五类线、c a b l e 等) 的距离瓶颈问题。但同时由于o l t 与它 所接的各个o n u 的距离差比较大，也产生了测距和时延补偿的问题。各个o n u 到o l t 的物理距离不同、环境温度的变化和光电器件的老化等因素都可能产生传 输时延，因此需要测距技术和进行时延补偿。测距过程分为粗测和精测，在o n u 注册阶段进行静态粗测补偿由物理距离差异造成的时延，而在通信过程中实时进 行动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移。e p o n 系统时钟同步和时延补偿采用时间标签方式【1 0 l ，将o l t 或o n u 的当前时间放入 m a c 帧中的时间标签中，通过传递时间标签使系统时钟同步。同时可以根据o n u 返回的时间标签，进行测距。 o l t 和o n u 都有各自的计数器。这些计数器提供一个本地时间戳，当o l t 或者o n u 任设备发送m p c p 帧时，它将把计数器的值映射记入帧中的时间戳域 ( 即时间标签) 。当o n u 接受到m p c p 帧，将根据所接收的帧的时间标签来设置 计数器：当o l t 接收到m p c p 帧，将根据所接收到的时间标签来计算或校验o l t 和o n u 之问的往返时间。往返时间i t 等于o l t 计时器的时间值和接收到的时 间标签之差。 测距的原理如图2 2 所示，测距的目的是为了得到o l t 、o n u 之间的往返时 间( r t t ) 由图可知： 月7 丁= l 8 + 王d = ( t 4 一t 1 ) 一( t 3 一丁2 ) ( 2 1 ) 由于系统时间标签同步，o n u 在t 2 时刻收到o l t 的同步时问标签，将t 2 置成t 1 因此： l 。+ t 。= ( t 4 一r 1 ) 一( t 3 一t 2 ) = ( t 4 一r 1 ) 一( t 3 - t i ) = t 4 - t 3( 2 - 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 从这里可以看到，r t t 可以直接地从o l t 收到o n u 的时间标签时刻的o l t 时间标签值r 4 减去o n u 的时间标签值，3 得到。 2 2 2 上行信道复用问题 图2 - 2 测距原理图 从o l t 到o n u 下行方向，e p o n 是一个点到多点的网络，o i j 在任何时间 都有完整的下行带宽可利用。而上行方向o n u 到o l t ，是一个多点到点的网络， 由于中间采用的无源分路，合路器的定向性质，如果不同o n u 的数据流同一时刻 发送，就会发生冲突。因此，上行信道应采用多址接入复用的方式。目前，最热 门的可行方案有波分复用( w d m a ) 和时分复用( t d m a ) 方式。韩国对w d m a 方式做了大量研究。w d m a 是一个简单的解决方案( 理论上看) ，把每个o n u 在不同波长上操作。但对于一个接入网来说，该方案器件成本太高。o l t 需要采 用一个可调谐接收器或者接收阵列，不同o n u 使用不同波长的激光器。 8 0 2 3 a h 标准在e p o n 的m a c 层中增加了m p c p 子层。m p c p 子层主要作用 有三点：一是上行信道采用定长时隙的t d m a 方式，但时隙的具体分配由o l t 统筹实施：二是对于o n u 发出的以太网帧不作分割；三是上行信道动态带宽分配 支持用户服务等级区分( s l a ) 和服务质量保证( q o s ) 。但m p c p 只是一个支 撑协议，不设计到任何具体的带宽分配方案，因此存在多种动态带宽分配算法 ( d b a ) 。 目前的各种算法都采用了请求( r e q u e s l ) 授权( g r a n t ) 的机制 1 1 1 ，即o n u 向o l t 发送待发送数据的请求，请求的内容包括：业务类型，请求发送的数据量大小， o l t 在收到请求之后根据各个o n u 的情况，和不同业务的情况统一进行上行带宽 第二章e p o n 原理及m p c p 协议分析 的分配。由于d b a 直接关系到上行信道的利用率以及各种业务的q o s ，成为m a c 层的关键技术，也是本文的研究重点。 2 2 3 实时业务传输质量问题 实时话音和视频业务要求传输延时很小，延时抖动也小。影响传统业务在 e p o n 中传输的性能指标主要是延时和丢包率。如何保证实时语音、视频业务的 q o s 也是目前e p o n 研究的重要课题。一般有两种方法：带宽预留或者区分业务 ”。第一种为实时业务提供一个高速的通道，是用来专门传输实时业务；第二种 是通过i p 包中的t o s 字段对数据业务进行分类，不同的优先级业务可以缓存于不 同的优先级队列中，高优先级业务如语音业务可以优先传输，也可以保证实时业 务的q o s 。e p o n 服务对象是家庭用户和企业用户，业务种类多，需求差别大， 计费方式多样，因此，本项目采用了支持业务等级区分和带宽预留结合。方案是： 在o n u 转发终端用户缓存中建立3 种业务端口队列，以区分业务的服务等级。 2 3m p c p 协议分析 由于e p o n 的点到多点的结构，为了避免上行数据冲突并提高用户接入网的 利用效率，需要对o n u 的传输进行仲裁。这种仲裁是通过给各个o n u 分配发送 窗口( 授权) 来实现的，每个o n u 只能等到其授权到达后才可以发送数据。当 个o n u 的授权到达后，该o n u 在所指配的时间窗1 3 内以线速发送数据帧。 i e e e 8 0 2 3 a h 标准为了支持o l t 的时隙分配，专门开发了多点控制协议( m p c p ) 。 2 3 1e p o n 理想模型分层 e p o n 理想模型的分层与o s i 网络模型分层相似，最大的特点就是加入了 m p c p 层1 5 】。下图摘自8 0 2 3 a h 标准的中文译版。 如图2 3 ，e p o n 技术结合了e t h e m e t 局域网技术和p o n 传输技术，作为一种 接入网技术主要涉及物理层和数据链路层的一些技术和处理。它在体系结构上对 8 0 2 3 标准的o s i 模型并没有很大的变动，e p o n 的分层模型仍由物理层( p h y ) 、 媒质无关接1 2 1 ( g m i i ) 、数据链路层( d a t al i n k ) 构成。其中数据链路层由调和( r s ) 子层、m a c 子层、m a c 控制子层和m a c 客户子层( 如桥接、l l c 等) 组成。e f m 电子科技大学硕士学位论文 小组对现有8 0 2 - 3 分层功能的改动主要是在m a c 控制子层加上多点控制协议 ( m p c p ) ，在r s 子层上加上点到点( p t p ) 仿真( 或共享仿真) 功能。针对e p o n ， p m d 层也会有所改变。所有的层仍然使用标准接口。 l n 分崖l 州j 群 f e c = 前彝 i i 铅 c , m i i = 兆吃媒质謇担j 搬拭 蚰l = 媳磺h l 燕接岱 0 a m 二运簿管理m 雏护 0 k t = 光线箍终端 0 n u = 觉网络一p 元 p c $ 劫f ! f ! 蜿玛1 皇 p 。渤冠翳 p 黻现髓媲颤辨 l l p d 鬲劫哩蝗幔扭置 i t 5 = 调：t t l - i ：g ； 图2 3e p o n 理想模型分层简图 2 , 3 2m p c p 层作用简介 m p c p 层主要涉及不同0 n u 之间分配上行发送资源、o n u 加入网络的发现 和注册以及向上报告拥塞状态以进行p o n 系统内的动态带宽分配和统计复用。 m p c p 层主要通过三个处理模块：发现处理、报告处理、选通处理，完成了e p o n 系统中的三个控制功能：o n u 的发现注册、带宽分配、测距过程。但它不涉及具 体的带宽分配策略、终端设备认证、服务质量定义、以及网络管理等。 每个o n u 都包括一个m p c p 实体用来与o l t 中的m p c p 的一个实体相互通 信。m p c p 使用消息、状态机和定时器来控制访问点到多点的拓扑结构。m p c p 1 0 第二章e p o n 原理及m p c p 协议分析 层通过使用8 0 2 3 a h 标准定义的五条m p c p 控制帧( m p c p d u ) 在o l t 和o n