（信号与信息处理专业论文）ethernetpon系统以及动态带宽分配算法的研究.pdf

摘要 摘要 进入2 1 世纪以来，我国通信行业进入高速发展阶段，网络的传输能力大幅 提升，骨干网随着人们对带宽日益增加的需求而不断升级，但接入网的跟进却 有点不尽如人意。“最后一公里 仍是城域网或大容量局域网和骨干网之间的瓶 颈，而且人们对于从根本上解决这一问题的期望也越来越迫切。其实，针对这 一问题业界的领导者们都曾提出了各种解决方案，并一直在努力。比如中国电 信所采用的d s l 技术，广电所倡导的同轴电缆h f c 技术，但这些都只能算是过 渡性的解决方案。因为要想从根本上解决这一带宽瓶颈问题必须使用光纤，因 为唯独光纤具有容量大、速率高和损耗小等优点，是最为理想的接入网的传输 介质。起初人们提出了将a t m 技术和p o n 相结合的a p o n 技术，但随着业务 量的不断增长，a p o n 越来越暴露出协议复杂、效率低、成本高等诸多缺点。也 正是在这一背景之下，e p o n ( 以太网无源光网络) 技术耀世而出，由于它结构 上具备简单、可扩展的特点，业务上又能向用户提供包括话音、数据和视频等 多重综合服务，从而成为被业界所广泛认可的下一代接入网的最佳技术，代表 了低成本以太网与高带宽光纤网的融合。 本文主要对e p o n 系统中的几种关键技术进行了深入研究，包括e p o n 的 系统结构，多点控制协议( 御c p ) ，以及操作维护管理协议和m p c p 所支持的 上行动态带宽分配算法( d b a ) 等。综上所述，本论文主要完成的工作如下： 1 ) 分析了现阶段接入网所采用的几种主流技术，以及具有未来特征的光接 入网特别是e p o n 技术相比于前面几种接入技术的优势所在，及e p o n 技术在 国内外的研究现状； 2 ) 详细研究了m p c p 的协议帧结构和与操作码相关的发现、授权、报告等 控制帧过程；以及e p o n 系统中o a m 子层的结构及其链路检测、远程错误指示、 远程环回三大功能的实现过程； 3 ) 由于上行通道上所有o n u 都共享同一个信道，所以就需要一个m a c 仲 裁机制来确保其传输业务的q o s 。本文结合a p o n 能传输高质量实时业务的特 点，改进了一种将变长协议帧先固定再传输的d b a 算法，最后给出其仿真结果。 关键词：e p o n ；接入网；协议 a b s t r a c t a b s t r a c t g e t t i n gi n t o2 1t hc e n t u r y ，o u rc o m m u n i c a t i o ni n d u s t yg e t si n t oh i i g hs p e e d d e v e l o p m e n ts t a g e ，a n dt h ea b i l i t yo ft h ei n t e r a c tb a c k b o n en e t w o r k si m p r o v e s i g n i f i c a n t l y ，b u tt h ea c c e s sn e t w o r k ss t i l l d o n ts a t i s f yp e r s o n sh o p e ”t h el a s t k i l o m e t e r ”i st h eb o t t l e n e c kb e t w e e nt h em e t r o p o l i t a na r e an e t w o r ka n dt h ew i d e a r e an e t w o r k i nf a c t , t h el e a d e r sw h oa i ma tt h i sp r o b l e mo n c ep r o p o s e dv a r i o u s s o l u t i o n s ，a n da l w a y st r yt h e i rb e s ti ne f f o r t f o re x a m p l e ，d s li sa d o p t e db yc h i n a t e l e c o m ，a n dh f ci sa d o p t e db yb r o a d c a s tt vn e w w o r k s b u tv i e w e df r o mt h e b a n d w i d t ha s p e c ta l lt h es o l u t i o n sj u s ta r er e g a r d e da st h et r a n s i t i o n n o wf i b e ri s c o n s i d e r e dt ob et h em o s tw o n d e r f u lm a t e r i a lt oa p p l yi nt h et r a n s m i s s i o nn e t w o r k s o n c ep e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ea p o nc o m b i n i n ga t mt e c h n o l o g ya n dp o n t e c h n o l o g y ，b u ta p o nb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e dw i t ht h eu p g r a d i n g n e t w o r k s ，a n di t sc o s ti ss oh i g h s ou n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ee p o n ( e t h e r n e t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) t e c h n i q u es h o w so f fi no u rl i f e ，b e c a u s ei tc a np r o v i d e v o i c e ，v i d i o ，a n dd a h aw i t hi t sb r i e fs t r u c t u r e a n de p o ni sc o n s i d e r e dt ot h eb e s t t e c h n i q u eo ft h en e x tg e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r k s ，b e c a u s ei tr e p r e s e n t et h ef u s i o no f t h el o wc o s te t h e m e ta n dt h eh i g hb a n d w i d t ho p t i c a ln e t w o r k t h i st e x ts t u d i e ss o m ek i n d so ft h ek e yt e c h n i q u e su s i n gi nt h ee p o ns y s t e m i n aw o r d , t h em a i n w o r ki nt h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 ) s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo p t i c a la c c e s sn e t w o r k se s p e c i a l l yt h ee p o n s y s t e m c o m p a r e dt os o m ek i n d so f t h ea c c e s st e c h n o l o g y ，t h ea d v a n t a g eo fe p o ni s s h o w e da sc l e a ra si tc a nb es e e n , a n dt h e ne l a b o r a t et h ec u r r e n ts t a t u so ft h er e s e a r c h ； 2 ) d i s c u s s ee p o ns y s t e ms t r u c t u r e ，m p c pp r o t o c o la n ds oo i l t h e ns t u d yt h e s t r u c t u r ea n dt h et h r e ef u n c t i o n so fo a mi nt h ee p o n s y s t e m ； 3 ) b e c a u s ei nt h ee p o ns y s t e mt h ee n t i r eo n u ss h a r et h es a m ew a yi nt h eu p c h a n n e l ，w ee m u l a t eaf i x e dl e n g t hd b at oe n s u r ei t sq o sc o n s u l t e dt h em e t h o d u s i i i gi nt h ea p o ns y s t e mw h i c hc a np r o v i d ew o n d e r f u ls t a n d a r dt od e l i v e rt h er e a l t i m ei n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：e p o n ；a c c e s en e t w o r k ；p r o t o c o l i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 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。+ 学位做作者签锊瓢斟越签字嗍砷年m 玢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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，允许论文被查阅和佶 阅。本人授权直昌太堂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、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 廿善 签字嗍川年户月牙日 导师签名( 手写) ：_ 涉易舍 签字日期：7 年肛月才目 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究课题背景及意义 近年来，通信骨干网的发展十分迅猛，随之而来的则是人们对高速数据传 输、高清视频通话等新一代宽带业务的迫切渴望。当然不可否认的是随着波分 复用以及密集波分复用技术的推广，骨干网的带宽已提升n t b p s 的数量级，比 如高速以太网技术己能让局域网用户容量达至l j l 0 g b p s 。但是，在接入网这边的 接入速率却依旧停留在m b p s 的数量级。而作为桥梁中枢作用的接入技术发展如 此之迟缓，也成为制约整个网络性能提升的瓶颈。 光纤由于具有容量大，损耗低的特点，且能胜任高速宽带传输的要求，被 公认为现阶段最为理想的传输介质，随之而来的则是人们对光纤接入网络的探 索与研究。早在1 9 9 8 年，i t i 一t 率先在g 9 8 3 1 标准中对基于a t m 的a p o n 技术 做出较为详尽的规范，但因其结构复杂且设备昂贵，所以并未被大规模地采用。 随后人们就将目光放在了利用p o n 结构传输以太帧的以太网无源光网络技术 上。原因则是以太网无源光网络( e p o n ) 技术兼具了无源光网( p o n ) 独有的 结构优势以及以太网低成本的价格优势，并且由于它是由以太网技术发展而来 的，所以就其网络的兼容性上来讲容易被市场所接受。而现如今，e p o n 技术已 成为现代接入网发展的热门，并逐渐被一些运营商所看好。 从拓扑结构上看，e p o n 系统是一个由光线路终端( o l t ) 、光分布网络 ( o d n ) 和光网络单元( o n u ) 组成的具树形结构的点到多点( p 2 ) 光接入 网络传输系统，各个环节上都包含有相应的一种或几种关键技术。其中在o l t 端，由于所有的o n u 都是共享同一个上行信道的，这样一来，就需要有一个m a c 仲裁机制按照相应的规则将上行时隙分配给每个o n u ，以避免不同的o n u 在传 输其各自的上行数据流时发生冲突。另一方面，o l t 在给各个o n u 分配带宽的 同时，还需根据o n u 不同的业务类型，来确保其相应的服务质量( q o s ) 。简而 言之，研究一种好的带宽分配算法将对于e p o n 系统的网络性能，比如缓冲区队 列长度等能产生较为优良的性能提升作用。 此外，我曾经在萍乡电信从事宽带接入的实习工作，而e p o n 技术正是萍 乡电信面对别墅小区主推的接入技术，所以我希望通过此课题的研究来指导我 第1 章绪论 的实践，并通过实践反过来加深我对e p o n 系统的理解认知。 1 2 现阶段接入网的几种主流技术 接入网技术经常被人们称为信息高速公路的“最后一公里 ，是国家信息 基础设施( m i ) 的发展重点，且因为接入网是各电信运营商们实施业务入户的 必经之路，所以它也是网络运营的基础。 接入网技术多元化是当今接入网发展现状的一个显著特征，但勿庸置疑的 是，大力发展光纤接入是解决接入网宽带化的最为行之有效的办法i l j 。就目前主 流的接入网技术来讲，主要包括有基于双绞线的x d s l 技术，基于h f c 网( 光 纤和同轴电缆混合网) 的c a b l em o d e m 技术和基于五类线的以太网接入技术以 及基于p o n 的光接入技术。 1 2 1 基于双绞线的x d s l 接入技术 d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 数字用户线路) 是以铜线作为传输介质的点对 点传输技术。x d s l ，即铜线回路接入技术它是一系列用户数字线技术的总称， 一种在普通的双绞电话线上实现高速数据传输的技术。数据传输的距离通常在 3 0 0 m 到6 k m 之间，而数据传输的速率则是在1 5 m - 5 2 m b p s 之间，传输距离越 短，传输速率就越高。根据所采用调制技术、上下行信道的对称性以及编码技 术的不同，d s l 技术又可以分为多种类型，其中主要包括： 1 2 1 1 a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 非对称用户数字环路( a d s l ) 使用现有的电话线路，再加上a d s l 专用的 调制解调器，可提供3 2 k b i 晦8 1 9 2 m b i t s 的下行速率和3 2 k b i t s - - - 6 4 k b i t s 的上行 速率，另外还可在同一根电话线上提供语音电话服务。a d s l 技术的传输距离通 常为3 6 k m ，它主要适用于局域网互联、企业点对点连接和个人用户宽带接入 国际互联网等。 a d s l 由于无须改动现有铜缆网络设施，无形中降低了接入成本并且技术上 较为成熟，现已经进入大力发展阶段，它也是目前一般家庭宽带用户普遍所使 用的主流接入网技术。 1 2 1 2 h d s l ( h i g hd a t ar a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 高速率数字用户线( h d s l ) 利用两条双绞线进行业务的传输，不过它的上 2 第1 章绪论 下行传输速率是对称的( s y m m e t r i c a l ) ，这也是它与a d s l 最大的不同之处。比 如，在一条双绞线的状况下，h d s l 速率一般为7 8 4 k b p s 至1 0 4 0 k b p s ，而如以两 条双绞线传输，则可将速率提升到t l ( 1 5 4 4 m b p s ) 或e 1 ( 2 0 4 8 m b p s ) 的水准。 目前，h d s l 技术广泛地被应用于无线寻呼中继、基站中继、i s d n 基群接入、 视频会议、远端用户线单元( 1 也u ) 中继和计算机局域网互联等业务。由于它 要求传输介质为2 到3 对双绞线，因此常常被应用于专用数字线路或中继线路， 而一般终端用户线路则不采用。 1 2 1 3v d s l ( v e r yh i 曲d a t ar a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 超高速数字用户线( v d s l ) 作为最高速的传输方式，它与a d s l 技术有一 定的相似，是一种非对称数字用户环路技术。通过频分复用方式，把p o t s 和上、 下行信号调制到不同的频段上进行传输，另外它采用c a p 、d m t 和d w m t 多 种编码方式，所能提供的标准速率为上行1 6 2 3 m b p s ，下行1 2 9 6 - - 5 5 2 m b p s ( 目 前最高己达到1 5 5 m b p s ) ，速率大概比a d s l 高1 0 倍，但其传输距离却比a d s l 低很多，大约为0 3 1 5 k m 。 1 2 1 4 s h d s l ( s i n g l eh i g hd a t ar a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 单对线高速用户线( s h d s l ) 技术是由h d s l 发展而来，由于s h d s l 只需 一对电话线，所以可以大大减少运营商和用户之间铜线资源的消耗。另外， s h d s l 技术采用t c - p a m l 6 3 2 6 4 编码制式，编码越高，传输速度越快，并且 还能够用于语音、数据和视频等多种通信类型的传输。此外，s h d s l 也支持多 种协议，目前最主要的是a t m 和t d m 两种。 由于铜质的电话双绞线己经被大量铺设，为充分利用这部分资源，d s l 技 术得到了人们极大地重视和发展。当前，x d s l 技术已经成为宽带接入网中较为 活跃、热门的技术，除上面几种比较典型的技术之外，还存在诸如c d s l 、e d s l 、 i d s l 、u d s l 等一些使用范围相对较小的数字用户环路技术。 1 2 2 基于h f c 的c a b l em o d e m 技术 基于h f c 的c a b l em o d e m 技术是目前有线电视网主要采用的宽带接入技 术，它般使用同轴电缆，为用户提供3 0 0 m h z 到7 5 0 m h z 宽带的频率资源。 h f c 的网络结构简单，一般由两级光纤、一级电缆构成。主前端到分前端、分 前端到分配节点( o d n ) 一般采用光纤，分前端到用户一般采用电缆。在宽带 传输的h f c 网上，加上相应的设备( c a b l em o d e m ) 就可以实现双向数据通信， 3 第1 章绪论 从而进一步为用户提供全面服务。该技术综合应用模拟和数字传输技术，为用 户提供语音、数据、视频等多种综合交互式业务信息。目前，h f cc a b l em o d e m 接入的频段划分如下：上行数据通道为( 5 4 0 ) m h z ，主要用于传输低速用户控 制信息、交互式低速数据业务和电话业务；下行模拟电视通道为( 4 5 5 5 0 ) m n z ， 每路电视占用8 m h z 带宽。下行高速数据通道为( 5 5 0 7 5 0 ) m h z ，为用户提供 数字电视、v o d 、高速因特网及其他高速数据信息。 目前h f c 技术比较成熟，再加上其初期投资少，实现较容易。用户终端的 成本较低，因而也是一种较可行的接入方式。h f c 目前的主要问题是回传信道 的干扰问题，i - i f c 中漏斗噪声效应也使得每一光节点的用户数受到很大的限制， 它的反向信道传输的带宽由于放大器的影响也有较大的局限性，而且c a b l e m o d e m 的价格也比较昂贵，这些都大大限制了h f c 的应用和普及。 1 2 3 基于五类线的以太网接入技术 基于五类线的以太网接入技术是把以太网这种局域网技术应用于接入网 中，它综合采用各种新的电信网络技术对其进行改造，从而提供电信级的、可 管理的、可扩展的网络平台。这种宽带接入网由局端设备以及用户端设备组成， 局端设备一般位于小区内或商业大楼内，用户端设备一般位于居民楼内：局端 设备提供与i p 骨干网的数据接口，而用户端设备提供与用户终端计算机相接的 则是1 0 1 0 0 b a s e _ t 接口。用户端设备不同于以太网交换机，以太网交换机隔 离单播数据帧，不隔离广播地址的数据帧，而用户端设备的功能仅仅是以太网 帧的复用和解复用；局端设备不同于路由器，路由器维护的是端口一网络地址 映射表，而局端设备维护的是端口一主机地址映射表。用户端设备只有链路层 功能，工作在复用器方式下，各用户之问在物理层和链路层相互隔离，从而保 证用户数据的安全性：局端设备支持对用户的认证、授权和计费以及用户i p 地 址的动态分配，还具有汇聚用户端设备网管信息的功能。目前，这种宽带接入 技术主要是以f ”限+ l a n 方式应用，特别是在新建的智能小区应用得很广泛。 1 3未来接入网的主流之选_ e p o n 近年来，随着以i n t e m e t 为代表的新技术、新业务蓬勃发展，传统电话网将 不可避免要过渡到以数据业务特别是i p 业务为中心的下一代电信网( n g n ，n e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k ) ，这种下一代电信网的基本特征就是光纤化和p 化。传统 4 第1 章绪论 的接入网技术己难以胜任这样的要求，集合了代表未来网络融合趋势的i p 及无 源光网络结构的e p o n ( 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 ，以太网无源光网技术) 以其高带宽、能够与i p 业务紧密结合、有效利用已有信息基础设施而减少重复 投资及便于向未来网络升级的诸多优势被认为是下一代网络体系结构中全光接 入网领域的最佳解决方案之，并赢得了来自全球的设备制造商、基础网络运 营商、标准组织及科研院校的广泛关注。 1 3 1 光接入i 网( o a n ) 概述 所谓光接入网( o a n ) 就是采用光纤作为主要的传输媒体取代传统的铜双 绞线的接入网，泛指本地交换机或远端交换模块与用户之间采用光纤通信或部 分采用光纤通信的光传输系统。与传统的光传输系统不同，o a n 是针对接入网 环境所设计的特殊的光传输系统。根据光接入网室外传输设施中是否含有有源 设备，o a n 可以划分为p o n 无源光网络和a o n 有源光网络。 本地接入网的光网络可以是主动或被动的点到多点或点到点的结构框架。 光接入网主要包含有光纤到路边( f 1 v r c ) 、光纤到楼( f 1 m ) 、光纤到家( f 1 h ) 以及光纤到交接箱( f t t c a b ) 这几种情况。在f t t c a b 中，o n u 设置在交接箱 处，o n u 到用户之问采用双绞线、同轴电缆等连接。f t t c 相比于f t t c a b ，本 地接入网光纤部分又向前延伸，此时o n u 设置在路边的人孔和电线杆的分线盒 处，o n u 到用户之间仍是采用双绞线或同轴电缆等铜缆连接。f t r c 和f t t c a b ， 可以利用现有铜缆设施，建网投资小，具有较好经济性。但这种光缆铜缆混合 系统，最后一段铜缆可提供带宽有限，同时还造成室外有源设备需要维护，不 太理想，只适用于带宽要求较小的用户。 f t t b ，可以看作是f t t c a b 的一种变形，不同之处在于将o n u 放到楼内， o n u 到用户则可以用双绞线或其他局域网技术连接。f 1 m 的光纤化程度比 f t r c 更进一步，光纤铺设到楼，更适合于高密度用户区。f 1 1 h 实现了本地接 入网的全光纤化，这时o n u 变为o n t 直接放在用户室内，与终端设备相连。 f t t h 的全光纤化，使得本地接入网成为全透明的光网络，因而对于传输制式、 带宽、波长等没有任何限制，易于引入新业务。o n t 放在用户处，环境条件、 供电、安装维护等问题都得到简化。没有铜缆，全光纤化的本地接入网也使得 可提供的更大容量带宽成为可能，是种理想的宽带光接入方式。 5 第l 章绪论 1 3 2 无源光网络( p o n ) 光接入网大致可分为两大类：有源光网络( a o n ) 和无源光网络( p o n ) 。 在有源光网络中，用有源设备或网络系统的o d t 取代了无源光网络中的 o d n ，传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，网络规划和运行更加灵活。 其代价是成本较高，维护复杂。 无源光网络( p o n ) 中，在o l t 和o n u 之问没有任何有源设备，o d n 中 只采用无源器件进行简单的分光耦合等操作实现光分配的功能。p o n 对各种业 务透明，易于网络升级扩容，便于管理维护，实现成本低。不足之处是o l t 和 o n u 之间的距离和容量受到一定限制。 p o n 光接入网的优点顾名思义，p o n 的最大特征即是“被动 ，也即无源： 在o l t 和o n u 之间的o d n 不含有源器件，完全由被动的无源器件构成。p o n 的“无源”特点，使得它具有能经济有效和透明地传输高速数据等优点而被作 为光接入网的首选方案。 p o n 的优势主要体现在以下几个方面： 一、由于o d n 不含有源器件，体积小，设备简单，安装维护费用低，网络 投资小。 二、p o n 组网方式灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总线型以及混合型、 冗余型等网络拓扑结构。 三、安装方便。室外设备可直接挂在墙上或置于“h ，型杆上，无须租用或建 造机房。相比之下，有源系统需进行光电、电光转换，设备制造费用高，要使 用专门的场地和机房，远端供电问题也不好解决，日常维护工作量大。 四、p o n 适用于点对多点通信，仅采用简单的无源光分路器就可实现。 五、p o n 是纯介质网，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，非常适合在自然 条件恶劣的野外地区使用。 六、从技术发展角度看，p o n 对各种业务透明，扩容升级较为容易。 p o n 中，o l t 和o n u 之间的通信，一般可以划分成上行链路和下行链路 两个方向。由于是共享信道，下行链路方向o l t 与多个o n u 之间的通信，需 采用某种复用方式；上行链路多个o n u 与o l t 之间也需采用某种多址接入方 式进行通信。上下行信道的多址复用方式，理论上有多种技术可供选择： 1 时分复用时分多址接入( t d m m a ) 即在下行链路方向，o l t 采用 时分复用( ) m ) 方式与多个o n u 通信；上行链路信号传输则采用时分多址接 6 第1 章绪论 入技术( ) m a ) ，接入共享信道与o l t 通信，这种方传输方式的p o n ，也称 为t d m - - p o n 。上行链路的t d m a 方式中，可能同时有多个o n u 要竞争占用 上行信道，发送信息。这样，就需要一种仲裁机制来解决竞争问题，给各个o n u 分配时隙。一般情况下，采用集中式仲裁机制，由o l t 来给o n u 分配时隙带 宽。t d m t d m a 的复用多址方式在实现上，所用器件( 采用光分路耦合器) 相对简单，技术上也相对成熟，但由于各个o n u 与o l t 之间的距离不尽相同， 因此在上行链路传输时，有两个关键问题需要解决。第一个问题是相位问题， 上行链路传输时，各个o n u 都严格按预先规定顺序，在自己所分配的时隙内传 送信息，为防止在光分路耦合器处发生碰撞，必须测定o l t 与o n u 相对距离 基础上( 称之为测距) ，对o n u 进行严格的发送定时，同时由于传输的距离不 同，各个o n u 的上行链路信号到达o l t 时的相位不一定相同，所以要求o l t 必须具有快速比特同步电路，在每个o n u 按规定时隙发送上行链路信号的开始 几个比特时间内就要迅速建立比特同步；第二个问题是幅度问题，上行链路各 个o n u 到o l t 的传输环境不相同，它们各自的上行链路信号到达o l t 时，幅 度上会出现差异，这样在o l t 端不能采用常规的光接收机，即不能采用固定门 限进行判决，而只能采用突发模式光接收机，即根据每个o n u 上行链路信号开 始几个比特信号幅度大小迅速建立合理的判决门限，以便正确接收该o n u 的上 行链路数据【2 】。此外，采用t d m t d m a 信号传输方式，还存在上行链路的动态 带宽分配、系统加密以及安全等问题。需要说明的是，t d m t d m a 是p o n 网 络中最常用的技术手段，业界目前已制定的p o n 标准规范都是采用t d m t d m a 方式的p o n 。 2 频分复用频分多址接入( f d m m m a ) 即对上下行链路信号进行调制， 安排到不同的频谱位置，在其接收端通过不同频段的滤波器取出所需频段的信 号。目前业界具体可行的f d m f d m a 方式主要是指副载波复用n 载波多址接 入( s c m s c m a ) 技术。上行链路方向上，s c m a 是以射频波或微波作为副载 波( 频率一般为几百兆到十几吉赫兹范围) ，将各个o n u 数据信号调制在载波 上，再利用副载波去分别调制各o n u 的光发射机( 波长相同) 。下行链路方向 上，o l t 端把复用信号调制到另- n 载波，再用其去调制光发射机。其技术特 点是不需复杂的同步技术，信道彼此独立，并可利用成熟的射频技术以后增减 o n u 较为方便。但由于距离因素，收到的上行功率信号会相差很大，将引起严 重的相邻信道干扰，系统性能降低，所以目前尚未规模商用。 7 第1 章绪论 3 码分复用码分多址接入( c d m 妃d 凇) 通过给每个o n u 分配各自特 定的地址多址码，利用共享公共信道来传输信息。地址码相互具有准正交性， 以区别地址，而在频域时域可能重叠。接收端采用与发射端相同码型的相干检 测，以恢复出原始信号信息。c d m c d m a 方式主要特点是用户地址分配灵活， 抗干扰能力强，保密性能好，各o n u 可灵活接入。但是其实现较复杂，成本较 高，目前尚未实际应用。 4 波分复用波分多址接入( w d m 、舳m a ) 的基本特点就是在一条光纤里 同时利用多个波长通道进行通信，这种类型的p o n 也被成为w d m - - p o n 。下 行链路方向，o l t 通过多个波长通道与各个o n u 通信，o n u 端采用某种滤波 器件，分离出自己所分配波长通道信号。上行链路方向，o n u 也通过多个波长 通道向o l t 传送数据，这些不同波长的上行链路信号经由光耦合复用设备复用 到一根光纤传送至o l t 端，再由o l t 端的光解复用设备分离出各个波长通道信 号。w d m w d m a 方式，可充分利用光纤的巨大潜在带宽，提供高容量的宽带 接入。 但是，其实现成本较高，只适合于对带宽要求较大的高端用户。 w d m w d m a 方式p o n 的主要问题有：动态带宽分配( 包括动态波长分配) 、上 下行配合、光源波长稳定度的低成本解决方法、上行通道数受限、不能共享o l t 端光设备以及最为人所关注的网络成本问题等等。采用w d m w d m a 传输方式， 是未来p o n 发展的方向，目前对w d m p o n 技术的研究刚刚开始，还没有国 际组织针对w d m p o n 的进行技术标准化工作。 1 3 3以太网无源光网络( e p o n ) 的优势 就目前发展趋势来看，光纤接入技术是未来真正实现高带宽、综合业务接 入的最佳选择，其最终目标是实现光纤到家庭( f 1 h ) 。另外，网络向客户提 供的业务逐渐从分离的业务向i p 为基础的综合业务过渡，形成综合的多媒体环 境，可向用户提供从窄带到宽带的多种业务服务。 为了有效满足社会对综合业务的需求，迅速开发一种能够大规模推广以降 低成本、能够与i p 业务紧密结合的以保护投资、并且能尽量有效地利用已有信 息基础设旌以减少重复投资、还能便于未来网络升级的宽带业务接入网平台己 成为摆在我国和其它各国面前的紧迫课题，而e p o n 正是这个领域的研究热点。 综上所述，e p o n 就是利用p o n 的光网络结构实现以太网的接入。在光接 8 第1 章绪论 入网技术中，无源光网络是一种很有吸引力的纯介质网络，避免了外部设备的 电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性， 同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。 近几年，由于i p 的迅速崛起，以太网取代a t m 成了最理想的链路层协议， 而p o n 作为接入网物理层的拓扑结构仍被认为比较理想的，所以根据强强联合 的原则，将链路层的以太网和物理层的p o n 技术结合在一起，所开发出的新一 代的无源光网络e p o n 网络就兼具了无源光网独有的结构优势和以太网低成本 的价格优势。 e p o n 与现有以太网的兼容性因而容易被市场接受：以太网技术是迄今为止 最成功和成熟的局域网技术；而e p o n 只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补 充，基本上是与其兼容的。 考虑到以太网的市场占有率，e p o n 与以太网的兼容性是其最大的优势之 一。同时以太网技术也是不断更新和发展的，百兆千兆以太网则是秉承原来以 太网的精髓，通过技术革新使以太网的速率提高了一到两个数量级。 e p o n 的思想正是继承了以太网的核心遗传因子，将以太网最核心的最本质 部分保存下来，添加多址接入和远距离传送的成分，使得传输距离和接入拓扑上 取得突破，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体。 1 4e p o n 系统国内外研究现状 1 4 1 国内研究状况 目前，国内业界正在大力发展基于以太网的无源光网络接入技术。随着相 关标准i e e e 8 0 2 3 a h 的出台，国内各设备厂商( 其中如烽火和中兴等公司) 为能 取得先机较早地占领市场，纷纷大力开展针对e p o n 系统的各项技术研究。目 前，由北邮电信与格林威尔所开发的a p o n e p o n 技术，已获得国家“8 6 3 光 接入项目重点的资助【3 j 。另外，深圳路通公司与意大利p i r e l l i 公司也在积极开发 c o r 2 0 0 0 ，h e m 和o u m 等e p o n 产品1 4 】。 一般来讲，a p o n 和e p o n 是当下的研究重点，但相比之下a p o n 技术发 展得更早，目前的标准和技术相对比较成熟，在国内已有烽火等企业开发。而 以格林威尔、讯风、华中科技大学、金鹏等国内科研机构和高新企业在e p o n 技术研发及应用方面也取得了突破性的进展，如华中科大在低成本精确波长激 9 第1 章绪论 光器和低成本波分复用解复用器以及基于波分多址接入( w d m a ) 的e p o n 体 系结构方面已经取得了实质性进展，并且申请了专利，这就对以后研究低成本 实用化e p o n 系统提供了较为有力的保障【5 】。自1 9 9 3 年诞生以来，格林威尔一 直致力于网络通信的研发，并于2 0 0 1 年与北邮电信组成战略合作伙伴，开始专 注于宽带领域的研究，其e p o n 项目已经成为国家“8 6 3 计划的重点支持项目， 其解决方案g we a s y p a t h 系统能以相对低廉的价格提供高效、可靠、管理灵活 的接入服务1 6 】。另外，u t 斯达康也在2 0 0 5 年7 月面向全球发布了u t 斯达康电 信级千兆无源以太光网络解决方案及相关产品类型，而华工飞腾科技公司则是 依托华中科大所创办的一家高新技术企业，所研发的基于千兆以太网的无源光 网络系统己经取得多项具有自主知识产权的创新认i i e t t l 。除此之外，国内还有很 多的科研机构包括清华大学，电子科大等都早已经开始对e p o n 系统开展相应 的研发工作，并取得了较大的进展。 接下来在运营商方面，他们对于光纤接入网的兴趣随着人们对于宽带需求 的不断增大也在不断增长。些运营商己把光纤铺设到了大型企业、办公大楼、 住宅小区等各种工作生活场所，并且己经在积极建设f ”h f 1 田。 除了点到点( p 2 p ) 结构外，p o n 的安装也正在积极进行中，如中国网通己 经采用s a l i r a 公司的e p o n 设备在北京、长沙等地区提供业务；长城宽带公司与 日本富士通公司所签署的e p o n 合作协议规划在上海等一线大城市率先使用该 技术，并逐步覆盖全国【8 l 。s a l i r a 公司所设计的业内第一台智能化e p o n 接入系 统- - s a l i r a 2 0 0 0p l a t f o r m ，已经获得工业与信息化部所颁发的入网许可，目前正 在广州电信和重庆电信进行试运营，不久也将在上海电信开展商业试点嗍。另外， 从目前的发展形式来看，由于各运营商们的宽带用户依1 日在迅猛地增加中，无 疑这将会对f n h f t t b 的进一步发展起到推波助澜的作用。 1 4 2 国外研究现状 在国外，人们对于e p o n 系统研发的进展状况也是十分地迅速，目前，在 e p o n 方面领先的国外厂商有s a l i r a ，a l l o p t i c 和w o r l d w i d e p a c k e t s 等公司，当 然也有一些老牌网络通信公司( 如诺基亚和b r o a d c o m 等) ，其中s a l i r a 光网络 公司已经确定与北美三家大型的运营商共同建立试验系统，s a l i r a 所推出的 e p o n 系统主要由接入操作系统、桥接t d m 域，分组域等组成，其主要特点是 具有动态的q o s 和流量分类功制1 0 1 。而a l l o p t i c 和o n e p a t h 正在分别开发企业 1 0 第1 章绪论 和个人用户的市场，功能上可提供l g b s 的下行速率和8 0 0 m b i t s 的上行速率， 也正是这种上行速率使得e p o n 技术对企业公司独具吸引力，因为它超过了现 有的a p o n 网络的上行速率【l 。 一些主要设备商和运营商( 如朗讯、思科和沃达丰等) 也都非常看好e p o n 技术在宽带接入领域的巨大优势，并已着手研究并试用相关产品，同样，诺基 亚也积极地在向e p o n 的技术道路上推进，d 5 0 0d s l a m 产品系列就是其a t m 向e p o n 的过渡产品，此外，富士通、比瑞利也在最近发布了相关得e p o n 产 品【1 2 1 。从这些国外的厂商们近期对外发布的与e p o n 相关的产品的节奏和研发 力度来看，都是希望抢占未来光接入领域的巨大市场份额，同样也足以看出这 些外国厂商们对于以太网无源光网络技术的看好与重视。 1 5 课题研究内容 本文主要对整个e p o n 系统中的一系列关键技术进行了深入研究。其中主 要包括e p o n 的系统结构，以及在i e e e 8 0 2 3 a h 中新增的多点控制协议( c p ) 和操作维护管理( o a m ) 协议的作用和m p c p 协议所支持的上行动态带宽分配 算法( d b a ) 等。 本论文总共分为六章，具体安排如下： 第一章详细研究了现阶段接入网所采用的几种主流技术，比如x d s l ，h f c 等，以及具有未来特征的光接入网( 0 a n ) ，特别是其中e p o n 技术相比于前面 几种接入技术的优势所在，及e p o n 技术在国内外的研究现状； 第二章主要讨论了e p o n 的系统结构以及o s i 网络层次模型； 第三章通过对比以太网协议i e e e 8 0 2 3 ，深入分析了m p c p 的协议帧结构 以及操作码相关的发现、授权、报告等控制帧过程： 第四章着重研究了e p o n 系统的o a m 的结构以及其协议数据单元( p d u ) 组成格式，接着分析了e p o n 中o a m 的链路检测、远程错误指示、远程环回三 大功能的实现过程： 第五章在分析了现有几种动态带宽分配算法( d b a ) 的基础上，结合a p o n 网络中能提供较好的q o s 以支持高质量实时业务的特点，改进一种将变长以太 协议帧以固定段传输的上行信道d b a 算法，最后给出其仿真结果； 第六章总结了全文并对未来相关方向的研究作出了展望。 第2 章e p o n 系统概述 第2 章e p o n 系统概述 2 1 引言 随着电信业务的不断扩展，f 兀h ( 光纤到户) 已经成为接入网向更深层次 发展的必然，而融合了以太网和无源光网络两种技术的e p o n ( 以太无源光网络) 接入技术则成为未来极具发展前景的光接入技术。因为在其光分支点上并不需 要额外的有源设备，所以它能够较为灵活地组成各种树型、星型、总线型等多 种拓扑结构，除此之外e p o n 还具有安全可靠、节约光纤资源、组网快、综合 性强等诸多其他接入技术都无法比拟的优点。所以就本章来讲，主要介绍e p o n 系统的组成构架、组件功能、系统特性、网络体系结构以及相应的技术难题。 2 2e p o n 系统的基本结构与特性 2 2 1e p o n