（光学工程专业论文）apon系统ont通道层、aal及高层的设计实现.pdf

娥，论文 y 5 7 1 5 l0 a p o n 系统o n t 通道层、a a l 发商层的、硅计实现 摘要 面对主干网g h z 传输速率的应用，宽带接入网的发展已成为必然的趋势。基 于异步传输模式的无源光网络( a p o n ) 结合了a t m 多业务多比特率韵支持能力 和p o n 的透明宽带传输能力，以其经济性和灵活性成为2 1 世纪理想的光纤接入 方案。 二十世纪末在i t u t 有关a p o n 的各主要相关协议标准出台并完善之际，国 际和国内光通信领域曾兴起了有关a p o n 的研发热。正是在这样的背景下，我们 南京理工大学于2 0 0 1 年较早地承担了江苏省高技术研究项目“基于异步传输模式 的无源光网络系统( a p o n ) 中光网络终端的研制”。 本文是对a t m p o n 系统光网络终端( o n t ) 的通道层、a a l 及高层设计实 现的全面分析。论文的主要内容如下： 论文首先对a t m 技术特点及a t m 网络分层模型进行了概括，并在g 9 8 3 1 协议基础上，分析了a p o n 系统的工作原理、体系结构及其关键技术，同时根据 o n t 功能要求提出了基于分层设计思想的o n t 原理样机的总体方案。 其次，在1 7 3 2 协议的基础上分析了对通道层、a a l 及高层功能要求的特点， 重点研究了基于建立通用硬件平台的总体设计方案和硬件电路的简化设计模型； 并根据设计要求探讨了a t m 芯片、核心处理器及高层业务的选择和具体技术实现 途径，进而根据具体条件提出了如下的一种高性能的优化设计方案：以t i 公司的 t m s 3 2 0 c 6 2 0 2d s p 作为核心处理器，采用静态存储器( s r a m ) 作为系统存储器， 全面利用并结合当前最先进的微处理器、高速大容量s r a m 、以及可编程逻辑器 件( f p g a ) 等技术，并配合优化的软件设计方案，以实现系统性能的综合优化。 在总体方案确定的基础上，本文更进一步深入地探讨了总体方案实现的技术 途径，包括各功能模块硬件电路的原理设计、高速电路板传输线效应处理的方法 以及系统软件的设计技巧等，最终全面完成了o n t 通道层、a a l 及高层软硬件设 计和调试工作，解决了高速电路设计的难点和系统软件实时性要求等问题。o n t 整体联调结果表明，该部分设计功能正常，语音、数据业务运行情况良好。 本课题得到江苏省高技术研究项目资助，项目名称为基于异步传输模式的无 源光网络系统( a p o n 中光网络终端的研制，项目代号：b 0 2 0 0 1 0 4 6 。 关键词：异步传输模式，无源光网络，光网络终端，通道层，a a l ，高层 生塑鱼茎一 竺竺墨竺型! 翌堕垦：垒竺苎壹璧塑兰生茎翌 一 _，。_- a b s t r a c t w i t ht h eg b i t j st e c h n o l o g y a p p l i c a t i o ni nt r u n kn e t w o r k ，t h ed e v e l o p m e n to fb r o a d b a n da c c e s s n e t w o r ki s g a i n i n gp o p u l a r t h ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r kb a s e do na s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a p o n ) w i l ib ea ni d e a lf i b e ra c c e s st e c h n i q u ei n2 1 “c e n t u r yb e c a u s eo fi t sl o wc o s ta n d f l e x i b i l i t y , w h i c hi n c o r p o r a t e st h es u p p o r ta b i l i t yo fa n 订sm u l t i p l es e r v i c e sa n dm u l t i p l eb i tr a t i o sa n dt h e p o n st r a n s p a r e n tb r o a d b a n dt r a n s f e ra b i l i t y a tt h ee n do f 2 0 “t h ei n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l dh a di n i t i a t e dt h e r e s e a r c ho na p o na ss o o na si t u t p u b l i s h e da n di m p r o v e d t h e r e l a t i n gr e c o m m e n d a t i o no fa p o n u n d e rt h ec o n t e x tn a n j i n gu n i v e r s i t yo f s c i e n c e & t e c h n o l o g yh a du n d e r t a k e na te a r l yt i m ej i a n g s u p r o v i n c eh i t e c h p r o j e c tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r kt e r r a i n a l si n p a s s i v e o p t i c a ln e t w o r ks y s t e mb a s e do na s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e i n2 0 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o ni st h es u m m i n g u po ft h ed e s i g no fp a t hl a y e r 、a a la n dh i g h e rl a y e ri n o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a l ( o n t ) o f a t m - p o ns y s t e m t h ec o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： f i r s t l y t h i sd i s s e r t a t i o ni l l u s t r a t e st h ea t mt e c h n i e a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea t m n e t w o r k l a y e r e dm o d e l ，a n a l y z e st h ep r i n c i p l e s ，s t r u c t u r ea n dk e yt e c h n i q u eo fa p o ns y s t e mb a s e do n ( 2 9 8 3 1r e c o m m e n d a t i o n ，a n dt h e nb r i n g sf o r w a r dt h el a y e r e dd e s i g n i n gs c h e m eo fo n t a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o n a lr e q u e s to f o n t s e c o n d l y , t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sr e s e a r s he m p h a t i c a l l yo nt h et o t a ld e s i g nb a s e do ns e x i n gu p g e n e r a l h a r d w a r e p l a t f o r m a n d s i m p l i f i e d d e s i g n m o d e lo fh a r d w a r e a c c o r d i n g t o1 7 3 2 r e c o m m e n d a t i o n ，a n dd i s c u s s e st h ea t m c h i p s e t ，t h ec o r ep r o c e s s o qa n d t h ec h o i c ea n dr e a l i z a t i o n o fh i g h e rl a y e rs e r v i c e sb a s e do nt h ed e s i g nr e q u e s t ，a n dt h e np r o v i d e sa h i g hp e r f o r m a n c ed e s i g n a c c o r d i n gt op a r t i c u l a rc o n d i t i o n s a s f o l l o w ：u s e i n gt m s 3 2 0 c 6 2 0 2o ft ic o m p a n ya s t h ec o r e p r o c e s s o r , s t a t i cr a n d o m - a c c e s sm e m o r y ( s r a m ) a st h es y s t e mm e m o r y , a n di n c o r p o r a t i n gt h e m o s ta d v a n c e dm i c r o p r o c e s s o r , h i g hs p e e da n dl a r g ec a p a c i t ym e m o r y , p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( f p g a ) a n dp e r f o r m a n c es o f t w a r ed e s i g nt or e a l i z et h ef u l lo p t i m u mo f t h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h ed i s s e r t a t i o nf u r t h e rd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no ft h et o t a ld e s i g n ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f e v e r yf u n c t i o n a lm o d e lh a r d w a r ec i r c u i t 、t h em e t h o do f s o l v i n gh i g hs p e e dc i r c u i tn a n s m i tl i n ee f f e c t a n dt h ed e s i g ns k i l lo f s y s t e ms 0 1 w a r e ，a n dc o m p l i s h e st h es o r w a r ea n dh a r d w a r ea n dd e b u go f o n tp a t hl a y e r 、a a la n dh i g h e rl a y e r , a n ds o l v e st h ed i f f i c u l t yo f h i g hs p e e dc i r c u i td e s i g na n dt h e r e a b t i m er e q u e s to fs y s t e ms o f t w a r e 。t h er e s u l to ft h et o t a ld e b u go fo n ti n d i c a t e st h e9 a r t s f u n c t i o ni sc o r r e c ta n dt h ev o i c ea n dd a t as e r v i c e sf a nw e l l t h i sd i s s e r t a t i o ni s s p o n s o r e db y2 i a n g s up r o v i n c eh i t e c hp r o j e c t 1 1 p r o j e c t t l a r n ei s r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f o p t i c a ln e t w o r k t e r m i n a l si np a s s i v eo p t i c a ln e t w o r ks y s t e mb a s e d o na s y n c h r o n o u st r a n s f o rm o d e ，t h e p r o j e c tc o d ei sb g 2 0 0 1 0 4 6 k e yw o r d s ：a t m ，p o n ，o n t , p a t hl a y e r , a a l h 噜hl a y e r i i 硕士论文 a p o n 系统o n t 通道层、a a l 及高层的设计实现 1 绪论 1 1 课题研究的背景 在当今信息时代，人们对信息的需求变地越来越迫切，需求的形式也越来越 多样化。面对电信主干网g h z 的带宽，处于电信网边缘的接入网发展却一直很缓 慢，技术落后，带宽很窄。因此，接入网已经成为限制信息高速公路建设的瓶颈， 成为发展宽带综合业务数字n ( b i s d n ) i 拘障碍，”。 为了提高接入网的接入带宽、改善接入网的传输性能、解决接入网在整个通 信网中的瓶颈效应，世界先进通信设备制造厂商根据各地区的具体情况，已经研 发了利用各种传输媒质和先进数字信号处理技术的多种高速接入技术。例如 x d s l 、h f c 、无线接入及光纤接入。光纤接入网由于频带宽、容量大、扩容升级 方便，被认为是最有前途的解决方案【3 j 。 光接入网从系统配置上可分为有源光网络( a o n ) 和无源光网络( p o n ) 。无 源光网络是一种纯介质网络，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。从技术角度看，无源光网络扩充容量比较简单，升级方便， 为f t l h 奠定了基础，使用户投资得到保t i e t3 1 。特别是一个a t m 化的无源光网络 ( a p o n ) 可以通过利用a t m 的集中和统计复用，再结合无源分路器对光纤和光 线路终端的共享作用，使成本可望比传统的以电路交换为基础的p d h s d h 接入系 统低2 0 4 0 【3 】。 1 2a p o n 系统的发展及研究现状 早在相关国际标准出台之前，英国电信( b t ) 公司的研究人员最早提出了p o n 的概念。后来由于a t m 技术的迅速发展及其作为标准传递模式的地位，使研究人 员开始注意到把a t m 技术运用到p o n 的可能性，并于9 0 年代初提出了a p o n 的 建议。不久，阿尔卡特公司研制了第一个试验系统。1 9 9 6 年，1 3 家电信运营商和 设备制造琵立了全业务接入网( f s a n ) 小组，把f t t x 确定为接入网的发展策 略，基于a t m 的无源光网络( a p o n ) 是支持f t l x 的最好解决方案。日本电话 电报公司( n t t ) 已于1 9 9 7 年联合富士通公司研制了一个非标准的a t m - p o n 系 统投入商用h 。 硕上论文 a p o n 系统o n t 通道层、a a l 及高层的设计实现 国际电信联盟i t u - t 为了使不同卖方的设备有更好的兼容性，于1 9 9 8 年通过 了g 9 8 3 1 建议“基于无源光网络的宽带接入网”，1 9 9 9 年通过了g 9 8 3 2 建 议“a t m p o n 中光网络终端( o n t ) 的管理和接口控制”，随后，针对- - n 融合的趋势，对p o n 系统物理层光波段进行重新分配，批准了g 9 8 3 3 建议 “通过波长分配来增加服务能力的宽带接入网”。 随着a t m p o n 系统的发展，一些全业务接入网( f s a n ) 的设备厂家在1 9 9 9 年下半年开发出了符合标准的a t m p o n 系统。在2 0 0 1 年底，f s a n 把a p o n 改 名为b p o n ，并且为提高b - p o n 系统性能，i t u - t 又通过了g 9 8 3 4 建议“通 过动态带宽分配来增加服务能力的宽带接入网”、g 9 8 3 5 建议“提高自愈能力 的宽带接入网”、g 9 8 3 6 建议“对于b p o n 系统具有保护特色的o n t 管理控 制接口指标”、g , 9 8 3 7 建议“对于动态带宽分配b p o n 系统的o n t 管理控制 接口指标”以及可选功能支持实现的g 9 8 3 8 建议，并对g 9 8 3 1 建议、g , 9 8 3 2 建 议进行了补充。 2 0 0 0 年我国等效采用了g 9 8 3 1 建议作为通信行业标准y d t 1 0 9 0 2 0 0 0 ，当时 只有北京邮电大学、华中理工大学、浙江大学和南京理工大学等少数几所高校以 及中兴、华为、武邮通信集团等少数单位开展了这方面的研究工作。并且国家对 其十分重视，已将a p o n 列为8 6 3 通信高科技技术攻关项目，受到国家自然科学 基金重大项目资助。到目前为止，国内也只有烽火、华为等极少数单位宣布有a p o n 系统成熟的产品。 1 3 几种p o n 技术对比 随着p o n 技术的发展，出现了以p o n 系统结构为基础的a p o n 、e p o n 和 g p o n ，并凭借着各自的优势在竞争中谋求发展 5 - 7 。 a p o n 技术分析8 ，卿 a t m 技术是经过考验和成熟的技术，只有它能更好地支持多媒体业务，特别 是实时业务。而且也只有a t m 能用单一的网络提供所希望的任何宽带和窄带业务， 并保证业务的业务质量( q o s ) 。并且a t m 有完善的操作管理维护系统，能单一管 理系统同时完成端到端的业务监视和带宽管理。 a p o n 系统体现了a t m 的优势，但是也有其自身的不足。在使用a t m 信元 承载i p 业务时，需要将i p 数据包进行拆分重组，效率低、技术复杂。而且，一般 a t m 设备成本较高。 然而，a p o n 已有公认的国际标准，又有f s a n 的全力支持，只要大批量生 产，成本定能大幅度下降。并且随着高速处理技术的发展，a p o n 系统对i p 数据 2 硕士论文 a p o n 系统o n t 通道层、a a l 及高层的设计实现 包的拆分重组问题将得到有效地解决。 e p o n 技术分析0 0 随着i n t e r n e t 的快速发展，以太网被大量使用。2 0 0 1 年初，i e e e 成立了以太 网第一英里工作组( e f m ) ，准备引入一些新的以太网接入技术标准。在现有 i e e e 8 0 2 3 协议的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网中传输以太帧。e f m 工作组定义了三种拓扑结构：点对点铜线链路、点对点光纤链路及点对多点光纤 链路( 即e p o n ) 。其中e p o n 由于经济实用、成本较低而被作为研究的重点之一。 e p o n 的基础是以太网，而以太网是传输i p 最好的方案。随着i p 的广泛应用， 以太网将成为未来使用最广泛的局域网技术。e p o n 作为接入网，成本低、通用性 好，免去了i p 数据传输的协议和格式的转化，效率高，管理简单。 但就现在的发展而言，i p 传输高质量的实时业务的技术还不够成熟，以太网 也缺乏电信级的网络监视和业务管理。而且e p o n 也存在着承载t d m 业务的低效 率及标准不够完善等缺点。 g p o n 技术分析“l j 在e f m 工作组提出e p o n 的同时，f s a n 也开始进行l g b i t s 以上p o n 标准 的研究。除了需求支持更高的比特率外，f s a n 提出“对全部协议开放地进行完全 彻底地重新思考”的决定，努力寻求一种最佳的、支持全业务的、效率最高的解 决方案。大多数先进国家的运营商代表，提出一整套“吉比特业务需求( g s r ) ” 文档，作为提交i t u t 的标准之一：反过来又成为解决和开发g p o n 的基础。 g p o n 有两大特点：在p o n 上传送多业务时保证高比特率和高效率。由于 g p o n 一开始就自下而上地重新考虑了p o n 的应用和要求，为新的方案奠定了基 础。它一方面保留了与p o n 不是直接相关的许多功能，如o a m 消息、动态带宽 分配等：另一方面g p o n 则基于全新的t c 层，用通用成帧程序( g f p ) 作为业务 映射。g f p 提供以高效简单的方式在同步传送网上传送各种业务的通用机制，而 且使用g f p 时，g p o n 的t c 层本质上是同步的，并使用标准的s d h8 k h z 的帧 结构，这使得g p o n 能够支持t d m 业务。而且，g p o n 也是唯一可在单一波长下 提供2 5 g 带宽的接入网技术，并且能够提供至少2 0 公里的接入距离。 虽然g p o n 成为未来宽带光接入网络的发展方向，但在现在的技术背景下， 成本过高制约了它的迅速应用。 作为p o n 技术的先驱a p o n ，对其研究工作是具有重要的基础性研究与 深远发展意义的。 硕+ 论文a p o n 系统o n t 通道层、a a l 及高层的设计实现 1 4 课题的研究内容 g 9 8 3 1 协议一问世，我们课题组就对此进行了前期的跟踪研究，1 9 9 9 年我们 课题组在国内率先翻译了g 9 8 3 。1 协议，开始了接入网方面的调研工作。2 0 0 0 年 在消化和分析g 9 8 3 1 协议的基础上提出了a p o n 系统中的光网络终端o n t 原 理样机的功能要求与总体方案架构。2 0 0 1 年以“基于异步传输模式的无源光网络 系统中光网络终端的研制”为题目申报并获得了江苏省高技术研究项目的支持。 本课题根据当前的国内外接入网的发展态势，结合自身的科研能力，参照 i t u tg 9 8 3 1 、1 , 7 3 2 等协议研制出符合社会需求的拥有自主知识产权的光网络终 端( 0 n t ) 设备的原理样机，并且为我国宽带接入网建设提供一种建设性的实现 思想。本课题中的a p o n 系统的速率是对称上下行1 5 5 m b p s ，可承载现有的所有业 务和即将出现的业务。 1 5 本论文的主要研究内容及完成工作 由于本课题难度大、技术复杂、涉及面广，所以在设计过程中采用分层的设 计方法。结合a t m 网络结构及a p o n 协议参考模型，将o n t 设计分为五层：物 理媒介层、传输会聚层、通道层、a t m 适配层( a a l ) 及高层。根据课题组自身 的情况，将整个o n t 设计分为两部分来实现：1 物理媒介层和传输会聚层；2 通 道层、a a l 和高层。两部分设计通过u t o p i a ( u n i v e r s a l t e s ta n d o p e r a t i o n sp h y i n t e r f a c e ) 接口进行连接。本论文内容是对作者近两年来在o n t 通道层、a a l 和 高层研究工作的一个初步总结。文中首先简要介绍了基于异步传输模式( a t m ) 无源光网络( p o n ) 系统的网络结构和规范，然后在分析o n t 通道层、a a l 及高 层的功能要求的基础上，提出模块化的设计思想及总体方案，进而分析阐述了通 道层、a a l 及高层各模块的具体技术设计与实现。本文具体任务和主要研究内容 包括： 1 深入研究并消化g 9 8 3 1 、1 7 3 2 等a p o n 相关协议，确定通道层、a a l 及 高层模块化设计总体实现方案； 2 根据设计要求，确定通道层、a a l 及高层实现的核心处理器芯片、a t m 芯 片等主要芯片； 3 对比a p o n 系统各种应用业务，确定o n t 原理样机测试时使用的高层应 用业务： 4 完成通道层、a a l 及高层整体硬件原理设计： 硕士论文 a p o n 系统o n t 通道层、a a l 及高层的设计实现 5 配合课题组成员完成高速硬件电路板设计，并针对高速电路中出现的信号 完整性问题，使用h y p e r l y n x 信号完整性仿真软件来解决； 6 编写通道层、a a l 及高层系统软件； 7 完成通道层、从l 及高层软硬件联调。 到目前为止，通道层、a a l 及高层的设计和软硬件调试已全部完成，系统联 调说明o n t 基本功能要求已经实现。通道层、从l 及高层设计是0 n t 原理样机 的重要组成部分，它保证了o n t 各种业务的实现和业务数据流在网络上的顺利传 输。 1 6 本论文的创新点 本论文的创新点是： 在总体方案设计上，从便于后续设备功能扩展的角度出发，采用搭建通用 硬件平台的方案，由软件实现各种高层应用的适配和控制管理，从而方便对未来 高层应用的升级； 在硬件电路的设计实现上，采用模块化设计思想和简化设计模型，选取完 成a t m 层和a a l 公共部分功能的a t m 芯片，将所有通道层、a a l 公共部分应 处理的操作管理维护( o a m ) 信元直接由a t m 芯片交给核心处理器来处理响应，而 核心处理器同时完成高层应用的实现及a a l 具体业务的适配。在主要芯片的选择 上，结合总体方案和实现情况，选择符合要求、技术文档全面的主流芯片； 在系统控制软件设计上，为达到高速控制要求，采用中断处理程序。并在 d s p 内部开辟缓存空间，从而有效地避免d s p 与a t m 芯片间存取数据的冲突。并使 用循环链有效地利用系统存储空间，使接收发送数据缓冲空间得以充分地使用； 综合运用d s p 技术、f p g a 技术以及高速电路技术，并且在设计中配备了 多种测试用的输入信号以及反映系统运行状态的观测信号；f p g a 配置电路中设计 了手动肩动配置过程的控制电路，可以在任意时间手动开始一个配置过程。这些 技术的运用不仅保证了系统功能的正常运行，而且可以方便地对系统进行调试。 顺士论文 a v o n 系统o n t 通道层、a a l 及高层的设计实现 2a p o n 系统分析 面对日益丰富多彩的多媒体业务和呈爆炸式增长的i p 业务的压力，基于异步 传输模式的无源光网络( a v o n ) 结合了a t m 的多业务多比特率支持能力和p o n 的 透明宽带传输能力，以其经济性和灵活性成为2 1 世纪理想的光纤接入方案。 本章首先探讨了a t m 网络技术和p o n 的系统结构，然后在g 9 8 3 1 协议的 基础上进一步分析了a p o n 系统的功能、网络结构以及其关键技术，并给出了 基于分层设计思想的光网络终端( o n t ) 的总体设计方案。 2 1a t m 网络技术 2 1 1a t m 技术概述 a t m 的目的是提供一种高速、低延迟、复用和交换的网络，支持任何类型 的用户通信流，例如语音、数据、视频应用。a t m 把业务分级的思想用于通信 网络，可提供把多个不同的资源灵活地以任意比例结合起来的能力，这个特点是 a t m 技术的关键优点。 a t m 将用户通信流拆分或复用成固定长度的小单元信元。每个信元由5 3 个字节组成，其中包括4 8 个字节的净荷和5 个字节的信头。5 个字节的信头中包 含了流量控制信息( g f c ) 、虚拟通道标识符( v p i v c i ) 、净荷种类( p t ) 、信元 丢失的优先级( c l p ) 以及信头的误码控制( h e c ) t z1 3 o 如图2 1 1 1 所示。 g f c ：一般流量控制p t ：净荷类型 v p i ：虚通道标识c l p ：信元丢失优先级 v c i ：虚通路标识h e c ：信头差错控制 $ ：对于n n l ，g f c 被用作4 个附加的v p i 比特 图2 1 1 1 a t m 信元格式 g f c 用于用户网络接口( u n i ) 接口处的流量控制，对于不受控设备置为o ； v p i v c i 在建立连接时被赋值：p t 标识通信流的种类，例如用户通信流、管理 通信流或控制通信流，其中一个特别的好处是通知用户阻塞情况；c l p 用来通知 网络管理员信元被丢弃的优先级，当网络出现阻塞时，网络管理员可以根据策略 丢弃c l p 为1 的信元；h e c 对信头进行差错校验，可更正一位错误1 3 1 。 6 硕士论文a p o n 系统o n t 通道层、a a l 发商崖的设汁实现 2 1 2 a i m 技术特点”铂 a t m 技术具有面向连接、统计复用、业务广泛及信元长度固定等主要特点。 a a t m 技术是面向连接的，它需要在通信双方建立起连接，通信结束后再 通过信令来拆除连接。因此，a t m 具有电路交换的特点：另一方面，a t m 的数 据传输采用的是固定长的数据分组( 信元) ，其中信头部分包含了用于选路的 v p 工，v c i 信息，因此a t m 又具有分组交换的特点。但是a t m 具有电路交换和分 组交换的双重性并非一种简单的继承，而是有所摈弃和发展。就其电路交换而言， 它不再采用传统电路交换中所采用的同步时分复用，而是采用了完全不同的异步 时分复用，解决了在传统电路交换方式中不能有效利用带宽资源和不适于突发业 务等问题；而就分组交换而言，它属于一种高速分组交换技术，其在协议及处理 上均作了相应的简化，将数据链路层中纠错、流量控制等功能移到终端上去完成， 并通过硬件来实现协议的处理，从而降低了处理时延，大大提高了交换的速度。 资源利用率。 b 信元的统计复用是a t m 的另一大特点。所谓统计复用就是根据各种业务 的统计特性，在保i i e n 务质量要求的前提下，在各业务间动态地分配网络带宽， 以达到最佳的资源利用率。信元的统计复用如图2 1 2 1 所示。 图21 2 1 信元的统计夏用 一般的复用器所用的各输入带宽的总和应小于传输线路的总带宽，而利用 a t m 统计复用技术可使输入带宽总和大于传输线路的总带宽，且仍可保证各业 务的质量。这是通过几方面的具体技术实现的，如信令、业务特性和服务质量等 级、流量控制等。 c 在以a t m 技术为背景的网络上，信息的统计复用和交换方式与所传送的 信息类型( 话音、数字、图片、多媒体) 无关。这主要是因为a t m 网络所处理的 形式是相同的固定长度信元，可省去许多不必要的检验，从而可直接运用硬件， 加快处理速度，有效地提高了交换与复用的效率。由于a t m 使用很短的信元并 硕上论文 a p o n 系统o n t 通道层、a a l 及高层的设计实现 采用高速传输速率，使得传输延迟及延迟抖动量很小，因而a t m 的服务范围十 分广泛。 d 固定长度的a t m 信元有以下优点： a ) 固定长度的数据信元使得联网交换的排队延迟时间更容易预测。交换机 厂家可以在网络设备中采取各神措施，以保证所有类型的数据传输服务，尤其是 对于那些对延迟要求严格的服务，如话音和视频的传输，使之达到满意的水准； b ) 与可变长度的数据分组相比，a t m 信元更便于简单可靠地进行处理。很 高的可预估性使a t m 硬件可以更有效地实现，这是因为针对已知大小的信元更 易于设计控制结构、缓冲器和缓冲器管理方案； c ) 固定长度的信元使得信元中继式交换机可以并行处理各个信元，其速度远 超过总线结构的交换机的速度极限；a t m 信元采用5 3 字节的固定长，而信头的 功能也大大地简化，即只对信头进行差错控制，不再进行逐段链路的检错和纠错， 端到端的差错控制只在需要时由终端处理；另外，信头中只用v p i 和v c i 标识一 个虚拟连接，而无需源地址、目的地址和分组序号，信元顺序也由终端保证。 虽然a t m 的信元税很高( 信元税= 信头信元净荷) ，但随着传输线路的光 纤化及处理器速率的提高，这个问题已经微不足道。 2 1 3 a t 8 网络协议参考模型 i t u t1 3 2 1 协议给出了b i s d n 的协议参考模型，这个协议参考模型已广泛 用于描述基于a t m 的通信实体。它的结构是一个立体的分层模型，由三个面组 成，即用户面、控制面和管理面。每个面又采用了层次化的结构，分为高层、a t m 适配层( a a l ) 、a t m 层和a t m 物理层。b i s d n 网络协议参考模型的结构如图 2 1 3 1 所示。 图2 13 1b - i s d n 协议参考模型 控制面具有完成呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建 立、监视和释放，其中永久虚连接( p v c ) 不需要控制平面来进行连接。 管理面包括层管理和平面管理。层管理采用了层次化的结构，完成与各协议 层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令。层管理还处理与各层相关的 o a m 信息流的控制：平面管理不分层，它的作用完成与整个系统相关的管理功 能，并对所有平面起协调作用。 用户平面提供用户信息流的传送，这些信息包括数据、话音、视频和多媒体 等。用户面也具有部分控制功能，如流量控制、差错控制等。图2 1 3 2 为用户 平面各层完成功能。 高层高层协议功能 会聚子层 业务特定( s s ) ( c s ) 协议数据单元的汇聚 a a l公共部分( c p ) 拆装子层( s a r )协议数据单元的分段和组装( s a r ) 一股流量控制，信头处理，v p i v c i 处理， a t m 信元复用和解复用，信元速率去耦( 未分配信元) 传输汇聚子层信元速率去耦( 空闲信元) ，h e c 信头处理， 物理层 ( t c )信元定界，传输i 帧适配，传输帧产生，恢复 物理媒介子层( p m )比特定时，物理媒介 2 2 光纤接入网 图2 1 32 用户平面各层完成功能 电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及复用设 备、交换设备以及各种线路设施等。整个电信网按功能可分为三个部分：传送网、 交换网和接入网。它们的关系如图2 2 1 所示【3 j 。 交换网 。 交换网 图2 2 1接入网在整个电信网中的位置 接入网是电信网的重要组成部分，它负责将电信业务透明传送到用户，也就 是说用户通过接入网的传输，能灵活地接入到不同的电信业务接点上。具体而言， 接入网即为本地交换机与用户之间的连接部分，通常包括用户线传输系统、复用 设备、交叉连接设备或用户网络终端设备。 光纤接入网( o a n ) 是指用户与端局之间以光纤为传输媒介的通信网。图 2 2 2 为光接入网的典型结构l j 】。 o d n ：光分配网络：o l t ：光线路终端；o n u ：光网络单元； o d t ：光远程终端；u n l ：用户网络接口；s n i ：业务节点接口；a f ：适配功能； s r ：光发送接收参考点：v ：与业务节点间的参考点；i t ：a f 与o n u 间的参考点 图2 22 光接入网的典型结构 光接入网系统中主要有局端和远端两种设备。局端设备称作光线路终端 ( o l t ) 。远端设备依据其在网络中位置的不同，功能和规模也并不相同。一般 将安装到用户驻地的叫做光网络终端( o n t ) 设备，它既是用户的终端设备又是 网络设备；另一种远端设备叫做光网络单元( o n u ) 设备，这种o n u 设备没有 到用户，必须要使用金属线( 或同轴电缆) ，通过各种x d s l 技术将各种业务引 入到用户。 无源光网络( p o n ) 由于在o l t 和o n u 之间没有任何有源电子设备，对各 种业务呈透明状态，易于升级扩容，因而便于维护管理。该系统以其低的接入成 本，受到很多电信主管部门和运营部门重视。不足之处是o l t 、o n u 之间的距 离和容量受到一定的限制。 有源光网络( a o n ) 中，用有源设备或网络系统( 如s d h 环网) 的光远程终 端( o d t ) 代替无源光网络中的光分配网络( o d n ) ，传输距离和容量大大增加、 易于扩展带宽，网络规划和运行的灵活性大。不足的地方是有源设备需要机房、 供电、维护等。 总的来说，随着信息传输向全数字化过渡，光接入方式必然成为宽带接入网 的最终解决方法。而p o n 以其自身的优势，必将成为f t l h 的最终解决方案。 l o 硕士论文 a p o n 系统o t 通道层、a a l 及高层的设计实现 2 3a p o n 系统概述 2 ，3 1a p o n 系统工作原理 在无源光网络( p o n ) 上实现基于a t m 信元的传输，就构成了a t m p o n ( 简称a p o n ) 系统。 图23 1 1a p o n 系统工作原理 图2 3 1 。l 给出了a p o n 系统的工作原理。下行信号( o l t 到o n t ) 是连续 的，采用时分复用( t d m ) 方式传送，每个o n u 接收分配给他的所有信元；上 行信号( o n t 到o l t ) 是突发式的，采用时分复用多址接入( t d m a ) 协议传 送，每个o n t 在o l t 给其分配的时隙内发送信号。通过分配不同的时隙给每个 o n t ，o l t 可以实现对上行带宽的动态分配。上行信号使用1 3 1 0 n m 波长窗口， 下行信号使用1 5 5 0 n m 波长窗口【1 。 图23 12a p o n 的传输帧结构 上下行速率对称( 1 5 5 m b p s ) 的a p o n 系统传输帧结构如图2 ，3 1 。2 所示。 下行由一连续时隙流组成，每个时隙包含一个5 3 字节的a t m 信元或一个物理层 操作管理维护( p l o a m ) 信元，帧长5 6 个信元，每2 8 个信元插入一个p l o a m 信元，所以下行帧包含2 个p l o a m 信元；上行帧有5 3 个信元，每个信元有5 6 个字节，由5 3 个a t m 信元字节和3 个开销字节组成。上行开销字节由保护时间、 前导码和定界符组成。保护时间的作用是在两个连续信元间提供足够距离，避免 碰撞；前导码的作用是从到达的信元中提取相位信息，从而获得同步和幅度恢复： 定界符的作用是指出a t m 信元开始的特殊码型，用来完成字节同步。o l t 要求 o n u 通过下行p l o a m 信元授权的字节来发送一个a t m 信元。p l o a m 信元被 用来传输物理层o a m 信息。此外，它还为上行信号的接入传送授权字节【1 4 1 。 a p o n 实现用户与如下四个主要类型业务节点之一的连接，如：公共交换电 话网综合业务数字网( p s t n i s d n ) 窄带业务，b i s d n 宽带业务，以及非a t m 的两种业务( 即数字视频付费业务和基于i n t e r n e t 的i p 业务) 。四种类型的业务 在逻辑上是分开的，但由接入网的同一传送层支持。在业务综合接入网与每个业 务节点之间规定了有限种类的标准业务网络接口( s n i ) 。 o l t 提供s n i 至业务节点以及s n i 至p o n 的接口。o l t 管理所有a t m 传 送系统的p o n 特定面。o n u 和o l t 提供通过p o n 在u n i s 和s n i 之间透明的 a t m 传送业务。 2 3 2a p o n 系统的网络结构 与其他通信网络技术一样，a p o n 系统也是分层的，其分层结构基于i t u t g 9 8 3 。1 协议。协议参考模型分为物理媒介层、传输汇聚( t c ) 层和通道层，如 图2 3 2 1 所示【1 4 】。 层名功能 通道层参考1 7 3 2 传输媒介层 适配子层参考1 7 3 2 注：该层应提供 传输会聚 相关的操作管 ( t c ) 层 p o n 传输测距；信元时隙分配；带宽分配：保密和安全： 理维护( o a m ) 子层帧定位；突发比特同步；比特字节同步 功能 物理媒介层e o 适配：波分复用：光纤连接 图2 3 。2 1a p 0 1 u 系统的网络分层结构 在a p o n 系统中，通道层对应于a t m 层的v p ( 虚通道) ：t c 层分为p o n 传输子层和适配子层，它对应于b i s d n 的传输汇聚子层。p o n 的传输子层终结 了所要求的o d n 传输功能，p o n 的特定功能也在p o n 的传输子层终结。物理 媒介层和t c 层组成了传输媒介层，它对应于b i s d n 的物理层。 硕l 论文a p o n 系统o n t 通道层、a a l 及高詹的设计实现 2 3 3 a p o n 系统的关键技术探讨 在a p o n 系统的研发中涉及到多种复杂技术，其中需