（通信与信息系统专业论文）ethernet+pon上行接入技术与动态带宽分配模型的研究.pdf

中文摘要 在信息社会对通信网络服务的需求不断增长的今天，接入网越来越制约着整 个网络的发展，成为信息高速公路的瓶颈。基于以太网的无源光网络( e p o n ) 技术代表了国际 i 接入网的最新发展趋势，是当前宽带接入网络研究的热点之 本文深入研究j - e p o n 技术的体系结构。在e p o ni ：行信道复用技术中， 传统的时分复用技术在具有突发性和自相似长相关性的高速数据业务流的作崩 下，会造成网络资源的浪费和网络性能的下降。针对这一问题，本文修改了e p o n m a c 控制子层的f d m a ，引入统计复用的动态带宽分配( d b a ) 来处理o n u 的j ：行接入，提出了新的轮询算法。新算法与m p c p 协议相结合，通过 g r a n t r e p o r t 机制，完成o l t 和o n u 之间接入控制。新算法可以动态更新 传输窗口大小，以适应网络负载的变化响应数据流的突发：并且规定最大丌窗 大小，以保证o n u 公平的共享网络带宽资源。 本文利用先进的网络仿真工具o p n e q 、，首先建立了e p o n 网络上行信道 m a c 控制子层t d m a 模型。通过模型仿真，验证了高速数据流的突发性和长相 关性对固定时分复用性能的影响。进而，在基本模型的基础上增加了新的轮询动 态带宽分配机制。通过研究、比较最大开窗大小、端到端延迟、队列延迟、网络 吞吐量等网络指标，证明了算法的可行性和有效性。分析和仿真的结果表明，新 的算法机制与现有的其他算法相比，在吞吐量、延迟和网络公平性等重要指标上 都表现出良好的性能。 关键字：以太无源光网络( e t h e r n e tp o n ) ；多点控制协议( m p c p ) 动态带宽分配( d b a ) ；o p n e t 仿真； 接入网 a b s t r a c t w h i l et h ed e m a n do fi n f o r m a t i o n a i s o c i e t y f o ri n t e r n e ts e r v i c e si s d r a m a t i c a l l y i n c r e a s i n g ，a c c e s sn e t w o r kh a sb e c o m eab o t t l e n e c kb e t w e e nh i g h c a p a c i t yl o c a la r e a n e t w o r k sa n db a c k b o n en e t w o r k 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 ) ，w h i c h i sn o wah o tr e s e a r c h t o p i ci n t h en e t w o r kr e s e a r c hf i e l d 、i sb e l i e v e dt ob et h eb e s t c a n d i d a t ef o rt h en e x t g e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r k i nt h i s p a p e r ，w ei n v e s t i g a t et h ee v o l u t i o no fe p o nu p s t r e a mm u l t i p l ea c c e s s t e c h n o l o g y i nt r a d i t i o n a lt d m a ，o l t a l l o c a t e sf i x e dt i m es l o ti ne t h e r n e tf r a m et o e a c ho n u b u tt h eb u r s t ，s e l f - s i m i l a r i t ya n dt o n g r a n g ed e p e n d e n c eo fh i g h s p e e d d a t at r a m cs u c ha si pt r a 瓶cw i l lw a s t eac o n s i d e r a b l ea m o u n to fn e t w o r kb a n d w i d t h a n dr e d u c et h en e t w o r kp e r f o r m a n c et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e u p s t r e a m m u l t i p l ea c c e s s ，w ed e s i g nan e wd 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 ) a l g o r i t h m t o s u p p o r t b a n d w i d t h a l l o c a t i o n ，m u l t i p o i n t c o n t r o l p r o t o c o l ，w h i c h c o n t r o l st h e o p e r a t i o no fa c c e s s w i t hg r a n t r e p o r tm e c h a n i s m ，w a sd e v e l o p e di nm a c c o n t r o l l a y e r o u r n e wd b a a l g o r i t h mc o m b i n i n g w i t hg r a n t r e p o r t m e c h a n i s m - - - n o v e l p o l l i n ga l g o r i t h mc a nd y n a m i c a l l ya d j u s tt r a n s m i s s i o nw i n d o w s i z ea n dd e c i d et h em a x i m a ls i z eo ft h ew i n d o w i ti sm o r ee f f i c i e n ti nu t i l i z i n gt h e u p s t r e a mb a n d w i d t h r e s o u r c e s i nt h i sp a p e r ，w ea l s od e s i g nam o d e lo no p n e t a c c o r d i n gt ot h eb a s i ce p o n s y s t e m t oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo f t h em o d e l ，w es i m u l a t ea n dt e s t i f yt h ee f f e c to f t r a f f i cb u r s t so nt h et r a d i t i o n a lt d m a s y s t e m t h e n ，w em o d i f yt h em o d e lw i t h n o v e lp o l l i n ga l g o r i t h ma n da n a l y z es o m en e t w o r ki n d e xs u c ha se n d t o e n dd e l a y ， q u e u i n gd e l a ya n dt h r o u g h p u t t h es i m u l a t i o ns h o w t h a tt h ee p o nm o d e lw i t hn o v e l p o l l i n ga l g o r i t h mp e r f o r m sb e t t e rt h a nt h a tw i t ho t h e rt r a d i t i o n a la l g o r i t h m sb a s e do n t h et h r o u g h p u t ，d e l a ya n df a i r n e s s k e y w o r d s ：e t h e r n e tp a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ； m u l t i p o i n t c o n t r o lp r o t o c o l ( m p c p ) ； d y n a m i cb a n d w i d t ha l g o r i t h m ( d b a ) ； o p n e t s i m u l a t i o n ； a c c e s sn e t w o r k 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一唰一l 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了谢意。 学位论文作者签名：盈古章栌轻字日期：洳弘年2 月2 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨杰盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：差蛩言之移每牢 导师签名学位论文作者签名： 耋毡言末移每z 导师签名 签字日期：0 符2 月2 。闩 签字日期：2 弦牛年2 月2 当f | 第一章绪论 1 。1 引言 第一章绪论 近年来，通信骨干网络技术发展迅速，人们对高速数据、高质量视频通信等 宽带业务的需求日益迫切。w d m 、d w d m 等技术的应用，将骨干网的带宽提 高到t b p s 的数量级：高速以太技术使得局域刚的用容量达到1 0 g b p s 。5 3 方瑚， 接入网的接入速率依旧停留在m b p s 。作为骨干网和用户之间桥梁的接入网技术 发展较为缓慢，成为制约整个网络的性能“瓶颈”，这就是通常称作的“最后一 公里”的问题。接入的网络化、数字化、宽带化、智能化是解决当前网络矛盾， 提高网络利用率的关键问题。目前广泛应用的宽带接入解决方案包括d s l 和c m 网络。这两种技术提高了传统铜线接入5 6 k b 的带宽，但是，显然仍不足以满足 诸如i p 电话、视频点播v o d 以及交互式电视会议等高速超大数据量业务的要求。 而且其自身网络也存在着明显的局限性，制约着接入网的发展。 光纤具有容量大，损耗低以及抗干扰性强的特点，完全能够胜任高速、宽带 的传输要求，是理想的接入网传输介质。利用无源器件构造无源光网络，以其不 占用有源节点，运行维护成本低，结构简单的特点吸引了人们的目光。1 9 9 8 年 i t u t 在( 3 9 8 3 1 建议中对“基于无源光网络( p o n ) 的宽带光接入阿”即 a t mp o n 做出了详尽的规范。由于a t m 技术与i p 不兼容以及a p o n 网络设 备复杂昂贵，人们将目光转移到让m a c 帧直接在p o n 上高速传输的e h e r n e t p o n 上，即以太无源光网络。i e e e 在2 0 0 0 年底成立了e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ( e f m ) 小组，对民_ l = j 及商用e p o n 接入网进行了研究。e p o n 通过对i e e e8 0 2 3 协议进行一些修改，以实现在用户接入网络中传输以太帧。利用以太网的优势， e p o n 成为接入网技术的热门发展方向，其协议i e e e8 0 2 3 a h 即将成为 i e e e8 0 2 3 协议中的又一重要成员。目前，一些大型的运营商和没备提供商如 c i s c o 、n o t e l 、a l c a t e l 、b r o a d c o m 等公司看好e p o n 的巨大优势，积极参与标准 化工作以及设备的研制。e p o n 正向着技术完善的新一代接入网的目标迈进。 在进行具体e p o n 研究之前，首先要明确接入网的范围和功能划分。本章 将对接入网的基本概念和现有的接入技术包括光纤接入技术进行简单的介绍，以 作为研究的背景。 第一章绪论 1 2 光接入网概况 1 2 1 接入网基本概念 接入网是电信网的一个组成部分，负责将电信业务透明地传送到用户，也就 是说用户通过接入网的传输，能灵活的接入到不同的电信业务节点上。具体而占， 接入j ) 【) 9 即为本地交换机! j 用户之间的连接部分，通常包括用户传输系统、复用设 备、交叉连接设备或用户网络终端设备。接入网建设最敏感的因素是成本，这 是因为在接入网中网络资源设备的共享性远低于核心网络，有些适用于骨l 二网和 城域刚的技术并不一定适用于接入网。为了降低成本，需要实现业务交换节点与 、i k 务接入点分离，接入网的概念也是由此产生的。i t u t 1 9 9 5 年7 月通过的最 新建议g 9 0 2 中是这样定义接入网( a n ) 的：“由业务结点接口( s n i ) 和用户 网络( u n i ) 之间的一系列传送实体( 例如线路设施和传输设施) 组成，为供给 i 乜信业务而提供所需传送承载能力的实施系统，可经由q 3 接口配置管理。”接 入网也不解释信令。通常接入网对用户信令透明，不作任何处理，可以看作是 个与业务和应用无关的传送网。接入网的主要功能是复用、交叉连接和传输，一 般不含交换功能。 图1 1 接入网的界定 幽1 - 2 接入网的一般结构 接入删可由其接口米界定。用户终端通过用户网络接口( u n l ) 连接到接入 蠡 第一章绪论 刚，接入网通过业务结点接i _ _ _ 1 ( s n i ) 连接到业务结点t s n ) ，通过q 3 接口连接到 电信管理网( t m n ) 如图1 - 1 所示。一个接入网可以连接到多个业务结点。接入 网既可以接入支持特别业务的业务结点，也可以接入支持同种业务的多个业务结 点。原则上，对接入网可以实现的u n i 和s n i 的类型和数日没有限制。 接入网的地一般结构如图1 2 所示。一般从端局到用，、1 的距离为2 5 k i n ， 新一代接入网的要求在十余千米，甚至数十千米。 1 2 2 宽带接入网的类型 宽带接入网络的发展大大地促进了宽带接入技术的发展。目前一些宽带接入 技术已经在开发或试验中，有的已经开始进入实用。以下概要的介绍这些宽带网 络按入技术，作为本课题的背景。 1 数字用户线( d s l ，d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 利用现有的已进入家庭的电话线路携载高速数据，实现数据网络接入的技 术。中，i i , 局( c o ) 在数据到达电话交换系统之前就完成数据的剥离。这样做使 得可发送的数据量大大增加，这主要是由于电话线能够发送的数据量有限，而这 时数据进入的是话音交换机而不是电话线。并且，能够将电话交换系统和干线 止 与占用时间较长的数据进行呼叫。 由于大多数用户都是下载数据而不是上传数据，所以有两种数字用户线接入 技术更适用。非对称数字用户线a d s l ( a s y m m e r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 接 入技术，和甚高速数字用户线v d s l ( v e r yh i g hs p e e dd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 接入技术。根据不同的环路长度，d s l 可以提供的传输速度从1 2 8 k b p s 到最高 5 2 m b p s a a d s l 的接入距离为最远5 5 k m ，它的最熏要特性是它能够在现有的双绞铜 线网络上以重叠的和对传统的模拟电话业务没有干扰的提供高速数据业务。此 外，由于它的高效的编码技术，使得a d s l 能够在单一一条双绞线上支持新的 宽带服务业务。v d s l 应用可抵达的距离较短，所以它不能扩展到中心局，必须 存离用户1 3 k m 的范围的结点处终结。他基本匕黾种光纤到点的架构。和 a d s l 一样，v d s l 也必须与现有的窄带业务共存。v d s l 提供二到四个信道， 速率在网络运营商的控制下，其中一个或两个下行信道，或丽个上行信道。 虽然作为宽带解决方案的d s l 将传输速度提高到1 2 8 k b p s - - 1 5 m b p s ，但是 相对于f = i 1 益丰富的i p 数据服务，以及未来网络服务的发展，显然捉襟见刖，依 然不能满足其发展的需要。 第一章绪论 c 1 a s svs v t i t c h 图1 3d s l 网络结构 2 电缆调制解调器( c m ，c a b l em o d e m ) 目前，有线电视系统的带宽容量非常大，但是却存在着一个十分明显的问题： 只能提供下行传输的信息。如今的电缆调制解调器c a b l em o d e m 在光纤和同轴 电缆混合( h f c ) 网络上能够提供超过4 0 m b p s 的上行传输信息，尽管这是有大 量的用户所共享的。 h f c 网络是频分复用网络。不同的业务分配不同的频带，各种业务频带之 间有一隔离保护带宽。各种调制解调器都有自己的保护带宽，以便不影响相邻频 率的其他业务。双向的h f c 网络带来了一些挑战性的技术问题。虽然h f c 结构 有潜在地成本效益，但是其可靠性、安全隐私、运行和维护能力都存在着不足之 处。 而且采用电缆调制解调器方式的宽带接入技术本身也存在一些技术问题。这 些技术问题主要表现在对同轴电缆质量要求很高。当一个光结点下的用户数超过 l o o 个以后，回传噪声的汇聚会让电缆调制解调器无法正常工作。而且每个光节 点所提供的由节点下用户共享的有效传输带宽小于3 6 m b p s 。美国市场之所以能 够普及c m 技术在于国情与我国4 i 同。美i 习地广人稀，光结点下的用户一般只有 几个。而刈于用户密集的国家和地区，例如我国，一个光结点下的用户数有时 超过1 0 0 0 0 。因此，在有线电视网 j 实现宽带i n t e r n e t 接入，还需要技术上提供 新的思路。 第一章绪论 3 光纤技术 随着通信网骨：f 部分的快速发展，接入网的数字化、宽带化、智能化是解决 目前网络矛盾，提高网络利用率的关键问题。传统的铜线接入方式显然无法满足 通讯业务量增长的要求。光纤具有容量大，损耗低以及抗干扰性强的特点，完全 能够胜任高速、宽带的传输要求。利用无源器件构造无源光网络，以其不占用有 源节点，运行维护成本低，结构简单的特点吸引了人们的目光。光纤接入网( o a n ) 就是采用光纤传输技术的接入网，也就是本地交换机和远端模块与用户之间采用 光纤通信，或部分采用光纤通信的系统。也可解释为共享相同网络侧接口并由光 纤按入传输系统所支持的链路群，各个用户要通过各自的链路与同一个网络侧接 口通信。光纤接入网是采用基带数字传输技术并以双向交互式业务为目的的接入 传输系统。 根据光纤接入网不同的网络拓扑结构，可分为有源光网络( a o n a c t i v e o p t i c a ln e t w o r k ) 和无源光网络( p o n p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 。 光纤接入网的主要接入形式，根据光网络单元( o n u ) 设置的位簧不同，光纤接入 技术的应用有分为f t t c 、f t t b 、f t t o 、f t t h 等。f t t c 将o n u 设置在路边 的入孔或电线杆上的分线盒处。f t t b 是f7 1 1 f r c 的变形，不同之处是o n u 直接 放在楼内，再经传输线分送到各个用户。f t t b 比f t t c 光纤化程度更进一步， 因而更适合高密度用户区。将o n u 移到用户家中或大型企业的办公室，即为 f t q l h 或f t t o 方式。f t t h 是一种全光纤网，接入网成为全透明的光网络，因 而对传输制式、带宽、波长等没有任何限制，适于引入新业务，是一种理想的传 输网络。但是，从现有网络的设置和经济学考虑，还不允许光纤直接到户的使用。 解决成本问题的有希望的技术是无源光网络( p o n ) 。 1 2 3 无源光网络 图l 一3 显示出无源网络( p o n ) 的参考配冒，其中各部分的英文缩写的含义 如下： o d n ：光分配网络o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，它是o l t 和o n u 之间 的光传输媒质，l 无源器件组成： o l t ：光线路终端o p t i c a ll i n e t e r m i n a l ，他提供o a n 网络侧接口，并且 连接。个或多个o d n ； o n u ：光网络单元o p t i c a l n e t w o r ku n i t 他提供o n a 用户侧接，并目 连接个o d n ； 第一章绢葩 适配功能； 用户网络接口； 、l 卫务结点接口； 光发送参考点； 光接收参考点： ，业务节点问的参考点； j 用户终端问的参考点； a f 和o n u 问的参考点。 固里型，k接入链路毒塑型一 幽1 - 3无源光纤接入网参考配置图 无源光网络p o n 技术作为一种点到多点的光网络在信号源和目的站之间没 有有源设备，仅仅依靠无源合路器，光耦合器以及光分路器等无源器件，实现网 络的信号传输和分配。 p o n 作为本地接入网“最后一。公里”的解决方案，其优越性越来越引 起电信业的关注： p o n 技术允许中心局和用户之间相隔更远的距离。数字用户线 ( d s l ) 本地回路中，中心局和用户之间的最大距离只有5 5 k m ， 而p o n 的操作距离可达2 0 k m ： p o n 最大限度的减少了本地交换和本地回路中的光线铺设量； 山1 二光纤的更深介入，p o n 能够提供更高的带宽； 作为一种拓扑为点到多点的网络，p o n 可以支持下行的视频广播； p o n 以光分合路器等无源器件代替了光复用解复用装置，在敷设 光缆时一步安装到位，网络安装、维护极为简单方便，更加铃约 了，- 外设备能源供应带来的消耗。 i【 时洲融艮n 扯 第一章绪论 由于消除了户外设备，p o n 网络可以_ 分方便地升级到更高比特 速率或者增加新的传输波长，以提高网络的性能。 有两种基于p o n 的传输协议，一种是异步传输模式p o n ( a p o n a t m p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k s ) ，另一种是以太网p o n ( e p o n e t h e m e tp a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k s ) 。1 9 9 9 年日本已经在光纤到达小型企业的应用环境中，1 ：始配置a p o n 。 当时美国南方贝尔公司已经在光纤入户的环境中试验a p o n ，而e p o n 则是 种h i j n 0 出现的新技术。由于e p o n 技术可以发挥以太网的很多技术、经济优势， 所以这是一种更有潜力的技术。 1 3 本论文完成的主要工作 我所开展的研究工作主要集中于设计种新的算法并对现有的调度算法进 行改进，以提高e p o n 系统中数据的吞吐量，减少数据包的延迟，并且最大限 度的使不同数据流公平的使用带宽资源。 论文主要完成了以下主要工作： 1 研究e p o n 的网络建构、工作原理以及现有的上行接入方式和带宽 分配算法，比较不同的上行带宽分配算法并且分析其优势和不足。 2 提出新的分配算法，建立其数学描述模型。l h 于上行信道带宽的分 配问题一直是影响e p o n 系统的一个瓶颈。有效的解决这个问题可 以使不同用户比如重要用户，一般用户等享受小同级别的服务，不 同的服务需要不同的带宽资源和时延要求。这种新算法能够有效的 解决e p o n 系统中上行信道的动态带宽分配问题。 3 基于描述的e p o n 网络和上行带宽分配算汪、，建立o p n e t 仿真模 型。通过仿真设计，验证模型的有效性和j l i 确性，并在模型上使用 新算法进行仿真。论文将对仿真结果进行分析并得出新算法的器j 。! j ! 指标。分午jr 结果表明新的算法无论伍数捌存进，延迟以及公甲性 等重要指标上都表现出较好的性能。同时也列新算法和其他现存的 算法进行了比较。此算法可以被应用到史际网络没蔷中向光纤到户 的用户提供保证服务质量( q o s ) 的服务。 第一章以太光源嘲络一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 第二章以太无源光网络- - 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 本章主要阐述以太无源光网络的网络结构，网络技术的演化，关键技术，难 点问题，以及和a p o n 技术的对比等问题。 2 1 引言 随着网络的不断发展，接入网的数字化、宽带化、智能化是解决目前网络矛 盾，提高网络利用率的关键问题。p o n 技术利用无源器件构造无源光网络，以 其不占用有源节点，运行维护成本低，结构简单的特点吸引了人们的目光。 早在1 9 9 8 年i t u t 在g 9 8 3 ，l 建议中对“基于无源光网络( p o n ) 的宽带 光接入网”即a t mp o n 做出了详尽的规范。a p o n 接入网系统下行传输速率 最赢仅为6 2 2 b i t s 。随着p o n 分光比的增加，光网络单元( o n u ) 数也随之增多， 每个o n u 所用带宽十分有限。i n t e r n e t 的普及使得i p 技术成为网络的主导技术， 而a t mp o n 固有的与i p 技术的不相容性使得有限的网络资源造成了极大的浪 费。而且a p o n 设备复杂昂贵。为此人们将目光转移到让m a c 帧直接在p o n 上高速传输的e t h e m e tp o n 上，即以太无源光网络。i e e e 在2 0 0 0 年底成立了 e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l e ( e f m ) 小组，对民用及商用e p o n 接入网进行了研究。 目的是在现有的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络 中传输以太帧。为实现这一目的，工作组对e p o n 的目标、优势及关键技术问 题进行了初步讨论。其标准化建议p 8 0 2 3 a h 将主要定义一下四方面内容：e t h e m e t 基于铜线：e t h e m e t 基于点到点( p 2 p ) 光纤；e t h e r n e t 基于点到多点( p 2 m p ) 光纤：控制管理和维护( o a m ，o p e r a t i o n s 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 ) ，其 中点对多点( p 2 m p ) 是在e p o n 基本拓扑结构下，对其较底层网络物理层 ( p h y ) 和m a c 层的讨论。 2 2e t h e r n e tp o n 的主要优势 概括地讲，e p o n 相对于现有的类似技术的 i 要优势集； 往 ( 1 )与现有以太刚的兼容性： 以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域删技术。e p o n 是对现有的 i e e e s 0 2 - 3 协议作一定补充，基本上是与其兼容的。考虑到以太网的市场 第一章 以太无源嘲络一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 优势，p o n 与以太网的兼容性是其最大的优势之 。 ( 2 ) 高带宽： 根据目前的讨论，e p o n 的下行信道为百兆千兆的广播方式而上行信 道多个用，o 共享百兆干兆的信道。这比目前的接入方式，如m o d e m ， i s d n ，a d s l 乃至a t mp o n 下行6 2 2 1 5 5 m b i f s ，上行共享1 5 5 m b i t s 都要 高的多。 ( 3 ) 低成本： 首先，山于采用p o n 的结构，e p o n 网络中减少了大量的光纤和光器件， 以降低了预先致富的设备资金和与s o n e t 、a t m 有关的运营成本。其次， 以太网本身的价格优势，如廉价的器件和安装维护使e p o n 具有a t m p o n 无法比拟的低成本优势。 ( 4 ) 为灵活和快速的服务重组提供了方便： 提供_ 多层安全，例如限制用户、支持虚拟专用网的v l a n 、i p 安全等。 e t h e m e tp o n 的经济学观点非常简单，光纤是传输数据、视频和语音业务最 有效的介质，拥有几乎无限的带宽。但是对每一个用户与中一t 5 局之间实现点对点 光纤连接，在光纤的两端安装有源设备，在中心局实现所有光纤连接的管理，其 费用极其巨大，无法承受。e t h e r n e t p o n 避免了点对点的弊端，转而采用点对多 点的拓扑结构，不需要诸如再生器、放大器、和激光器等电子设备，减少了中心 局使用的激光器的数量。 点对点光纤技术适用于城域网和长距离应用，e t h e m e tp o n 适用于接入网 的特殊需要。e t h e m e tp o n 比其他的接入网技术更为简单、有效，费用更加低廉。 e t h e r n e tp o n 将光纤延伸的到摄远2 0 公里，并且获得高性能，高可扩性，低维 护费用的端到端光纤网。 e t h e m e tp o n 最关键的优越性在于允许运营商放弃复杂昂贵的a t m 和 s o n e t 器件，从而使网络大为简化。传统的电信网使用多层结构，i p o v e r a t m 、 s o n e t 和w d m 。这种结构的网络要传输i p 业务，则需要使用a t m 交换机米 构成虚链路使用分插复用器和数字交叉连接设备管理s o n e t 环和点对点 的w d m 光连接。点对点的光纤接入与e t h e m e tp o n 的比较列于下表。 表2 1 对点光纤接入和e p o n 网络的对比 【点对点光纤接入 e t h e r n e tp o n 点对点结构t l 对多点结构 每条光纤端点和，1 ，消除了有源电子部件，不需要存户外敷设再生器，放人嚣等 外敷设现场需要有有源电1 7 设备，取而代之的是无源光祸合器，维护简学，使 沥 f ur 部俐= j 寿命长 每个用户在c h 心- 3山于从多达6 4 个光网络单兀( o n u ) 来得传输，无源耦合 c o 中需要使用单进入一条光纤( 从i 临近分界点回教服务提供商提供的c o 或 独的光纤端【lp o p 端) ，所以在c o 节省了光纤和端r 空问 铒个用，o 都需要使多个用户共刚分享昂贵的光线路终端( o l t ) 的有源电子器 用目；贵的有源电子件和激光器 部件 a t m s o n e t 的结构有很多限制： ( 1 )l 如丁a ，1 、m 通路中每一个网元都必须支持所有业务，网络实现比较困 难。 ( 2 ) p o n 的结构适用于t d m 话音而不是数据，因此固定带宽信道处理突 发数据业务有困难。 ( 3 )矗：每一个网络结点都需要进行光一电一光的转换，效率低，费用昂贵 ( 4 ) 吲为每个结点部是再生器，要求每个结点都有前端。 ( 5 ) 使用而相连接的虚链路，网络不易扩展。 表2 1 2 总结厂不同的数掘链路层技术的主要优缺点。 0 表2 - 2 不问数据链路技术的比较 数据链路优势缺点 s o n e t 强大的容错纠错能力、大量现有网设备昂贵，不适宜本地刷川i 络基础路使用；数据传输效率较低 易j ：在o n u 和o l t 实现q o s 机制， 在用户端和网络端需要进行协 a 1 m 保讧e 实时语音、视频的传输议转换，以实现用a 1 m 信元传 输l p 数据。埔加1 了删络刺瞍备 的开销 方便的传输i p 数据；网络硬件应f ； j e t h e r n e t1 泛且价格低廉：极具吸引力的高 增加实时业务的q o s 技术 速传输( 1 0 0 m b p s ，1 g b p s ，1 0 g b p s ) 2 3 e p o n 网络的体系结构 2 3 1e p o n 的网络拓扑 一般来讲，通信嘲有以下| 三种基本的拓扑结构：星形、总线型、环形。光纤 按入网的拓扑结构主要取决于经济和技术冈素，有时可能卜述任何种结构都不 能完全适应实际情况，因而会有几种基本结构联合组成网络拓扑。接入网是实现 从中心局到众多用户的点对多点数据传输。有多种网络拓扑结构使用_ 这种点对 多点的数据传输，比如树形、环形、总线形等等。 无源光网络( p o n ) 用l ：2 光分接耦合器( o p t i c a lt a pc o u p l e r ) 和l ：n 的光 分路器( s p l i t t e r ) 能够灵活的构成以上这些网络拓扑。 e p o n 的拓扑结构包括基于p o n 的树形( t r e ep o n ) 、翟形( s t a rp o n ) 、珥 彤( r i n gp o n ) 、总线形( b u sp o n ) 。如图2 、1 所示。 卜露 ”贸 泅 嘲m 霄 树形拓孙 卿卜弋l r = 牛 俾侧 ” 呻唧蛔 l 5 i ；i 总线形拓扑 幽2 1p o n 的拓扑结构 环形拓扑 星形拓扑物理i - 1 树形类似，且具柯总线型的逻辑特点。搭建一个无源的讣 形网络很困难，吲为仅仅依靠无源器件几乎不可能剔除已经循环过一周的“过期” 信号。总线形结构r ， 以避免这个问题，但是无论是总线形还是环形结构，确定无 源器件的功分比始终是个难题，导致网络失去灵活和经济的特性。树形结构摆脱 了以上问题，凶此适合1 ：本地回路的应用。 不但如此，m 于p o n 上所有的传输都在o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 和 o n u ( o p t i c a l n e t w o r ku n i t ) 之i 1 完成，所以在下行方向( 从o l t 到o n u ) 是 点到多点的p o n 网络：上行方向( 从o n u 到o l t ) 是多点到点的p o n 网络。 从传输的角度来看，可以证明，在树形结构的上得出的结论同样适用于其他结构。 因此人部分网络分析都以典型树形网络结构为分析对象。而且，在上一节的时论 中，我们看剑，x 到多点的树形结构十分适合接入网的工作方式。因此，在e p o n 的讨论中，我们采用如下的树形结构作为分析的基础，以保证得出结论的有效性 和般陀。 0 l i i | 4 h2 1e p o n 树形拓扑 2 3 2e p o n 网络的结构 无源光网络丰要由- 部分组成：光线路终端( o u y ) 、无源分路器和刚络单 元( o n u ) 。o l t 是本地交换节，i ，将光接入网与i p ，a t m 或者s d h 的骨网 连接起来。而o n u 是l i | 1 1 、c 中的控制节点或f t t h 、f t t b 中的用j 、- 终端，提供 宽带语音、数据和视频的服务。，o l t 和o n u 通过无源光分路复用器在图2 1 中 的s 点相连，以全双工模式传输8 0 2 3 m a c 帧。e p o nf 行方向为点对多。 晌数 据传输，采 】8 0 2 3 广播l ：作方式。在1 5 5 0 ( 15 1 0 ) n m 信道h 以太帧由o l t 经过1 ：n 光分路器( 分路比在l ：4 到1 ：6 4 之间) 到达各个o n u ，接收端o n ul j m a c 层地址解析提取自己的数据包，丢弃其他数据。卜行方向为多点列点的数 据传输，多个o n u 复用l ：行13 1 0 n m 信道，完成数据的传输。选用何科r 复用接 入技术、如何确定其实现方式有效地解决o n u 之间的碰撞问题使网络参数达到 设计要求，是完成整个e p o n 网络设计和影向整个接入网工作性能的关键划题。 2 3 3e p o n 网络中的有源部件 o l 。i o l l 4 立于业务提供者* j p o n 之n _ j j ，它与w a n 的典型接口有以下几种： s t m l 接口，通过它将非交换式t d m 业务传输到电话网络： i 吾音网关，通过它将本地交换式t d m 语音业务传输到公共交换电话 ( p s t n ) ： i p 路山器或a t m 边缘交换机，通过它直接将数据业务传输到核心数据网 络： 视频网络设备通过它将视频业务传输到核心视频网络。 0 i 。t 的荚键技术i ! ；以下几个方两： o w a n 的多 l k 务接： 与p o n 的g b i t 接| j ： l 一2 8 h l 一3 交换和路【选择： 业务质缝控a i l ( q os ) , t l 业务级协议： 、i p 务汇集。 o n u o n u 提供用户业务$ 1 7 p o n 之m j 的接11 。它的基本功能址接收承载业务的下 行光信号，并且将它转变为用户所需要的以太网、i p 、p o7 f s 和e i 等格式。对于 e p o n 来说，个独特的特点是o n u 要提供i 。 1 和l2 交换功能，口在o n u 内 完成业务的内部路由功能。e p o n 也能够使朋第二个波长分发c a t v 模拟信号和 i p 视频信号。由于e p o n 用1 二f i t b , f 1 f t t h ，每个用户使用个o n u ，所以o n u 的设计和费用就是个关键的问题。 o n j 的关键技术有以下几点： 用户接1 技术，接口有p o q 、s 、e 1 、s t m 1 、1 0 1 0 0 b a s e t 、i p s w 其 它波长的业务等； l - - 1 、l 一2 交换和路山功能； 提供从6 4 k b s - - 冉至i i gb s 数据业务： 初始费用要低，以后扩充也要容易： 标准的以太网接口，不再需要d s i 。或电缆调制解调器。 2 3 4e p o n 网络的工作过程 e p o n 和a p o n 之间的关键4 i 同之处在于，e p o n 巾数据是根据8 0 2 3 以太 网协议以变长信息包的形式传输的，信息包最长可为15 1 8 宁节：而在a p o n 中， 数掂是按照a t m 协议的说明，以定长的单元传输的，每个单7 i 长度为5 3 字节， 其中有4 8 个字节的有效数据，5 个标题字节。a p o n 的格式本身表明它在传送 i p 格式化的信息时，是困难和低效的。i p 要求数掘分段为变长的信息包，信息 包的最大长度为6 5 5 3 5 字节。为了让a p o n 传送i p 交易，信息包必须分解为4 8 7 节长的信息段，而且每段还需带有5 个字节长的标题头。这一过程既耗时又复 杂为o l t 和o n u 增加了额外的丌销和代价。而l l 没4 8 字节的一段的就有5 个字节的带宽被浪费，产生了沉重的开销。与此相反，以太网是专门为i p 交易 制定的，与a t m 相比大大的减少了网络开销。 e p o n 的| j 【) 4 络结构决定了，e p o n 从o u f 到多个o n u 的下行数据传输过程， ，从多个o n u 到o l t 的上行传输数据过程根本不酬。 在e p o n 的卜行方向，如图2 3 ，数据以变长信息包的形式从o l tf 行广播 剑多个o n u ，信息包的最大艮度为1 5 1 8 字节。依掘的是i e e e8 0 2 _ 3 协议，每个 悟恩包带有个包又信息，唯标识浚信息包的日的o n u 。而且某些信息包还 可能是发给所有的o n u 的( 广播信息包) 或发给特定的o n u 组的( 多播信息 他) 。在光分路器。p 将信号分为相互独立的n 路信号，每利，信号加载宵所有o n u 信息包的全部内容。、当数掘到达o n u 时它接收属r 自己的数据包，丢弃其它 的数据包。 存e p o n 的k 行传输方阳，如矧24 ，使用| i d m a 技术如何将多个o n u 的上 行信息组织成一个t d m 信息流他送到( ) l k 我t f 】知道，存1 d m a 技术中将合路 【j 寸隙分配给每个o n u ，每个o n u 的信0 侄经过小m 长度的光纤( 0 i 同的时延) 传输 后，进入光分配器的共用光纤、矿好。j ，据分配给它的。个指定时隙，以避免发生 十 j 吒碰掩十扰。自关e p o n 上行接入投术的研究是本文的重点，我们将在后续的 章节中详细分析上行信道复j 、接入技术的选择，以及改进力玉等内容。 幽2 - 3e p o n 刚络r i 【：作永意幽 倒：4e p o n 蚓络上盯l m 示意蚓 蚺章虬太t | _ ( 一一tf l l e r n e tp a s s co p t i c a jn c t 、“ 2 3