（通信与信息系统专业论文）epon的带宽管理的研究与实现.pdf

摘要 随着用户对于高速率多媒体业务的需求的增加，接入网现有的解决方案和用户需 求之间的矛盾日益加大，接入网已成为大容量局域网和骨干网之间的瓶颈。正是在这 种大环境下，人们开始越来越多的关注能够提供高速率、大容量接入的无源光网络 ( p o n ) ，其典型应用有e p o n 、g p o n 等。 以太网无源光网络( e p o n ) 系统是一个点到多点的结构。由于多个0 n u 共享传输 媒质，一般采用时分多址接入方式来解决上行信道竞争的问题，因此如何对带宽进行 有效的管理则成为e p o n 系统的一个热点问题，本文即针对该问题进行了深入的探讨。 本文首先介绍了i e e e 8 0 2 3 a h 协议，概述了e p o n 的树形拓扑结构、组成e p o n 系统的两个重要组件o l t 和o n u 的基本功能以及e p o n 系统的关键技术，并重点 分析了e p o n 的层次模型，着重对m p c p 协议进行了描述。然后对于e p o n 系统的 q o s 需求进行了分析，并且对于动态带宽分配算法进行了研究。并且在分析经典的动 态带宽分配算法的基础上，并结合q o s 的需求，重点介绍了基于两级轮询机制的d b a 算法。最后在结合该算法的基础上，将e p o n 系统的带宽管理的实现分为o n u 侧的 实现和o l t 侧的实现。在o n u 侧主要实现了对于不同优先级的业务的调度以及其各 个队列长度状态的上报功能，其中重点讨论了业务的调度算法的实现；在o l t 侧则 主要完成了对于上行带宽在不同l l i d 之间的动念分配的实现，其中深入研究了动态 带宽分配算法的实现。 关键词：e p o n ；m p c p 协议；带宽管理；动态带宽分配；业务调度 武汉邮电科学研究院硕十论文 a b s t r a c t w i t ht h es h a r p l yi n c r e a s i n go ft h ed e m a n df o rh i g h s p e e da n dm u l t i m e d i as e r v i c e s ， t h ee x i s t i n ga c c e s sn e t w o r ks o l u t i o nc a l ln o tm e e ts u c hd e m a n do ft h ec o n s u m e r s ，a n dt h e a c c e s sn e t w o r ki sg o i n gt ob et h ec h o k ep o i n tb e t w e e nl a r g e c a p a c i t yl a na n dt h ec o r e n e t w o r k u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ，t h e h i g h - s p e e da n dl a r g e c a p a c i t yp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r kh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nt o ，i n c l u d i n ge p o na n dg p o n t e c h n o l o g i e s e p o ni sap o i n tt om u l t i p o i n ts y s t e m i ne p o ns y s t e m ，a l lt h eo n u ss h a r et h es a m e p h y s i c a lm e d i u m ，s oi tl e a d st ot h ec o m p e t i t i o nf o rt h eu p s t r e a mb a n d w i d t h t d m ai s i n t r o d u c e dt os o l v es u c hp r o b l e m ，a n de f f e c t i v em a n a g e m e n to ft h eb a n d w i d t hb e c o m e sa h o t s p o ti n e p o nr e s e a r c h i nt h i s a r t i c l e ，b a n d w i d t hm a n a g e m e n ti sd i s c u s s e d p e n e t r a t i n g l y t h i st h e s i si n t r o d u c e si e e e 8 0 2 3 a hp r o t o c o l ，e p o nt o p o l o g y , t h em a i nf u n c t i o no f t w oi m p o r t a n tc o m p o n e n t s ( o l ta n do n u ) a n dc r u c i a lt e c h n o l o g i e si ne p o ns y s t e m t a k e nt h e s ea st h ef o u n d a t i o n ，e p o np r o t o c o lh i e r a r c h ya n dm p c p p r o t o c o la r ed e s c r i b e d a se s s e n t i a lc o n t e n t t h e n ，q o sa n dd b aa l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e d b a s e do na b o v e p r e s e n t a t i o n ，t h i st h e s i sf o c u s e so nat w o l e v e l - p o l l i n gb a s e dd b aa l g o r i t h m c o m b i n e d w i t hs u c hd b a a l g o r i t h m ，b a n d w i d t hm a n a g e m e n ti ne p o ns y s t e mi sd e v i d e di n t ot w o p a r t s t h ef i r s tp a r ti st h es e r v i c es c h e d u l e ra n dq u e u e s s t a t u sr e p o r t i n gi ne p o no n u i n t h i sp a r t ，i m p l e m e n t a t i o no fs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi st h o r o u g h l ya n a l y z e d t h es e c o n dp a r t d i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no fd b aa l g o d t h r ni no l t , a n dd i s c u s s e st h e i m p o r t a n t m o d u l e si ni t k e yw o r d s ：e p o n ( 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 ) ：m p c p ( m u l t i p o i n tc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) ；b a n d w i d t hm a n a g e m e n t ；d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ) ；s e r v i c e s c h e d u l e r ： 武汉邮电科学研究院硕+ 论文 第1 章绪论 接入网作为连接用户本地网和城域网骨干网的纽带，随着用户对带宽需求的增 加，接入网技术总体上将朝着高带宽方向发展。与此同时，用户需求的多样化则决定 了宽带接入将长期呈现多种接入技术的融合与协调发展的局面。由于光纤的高带宽的 特性，因而接入网“光进铜退”的趋势已经得到包括运营商在内的广泛认同【，光接 入网技术将成为下一代接入网主要采用的技术之一。 本章通过对宽带接入网技术的现状以及发展趋势进行介绍，分析目前接入网技术 的问题，引出光接入网技术的必要性，同时对光接入网技术的基本原理以及发展方向 进行了讨论。在本章的最后对本课题的研究意义、目的、主要内容以及创新点作出了 说明。 1 1 接入网技术的现状及发展趋势 目前网络发展的现状是两头宽中间窄的一个局面，即用户本地网、城域骨干网接 入速率高，接入网的接入速率低。可见，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”。 1 1 1 基于电话网用户线的a d s l 接入技术 首先以现有应用丰富的x d s i 。技术为例，x d s l 技术从最早应用开始，到目前已有9 年的时间，随着网络业务的发展一直在不断地改进。从1 9 9 9 年第一代a d s l 标准诞生丌 始，a d s l 2 + ，v d s l 等技术逐渐趋于成熟走向商用，a d s l 2 + 技术经过几年的发展，已发 展成熟并逐步取代传统a d s l 技术，成为目前主流的宽带接入技术。a d s l 2 + 在2 k m 范围 内可提供i o m 以上的下行带宽，目前可以满足多数宽带业务的需要。 虽然标准一直在更新与进步，但是现在业务的发展使技术又面临了新的问题。以 数字电视为例，采用m p e g 编码方式的数字电视对于网络带宽要求非常严格，要提供 接近d v d 质量的画面至少需要2 m b i t s 以上的带宽，高清视频聊天、大型网络游戏、 g b 级文件下载，没有5 m b i t s 以上的带宽根本就不能达到流畅的效果，而对于像h d t v 这种更高需求的网络应用，则至少需要l o m b j t s 以上的带宽才能保证传输的质量。 武汉邮电科学研究院硕+ 论文 对于用户而言，对数据传输速率、服务质量以及安全性的要求也快速推动其对宽 带的需求，在芯片商、设备商和运营商的共同推动下，伴随a d s l 2 + 技术同趋成熟的 同时，支持高速接入的d m tv d s l 技术有了新的进展，以d m t 调制v d s l 2 标准为例： 它可以支持高达1 0 0 m 的双向对称速率，并能与a d s l 、a d s l 2 + 及d m t 调制的v d s l l 兼 容，将是d s l 技术的发展方t 2 1 。 需要指出的是，在长距离情况下( 大于1 5 k r n ) ，由于高频衰减十分严重，v d s l 2 传输性能与a d s l 2 + 相当，但由于v d s l 2 芯片需要处理比a d s l 2 + 芯片高得多的频 谱，其成本高于a d s l 2 + ，在长距离应用环境下v d s l 2 技术没有优势。总之，a d s l 2 + 将用于长距接入，v d s l 2 主要用于短距高速接入，两种技术将互为补充，在未来几 年内a d s l 2 十d s l 2 技术仍是主流的宽带接入技术。 1 1 2 基于有线电视网的h f c ( 混合光纤同轴网) 宽带接入 h f c + c a b l em o d e m 的接入方式可以充分利用现有丰富的有线电视网资源。在有 线电视网所能延伸到的地方，都可以推广h f c + c a b l em o d e m 的接入方式。这种接入 在人口密集的地方较容易实现，相对成本也小。人口相对密集的小区，每个光点用户 量在2 0 0 户左右效果比较好。具体实现需要基于双向的有线电视传输网络，工程实现 需要的时间要跟据网络的规模和复杂情况而定，用户要有c a b l em o d e m ，并在有线电 视前端加上一套c a b l em o d e m 的头端设备，经电视管理人员的配置，用户即可通过该 设备上网。h f c + c a b l em o d e m 接入方式的不足之处是：在接入和主干问需要模数转 换，带宽共享随容量增加而指标变坏，同轴电缆部分为树状结构，容易产生噪声积累， 影响系统质量；下行和上行频率存在干扰，滤波技术难度大。 1 1 3 无线接入方式 伴随着互联网的蓬勃发展和人们对宽带需求的不断增多，原来羁绊人们手脚单 一、烦人的电缆和网线接入已经无法满足人们对接入方式的需要。这时，因势而起的 另一种联网方式悄然走入了人们视线，并正在演绎着一场“将上网进行到底”的运动， 这就是无线接入技术。借助无线接入技术，无论在何时、何地，人们都可以轻松地接 入互联网。 2 武汉邮电科学研究院硕十论文 其中，w i f i 发挥了至关重要的作用。w i f i 代表了“无线保真”，指具有完全兼容 性的8 0 2 1 l 标准i e e e 8 0 2 1 1 b 子集，它使用丌放的2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据 传输速率为l1 m b p s ，也可根据信号强弱把传输率调整为5 5 m b p s 、2 m b p s 和i m b p s 带宽。无障碍直线传播传输范围为室外最大3 0 0 米，室内有障碍的情况下最大1 0 0 米，是现在使用的最多的传输协议。 同样，w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波接入互操 作性) 也是目前瞩目的热点技术，它是一种基于i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准的宽带无线技 术。最初该技术的目的在于统一固定无线接入的空中接口，基于8 0 2 1 6 e 的第二代 w i m a x 是支持移动特性的标准。w i m a x 建立在i p 技术之上，顺应了宽带移动化发 展大势，有着众多其他无线通信技术所不具有的优势。首先，在理论上，w i m a x 能 实现的5 0 公里的信号传输距离，网络覆盖面积是3 g 发射塔的l o 倍，可以大大降低 运营商的c a p e x ( 资本支出) 。其次，w i m a x 最高可以7 0 m 的接入速度，这个速 度是3 g 所能提供的宽带速度的3 0 倍，是h s d p a 的5 倍。w i m a x 提供游牧式移动接 入服务，利用w i m a x 的广覆盖性解决光纤难以覆盖的郊区、农村接入问题等。 需求决定了市场的发展，不受任何约束随时随地访问互联网不再是梦想，无线接 。 入技术作为一种新兴的接入技术，很少见到哪种i t 技术或是产品能够象它这样有如 此迅猛的增长势头，其将作为有线接入的一种补充手段，为人们提供更便捷、更灵活 的接入方式。 1 1 4 光纤接入方式 作为全业务宽带网络的重要部分，宽带接入网络j 下在发生深刻的变化。今天占据 宽带接入市场中主导地位的a d s l 已经不具备竞争优势，接入网“光进铜退”的趋势 已经得到包括运营商在内的广泛认同，光接入技术将成为下一代接入网主要采用的技 术之一。新一代的光接入网将取代以铜缆为主的x d s l 技术，将成为最后一公里的终 结者f 3 l 。 早期的窄带p o n 是基于t d m 的，性能价格比低，已经自然消亡。a t m 无源光网 络宽带无源光网络( a p o n b p o n ) 可以利用a t m 的集中和统计复用功能，再结合 无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使性能价格比有很大改进，在美国和同 3 武汉邮电科学研究院硕十论文 本等国已经开始商用，在日本已经敷设了约5 0 万线。然而，目前实际a p o n b p o n 的业务适配提供却很复杂，业务提供能力有限，数据传送速率和效率不高，成本较高， 其市场前景由于a t m 的衰落而变得很不确定。从长远的业务发展趋势看，a p o n 的可 用带宽仍然不够。 近几年随着i p 的崛起和发展，有人提出了以太网无源光网络( e p o n ) 的概念，即 在与a p o n 和b p o n 类似的结构和g 9 8 3 的基础上，设法保留其精华部分物理层 p o n ，而用以太网代替a t m 作为链路层协议，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叫p o n 。e p o n 是几种最佳的技术和网络结构的结 合。e p o n 采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。随 着i p 技术的不断完善，大多数的运营商已经将i p 技术作为数据网络的主要承载技术， i p e t h e m e t 应用占到整个局域网通信的9 5 以上，e p o n 由于使用上述经济而高效的 结构，将成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。 2 0 0 1 年，在i e e e 积极制订e p o n 标准的同时，全业务接入网络( f s a n ) 组织开始发 起制订速率超过lg b p s 的p o n 网j 络标准g p o n 。随后，i t u t 也介入到这一新标 准的制订工作中来，并于2 0 0 3 年1 月通过两个有关g p o n 的新标准g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 ( 速 率提高到2 5g b p s ) 。按照这一最新标准的规定，g p o n 可以提供1 2 4 4 g b p s 和2 4 8 8 g b p s 的下行速率以及所有标准的上行速率，传输距离至少达至u 2 0 k m ，具有高速高效传输 的特点。而且g p o n 还在传输汇聚层采用了一个全新的标准g f p ，这是一种可以透明 高效地将各种数据信号封装进现有网络的、开放的、通用的标准信号适配映射技术， 可以适应任何用户信号格式和任何传输网络制式，全面体现了业务提供商对业务提供 的灵活要求。 当然目前的接入方式不止这些，从目前的宽带接入方式综合来看，技术上比较成 熟的主流技术为以上四种。其中又以光接入网最为抢眼，我国现在也已开始了e p o n 网络的敷设。可以预见将来的接入网将以光接入网为主要的接入方式，其他各种接入 技术作为辅助方式为人们提供带宽更高、业务更丰富的服务。 1 2 宽带光接入网概述 宽带光接n 网( b r o a d b a n do p t i c a la c c e s sn e t w o r k ，b o a n ) ，以采用全程光纤或者 4 武汉邮电科学研究院硕十论文 骨干光纤及末端盒属线或无线上的宽带承载技术所支持的高带宽传送能力，提供与业 务网络的功能和协议协调的接口，具备q o s 保证、安全以及必要的处理能力，具备支 持现有宽带业务、窄带业务以及扩展支持未来业务丌展所需的承载能力，支持多业务 接入业务的快速部署、可以降低网络建设和运营维护成本。 宽带光接入网具有以下主要特征： 1 ) 全程以光纤作为传输媒质，或者以光纤作为主干传输媒质，以金属线或无线 作为用户末端传输媒质； 2 ) 具有高带宽、长距离的传输能力； 3 ) 支持多业务接入，包括各种窄带业务、宽带业务以及上述业务的同时接入， 并具有对未来业务的扩展支持能力； 4 ) 支持i p 作为上层业务的承载，可以作为下一代网络的接入层网络； 5 ) 支持接入网络的平滑演进。 宽带光接入网具有很多应用类型，我们统称为f 1 r x 。对于各种应用类型，为了 避免混淆，统一定义了以下四种标准类型： 1 ) 光纤到交接箱( f t t c a b ) 、二 光纤到交接箱是宽带光接入网的典型应用类型之一，其特征是：以光纤替换传统 馈线电缆，o n u 部署在交接箱即f p 处，o n u 下采用其他介质接入到用户( 例如用现有 的金属线或者无线) ，每个o n u 典型支持用户数为1 0 0 多户到1 0 0 0 户左右。英文沿用 i t u t 术语为f i b e tt ot h ec a b i n e t ，缩写f t t c a b 。 2 ) 光纤到楼字分线盒( f t t b c ) 光纤到楼字分线盒是宽带光接入网的典型应用类型之一，其特征是：以光纤替 换用户引入点之前的铜线电缆，o n u 部署在传统的分线盒( 用户引入点) h o d p ( d i s t r i b u t i o np o i n t ，分配点) 处，o n u 下采用其他介质接入用户，如现有的金属线或无 线，每个0 n u 典型支持用户数为1 0 多户：至f 1 0 0 户左右。英文沿用i t u t 的规定为f i b e r t o t h eb u i l d i n g c u r b ，缩写f t t b c 。 3 ) 光纤到公司办公室( f t t o ) 光纤到公司办公室是宽带光接入网的典型应用类型之，其特征是：仅利用光 纤传输媒质连接通信局端和公司或办公室用户的接入方式，引入光纤由单个公司或办 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 公室用户独享，0 n u o n t 之后的设备或网络由用户管理。英文沿用i t i j - t 的术语为 f i b e rt ot h eo 匝c e ，缩写f t t o 。 4 ) 光纤到家庭用户( f 砌) 光纤到家庭用户是宽带光接入网的典型应用类型之一，其特征是：仅利用光纤传 输媒质连接通信局端和家庭住宅的接入方式，引入光纤由单个家庭住宅独享。英文沿 用i t u t 的术语为f i b e rt ot h eh o m e ，缩写f 删。 光纤接入网根据中继光器件的类型又可划分为无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ) 和有源光网络( a o n ，a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，其中无源光网络p o n 发展更 快些。在光接入网中，如果光配线i 网( o d n ) 全部由无源器件组成，不含任何有源节点， 这种光接入网就是p o n 。p o n 技术始于2 0 世纪8 0 年代初，目前市场上的p o n 产品按采 用的技术，主要分为a p o n b p o n ( a t mp o n 宽带p o n ) 、e p o n ( 以太网p o 和 g p o n ( 吉比特p o n ) j l 种【4 l 。 p o n 网络的突出优点是消除了户外的贵重的有源设备，所有的信号处理功能均在 交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金可以等到 用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小， 但它造价低，无需另设机房，维护容易，因此这种结构可以经济地为居家用户服务。 1 3 本课题研究的意义、主要内容及创新点 p o n 的架构主要是将光纤线路终端设备o l t 下行的光信号，通过一根光纤经由无 源器件s p l i t t e r ( 光分路器) 分路传送给各用户终端设备o n u o n t 。p o n 的这种树状网络 拓扑与环形骨干网络配合非常有利，是光纤进入用户驻地( f t t p ) 最有效的网络解决方 案，由于节省大量骨干光纤资源，长远看是光纤化接入的理想选择之一，适合大多数 用户的普遍接入，末来潜在市场很大。 p o n 的复杂性在于信号处理技术。本文通过对现有发展比较好的两种p o n 技术 即e p o n 和g p o n 进行比较说明，并根据本人在实际工作中的项目需求，选取了e p o n 的带宽管理作为研究的主要方向。由于e p o n 采用p o n 的一点对多点的树状拓扑结 构，在下行方向上，交换机发出的信号是按广播式发给所有的用户；上行方向由多个 o n u 共享信道资源：各个o n u 的数据帧通过复用方式传至o l t ，由于无源光合路 6 武汉邮电科学研究院硕十论文 器光分路器的定向性，各个o n u 的数据帧只会到达o l t ，而不是其他的o n u 。从 这种意义上讲，e p o n 在上行方向上类似点到点网，但它又于真j 下的点到点网络不同， 来自不同o n u 上行数据流可能会发生碰撞，因此必须为它找到一种合适的多址接入 技术来避免数据碰撞，使o n u 合理共享上行信道资源。从目前的研究情况来看，大 多数方案使用了d w d m + t d m a 的复用方法，d w d m 的使用是发展的趋势，但是取 决于光器件的发展。因此本文主要讨论的是t d m a 的实现方法，即如何通过带宽管 理来提高上行信道的带宽利用率，减小时延和时延抖动。 带宽管理中的核心为采用何种算法来进行带宽分配。带宽分配又分为：静态带宽 分配和动态带宽分配。静态带宽分配即为o n u 固定分配时隙大小，其优点是容易实 现，但是其缺点则是带宽利用率不高，即分配给轻负载的o n u 的带宽不能被重负载 的o n u 所利用。而动态带宽分配则具有业务透明，高带宽利用率，低时延和时延抖 动，公平分配带宽，健壮性好，实时性强等特点成为研究的热点问题。 本论文的内容包括了以下方面： 彳 1 ) 概述了目前比较热门的接入技术，其中包括：基于电话网的a d s l 接入；基 于有线电视网的h f c 接入；无线接入以及光纤接入四种接入方式。并且对宽带光接 入网的优势以及典型应用进行了阐述。 2 ) 对e p o n 和g p o n 两种千兆无源光网络技术进行了介绍，主要讨论了这两种 技术的标准化进程，并对三种技术的特点进行了说明。在此基础上对目前应用较多的 e p o n 和g p o n 的主要参数进行了比较，通过两种技术的不同特点，做出了详细分析。 3 ) 根据目前实习所在的项目，选取e p o n 作为研究方向。拙述了e p o n 系统的 拓扑结构，并对e p o n 的协议层次进行了详细的介绍。由于e p o n 点到多点的网络 拓扑结构决定了其系统的复杂性，因此对于e p o n 系统中涉及到的关键技术进行了介 绍。 4 ) 对e p o n 系统的q o s 需求进行了分析，并且介绍了三种经典的动态带宽分配 算法：i p a c t 算法、b g p 算法以及周期性间插轮询算法。并分析比较了现有的各种 算法的优缺点，提出了在具体实现过程中应用的一种算法：基于两级轮询的动念带宽 分配算法。 5 ) e p o n 系统的带宽管理分为o l t 侧的动态带宽分配以及o n u 侧的业务调度 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 和队列信息上报。基于以上两个部分对e p o n 系统的带宽管理的实现进行了详细的介 绍，并对实现时采用的f p g a 芯片进行了一定的介绍。 我们知道，在实际的光接入系统中，各个o n u 根据s l a ( 服务水平协议) 的不 同，对系统的带宽需求也是不完全相同的。本文的创新点在于：目前针对e p o n 系统 中的动态带宽分配算法的研究很多，本文从e p o n 系统各种不同业务的q o s 需求分 析入手，介绍了现有的一些动态带宽分配算法，并且提出了一种合适的动态带宽算法： 基于两级轮询机制的动态带宽分配算法，同时将e p o n 系统带宽管理进行了合理的划 分，将其划分为o l t 侧实现和o n u 侧实现，并最终从f p g a 实现的角度，对带宽管 理的主要功能模块进行了设计。 第2 章无源光网络( p o n ) 技术介绍 i t u - tg 9 8 2 建议提出了一个与业务和应用无关的无源光网络功能参考配置，如 图2 1 所示。该功能参考配置描述了构成光纤接入网的功能单元配置及其连接关系。 参考点s r 和p u s ( s 为光纤上位于o l t 下行o n u 上行光连接点之后的点，r 为光纤上位于o l t 下行o my 上行光连接点之前的点) 处的接口被定义为i f v o n 。这 是一个p o n 特定接口，该接口支持在o l t 和o n u 之间进行传输的所有必须的协议 元素。 图2 1 中从右边给定网络接n ( s n i ) 至u 左边单个用户接n ( o n i ) 之间的传输手段的 总和称为接入链路。通常，接入链路的用户侧和网络侧功能有很大不同，因而是非对 称的。从功能上讲，光接入传输系统可以看作是一种用光纤作为具体实现手段支持接 入链路的传输系统。于是，o a n 可以看成是共享同一网络侧接口且由光接入传输系 统支持的一系列接入链路。 接入链路由一个o l t 、至少一个光配线网o d n 、至少一个光网络单元o n u 及 其适配设施a f 组成，可能包含若干与同一o l t 相连的o d n 。其中o d n 在o l t 与 o n u 之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分配任务，o d n 是由无 源光元件( 诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等) 组成的纯无源光配线网。图2 1 中 o l t 的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口，并经一个或多个 o d n 与用户侧的o n u 通信，o l t 与o n u 之间为主从通信关系。o n u 提供用户侧 8 武汉邮电科学研究院硕十论文 通往o d n 的接口。网络侧是光接口，而用户侧是电接口，因此光网络单元需要有光 电和电光转换功能，以及模拟信号的数模和模数转换、复用、信令处理和维护管理 功能。其中a f 为o n u 和用户提供适配功能，具体物理实现则既可以包含在0 n u 内，也可以完全独立。q 3 接口可与电信管理网( t m n ) 相连，t m n 实施对o a n 的操 作管理维护( o a m ) 功能【5 1 。 ，s rr s o n u il刊删卜- h 哪卜_ 一s n 功能 ，_ 、t ttl 厂忑_ u j 、u l lt ff e ii i气 _ 一+ 一 用户侧： 接入链路 ：刚络侧 i l 图2 1 无源光网络功能参考配置 p o n 技术从窄带p o n 发展到a t m p o n ( a p o n ) i j , 经经过了近l o 年的时间，从 仅支持传统的窄带业务发展到可以支持窄带、宽带业务，速率可以达到下行6 2 2 m b p s 和上行1 5 5m b p s 至6 2 2 m b p s 。 随着以太网技术在城域网中的普及以及宽带接入技术的发展，人们又提出了速率 高达1 g b p s 以上的宽带p o n 技术，主要包括e p o n 和g p o n 技术：“e ，是只e t h e m e t ， “g 是指吉比特级。e p o n 和g p o n 的相关标准分别由不同的标准组织负责指定， 其中e p o n 由i e e e8 0 2 3 a h 提出，他将e t h e m e t 技术与p o n 技术结合起来，其目标 是用最简单的方式实现一个点到多点结构的吉比特以太网光纤接入系统；g p o n 技术 则是由i t u 进行标准化工作，主要目标是实现g b p s 速率，并能支持多种业务，对所 有业务最优化。e p o n 和g p o n 虽然仅有字之差，且都集成了e t h e m e t 技术和p o n 9 武汉邮电科学研究院硕十论文 技术，但系统实现原理却存在很大差别。下面将对当前研究比较多的e p o n 和g p o n 两种技术进行分析和比较。 2 1e p o n 技术的介绍 e p o n 的标准化工作主要由i e e e 的8 0 2 3 a l l 即e f m ( e t h e m e tf o r t h ef i r s tm i l e ， 第一英里以太网) 7 - 作组来完成。e f m 指出了以e t h e m e t 技术为核心的e p o n 的许多 优点，包括协议成熟，技术简单，易于扩展，面向用户等，并坚信e t h e r n e tp o n 可 以消除w a n l a n 连接中a t m 和i p 之间的协议转换。其制定e p o n 标准的基本原 则是尽量在8 0 2 3 体系结构内进行e f o n 的标准化工作，工作重点放在e p o n 的m a c 协议上，最小程度地扩充以太网m a c 协议，其余则主要参照i t u tg 9 8 3 建议，因 为g 9 8 3 并不排除非a t m 协议【6 ) ，并留有较大余地，因此g 9 8 3 的大部分现有内容都 可以被有效引用，从而能以最快速度完成有关e p o n 的标准并投入商用。目前，我国 也已制定了针对e p o n 的通信行业标准接入网技术要求基于e t h e m e t 的无源光 网络( e p o n ) 。 为了支持p o n 这一新应用和新介质，e f m 在研究点到点( p o i n tt op o i n t ，p 2 p ) 光 纤以太网，速率最低1 0 0 0 m b p s ，距离至少1 0 k m 的基础上，定义了新的网络拓扑和相 应的物理层：点到多点( p o i n tt om u l t ip o i n t ，p 2 m p ) 光纤以太网，速率最低1 0 0 0 m b p s ， 距离至少1 0 k m 。 e p o n 可以支持1 2 5 g b p s 对称速率，将来速率还能升级到1 0 g b p s 。e p o n 下行 帧周期为2 m s 。每帧开头是长度为l 字节的同步标识符，用于o l t 与o n u 之间的时 钟同步：随后是长度不同的数据帧。这些数据包按照i e e e 8 0 2 3 协议组成，每个数据 帧包括帧头、长度可变的信息净荷和误码监测域三部分。每个o n u 分配一个数据帧。 e p o n 上行帧周期也为2 m s ，每帧包含许多可变长度的时隙，每个o n u 分配一个 l l i d ( 1o g i c a ll i n ki d e n t i f i c a t i o n ) ，用于向o l t 发送上行数据。 e p o n 以m a c 控制子层的m p c p ( m u l t ip o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 机制为基础， m p c p 通过消息、状态机和定时器来控制访问p 2 m p ( 点到多点) 的拓扑结构。m p c p 涉及的内容包括o n u 发送时隙的分配、o n u 的自动发现和加入、向高层报告拥塞情 况以便动态分配带宽。p 2 m p 拓扑中的每个o n u 都包含一个m p c p 实体，它可以和 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 o l t 中的m p c p 实体进行消息交互。m p c p 在o l t 和o n u 之问规定了一种控制机 制来协调数据的有效发送和接收：系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个 o n u 发送，位于o l t 的高层负责处理发送的定时、不同o n u 的拥塞报告从而优化 p o n 系统内部的带宽分配。p 2 p 仿真予层是e p o nm p c p 协议中的关键组件，通过 给每个分组包增加l l i d 从而替代2 字节的前缀，它可使p 2 m p 网络拓扑对于高层来 说表现为多个点对点链路的集合。另外，e p o n 通过在m a c 层中实现8 0 2 1 p 来提供 与a p o n 类似的q o s 。 e f m 还规定了系统同步方式、o n u 的自动识别方式、以太网的管理和维护以及 信息安全等功能的实现方式。为了实现系统同步，e p o n 系统的时钟同步采用时间标 签方式：在o l t 侧有一个全局的计数器，o l t 根据本地计数器在下行方向插入时钟 标签，o n u 根据收到的时钟标签修正本地计数器，完成系统同步；o n u 根据本地的 计数器在上行方向插入时钟标签，o l t 根据收到的时钟标签完成测距。 e f m 对解决o n u 的注册冲突提出了两种方案：随机延迟时间法和随机跳过开窗 法。采用随机延迟时间的方法可以缩短o n u 加入系统的时间，但是需要增大注册开 窗的长度，这样会降低系统的带宽利用率。采用随机跳过开窗的方法比采用随机延迟 时问的方法时延要大，但是不需增大注册开窗，不会影响系统的带宽利用率。 e f m 要求e p o n 应具有完整的电信级的管理能力，o l t 应可以监测业务网和用 户驻地网之问的物理链路和设备的一些重要的信息。e f m 已经提供的o a m 功能包 括：远端错误指示，远端环回，链路监视【7 j 。e p o n 的关键技术将在第三章中具体介 绍。 2 2g p o n 技术的介绍 众所周知，i t u 在p o n 标准化方面一直处于领先地位，关于a p o n 的i t u tg 9 8 3 系列标准目前已得到广泛应用。g p o n 的概念最早是由全业务接入网联盟( f u l ls e r v i c e a c c e s sn e t w o r k ，f s a n ) 在2 0 0 1 年提出的。之后在不同组织和厂商的推动下，i t u t 于2 0 0 3 年1 月正式通过并颁布了g p o n 标准系列中的两个标准g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 。 由于g p o n 标准是i t u t 在a p o n 标准之后推出的，因此g 9 8 4 标准系列不可避免 地沿用了g 9 8 3 标准的很多思路。 武汉邮电科学研究院硕+ 论文 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，下行2 4 8 8 g b p s 。 上行1 2 4 4 g b p s ；线路码是不归零( n r z ) 码，在物理层有带外控制信道，用于使用g 9 8 3 p l o a m 的o a m 功能；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( d b a ) ；报告、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q o s 。 i t u tg p o n 标准系列包含下列标准： ( 2 9 8 4 1 ( g g p o n g s r ) 吉比特级无源光网络的总体特性。该标准主要规范了g p o n 系统的总体要求。包括o a n 的体系结构、业务类型、s n i 和u n i 、物理速率、逻辑 传输距离以及系统的性能目标【8 】。 ( 2 9 8 4 2 ( g g p o n p m d ) ：吉比特级无源光网络的物理媒质相关( p m d ) 层规范。该标 准主要规范了g p o n 系统的物理层要求【9 j 。 ( 2 9 8 4 3 ( ( 2 9 p o n g t c ) 吉比特级无源光网络的传输汇聚( t c ) 层规范。该建议规定了 g p o n 的t c 子层、帧格式、测距、安全、动态带宽分配( d b a ) 、操作维护管理功能 箜= 0 0 1 、了+ o ( 2 9 8 4 1 对g p o n 提出了总体目标要求o n u 的最大逻辑距离差可达2 0 k m ，支 持的最大分路比为1 6 、3 2 或6 4 不同的分路比对设备的要求不同。从分层结构上看， i t u t 定义的g p o n 由p m d 层和t c 层构成，分别由( 2 9 8 4 2 和c r 9 8 4 3 进行规范。 在g 9 8 4 2 中，对g p o n 的p m d 层进行了规范。系统下行速率为1 2 4 4 或2 4 8 8 g b p s ，上行速率为0 1 5 5 、0 6 2 2 、1 2 4 4 或2 4 8 8g b p s 。标准规定了在各种速率等级 下o l t 和o n u 光接口的物理特性，提出了1 2 4 4g b p s 及其以下各速率等级的o l t 和o n u 光接1 ：3 参数。但是对于2 4 8 8g b p s 速率等级，并没有定义光接1 ：3 参数，原因 在于此速率等级的物理层速率较高，对光器件的特性提出了更高的要求，有待进一步 研究，从实用性角度看，在p o n 中实现2 4 8 8g b p s 速率等级将会比较难。 在( 2 9 8 4 3 中，i t u t 将t c 层又分成了两个子层：tc 成帧子层和tc 适配子 层。如图2 2 所示。对于tc 适配子层，规定了a t m 适配和g f p ( 通用成帧规程) 适 配两种方式。a t m 适配方式沿用了g 9 8 3 系列建议的规定。以a t m 信元承载数据流 1 2 武汉邮电科学研究院硕十论文 量，可支持各种业务。g f p 适配方式是在i t u t ( 2 7 0 4 1 中定义的一种数据封装和映 射方式，它提供了一种承载高层协议的机制，可以承载基于包的协议，如i p 、p p p 、 以太网帧，或者承载恒定比特率的业务流。g f p 在承载高层协议时要求低层光传输网 络必须是同步的，如s d h 、o t n 等。因此若采用g f p 封装方式，g t c 子层必须是 同步的。为了支持电路业务，t c 子层必须传送和恢复8k h z 参考时钟。g f p 封装方 式灵活，在封装e t h e m e t 业务时，省去了i po v e ra t m 的开销。g f p 与a t m 适配方 式相比，封装效率高，提高了系统带宽利用率，业务灵活，因此将会成为g p o n 中 一种主要的适配方式。i t u tg p o n 建议中规定，o n u 支持a t m 适配或g f p 适配 方式的一种即可，而o l t 必须两种方式都支持。从这一点上看，i t u t 在本质上沿 用了g 9 8 3 的很多规定，但g f p 封装方式的采用又使得g 9 8 4 标准在一定程度上抛弃 了a t