（通信与信息系统专业论文）ethernetpon上行接入技术与动态带宽分配算法的研究.pdf

摘要 近年来，通信网络服务的需求在不断增长，通信网络传输能力不断提 高，骨干网络和高速局域网随着人们对带宽越来越高的需求也不断升级， 然而，连接两者之间的接入网却成为信息高速公路发展的瓶颈。尽管目前 流行的几种宽带接入技术如x d s l 、c a b l em o d e m 、l m d s 等在某种程度上能 满足需求，但随着i p t v 、v o d 、视频会议、v o i p 等新兴网络业务的兴起， 这些技术已远远不能满足人们对带宽的需求。光纤到户( f i b e rt ot h e h o m e ，f t t h ) 是未来发展的目标，以太无源光网络( 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 ) 则是实现这一目标的理想技术之一，也代表了国 际上接入网的最新发展趋势，是目前宽带接入网络研究的热点。 由于e p o n 系统的上行链路是由多个o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 共 享带宽的拓扑结构，因此e p o n 上行信道的上行带宽分配算法一直成为 e p o n 系统中研究的热点技术。本文介绍了e p o n 的系统结构和关键技术， 在分析了目前流行的几种带宽分配算法后，结合已有算法的优缺点，提出 了一种改进型的上行信道动态带宽分配算法，该算法是基于业务分级及带 宽优先级分类的上行带宽分配方案。算法的设计思想是：将e p o n 中的上 行业务划分为若干等级，然后相应地将每一个0 n u 所分得的带宽分为高优 先级带宽、中优先级带宽和低优先级带宽三个部分。其中高优先级带宽用 于对时延和抖动性能要求较严格的t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 业 务，中优先级带宽宽对应于突发性的高速视频数据业务，低优先级带宽则 用于一般的数据业务。为了满足t d m 业务的周期性特性，高优先级带宽将 根据周期性特征采取固定分配：中低优先级带宽则按照新算法提供的方案 进行动态分配。 最后，本文利用先进的网络仿真工具o p n e t ，建立了e p o n 的仿真模 型。分析仿真结果表明，新的改进型的d b a ( d y n a j i l i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ) 算法与现有的d b a 算法相比，在吞吐量、时延、带宽公平性等重要指标上 都表现出良好的性能。 关键词 以太无源光网络；多点控制协议；q o s ；动态带宽分配；网络仿 真 a b s t r a c t w i t ht h ed r a m a t i c a li n c r e a s i n go ft h en e t w o r ks e r v i c e t h e n e t w o r k st r a n s m i s s i o na b i l i t yh a db e e ni m p r o v e da1 0 ti nr e c e n t y e a r s a tt h es a m et i m e ，b o t ht h eb a c k b o n en e t w o r ka n dt h eh i g hs p e e d l a nw e r eu p g r a d e d ， h o w e v e r ， t h ea c c e s sn e t w o r kt h a tc o n n e c t s b a c k b o n en e t w o r ka n d l a ni sb e c o m i n 卫 t h eb o t t l e n e c ko ft h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n s u p e r h i g h w a y a 1 t h o u g h c u r r e n t b r o a d b a n da c c e s sm e t h o d s ，s u c ha sxd s l ，c a b l em o d e ma n di 埘d sa r e w i d e l yu s e d ， c a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n ti ns o m ew a y ss of a r ， t h e y d o n th a v et h ea b i l i t yt op r o v i d ee n o u g hb a n d w i d t ht om e e tt h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n ts u c ha si p t v ，v o d ，v i d e om e e t i n g ，v o i pa n d s oo n f i b e rt ot h eh o u s e ( f t t h ) i st h ed e s t i n a t i o no ft h ef u t u r e s n e t w o r k ，a n de 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 ) i so n eo ft h e i d e a lt e c h n 0 1 0 9 i e st or e a l i z et h a t ，h i c hr e p r e s e n t st h el a t e s t d e v e l o p m e n tt r e n do ft h ea c c e s sn e t w o r k m o r e o v e r ，f t t hist h e h o t t e s tr e s e a r c h e sa r e ao fc u r r e n tb o a r da c c e s sn e t w o r k a 1 1 0 c a t i o na r i t h m e t i co ft h eu d l i n kb a n d w i d t hh a v eb e c o m et h e h o tt e c h n i q u e si nt h ee p o ns y s t e md u et ot h eu p l i n k s0 n us h a r i n g b a n d w i d t ht o p o l o g ys t r u c t u r e t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e s t h e s y s t e ms t r u c t u r ea n dr e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e so fe p o ns y s t e m ： s e v e r 8 lc u r r e n ta l l o c a t i o na l g o r i t h m so ft h eb a n d w i d t ha r ea n a l v z e d a l s o a f t e rc o m p a r e st h e e r i t sa n dw e a k n e s s e so ft h e s ea l g o r i t h m s ， t h ep a p e ri n t r o d u c e sai m p r o v e da l g o r i t h m so fa 1 1 0 c a t i o na l g o r i t h m s o ft h eu p l i n kb a n d w i d t h t h i sp r e s e n t e da l g o r i t h mi sb a s e do n s e r v i c e sc l a s s i f i c a t i o na n db a n d w i d t hp a r t i t i o n t h ek e yp o i n t so f t h i sa l g o r i t h m sa r et oc l a s s i f yt h eu p s t r e a i 玎s e r v i c e si n t os e v e r a l p r i o r i t i e sa n dt h e na c c o r d j n gt ot h ep r j o r i t yo ft h e0 n uo ft h e b a n d w i d t h ，t h eu p l i n kb a n d w i d t ha s s i g n e dt oar e g i s t e r e d0 n ui s p a r t i t i o n e di n t oh i g hp r i o r i t yb a n d w i d t h ，m i d d l ep r i o r i t yb a n d w i d t h a n dl o wp r i o r i t yb a n d w i d t h ，a c c o r d i n g l y t h eh i g hp r i o r i t yb a n d w i d t h i sa p p l i e df o rt h et d ms e r v i c e sw i t hc o n s t a n tb i tr a t ea n dm o r e 塑童窑鋈盔兰塑主堡窒生兰焦迨塞篁! ! ! 噩 s t r i c tr e q u i r e m e n t so nd e l a ya n dj i t t e r ，a n di sg r a n t e dr e g u l a r l y t os a t i s f vt h ed e r i o d i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft d ms e r v i c e w h i l et h e m i d d l ep r i o r i t yb a n d w i d t hi sa p p l i e df o r t h ep a r o x y s m a la n d h i g h s p e e dv i o d es e r v i c e ， t h el o wp r i o r i t yb a n d w i d t hi sa p p l i e df o r d a t as e r v i c e ， t h e ya r eg r a n t e do w i n gt ot h ea 1 1 0 c a t i o ns c h e m e so f t h ei m p r o v e da l g o r i t h m i nt h ee n d ，t h es i 叫l a t i o nm o d e lo no p n e ti ss e tu pa c c o r d i n g t ot h ee p o ns y s t e m b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ，i t s h o r e dt h a tt h ee p o nm o d e lo ft h en e wa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h a t w i t ho t h e rt r a d i t i o n a la l g o r i th i i l sb a s e do nt h et h r o u g h p u t ， d e l a y a n df a j r n e s s k e y w o r d se t h e r n e tp a s s i v e0 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 tc o n t r o lp r o t o c o l ( m p c p ) ； q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ； d y n 锄i cb a n d w i d t ha 1 9 0 r i t h m ( d b a ) ： n e t w o r ks i m u l a t i o n ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 现代社会已完全步入信息化时代，人们对v o i p 、高速数据、高质量 视频信息等业务的需求日益迫切。世界各国为满足人们日益增长的通信需 求致力于现代通信技术的研究和开发。 近年来，网络建设过程中，网络的核心部分的发展突飞猛进，无论是 交换还是传输都在不断地更新，随着光网络新技术的应用，骨干网的带 宽提高到t b p s 的数量级。另一方面，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。目 前，宽带接入技术五花八门，涉及多个行业，如电信的a d s l 、广电的c a b l e m o d e m ，社区以太网、电力线上网、无线局域网等技术都可以实现宽带接 入。但是，随着用户对带宽需求的不断加大，这些技术将无法满足目前人 们对高速通信、家庭购物、实时远程教育、视频点播v 0 d 、高清晰度电视 i d t v 等交互式业务的需求“1 。因此光纤接入技术将成为未来通信发展的趋 势。 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。无源光网络( p o n ) 被认为是接入网的最佳物理层协议。i t u 早 年制定了以a t m 为传输平台的a p o n b p o n 协议标准g 9 8 3 。但a p o n 技术存在 一些缺点，如：视频能力差、带宽不足、技术复杂、价格昂贵等。此外， 在传递i p 业务时，必须进行a t m 及i p 的协议转换。而未来网络中，i p 业务 的比重将急速增长，a p o n 的缺陷也就日益突出。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 r n e t p o n 上，即以太无源光网络。2 0 0 0 年儿 月，来自8 0 多家公司的2 0 0 多名专家组成了一个i e e e 研究组，开始研究以 太网在用户接入网中的应用问题。2 0 0 1 年9 月，该研究组定名为i e e ee f m ( e t h e r n e tf o rt h ef i r s tm i l e ) 工作组。该工作组致力于尽量在8 0 2 3 协议框架内，制定e p o n 标准。2 0 0 4 年4 月，通过了i e e e8 0 2 3 a h 标准0 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 e p o n 因其在设备投资成本以及操作和维护等方面的优势，成为运营商解 决“最后一公里”的一种非常经济的宽带接入解决方案，可以说，e p o n 技术已经成为未来接入网技术的发展方向。“。 本章首先简述了接入网的现状及发展趋势，并对光接入网技术进行简 单的介绍，最后概述了论文结构和工作安排。 1 2 接入网的现状和发展趋势 1 2 1 接入网的概念 根据电信网的概念，通常可以将全网划分为公用电信网和用户驻地网 ( c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k ，c p n ) 两部分，其中c p n 归属用户侧，故 人们通常所指的电信网指的是公用电信网部分。1 。公用电信网又可划分为 三个部分：长途网( 长途局以上部分) 、中继网( 也称汇接局即长途局与 市话局之间以及市话局之间的部分) 、接入网( 即市话端局到用户之间的 部分) ，有时世人倾向于将长途网和中继网合并称为核心网( c o r e n e t w o r k ，c n ) ，相对于核心网的其他部分则称接入网( a c c e s sn e t w o r k ， a n ) 。接入网主要是完成用户接入到核心网的任务。由此可见，接入网是 相对核心网而言的，也是公用电信网中最大和最重要的部分，因为它直接 面向用户“”。接入网在整个电信网中的位置如图卜1 所示。 u n is n i s n iu n i u n i ：用户网络接口s n i ：业务节点接口 图卜1电信网的基本组成 按照i t u tg 9 0 2 的标准，按入网定义为：业务节点接口( s e r v i c en o d e i n t e r f a c e ，s n i ) 和相关用户网络接口( u s e r t w o r ki n t e r f a c e ，u n i ) 之间的一系列传送实体( 诸如线路设旌，传输设施等) 所组成的为传送信 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 息业务提供所需传送承载能力的实施系统。接入网的定界如图卜2 所示， 图中q 接口是国际通用的管理接口。 图卜2 接入网的界定 1 2 2 当前主流宽带接入技术介绍及其各技术的优缺点 数字用户线( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，d s l ) 是基于普通电话线的宽 带技术，它在同一对铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过 电话交换设备，从而减轻了电话交换机的负担，因此使用d s l 上网并不需 要缴付另外的电话费。 x d s l 中的“x ”代表各种数字用户线技术，如不对称数字用户线 ( a s y 砷e r t r i cd s l ) 、高速数字用户线( h d s l ) 和高速不对称数字用户线 ( v d s l ) 等，它们的主要区别在于上下行链路的对称性以及传输速率和有效 距离有所不同。 a d s l 是目前众多d s l 技术中较为成熟的一种，其优点是带宽较大、连 接简单、投资较小，因此发展很快，现全国各地的电信部门都先后推出了 a d s l 宽带接入服务。a d s l 系统主要是针对住宅用户设计的，其下行速率高 达6 9 m h s ，传输距离可达3 5 k m ，典型的下行速率有t 1 、e 1 ， d s 2 ( 6 3 1 2 舫s ) 、e 2 ( 8 4 4 8 m b s ) ；上行速率低，具体数值随各公司产品 而不同，通常为1 6 6 4 0 k b s 。a d s l 在一对电话线上同时传送一路高速下行 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 数据、一路较低速率上行数据、一路模拟电话。各种信号采用频分复用方 式占用不同频段，低频段传送话音，中间窄频段传上行信道数据及控制信 息，其余高频段传下行信道数据、图像或高速数据。“”1 。 a d s l 主要采用离散多音频调制( d i s c r e t em u l t i t o n e ，d m t ) 或无载波 幅相调制( c a r r i e r l e s sa m p l i t u d e p h a s em o d u l a t i o n ，c a p ) 方式，d 盯 方式把全部频带划分为2 5 6 个子信道，根据各子信道的瞬时衰耗特性、群 时延特性和噪声特性，自适应地分配各子信道速率，同时关闭被窄带噪声 淹没的子信道，以便最有效利用传输线，把误码和噪声减至最小，提高系 统传输容量。此外，a d s l 利用自适应滤波方面的新成果，如栅格编码及r s 码，提高抗噪声性能，采用非对称回波抵消技术以消除回波干扰。a d s l 系统分别在局端和用户端装置a d s l 调制解调器，采用d m t 调制方法，用快 速傅立叶逆变换( i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m a ti o n ，i f f t ) 和快速傅 立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r 腿ti o n ，f f t ) ，实现对信号的处理及调 制与解调。由电话网来的电话业务，通过普通电话业务( p l a i no l d t e l e p h o n es e r v i c e ，p o t s ) 分离器用无源耦合方式接到普通电话线上。交 换局节点通过a d s l 调制解调器和p o t s 分离器，使话音与高速数据一起通过 双绞铜线传到用户端，再经过用户端的分离器与a d s l 调制解调器，将信息 送到用户的p c 机或电视终端。 h d s l 是利用两对或三对双绞铜线，为用户提供p d h 一次速率( t 1 或e 1 ) 的双工数字连接。h d s l 系统主要是为企事业单位用户设计的，它可以作为 铜双绞线接入业务的通用平台，为用户提供话音、数据和图像等多种宽带 业务。 v d s l 是速率更高的a d s l ，也有人称其为宽带数字用户线( b d s l ) 。v d s l 系统一般用于光纤接入网中的最后一段入户连接，其传输距离只有 1 0 0 m ( 1 5 5 m b s 时) 到1 k m ( 1 3 m b s 时) 。它的下行传输速率可达1 3 2 6 5 2 l i b s 甚至1 5 5 m b s ，采用的调制技术一般为删t 或1 6 c a p ：它的上行传输速率为 1 5 2 m b s ，采用的调制技术一般为d m t 、q p s k 或4 c a p 。 2 c a b l em o d e m c a b l em o d e m 在几年前已发展起来，主要用于有线电视数据传输，现 在大多数新建的有线电视网都采用光纤同轴混合( h f c ) 网络，其巨大的带 宽和相对经济性使其对有线电视公司和新成立的电信公司很具吸引力。由 于c a b l em o d e m 是作为一种在h f c 网上提供数据业务的设备，因此它通常等 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 同于h f c 宽带接入技术“”。 c a b l em o d e m 利用6 4 q a m 技术，可在单一的电视频道提供3 0 l b s 的下行 数据速率，亦可利用2 5 6 q a l 4 将速率提升至4 0 m b s 。从用户端的上行通道可 以利用q p s k 或1 6 q a m 调制技术提供3 2 0 k b s 到l o m b s 的速率。上行和下行带 宽由连接到缆线网络区段上的使用者共享，通常一个缆线网络区段会连接 5 0 0 一5 0 0 0 个家庭。 c a b l em o d e m 与以往的调制解调器在原理上都是将数据进行调制后变 成模拟信号在电缆的一个频率范围内传输接收时进行解调，将模拟信号 转换为数字信号，输入计算机，其传输机理与普通制解调器相同。但c a b l e m o d 鲫本身不单纯是调制解调器，它一般有两个接口，一个用来接有线电 视，另一个与计算机相连，它集调制解调器、调谐器、加密解密设备、桥 接器、网络接口卡、简单网络管理协议( s n m p ) 代理和以太网集线器的功能 于一身，且通过h f c 网的某个传输频带进行调制解调。普通调制解调器的 传输介质在用户与交换机之间是独立的，即用户独享通信介质。c a b l e m o d e m 则属于共享介质系统，其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传 输。 x d s l 和c a b l em o d e m 这两种技术的最大特点是可以利用现有通信线 路，而无需重新构架网络基础设施。 由于a d s l 信号的工作频带与电话业务的工作频带不重合，因此在一条 电话线上既可传送一般的语音电话业务，也可传送a d s l 宽带数据业务，用 户可以一边打电话一边通过a d s l 上网，但是，a d s l 技术目前还存在一些问 题，一是由于电缆中不同线路信号之间相互串扰以及线路存在质量问题 等；二是现阶段人们对高速带宽数据业务的需要( 如v o d 视频点播、高清 晰数字电视h d t v 以及i p t v 等业务) ，x d s l 所提供的带宽已不能满足上述业 务的需求。 对于h f c 网上的c a b l em o d e m 由于采用无连接技术，用户的p c 可以一直 保持在线状态，无需拨号过程，且不占用电话。但从传统的有线电视网升 级到h f c 有很大的改造难度。一是频带资源显然不足；二是传统有线电视 网上采用的都是单向放大器和相关设备，需要全部更换才能满足h f c 的要 求；三是h f c 接入方案采用分层树型结构，这种技术本身是一个共享型网 络，这就意味用户要和邻近用户分享带宽，所以h f c 的理论传输速率也会 受到影响。 3 l m d s 技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 宽带固定无线接入技术主要有三类，即已经投入使用的多路多点分配 业务( m u l t i c h a n n e lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e ，删d s ) 、直播 卫星系统( d i r e c t b r o a d c a s t s a t e l li t e ，d b s ) 以及现阶段正准备投入使用 的本地多点分配业务( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e ) 。前两 者己为人熟知，而l m d s 则剐刚兴起，近来才成为热门的宽带无线接入技术。 l m d s 是一种微波宽带业务，工作在2 8 g h z 频段，在较近的距离上双向传输 话音、数据和图像等信息。l 帅s 采用一种类似蜂窝的服务区结构，将一个 需要提供业务的地区划分为若干服务区，每个服务区内的用户可相互通 信。每个服务区覆盖范围为几公里至十几公里，并可相互重叠。 l m d s 的三个最基本要素为：基站、客户端设备和网络管理系统。基站 是处理蜂窝用户所有来往通信的中央集散点，包括室内和户外设备。室内 设备为用户与有线或无线骨干网连接提供接口，户外设备包括发射机与接 收机，通常安装在发射塔上或屋顶上。这些设备负责收集和传递来往于一 个蜂窝或扇区内的所有通信。客户端设备在功能上与基站设备相似，只是 结构稍有变化。在客户端，发射机、接收机和天线一般都合并成一个定向 性极强的器件。网络管理系统( n m s ) 负责管理有线与无线网络所提供的业 务。理想的网络管理系统应该能够为整个网络提供端对端管理，包括骨干 网和客户端。 l 旧s 系统刚刚进入试用阶段，开发2 8 g h z 频段的放大器需要砷化镓单 片毫米集成电路，要做到低成本高性能不大容易。另外，l m d s 只能视距传 输，为了避免阻挡，枢纽站可能不得不设置在高于地面1 5 2 0 m 处，而且其 性能受天气和周围环境影响。但宽带固定无线接入代表了宽带接入技术的 一种发展趋势，由于该系统不需要布线，特别适合于多丘陵地带，而且适 于新的本地网竞争者与传统电信公司和有线电视公司展开有效竞争，也可 以作为电信公司有线接入的重要补充。 4 宽带以太网 以太网是在上世纪8 0 年代发展起来的一种局域网技术，由于其具有使 用简便、价格低、速率高等优点，很快成为局域网的主流。随着千兆以太 网( g b e ) 的成熟和万兆以太网( 1 0 g b e ) 技术的成熟，以太网开始进入城域网 和广域网领域。如果接入网也采用以太网将形成从局域网、接入网、城域 网到广域网全部是以太网的结构。采用与i p 一致的统一的以太网帧结构， 各网之间无缝连接，中间不需要任何格式转换，将可以提高运行效率、方 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 便管理、降低成本。 但由于接入网是一个公用的网络环境，因此其要求与局域网这样一个 私有网络环境会有很大不同，它仅借用了用于局域以太网的帧结构和接 口，网络结构和工作原理完全不一样，其差别主要反映在用户管理、安全 管理、业务管理和计费管理上。 用户管理指的是用户需要到接入网运营商那里进行开户登记，并且在 用户进行通信时对用户进行认证、授权，保证合法用户正常通信、杜绝非 法用户入侵。安全管理指的是接入网需要保障用户数据( 单播地址的帧) 的安全性，隔离携带有用户个人信息的广播消息( 如地址解析协议 ( a d d r e s s r e s o l u t i o n p r o t o c o l ，a r p ) 、动态主机配置协议( d y n a i ch o s t c o n f i g u r a t i o np r o t o c o l ，d h c p ) 消息等) ，防止关键设备受到攻击。业务 管理指的是接入网需要支持组播业务，需要为保证q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 提供一定手段。计费管理指的是接入网需要提供有 关计费的信息。计费问题对于任何一种接入方式都是必须的。 基于以太网技术的宽带接入网由局端设备和用户端设备组成，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 骨干网的接口，用户端设备提供与用户终端计算机相接的 1 0 一1 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，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 间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 持对用户服务的认证、授权和计费以及用户i p 地址的动态分配，还具有汇 聚用户端商务网管信息的功能。 以太网技术对于企事业用户一直是最流行的接入方法，而且目前所有 流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的。然而，由于计费、管理、 有源器件多以及不适合高带宽多业务的传输等因素，以太网作为居民用户 的接入方式目前不太适用。 5 光纤接入技术 光纤接入是指局端与用户之间以光纤作为传输媒体m 1 。光纤通信技术 是2 0 世纪7 0 年代初期兴起的一门高新技术。光纤通信一经问世就异军突 起，以其技术上的先进性和巨大的经济效益，对传统的通信手段提出了强 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 劲的挑战，显示了极强的生命力。现在，光纤通信的应用领域很广泛，除 大规模应用于核心网以承担骨干传输任务外，现在也逐渐应用于接入网部 分。光纤接入又有多种应用形式，其中最主要的三种形式是光纤到路边 ( f t t c ) 、光纤到大楼( 丌t b ) 、光纤到户( f t t h ) 。尤其是f t t h 光纤接入网 将成为未来宽带接入的主要发展方向，它具有频带宽、容量大、信号质量 好、可靠性高，可以将语音、数据、视频三网合一。f t t h 发展的主要问题 一成本问题将随着信息社会的发展、光器件成本的下降而得以解决，所以 未来f t t h 接入技术将成为宽带接入的主要发展方向。 1 2 3 接入网的发展趋势 随着社会和技术的进步，信息技术发展的趋势是电话、计算机、电视 三种技术、产业乃至网络的融合，即所谓“三网合一”。它表现为业务层 互相渗透交叉，应用层使用统一的通信协议，网络层互联互通，技术上趋 向一致。因此接入网的发展趋势将是宽带化、多样化、光纤化和综合化“。 1 。3 光接入网 1 3 1 光接入网的概念 光接入网( o p t i c a la c c e s sn e t w o r k ，0 a n ) 定义为共享相同网络侧接 口，并由光接入传输系统支持的接入链路群，一般称为光纤环路系统 ( f i b e ri nt h el o o p ，f i t l ) 由光接入网( 0 a n ) 的定义可以看到，一般来 说，o a n 是一个点对多点的光传输系统，从系统的配置上可以为有源光网 络( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ，a o n ) 和无源光网络( p a s s i v e0 p t i c a l n e t w o r k ，p o n ) 1 。由于无源光网络( p o n ) 具有独特的特性”1 ：能够提供透 明宽带的传送能力；因为p o n 本身是一种多用户共享的系统，即多个用户 共享同一设备、同一条光缆和同一个光分路器，所以成本低；与有源光网 络相比，它的安装、开通、维护运营成本大降低，使系统更可靠、更稳定。 所以现阶段光纤接入网主要采用p o n 的结构，p o n 是光接入网的最终发展 趋势嘲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 3 2p o n 的构成和功能结构 1 p o n 的构成 采用无源光网络( p o n ) “”技术的接入网引起人们的广泛关注。所谓无 源光网络，是指信号在光网络上的传输过程中不经过再生放大( 光放大或 电放大) ，网络的分路由光功率分配器等无源器件实现。下面从光接入网 的参考配置、传输复用技术、波长分配3 个方面对p o n 的构成做一些介绍。 光接入网( 0 a n ) 的参考配置 光接入网( o a n ) 的参考配置如图卜3 所示。 u n is n i 圈 卫生 亟卜 同 习嘲卜一o l t 卜一业务苇煮动能 叵h 壶，7 生_ 匾k a | q 鲢卜一q ! 卜_ 业务节点功能u 叵卜剥1 2 巡r | _ 回络侧 用户剿。 图l 一3 光纤入网( 0 a n ) 的参考配置 图中相关说明如下： a f 一一适配功能： u n i 一一用户网络接口； s n i 一一业务节点接口； s 一一光发送参考点； 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 r 一一光接收参考点； v 一一与业务节点间的参考点； t 一一与用户终端间的参考点； a 一一a f 与o n u 间的参考点。 传输复用技术 在p o n 中传输复用技术主要完成o l t 和0 n u 连接的功能，其连接可是 点对多点的方式，也可以是点对点的方式。多点接入方式有多种，如时分 多址接入( t d 姒) 、副载波多址接入( s c m a ) 等。双向传输方式有：空分复用 ( s d m ) 、波分复用( w d m ) 和副载波复用( s c m ) 。”。 波长分配 1 3 1 0 c m 波长区，波长分配范围是1 2 6 0 1 3 6 0 n m ；1 5 5 0 n m 波长区，波 长分配范围是1 4 8 0 1 5 8 0 衄。测试或监视信号的传输应采用其他波长， 当采用光放大器时，以上波长范围可能变窄。 2 p o n 的功能结构 0 刖( 0 p t i c a in e t w o r ku n i t ) 的功能结构 o n u 的功能结构如图卜4 所示。0 n u 提供通信0 d n 的光接口，用于实 现o a n 的用户。每个o n u 由核心功能块、服务功能块及通用功能块组成。 胡户 图1 4o n u 的功能结构 0 n u 的核心功能块包括用户和服务复用功能、传输复用功能及0 d n 接 口功能。用户和服务复用功能包括装配来自各用户的信息、分配要传输给 各用户的信息，以及连接单个的服务接口功能。传输复用功能包括分析从 0 d n 传过来的信号并取出属于该o n u 的部分，以及合理地安排要发送给o d n 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 的信息。0 d n 接口功能则提供一系列光物理接口功能，包括光电和电光 转换。如果每个0 n u 使用多根光纤与o d n 相连，那么就存在多个物理接口。 0 n u 服务功能块提供用户端功能，它包括提供用户服务接口并将用户 信息适配为6 4 k b i t s 和n 6 4 k b i t s 的形式。该功能块可为一个或若干 个用户服务，并能根据其物理接口提供信令转换功能。 0 n u 通用功能块提供供电功能及系统的运行、管理和维护( o a m ) 功能。 供电功能包括交流变直流或直流变交流，供电方式为本地供电或远端供 电，若干个0 n u 可共享一个电源。在用备用电源供电时，o n u 应也能正常 工作。 0 l t ( 0 p t i c a il i n et e m i n a l ) 的功能结构 0 l t 的功能结构如图卜5 所示。0 l t 提供一个与0 d n 相连的光接口， 在0 a n 的网络端至少提供一个网络业务接口。o l t 位于本地交换局或远端， 为0 n u 所需业务提供必要的传输方式。每个0 l t 由核心功能块、服务功能 块及通用功能块组成。 核心功能 黧圈图 服务功能 功能。”传输l 数字； f “升 l 哪哪j | 1 复蔫| i 交更| 匡 功| 扣旒| 一。一“ 匮蕊匦函 通用功能 图1 50 l t 的功能结构 户 0 l t 核心功能块包括数字交叉连接、传输复用和0 d n 接口功能。数字 交叉连接功能提供网络端与0 d n 端允许的连接；传输复用功能通过o d n 的 发送和接收通道提供必要的服务，它包括复用需要送至各o n u 的信息及识 别各0 n u 送来的信息；o d n 接口功能提供光物理接口与o d n 相关的一系列 光纤相连，当与o d n 相连的光纤出现故障时，0 a n 启动自动保护倒换功能， 通过o d n 保护光纤与别的0 d n 接口相连来恢复服务。服务功能块提供服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 端功能，它可支持一种或者若干种不同的服务。0 l t 通用功能模块提供供 电功能和0 a m ( o p e r a t i o n sa 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 ，运营、管 理和维护) 功能。 0 d n 的功能结构 0 d n 的功能结构如图卜6 所示。0 d n 是0 a n 中极其重要的组成部分， 它位于o n u 和o l t 之间。p o n 的o d n 全部由无源光器件构成，它具有无源 分配功能，其基本要求如下。 为今后提供可靠的光缆设施； 易于维护； 具有纵向兼容性； 具有可靠的网络结构； 具有很大的传输容量； 有效性高。 q rq 1 图1 6o d n 的功能结构 通常，o d n 应为o n u 到o l t 的物理连接提供光传输媒介。组成o d n 的 无源元件有单模光纤、单模光缆、光纤带、带状光纤、光连接器、光分路 器、波分复用器、光衰减器、光滤波器和熔接头等。图卜6 为o d n 的一般 配置，其中q r 表示o n u 和0 d n 之间的光接口，胁表示0 d n 与测试和监视 设备间的光接口。 1 3 3 三种无源光网络技术特点 目前用于宽带接入的无源光网络p o n 技术主要有a p o n ( a t 卜p o n ) 、 e p o n ( e t h e r n e t p o n ) 和g p o n ( g i g a b i t p o n ) 等几种。 争圜 燃蕤 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 a p 洲技术特点 a p o n 下行传输的是连续的a t m 信元流，每个a t m 信元含5 3 个字节，下行 方向采用的是时分复用的广播方式，每个0 n u 都将收到所有的帧，它们可 以自主地从相应时隙中取出属于自己的信元。 a p o n 上行传输的是突发模式的a t m 信元。为了实现无冲突的、有效的 上行接入，保证各个o n u 的上行信号都能完整地到达o l t ，g 9 8 3 建议采用 时分多址( t d i a ) 的上行接入控制。这样，a p o n 必须对各个0 n u 进行测距， 并根据不同的延时进行协调。为了实现同步，上行帧中的每个信元由5 6 个字节组成，其中，3 个字节的开销用于同步，防卫时间用于防止微小的 相位漂移损伤信号，前置比特图案则用于同步获取，o l t 必须在收到o n u 上行突发的前几个比特内实现比特同步，才能恢复o n 的信号。a p o n 的上行 和下行速率都可达到1 5 5 m b i t s ，非对称应用于下行方向的速率可达到 6 2 2 m b i t s 。 2 e p o n 的技术特点 e p o n 发展的主要原因是：i p 技术在骨干网和城域网中逐渐占主导地 位。e p o n 系统中，数据以i e e e 8 0 2 3 帧格式的变长信息包从o l t 经过p 0 s 下行广播到多个o n u ，每个信息包都带有一个标题，唯一标识该信息发给 某个o n u 。上行方向中，数据从各o n u 经过p o s 汇聚到0 l t 。为了防止来自各 o n u 的信息包互相干扰，上行接入主要采用t d m a 技术进行管理，各0 n u 被分 配给专门的时隙。也有采用w d 凇技术的，但其成本较高，是将来的发展方 向。采用时分复用的e p o n 网络，其传输距离最远可达2 0 k m ，一根光纤最 多可支持6 4 个用户，总带宽为6 2 2 m b i t s 到2 4 g b i t s 1 。 3 g p o n 的技术特点 g p o n 的帧结构不基于任何指定类型的格式，它是一种基于各种用户信 号原有格式的封装，所以g p o n 也被称为“t h en a t i v em o d ep o n ”( “原型 p o n ”) ”1 。g p o n 是f s a n 组织提出的一种速率高达2 4g b i t s 、能以原有格 式和极高的效率( 9 0 以上) 传送包括话音、以太网、a t m 、租用线等多种业 务的技术。g p o n 的主要技术特点是采用全新的传输汇聚层协议“通用成帧 协议”1 ( g f p ，g e n e r i cf r a m i n g