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摘要 a p o nm a c 算法的研究与硬件设计 摘要 接入网是连接骨干网与最终用户之间的一座桥梁。接入网在整个通信网中的 一一。 地位十分重要，它不仅关系到骨干网资源的配置，更直接影响着用户对通信网络 的使用。在各种接入网的方案之中，基于a t m 的无源光网( a p o n ) 由于结合 了a t m 支持多种业务的能力和无源光网宽带传输的能力，因此成为宽带接入网 的重要方式之一。 为具有各种不同流量特征的业务提供多样化的q o s 保证，是目前宽带网络 的发展趋势。在a p o n 之中，媒质接入控制( m a c ) 算法负责对共享信道的连 1 接进行调度，因此决定着对业务q o s 要求的支持能力j 本文围绕在a p o n 的 y m a c 子层中如何提供具有q o s 保证的机制进行了分析和研究，对所提出的算法 进行了仿真验证，并对所提出的算法的硬件实现进行了研究。 首先，本文在介绍a p o n 的系统结构以及工作过程的基础之上，分析了 a p o n 的几项关键技术，并指出问题产生的根源在于a p o n 上行方向信道共享 的方式以及o l t 和o n u 之间分布式的结构。 通过分析a p o n 的接入模型，本文指出m a c 算法的关键在于既要提供q o s r 保证，又要降低上下行的额外开销。旌分层调度理论的基础上，提出了分布式分 i 层调度算法以解决m a c 子层的带宽分配问题。针对经典的分组调度算法对剩余 带宽调度不够灵活的缺陷，提出了改进的前跳虚时钟算法，将剩余带宽分离出来， 不仅可以改善尽力而为业务的q o s 特性，也可以利用剩余带宽改善a p o n 的缓 存管理问题。i 7 在第四章里本文对前面的理论分析进行了仿真验证。通过对分布式分层调度 r 算法下业务的时延和抖动仿真，验证了算法的q o s 保证能力。f 通过对改进的前 ； 跳虚时钟算法q o s 特性的仿真，验证了它在不违反其它业务q 豳保证的同时可 以明显降低尽力而为业务的平均时延。通过对改进的前跳虚时钟算法应用于缓存 管理的仿真，验证了它可以显著降低信元丢失率。、 j 调度算法要应用于实际系统就必须进行硬件实现。通过对算法的分析，本文 摘要 指出了改进的前跳虚时钟算法硬件实现的难点在于维护两个排序的优先队列。通 过应用日历队列的数据结构，将排序转化成了搜索，简化了硬件实现。第五章还 就具体实现中会遇到的各种问题进行了仔细的讨论，并给出了解决方案。改进前 跳虚时钟算法的这种实现方法也可以应用于与之相类似的其它分组调度算法中。 关键词：a t m 无源些网络，媒质壤入控制，流量调度算法，仿真，硬件实现 l 。 i i a b s t r a c t r e s e a r c ha n dh a r d w a r elm p l e m e n t a t 10 n o nt h em a ca l g o r i t h mo fa p o n a b s t r a c t t h ea c c e s sn e t w o r ki sab r i d g eb e t w e e nt h eb a c k b o n en e t w o r ka n dt h ee n du s e r s t h ea c c e s sn e t w o r kh a sg r e a ti m p o r t a n c ei nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s n o to n l yd o e s t h er e s o u r c ea l l o c a t i o no fb a c k b o n er e l yo nt h ea c c e s sn e t w o r k ，b u ti td i r e c t l ya f f e c t s t h e u s a g e o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa sw e l l t h ea t mb a s e dp a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k ( a p o n ) ，w h i c hi n t e g r a t e s t h em u l t i - t r a f f i c s u p p o r t i n g o fa t ma n dt h e b r o a d b a n dc a p a c i t yo fp o n ，h a sb e c o m eap r o m i s i n gc h o i c eo fb r o a d b a n da c c e s s n e t w o r k r e c e n t l y , i ti sat r e n dc u r r e n t l yi nb r o a d b a n dn e t w o r k st op r o v i d ed i v e r s i f i e dq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e ef o rt r a f f i c f l o w sw i t hd i f f e r e n tt r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c s i n a p o n ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) a l g o r i t h m ss c h e d u l et h eu p s t r e a ml i n k s w h i c hs h a r et h es a m eo p t i c a lc h a n n e l h e n c e ，t h e ya r ec r i t i c a li np r o v i d i n gt h eq o s g u a r a n t e ed e m a n d e db yt r a f f i cl i n k s s o ，t h i sp a p e ri s d e d i c a t e dt op r o v i d i n gq o s m e c h a n i s m si na p o n sm a c s u b - l a y e r i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z e dm a ca l g o r i t h m s ， t h e nw es i m u l a t e da n dv e r i f i e d a l g o r i t h m s t h a tw e p r o p o s e d ，a n df i n a l l y w e r e s e a r c h e dt h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n o fo n ea l g o r i t h m f i r s t , w es h o w e dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dw o r k i n gp r o c e s so fa p o n w e a n a l y z e d s e v e r a l k e yt e c h n i q u e s i n a p o n ，a n dp o i n t e d o u tt h a tt h es o u r c co f p r o b l e m si s t h eu p s t r e a mc h a n n e ls h a r i n ga n dt h ed i s t r i b u t e ds t r u c t u r eo fo n u & 0 u i t h e n ，b ya n a l y z i n gt h ea p o nm o d e l ，w ep o i n t e do u tt h a tt h ep i v o to fm a c a l g o r i t h m s i s d e c r e a s i n gu p s t r e a m & d o w n s t r e a mo v e r h e a d w h i l e k e e p i n gq o s g u a r a n t e e b a s e d o nh i e r a r c h i c a l s c h e d u l i n gt h e o r y ，w ep r o p o s e d ad i s t r i b u t e d h i e r a r c h i c a ls c h e d u l i n gs c h e m et os o l v et h eb a n d w i d t ha l l o c a t i o np r o b l e mi nm a c s u b l a y e r t h ec l a s s i cp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sl a c kt h ef l e x i b i l i t yi nm a n a g i n g s p a r eb a n d w i d t h s ow ep r o p o s e d a ne n h a n c e dl e a pf o r w a r dv i r t u a lc l o c k ( l f v c ) a l g o r i t h m t os e p a r a t et h es p a r eb a n d w i d t ha n du s ei tt oi m p r o v et h eq o s p e r f o r m a n c e 1 i i a b s t r a c t o fb e s te f f o r tt r a f f i c a l s ot h es e p a r a t e ds p a r eb a n d w i d t hc a nb eu s e dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f b u f f e rm a n a g e m e n t i nc h a p t e rf o u rw es h o w e ds i m u l a t i o nr e s u l t so fp r e v i o u st h e o r e t i c a la n a l y s i s t h es i m u l a t i o no ft r a f f i c d e l a ya n dd e l a yv a r i a t i o n t r a d e rd i s t r i b u t e dh i e r a r c h i c a l s c h e d u l i n g v e r i f i e dt h e q o sg u a r a n t e e o ft h es c h e m e t h es i m u l a t i o no n q o s p e r f o r m a n c e o fe n h a n c e dl f v ci n d i c a t e dt h a tt h e a l g o r i t h m c a n s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s et h ea v e r a g ed e l a yo fb e s te f f o r tt r a f f i cw i t h o u t v i o l a t i n gt h eq o sg u a r a n t e eo f o t h e rt r a f f i c s t h es i m u l a t i o no fb u f f e rm a n a g e m e n tu s i n ge n h a n c e dl f v cs h o w e d t h a ti tc a ng r e a t l yr e d u c et h ec e l ll o s sr a t e h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni si n e v i t a b l ei fas c h e d u l i n ga l g o r i t h mw a n t st ob e i n t e g r a t e d i n t or e a l s y s t e m a f t e ra n a l y s i s ，w ep o i n t e do u t t h a t c o m p l e x i t y i n i m p l e m e n tt h ee n h a n c e dl f v c l i e si n m a i n t a i n i n gt w op r i o r i t yq u e u e s b yu s i n g c a l e n d a r q u e u e s t r u c t u r e ，w e r e p l a c e ds o r t i n gb ys e a r c h i n g ，s i m p l i l y i n g t h e i m p l e m e n t a t i o n c h a p t e r f i v ea l s od i s c u s s e dv a r i o u s p r o b l e m s t h a tw i l lb e e n c o u n t e r e dw h e n i m p l e m e n t i n g ，a n dg a v e t h es o l u t i o n s t h i si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d o fe n h a n c e dl f v cc a r la l s ob e a p p l i e d t os i m i l a rp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s k e yw o r d s ：a t mp a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，t r a f f i c s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，s i m u l a t i o n ，h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n i v 上海交通大学硕士学位论文 a p o n m a c 算法的研究与硬件设计 第一章序言 从2 0 世纪8 0 年代开始的全球信息技术革命已经极大地改变了我们的生活方 式，现代社会和个人对于信息的依赖与日俱增。由信息技术、信息服务、信息资 源所构成的信息产业已成为生产力的基本要素。社会对信息的需求和通信技术的 进步促使各类通信网络迅猛发展，并出现了多种业务网络互相融合的趋势。这种 融合的结果，就是以高速光纤网络为基础，承载图像、数据、语音等多种业务的 骨干通信网。 如果把骨干通信网形象地看成信息传输的高速公路，那么接入网就是连接高 速公路和家家户户的普通马路。接入网解决的问题就是如何将图像、数据、语音 等多种业务综合传送到用户。可别小看接入网的作用，如果普通马路建设不佳， 车还没开到高速公路就已经堵住，那么任凭高速公路再宽阔也是毫无用处的。因 此，接入网在整个通信网中占有重要的地位，不仅投资大，而且与当前及未来的 通信业务发展和宽带网络资源的配置有着极重要的关系。 1 1 接入网的界定及功能模型 用户承载和用户信令信息 控制和管理 图1 - 1 ：接入网的功能结构图 f i g i 一1 ：f u n c t i o n m o d e l d i a g r a m f o r a c c e s sn e t w o r k 根据g 9 0 2 的定义【2 】，接入网是由业务节点接口( s n i ) 和用户网络接口( u n i ) 之间的实体所组成的为传送电信业务提供承载能力的系统，可由q 3 接口进行配 置和管理。图1 1 给出了其中各种功能的相互关系。 用户端口功能：将特定的u n i 适配到核心功能和系统管理功能。接入网要 求能支持许多不同种类的接入，并且具有特定的用户网络接口。其主要功能包括： u n i 功能的终端接入；信令转换；u 岍承载通路承载能力的处理等。 业务端口功能：将对特定s n i 的功能适配到通用承载体，以便于在核心功 能中处理，并选择相关的信息用于接入网的系统管理功能处理。其主要功能包括： s n i 功能的终端接入；将承载要求、实时管理和操作要求映射到核心功能等。 第一章序言 核心功能：位于用户端口功能和业务端口功能之间，将单个用户端口要求或 业务端口要求适配到通用的传送承载体。它可分布于整个接入网内，主要功能包 括接入承载处理等。 传送功能：在接入网的不同位置之间为信息的传送提供通道，并对相关传输 媒质进行媒质适配。它的主要功能包括：复用功能；业务疏导和配置及交叉连接 功能等。 接入网系统管理功能：负责协调接入网中各功能模块的配置、操作和管理， 并协调用户终端和业务终端的操作功能。它的主要功能包括：配置和控制功能； 协调调配功能；故障检测手旨示功能；采集使用信息和性能数据功能；资源管理 功能等。 1 2 接入网的几种形式 制约接入网发展的主要因素是接入的经济性，它与用户的业务需求、用户密 度、用户的经济能力、接入技术等多种因素有关，因此针对不同的情况出现了多 种接入技术和多种发展策略，接入技术的研究已成为通信领域内最活跃的“热点” 之一。 a d s l ：该接入方案采用了先进的调制解调技术和数字信号处理技术实现了 利用铜线提供下行8 m b s 上行6 4 0 k b s 的传输能力。由于充分利用了现有铜线资 源，该方案初期建设费用较少，并且能在目前的情况下，提供比较理想的上下行 带宽。但这种方案在用户端和局端需要增添变换设备，技术也比较复杂。从长远 看，它只是f t t h 最终解决方案的一种过渡。 无线接入：目前基于c d m a 的无线接入方式的主要优势在于使用灵活，施 工和维护简便，缺点是在有限的频带资源下难以获得宽带接入，但作为有线接入 的一种有力补充而具有一定的市场。 h f c ：这种方案是双向光纤同轴电缆混合c a t v 系统，采用副载波调制和 模拟光调制技术进行全业务传送的综合业务的实现方式。由于同轴电缆的分配网 络采用双向放大器的树形分支结构，对上行的带宽和信噪比有一定的限制，故上 行方向难以提供宽带业务。但它在容量、分路比、成本上具有优势，不失为一种 有效的接入方式。 a t m 光无源网络( a t mb a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，a p o n ) ：该方案 利用a t m 技术对无源光网( p o n ) 进行技术升级，带宽分配策略和组网方式灵 活，同时具有由f t t c 至f t t h 平滑过渡等优点。该方案的主要缺点在于对目前 c a t v 模拟视频业务较难支持，但从长远看来，数字h d t v 终究要取代模拟视 频业务。 1 3 光接入网及其发展状况 上海交通大学硕士学位论文a p o nm a c 算法的研究与硬件设计 相对于目前的铜线电缆网，光接入网不仅具有高速传送能力，同时还减少了 网络的运行维护费用，扩大了接入网的覆盖范围，降低了故障率，省去了许多接 入交换机和远端模块。光接入网能顺利地由f t t c f t t b 向最终的f t t h 解决方 案演进，是未来宽带多媒体业务的主流接入方式。 根据信息的传递方式的不同，光接入网可以分为基于同步传递( s d h ) 模式 和基于异步转移模式( a t m ) 两种( 4 “。前者运用了s d h 强大的分接复用和交叉 连接的功能以及保护倒换技术手段，使得接入网结构简单、可靠性高、易于升级 和维护。但由于s d h 固定分配时隙，接入的用户数有限，难以满足接入网的多 业务、多速率的需求。 在另一方面，i p 技术由于协议的开放性以及分布式的智能化管理方式而在 宽带网络中获得了极大的成功，在宽带技术中与a t m 形成了激烈的竞争。但由 于i p 协议不要求特定的链路层，没有接入控制，没有为连接( f l o w ) 预留资源， 只能通过分级技术提供服务等级而不能保证服务质量，到目前为止还难以提供满 意的q o s 特性，对实时性要求较高的业务及租用线路等接入网的主要业务缺乏 有效的支持。另外，i p 技术对网络上的流量不具备有力的流量控制手段，而接 入网的群体组成复杂，特征差异极大的业务流量将使得缺乏监管的网络十分脆 弱。当然，随着i p 技术的发展，以及相关的q o s 架构、规范等进一步的完善， i p 技术将在光接入网中获得新的应用，目前看来最有希望的方式将是i p 和p o n 的结合，即i pp o n 或e p o n ( e t h e m e tp o n ) 。 而a t m 技术融合了电路交换和分组交换的优点，通过面向连接的机制保证 了连接端到端的服务质量并运用统计复用实现了高带宽利用率。而且a t m 技 术具有相当完善的q o s 机制如流量控制和拥塞控制，在保证带宽利用率的同时 可以实现网络的安全性和可靠性。 采用a t m 技术构建接入网能承载现有以及未来的业务类型，并方便地实现 与多种网络( l a n ，帧中继等) 的互通，有利于接入网的建设。而从运营者的角 度而言，a t m 有c b r ，r ，u b r ，a b r 等服务类别以及根据流量、时间、 端口、平均流量等等不同的计费方式；相对于s d h 的完全q o s 保证和时长计费， i p 的尽力而为的服务和流量计费，a t m 无疑更能满足不同阶层用户的需求，在 直接面向终端用户的接入网中更具竞争力。 另外，采用m p l s 等集成技术，a t m 网络很容易地过度到支持i p 业务，为 i p 用户提供高速数据链路，适应i p 业务成为数据通信中主导业务的发展趋势。 目前，国际上a p o n 已成为宽带接入网的主流发展方向。作为r a c e 计划 的子课题，欧洲于九十年代初期即开展了a t m 光接入网的研究以及现场试验。 1 9 9 6 年，多家电信运营和设备商成立了全业务接入网( f s a n ) 小组，将a t m 的光接入网作为f t t x ( f t i c 、f t t h 等) 的发展策略。i t u t 于1 9 9 8 年制定了 g 9 8 3 建议【1j ，a t m 论坛、e t s i 等也推出了系列的标准和规范。另外，包括a l c a t e l 、 第一章序言 n t t 、a t & t 已经推出完善的a p o n 产品系列。目前，利用先进的光器件，分 路数为2 0 4 8 ，覆盖范围达1 0 0 公里，最大用户达1 5 0 0 0 的s u p e r p o n 也开始了研 制。a t m 光接入网已成为宽带接入网的发展趋势。 1 4 本文的研究内容 a p o n 作为很有发展潜力的接入方式之一，存在着一些值得研究的技术。 a p o n 中的m a c 子层算法是a p o n 能否提供完善的q o s 保证机制、支持多种 流量特征业务综合接入的核心技术，它直接关系到a p o n 宽带接入的效率和接 入成本的高低。因此，本文的研究重点就是a p o n 的流量调度算法。 本文的第二章介绍了a p o n 的系统结构，系统的运行过程以及根据g 9 8 3 建议的上下行帧格式等。第三章介绍了应用于a p o n 系统m a c 子层的调度策略， 从经典的g p s 调度器到分布式分层调度结构，以及改进l f v c 调度算法。第四 章着重对第三章所介绍的各种调度策略进行了软件仿真，以检验它们的调度性 能。第五章提出了改进l f v c 的硬件实现方法，该方法也可用于其它分组调度算 法的硬件实现。 4 上海交通大学硕士学位论文a p o nm a c 算法的研究与硬件设计 21 a p o n 的结构 t 用户侧 第二章a p o n 的系统结构 斗： 一 图2 - i ：a t m 无源光网的参考配置 f i g 2 - 1 ：r e f e r e n c ec o n f i g u r a t i o nf o ra t m p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k a t m 无源光网络的参考配置如图2 1 所示。其中光网络单元( o p t i c a l n e t w o r k u n i t ，o n u ) 提供用户侧接口。光线路终端( o p t i c a l l i n e t e r m i n a l ，o l t ) 提供 网络侧接口，并通过宽带承载连接控制( b b c c ) 协议与宽带公共网相连接。光分 配网络( o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k , o d n ) 是o n u 和o l t 之间的光传输媒质， 由单模光纤和光分路器等无源器件组成。由于实行了有效的业务复用( 集中) 和 光传输网络的共享，降低了接入成本。 2 1 1o n u 的功能结构 业务层 圈圈圈 用户端 口功能网陌面习 公共层 图2 2 ：o n u 功能结构图 f i g 2 - 2 ：f u n c t i o ns t r u c t u r ef o ro n u o n u 位于用户的室内( f t t b f 1 v r h ) 或室外( f t t c ) ，提供系统处理不同 第二章a p o n 的系统结构 业务所需要的功能。其功能结构由核心层、业务层和公共层组成，如图2 2 所示。 ( a ) 核心层：用户和业务复用功能对来自或送给不同用户的信息进行组装 和拆卸。传输复用功能提取输入与o n u 相关的信息，属于面向o l t 的功能。 o d n 接口功能则提供物理接口，包括光电，电光转换等。 ( b ) 业务层：主要提供用户端口功能，不仅提供用户业务接口，还提供信 令变换功能。 ( c ) 公共层：提供电源和操作管理维护( o a m ) 功能( 如功能模块的环回 控制) 。 21 20 l t 的功能结构 o d n 圈圈图 业务层 网络 业务端 画叵 口功能 图2 3 ：o l t 功能结构图 f i g 2 3 ：f u n c t i o n s t r u c t u r ef o ro l t o l t 既可以位于交换局内，也可以位于远端。其功能结构也由核心层、业 务层和公共层组成，如图2 3 所示。 ( a ) 核心层：数字交叉连接为o l t 的o d n 侧带宽与网络侧带宽提供交叉 连接功能。 ( b ) 业务层：除了提供网络端口功能外，o l t 的业务层还可以通过v b 接 口处理经过o l t 的信令信息。 ( c ) 公共层：除了具备o n u 的公共层功能外，o l t 的o a m 部分经q 接 口还能与上层网管系统相连。 2 2a p o n 的工作过程 a p o n 在下行方向上采用广播式的发送，由o l t 连续地向所有的o n u 传输 信元，o n u 则根据接收信元的v p i 和v c i 来判断信元的归属。在上行方向上， a p o n 采用时分复用的方式，由各个o n u 动态她占用时隙上传信元。由于有多 个o n u 共享同一信道，因此引发了一系列问题。首先，在多个o n u 都有信元 等待发送时，采用什么样的仲裁方式解决竞争，并能保证各连接的q o s 特性， 是a p o n 的m a c 算法需要解决的问题，也是后文研究的重点。其次，由于各个 o n u 距离o l t 远近不一，传输时延也不一致，可能会使上行的时隙前后发生碰 上海交通大学硕士学位论文 a p o nm a c 算法的研究与碗件设计 撞。因此需要采取“测距”的手段，通过引入时延补偿来抵消上述差异。另外 诸如o l t 端所需的突发模式光接收机等也是由上行共享所导致的。 图2 - 4 ：a p o n 下行处理过程 f i g 2 4 ：d o w n s t r e a mp r o c e d u r eo f a p o n a p o n 上下行的具体工作过程如图2 - 4 和图2 5 所示。图中的a t m 适配层 ( a a l ) 的功能，包括c p c s 分组的生成、拆装、校验等都是a a l 的标准功能。 a t m 适配层主要用于同其它网络协议的结合。比如利用a p o n 传送i p 分组，就 需要通过a a l 5 来适配。在o l t 端连接的是骨干网的i p 路由器，在o n u 端连 接的则有可能是用户局域网的网关。如果o l t 或o n u 连接的是a t m 设备，象 a t m 交换机和a t m 局域网，则a a l 层的功能可以省略。 a t m 层的主要功能是对信元头部的处理。考虑到管理和调度的需要，o l l 、 是根据不同的o n u 和业务类型来分配v p 、v c 的。因此在a p o n 内传输的信元 其头部的v p i 和v c l 只具有本地意义。在建立连接时，a p o n 内也同时建立了 外部v p i 、v c i 和内部v p i 、v c i 的映射，并在每个信元到达a t m 层的时候进 行变换。 2 2 1 加密和解密 第二章a p o n 的系统结构 加密和解密( c h u r n i n g d e c h u r n i n g ) 只在下行方向上进行。考虑到下行广播 式发送的特点，一个用户的通信可能被其他用户所监听，因此有必要采取定的 措施加以预防。c h u r n i n g 的主要过程如下：每个o n u 隔一段时间就向o l t 发送 一个3 字节长的密钥( c h u r n i n gk e y ) 。o l t 在发送面向该o n u 的信元时，就用 这个密钥与待发信元进行异或，以达到加密的目的。加密时，信元的头部不进行 操作。在o n u 端，将接收到的信元也与密钥进行异或，就达到了解密的目的。 上述的加密和解密过程相当简单，因此g 9 8 3 建议把它作为a p o n 的可选 功能。在实际的系统中，可以采取更加复杂的加密手段以提高数据的安全性。 图2 5 ：a p o n 上行处理过程 f i g 2 5 ：u p s t r e a mp r o c e d u r eo f a p o n 2 2 2 加扰和解扰 加扰和解扰( s c r a m b l e d e s c r a m b l e ) 在a p o n 的上下行方向都要进行。扰码 的目的主要是为了丰富定时信息，有利于稳定时钟的恢复，便于同步信号的提取。 同时扰码使数据随机化，避免了长连0 和长连1 的出现。 上行信元扰码的方法十分简单。除了每个时隙和微时隙的3 字节上行开销之 外，其余部分都加扰。扰码器的生成多项式为x 9 + x 4 + 1 ，加扰时把扰码器输出 的伪随机序列同发送内容相异或，即完成了扰码。o l t 端解扰时的过程与加扰过 程相同，解扰器同扰码器的结构也一样。为了使扰码器和解扰器达到同步，在对 每个时隙或微时隙加解扰之前，扰码器解扰器所有的触发器都置为l 。 上海交通大学硕士学位论文 a p o nm a c 算法的研究与硬件设计 根据g 9 8 3 建议，下行信元的扰码采用了比较复杂的分布式取样扰码技术 ( d i s t r i b u t e ds a m p l es c r a m b l e ) 。这种扰码技术在扰码器和解扰器的同步方面比较特 殊，它并不需要扰码器和解扰器在同一点上进行置位。分布式取样扰码在进行同 步时，扰码器每隔一段时间将输出取样值发送给解扰器，解扰器与自身的取样值 进行比较之后产生一个校正矢量。然后解扰器把校正矢量加到自己的触发器上， 完成一次校正。经过若干次校正之后，扰码器和解扰器就能达到同步。关于分布 式取样扰码技术的详细内容，参见文献 1 5 - 1 7 。 2 2 3 同步 a p o n 系统中的同步，包括比特同步、信元同步和帧同步。比特同步是在光 接收机内完成，通过锁相环来实现。 信元同步又叫信元定界，在下行时是通过计算信元头部的校验和( h e c ) 来 实现的。一旦按照校验和公式校验成功，就认为找到了信元头的位置。按照这个 位置能够连续校验个校验和( 一般= 8 ) ，就认为实现了信元同步。上行时， 由于上行开销里有定界符，找到定界符就可获得同步。 帧同步事实上只在下行方向上进行。上行方向信元和可分时隙的发送都由 o l t 控制，因此不需要同步。下行帧的同步是依靠p l o a m 信元来实现的。由 于p l o a m 信元在下行帧内的位置固定( 见下文“a p o n 的帧格式”一节) ，因 此找到了p l o a m 信元就等于完成了帧定位。另外，在p l o a m 信元内还有一个 帧比特用来标志该p l o a m 信元是否为帧内第个p l o a m 信元。根据 p l o a m 信元的信元头及这个帧比特，就能使o n u 获得帧同步。 2 3a p o n 系统的参考模型 由于接入系统在拓扑结构、用户对业务的需求、网络规划方面具有很大的伸 缩性，相关的规范与建议并未给出相应的参考模型。下面我们提出a p o n 的协 议参考模型如图2 - 6 所示。 a p o n 的物理层由传输会聚予层( t c ) 、物理媒质相关子层( p m d ) 和媒 质接入控制子层( m a c ) 构成。其中t c 子层除了完成标准a t m 参考模型的功 能外，还负责形成p o n 特定的帧格式以及从帧中提取a t m 信元。而p m d 子层 主要完成从光分配网络上正确地接收信元( 对于o n u 仅需连续式的接收，而对 o l t 则处于突发式的接收状态) 。 m a c 予层则是整个系统的核心，它主要负责动态实时地将业务信元从o n u 传送至o l t 处。由于各o n u 位置分散，难以实时了解队列的状况，同时支持的 业务种类多，q o s 要求各异，因此，合适的m a c 算法将是系统设计的关键。 a p o n 控制层则负责整个光接入网正常工作所必须的测距，o n u 发送功率 调整等功能。在系统中，这些功能无须a t m 层的处理，直接经m a c 子层后由 9 第二章a p o n 的系统结构 底层完成。 用户面 控制面 q 2 9 3 l v b 5 a a l l 5 a a l ip o n ；苟i 一1 黜。 物 理 层 m a c 子层 p o n 传输汇聚子层 p o n 物理媒质子层 光分配 网络 p o n j 控制la t m 层 竺! ! 星i 物 p o n 传输汇聚子层i 翼 面菰撅赢层 a t m 接入 交换机 图2 6 ：a t m 无源光网的参考模型 f i g 2 - 6 ：r e f e r e n c em o d e l f o ra t mp o n 接入网的最主要的功能是在满足用户q o s 保证的前提下透明地传送业务信 元。要达到这一点，还须具有下述功能： ( a ) o l t 具备参与连接建立的功能。由于接入网可以看成整个虚连接的一 部分，o l t 可通过v b 5 接口的b c c p 协议和骨干网共同协商网络的带宽分配。 连接建立时所协商的网络流量合同直接被m a c 利用。 ( b ) 在o l t 对o n u 的v c 队列的调度中，由上述可知，为了获得各0 n u 的队列信息，信元的v p i 值只具有本地意义，即起始于o n u ，终止于o l t 。信 元在骨干网中的v p i 值由o l t 在连接建立阶段确定。故o l t 在a t m 层应具有 信元头的提取产生和v p i 值变换的功能。相似的，信元在宽带a t m 交换机通过 路由表完成交换。另一方面，在交换机的输出端口，有可能出现多个信元竞争同 一个出线，此时必须缓存这些信元，并由调度算法仲裁信元的输出。从这种意义 上说，我们可以将整个接入网看作具有分布式队列的交换设备，o l t 为输出端 口，o n u 中配置分布式缓存，缓存中的信元在o l t 的仲裁下( 亦即完成m a c 功能) 占用上行链路。 ( c ) 按照a p o n 的标准配置，o l t 并不具备对a t m 连接的信令进行解释 的功能，但从m a c 的角度来看，适当的简单信令功能可简化连接的建立并有利 于更好的资源分配。 2 4a p o n 的帧格式 |困 一幄一 翡丑三 上海交通大学硕士学位论文 a p o nm a c 算法的研究与硬件设计 k 一 上行每帧5 3 个时隙，每个时隙5 6 字节叫 压翌二园二园 饧3 字节的叫 时隙i k 一 目上行开销 k 卜一 下行每帧5 6 信元，每个信元5 3 字节一 i p l o a m l i 信元1l i 信元2 7l p l o a m 2 l 信元2 8l l 信元5 4i 图2 - 7 ：g 9 8 3 定义的上行和下行帧格式示意图 f i g2 7 ：u p s t r e a ma n d d o w n s t r e a mf r a m ef o r m a td e f i n e db yg 9 8 3 g 9 8 3 主要是对a p o n 系统的光网络物理媒质层、传输会聚层、测距、帧格 式等提出了建议。g 9 8 3 规范建议a p o n 接入系统上行和下行分别采用t d m a 和t d m 的接入方式，具体的帧结构如图2 7 所示。 上行每帧由5 3 个时隙组成，每个时隙有5 6 个字节( 上行速率为1 5 5 5 2 m b s 时，每帧时长约为1 5 3 微秒) 。除了5 3 字节的a t m 信元外，在信元前另缀有3 个字节的额外开销以满足a p o n 的特殊要求。这3 字节开销的具体设置可编程， 由o l t 通过p l o a m ( p h y s i c a ll a y e ro a m ) 信元通知o n u 。上行开销的3 字节 由3 个部分组成，其内容如下： ( a ) 保护时间：由于上行方向系统工作在共享信道的突发状态，虽经过测 距过程使得所有的o n u 与o l t 之间的逻辑距离相等，但由于测距精度、光器件 和电路温度特性等因素的影响，仍有可能使得不同的o n u 发送的信元发生碰撞。 故在信元头设立一段保护时间( 4 比特长) 以避免碰撞破坏有效信息。 ( b ) 前导码( p r e a m b l e ) ：o l t 端的突发接收机可利用前导码快速获得比 特同步以及建立阈值电平，从而提取有效的比特信息。 ( c ) 定界符( d e l i m i t e r ) ：它表明了信元或者微时隙的起始，通过定界符可 获得字节同步。 在上行每帧5 3 个时隙内，还有一至多个可分时隙( d i v i d e ds l o t ) 。每个可 分时隙由多个微时隙( m i n is l o t ) 组成，用来让o n u 向o l t 传送队列信息。在 g 9 8 3 中对这种时隙的定义比较灵活，除规定每个微时隙必须含有a p o n 所需的 3 字节的额外开销外，具体净负荷大小、字节定义、可分时隙的数目及在上行帧 中的位置关系都由系统运营者自己决定，并由o l t 通过p l o a m 信元通知o n u 。 每帧中的可分时隙越多，o n u 就有更多的机会被“轮询”，从而实时性越好， 但同时开销也越大，降低了数据信元的传送效率。反之，可分时隙的减少提高了 传送效率，但降低了信息交互的密度，设计时应在两者间取得折衷。 下行帧则由连续的a t m 信元流组成，速率为1 5 5 m b s 或6 2 2 m b s ，与上行 帧之间的相位关系固定。每个下行帧中含有5 6 个信元，其中每隔2 7 个信元便插 第二章a p o n 的系统结构 入一个p l o a m 信元。 p l o a m 信元主要是用在o n u 和o l t 之间传递物理层的运营、管理、维护 ( o a m ) 信息。除此以外，它还用来传递m a c 算法对上行帧的时隙安排，即许 可( g r a n t ) 。每个许可为单字节长，根据具体的o n u 和不同的许可类型进行编 码。上行帧除了传送数据信元外，还要传送o n u 的p l o a m 信元、可分时隙、 测距信元等，故许可类型也包括数据许可、可分时隙许可，测距许可等。每个 p l o a m 含有2 7 个许可，对于1 5 5 m b s 下行速率而言，每帧含有两个p l o a m 信元、5 3 个有效许可( 另一个许可空闲) ，正好对应上行每帧5 3 个时隙。每个 o n u 通过收到的许可就知道自己在下一上行帧中的发送位置及应发送信元的类 型。通过这种帧结构，建立了上下行帧之间的一映射的关系。 在这里我们提出一种可行的上行可分时隙和下行数据许可的格式如图2 _ 8 所 示。每个下行的可分时隙由8 个微时隙组成，因此一次可以上传8 个不同o n u 的队列信息。每个微时隙的有效载荷为4 字节，携带着该o n u 的各类型连接自 前一次上传之后新到达信元的数目。其中s d g 、d d g 、b g 分别代表着