（通信与信息系统专业论文）gpon上行动态带宽分配算法的研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： g p o n 上行动态带宽分配算法的研究 通信与信息系统 李青波 王亚民 摘要 ( 签名) 彗速 ( 签名) 芝丝纽 近年来，随着互联网飞速发展与数据业务的急剧增长，连接骨干网与用户间的接入 网成为整个网络的瓶颈。而光纤到户( f t t h ) 作为接入网发展的最终目标，被广泛认为是 一种理想的综合接入方案。在各种光接入技术中，吉比特无源光网络( g p o n ) 技术由于 其高速率、高效率、全业务的q o s 保证以及充分考虑运营商的意见等优势，成为解决带 宽瓶颈的最佳选择。因此研究g p o n 技术，特别是研究g p o n 的关键技术具有非常重 要的地位。 论文首先讨论了g p o n 技术的研究背景、发展现状，分析了g p o n 的优势所在； 然后介绍了g p o n 系统，分析了该系统的结构、网络要求及关键技术；其次，密切结合 i t u t 的g 9 8 4 系列协议标准，分析了g p o n 系统的协议栈和t c 分层结构以及关键概 念。研究t c 层的上、下行帧结构，并讨论了帧中各个字段的含义及作用。 本文围绕g p o n 技术的动态带宽分配( d b a ) 算法这个核心问题，讨论了现有的d b a 算法研究现状，并通过性能分析且考虑目前的技术实现条件，对一些有代表性的算法进 行了优缺点的比较。对比已有的算法，提出了一种基于t - c o n t 的g p o n 的上行动态 带宽分配算法。采用仿真软件，建立了一个仿真模型，并在此平台上对该d b a 算法性 能进行仿真。通过理论分析与仿真实验，表明这种算法在时延、时延抖动方面有较好表 现，且符合规范的要求，可以实现一种满足全业务服务等级要求的动态带宽分配方案。 关键词：吉比特无源光网络；传输汇聚层；g e m ；动态带宽分配；传输容器 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nd b aa l g o r i t h mi ng p o ns y s t e m s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：l iq i n g b o i n s t r u c t o r ：w a n gy a m i n a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) 尘鱼卜 ( s i g n a t u r e ) 型坠扛净血 w i t ht h eg r o w t ho fi n t e r n e ta n dd a t as e r v i c e t h ea c c e s sn e t w o r kt h a tc o n n e c t sb a c k b o n e a n du s e r si sb e c o m i n gt h eb o t t l e n e c ko fw h o l en e t w o r ki nr e c e n ty e a r s f t t h ( f i b e rt ot h e h o m e ) b e c o m e st h eo b j e c t i v eo fa c c e s sn e t w o r k sa n di sa c c e p t e d 私ak i n do fe x c e l l e n t i n t e g r a t e ds o l u t i o nf o ra c c e s sn e t w o r k a m o n gk i n d so fo p t i c a la c c e s sn e t w o r kt e c h n i q u e s ， g p o ns u p p o r t sh i g hs p e e dr a t e ，h i g he f f i c i e n c y , f u l l - s e r v i c e sq o s ，a n dc o n s i d e r st h e s u g g e s t i o n so fs p s ( s e r v i c ep r o v i d e r s ) a tt h es a m et i m e g p o ni sr e g a r d e da sa no p t i m a l c h o i c eo fs o l u t i o nf o rb o t t l e n e c ko fa c c e s sb a n d w i d t hi nt h ef u t u r e s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o r e s e a r c hg p o na n di t sk e yt e c h n o l o g i e se s p e c i a l l y f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e sa b o u tt h et e c h n i q u eb a c k g r o u n do fg p o n ，g p o n d e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n da d v a n t a g e so fg p o n t h e n ，i ti n t r o d u c e sg p o no p t i c a la c j 2 e s s n e t w o r ks y s t e m ，a n a l y z e st h es t r u c t u r e ，o p t i c a ln e t w o r kr e q u i r e m e n t s ，a n dk e yt e c h n i q u e so f s y s t e m t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h eg p o ng 9 8 4 xr e c o m m e n d a t i o n ，i ta n a l y s e sp r o t o c o ls t a c k o fg p o ns y s t e m ，t c ( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ) l a y e r e dm o d e la n di n t r o d u c e st h ek e y c o n c e p t i o no ft cl a y e r b a s e do ns t u d y i n gu po ns t r u c t u r eo ft h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m f r a m e t h em e a n i n ga n df u n c t i o no fv a r i o u sf i e l d sc o n t a i n e di nf r a m ei sd i s c u s s e d n i sp a p e rf o c u s e so nt h ei s s u eo fd b aa l g o r i t h mi nt h eg p o nt e c h n o l o g y , d i s c u s s e s d b aa l g o r i t h m sw h i c hh a v e b e e np u tf o r w a r d ，a n dp o i n to u tt h e i ra d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e b yc o m p a r i n gd b aa l g o r i t h mw h i c hh a v eb e e np u tf o r w a r d ，an e wd b a a l g o r i t h mt h a tb a s eo nt h et - c o n t i sp r e s e n t e d t h em o d e lf o rt h i sa l g o r i t h mi su s e df o rt e s t t h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c e ，w h i c hb u i l ta n di m p l e m e n t e di no p n e t a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h i sa l g o r i t h mh a sw e l l p e r f o r m a n c ea tp a c k e td e l a ya n dd e l a yv a r i a t i o n a n da l s o ，t h i sa l g o r i t h mc a ns a t i s f y 晰t hi t s a l ls e r v i c e sl e v e lo v e rg p o na n di tf o l l o w st h er e q u e s to fs t a n d a r d k e yw o r d s ：g p o n t cl a y e rg e md b at - c o n t t h e s i s：t h e o r e t i c a lr e s e a r c h 姿料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夸青力之日期：) o o g 4 匹 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：弯嘈彼指导教师签名：二溉 年月日 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 随着互联网的快速发展，其数据流的激增，使得人们对网络接入带宽提出更高的要 求。而以传统铜缆的接入方式运作的接入网已经无法满足通信业务量增长的需求。由于 光纤具有传输频带宽、抗干扰能力强、容量大等优点，非常适合作为高速、宽带业务的 传输媒介。 为满足用户对宽带业务日益增长的需求，建立一个宽带化、高速化、智能化、综合 化的用户接入网，光纤到户( f t t h ) 是通信业界公认的发展方向。而基于点到多点体 系架构的无源光网络( p o n ) 技术由于具有采用无源节点、带宽高、维护成本低廉、可靠 性好、结构简单且符合接入网要求等优势，被认为是实现f t l m 的最佳技术。 p o n 网络为一种点到多点的光接入网络，它是由局侧的o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a - t i o n 光线路终端) 、用户侧的o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t 光网络单元) 以及o d n ( o p t i c a l d i s t r i b u t i o nn e t w o r k 光分配网络) 组成i ，如图1 1 所示。一般其下行采用t d m ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 时分多路复用) 广播方式、上行采用t d m a 方式，可以灵活地组 成树型、星型、总线型等拓扑结构。 s n i局端设备远端设备u n i 图1 ip o n 结构图 9 0 年代中期，一些主要网络运营商成立了全业务接入n ( f s a n ) 协会，其目的是制定 p o n 设备的统一标准，以使设备商和运营商一起进入p o n 设备市场，开展竞争。其第一 个成果是在i t u tg 9 8 3 建议系列中规范了1 5 5 m b sp o n 系统的标准。由于使用a t m 作为 承载协议，该系统被称为a p o n 系统，后因常被人误解为只能提供a t m 业务，故改称为 宽带无源光网( b p o n ) 系统，以表明这种系统能提供以太网接入、视频分配、高速租用 线等宽带业务。但是，对这第l 代f s a n 系统来说，最常用的称呼还是a p o n 。后来，a p o n 标准经过增强，可支持6 2 2 m b s 的比特率，并且在保护方式、动态带宽分配( d b a ) 和 其它方面增加了新的特点。 西安科技大学硕士学位论文 与此同时，i e e e 也成立了第1 英里以太网( e f m ) 研究组，在光接入网方面推出基 于以太网的e p o n ，为市场展示了很好的前景。该研究组归属制定以太网标准的i e e e 8 0 2 3 组。同样，它的研究范围也限于体系结构，并要符合现有8 0 2 3 的媒体接入控制 ( m a c ) 层。目前的工作中心是对只用于以太网传送的1 2 5 g b s 对称系统进行标准化。 在2 0 0 1 年，f s a n 启动了一项新的工作，对工作在1 g b s 以上的p o n 网进行标准化。 除了支持高速率的这一点以外，整个协议一直是开放的，以便重新考虑和寻求在支持多 业务、o a m & p 功能和扩展性方面最佳和最有效的方梨2 1 。作为其最新的工作成果，即 是推出了g p o n ，它能提供前所未有的带宽并支持多业务，特别是以本色格式和极高的 效率同时支持数据和t d m 。2 0 0 3 年1 月3 1 日，i t u t 批准了g p o n 标准( 3 9 8 4 1 和( 3 9 8 4 2 。 2 0 0 4 年3 月和6 月发布了规范传输汇聚( t c ) 层g 9 8 4 3 和运行管理通信接口的g 9 8 4 4 标 准。 1 2 研究目的及意义 1 2 1p o n 简介 a p o n ( a t m - p o n ) a p o n 是f s a n 于2 0 世纪9 0 年代中期开发完成的，并将其定为i t u 的标准，即 g 9 8 3 协议。a p o n 是结合a t m 多业务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能 力的解决方案。它是基于信元的传输系统，为点到多点的传输系统的复用和多路接入方 式提供了良好的基础。a p o n 传送的是固定长度的数据，可采用两种速率结构：即上下 行均为1 5 5 5 2m b s 的对称结构和下行6 2 2 0 8m b s 、上行1 5 5 5 2m b s 的不对称结构【3 】。 a p o n 提供了非常完备的o a m ，包括b e r 监测、告警和检测、自动发现和自动测 距和下行加密的搅动机制等，并使用t - c o n t 来实现q o s 。a p o n 系统还是有两个缺点， 一个是低的数据传输效率；一个是在a t m 层面上提供服务的复杂性。 e p o n ( e t h e m e t p o n ) 由于以太网技术的高速发展，把简单经济的以太网技术与p o n 的传输结构结合起 来的e t h e m e to v e rp o n 概念开始引起技术界和网络运营商的广泛重视。e p o n 最大的优 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。 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。目前， i p e t h e m e t 的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，成为连接接入网最终用户的一种有效的通信方法。 e p o n 不需任何复杂的协议，光信号就能精确地传送到最终用户，来自最终用户的 数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，e p o n 使用1 0 0 0 b a s e 的以太p h y ，同时 2 1 绪论 在p o n 的传输机制上，通过新增加的m a c 控制命令来控制和优化各o n u 与o l t 之 间突发性数据通信和实时的t d m 通信。在协议的第二层，e p o n 采用成熟的全双工以 太技术，使用t d m 。由于o n u 在自己的时隙内发送数据包，因此没有碰撞，不需 c d m a c d ，从而充分利用带宽。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 t 4 1 。e p o n 虽然有其独特的优势，但也有一些缺点，主要是效率低和 难以支持以太网以外的业务。 g p o n ( g i g a b i t - p o n ) 在2 0 0 1 年，f s a n 组织开始起草超过1 g b s 速率的p o n 网络标准。速率范围的设 定是基于一个认识：不同服务需求对应不同的系统容量。除了需要支持更高比特率， f s a n 还需重新考虑所有现行的协议，寻找一个最优化最有效的解决方案以支持多种服 务、o a m & p 功能以及可升级能力。 由于f s a n 的努力，使g p o n 成为光接入网一种全新的解决方案不但提供高速 的比特率，而且支持各种接入服务，特别是非常有效地支持原有格式的数据分组和t d m 流。g p o n 提供1 2 4 4 和2 4 8 8 g b s 的下行速率和所有标准的上行速率，具有高速宽带 及高效率传输的特性。而且它的帧结构不基于任何指定类型的格式，是基于各种用户信 号原有格式的封装【5 1 。 1 2 2g p o n 的技术优势 通过对三种p o n 的介绍之后，为了对它们有一个更全面、更深刻的了解，现将它 们的主要技术参数性能对比【6 】【7 】列于表1 1 ，如下： 表1 1a p o n 、e p o n 、g p o n 性能参数的比较 3 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 前所未有的高速率 g p o n 提供比其竞争技术更宽的数据速率范围，高达2 4 8 8 g b p s 下行数据流和 1 2 4 4 g b p s 上行数据流，足以满足未来网络应用日益增长的对高带宽的需求，同时其非 对称性更能适应宽带数据业务市场。 ( 2 ) 无可比拟的高效率 带宽是运营商的一种有限资源，因此必须实现最大的网络利用效率，在有限的带宽 条件下获得最大收益。g p o n 在扰码效率，传输汇聚层效率，承载协议效率和业务适配 效率等方面都是最高的，因此其总效率最高，等效系统成本最低。a p o n 由于需要进行 传输协议的转换，在t d m 业务占1 0 ，数据业务占9 0 的情况下，a p o n 的总效率只有 7 1 。而在传送业务和数据业务的情况下，e p o n 的传输效率只有4 9 ，但g p o n 可达到 9 3 。 ( 3 ) 较好的传输功能 a p o n 标准不适合本地环，缺少视频传输功能，带宽有限，结构复杂，造价昂贵。 e p o n 具有较宽的带宽，较低的费用和较好的业务功能，能实现数据、视频和语音 在单一平台上传输。e p o n 的特点只适合应用于长距离高带宽的光纤接入和传输。 g p o n 可在接入网络上提供1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 及1 g b p s 的服务，同样还可以提供的 v l a n 服务，同时支持语音的服务包括v o i p 及t d m 。在当前众多解决接入网络瓶颈的技 术中，g p o n 也是唯一可在单一波长下提供2 5 g 的带宽，同时可传送多个波长在一条光 纤上的唯一技术。 ( 4 ) 可支持对称和不对称的多种线路速率 4 1 绪论 g p o n 灵活配置上下行速率。对于f 1 v r h 、f t t c 应用，可采用非对称配置；对于f 1 v r b 应用，可采用对称配置。由于高速光突发发射器、突发接收器件的价格昂贵，且随速率 上升显著增加，因此这种灵活的配置可使运营商有效的控制光接入网的建设成本。 ( 5 ) 简单、高效的适配 g p o n 采用g f p 对多业务流实现简单、高效的通用适配封装，支持定长和不定长帧 的封装，不需要进行协议转换，封装效率高达9 7 。而e p o n 仅考虑其8 b 1 0 b 的线路编 码就已经有2 0 的带宽浪费，在加上对以太网的封装和开销，其效率远远低于g p o n ， 同时在传输t d m 业务时需通过协议转化将其映射到以太网中。 由于a p o n 需要进行传输协议的转换，在t d m 业务占1 0 ，数据业务占9 0 的情况 下，a p o n 的总效率只有7 1 。 e p o n 因为使用8 b 1 0 b 编码作为线路码，其本身就引入了2 0 的带宽损失，1 2 5 g b i 以 的线路速率在处理协议本身之前实际就只有1 g b i t s 了。除此以外，帧间隙较大，零碎时 隙浪费等等这些因素使得e p o n 的总体效率很低。 g p o n 采用了不归零编码，没有引入带宽损失，同时，是基于g f p 的，只是协议的 透明传送，不进行任何协议转换，所以相对于a p o n 和e p o n ，g p o n 的总效率是最高的。 ( 6 ) 可扩缩性 接入层采用什么解决方案，还必须考虑的关键问题是如何承载日益增多的多种协议 和技术。当前必须支持很多t d m 和数据业务，同时还必须支持存储区域网络( s a n ) 和数 据视频等新兴应用。g p o n 通过g f p 的自适应方法，提供一个清晰的变换路径来向p o n 添加这些业务，而且不会破坏现有设备或改变传输层。这与e p o n 技术形成鲜明对比， 后种技术均要求对各个业务采用特定的调整方法，尤其是在处理新兴业务的时候。 ( 7 ) 提供可靠的q o s a p o n 和g p o n 均能提供可靠的q o s ，而e p o n 仅在数据传输方面有好的性能，在处 理语音、视频业务等实时业务时先天不足，为实现综合业务，e p o n 标准必须附加复杂 的保证机制。 从上面所列出的优点来看，g p o n 充分考虑了运营商的意见，不仅仅能提供以太网 和千兆以太网业务，还全面支持语音、视频和数据业务，能提供多种带宽选择、较高的 带宽利用率和对多种业务的有力支持，所以g p o n 是一种较先进的宽带光接入网技术， 它为打破接入网端的网络带宽瓶颈提供了有力的解决方案，是今后宽带接入网的较好选 择。 1 3 国内外发展现状及趋势 由于全球各大运营商对用户线环路改造的趋势的看法日趋一致，即用户线环路将逐 步由光纤取代，因此，目前各大运营商均在根据不同的应用和成本需求，同时部署f t t c 、 5 西安科技大学硕士学位论文 f t t b 和f t t h 系统，其最终目标是完成接入网完全光纤化的替换。 应该说最能让g p o n 技术大显身手的应用场合就是f t t h 。但是到目前为止，对于 电话业务的传输而言，使用p o n 技术的f t t h 系统依然无法达到“铜线对等 的成本 要求。但是随着终端业务的综合化要求跟g p o n 配套技术的发展，g p o n 在f t t h 的大 规模应用前景比之前任何一种f 1 v r h 技术都要光明的多。 i t u t 于近几年逐步完善了g 9 8 4 x 系列标准，2 0 0 4 年，在g p o n 的主体标准 g 9 8 4 3 ( g p o n 传输汇聚层协议) 推出后，能够提供设备的只有f l e x l i 曲t 、o p t i c a ls o l m i o m 等少数几家新兴公司，传统的电信设备厂商大部分在预研状态。2 0 0 5 年g 9 8 4 4 ( g p o n 的管理控制接口) 出台，整个标准协议完成，更多的厂商开始介入g p o n 领域，大型芯 片厂商也开始研发g p o na s i c ，这些厂家有f r e e s c f l e 、b r o m l i g h t 、p m c 、c o n e x 锄t 等， 此外一些看好g p o n 的设备厂商，如华为、中兴、阿尔卡特、西门子等也先后进入实际 开发阶段。 运营商方面则有北美和欧洲的各大运营商均提出了完全针对g p o n 设备的用户需 求，并要求在2 0 0 8 年左右进入大规模的部署阶段。而我国宽带接入网主导技术是a d s l ， 大约占7 0 左右，其次是以太网技术，还有少量宽带无线接入和电缆调制解调器接入， 因此，接入网的速率相对较低。对于f t t h 技术还处在跟踪阶段，少数发达城市也已经 在开始考虑和试验各种f t t h 技术。e p o n 和g p o n 技术都是各运营商关注的重点。据 业内人士分析，我国的发展趋势将可能跨越a p o n ，b p o n 和e p o n 阶段，较快地过渡 到g p o n 阶段【引。 但是需要指出的是，g p o n 承载有q o s 保障的多业务和强大的o a m 能力等优势在 很大程度上是以增加技术和设备的复杂性为代价得来的，从而使得相关设备成本较高； g p o n 相关产业链不够成熟，相应的芯片厂商与光模块厂商屈指可数，可以提供成熟 g p o n 产品的厂商也很少，这些都将直接影响到g p o n 在今后一段时间内的市场表现。 而随着g p o n 技术的发展和大规模应用，设备的成本将会有相应地下降。而f s a n 也将 继续推动o m c i 简化、低成本光源等方面的研究，以进一步提供简单而易于实现的低成 本g p o n 解决方案。围绕f s a n 将会形成一个完备而强大的产业链，在f s a n 的组织 和推动下，产业链上下游必将团结致共同推进g p o n 的发展。 1 4 论文结构及主要工作 本文主要首先对论文工作的研究背景进行简述，回顾了无源光网络以及发展现状， 为之后的研究工作做了铺垫。 第二章对g p o n 系统了介绍，包括系统结构与工作原理，以及g p o n 中的关键技 术。 第三章主要是g p o n 协议及t c 层的研究，具体研究了g t c 层的上、下行帧结构。 6 1 绪论 然后论述了传输汇聚层的组成和相关概念。 第四章是对g p o n 上行带宽动态分配算法进行研究与设计。通过对现有算法的分 析，鉴于其不足，提出一种既满足业务q o s 要求、又兼顾业务之间公平性的d b a 算法。 并利用o p n e t 软件仿真，对该算法进行性能分析。 第五章总结了全文，提出了可以深入的研究方向。 本文的具体工作与主要研究内容如下： 1 对g p o n 系统的结构及协议进行研究，并对t c 层中的重要模块与结构进行分析 描述。 2 在对g p o n 动态带宽分配原理理解的基础上，提出了一种基于t - c o n t 的轮询 d b a 算法。该算法根据各t - c o n t 的特性，对优先级高的t - c o n t 优先服务，来确保 其q o s 性能。 3 利用o p n e t 工具建立了一个g p o n 仿真平台，并依据此平台进行算法的仿真研 究，检验其算法性能。通过在以上仿真系统上的检验，该算法能保证各t - c o n t 的q o s 性能，并有较低的时延与时延抖动。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 1g p o n 系统结构 2 1 1 网络结构 2g p o n 系统分析与研究 g p o n 同所有p o n 系统一样，应用于接入网，由局端设备( o l t ) 与多个用户端设备 ( o n u o n t ) 之间，通过无源的光缆、光分合路器等组成的光分配网( o d n ) 链接而成的网 络系统，其网络结构如图2 1 所示。 1 y s i c a ll i n k 。1 。- - - - - - - o n tl 址u l i l s e n l e l l la n dc o n t r o li n t e r f a c e u n ii d s li n t e r l a c ep o np o n i n t e r l e c ci n t e r l e c e 图2 1g p o n 网络结构 o l t 为接入网提供网络侧与核心网之间的接口，具有集中分配带宽、控制各个o n u 、 实时监控、运行维护管理p o n 系统的功能。o n u 为接入网提供用户侧的接口，提供话 音、数据、视频等多业务流与o d n 的接入、受o l t 集中控制【9 1 。系统分支比为l ：1 6 3 2 6 4 ， 随着光收发模块的发展，支持的分支比将达到1 ：1 2 8 。在同一根光纤上，g p o n 可使用 波分复用( w d m ) 技术实现信号的双向传输。根据实际的需要，还可以在传统的树型拓扑 的基础上采用相应的p o n 保护结构来提高网络的生存性。g p o n 可应用于接入网中的 光纤到户、光纤到楼、光纤到路边和光纤到交接箱等典型的应用场合，系统可以根据不 同场合需要接入不同种类的业务。 8 2g p o n 系统分析与研究 2 1 2 参考配置 g p o n 能够支持1 2 5 和2 , 4 4 8 g b i t s 的下行速率和所有标准的上行速率，但是系统 不能与b p o n 规范中规定的具有0 1 5 5 5 2 g b s 和0 6 2 2 0 8 g b i t s 上行速率、1 2 4 4 1 6 g b i t s 下行速的系统进行互连。 图2 1 显示了g p o n 的系统配置，包括一个o l t ，多个o n u ，一个光分路器和光 纤。在光分路器端与o l t 分支相连的光纤数目最多可以达到6 4 ，这些光纤分支与o n u s 相连。 在g p o nt c 层，最大逻辑距离定义为6 0 k i n ，同时，最远与最近的o n u s 之间的 光纤距离最大差额是2 0 k m 。由于有这个差额限制，测距窗口的大小不能超过服务质量 关注所允许的值。随着光收发模块的发展演进，t c 层支持的分路比将达到1 ：1 2 8 。 g p o n 支持在i t u tg 9 8 4 1 中定义的所有业务。g t c 支持的8 k h z 时钟，另外还 有一个由o l t 使用控制信号提供给o n u 的l k h z 的参考信号。在建议中，可获得能够 提高接入网可靠性的g p o n 的生存性功能，并且是可选择的。因此，t c 层传输p s t 信 息。由于p o n 的组播特性，t c 层下行帧需要采用某种安全机制。 2 1 3o l t 和o n u 可连接的类型 o l t 和o n u 可分成几种类型，例如a t m ，g e m 和双重模式。g 9 8 4 3 建议允许所 有类型的设备，但是，对于这些类型的可工作组合需要有所考虑。表2 1 显示了所有的 连接，使用“x 表示可以交互工作的组合。对于o l t 和o n u 来说没有强制性的支持 模式，互操作性将通过配置执行来管理。 表2 1o l t 和o n u 支持模式的范围 o l t g e md u a ia t m g e mxxn a o n ud i u a lxxx a t mn axx 2 1 2g p o n 的工作原理 在下行方向，g p o n 是一个点到多点的网络。o l t 以广播方式将由数据包组成的帧 经由无源光分支器发送到各个o n u 。每个o n u 收到全部的数据流，然后根据o n u 的 媒体访问控制( m a c ) 地址取出特定的数据包【1 0 1 ，如图2 2 所示。 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 2g p o n 工作原理图 在上行方向，多个o n u 共享干线信道容量和信道资源。由于无源光合路器的方向 属性，从o n u 来的数据帧只能到达o l t ，而不能到达其它o n u 。从这一点上来说，上 行方向的g p o n 网络就如同一个点到点网络。然而，不同于其它的点到点网络，来自不 同o n u 的数据帧可能会发生数据冲突。因此，在上行方向o n u 需要一些仲裁机制来 避免数据冲突和公平地分配信道资源。一般g p o n 系统的上行接入采用t d m a 方式， 将不同? n u 的数据帧插入不同的时隙发送至o l t ，如图2 2 所示p o 。 2 2g p o n 系统的要求 在g 9 8 4 1 中，主要规范了g p o n 接入系统的总体技术要求。g p o n 支持高速率和 对称非对称工作方式，同时还具有强大的支持多业务接入和o a m 的能力。g p o n 标准 中已明确规定要求支持的业务类型包括数据业务( e t h e r n e t 业务，包括i p 业务和m p e g 视频流) 、p s t n 业务( p o t s 业务、i s d n 业务) 、专用线( t 1 、e 1 、d s 3 、e 3 和a t m 业务) 和视频业务( 数字视频) 。g p o n 中的多业务映射到a t m 信元或g e m 帧中进行传送，对 各种业务类型都能提供相应的q o s 保证。一些基本的技术要求如下： 对称非对称线路速率，包括对称的6 2 2 m b p s 、1 2 5 g b p s 和非对称( 上下行) 的 1 5 5 1 2 4 4 m b p s 、6 2 2 1 2 4 4 m b p s 、1 5 5 2 4 8 8 m b p s 、6 2 2 2 4 8 8 m b p s 、1 2 5 2 5 g b p s ，具有前 所未有的高比特率； 最大逻辑距离和最大物理距离分别为6 0 k m 和2 0 k i n ； 最大光程差为2 0 k m ； 平均最大传输时延为1 5 m s l 系统分支比为l ：1 6 3 2 6 4 ，最大可支持的分支比为l ：1 2 8 1 1 0 2g p o n 系统分析与研究 采用一定的安全机制，防止恶意用户从下行数据流中轻易解码；防止恶意用户冒 充别的o n u o n t 或别的用户。 2 3g p o n 的关键技术 g p o n 上行链路在采用t d m 方式时，涉及到的相关技术有上行信道复用技术、测 距和时延补偿技术、突发同步、信息加密、动态带宽分配技术等。 2 3 1 上行信道复用 g p o n 可选用的上行复用方式有：波分多址复用( w d m a ) 、码分多址复用( c d m a ) 和时分多址复用( t d m a ) 。经过对各方式技术和成本的综合考虑后，一般选用t d m a 方 式。时分多址复用方式又可以分为静态时分多址复用，统计时分多址复用，随机接入等 方式。静态时分多址复用方式有其不足之处：当其中有的时隙未用时，还是占用一样的 带宽；对高突发率业务适应力不强；o n u 需要同步：随机接入没有确定的接入时间； 由于采用c s m a c d ，故有传输距离的限制。而统计时分多址复用可以克服前两者的不 足，所以一般选择采用统计时分多址复用。上行信号传输在o n u 被分配到的时隙里发 送数据帧，统计复用则通过提供的数据量的大小来改变时隙的大小i l 卜1 2 j 。 上行复用技术的重点是如何使用t d m a 的方法使上行信道的带宽利用率、时延和 时延抖动等指标符合要求。其中，上行带宽的分配方法、o n u 发送窗口固定还是可变、 最大的o n u 发送窗口应为多大、o n u 发送窗口的间隔等问题都需要研究解决。 2 3 2 测距和时延补偿 g p o n 系统测距的作用在于补偿由于o n u 与o l t 之间的距离不同而引起的传输时 延差异，从而使得各o n u 到o l t 的逻辑距离相同。由于光纤信道时延较大，o n u 与 o l t 之间的距离将会影响到上行信道的复用。如果准确测量各个o n u 到o l t 的距离并 能精确地调整o n u 的发送时延，则可以减小o n u 发送窗口间的间隔，从而提高上行 信道的利用率并减小时延。产生传输时延差异的原因有两个，一个是物理距离的不同， 另一个是由环境温度的变化和光电器件的老化等因素造成。相应地，测距过程也分为两 步：第一步是在新安装调试阶段进行的静态粗测，这是对物理距离差异进行的时延补偿； 第二步是在通信过程中实时进行的动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因 素引起的时延漂流。系统的测距常用的有扩频法测距、带外测距和带内开窗测距这三种 方法，由于扩频法测距技术复杂，精度不高，而带j i , n 距法存在成本高，技术复杂，测 距信号是模拟信号等缺点，所以系统测距一般采用带内开窗测距技术，其优点是利用了 成熟的数字处理技术，实现简单、精度高且成本低。 测距过程介绍如下：首先o l t 发出一个测距信息，该信息经过o l t 内的电子电路 西安科技大学硕士学位论文 和光电转换延时后，光信号进入光纤传输并产生延时，然后到达o n u 经过o n u 内的 光电转换和电子电路延时后，又发送光信号到光纤并再次产生延时，最后到达o l t 。 o l t 把收到的传输延时信号和它发出去的信号相位进行比较，从而获得传输延时值。 o l t 以离自己最远的o n u 的延时为基准，可以算出每个o n u 的延时补偿值，并通知 o n u 。该o n u 在收到o l t 允许它发送信息的授权后，经过延时补偿值后再发送自己的 信息，这样各个o n u 采用不同的补偿延时进行调整自己的发送时刻，以便使所有o n u 到达o l t 的时间都相同【l 引。 2 3 3 突发同步 在采用t d m a 方式传输的g p o n 系统中，下行方向传输的是连续数字信号，故在 o n u 的接收部分只需对光电检测器检测出的电信号进行定时提取和判决即完成定时再 生。在上行传输方向上，由于各o n u 的时钟是从o l t 传输来的下行帧信号中提取的， 而且o n u 在规定的时隙内传送上行分组信号，所以o l t 端接收到的o n u 的分组信号 频率是相同的，但由于o l t 到各个o n t ( 或o n l o 之间物理距离不同，以及不同厂家的 o n u 信号处理时间也不一样，如果不进行控制，不同o n u 的上行信元在o l t 处可能 发生碰撞，使o l t 无法正确接收。因此，必须采用测距技术精确测出各o n u 到o l t 之间的逻辑距离，然后对每个o n u 加入不同的调整时延，使信元在所有o n u 与o l t 之间往返的时间一样，从而避免上行碰撞的发生。g p o n 的测距系统虽然保证上行信元 不发生碰撞，但毕竟测距精度有限，在o l t 端接收到的是近似连续的码流，码流中各 o n u 分组信号的比特相位不同。由于组成上行帧的各o n u 传输的信元数有限，为了不 丢失有用信息，需有较快的比特同步。o l t 处的比特同步必须在每个上行o n u 短脉冲 数据流期间建立，使得快速比特同步电路在几个比特周期内与输入数据同步，从而把每 个o n u 发送的信号正确恢复出来i l 。 目前，己经提出了几种数字和模拟的突发同步技术，比较可行的有门控振荡法和相 关同步法。前者简单易行，同步速度快，接收信号的速度可以达到很高，但对器件的工 艺水平及开发条件要求较高，费用也较高；后者是一种全新数字技术，可用f p g a 器件 实现，开发成本低，易于集成。 2 3 4 信息加密 g p o n 系统下行传输采用了共享媒质的广播方式，导致每个o n u 都可以接收o l t 发送给所有o n u 的信息，所以为防止某些用户窃取发送给其他用户的信息，则必须对 发送给每个o n u 的下行信号单独进行加密。g p o n 采用跟a p o n 相同的搅动技术实现 对用户信息的加密处理。这是一种界于传输系统扰码和高层编码之间的保护措施。o l t 可以定时地发出命令，要求o n u 更新自己的密钥，o l t 就利用每个o n u 发送来的搅 1 2 2g p o n 系统分析与研究 动密钥对发送给该o n u 的下行数据在传输汇聚层进行搅动( 即扰乱) 加密。从而保证每 个o n u 只能按照自己的密钥从接收到的总信息流中提取出属于自己的信息，从而保证 用户信息的安全性与隐私性。 为了防止某些用户采用逐个试探的方法对不属于自己的信息进行解密，必须对搅动 密钥进行连续快速更新。搅动密钥的更新速度至少每秒( 甚至o 1 秒) 一个o n u 。这种搅 动技术只能为信息保护提供低水平保护，如果具体业务需要的安全性较高，采用普通搅 动技术难以满足要求时，可以在t c 层以上的高层使用功能更强的加密机制。 2 3 5 动态带宽分配 动态带宽分配( d b a ) 技术是指实时动态地改变g p o n 系统中各o n u 的上行使用带 宽，以适应用户速率的各种变化，从而提高系统的带宽利用率。p o n 系统的上行接入一 般采用固定分配和控制按需分配相结合方式，也就是i t u tg 9 8 3 4 规范的静态带宽分 配和动态带宽分配两种方式。g p o n 中用静态带宽分配对于数据通信这种变速率的业务 是不适合的，而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。通过d b a ，可以根据o n u 的突发业务的要