（光学工程专业论文）ethernet+pon实时多业务支持的研究.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 摘要 摘要 近年来，通信网的骨干部分已经发生了巨大的变化，而接入网却没有多大的 变化。无源光网络( p o n ) 由于其传输距离长、维护费用低廉等优点，最近已开 始在接入网开始商业铺设了。在p o n 技术中，e p o n 由于其速率高、费用低、 互操作性、低开销等多种特性，已由i e e e 成立“第一英里以太网”( e f m ) 研 究组8 0 2 3 a h 进行其标准化工作，因此e p o n 被认为是f t t h 的最佳实现方案之 一。然而，现阶段e p o n 在应用中还存在一些问题，其中又以实时业务支持和 安全问题尤为突出。 本文首先介绍了e p o n 的系统结构、原理和关键技术。接下来分析了各种实 时业务的q o s 要求( 如t d m 业务、视频流业务) ，详细探讨了在e p o n 系统 中各种q o s 的具体要求，提出在解决实时业务q o s 问题的构想。同时在实时业 务传送过程中，伴随大量信令信息的传送，我们讨论了e p o n 系统中对信令信 息支持的实现。 与q o s 密不可分的就是带宽分配问题，带宽分配又可以分为o n u 内带宽分 配( 优先级和队列管理机制) 和o n u 间带宽分配( 上行带宽分配方式) 。首先 我们提出在o n u 侧对各种业务数据流量进行流量聚合，然后实行适当的入队操 作。我们比较了各种带宽分配的优缺点，为了保证实时业务的q o s 要求，在此 基础上我们提出一种支持区分业务的“静态+ 动态”的带宽分配算法：多业务支 持动态带宽分配算法。总带宽中留出一部分作为每个o n u 中话音实时业务的固 定授权带宽，而视频流和数据业务则使用话音业务的剩余带宽。而后为了兼顾 o n u 内各种业务的公平性，我们改进此算法：同时考虑链路利用率问题，针对 剩余带宽我们提出了二次分配算法。 最后我们用o p n e t 实现本文提出的多业务支持动态带宽分配算法仿真并进 行一系列仿真实验。实验结果分析表明：多业务支持动态带宽分配算法( d b a m ) 能保证实时业务的q o s 要求，同时能兼顾公平性，较其他带宽分配算法( 静态 带宽分配，i p a c t ) 有其自身优越性。 关键词：以太无源光网络多业务支持服务质量动态带宽分配网络仿真 南京邮电学院硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w h i l et h eb a c k b o n en e t w o r k sh a v ee x p e r i e n c e ds u b s t a n t i a lc h a n g e si nt h el a s t d e c a d e ；t h ea c c e s sn e t w o r k sh a v en o tc h a n g e dm u c h r e c e n t l y ，p a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k s ( p o n s ) s e e mt ob er e a d yf o rc o m m e r c i a ld e p l o y m e n ti na c c e s sn e t w o r k s d u et ot h em a t u r i t yo fan u m b e ro fe n a b l i n gt e c h n o l o g i e s s u c ha sl o n gd i s t a n c ea n d r e d u c e dm a i n t e n a n c e a m o n gp o n t e c h n o l o g i e s ，t h ee t h e m e tp o n ( e p o n ) p r e s e n t l y s t a n d a r d i z e db yt h ei e e e8 0 2 3 a he t h e m e ti nt h ef i r s tm i l e s ( e f m ) t a s kf o r c ei s m o s ta t t r a c t i v eb e c a u s eo fi t sh i g hs p e e d ，l o wc o s t ，i n t e r o p e m b i l i t ya n dl o wo v e r h e a d ， s oe p o ni se x p e c t e dt ob eo n eo ft h eb e s ts o l u t i o n sf o rt h ef t t h b u tw h e nw ep u t e p o ni n t o a p p l i c a t i o n ，t h e r ea r es o m ec h a l l e n g e s ，- s u c ha ss u p p o r t i n gm u l 郇l e s e r v i c e sa n ds e c u r i t yr e s e a r c h ，w h i c hs h o u l db es o l v e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e ms t r u c t u r e ，p r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g i e so f e p o n t h e nt h i st h e s i sa n a l y s e st h eq u a l i t yo fs e r v i c eo fr e a lt i m es e r v i c e s ，a n d d i s c u s s e st h eq u a l i t yo f s e r v i c ei nd e t a i l s ，a tl a s tp u t sf o r w a r ds o m ep r o p o s a l st os o l v e t h e s ei s s u e s w h e nt r a n s m i t t i n gt h er e a lt i m es e r v i c e s ，t h e r ea r ep l e n t yo fs i g n a l l i n g m e s s a g e sa n dc o n t r o lm e s s a g e sa tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o w t os u p p o r t t h e s em e s s a g e si ne p o n b a n d w i d t ha l l o c a t i o ni sr e l a t e dt oq u a l i t yo fs e r v i c e ，i ti sc l a s s i f i e dt w oc l a s s e s ： i n t r a - o n ub a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( p r i o r i t i e so fp a c k e t s , a n dm a n a g e m e n to fq u e u e ) a n d i n t e r - o n ub a n d w i d t ha l l o c a t i o n a tf i r s tt h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt os h a p i n gt h ef l o w t og e tt ot h ef l o wo f v a r i o u sk i n d so f d a t ap a c k e t so no n us i d e ，t h e ns t a c kt h ep a c k e t s i n t ot h ep r o p e rp l a c e so ft h eq u e u e s t h e nt h i sa r t i c l ec o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s m i no r d e rt og u a r a n t e et h a t q o so ft h er e a l - t i m es e r v i c e 。t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r da s t a t i c + d y n a m i c ”a l l o c a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h ed i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ：d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n w i t h m u l t i p l es e r v i c e s t h i ss c h e m es e t sa s i d eap a r to f t h et o t a lb a n d w i d t ht os u p p o r tt h e f i x e dg r a n tb a n d w i d t ho ft h er e a l - t i m es e r v i c e ，w h i l et h es u r p l u sb a n d w i d t hi su t i l i z e d b yt h ev i d e os e r v i c ea n dd a t as e r v i c e t h i sa r t i c l em e n d st h i sa l g o r i t h m t og u a r a n t e e u 南京邮电学院硕上学位论文摘要 t h ef a i r n e s s c o n s i d e r i n gt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h el i n k a tl a s t t h i st h e s i sb r i n g s f o r w a r dar e a l l o c a t i o nm e c h a n i s mt os u r p l u sb a n d w i d t h a tl a s t ，w eu s et h en e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r ec a l l e do p n e tt oc o n s t r u c tt h e m o d e lo fd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o nw i t hm u l t i p l es e r v i c e sa n dc a r r yo u tas e r i e s o fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a n a l y z i n gt h er e s u l t so fs i r q u l a t i o n s ，w ed r a wac o n c l u s i o n c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e t h o d s ，o u rp r o p o s e dd b a m p o s s e s s e sap a r t i c u l a rs u p e r i o r i t y , s u c ha st h ep e r f o r m a n c eo fa v e r a g ep a c k e td e l a y , a v e r a g ep a c k e td e l a yv a r i a t i o n ，e t c k e yw o r d s ：e t h e r n e t - b a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，m u l t i p l es e r v i c e s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，n e t w o r ks i m u l a t i o n i i i 南京邮电学院硕士学位论文缩略语 a p o n q o s e f m a w d m c d m a d i f f s c r y e f m e p o n e t h e m e t f c s f t t c ，f t t b f t t h g p o n l a n o a n o d n o 【t o n u p o n t d m a f b a d b a d b a m m p c p v o d 缩略语 基于删的无源光网络 服务质量 第一公里以太网联盟 波分复用 码分多址接入 区分服务 第一英里以太网 基于e t h e m e t 的无源光网络 以太网 帧校验序列 光纤到路边大楼家 吉比特无源光网络 局域网 光接入网 光配线网 光线路终端 光网络单元 无源光网络 时分多址 固定时隙分配 动态带宽分配 多业务支持动态带宽分配 多点控制协议 视频点播 南京邮电学院学位论文独创性声明 y7 6 5 0 7 0 本人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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盎塞叠日期：型：z 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名 日期： 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 近几年来，随着通信网络技术的迅猛发展。一方面，通信网的主干部分发生 了翻天覆地的变化：另一方面，接入网却仍然停留在以铜缆接入技术为主的低速 率水平上。所承载的业务仍然是t d m 业务( 话音业务) 为主，随着数据业务， 特别是具有高带宽要求的高速数据业务( 如视频点播、视频会议) 的出现i n t e r n e t 数据流的激增加剧了接入部分的容量限制。“最后二公里”的接入部分仍然是高 速的局域网( l a n ) 和主干网之间的瓶颈。主干网光纤化带来的巨大的带宽资源 使人们考虑已经成为网络瓶颈的接入网也应该实现光纤化、宽带化【1 1 2 j 。 世界上9 0 数据都是以i p 以太网方式产生、传送的。而e p o n 是基于以太 的接入方式，以太网占据了当今世界上的9 0 的市场，由于其相关器件、设备 价格上的优势，加之协议实现简单、互联性好，是当今也是未来数据通信中使用 最为广泛的网络技术，另一方面，无源光网络( p o n ) 具有传输带宽大、传输距 离远、能综合接入多种业务等优点。因此经由以太网的网络技术加上p o n 的接 入技术构成的e p o n 传输i p 是最好的方案( i p o v e r e p o n ) ，也被认为是最终解 决“最后一公里”瓶颈的最佳方案1 3 j 。用e p o n 作接入网，成本低、通用性好； 免去了i p 数据传输的协议和格式转换，效率高，管理简单。然而，现阶段e p o n 在应用中还存在一些问题，其中以实时多业务支持和安全性问题尤为突出。本文 主要开展e p o n 系统对实时多业务支持方面的研究。 e t h e r n e t 是为数据应运而生的，与一些实时业务相比( 如t d m 业务) 数据 业务有其自身的特点，例如其对同步要求不高、对服务质量( q o s ) 要求较低、 突发性较强等。所以当e t h e r n e t 转而支持实时业务时，其面临一些问题。虽然在 现阶段，数据流量占据了网络流量的大部分，但其带来的收益却只占整个电信运 营收入很小的一部分。我国信息产业部的中国电信业发展指导( 2 0 0 3 ) 指出： 2 0 0 2 年我国t d m 话音业务收入占电信业务收入的比例高达9 0 以上。即便在 发达国家，t d m 话音业务收入依然占据运营商收入的很大部分。同时，近年来 随着i n t e m e t 的迅猛发展，人们对网络多媒体信息需求的增加，实时视频流业务 的涌现，对e p o n 接入网提出了新的要求。不论是t d m 业务还是实时视频流业 南京邮电学院硕士学位论文 绪论 务，其对q o s 的要求都比数据业务的q o s 要求高得多。同时在e p o n 中实现对 实时业务的支持，不可避免地要解决同步定时、信令传送等方面的要求。在本文 中我们将就这些问题展开讨论。 本文的结构安排如下：第二章简要介绍了接入网的现状和e p o n 技术及其发 展；第三章首先简单分析在e p o n 中实现对t d m 业务支持的可行性，详细讨论 t d m 业务的q o s 要求，在此基础上着重探讨了e p o n 对t d m 业务支持并提出 解决存在问题的一些方法；在第四章里，详细研究了e p o n 对视频业务支持问 题，对各种视频流业务进行分类，并对视频流业务的q o s 要求进行理论分析， 在此基础上提出解决此类问题的一些构想：第五章首先分析在e p o n 中实现对 实时多业务支持过程所需要的信令，接下来探讨如何为信令提供合理的服务，确 保实现对实时多业务的支持；第六章首先阐述了业务分级概念，在o n u 侧我们 把主要业务分成三类：t d m 业务、视频流业务和数据业务；接下来我们比较了 各种带宽分配算法，其中包括固定带宽分配、动态带宽分配等；然后我们提出本 文的多业务支持动态带宽分配算法( d b a m ) ，最后详细介绍如何用o p n e t 仿 真软件实现e p o n 实时多业务支持模型，并对仿真结果进行分析，结果表明我 们提出的d b a m 能较好地实现对多业务支持，保证实时业务q o s 要求。最后一 章对全文进行简单的总结，并提出对下一步工作的展望。 2 南京邮电学院硕士学位论文以太无源光删络技术及其发展 第二章以太无源光网络技术及其发展 2 1 接入网现状 近几年来，随着通信网络技术的迅猛发展。一方面，通信网的主干部分发生 了翻天覆地的变化；另一方面，接入网却仍然停留在以铜缆接入技术为主的低速 率水平上。传统的接入网主要是铜缆网，所承载的业务主要是t d m 业务，但随 着数据业务，尤其是具有高带宽要求的高速数据业务的涌现，i n t e m e t 数据流的 激增加剧了接入部分的容量限制。位于“最后一公里”的接入网仍然是高速的局 域网( l a n ) 和城域网、骨干网之| 日j 的瓶颈。主于网络光纤化带来的巨大的带宽 资源使人们开始考虑：已经成为网络瓶颈的接入网也应该实现光纤化、宽带化。 光纤接入网主要面对中小企业用户以及住宅用户。它不仅能提供原来铜缆网 能提供的2 m b p s 以下的窄带业务，还可以升级提供图像、数据、视频流等宽带 业务。并且接入网设备不依赖于交换机的具体型号，可以在多厂家、多类型交换 机环境中工作。 同时铜缆网的故障率很高，特别是其中的配线网部分是主要故障段，维护运 行成本也很高，仅美国贝尔电话运营公司每年用于其用户铜缆网维护运行和满足 新用户增长的花费就达3 0 亿美元。在光通信时代，花费巨额费用去维护运行一 个将要淘汰的铜缆网实在是追不得已之举。光纤网的引入正是为了将上述大规模 接入网投资和花费逐渐转向光纤。总体来说，采用光接入网的最基本目的有以下 几个： 1 首先是为了减少铜缆网的维护运行费用并降低故障率。据估算，采用光 接入网后，每年的维护运行成本可以比传统铜缆网节约至少5 0 美元，线，对于一 亿用户线相对于每年可以节约5 0 亿美元。2 0 年累计可达1 0 0 0 亿美元。已完全 可以用这笔经费作为建设光缆网所需的新投资，而且，故障率也会大大降低- 2 其次是为了支持开发新业务，特别是多媒体和宽带新业务，从而增加竞 争力，增加新业务收入，补偿建设光接入网所需的投资。近年来由于光器件价格 南京邮电学院硕士学位论文以太无源光网络技术及其发展 的持续稳定下降和铜缆价格的持续上升，光接入网的初装费用也已经可以与传统 铜缆网相比，在传输距离大约为2 3 公里以上时己低于传统铜缆网。 3 引入光接入网后，传输距离可以大大延长，大量的小型交换机和远端交 换模块可阻逐步减少，整个电信网可以向节点数较少，覆盖区较大，结构更加简 单的方向演进，特别是宽带业务网的结构需要朝这一方向发展。 4 最后，引入光接入网后，特别是f t t c f t t b 以后，剩下的双绞线或同轴 电缆的距离已经很短，这就使宽带业务的传送成为可能，这样将光纤和现有双绞 线和同轴电缆结合可以充分利用现有的巨大网络投资，提供一种经济的宽带混合 接入网。 除了上述基本目标外，采用光纤接入网可以满足用户希望较快提供业务，改 进业务质量和可用性的要求，总带宽可以在用户之间重新分配而不影响业务，也 可以节约城市拥挤不堪的地下管道空间，延长传输覆盖距离。总之，采用光按入 网已经成为解决电信网发展瓶颈的重要途径。 2 2 光接入网络技术的演进 上世纪九十年代中期，f s a n ( 全业务接入网络) 联盟成立，其目的是要共 同定义一个通用的p o n 设备标准。1 9 9 8 年f s a n 联盟推出第一个成果 1 5 5 m b p s p o n 系统的技术规范。随后被i t u t 采纳，并由i t u t 制定g 9 8 3 标准。 我们称之为b p o n 技术。其后f s a n 把p o n 技术和a t m 技术结合起来，使得 b p o n 技术得到加强，即我们常说的a p o n 技术。a p o n 即以a t m 作为其链路 层协议，用a t m 承载所有业务，为终端用户提供语音、数据、视频流等综合服 务。其传输速率最大可以达到6 2 2 m b p s 。由于a p o n 技术复杂性、成本较高， 且带宽仍然有限，在面对日益增长的数据业务。a p o n 显得力不从心，最后a p o n 系统在市场上铩羽而归。 一直以来，e t h e r n e t 技术在局域网中占据了绝大部分市场。为彻底地解决接 入网“瓶颈”问题，人们将注意力转向e t h e m e t 技术。2 0 0 0 年底，一些设备制 造商成立了第一公里以太网联盟( e f m a ) ，同时提出了e p o n 的概念e p o n 就是以e t h e m e t 为基础、同时保留a p o n 系统的精华，用e t h e m e t 取代a t m 作 4 南京邮电学院倾卜学位论文以太无源光网络技术及其发胜 为链路层协议，从而构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更强业务能力的新 一代光接入网技术。由于具有上述优点，e p o n 得到了大家的广泛重视。随后i e e e 成立了8 0 2 3 a h 工作组完成对e p o n 的标准化工作，2 0 0 4 年6 月i e e e 8 0 2 3 a h 提 交了e p o n 修正案，同年9 月份完成标准化工作并推出具体标准。 2 3 无源光接入网络 2 3 1 光接入网 光接入网( o p t i c a la c c e s s n e t w o r k ：o a n ) 渺1 原理结构如图2 1 所示。o a n 采用光纤传输技术，本地交换机或远端模块与用户模块之间采用光纤或者部分采 用光纤传输系统。它是采用基带数字传输技术并以取向交互式业务为目的的接入 传输系统，将来能够升级以适应宽带广播和交互业务的需要。 局 l l ， 炯 图2 1o a n 结构 图2 1 所示的基本参考配置，可适合于f t t h 、f t t b 、f t t c 等多种情况。 f t t b c 和f t t c a b ( 黼i 线柜) 网络结构只是在应用上略有区别，可以看成一 类。对于f t t b c c a b ，可以提供p s t n 、i s d n 业务( 作为接入网必须能够灵活 地提供窄带电话业务) 以及其它对称或者非对称的宽带业务( 前者包括小商业用 户的电信业务、远程商谈等：后者例如数字广播业务、v o d 、远程教学、远程 医疗等) 4 1 。 南京邮电学院硕上学位论文 以太无源光网络技术及其发展 f 1 v r h 应用提供的业务大致同上，并且由于可以考虑使用室内光网络单元 ( o n u ) ，使o n u 的工作环境得以改善，从而简化了设备，再加上传输网络全 部为光纤，使得维护工作量减少、成本降低。对于网络将来可能的带宽或业务升 级，o n u 可不作改动。 o l t 位于接入网的局端，它的位置可以就在局内本地交换机的接口处，也可 以是野外的远端模块，与远端集中器或复用器接1 2 。它的作用是为光接入网提供 网络与本地交换机之间的接口，并经过一个或多个o d n 与用户侧的o n u 通信， o l t 与o n u 的关系是主从关系。o l t 可以分离交换与非交换业务，管理来自 o n u 的信令和监控信息，为o n u 和自身提供维护功能。 光配线网( o d n ) 为o l t 和o n u 之间的光传输手段，其主要功能是完成光 信号和光功率的分配任务，o d n 一般为树形或者环形结构。 o n u 的作用是为光接入网提供直接或者远端的用户侧接口，位于o d n 的用 户侧。o n u 终结来自o d n 的光纤，处理光信号并为若干用户提供业务接口。 o n u 的网络侧为光接口，用户侧为电接口，因此需要光电和电光转换功能， o n u 还要完成对语音信号的数模和模数转换、信令处理、复用以及维护管理功 能。o n u 的位置有很大的灵活性，可以设置在用户住宅处也可以设置在户外 的分线箱，按照其位置不同，o a n 被划分为三种不同的基本应用类型：光纤到 户( f t t h ) 、光纤到楼( f t t b ) 和光纤到路边( f t t c ) 。 适配功能( a f ) 为用户和o n u 提供适配功能，它可以包含在o n u 内，也 可以是独立的( 提供最后的引入线上的传输功能) 。 2 3 2 无源光接入网 根据接入网室外传输设施中是否含有源设备，o a n 可以划分为有源光网络 ( a o n ：a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 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 ) 。 如果o d n 全部由无源器件( 光纤、无源光分路器、波分复用器等) 组成，而不 包含任何有源节点，如图2 2 ，这种接入网称为无源光接入网，在p o n 中采用以 太帧的形式来传输信息的，称为e t h e m e t p o n 或简称e p o n 。一个以太化的无源 光网络可以通过利用以太帧的集中和统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线 路终端的共享作用，使成本可望比传统的以电路交换为基础的p d h s d h 接入系 统低2 0 - - 4 0 。 6 南京邮电学院硕士学位论文以太无源光网络技术及其发展 图2 2p o n 基本构成框图 p o n 中的上行接入可以使用t d m a 、w d m 、c d m a 等多种技术，现在一般 采用t d m a 方式，因为这样可以使用较为简单的光器件，相对比较经济。典型 窄带p o n 系统的下行采用t d m ，而上行采用t d m a 技术，每一户可以有高达 2 m b s 的速率可用，其应用主要面向分散的中小企业和居民用户。 p o n 中o l t 到o n u 的下行信号传输比较简单，即采用时分复用的方式成帧， 通过无源的光分路器以广播的方式发送到各个o n u ，o n u 收到信号后从中提取 时钟并取出属于自己那一部分信息。 2 4e p o n 技术及其发展 为了将以太网应用于接入网，人们提出了采用类似电话网星形布线的交换型 结构，此时业务将不再自动广播给所有计算机，而是由交换机根据其地址，经过 连接至特定计算机的双绞线传送给用户，这在一定程度上实现了计算机间的信息 隔离，同时解决了系统带宽问题。另外，以太网转向全双工传输，消除了链路带 宽的竞争，因而也就可以省掉传统以太网必需的c s m a c d 算法。由于采用专用 的无碰撞全双工链接，使以太网的传输距离有所扩展，在一定程度上，可以满足 接入网和城域网的应用需要。但是这种结构的传输介质仍为铜线。性能差，传输 距离有限，速率也上不去，另外采用星形布线，所用的双绞线数量多。 为此，在2 0 0 0 年1 2 月，以太网设备供应商提出了将p o n 以太网用于接入 网的标准研究计划，这种使用p o n 的以太网称为e p o n 。接着在i e e e8 0 2 3 里 成立了以太网接入研究组e f m ( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ) ，该组的目标是起草一 南京邮e 乜学院硕士学位论文以太无源光网络技术及其发展 个标准，试图将现在广泛使用的以太网联网协议应用到接入网市场。除i e e e 研 究组外，e p o n 提倡者还计划参加其它标准化组织，例如i t u t 和i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 。g 9 8 3 关于a t m - p o n ( 简称a p o n ) 的许多内容对e p o n 仍然有效，i e e e8 0 2 3e f m 组将参照f s a n 的有关内容集中开发e p o n 的m a c 协议，这是建立e p o n 标准的最快途径，几个大的公司如c i s c o 和n o r t e l n e t w o r k s 在a p o n 的基础上开发e p o n 标准。 e p o n 与a p o n 相比，上下行传输速率比a p o n 的高，e p o n 提供较大的带 宽和较低的用户设备成本，除帧结构和a p o n 不同外，其余所用的技术与g 9 8 3 建议中的许多内容类似，如下行采用t d m ，上行采用t d m a 。 e p o n 和a p o n 一样，可应用于f t t b 和f t t c ，最终的目标是在一个平台 上提供全业务( 语音、视频和数据) 接入。 可以预见，随着e p o n 标准的制定和e p o n 的使用，在w a n 和l a n 连接 时将减少a p o n 在a t m 和i p 协议间转换的需要。 2 5 e p o n 的工作原理及关键技术 2 5 1e p o n 技术的优势 i e e ee f m 工作组的目的是在现有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网帧。e p o n 相对于现有类似技术的优势归纳 起来主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 与现有以太网的兼容性。以太网技术，是迄今为止最成功和成熟的局 域网技术。e p o n 只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充，基本上是与其兼容 的。随着e p o n 标准的制定和e p o n 的使用，在w a n 和l a n 连接时将减少a p o n 中存在a t m 和i p 协议间转换的需要。 ( 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， 而上行信道为用户共享的百7 t l i 千兆信道。这比1 7 1 前的接入方式，如m o d e m 、 i s d n 、a d s l 甚至a p o n ( 下行6 2 2 1 5 5 m b i t s ，上行共享1 5 5 m b i t s ) 都要高得 多。 ( 3 ) 低成本。e p o n 提供较大的带宽和较低的用户设备成本。首先，由于 南京邮电学院硕士学位论文 以太光源光网络技术投其发展 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及维护的成本， 降低了预先支付的设备资金和与s o n e t 及a t m 有关的运行成本。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 p o n 所无法比拟 的低成本。 ( 4 ) 为灵活和快速的服务重组提供了方便。提供了多层安全，例如限制用 户访问、支持虚拟专用网的v l a n 、i p 安全( i p s e c ) 等。最后，电信公司可以 通过在e p o n 体系结构上开发的广泛而灵活的服务来增加收入，例如管理防火 墙、语音交易支持、v p n 和i n t e m e t 接入等。 2 5 2e p o n 的系统构成和工作原理 e p o n 采用的是点到多点的无源光网络，主要由o l t 、o d n 、o n u 组成， 由无源光分路器件将o l t 的光信号分到各个o n u 。o l t 为o a n 提供网络侧接 口并连到一个或多个o d n ；o d n 为o l t 和o n u 提供光传输手段，主要功能是 完成光信号的分配；o n u 为o a n 提供用户侧接口并和o d n 相连，其网络侧为 光接口，用户侧为电接口，因此需要光电转换功自邑以及数模转换、复用解复 用、信令处理和维护管理功能；a f 为适配功能。 e p o n 系统通常采用总线型( b u s p o n ) 、树型( t r e e p o n ) 或环型( r i n g p o n ) 拓扑结构 5 j ，如图2 3 所示： r i n g p o n i 图2 , 3e p o n 的拓扑结构 在e p o n 中表现为o l t 以由e t h e m e t 帧组成的下行帧的形式向o n u 发送信 息，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 址提取出特定的数据包。如图2 4 所示： 9 南京邮屯学院硕士学位论文以太无源光网络技术及其发展 。+ ! ， 1 图2 4e p o n 下行数据流示意图 e p o n 的上行信道则采用较为复杂的时分多址技术，将上行信道划分为若干 时隙，每个时隙内安排一个o n u 发送一个上行分组，即由o l t 安排o n u 按照 一定的顺序依次向上发送e t h e r n e t 数据帧，如图2 5 所示。为了保证各个o n u 发送的数据包在上行传送时不发生相互的碰撞，需要严格对各个o n u 的发送进 行定时。由于各个o n u 到o l t 的物理距离不同以及环境因素不同，各个o n u 到o l t 的传输延时和信号衰减程度是不同的，所以除了要进行测距以便对各个 o n u 的上行发送时刻进行规定以外，还要在o l t 端采用突发模式的光接收机， 在每个o n u 的上行分组( e t h e r n e t 帧) 的最先几个比特到达时根据其幅度动态 地决定合理的信号判决门限。同时，o l t 端也必须使用快速比特同步的技术，以 便在上行分组到达时迅速建立提取信号所需的时钟相位。 图2 5e p o n 上行数据流示意 2 5 3e p o n 关键技术概述“。” 基于以太网技术的e p o n 宽带接入网，与传统的用于计算机局域网的以太网 技术不同，它仅采用了以太网的帧结构和接口，而网络结构和工作原理完全不同。 e p o n 的实现涉及到许多关键的技术，下面分别作介绍。 ( 1 ) 上行多址接入技术 时分多址复用方式可以采用固定时隙的时分多址复用、统计时分多址复用、 l o 南京邮电学院颁士学位论文 以太无源光网络技术及其发展 随机接入等方式。固定时隙时分多址复用方式的不足之处有：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 ，政有传输距离的限制。而统 计时分多址复用可以克服前两者的不足，所以一般都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以太网帧，统计复用通过上行 的r e p o r t 帧回传数据量的大小来改变时隙大小。 时分多址( t d m a ) 的实现方法是重点，即如何使用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达到要求。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、以太网帧是否切割等问题都是需要研究确定的。 由于数据视频业务流是自相似的，不存在最佳大小的固定时隙，故流量聚 合也不能起多大作用。突发包大小分布为长相关性( 大的拖尾) ，即大多数突发 包都比较小，但绝大多数都是有大量的突发包同时出现。 ( 2 ) 测距和o n u 数据发送时刻控, t j t 8 】 p o n 上行传输采用t d m a 方式接入，一个o l t 可以接1 6 6 4 个o n u ，o n u 至o l t 之间的距离最短的可以是几十米，最长的可达2 0 公里。光在光纤上传输， 每公里的传输延时约为5us ；由于环境温度的变化和器件的老化，传输延时也 在不断的变化。为了实现t d m a 接入，保证每一个o n u 的上行信号在公用光 纤汇合后，插入指定的时隙，彼此间既不发生碰撞，也不要间隙太大，o l t 必须 不断地对每一个o n u 与o l t 的距离进行精确测定，以便控制每个o n u 发送上 行信号的时刻。( 3 9 8 3 ，l 建议要求测距精度为l b i t 测距过程一般是这样的，首先o l t 发出个测距信息，该信息经过o l t 内 的电子电路和光电转换延时后，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t d ，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t d 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t d 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 南京邮电学院硕士学位论文 以太无源光网络技术及其发展 都相同。 ( 3 ) 同步时钟提取和突发同步 由于e p o n 上行信道是所有o n u 分时复用的，每个o n u 只能在指定的时 间窗口内发送数据。因此，e p o n 上行信道中传输的是突发信号，这就要求在 o n u 和o l t 中使用支持突发信号的光器件。目前已经有能工作在1 g b p s 上的突 发器件，但价格过于昂贵。为了实现突发模式，在收发端也要采用特别的技术。 光突发发送电路要求能够快速地开启和关断，迅速建立信号，因而传统的电光转 换模块中采用的反馈型自动功率控制将不适用，并且需要使用响应速度很快的激 光器。而且由于p o n 上各个o n u 到o l t 的距离各个不同，所以各个o n u 到 o l t 的路径传输损耗也互不相同，在各个o n u 的发送光功率相同的情况下，到 达o l t 后的光功率就互不相同，显然o l t 的上行光接收机不能采用传统的a g c 办法。而必须采用特殊办法来保证能够接收足够大的动态范围光功率。可以说， 这是e p o n 技术面临的一大问题，但是，目前已有厂商研制并推出了满足e p o n 要求的光器件，相信随着e p o n 标准的制定，会有更多的产品出现。 此外，突发模式的上行信号会引入光放大器的“浪涌”效应。e d f a 输出会 达到数瓦，这种高功率有可能“烧坏”光连接器和接收机。 ( 4 ) 实时业务传输质量 如何保证用，、所要求的服务质量得以实现是接入网必须面对的问题，e p o n 也不例外。以太网足为数据业务应运而生的，由于其先天不足性，不提供端到端 的包时延、包丢失率以及带宽控制能力，因此难以支持实时业务的q o s 。如何确 保实时语音和i p 视频业务的服务质量是一个亟待解决的问题。现在业界普遍从 下面几个方面着手解决这个问题。一种方法是对不同服务质量要求的信号设置不 同的优先权等级，对实时业务优先传送。另一种技术是采用资源预留( 保留带宽) 的方法，提供一个开放的高速通道，不传输数据，丽专门用来传输语音业务，以 便确保有高q o s 要求的业务能得到高速传送。 在本文中，我们把这两种方法结合起来以保证实时业务的q o s 要求。与实时 业务传输质量密切相关的就是带宽分配问题，分配给每个o n u 的上行接入带宽 由o l t 控制决定，它与分配给o n u 的窗口大小和上行传输速率有关。在o n u 侧我们采用一种良好的队列管理机制，保证高优先级的数据包能够得到优先服 南京邮屯学院硕士学位论文以太无源光网络技术及其发展 务；在o l t 侧，我们把静态带宽分配( f b a ) 和动态带宽分配( d b a ) 结