（通信与信息系统专业论文）基于atm的无源光网络关键技术的研究.pdf

创新性声明 y 40 5 2 6 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究”i ：作及所墩得的 研究成果。尽我所知，除了文r 导别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已发表或撰j 过的研究成采：也不包含为铁锝l j q 安f ur 科技大一、 或其它敫仃机构的学位或证书而使用过的材料。，我同j 一作的旧志所做的任侧 负献均已在论文中做了明确的酏明j j ：表示了谢：卷。 关于论文使用授权的说明 本人完个了肼两安i 心j i 科披人学fj 关保f 和使j f 位沦文的规定刨：学校 彳权保科送交论文的复印件，允r f ：a 阅干僻阅论文：学校可以公价沦文的全部或 ( 保街的沦义北解密后遵。、r 此舰定) 小人掺私：皇l 塾至| ；j j = 坐匕生2 导师签名 盏j 造苎 j j j ：丑一f 一凹一。f 7 摘业 摘要 本文首先介绍了a p o n 的基本概念，重点讨论了a p o n 的网络组成、功能 结构和协议参考模型。然后针对a p o n 系统采用t d m t d m a 传输方式时上行通 信遇到的若干问题，提出了一种，于时延优先级的媒质接入控制方案，对不同时 延特性业务采用不同的授权分配算法，研究了静态和动态测距技术，选择采用“丌 窗”测距法完成静态测距，并对“丌窗”测距原理和测距过程做了详细论述，分 析了突发模式接收，包括突发模式光接收机的原理及误码性能和突发同步采用的 方法。最后结合科研项目，完成了对o l ta t m 层功能的设计与实现。 关键词：异步转移模式无源光网络时分多址媒质接入控制测口欧 j 1 。a 1 m 的尤源光川缉天诎技术的叫亢 a b s t r a c t t h i sl h e s i si sm a i n l ya b o u tt h ek e yt e c h n o l o g yo fa p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r kb a s e d o na t m ( a p o n ) f i r s t ，t h eb a s i c c o n c e p to fa p o ni si n t r o d n c e d ，e m p h a s i so nt h e n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o n a lb l o c k sa n dp r o t o c o lr e f e r e n c em o d e l i nt h es e c o n d p a r t ， s o m ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h eu p s t r e a mt d m at r a n s m i s s i o na r er e s o l v e d am e d i a a c c e s sc o n t r o l ( m a c ) s c h e m eb a s e do nd e l a yp r i o r i t yi sp r e s e n t e df i r s t l y ，w h i c hu s e st h e d i f f e r e n tg r a n td i s t r i b u t i o na l g o r i t h mf o rs e l v i c e sw i t ht h ed i f f e r e n td e l a yr e q u i r e m e n t s t h e nt h es t a t i ca n dd y n a m i cr a n g i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e d ，i nw h i c ht h ep r i n c i p l eo f “o p e n i n gr a n g i n gw i n d o w ”a n dt h er a n g i n gm e t h o da r ep r e s e n t e di nd e t a i l t h eb u r s t m o d er e c e i v i n gt e c h n o l o g yi sa n a l y z e da tl a s t ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo ft h eb u r s tm o d e o p t i c a lr e c e i v e r ，t h eb e rp e r f c r m a n c ea n dt h em e t h o do f t h eb u r s ts y n c h r o n i z a t i o n i n t h et h i r dp a r t ，a s s o c i a t e dw i t hs c i e n c er e s e a r c hp r o j e c t ，t h ef u n c t i o no fo l ta t m l a y e r i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d k e y w o r d sa t mp o nt d m am a c r a n g i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 接入网技术 接入网( a n ) 是国家信息基础设施( n i i ) 中最关键最重要的组成部分之一，被称 为n i l 的“最后一公里”。接入网相对于n i i 的高度宽度化、光纤化和智能化的骨 干网而言，其技术目前还相当落后，绝大部分还是以铜线双绞线为介质的网络， 提供的业务也基本上是传统电信或窄带数据业务( 包括现在拨号上网的i n t e m e t 业 务) ，因此如何建设一个宽带多媒体的接入网，已在近几年成为世界各国投入巨资 研究发展和产业化的重点。与骨干网不同，受多种因素的影响，接入网的技术是 多元化的。主要可分成如下几大类：、 有线，二二三兰电缆技。勰h ，c ( p ，o n ：窄s d 带h 伊p 。d n h ，宽带i d p l 。c m a t m v p ，有源( a o n ： 的 环) l 双绞线( h 。s l a 。s l v 。s l ) 无线多点分配业务( m m d s ) 本地多点分配业务( l m d s ) 图1 1 接入网系统技术的分类 其中有线技术的系统是接入网的主流系统，约占到接入网的9 5 以上，其中 光纤系统( f t t x + x d s l l a n z ) 特别是有源光纤系统( a o n ) 是比较成熟的技术， 目前在国内以s d h p d h 为主的i d l c 应用最多，占接入网系统9 0 以上。随着 用户宽带业务需求的增长，光纤网络将越来越靠近用户。基于a t m 的宽带无源 光纤网络( a p o n ) 以其特有的技术优势被认为是接入网光纤化( f t t x ) 最理想的解决 方案之一。 基于a t m 的无源光网络关键技术的研究 1 2a p o n 的发展及其优势 p o n 是共享光纤介质的网络，采用无源光分支器的光纤分配网( o d n ) ，不仅 成本低( 共享介质) ，可靠性高( 分配节点无需机房和供电) ，同时p o n 的技术优势 还在于，纯介质网络对复用技术和波长的透明性有利于今后的业务或技术的发 展。所谓a p o n 就是在无源光网络( p o n ) 上实现基于a t m 信元的传输，a p o n 结合a t m 统计复用技术，使共享介质的网络更经济合理。其主要优势包括； ( 1 ) 多业务承载能力为全业务接入网的实现提供了可能。 a p o n 结合了a t m 多业务多比特率支持能力和p o n 透明宽带传送能力，业 务的接入非常灵活。可提供的业务范围从交互式的图像分配业务到数据传送、局 域网互连、透明的虚通道等，极好地满足了全业务接入网的要求。a t m 为点到多 点传输系统的复用和多路接入提供了基础，这种结构允许接入网中的多个用户共 享整个带宽，特别适合于未来的下行分配式数字视频业务，如m p e g 视频流等。 同时，a p o n 还能够为传输现有的窄带业务提供良好的解决方案。 ( 2 ) 潜在的成本降低空间使a p o n 具有了更强的市场竞争力。 价格一直是制约接入网技术发展和更新换代的主要因素之一。a t m 化的无源 光网，一方面可以通过利用a t m 的集中、统计复用，结合无源分路器对光纤和 光线路终端的共享作用，为用户提供一个经济的业务传送平台，有效地利用网络 资源，降低网络建设成本；另一方面，p o n 中使用的无源设备降低了网络的运营 维护费用；另外，随着光器件技术的发展、集成化的进一步提高，a p o n 具有极 大的降低成本的潜力。据估计，a p o n 成本可望比传统以电路交换为基础的 p d h s d h 接入系统低2 0 至4 0 。 ( 3 ) 及时的标准化工作促进了a p o n 市场的发展 a p o n 技术良好的发展前景吸引了业界多家公司的关注，他们共同参加了全 业务接入网组织，推动a p o n 的标准化工作，目前i t u 已经通过了的g 9 8 3a p o n 标准。该标准对a p o n 的网络结构、基本组成和物理层接口、传输性能等都制定 了详细的规范。同时给出了一些关键的规定，如单纤工作和双纤工作、工作距离 2 0 k i n 、下行速率最高6 2 2 m b s 、上行速率最高1 5 5 m b s 等。a p o n 标准的及时制 定使得大规模生产和降低成本成为可能，必将促进市场的快速发展。 ( 4 1良好的网络管理能力满足了未来发展的需求 随着业务网络的发展和各种新业务的不断涌现，各种接入网技术层出不穷， 也使得接入网需要管理的功能也越来越纷繁复杂，这就要求旧有的相对落后、封 闭、分散和互相不兼容的接入网网管尽快更新。a p o n 由于采用a t m 和无源光 分路技术，网上的设备共享，业务透明，从而可以支持良好的网络管理系统，平 滑过渡成为高度兼容的电信管理网( t m n ) 的一个子集。 饿一啦绪沦 总的来蜕，a p o n 综合了a t m 和p o n 两利，技术的优点，是一种比较理想的 长远解决方案。 正因为上述原因，国内外许多研究结构和公司都在积极从事有关a p o n 的研 究川5 1 。欧共体的r a c e 和a c l s 计划投入大量的人力和物力从事a p o n 技术的 研究和丌发应用，所研发的a p o n 系统已在现场实验；日本邮政省把a p o n 作 为近期的承要发展方向，n t t 公司：巨资支持f u j i t s u 、o k i 、n e c 公司进行宽 带p o n 和a p o n 的研究丌发，并已向用，o ，1 ：通了业务。n t t 还与b e l l s o u t h 、f r a n c e t e l e c o m 、b r i t i s ht e l e c o m 共同制定了基于a p o n 的接入网系统技术标准。l u c e n t 声称、二有a p o n 系统将h 于宽带接入网。 在我阳，近几年接入网的发展异常迅速，据不完全统汁截至2 0 0 0 年6 月已 仃超过1 2 0 0 万线的接入网设衍存劂| 运行。但都足基于电路模式( 如v 5 接一1 1 的 窄带接入系统，面对宽带业务快速增长的趋势，如何使接入网光纤化战略得以实 施，：睡于a t m 的宽带p o n 受到广泛的重视。北京邮电大学、武汉邮电科学研究 院、原电子部3 4 所等多家单位都丌展了有关a p o n 的研究。本文就是结合匹安 l 【l 予科技大学综合业务网团家重点实验室开放课题“p o n 的体制及关键技术的研 究”和幽家8 6 3 项i “实川化接入系统”而写的。 1 3 本文所作的工作 本文结合两安电了科技大学综合业务网国家重点实验室丌放课题“p o n 的 体制及关键技术的研究”和田家8 6 3 项口“实用化接入系统”，首先介 “了a p o n 的拱本概念，讨论了a f o n 的刚络组成、功能结构和协议参考模型。然后针列a p o n i ： 通信t 0 0 j = = t - 问题，提了一种基于时延优先级的媒质接入控制方案，对不 q 时延特性、世务采用不司的授权分配算法，研究了静态和动态测距技术，选择采 用“丌窗”测距法完成静态测距，并对“丌窗”测距原理和测距过程做了详细论 述，分析了突发模式接收，包括突发模式光接收机的原理及误码性能和突发同步 采用的方法。最后结合科研项目，完成了对o l t a t m 层功能的设计与实现。 捧十a r m 的无源光刚络关铷技术的州究 第二章a p o n 概述 2 1 光接入网 光接入网的通用网络结构如n21 所示，它可以适用于光纤到家( f t t h ) ， 光纤到楼( f t t b ) ，光纤到路边( f t t c ) 以及光纤到交接符( f t t c a b ) 等各种应用情 况。图中o n u 表示光网络单元，o n t 表示光网络终端，o l t 表示光线路终端， n t 表示网络终端。 o l t - o p t i c a l l i n et e lr u i n a t i o n n t n e t w o r kt e r m i n a t i o n 幽21光接入网的通川网络结构 图2 2 显示了光接入网的参考配置，图。 fo d n 表示光分配网络，a f 表示 适配功能，为使用铜缆数字用户线( d s l ) ( i j 用户提供适配功能。s n i 表示业务节点 接u n i 表示用户网络接口。r s 参考点j , jo n u 或o l t 连接o d n 的第一个 光纤连接点，在光接入网中将r s 参考点定义为i f 。参考点。如果o d n 为采用 无源光分支器件的点到多点结构，则该光接入j 而| i 称之为无源光网络( p o n ) ，a p o n 是运川a t m 技术的p o n 。 2 2a p o n 的功能结构 a p o n 的一般网络结构如罔2 3 所示。它光线婚终端( o l t ) ，光分配网 第一带a p o n 概述 络( o d n ) 和光网络单元( o n u ) 等三部分组成，各部分功能分述如下。 4 。 i ) 4 11r e l c r e n c ep o i n t o n u ：o p t i c a ln e t w o r ku n i t o k i ：o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n 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 a f ：a d a p t a t i o n 图2 2 光接入网参考配拦 图2 3a p o n 的一般网络结构 2 2 1 o l t 功能框冈 o l t 通过v ，5 接ii2 孑外部网络连接( 为了能够与现存的各类交换机实现互连， a i o n 也典有向外部【列络捉供现仃带带接ii 的能j ，如v 5 接i i 等) 。o l l 、, i lo n u 娃- 1 。a t m 的无源光h 络关诎技术的州究 通过o d n 在业务网络接r s ( s n i ) 牙1 1 用户网络接f j ( u n i ) 之问提供透明的a t m 传输 业务。0 l t 主要分为以下几个部分，其功能框图如图2 4 所示。 _ - 1 壮, 1 2 、黜势监雏捂； i o d n l 、i k 宁 j _ _ ：l i 掣图 a t m j 能 立义 连接 功能 匝一 划 业务 i ：* u 功能 b ju 斟2 4o l t 功能框图 f 1 ) 、抄务端口 、i k 务端口实现系统和不同类型的、l k 务1 7 点的按入，如p s t n 、a t m 交换机、v o d 服务器、i n t e r n e t ，其主要通过v 。5 或v 5 接v 1 实现。该功 能模块将a t m 信元插入上行的s d h 载荷区，也能够从下行的s d h 载荷 区捉取a t m 信元。v 。接口的速率可以是s d h 的s t m 1 ( 1 5 5 m b s ) 或者 s t m 一4 ( 6 2 2 m b s ) 。 f 2 ) k f m 交叉连接 a t m 交叉连接模块是一个无阻塞的a t mv p v c 交换模块，它主要 实现信元标头识别与转换，并按照预先确定的路山表将信元从输入端口 转移到输出端口。 ( 3 ) o d n 接口 该模块的功能框图如图2 5 所示，侮个接口模块驱动一个p o n ，模 块数的多少由所支持用户数的多少、! ：确定。它和o n u 一起实现测距功 能，1 ：且将测得的定距数据存储，以便在光c f t 断后重新启动o n u 时可恢 复旷常工作；下行帧的电光变换：上行帧的光电变换：从突发的上行光 信弓数j ：【i ：流巾恢复时钟：提取上行帧中的a t m 信元和将a t m 信元装入 f 行帧：给用户信息提供一定的加密保护措施：通过m a c 协议给用厂i 动态地分配带宽。 “玳聚j l j 】n 向烈玎审竹蛆i i j 冉，t t 此擞块小打 蚓2 5o d n 接口模块框图 ( 4 ) o a m 模块和供电模块 o a m 模块对o l t 的所有功能块提供操作、管理和维护下段，如配 罱管理、故障管理、性能管理等；同时提供标准接l q ( 如q 3 接门) 与t i v l n 棚连。 供u 模块将外部f i x 源变换为所要求的机内各种电压。 2 2 2 o n u 功能框图 o n u 实现与o d n 之i l l j 的接口及接入网1 jj 、侧的接口功能。o n u 土受i ij 以下几部分组成，其功能模块组成框图如图2 6 所示。 ( 1 1o d n 接口功能模块 实现光r l l 、 t u ) i a 变换功能；实现从下行i f f , jp o n 帧。i ，捉取信i 元和m f ：行的p o n 帧中装入a 1 1 m 信元；和o l t 一起完成测距功能；在o d t 的 控制f 调整发送光功率；如果与o l t 通信中断 1 , j - 贝i j 切断o n u 光发送， 以避免该o n u 划其它o n u 的通信的干扰。 ( 2 ) 用，、端口功能模块 提供各类用户接口，并实现a t m 适配层( a a l ) 功能。用户接 i ，、f f 冗采用模块化没计使系统既能够支持现存的各类业务；同时，通过添加 新模块也n j 以方便的适j 吲哿米的孙【k 务。 ( 3 ) a t m 信元分接复接模块 堆fa r m 的无源光刚络关雠技术的 i j 究 将来自不同_ i j o f | 0 信冗进行缓仃、洲度，j ：复接至o d n 接口模块： 以及将米自o d n 接ii 模块的下行仃i a t 1 4 “, t ：它的v p i v c i 值进行分接至各 个用户端。 ( 4 ) 供电功能模块 提供o n uf 乜源( 如a c d c 、d c a c ) 变换。供咆方式可以是本地交流 供f 【：i ，也可以是随流远供。o n u 和蘩川1i u 池供电的情况下也能t i t b i t ；作。 f 5 ) o a m 功能模块 列o n u 所有的功能块提供操作、管理和维护( 如线路接口板和用户 环蹄维护、测试和告警，告警报告上送给o l t 等1 。 冈 恻 1 输o d n 垃 一 l 一。一l 堑川i i 功能 i 元址接” f功能 - 蔓 ： j i i 广端 ： - ： i i 功能 o d n 披 一 曰田 1 1 功f i l 剀2 6o n u 功f l j f l l ：i 划 叫络 2 2 3o d n ( o p t i c a td i s t r i b u t i o nn e t w o r k 光分配网络) 功能 o d n 为o l t 和o n u 提供光传输媒质作为其间的物理连接。多个o d n 可以通过光纤放大器串接起来延长传输距离和扩大用户数。o d n 主要l i j 无源 光器什针【成的无源光分配网络，主要的无源元什有： v 梭) g f t - , l l 光缆 连接器 无源分路元件，又称光分路器( o b d ) ； 光源光衰减器 ) l 2 t - 接头 o d n 的配罱通常为点到多点方式，u 口多个o n u 通过o d n 与一个o l t 棚连。这样，多个o n u 可以共享同一光传输媒质和光电器件，从而节约了成 本。点到点的配毁， l | ：j 一个o n u 与一个o l t 相连的形式是上述点到多点方 式的特例或子集，此时无须光分路器。 o d n 有多种结构，按照其连接方式可以分为星型，树型，总线型和环型。 a p o n 系统中一般采用树型。根据i t u t 建议，系统中一个o d n 的分支比最 高能达到1 ：3 2 ，即一个o d n 最多支持3 2 个o n u ：光纤的最大距离为2 0 k m 光功率损耗分别为( 1 0 - - 2 5 ) d b ( b 类) 、( 15 - - 3 0 ) d b ( c 类) 。根据系统所支持的用 户群的大小，o l t 应能够提供多个o d n 接口以满足大用户群多o n u ( 3 2 ) 的 需求。 2 2 4a p o n 的传输方式 a p o n 系统所采用的传输复用技术为t d m t d m a ，即在下行方向( 在a p o n t h 将从o l t 到o n u 的传输方向定为下行方向，从o n u 到o l t 的传输方向定 为j 二行方向) ，信号采用t d mr 播方式，各个o n u 从下行信号中选出属于f - i 已 的信元，下行速率可以是1 5 5 m b s 或6 2 2 m b s ，而上行传输采用t d m a 方式一l ： 行速率为1 5 5 m b s 。 a p o n 系统双向传输方法主要有叫种，第一种采用波分复用方式，为了降低 成小，采用羊n 波分复用方法，即两个波l 矢分别工作在1 310n m 区和15 5on m 区；第二种方法采用单向双纤空分复用方式，工作在1 310n m 区以便充分利 用低成本的光源。第一种方法更加经济和流行。 2 3a p o n 系统的协议参考模型 a p o n 系统的协议参考模型如图27 所示。 a p o n 的物理层由传输会聚刊丢和物理媒质棚关予层构成。其一t - 1 输会聚j ， 层除完成标准a t m 协议参考模型的功能外，还负责形成p o n 的帧格式及将a t m f 膏元从帧中耿出。而物理媒质相关子层主要完成从光分配网络上f 确接收信元( 对 i 二o n u 仅需连续式的接收，而列o l t 则处于突发式的接收状态) 。 m a c 子层是整个核心，它土篮负责动念实时地将上行信道带宽分配给不同 o n u ，出于各o n u 位嚣分散，难以实时了解各v c c 队列的状况，同时支持的业 务利，类多，q o s 要求符异，冈此，合适的m a c 调度算法将是系统设汁的关键。 a p o na t m 层完成a t m 信元头的p ：生和提取，信元的分接与复接，信冗速 ：瞽斛椭，、i k 务流的恺形、警僻及d i ：i t i 控制，以及a t m 联v p 级交叉连接。 a p o n 控制层负贞整个光接入刚矿常：作所必须的测距，o n u 发送功： ：删整 等功能。在系统中，测距和发送功率控制功能不仅在系统的初始化阶段完成，同 时也必须能跟踪光分盹嘲络j = | | 激光器件 hj i 随时m f t i j 0 , 境温度的变化而引起的时 量匹和功率等参数的变化。该功能无须经过a t m 版的处理饩接经mm a c 调度后 | 底止完成 l 应的功能。 ：0 n u 钉j 。；抖制i 1 l o l t 雨_ l ! 竺 j 剀2 7 a p o n 曲- 议参考摸删 另外，为向用，1 捉供各类、i k 务端口，o n u 应具挤a r m 适配层( a a l ) 的功 能：为实现仡满足用，1 。q o s 的婀提下透州n 。传送、l k 务信冗o n u 还应具备a t m 俯令通o c 1 2 - ( s a a l ) 功能以支持栩应的o 2 9 3 1 信令。 苜虽 一一一一 蓍一园 一翔一一一 单一书蚁质接入控制坍议的设计 第三章媒质接入控制协议的设计 a p o n 采用树型拓扑结构，在，k 质上属于共享媒质的网络，这一点与大家熟 悉的以太嘲棚似，郝需要媒质接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) i j , 议来协调箨 终端对媒质的访问。在a p o n 系统中，下行方向( 从o l t 到o n u ) ，o l t 将信号 以t d m 方式广播发送给各o n u ，利用a t m 信元头的v p i v c i 进行二级寻址， 上行方向一般采用基于预约的动态带宽分配方式，o n u 若须发送信元，必须首先 通过上行信道向o l t 发送f 1 1 - t 自- g 息，o l t 则根据m a c 协议进行动态带宽分配， 向o n u 发送授权信弓，饵个授权信弓允许棚应的o n u 在确定的时隙发送信元。 j 以人网不同，a p o n 的0 n u 傅个上行信元都需经过预约，并由o l t 分配相应 的时隙，从而避免了冲突的发生，提高了信道的实际吞吐量，这与多，! ，接入的 m 星通信系统有些相似。 i t u tg9 8 3 建议列a p o nf 门m 络结构、参考配置以及光网络的分层绱构、 物理层的接口舰范、帧结构筲给j 【j 了棚应的规范和建议，但没有给出m a c 咖议， _ j 1 | 指出需要进一步研究。同j u ，有些文献i i 】【5 1 提出一些对a p o nm a c 协议的建 议，但大都采用自身定义的帧结构，本文提出了一个符合g 9 8 3 建议帧结构的m a c 胁，议。 3 1 a p o n 的帧结构 仡i t u tg 9 8 3 建议【i i 中a p o n 柯两种l 帧结构，分别为上下行速率均采用 l5 5 m b s 的对称帧结构羽i 上下行速牢分别采用1 5 5 6 2 2 m b s 的不对称i 帧结构，如 【鞫3 1 所示。 a p o n 下行帧山连续的时隙组成，每一下行时隙包含5 3 个字节的信元，其 r p 缚2 8 个时隙插入一个物理层管弹信元( p l o a m ) ，其余为a t m 信元，1 5 5 m b s 帧包含2 个p l o a m ) e5 6 个时隙长，i 面6 2 2 m b s 帧下行帧包含8 个p l o a m ，共 2 2 4 个时隙长。 上行帧包含5 3 个时隙，每一个上行时隙包含5 6 个字节，其中3 个： ：1 7 赴丌 销字节，其内容幽o l t 编程决定。首先是防卫时问，用来防止上行信元问的碰撞 和j 则测距的精确度，最短长度是4 b i t ，其次是旃置码，用做比特同步和幅度恢 复，最后足定界符，用于指示a 1 m 信元或微时隙的丌始，可用作字1 7 同步。丌 销的边界是不同定的，以便允许厂家使用其专用的接收机。 肚十a t m 的光源光h 络关键技术的研究 e ”十k t i n e l 5 55 2 _ b 1 5 下行帧结构t 帧= 5 6 情元 i 。十r 竹口 i i 刘3l1 5 5 6 2 2 m b si ：刈鞠：帧结 = ；- j 3 1 1 物理层管理信元( p l o a m ) i t u 。ti4 3 2 建议定义了三种p l o a m 信元流用于传输管理，用三种特殊信 元头加以【x 别，在a p o n 中，p l o a m 信元使川物卵传输通道级的信元头格式， 如表3 1 所示。 表3 ip l 。o a m 信元头 o c t c t l0 c l e t20 e t e l3o c t r t40 c f e t5 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 0 0 1i e c = v a dc o d e 0 l l 】0 1 1 0 在a p o n 一1 1 ，p l o a m 信元分为上行p l o a m 信元和下行p l 。o a m 信兀，其 衍元净t i 内弈如表3 2 和表3 3 所示。 下行p l o a m 信元主要有于传送授权信号和管理消息，每个p l o a m 信元包 含2 7 个授权信号；上行p l o a m 信元用于传送管理信息和与o n u 光发送相关的 控制信息。所有与o a m 相关的信息及测距信息都通过上下行p l o a m 信元中的 消息域( m e s s a g ef i e l d ) 传送。 第三蒂媒须接入托制协议的啦计 表3 2f 行p l o a m 信元挣荷内容 表3 3 上行p l o a m 信元净荷内容 l7 堆十a 1 1 m 的- 尢源光h 络关诎拙术的川究 3 1 2 授权信号( g r a n t ) o l t 利用下行p l o a m 发送授权信号给侮一个o n u ，当o n u 收到i j 己的 授权信号后才能发送信号，通常，每一个p l o a m 有2 7 个授权信号，每一帧仅 需5 3 个授权信号，5 3 个授权信号映射进下行, nr k j 阿两个p l o a m 信元，于是第 二个p l o a m 的最后一个授权信号区填充空闲授权信号。对于6 2 2 1 5 5 m b s 非别 称p o n ，余下的6 个p l o a m 信元的授权信号区全部填充空闲授权信号。一个授 权信号的k 度为8 b i t ，在测距协议工作期问可分配6 4 个值对3 2 个o n u 进行寻 址。这取3 2 足考虑了每个o n u 的可用带宽和可用光功率预算后可以连接到一个 o l t 的最大o n u 数。剩余的授权值可以用作诸如剥分剖时隙的寻址等其他用途。 g9 8 3 舰定柯7 种不同类型的授权信号，分别用作数猁信息授权，p l o a m 授权， 分割时隙，测距时隙，空闲时隙和保留时隙等。 3 1 3 分割时隙( d i v i d e d s l o t s l 1 ：行帧包含一干1 t 分割时隙，分割时隙i _ 一完祭f f , oi 二行n r j 隙，山来f - 1o n u 的人蹩微时隙( m i n i s l o t ) 组成，o n u 征收到o l t 发送的分割时隙授权信号后 发送微时隙，m a c 协议可以利用它们来传送o n u 的排队状态信息实现动态 带宽分配。分割时隙格式如图3 2 所示：微时隙从字节边界丌始，长度为字节 的倍数，微时隙结束必须先于上行时隙结束时刻。3 个字节的丌销( o v e r h e a d ) jj ：行时隙的丌销定义一致。 i t u t 建议没有给出分割时隙的具休结构，礼本文提出的m a c 协议巾， 分荆i 忖隙定义如下( 以对称1 5 5 m b s 帧结构为例) ：分割时隙由来自至多1 1 个 第三章媒质接入控制协议的设计 的申请信息组成，用于相应的o n u 申请上行带宽。微时隙为5 个字节长，其中3 个字节的开销与前面相同，用于定界和同步。高优先级申请信息占4 比特，用于 传输o n u 高优先级业务的申请队长。低优先级申请信息占6 比特，用于传输o n u 低优先级业务的申请队长。循环冗余校验码占4 比特。剩余2 个比特空闲。分割 时隙不是固定分配的，而是根据需要由o l t 通过下行p l o a m 动态分配的。当处 于激活状态的0 n u 不超过1 1 个时，一帧中一个分割时隙可以满足要求，如果有 1 1 2 2 个o n u 处于激活状态，必须有两个分割时隙才能提供足够的微时隙，这两 个分割时隙可以处于两个连续的帧中，这相当于构成了一个复帧。同样，当有2 3 3 2 个o n u 处于激活状态时，可以由三个连续的帧构成一个复帧。当然帧变大的代 价是传输时延增加。微时隙的动态分配避免了处于静默状态的o n u 占用申请时 隙，减少了宝贵带宽资源的浪费。 3 2 上行带宽分配策略 3 2 1 时延优先级 a p o n 所承载的业务多种多样【1 9 】，不仅包括普通电话、n i s d n 等窄带业务， 还包括非对称的宽带业务( 如视频点播( v o d ) 、i n t e m e t 、数字电视声音广播等) 和对称宽带业务( 如l a n 互连) ，各种业务所要求的服务质量不同，因而在进行 授权分配时必须考虑业务的服务等级，采用不同的分配方法。由于a t m 信元在 接入过程中，要经历排队、等待和传输时延，必然会引入一定的时延抖动，这个 抖动可以用信元时延偏差( c e l ld e l a yv a r i a t i o n ) 来表示。实时业务的服务质量与时 延抖动紧密相关，抖动过大将要求接收端的缓冲区加大，同时还影响接收端时钟 的恢复。所以在m a c 的设计过程中应充分考虑尽量减少实时业务的信元时延抖 动。本文将各种业务根据时延特性分为两类，时延敏感性业务和非时延敏感性业 务，时延敏感性业务为高时延优先级，包括恒定比特率( c b r ) 业务和实时可变 比特率( r t v b r ) 业务，非时延敏感性业务为低时延优先级，包括非实时可变比 特率业务( n r t v b r ) 业务、可利用比特率( a b r ) 业务和未指明比特率( u b r ) 业务。另外，将信令也作为非时延敏感性业务对待。利用两种分配算法对这两类 业务进行授权分配。授权分配的基本原则首先满足高时延优先级的带宽申请，在 有空闲的情况下将剩余带宽分配给低时延优先级。 3 2 2 授权分配算法 时延敏感性业务对时延特性要求比较严格，其服务质量与时延抖动紧密相 基于a t m 的无源光网络关键技术的研究 关，为减小业务的时延抖动，本文采用j d a n e l o p o u l o s 首先提出的“均匀间隔 分配算法”1 4 l ，可以较满意地减小时延抖动。 授权分配的整个过程可以借助图3 3 来说明。首先高优先级的申请由该图左 边的环行分配器来处理，该分配器的大小是可变的，根据当前激活的o n u 数量， 分配器可分别有5 2 ，1 0 4 ，1 5 6 个入口，对应着三种逻辑帧大小的情况。环形分 配器的数据连续按顺时针方向读出，其内容写入下行p l o a m 的授权域。当前指 针总是指向下一个读出的位置。当下一个上行时隙为分割时隙时，则暂停读取数 据，指针保持不动。当一个申请时隙到达后，该时隙所有的请求被读出，然后将 请求o n u 的地址写入分配器当前指针之后的位置，写入的次数等于相应o n u 申 请的数目，并且间隔均匀，即间隔距离等于当前环形分配器的长度( 5 2 ，1 0 4 或 1 5 6 ) 除以申请数所得的商数( 按四舍五入取整) ，如果相应位置被占，则写入下 一个空闲位置，依次类推。 图3 3 分优先级授权分配策略 现在考虑高优先级的带宽申请过载的情形。当系统的负载较高时，环形分配 器的所有空位都以被填满，未被满足的申请存入高优先级的缓存区，待到下个申 请时隙到达后，与该时隙的申请一并处理。当然，a t m 的流量和控制策略如c a c ， 会保证系统的过载只是瞬时的，高优先级业务平均占用时隙数总是小于上行帧的 时隙数。 另外，当激活的o n u 数目变化而导致逻辑帧长度变化时，环形分配器的长 度也随之变化，比如激活的o n u 数由1 1 个增加到1 2 个时，新的逻辑帧将由两 个基本帧组成，相应的环形分配器的长度也由5 2 增加到1 0 4 ，原分配器中的数据 笫三辑媒顶接入托制| j - | 义的设汁 复l h g 蛰3 变k 后分配器的胁5 2 何，后，5 2 化为窄，r 作原理和原来的一样。如果帧 i 女度变小，相应环形分配器也变短，比如当分配器长度由1 5 6 变为1 0 4 时，原分 配器中的前1 0 4 位数掘复制到新分配器的相应位置，剩下的5 2 位数据，则暂存 入高优先级的缓存区，对它们的处理相当于系统过载时的处理。 低优先级的申请处理如图3 3 右边所示，当一个分割时隙到达后，o l t 计算 箨o n u 的低优先级日1 请队长，然后按o n u 的地址次序依次逐个写入低优先级授 权缓存区，当高优先级的环形授权分配器指针转动，遇到当前位置的内容位空时， 将低优先级缓存区最前面的数据写入下行p l o a m 的授权域，同时该缓存区的数 据向前移动一位。低优先级按照逐个依次的分配原则，充分考虑了各o n u 之间 的公平。 上述的授权分配过程可简述如下： ( 1 ) 每发送一个授权信号，环形分配器的指针顺时针转动一位： ( 2 ) 如果分配器当前位咒为空，则发送低优先级授权缓存区最i 讶端的数据， 同时缓存区的数据向前移动一位： ( 3 ) 每次申i , f l - l l , l 隙到达o l t 后，高优先级的1 1 1c t i - l 安y , t 均匀r u l l i t 4 l 的力法写入 环形分配器，低优先级的申请按依次顺序的方法写入低优先级缓存区： ( 4 ) 如果高优先级的i 青过城，则暂存入高优先级缓存区，留待u f 一个巾 请时隙到达时一并处理； ( 5 ) 逻辑帧长度变化h 寸，环形分配器的长度随之变化，当分配器长度缩小 时，原分配器中无法写入到新分配器的数据将暂存入高优先级缓存区， 对它们的处理类似于过载时的处理。 采用分时延优先级的授权分配方法，使高优先级的信元不会受到低优先级信 元f | 勺l ! t q 塞，从而保持了较低的时延水平，同时由于采用了均匀瞄隔的带宽分配方 法，使高优先级的c d v 保持在低水平。 璀fa f m 的无洒i 光m 绍父世技术的 i j 究 第四章7 i j l , i j 罡e 技术 山于a p o n 是，e 享介质的网络多点到点的通信采用t d m a 方式，当来e j 不佝o n u 的上行信息同时到达( 或时呲 j 部分重燕) o l t 的接收端，冲突就会发 _ ：。这种冲突是山于不同光支路的路径。t , e 短：- , i t 同引起。另一方面，山于环境温度 的变化和器件老化等原因，光纤的传输时延也会发生不断的变化，这种变化如果 得不到及时的纠f ，积累多了也会引起上行冲突的发! e 。因此引入测距技术对由 于传输机制引发的时延差异进行补偿，以确保不同o n u 所发出的信号能够在o l t 处准确的按时隙复用在一起。 测距包括静态测距和动态测距，f 讨哲土要j = | 在新的0 n u 安装调试阶段、停 机的o n u 重新投入运q ? i i g ，以补偿各o n u 和o l t 之问的距离引起的延时差异： 后者应用于系统运行过程中，补偿l j i ! 于温度、光电器件老化等因素对信道传输特 性的影j f 叭及时砌牲各个o n u 上行信元能到达棚位。 4 1 静态测距技术 l 挣态测距主要用在新的o n u 安装调试阶段、停机的o n u 重新投入运行时。 0 n u 的安装j j 两种方法： 方法a ：o n u 的序列号码山网络操作系统在o e t 注册。 方法b ：p o n 系统有一套自动检测机制检测o n u 的序列号码( 或唯一的软编 码数) 。 无论采用哪一种安装方法，o n u 的静态测距过程均有两种可能的开始方式， 筇一种方式是网络运营者知道有一个新的o n u 连入网络时使能测距过程，完成 测距( 或超时) 后自动停止测距：第二利，方式是【l 】o l t 周期地自动丌始测距，测试 榆查是否有新的0 n u 连入网中，查询频率可编程设定，以便在网络操作系统指 挥下使测趴窗口可以姆毫秒或每秒打，f ：。 a p o n 的i 铮态测距技术有多种方案，如“j i ：窗”测距、低幅伪随机码测距、 低幅低频j f 弦波测距等。无论采哪一种测距方案，都必须满足如下要求： 测距足p o n 的传输性能的丛础，测距力法耍十分可靠。 为保证较高的带宽利用率，棚邻州隙的f 采护比特足有限的，必然要求洲距 十 艘： h l ：百，一般要求在1 b i t 内。 测距会发m ：已投入运行的系统一h 婴求测i | i | ( 过槲列+ 运行小的其它o n u f 0 影响最小，保证运 f f - _ , l k 务的q o s 。 接入网的一个非常敏感的问题是成本问题，因测距带来的成本增加应尽可 蚺p u 章；i a i f l t 拉术 能少，而技术复杂度是影响成本的重要因素之一，因此测距所采用的技术应尽量 简甲，实现容易。 测距的完成时问也是一个要考虑的重要因素，尤其是在系统发生倒换时， 应该保证按舰定的倒换时州内完成测距，使倒换过程连续不中断，系统能够j f i 常 j 作。 根据上述要求，通过对各利t 测距方案进行研究和比较( 6 】，本文重点介绍技术 和成本都棚对满意的“丌窗”测距法，这种方法也是i t u t g9 8 3 建议的方法。 4 1 1 “丌衡”测距的原理 丌窗“测距”属于带内测距，它利用业务带宽传递各种测距消息，完成o l t 划o n u 的测距。当有o n u 需要测距时，o l t 通过下行帧中p l o a m 信元发出授 权信号使所有运行中的o n u 在某段时问内暂停上行业务