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西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，通信的主干部分发生了巨大的变化，而在接入部分却 变化很少。由于光纤具有传输频带宽、容量大、抗干扰能力强等优 点，非常适合作为高速、宽带业务的传输媒体。结合i p 传输和p o n 透明宽带传送能力优势的e p o n 系统被认为是实现未来宽带接入乃 至最终实现f t t h 的主要手段，i e e e 正在制定其有关标准。 动态带宽分配对提高e p o n 的服务质量，改进e p o n 系统时延及 及以太网帧丢失率等性能指标有着重要的意义，是e p o n 系统的核 心关键技术之一。目前，针对e p o n 的帧结构、带宽分配与性能分 析以及如何实现q o s 保证等问题正成为国内外的研究热点。 本论文主要对e p o n 上行信道带宽动态分配技术进行了研究。 完成了以下一些工作：讨论了e p o n 系统的一些关键技术，提出了 一种类似令牌环的分布式方案；在分析已有的带宽动态分配技术基 础上，分析了e p o n 上行接入的数学模型，提出了一种基于固定长 度的带宽分配算法和一种可变以太网帧长度的i p a c t 改进算法；最 后在分析q o s 服务模型和具体的控制机制基础上，提出了改进的 w f q 算法和w r e d 算法来确保在e p o n 中实现服务质量保证。 关键词：e p o n t 动态带宽分配；服务质量；a p o n 亘重奎望茎堂堡主鲤塞竺兰竺鲨窒筻! ! 里 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r eg r e a tc h a n g e si nt h eb a c k b o n e o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，b u tf e w e ri nt h ea c c e s sn e t w o r k a st h ef i b e rh a st h e a d v a n t a g e so fb r o a db a n d w i d t h ，h u g e c a p a b i l i t y ，p o w e r f u lr e s i s t i n gj a ma b i l i t ye t c ，i ti sv e r y s u it a b l et ob et h et r a n s p o r tm e d i ao fh i g h s p e e db r o a d b a n d n e t w o r k t h i n k i n go ft h ea c t u a l i t yo ft h ei pn e t w o r ka n dt h e a b i l i t yo fp o nt r a n s p o r t e p o nw i l l b eo n eo ft h em a i n s o l u t i o n st oi m p l e m e n tf u t u r eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，e v e n b et h ef i n a l t e c h n o l o g y t o i m p l e m e n tf t t h n o w t h ee p o n s t a n d a r d sa r es t i l ld i s c u s s i n gb yi e e e d y n a m ieb a n d w i d t ha l l o c a t i o ni st h ek e yt e c h n o l o g yo f e p o n ，w h i c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v eo o s ，r e d u c e p a c k e td e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e n o w ，t h er e s e a r c h e so ne p o n f r a m ef o r m a t ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h ma n dp e r f o r m a n c e a n a l y s is ，a n dh o wt or e a li z eo o s ，a r en o wb e c o m i n gt h eh o t s p o t si nh o m ea n da b r o a d t h er e s e a r c hi sm a i n l yf o c u s e do nt h ed y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o ns c h e m e so fe l o nu p s t r e a mc h a n n e l t h en e wr e s u l t s a r ea sf o l l o w s ：d i s c u s s e ds o m ek e yt e c h n o l o g i e so fe p o n ，a n d p r o p o s e das c h e m eo fa c c e s ss y s t e ms i m i l a rt ot o k e nr i n gf o r d i s t r i b u t e de p o n am a t b e m a t i em o d e lo fe p o n u p s t r e a mc h a n n e l i sa n a l y z e db a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h ee x i s t i n gb a n d w i d t h a 1 1 0 c a t i o nt e c h n o l o g i e so fe p o n a n das c h e m eo f d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o nb a s e do nf i x e d1 e n g t hi sa l s op u tf o r w a r d i no r d e rt oa d a p tt ot h ev a r i a b l el e n g t ho fe t h e r n e tf r a m e ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l il 页 a ni m p r o v e ds c h e m eb a s e do ni p a c ti sp u tf o r w a r dt o o f i n a l l y p r o p o s e da ni m p r o v e dw f qa n dw r e da r i t h m e t i ct og u a r a n t e et h e q o so fe p o nb a s e do nt h ea n a l y s iso fq o sm o d e la n dt h ec o n c r e t e c o n t r o lm e c h a n i s i l l k e yw o r d s ：e p o n ；d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ：q o s ：a p o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 宽带接入技术发展概况 近年来，以因特网为代表的新技术革命和电信体制改革正在 深刻地改变传统的电信概念和体系架构。传统电话网将不可避免 要过渡到以数据业务特别是i p 业务为中心的下一代电信网，这种 下一代电信网的基本特征将是宽带化和i p 化。 当前主流宽带接入技术的最新发展态势主要有以下几种。 1 1 1 双绞线上的数字用户线系统 到目前为止，全世界的双绞线用户线仍然占据了全部用户线 的9 0 以上，总投资达数千亿美元。下面几种技术是最有活力和发 展前景的。 a d s l 系统 非对称数字用户线系统( a d s l ) 是一种采用离散多频音( d m t ) 线路码的数字用户线( d s l ) 系统，具有较强的抗线路串音和其他 干扰的能力，其最大特点是无须改动现有铜缆网络设施就能提供 宽带业务。 v d s l 系统 对于已敷设i p 城域网的网络环境，将i p 城域网与高速数字 用户线( v d s l ) 技术相结合可以提供结构简单，低电子设备成本 和带宽能力方面的综合优势，是一种比较现实理想的宽带混合接 入方案。 e d s l 系统 结合了以太网和d s l 两者特点的e d s l 系统仍采用以太网通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 协议，但利用d s l 技术可以在现有电话网基础设施上实现高速数 据传送。 1 1 2 宽带无源光纤接入网 以a t m 为基础的无源光网络( a p o n ) 一个a t m 化的无源光网络( a p o n ) 可以通过利用a t m 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 。目前已有多个设备厂家开始提供符合g 9 8 3 标准的a p o n 系统，在美国和日本等国正在进行现场试验。然而，目前实际a p o n 产品的业务供给能力仍很有限，成本过高，其市场前景由于a t m 在全球范围的受挫而不理想“。 以e t h e r n e t 为基础的无源光网络( e p o n ) 随着这几年i p 的崛起和发展，由于a t m 不敌以太网而导致 a p o n 的发展受阻，针对这一问题有人提出了e p o n 的概念和实施方 案，即在与a p o n 类似的结构和g 9 8 3 的基础上，设法保留a p o n 的精华部分一一物理层p o n ，用以太网代替a t m 作为数据链路层协 议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新 的结合体一一e p o n 。这一思想已经在以太网界获得到了积极响应 “。2 0 0 0 年1 1 月，在i e e e8 0 2 3 的组织下，通过成立最后英 里以太网( e f m ) 研究组的方式，开始了e p o n 的标准化工作，多 达6 9 个国际著名公司介入这一领域的工作，其工作重点将放在 e p o n 的m a c 协议上，其余将主要参照f s a n 和i t u tg 9 8 3 建议， 从而希望以最快速度完成有关e p o n 的标准并投入商用。 从e p o n 的结构上看，其关键优点是消除了复杂而昂贵的a t m 和s d h 网元，从而极大地简化了传统的多层重迭网络结构，从而 也消除了伴随多层重迭网络结构的一系列弱点。e p o n 的主要特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 有：由于消除了a t m 和s d h 层，从而降低了涉及a t m 和s d h 层的 初期成本和运行成本；下行业务速率高达1 2 5 g b i t s ，并能提供 视频业务和较好的q o s ；由于硬件简单，无须场外有源电子设备， 使安装部署工作得以简化；改进了电路的灵活指配和业务的提供 和重配置能力；提供了多层安全机制，诸如v l a n 、闭合用户群和 支持v p n 等；易于在e p o n 结构上丌发更宽范围和更灵活的业务， 从而增加收入：可以提供诸如可管理的防火墙、话音业务的支持、 v p n 和互联网接入等增值业务。 1 1 3 宽带固定无线接入 l m d s 系统 l m d s ( 本地多点分配业务) 是- - o e 微波的宽带技术，工作在 毫米波波段。原理上，l m d s 可以提供从电视分配业务和电话到全 交换式宽带多媒体业务在内的所有业务。但最有利的机会是为企 事业用户提供数据业务和高速上网。 无线局域网( 无线以太网) 无线局域网( w l a n ) 又称无线以太网，这是一种计算机网 络与无线通信技术相结合的产物，它利用射频技术来提供传统有 线局域网的全部功能，是一种能支持较高速率( 从1 1 m b i t s 乃至 5 4 m b i t s ) ，采用微蜂窝或微微蜂窝自我管理的计算机局域网技术。 1 1 4 以太网技术 以太网是一种物理层和数据链路层标准，传统以太网技术不属 于接入网范畴，而属于用户驻地网( c p n ) 领域。然而其应用领域 却正在向包括接入网城域网在内的公用电信网领域扩展。目前， 无论是5 号缆上的有线以太网，还是基于8 0 2 1 1 b 标准的无线以 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 太网发展势头都很猛。按照i d c 的最新统计( j u l y ，2 0 0 1 ) ，2 0 0 0 年以太网端口占全球销售数据端口的9 1 ，已成为仅次于供电插口 的第二大住宅和办公室公用设施接口。以太网的一个最新发展是 利用已有的电信网中的双绞线来传以太网信号，避免重新敷设较 贵的5 类线，i e e e8 0 2 8 h 小组已经开始制定相关标准，计划在 2 0 0 4 年完成。 1 2 光接入网概述 所谓光接入网( o a n ) 就是采用光纤传输技术的接入网，泛指 本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤 通信的系统1 。通常，o a n 指采用基带数字传输技术并以传输双向 交互式业务为目的的接入传输系统，将来应能以数字或模拟技术 升级传输宽带广播式和交互式业务。 根据接入网室外传输设旌中是否含有源设备，o a n 又可以划分 为无源光网络( p o n ) 和有源光网络( a o n ) ，前者采用光分路器分 路，后者采用电复用器分路，两者均在发展，但多数国家和国际 电联标准部( i t u t ) 更注重推动p o n 的发展，i t u t 第1 5 研究组 已于1 9 9 6 年6 月通过了第一个有关p o n 的国际建议g 9 8 2 ，不少 国家也已开始或准备开始在接入网中大量引入o a n 系统。 总的来看，在电信网中引入o a n 的最基本的目标有两条。 首先是为了减少铜缆网的维护运行费用和故障率。据估算， 采用光用户接入网后，每年的维护运行和供给成本可以比传统铜 缆网节约至少每线5 0 美元。对于l 亿用户线相当每年可以节约5 0 亿美元，2 0 年累计可达1 0 0 0 亿美元，完全可以用这笔费用来弥补 将铜缆网改造为光缆网所需投资，故障率也可大大降低。 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 而加强竞争力，增加新业务收入，补偿建设光用户接入网所需的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 新投资。近年来由于光器件价格的持续稳定下降而铜缆价格的持 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 ) k m 以上时己低于传统铜缆网。 除了上述两个基本目标外，采用光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，也可以节约城市 拥挤不堪的地下管道空间，延长传输复盖距离，适应扩大的本地 交换区等其他目的，其结果当然也把接入网的数字化进一步推向 了用户。简言之，采用光接入网已经成为解决电信发展瓶颈的主 要途径，其应用场合，不仅最适合那些新建的用户区，而且也是 对需要更新的现有铜缆网的主要代替手段。 o a n 的主要设计目标有三条。首先主要是为小企事业单位和 居民住宅用户设计的，因而可以看作是一种小型的数字环路载波 系统。其次，光接入网的引入不应依赖于交换机的类型，既要能 与现有模拟交换机或数字交换机兼容，也应能与新的数字交换机 兼容。最后，光接入网必须能提供所有原来铜缆网所能提供的业 务，将来还应能升级提供图像和数据等新的宽带业务。 综上可知，o a n 不是传统的光纤传输系统，而是一种针对接入 网环境所设计的特殊的光纤传输系统。 1 3 光接入网系统总体要求 1 3 ，1 工作波长范围 目前光纤的可用工作波长区有3 个，即7 8 0 n m 窗口、1 3 1 0 n m 窗口和1 5 5 0 n m 窗口。鉴于o a n 对成本最敏感的部分是光电器件， 因而设法降低这一部分的费用是改进整个系统技术经济性能的关 键。i t u t 建议g 9 8 2 决定只使用1 3 1 0 n m 窗口和1 5 5 0 n m 窗口， 其中1 3 1 0 h m 波长区将首先启用，主要支持电话和其他2 m b i t s 以 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 下的窄带双向通信业务。同时，其工作范围应尽量宽，以便容纳 未来的w d m 的应用。对于1 5 5 0 h m 波长区，除了暂时可以用作异波 长双工的下行方向外，主要用于未来的新业务，特别是宽带图像 业务。 1 3 2 光纤选型 光纤类型从大的方面看可以划分为单模光纤和多模光纤两类， 鉴于单模光纤的损耗低、带宽宽、制造简单和价格低廉，在公用 电信网( 包括接入网) 中已成为主导光纤类型。新敷设的光纤几 乎全部采用单模光纤，己不再考虑多模光纤。 单模光纤又分为g 6 5 2 、g 6 5 3 和g 6 5 4 三种，考虑到成本及 网络的维护和统一性，i t u t 规定在接入网中只使用生产量最大， 价格最便宜，性能优良的标准g 6 5 2 光纤。 1 3 3 双向传输技术 传输技术主要完成连接o l t 和o n u 的功能，其连接方式包括 点到点、点到多点方式。至于反向的用户接入方式也可以有多种， 主要有时分多址接入( t d m a ) 和副载波多址接入( s c m a ) 两种。 目前的i t u t 标准是以t d m a 方式为基础的，但不排除其他接入方 式。下面就几种主要的双向传输方式作一简要介绍。 1 空分复用( s d m ) 空分复用( s d m ) 就是双向通信的每一方向各使用一根光纤的 通信方式，即所谓单工方式。在s d m 方式下两个方向的信号在两 根完全独立的光纤中传输，互不影响，传输性能最佳，系统设计 也最简单，但需要一对光纤才能完成双向传输的任务，传输距离 较长时不够经济。对于o l t 与o n o 相距很近的应用场合，则由于 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 光纤价格的不断下降，s d m 方式仍不失为一种可以考虑的双向传输 方案。此外，由于两个方向的信号传输通路互相独立，因而对于 光源波长没有特殊要求( 只要在1 3 1 0 n m 波长区内，是否相同则无 关紧要) 。 2 时间压缩复用( t o m ) t c m 方式是解决双向传输的有效手段之一。这种方法只利用一 根光纤，但不断交替改变传输方向，使两个方向的信号得以轮流 地在同一根光纤上传输，就像打乒乓球一样，因而又称“乒乓 法”。实现t c m 传输有两种方法，第一种方法是利用一只激光器 既作光源又作检测器。十分简单，只要有一收发控制开关准确地 控制其收发时间，使之不发生冲突即可。然而这种方法激光器兼 作检测器的灵敏度较差，速率较高时，光通道可用光预算很小。 第二种方法是利用两套独立收发设备，两端各设一个光耦合器用 于分离上行和下行信号，两个方向的信号发送在时间上分开，分 别占用不同的时隙轮流发送。由于同一时刻只允许一个方向传输 信号，因而称为半双工方式，以便与w d m 和s c m 的全双工方式有 所区别。采用t c m 方式时，两个方向的信号允许工作在同一波长， 但目前规定必须在1 3 1 0 n r n 波长区。 3 波分复用( w d m ) 当光源发送功率不超过一定门限时，光纤工作于线性传输状 态。此时，不同波长的信号只要有一定间隔就可以同一根光纤上 独立地进行传输而不会发生相互干扰，这就是波分复用的基本原 理。对于双向传输而言，只需将两个方向的信号分别调在不同波 长上即可实现单纤双向传输的目的，称为异波长双工方式。这种 方式未来的升级扩容潜力很大，很容易扩展至几十个波长，但目 前w d m 器件的成本还嫌过高，因而传输距离不长时不够经济。 4 副载波复用( s c m ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 利用副载波复用( s c m ) 实现双向传输的原理很简单，只需将 两个方向的信号分别安排在不同频段即可实现单纤同波长双向传 输的目的。在实际o a n 传输系统中，下行方向往往采用t d m 方式 基带传输形式，因而频率分量集中在低频端，而上行方向采用副 载波多址接入( s c m a ) 方式，即各个用户的频率调在较高频段， 与下行信号的频谱隔开。由于上下行信号分别占用不同频段，因 而系统对反射不敏感，也无需t d m a 方式所必不可少的复杂的延时 调整电路，传输延时较小，电路较简单。 5 频分复用( f d m ) 在单根光纤上的上行和下行信号通过调制，安排在不同的频 谱位置。在接收端调制器中的滤波器仅滤出所需的信号频谱。当 波分复用间隔密集到更适于用频率来衡量时称光频分复用。 6 码分多址( o d m a ) 将应用在无线通信领域中的c d d a 技术引入到光纤通信中，对 各路信号进行光域上的编解码，实现信号的复用。能使用户充分 利用频谱，提高频率利用率。实现用户随机接入。 1 3 4 逻辑传输距离 逻辑传输距离指特定传输系统所能通达的最大距离，与光路 的光功率预算无关，主要取决于信号帧的构成及分路比和传输方 式，实际系统传输距离只可能短于逻辑传输距离。规范逻辑传输 距离的目的主要是便于系统分类。 1 3 5 信号传输延时 o a n 的信号传输延时定义为下行和上行信号传输延时的平均 值。按照这一定义，信号传输平均延时是测量的信号往返传输延 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 时的一半，测量方法可以按照上述定义进行，测量条件通常假设 传输距离为l o k m ，用户侧的铜缆引入线长度忽略不计。 i t u t 规定，对于f t t h 应用，光接入网的v 参考点与t 参考 点之间的最大信号传输延时不得超过1 5 m s ”1 ；对于其他应用 ( f t t c ，f t t d ，f t t b ) ，则光接入网的v 参考点与a 参考点之间的 最大信号传输延时不得超过1 5 m s 。此时v 参考点与t 参考点之间 的晟大信号传输延时仍需满足i s d n 的2 m s 指标要求。 1 4a p o n 和e p o n 的研究现状 世界上有几个主要组织负责开发p o n 的相关标准，e f 姒i e e e 和f s a n i t u t 就是其中的主要两个组织。 f s a n i t u t 在二十世纪八十年代，世界上许多大的运营商将光接入网引 到他们的网络中。可是其中的大部分停留在试验局阶段，主要原 因是其高昂的费用以及当时少的可怜的业务需求。随着i n t e r n e t 的迅速普及，到了9 0 年代大量的对带宽的需求又使宽带接入重新 成为主流。在1 9 9 5 年，7 个主要的电信业务提供商发起并建立f u l l s e r v i c ea c c e s sn e t w o r k s ( f s a n ) 全业务接入网组织，以加速光 接入网的商用化，随后一些主要的设备制造商也加入到该组织中。 f s a n 收集整理关于b p o n ， a p o na n dg p o n 的需求，并这些文 档作为建议反馈给i t u t 第1 5 研究组。其中关于a p o n 的g 9 8 3 系列建议已经被i t u t 通过采纳。目前f s a n 的正协助i t u t 制定 g p o n 标准。 e f m a i e e e 简单地说e f m 其实就是利用从用户办公室及家庭到通信运营 商之间的连接线路直接传输以太网数据帧的规格。i e e e ( 电气和 电子工程师协会) 8 0 2 委员会的8 0 2 3 a h 工作组正在进行这方面的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 工作。作为i e e e 工作组工作的一部分，e p o n 是作为使用点到多点 以太网接入应用而定义的。 e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l ea 1 l i a n c e ( 第一英罩以太网 联盟) 则是一个支持基于8 0 2 3 a h 的e f m 标准化的业界组织。e f m a 的成员包括终端制造商、系统集成和通信运营商等。e f m a 有4 个 主要目标：支持由i e e e8 0 2 3 a h 制定的第一英里以太网标准； 致力于集中技术资源促进关于技术规范的协调和统一；促进业界 了解、接受和推动第一英里以太网技术和产品；协调各个设备制 造商相互协作，鼓励和推动彼此之间的合作。 1 4 1 a p o n 的研究现状 a p o n 是由f s a n i t u 定义的，以a t m 协议为载体，下行以 1 5 5 5 2 m b s 或6 2 2 0 8 m b s 的速率发送连续的a t m 信元，同时将物 理层o a m 信元插入数据流中。上行以突发的a i m 的信元方式发送 数据流，并在每个5 3 字节长的a t m 信元头增加3 字节的物理层开 销，用以支持突发发射和接收。a p o n 提供非常丰富和完备的o h m ， 包括比特误码率的监视，告警和检测，自动发现和自动测距，并 采用搅动策略作为实现下行数据加密的安全机制“。 a p o n 技术发展得比较早，它具有综合业务接入、q o s 服务质 量保证等独有的特点，i t u - t 的g 9 8 3 建议规范了a t m p o n 的网络 结构、基本组成和物理层接口，我国信息产业部也已制定了完善 的a p o n 技术标准。a t m 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 到树形网络的各个o n u 。a p o n 采用基于信元的传输系统，允许接 入网中的多个用户共享整个带宽。这种统计复用的方式，能更加 有效地利用网络资源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 1 4 2 e p o n 发展现状 e p o n 是几个最佳的技术和网络结构的结合。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 r n e t 应用占到整个局域网通信的9 5 以上，e p o n 由于使用 这种经济和高效的结构，是连接接入网最终用户的一种最有效的 通信方法。1 0 g 以太主干和城域环的出现也将使e p o n 成为未来全 光网中最佳的最后一英里的解决方案。 目前接入网现有的解决方案和用户的需求之间存在着巨大差 异。在用户侧的本地网络已经普遍拥有了支持i o m 和1 0 0 m 速率的 能力，在城域网侧已经可以支持千兆和万兆的速率，但在用户侧 和城域网之间数据的传送却大部分为不足1 m 甚至只有几十k 的速 率。接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈，为了突出接 入网的优先地位与重要性，i e e e8 0 2 3 工作组把人们以前熟知的 “最后1 英罩”接入网络段改称为“第l 英旱( t h ef i r s tm i l e ) ， 并在2 0 0 0 年1 1 月成立了e f m ( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ) 研究小组，于2 0 0 1 年7 月开始制定i e e e8 0 2 3 a he f m 标准。 在e p o n 方面现在领先的有国际上有s a l i r a ，a 1 l o p t i c 等新 兴公司，也有一些老牌公司如n o k i ab r o a d b a n d ，q u a n t u mb r i d g e 等，国内在e p o n 方面研发比较领先有格林威尔公司，华中理工， 武汉烽火等。其中格林威尔公司的多业务e p o n ( m s e p o n ) 系统 最有特点，其系统支持上下行对称1 2 5 g 带宽，支持o n u 的自动 加入，支持t d m 业务，提供动态静态带宽分配、弹性保护倒换等 功能。 1 4 3e p o n 与a p o n 的比较 i t u t 已经制定了a p o n 技术的g 9 8 3 建议。但是a p o n 有两 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 个问题：一是传输速率不够高，下行为6 2 2m b i t s 或1 5 5m b i t s ， 上行为1 5 5m b i t s ，带宽被1 6 3 2 个o n u 所分享，每个o n u 只能 得到5 2 0m b i t s 。另一个更主要的问题是，与以太网设备相比， a t m 交换机和a t m 终端设备相当昂贵。而且，现在因特网工作于 t c p i p 协议，用户终端设备都是i p 设备，采用a t m 技术必须将 i p 包拆分重新封装为a t m 信元，这就大大增加了网络的丌销，造 成网络资源的浪费。 而e p o n 融合了p o n 和以太数据产品的优点，形成了许多独有 的优势。e p o n 系统能够提供高达1 2 5 g b i t s 的上下行带宽，这一 带宽能够适应现在及将来1 0 年内用户对带宽的需求。由于e p o n 系统采用复用技术，支持更多的用户，并且它不采用昂贵的a t m 设备和s o n e t 设备，能与现有的以太网相兼容，大大简化了系统 结构，成本低，易于升级。由于无源光器件有很长的寿命，户外 线路的维护费用大为减少。标准的以太网接口可以利用现有的价 格低廉的以太网络设备。而p o n 结构本身就决定了网络的可升级 性比较强，只要更换终端设备，就可以使网络升级到1 0g b i t s 或者更高速率。e p o n 不仅能综合现有的有线电视、数据和话音业 务，还能兼容未来业务如数字电视、v o i p 、电视会议和v o d 等等， 实现综合业务接入。 虽然a p o n 对实时业务的支持性能优越，但随着多协议标签交 换( m p l s ) 等新的i p 服务质量( o o s ) 技术的采用，高层协议与 e p o nm a c 协议相配合，e p o n 完全可能以相对较低的成本提供足够 的q o s 保证。加之e p o n 的价格优势明显，因而被认为是解决电信 接入瓶颈，最终实现光纤到家的优秀过渡方案。 1 5 本论文的主要研究工作 本论文主要研究解决e p o n 中有关上行信道带宽动态分配算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 方面的关键技术。动态带宽分配是e p o n 系统的关键技术之，对 提高服务质量，改进系统时延及以太网帧丢失率等性能指标有着 重要的意义。 现在a p o n 已经有了规范，而e p o n 的标准还在讨论之中。现 有的一些文献都主要是在a p o n 的g 9 8 3 建议的基础上针对a p o n 的带宽分配提出了一些解决方案，如j o h nd a n g e l o p o u l o s 等提 出的“顶移”分配算法( 附录1 ) 和“传送带”分段分配算法( 附 录2 ) 等。而由于e p o n 的标准尚未出台，这方面的文献就比较少， 主要有g l e nk r a m e r 等提出的基于轮询的“i p a c t ”算法。目前针 对e p o n 的帧结构、带宽分配与性能分析以及如何实现q o s 保证等 方面的讨论正成为国内外的研究热点。 本论文主要是在讨论e p o n 系统及其关键技术的基础上，对基 于i p a c t 的分配算法加以改进，以更有效地实现带宽动态分配， 并讨论研究了支持s l a 的e p o n 突发业务q o s 管理框架，将一些支 持q o s 的算法应用于e p o n 系统之中。 本论文主要完成了以下一些工作：讨论了e p o n 系统的一些关 键技术，提出了一种类似令牌环的分布式方案；在分析已有的带 宽动态分配技术基础上，分析了e p o n 上行接入的数学模型；以a p o n 为基础，提出了- - g e e 基于固定长度的带宽分配算法；为适应以太 网帧长度可变的特点，又在已有的i p a c t 算法基础上提出了一种 改进算法；最后在分析q o s 服务模型和具体的控制机制基础上， 提出了改进的w f q 算法和w r e d 算法来确保在e p o n 中实现服务质 量保证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第2 章e p o n 系统及其关键技术 2 1 e p o n 系统组成 e p o n 主要分成三部分，即o l t ( 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 ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 和0 n u o n t ( o p t i c a l n e t w o r ku n i t o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a t i o n ) 组成。其中o l t 位于局端，o n u o n t 位于用户端( 其区别为o n t 直接位于用户端， 而o n u 与用户间还有其它的网络如以太网) 。o l t 到o n u o n t 的方 向为下行方向，反之为上行方向。 2 1 1e p o n 基本结构及工作原理 e p o n 基本网络结构如下图2 一l 所示，由业务网络接口( s n i ) 到用户网络接口( u n i ) 间为e p o n ，而e p o n 通过s n i 与业务节点 相连，通过u n i 与用户设备相连“1 。 s ：光发送参考点 r ：光接受参考点 v ：与业务节点间 的参考点 t ：与用户终端间 的参考点 s n l 图基本网络结构图unl2-1 e p o n 图基本网络结构图 在e p o n 中，从o l t 到多个o n u 下行传输数据的过程与从多个 o n u 到o l t 上行传输数据的过程根本不同。在e p o n 中完成上行和 下行传输的不同技术如图2 2 和图2 3 所示。 在图2 2 中，数据以变长数据包的形式从o l t 下行广播到多 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 个o n u ，数据包的长度最长为1 5 1 8 字节，依据的是i e e e8 0 2 3 协 议。每个数据包带有一个标题，惟一标识该数据包是发给o n u 一1 、 o n u 一2 还是o n u 一3 的。某些数据包还可能是发给所有o n u 的( 广播 数据包) 或发给特定的o n u 组的( 多点传送数据包) 。在分支器中， 将数据流划分为三种独立的信号，每种信号载有特定o n u 的数据 包的全部内容。当数据到达o n u 时，o n u 接受专门发给它的数据包 而丢弃发给其他o n u 的数据包。例如，在图2 - 2 中，o n u 一1 接收数 据包1 、2 、3 ，但只将数据包1 传输给最终用户1 。 图2 2 下行数据传输 图2 3 展示的是如何利用t o m a 技术管理上行数据，其中传输 时隙是专门用于o n u 的。时隙被同步，使得在数据汇合到公共光 纤的时候，从o n u 来的数据包不会互相干扰。例如，o n u - 1 数据包 在第一个时隙传输，o n u 一2 数据包在第二个非重叠的时隙传输，而 o n u 一3 数据包在第三个非重叠的时隙传输。 图2 - 3 上行数据传输 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 1 2 帧结构 图2 4 描述的是e p o n 中从o l t 到o n u 之间的变长数掘包下行 帧格式。下行数据被分割成许多固定时间间隔的帧，每帧都携带 了多个变长数据包。时钟信息，术语称作同步时钟发生器，加载 在每帧的开始。这个同步时钟发生器占用一个字节，每2 m s 被发 送一次，用来使o n u 和o l t 同步“1 。 每个变长数据包都给予不同的地址从而发送给某个特定的 o n u ，如下所示的数字，从l 到n 。数据包的帧格式是按照t e e e 8 0 2 3 的标准设定，以1 2 5 g b p s 的速率传输。图中还给出了每个变长数 据包的组成：报头、变长净荷和差错检测域。 目t 圈，圈，闷 r i a b l e - l e 斌 扩 r o r 訇p a y l o a d 阏h i t e c t i 0 嗣nh ! l d目b 心 据帧格式 s y n c h r o n i z a t i o n m a k e r 而下图2 - 5 所示的是上行信道中利用时分多址技术的帧结构， 从而解决从各o n u 通过一条普通光纤发送数据而不发生冲突的问 题。上行数据也被分割成多个帧，每一帧又被细分成多个特定于 不同o n u 的时隙。上行帧按照2 m s 的间隔连续传送，每帧通过前 面的帧头来标志。 这些特定于某个o n u 的时隙是位于每帧中的一些传输间隔， 而这些帧是专门用于传送从特定o n u 发来的变长数据包。每个o n u 在每帧中都有专门的时隙。如图2 - 5 中所示，每帧被分为n 个时 隙，从l 到n ，分别对应着相应的o n u 。为了能从上下行数据流中 得到测距、同步、准许带宽分配等信息，还需在各上下行帧间插 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 入些p l o a m 信元，这是一个物理层运行、管理和维护信元，可用 其携带一些分配请求信息。 u h e a d e r 图2 - 5il崮payload与z，。，r、d。e。t。；。 i l 三；i 盈8 r r 。n 。c t i 。n 上行数据帧格式 2 2e p o n 各部分的功能要求 e p o n 主要由o l t 、o d n 和o n u 三部分组成。各个部分都有其特 定的功能要求。 2 2 1 o n u 功能要求 o n u 的作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处 于o d n 的用户侧。o n u 的主要功能是终结来自o d n 的光纤处理光信 号并为多个小企事业用户和居民住宅用户提供业务接口。o n u 的网 络侧是光接口而用户侧是电接口，因此o n u 需要有光电和电光 转换功能，还要完成对语声信号的数模和模数转换、复用、信 令处理和维护管理功能。其位置有很大灵活性，既可以设置在用 户住宅处，也可以设置在d p ( 分线盒处) 处甚至f p ( 交接箱处) 处，按照o n u 在用户接入网中所处的位置不同，可以将o a n 划分 为三种基本不同的应用类型，即光纤到路边( f t t c ) ，光纤到楼 ( f t t b ) 以及光纤到办公室( f t t o ) 和光纤到家( f t t h ) 。o n u 0 n t 为由户提供e p o n 接入的功能”： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 选择接收o l t 发送的广播数据。对来自或送给不同用户的信息 进行组装和拆卸。 响应o l t 发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整。 对用户的以太网数据进行缓存，并在o l t 分配的发送窗口中向 上行方向发送。 提供用户业务接口以及其它相关的以太网功能。 2 2 2o d n 功能要求 o d n 为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，其主要功能是完成光 信号功率的分配。o d n 是由无源光元体( 诸如光纤光缆、光连接器 和光分路器等) 组成的纯无源的光配线网，呈树形一分支结构。 o d n 由无源光分路器和光纤构成。具有光波长透明性、互换性和光 纤兼容性等光特性。 2 2 3o l t 功能要求 o l t 的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接 口并经一个或多个o d n 与用户侧的o n u 通信，o l t 与o n u 的关系为 主从通信关系。o l t 可以分离交换和非交换业务，管理来自o n u 的 信令和监控信息，为o n u 提供维护和供给功能。o l t 可以直接设置 在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用 器接口。o l t 在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在 一个设备内。o l t 作为e p o n 的核心，o l t 应实现以下功能乜6 1 ： 向o n u 以广播方式发送以太网数据。能支持多种业务，提供多 个与u n i 的接口。 发起并控制测距过程，并记录测距信息。发起并控制o n u 功率 控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 为o l t 的0 n u 侧的可用带宽与o l t 网络侧的可用带宽提供交叉 连接功能。 为o n u 分配带宽，即控制o n u 发送数据的起始时间和发送窗口 大小。 其它相关的以太网功能。 从e p o n 中功能划分可以看出，e p o n 中较为复杂的功能主要集 中于o l t ，而o n u o n t 的功能较为简单，这主要是为了尽量降低用 户端设备的成本。 2 3e p o n 的层次模型 对于以太网技术而言，p o n 是一个新的媒质。8 0 2 3 工作组定 义了新的物理层。而对以太网m a c 层以及m a c 层以上则尽量做最 小的改动以支持新的应用和媒质。e p o n 的层次模型按照2 0 0 3 年1 月发布的i e e e8 0 2 3 a hd r a f t1 3 规定如下“”： 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据铸路层 物理层 高层 逻辑锛路层 o a m 层f 可选、 m a c 控制子层( m p c p ) 媒质接入控制层 厂磊鬲f 高层 逻辑镑路层 逻辑锛路层f 可选1 m a c 控制子层r m p c p ) 媒质接入控制层 t i仿真子层i 协调子层 ll 协调子层 千兆位介质无关接口 物理编码子层 物理媒质接入子层 物理媒质相关子层 无渊光网络媒质 图2 - 6e p o n 层次模型 一层一层