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j 匕京邮电大掌硕士学位论文摘要 e p o n 中动态带宽分配算法的研究 摘要 近年来通信业的迅猛发展导致了网络传输能力的巨大提升。骨干 网和高速局域网随着人们对带宽越来越大的需求而不断升级，但是连 接两者之间的接入网成了整个网络的瓶颈。尽管当前广泛使用的宽带 接入方案如x d s l 、混合光纤同轴电缆( h f c ) 和c a b l em o d e m 提高了 一定的带宽，但与人们的需求还相去甚远，并且也不能为新兴网络业 务如视频会议、视频点播( v o d ) 、互联网电话( v o i p ) 提供足够的带宽 以及相关业务的q o s 保证。最终，考虑到以太网的普遍性及其低成 本高带宽的优点和光纤网的低成本大容量，一种基于以太网的无源光 网络e p o n 成为下一代宽带接入网的最佳候选技术之一。e p o n 技 术代表了国际上接入网的最新发展趋势，是当前宽带接入网络研究的 热点，被认为是实现未来宽带接入乃至最终实现f t l h 的主要手段。 本论文主要对e p o n 系统的一些关键技术进行了深入的研究。包 括系统的体系结构、多点控制协议 狃c p ) 、操作维护管理( 协 议、带宽分配算法的设计，本文主要工作包括： ( 1 ) 介绍了接入网的发展现状、无源光网络的主要技术类型以及 接入网的发展前景； ( 2 ) 在讨论e p o n 系统体系结构和主要特性及m p c p 协议的基础 上，根据e e 8 0 2 3 a h 标准中定义的洲协议原理，研究了e p o n 系统的o a m 协议原理和设计要点，可以保证e p o n 系统稳定、高效、 准确的运行并支持多种网络业务，重点给出了e p o n 中洲的链路 检测、远程错误指示、远程环回等功能的设计要点； ( 3 ) 在e p o n 系统上行信道复用技术中，带宽分配算法是一个热 点和难点。在分析了已有的动态带宽分配算法基础上，结合a p o n 的优势，提出了一种固定帧长的e p o n 凇c 协议，并且给出了仿真 结果；另外提出了支持q o s 的上行接入算法，仿真结果表明，高优 先级业务具有很好的时延和时延抖动性能。 第1 页共v i i 页 j匕京邮电大学硕士掌位论文蝴i要 关键词：e p o n ；c p ；0 a m ；动态带宽分配 第1 i 页共v i i 页 _ s t u d y0 n t h ed y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h m0 fe p o ns y s t e m a b s r r a c t t h e 8 ey e a r s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m i m m i c a 6 0 n m 小l s 心扎珏e t w o r kt r 吼s i n i s s i o na b i l 耐h a sb e 吼h n p r o v e dal o t b a c l 出o n e n e t 、) l r o r ka n dh i 曲s p e e dl a na r ee x p e c t e dt ob ec o n t i r l u o u s l yu p d a c e d 埘t 1 1 m c r e a s i l l gr e q u e s t sf b rb a n d 耐d l ：ho fu s e r s o w e v e r ，h o wt od e s i 乒 也ea c c e s sn e t w o i kc o n n e c t i 【l 譬b a c k b o n en 酿v o r ka 力dl a nb e c o m e s 也e d e s i l 皿b o t 七l e n e c ko f 也ew h 0 1 en e “础a l 也o u 吐，c u n mb m a d b a n d a c c e s sm e t h o d s ，s u c ha sx d s l ，h f c 矗n dc a b l em o d e m ，h a v ep r o v i d e d h i g h e r b a n d w i d t ha n da r ew i d e l yu s e d t 量l e y 蚰i lc a nn o ts 缸母u s e r s r e q u e s 忸a 1 1 dh a v er 1 0 tt h ea b i l 时t op 刚i d ee n o u g hb a n 艄d t l la r l dq o s f o rn c wn e c w o 一( s s e r v i c e s 跚c ha sv i d e om e e t i 工1 臣v o d ，啪a 1 1 ds oo n e m e m e tn 咖r ki sav e i yp o p u l a rn e 协出w i ml o wc o s ta n d 量l i 曲 b a n d w i d 出m e a n w l l i l e ，o p 矗c a 】n e t w o f ka l s oh a s1 0 wc o s ta i l dh j 曲 c a p a c 哪c o n s e q u e n t l y ，e p o ns y s t e m ，w h i c hi sap a s s i v e 叩t i c a li i e t w o r k b a s e do ne t l l 啪e t ，b a sb e c o m eo n eo f 也eb e s tt e c h n o i o g i e sj nt 1 1 en e x t g 钍e r a t i o nb r o a ( 1 b a n da c c e s sn e h ，o r k a n de p o nr e p r e 8 e n s 血el a t e s t d e v e l o p m e n tt r e n do f 也ea c c e s sn e t w d r k ，a n di ti s0 n eo f t b eh 成s t u d i e so f c u i r e tb o a r da c c e s 8n 龇r k i s 也棚g h ta st b em a i nm e a n st or e a l i z e f h t u r eb r o a d b a n da c c e s sa n df t l h i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m ek e yt e c h n o l o 舀e si nb p o n s y s t e ma r e i n 憎s d g a t e d ，i n c l u d i r i gs t l i d y0 ns y s t e ms t r u c t 【i r ，m p c pp m t o c o l ，o 枷 p r o t o c o l ，a 1 1 db a n d w 记ma 1 1 0 c a t i o na 1 9 0 r 讹蛆，t h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r e o u t l 血e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f 删y ，c u e n ts i 恤a d o no f 血ea c c e 鼯n e t w o r k ，m et e c c a l 1 ) ，p eo f p o na n dt l l ep r o 印e c to f a c c e s sn e 铆。出a 1 - e 抽饥 d u c e db e f l y 第i 页菇v i i 贾 j 已京邮电大学硕士学位论文 摘要 ( 2 ) b a s e do n 也ed i s c u s s i n go fm es y s t e ms t r u c t u r e ，m a i n f e a l 册e s ，剐 1 d 入，】田c pp r o t o c 0 1o fe p o ns y s t e m t h ed i s s e r t 【t i o nh a s p r 叩o s e d t h e d e s i g ns c h e m eo f o a mp r o t o c a lo fe p o ns y s t e m ， a c c o r d i n g t ot h e p r i l l c i p l e o fo a mp r o t o c a lt h a ti sd e f i n e d 协 i e e e 8 0 2 - 3 出a n dm a i n l yp r o v i d e dt h ed e s i g ns c h e m eo fm e1 矗墩 m o n i t o r 洳g ，r e m o t e f a i l u r ei n d i c a t i o n ，r e m o t e l o o p b a c ko fo a m i 1 1 e p o n ( 3 ) b a n d w i d ma 1 1 0 c a t i o na l g o m h mi sah o ta n dd i 伍c u n t e 吐o n 0 1 0 9 yo fe p o nu p s t r e a mc h a n n e l a n dc o m b i 疵培m e a d v a n t a g e s o fa p o n ，w es t u d ye p o nm - a cp r o t o c o lo ff i x e d 仔a m ei e n 酊ha n d p r o v i d e 戗1 es i n l u l a i o nr e s u l tb a s e do n 也ed i s c u s s i o no fm ee x i s t i n g b a n d 、析d t l la 1 1 0 c a t i o nt ec _ h n 0 1 0 西e so fe p o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f 缸1 i s a l g o r i t h ma r ep r o v i d e d ；i na d d i t i o n ，w ep r e s e n tm ea l g o r i 曲m 血 s u p p o r t o fq o s ，s i i n u l a t i o nr e s u n 曲d i c a t e st h i s a l g 谢劬h a sg o o d p e r 壬o n n a n c eo fd e l a ya n dd e l a yii t t e r k e yw o r d s ： e p o n 皿t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ；m p c p ( m u i t i p l ep o i n tc o n t r o j p r o t o c 0 1 ) ；o a m ( o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o nm a i n t e n a n c e ) ；d y n a m i cb a n d w i d t h a n o c a t i o n 第1 v 页共v 页 _ 。、 - ， h 一 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 左盏 日期： 细0 6 3 1 l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期：丝：! 堑：星：! ! 名 名 签 签 人 师 本 导 j 匕京邮电大掌硕士掌位论文 第一章绪论 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑 作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信 技术的研究与开发以及现代通信网的建设。 网络建设中，过去几年间，网络的核心部分发生了翻大覆地的变化，无论是 交换，还是传输都已更新了好几代。不久，网络的这一部分将成为全数字化的， 软件主宰和控制的，高度集成和智能化的网络。而另一方面，现存的接入网仍然 是被双绞线铜线主宰的( 9 0 ) 原始落后的模拟系统。两者在技术上的巨大反差说 明接入网已确实成为制约全网进一步发展的瓶颈。目前尽管出现了一系列解决这 一瓶颈问题的技术手段，如x d s l 系统，同轴电缆上的耶c 系统，宽带无线接 入系统，但都只能算是一些过渡性解决方案，唯一能够根本上彻底解决这一问题 的长远技术手段是光接入网。无源光网络口o 由于其易维护、高带宽、低成本 等优点成为光接入中的佼佼者，是通过单一平台综合接入语音、数据、视频等多 种业务的理想物理平刨。 p o n 自从在2 0 世纪8 0 年代被采用至今已经历经几个发展阶段。起初人们 认为将异步传输模式( a n 田技术和p o n 技术相结合的a p o n 技术是实现综合接 入的理想模式，然而，由于数据业务的爆炸式增长，a t m 技术暴露出效率不高、 协议复杂等弱点，且成本过高，因此并未得到大规模的应用。在这种背景下，一 个颇为引入注目的新的p o n 标准孕育而生，这就是由e ee f m 工作组负责制 定的e p o n 标准【2 j 。 目前，电信骨干网持续发展，但接入网进展不大。“最后一公里”仍是大容 量局域网和骨干网之间的瓶颈，而且解决这一问题的呼声越来越高。为了突出它 的优先地位与重要性，以太网圈子的人已经把“最后一公里”这一网络段改称为 “第一公里”。第一公里连接服务提供商中心局与企业及住宅用户，也称用户接 入网或本地环路，它是街区一级的网络基础设施。宽带的第一公里接入方案不仅 能提供丰富的互联网服务与应用，而且在价格上还要与现有网络相当。e p o n 因 其在设备投资成本以及操作和维护等方面的优势，成为运营商解决“最后一公里” 的一种非常经济的宽带接入解决方案，可以说，e p o n 技术已经成为未来接入网 j 匕京邮电大学硕士学位论文 技术的发展方向 3 1 。 1 1 研究背景 1 1 1 接入网 相对于传统的传输网络、交换网络而言，接入网是一个相对较新的概念。长 期以来，电信网络的接入部分经常被简单地被称为“接入段”，接入段仅仅是交 换网络的最后延伸，是某些具体接入设备的附属设施，并不是一个独立的网络部 件。从2 0 世纪9 0 年代中期、特别是进入2 l 世纪以来，接入网已经发展成为一 个相对独立、完整的网络，并且是当前技术发展最快、竞争最激烈、建设最昂贵 的网络。如图1 1 所示，目前信息网由核心骨干网、城域网、接入网和用户驻地 网组成。其中接入网是用户进入城域网骨干网的桥梁，是信息传送通道的“最 后一公里，【1 1 。 图1 - 1 信息网模型 如今，科学技术突飞猛进，大量的电子文件不断产生，随着经济全球化，社 会信息化进程的加快，因特网大量普及，数据业务激烈增长，电信业务种类也不 断扩大，已由单一的电话电报业务扩展到多种业务。而网络建设中，过去几年间， 网络的核心部分发生了翻大覆地的变化，无论是交换，还是传输都已更新了好几 代，而接入网的发展却极为缓慢。接入网已成为制约网络向宽带化发展的瓶颈。 同时，接入网市场容量很大，为了满足用户的需求，各种新技术不断涌现，接入 网技术已成为电信研究部门、各大电信公司和运营部门关注的焦点和投资的热 点。 1 1 2 接入网的发展及相关技术 接入网是国家信息基础设施的发展重点和关键，已经受到了各个方面的重 视。随着对接入网的研究，各种宽带接入技术逐渐的成熟，并走向市场化的道路。 目前最常使用的宽带接入是数字用户线( d s l ) 和电缆调制解调器( c a b l e m o d e m ) 。传统电话公司采用d s l 技术能提供的速率为1 2 8 k b i t s 1 5 m b s ，比调 制解调器快了许多，但还称不上真正的宽带，因为它不能综合支持话音、数据和 j i ：京邮电大掌硕士学位。沦文 视像，而且传输距离小于5 5 妣( 在美国只有6 0 左右的用户线比这个短) 。因 此网络运营商不得不在靠近用户的地方架设远端数字用户线接入复用设备 ( d s 圳) 。通常，因为成本太高，服务提供商不为到中心局距离大于几英里的 用户提供d s l 服务。有线电视公司采用h f c 和c a b l em o d e m 技术，在摄像头端 或集线器( 玎皿) 与路边光节点之间用光纤，从路边光节点到用户的最后一段 用同轴电缆。每一光节点的有效数据吞吐量小于3 6 m b i 佻，一般要供2 0 0 0 个家 庭分享，在高峰期间速度很慢。 然而，以上的技术不管是d s l 还是c a b l em o d e m ，都只能算是一些过渡性解 决方案，实际上不能满足将来的用户需求，因为它们都是利用原有为电话或电视 设计的基础设施来传数据，不是最佳的技术。因此，需要有新的技术彻底解决这 一带宽瓶颈问题，它要经济、简单、可扩展，能向最终用户综合提供话音、数据 和视频服务，而且这种技术必须是以数据为核心的解决方案，并对i p 数据业务 是最优的，诸如话音和视频等业务将融入数据流中。唯一能够从根本上彻底解决 这一问题的长远技术手段是光接入网。p o n 技术在上个世纪9 0 年代中期由f s a n 发起，在一个通用、快捷的宽带接入系统上同时提供宽带和窄带服务，如口数 据、视频、1 0 1 0 。以太网，话音以及t d m 业务，通过光纤传送。 u n ls n l 用户侧接口网络侧接口 图1 2p o n 结构模型 p o n 结构如图1 2 所示。p o n 主要由光线路终端o l ，t ，光分配网络o d n 和光网络单元o n u 三部分组成。o l t 位于接入网的局端，为光接入网提供网络 侧和本地交换机之间的接口，并通过一个或n 个o d n 与用户端的o 姗通信。 o l t 分离交换与非交换业务，管理来自o n u 的信令和监控业务，为o n u 和本 身提供维护和指配功能。o d n 为0 l t 和o n u 之间的光传输手段。o n u 为光接 入网提供用户端接口，终结来自o d n 的信息，完成网络侧光接口和用户侧点接 口之间的光电和电光转换、信号处理、复用和维护管理功能。按o n u 安放的 位置不同，光接入网分为三种不同的应用类型：光纤到户( f t t h ) ，光纤到大楼 ( f t t b ) ，光纤到路边( f t t c ) 。p o n 技术是一种点对多点的光纤传输和接入技术， j 匕京由芦电大掌硕士学位论文 下行采用广播方式，上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树型、星型、总线 型等拓扑结构，在光分支点不需要节点设备，只需要安装一个简单的无源光分路 器，光信号在传输过程中不再经过放大和再生，网络的分路由光分路器来实现( 4 1 。 1 2 无源光网络技术发展概况 当前，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 电信概念和体系结构。随着通信业务的发展及其对通信带宽的需求，接入网技术 正向多元化发展，出现了光纤接入、铜线接入、混合光纤同轴电缆网络、无线 接入等各种接入技术，其中光纤接入无疑是最有效的方法，特别是对于宽带业务。 而在各种光纤接入技术中，无源光网络( p o n ) 是一种很有吸引力的纯介质网络， 其主要特点是避免了有源设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的 故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本。还能比较经济地支持模拟广 播电视业务，即具备三重功能。据美国贝尔运营公司报道，采用无源光网络每年 每线可节约维护费用5 0 美元，是电信维护部门长期期待的技术。其次，p o n 的 业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号。最后，由于其光发送 机和光纤由用户共享，因而线路成本较其他点到点通信方式要低，特别是随着光 纤向用户端的日益推进，其综合优势越来越明显。p o n 的灵活组网能力和经济 适用能力使其最适合于分散的小企业和居民用户，特别是那些用户区域较分散， 而每一区域用户又相对集中的小面积密集用户地区f 5 】。无源光网络由于具有敷设 和运行维护成本低、对业务透明和易于升级等优点而备受关注。 从p o n 发展至今，p o n 主要有a p o n ，e p o n 和g p o n 三种基本类型。在 窄带p o n 系统概念提出的同时，人们提出了以a t m 技术为基础的宽带p o n 概 念，即a p o n ，以使接入网走向宽带化。在a p o n 的发展过程中，标准化程度 很高，分别在1 9 9 8 年、2 0 0 0 年、2 0 0 1 年u 。t 正式通过了g 9 8 3 1 ，g 9 8 3 2 ， g 9 8 3 3 协议，对a p o n 系统标称线路速率、光网络要求、网络分层结构、物理 媒质要求、会聚层要求、测距方法、传输性能、管理和控制接口规范、波长分配 标准等均作了规定。 1 2 1 发展历史 p o n 技术始于2 0 世纪8 0 年代初，目前市场上的p o n 产品按照其采用的技 术，主要分为基于a t m 的p o n 宽带p o n ( a p o n 倍p o n ) ，基于以太网的p o n 和基于通用成帧协议的千兆p o n ( e p o n 和g p o 。以下简介f t t x 与p o n 技 术的发展历程【6 。 j 匕京邮电大掌司旺b 掌位。沦文 1 9 8 3 年，b t 实验室首先发明了p o n ，并于1 9 8 7 年在英国进行了p o n 的早 期试验。1 9 9 3 年，德国电信在原东德开始部署p o n 。1 9 9 5 年春，几大网络运营 商联合成立了“全业务接入网络( f s a n ，f u l ls e r v i c e sa c c e s sn e 抑o r k ) 组织”。 f s a n 组织的目标是制定一个标准，使得设备制造商及运营商在p o n 的发展中 有可遵循的目标。第1 个经由该组织制定的标准是1 5 5 m b i 佻p o n 系统。这个系 统就是a p o n ，它使用删作为其承载协议。1 9 9 9 年，i t u 批准了a p o nf s a n 标准g 9 8 3 x 。2 0 0 1 年a p o n 被改名为b p o n 。 e p o n 的研究和开发是由趾l o 砸c 和s a l h 等后起的光网络设备商推动的； 发起的主要原因是因为a p o n 需要协议转换、带宽有限、结构复杂和造价昂贵 等技术局限性。随着快速以太网、吉比特以太网和十吉比特以太网在局域网和城 域网应用的逐步扩大，采用e p o n 技术将更加经济，兼容性也更好。e p o n 技术 可以借鉴以太网成熟的协议标准和己有的a p o n 协议标准，容易扩展并且面向 用户。 随着p 技术的不断完善，大多数运营商已经将口技术作为数据网络的主要 承载技术，使得闰m 技术完全退出了局域网。在这种背景下，两个颇为引人注 目的新的p o n 标准孕育而生，其中一个是由i t i 肝s a n 负责制定用来替换a p o n 标准的g i g a b i tp o n ( ( 谮o 标准，另一个是由i e e e 8 0 2 3 a h 工作组负责制定的 e t p o n p o n ) 标准。和a p o n 相比，e p o n 具有更宽的带宽、更低的费用 和更灵活的业务功能。 ， 自2 0 0 0 年1 1 月起，e e8 0 2 3 a h 工作小组开始进行e p o n 的标准化工作， 其制定e p o n 标准的基本原则是尽量在8 0 2 3 体系结构内进行e p o n 的标准化工 作，工作重点放在e p o n 的m a c 协议上，最小程度地扩充以太网m a c 协议。 2 0 0 4 年6 月，e f m 正式发布了e p o n 的相关标准8 0 2 3 出。2 0 0 1 年，f s a n 组 织也开始起草制订一个超过1g r b i 珧速率的p o n 网络标准g p o n 【8 1 。该标准不但 提供高速带宽( 上下行速率1 2 4 4 g b w s 和2 4 8 8 g b 州s ) ，支持各种接入服务，并且 能以原有数据的格式( 无需再次转换) 和极高的效率同时支持数据及电信话音业 务。i t u t 在2 0 0 3 年正式通过并颁布了g p o n 标准系列中的三个标准：g 9 8 4 g 9 8 4 2 和g 9 8 4 3 ，2 0 0 4 年4 月i t u t 通过了g 9 8 4 4 ，至此g p o n 的标准已经 完善。 1 2 2 三种技术的特点和比较 毒 1 2 2 1a p o n b p o n 的技术特点 a p o n c a l mp a s s i v eo p t i c a ln e 铆o r l ( ) ，异步传输模式无源光网络是数据链路 j 匕京邮电大学硕士学位论文 层a t m 技术与物理层p o n 技术相结合的光接入网技术【9 】，被认为是当时( 1 9 9 7 年是触m 的黄金时代) 的最佳结合。 a p o n 利用删的集中和统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终 端的共享作用，使性价比有重要改进，a p o n 下行传输的是连续的删信元流， 每个a t m 信元含5 3 个字节，下行方向采用的是时分复用的广播方式，每个o n u 都将收到所有的信元，它们可以根据信元的目标地址从相应时隙中取出属于自己 的信元。a p o n 上行传输的是突发模式的删信元。为了实现无冲突的、有效 的上行接入，保证各个o n u 的上行信号都能完整地到达o l t ，g 9 8 3 建议采用 时分多址( ) m a ) 的上行接入控制 5 ，6 9 】。这样，a p o n 必须对各个叮u 进行测 距，并根据不同的延时进行协调。为了实现同步，上行帧中的每个信元有5 6 个 字节，由5 3 个筒m 信元字节和3 个开销字节组成，开销字节包括：防护时间 用于防止微小的相位漂移损伤信号；前置码则用于比特同步获取，o l t 必须在收 到o n u 上行突发的前几个比特内实现比特同步，才能恢复o n u 的信号；定界 符用于唯一指定a t m 信元和微时隙的开始，也可作为字节同步。 目前，a p o n 上行和下行速率都可达到1 5 5 m b i t ，s ，非对称应用时下行方向 的速率可达到6 2 2 m b i 仇。 1 2 2 2g p o n 的技术特点 ： a p o n ( 或b p o n ) 的帧结构是基于a t m 格式的封装；e p c i n 的帧结构是基于 以太网也e m e t ) 格式的封装；而g p o n 的帧结构不基于任何指定类型的格式， 它是一种基于各种用户信号原有格式的封装，所以g p o n 也被称为“n 玲n 曲e m o d ep o n ( 原型p o ”。g p o n 是f s a n 组织提出的一种速率高达2 4 g b i 佻、能 以原有格式和极高的效率( 9 0 以上) 传送包括话音、以太网、a t m 、租用线等多 种业务的技术。g p o n 的主要技术特点是采用全新的封装方法g e m ( g p o n e n c 印s u l a t i o nm e 戗1 0 d ) 来实现传输汇聚层协议，该协议是从s d h 的“通用成帧协 议”( g f p ，g e n e r i cf 础gp r o t o c 0 1 ) 【1 0 借鉴过来的，可以实现多种业务码流的通 用成帧规程封装，为高层用户信号业务流和传输网络提供一种通用的适配机制； 另一方面又保持了g 9 8 3 中与p o n 协议没有直接关系的许多功能特性，如o a m 管理、d b a 等。这里，传输网络可以是多种类型，如s o n e t s d h 和i t u 。tg 7 0 9 ( o 哪；用户信号可以是基于分组的，或是持续的比特速率，或者是其它类型的 信号：而g f p 则对不同业务提供通用、高效、简单的方法进行封装，经由同步 的网络传输；因为使用标准的8 l ( k ( 1 2 5 p s ) 帧，从而能够直接支持t d m 业务。 1 2 2 3e p o n 的技术特点 j 匕京邮电大学硕士学位论文 随着这几年i p 的崛起和发展，由于删不敌以太网而导致a p o n 的发展 受阻，针对这一问题有人提出了e p o n ( e 也e m e tp a s s i v eo p d c a l ln e t w o r k ) ) 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 精华部分即物理层p o n ，而用以太网代替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e p o n 。这一思想已 经在以太网界获得积极响应。2 0 0 0 年1 1 月，i e e e 8 0 2 3 通过成立第一公里以太 网( e f m ) 研究组的方式开始了e p o n 的标准化工作，最初6 9 家公司参与这一领 域的工作，后来发展为1 0 0 多家公司，m 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。 i e e e 8 0 2 3 a l l 协议于2 0 0 4 年7 月正式完成【l l 】。 现在，e p o n 一一以太无源光网络被视为能满足上述要求的下一代接入网的 最佳技术，它代表了低成本高带宽以太网设备与低成本光纤网的融合。 e p o n 系统中，数据以i e e e 8 0 2 3 帧格式的变长信息包从o l t 经过o d n 下 行广播到多个o n u ，每个信息包都带有一个唯一标识，标志该信息发给某个 o n u 。上行方向中，数据从各o n u 经过o d n 汇聚到o l t 。为了防止来自各o n u 的信息包发生碰撞，上行接入主要采用t i ) m a 技术进行管理，各o n u 被分配 给特定的时隙。采用时分复用的t d m a ，) m 的e p o n ，其传输距离最远可达 2 0 k m ，一根光纤最多可支持6 4 个用户，总带宽为6 2 2 m b s 到2 4 g b 州s 。 j 2 2 4 三种技术的比较 针对g p o n 和e p o n 技术的不同特点，可以对这两种技术做出以下分析。 1 ) g p o n 支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，上行不一定要支 持1g b i t 以上的速率，因此与e p o n 只能支持对称1g b i t 的单一速率相比，g p o n 在光器件的选择上余地更大，从而可降低成本。 2 ) e p o n 只支持c l a s sa 和b 的o d n 等级，而g p o n 可支持c l 雒sa ，b 和 c ，因此g p o n 可支持高达1 2 8 的分路比和长达2 0k m 的传输距离。 3 ) 单从协议上比较，因为e p o n 标准是以8 0 2 3 体系结构为基础，因此与 g p o n 标准相比其协议分层更简单，系统实现更容易。更鉴于目前以太网芯片的 成熟性，其系统成本更低。 4 ) i t u 在制定g p o n 标准过程中沿用了a p o n 标准g 9 8 3 的很多概念，与 e f m 制定的e p o n 标准相比其标准更完善。但由于其增加了t c 子层，因此也 相应增加了一定的开销，这在一定程度上违背了希望能够借助e m e m e t 技术简 j 匕京邮电大学硕士学位沦文 单、经济的特点这一初衷。因此规定一个高效率的t c 层机制将成为i t u 在制定 g p o n 标准中的一个关键。 5 ) g p 0 l n 标准规定t c 子层可以采用a t m 和g f p 两种封装方式，其中g f p 封装方式适于承载p 等基于包的高层协议，但对于为了支持删业务而定义的 a t m 封装方式在以e 也e m e t 为基础的e p o n 系统中是否合适，还有待商榷。 6 ) 在e 也e m e t 上承载t d m 业务的技术并不成熟，很难满足电信级的q o s 要 求。因此e p o n 为了能够承载t d m 业务和话音业务必须设计新的m a c 机制并 增加新的软硬件。而g p o n 由于其设计的t c 子层结构和删封装方式，并采 用了1 2 5 脚的帧长及定时机制，能够比较容易的支持t d m 业务和话音业务。 表1 。1 对e p o n ，g p o n 和a p o n 三种技术的主要参数进行了比较 1 2 1 。 表1 1e p o n g p o n a p o n 主要参数列表 i e e e e p o ni t u - tg p o ni t u - ta p o n 下行线路速率o 加s ) 1 2 5 012 4 4 2 4 8 81 5 5 6 2 2 1 2 4 4 上行线路速率 r b s ) 1 2 5 015 5 6 2 2 ，l2 4 4 2 4 8 81 5 5 ，6 2 2 线路编码8 b ，1 0 b n i t z ( + s c r a n l b l i p 曲氇( + s c r 锄b l i n 妨 最小分路比( r cl e v e l ) 1 66 43 2 最大分路比( r cl e v e l ) n 从1 2 86 4 1 c 层支持最大逻辑o 5 m - 1 0 k i 州 6 0 k m ( 2 0 k mi nm a x2 0 虹 传输距离 0 5 m 2 0 k m d i 固 数据链路层协议 e t h e m e te t h e m e t ，a t i a r m t d m 支持能力t i ) mo v e rp a c k e tn a ：c i v et d m 厂r d mot d m0 v e r a r m 删，仍m o p a c k e t p o n 支持最大业务流 d e p o nl l i d s ，o m ，4 0 9 62 5 6 下行数据流加密 n o td e f i n e d a e s ( c o u n t e rm o d e )c h u m i n g a e s 1 2 3e p o n 的技术优点 从e p o n 的结构上看，其关键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叠网络结构，也消除了伴随多层重叠网络结构的 一系列弱点。总结起来，e p c i n 相对于现有类似技术的优势主要体现在以下几个 方面【5 ，1 1 】： j 匕京邮电大学司驰e 学位论文 1 ) 基于i p 及以太网技术：未来的网络必定是基于i p 或以太网的，经由e p o n 传输包是最好的方案。 2 ) 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。考 虑到以太网的市场优势，e p o n 与以太网的兼容性是其最大的优势之一。 3 ) 低建设成本：e p o n 系统显著减少了光纤、光收发模块、中心局设备的数 量。另外，由于光电子器件的成本不断降低，e p o n 的每线设备接入成本已可与 a d s l c a b l em o d e m 相比，特别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件成为 f t l h 发展的基础。同时，e p o n 的基础是以太网，而以太网是当今和未来世界 上使用最广泛的网络技术，其相关器件、设备价格最低。用e p o n 作接入网， 成本低、通用性好，免去了p 数据传输的协议和格式转换，效率高，管理简单。 4 ) 低运营维护成本：局端( o 与用户( 之间仅有光纤、光分路器等光 无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此可有效 节省运营维护成本。 5 ) 解决远端用户的接入问题：e p o n 可以达到2 0 k m 的传输距离，避免了传 统传输介质( 如双绞线、五类线、c a b l e 等) 的距离瓶颈问题一 6 ) 支持多种业务：由于e p o n 系统建立在的技术上，因此，e p o n 系统 支持各种以d 技术为基础的网络服务，使电视网、电信网、互联网( 三网) 的融合 也成为现实。 7 ) 解决终端用户的带宽瓶颈：e p o n 上下行信道速率为1g b 彬s ，这比目前 的接入方式，如m o d e m ，i s d n ，a d s l 甚至删p o n ( 下行6 2 2 15 5m b p s ，上 行共享1 5 5 m b p s ) 都要高得多。e p o n 可以为用户提供高带宽，可以满足宽带上 网、视频点播、在线游戏、可视电话、数字高清电视等各种业务的带宽需求，充 分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带 宽。 8 ) 高的接入可靠性：整个光传输通道为光纤和无源光器件，可以有效避免电 磁干扰和雷电影响，保证信号传输质量。 9 ) 便于管理：对业务透明，便于系统升级、管理和引进新业务。 1 0 ) 统一的标准：i e e e8 0 2 3a h 工作小组从2 0 0 1 年1 1 月就开始进行e p o n 的标准化工作。大约有7 0 个公司加入了这个工作小组，包括c i s c o 、n o i r t e l 、s b c 、 w o n d c o m 、v e r i z o n 、s a l i r a 、b r o a d c o m 、a g e r e 、硫e l 、b r o a d l i g h t 、越ca ：t e l 等。 j 匕京邮电大学硕士学位论文 2 0 0 4 年6 月2 7 日，i e e e 已经正式推出了关于e p o n 系统的8 0 2 3a h 协议。 1 3 国内外市场现状 从全球范围看，在宽带用户中，6 6 是采用d s l ，在中国这个比例高达9 0 ， 但利用e p o n 技术的f t t h 接入方式呈现出高速增长的势头。 1 3 1 国外市场现状 国外的e p o n 研究进展迅速，目前，在e p o n 方面领先的国外厂商有s a l i r a 和赳1 0 砸c 和w o r i d w i d e p a c k e t s 等新兴公司，也有一些老牌公司( 如诺基亚和 b r o a d c o m 等) 。s 缸她光网络系统公司已确定与美国最大运营商中的三家共同建 立三个试验系统。s a l i r a 推出的e p o n 由接入操作系统、桥接) m 域和分组域 基于软件的部件组成，具有动态q o s 和流量分类功能。a l l o p t i c 和o n e p a t h 正在 分别开发企业和个人用户的市场，它们可提供1 g b i t s 的下行速率和8 0 0 m b i 讹 的上行速率，这个上行速率使e p o n 对企业独具吸引力，因为它超过现在的 a p o n 的速率。一些主要运营商和设备供应商( 思科、北电网络、阿尔卡特和 b r o a d c o m 等) 非常看好e p o n 在宽带接入方面的巨大优势，并已着手研究相关 产品。诺基亚的d 5 0 0d s l 蝴产品是删向e p o n 的过渡产品。q u a n t l l mb r i 电e 也声称支持e p o n 。此外，富士通、比瑞利也有e p o n 产品。p a s s a v e 公司也于 2 0 0 4 年9 月正式发表一款高整合性的以太无源光纤网络芯片一一p i a s 6 2 0 i 。富士 通作为全球三大i t 厂商之一也推出了一系列富士通e p o n 解决方案。 由于经济和技术等方面的原因，p o n 并没有在全球大面积展开，目前国外 的发展主要集中在日本、韩国、美国、瑞典、意大利等国家，下面分别做一个简 单的介绍l 7 i 。 1 3 1 1 日本和韩国 日本是全球f t t h 发展最好的国家，制定的“e j a p a n ”战略要求国内使用光 纤线路的用户或家庭要达到整个宽带市场的三分之一以上。同时，日本的开放竞 争政策也促使更多的运营商加入到f ，r 】h 市场中来，在竞争加剧的情况下，n ，r t 不得不将2 0 0 5 年引进f 订h 的计划提前实施，而w m o o b b 更是开始了超过几 百万线的e p o n 部署计划。据日本总务省统计，到2 0 0 4 年8 月，日本f t m 用 户数已经突破1 6 0 万线，预计在2 0 0 5 年达到4 5 0 万。韩国经过了三年的大发展， 宽带用户总数突破1 ，0 0 0 万，宽带普及率达世界第一，占据家庭的7 0 ，互联网 的9 0 ，市场规模达4 0 亿美元。其中由于他们自主开发自己的p o n 标准，目前