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北京邮电大学硕士研究生学位论文 e p o n 和w i m a x 融合宽带接入网 摘要 通信新技术的突破和新业务需求的涌现都驱动通信网络从有线的 宽带通信向灵活便捷的无线通信扩展，下一代网络将是有线和无线融 合的全i p 的宽带通信网络。在未来的宽带接入系统中，考虑将e p o n 和w i m a x 这两种不同的宽带接入融合，以便充分将光纤通信的超高 带宽和无线网络的可移动性结合起来，降低设备成本，给用户提供理 想的宽带接入服务。本文通过将i p 网络的i m s e r v r s v p 与d i f f s e r v 的q o s 机制结合，研究了能够保证端到端的q o s 机制一 i n t s e r v o v e r - d i f f s e r v 机制。基于i p 网络q o s 研究，结合e p o n 和 w i m a x 网络q o s 机制的特点，设计了两种e p o n 和w i m a x 融合 网络结构，即松耦合结构的融合网络和基于i n t s e r v o v e r - d i f f s e r v 机 制的紧耦合结构的融合网络，通过对比分析，可以发现紧耦合结构的 融合网络比松耦合结构的融合网络在端到端的q o s 保证、资源利用 率和系统吞吐量等方面更具有优势，在未来的发展中具有更好的应用 推广前景。 全文主要分为三大部分： 第一部分为本文的第一章。首先简要介绍宽带接入技术发展现状， 发展意义，并将目前主流有线和无线的宽带接入技术作了简要的介绍 和对比，主要介绍了e p o n 和w i m a x 的技术优势，引出本文研究 课题的研究的必要性。 第二部分为本文的第二章和第三章，分别介绍w i m a x 和e p o n 系统结构，技术原理，q o s 机制等，为接下来的研究做好背景知识铺 垫。 第三部分为本文的第四章和第五章，是全文的核心所在。首先具 体阐述e p o n 和w i m a x 融合网络的理论基础，详细介绍融合网络 的网络架构，功能模块及其工作原理和系统的q o s 机制，并设计了 融合网络的资源调度算法i - w m d r r ，以保障网络中不同的业务流之 间不同的q o s 要求。最后对融合网络模型进行系统仿真验证，并对 仿真结果进行分析。 关键词：e p o n ，w i m a x ，i n t s e r v o v e r d i f f s e r v ，融合网络，q o s 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i n t e g r a t e db r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ko f e p o na n dw i m a x a b s t r a c t t h en e wt e c h n o l o g i e so fc o m m u n i c a t i o na n dt h en e e d so fn e w s e r v i c e sa l ld r i v et h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf r o mc a b l eb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o nt of l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kw o u l db ei pb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i n t e g r a t e db yc a b l en e t w o r k a n dw i r e l e s sn e t w o r k i nt h e f u t u r e b r o a d b a n da c c e s ss y s t e m ，t h ei n t e g r a t i o no ft h et w od i f f e r e n tb r o a d b a n d a c c e s st e c h n o l o g i e s ，e p o na n dw i m a x ，w o u l dc o m b i n et h es u p e rh i g h b a n dw i d t ho fo p t i cc o m m u n i c a t i o na n dm o b i l i t yo fw i r e l e s sn e t w o r kt o r e d u c et h ee q u i p m e n tc o s t ，a n dp r o v i d ep e r f e c ts e r v i c eo fb r o a d b a n d a c c e s s b yc o m b i n i n gt h eq o sm e c h a n i s m so fi n t s e r v r s v p a n d d i f 俗e r vi ni pn e t w o r k ，a ne n d t o - e n d q o s m e c h a n i s mn a m e d i n t s e r v o v e r - d i f f s e r vw a sp r o p o s e d ，a n db a s e do nt h ej o i n to fq o s m e c h a n i s m so fe p o na n dw i m a xn e t w o r k ，t h i sp a p e rp r o p o s e st w o k i n d so fi n t e g r a t e dn e t w o r ko fe p o na n dw i m a x ：l o o s e c o u p l e d i n t e g r a t e d n e t w o r ka n d t i g h t c o u p l e d n e t w o r kb a s e do n i n t s e r v o v e r d i f f s e r vm e c h a n i s m m e a n w h i l e b a s e do nt h i st w o i n t e g r a t e dn e t w o r kf r a m e w o r k s ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ec o r r e s p o n d i n g i m p l e m e n t a t i o no fq o sf r a m e w o r k b yc o n t r a d i s t i n c t i o na n da n a l y s i s ， a r e s u l tt h a ti n t e g r a t e dn e t w o r kw i t ht i g h t c o u p l e df r a m e w o r kh a sm o r e a d v a n t a g e so v e ri n t e g r a t e dn e t w o r kw i t hl o o s e c o u p l e df r a m e w o r ko n e n d t o e n dq o s ，r e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，t h r o u g h p u to ft h es y s t e ma n ds oo n ， w o u l db eg o t t h ep a p e rc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：t h ef i r s tp a r tr e s i d e si nc h a p t e ro n e f i r s t ，w es i m p l yi n t r o d u c et h es t a t e o f - t h e a na n dp u r p o s eo ft h e b r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g y w em a k es i m p l ei n t r o d u c ea n dc o m p a r i s o n a b o u tt h em a i nc a b l ea n dw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s s t e c h n o l o g y n o w a d a y s a n dw em a i n l yi n t r o d u c e t h ea d v a n t a g e so fe p o na n d w i m a x t h a nw ep r e s e n tt h en e c e s s i t yo ft h i ss t u d y v i i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 t h es e c o n dp a r tr e s i d e si nc h a p t e rt w oa n dc h a p t e rt h r e e i ti n t r o d u c e s t h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，p r i n c i p l e s ，q o sm e c h a n i s m s ，o fe p o na n d w i m a x a n ds oo n a n dl a yt h eg r o u n df o u n do ft h i ss t u d y t h et h i r dp a r tr e s i d e si nc h a p t e rf o u ra n dc h a p t e rf i v e ；i t sa l s ot h e m a i np a r to ft h i sp a p e r f i r s t ，i tp r e s e n t st h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h e i n t e g r a t e d n e t w o r ko fe p o na n dw i m a x a n dg i v ead e t a i l e d i n t r o d u c t i o na b o u tn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o nm o d u l e s ，w o r k i n g p r i n c i p l e s ，a n ds y s t e m a t i cq o sm e c h a n i s m s t h e n ，an o v e lr e s o u r c e s c h e d u l ea l g o r i t h mi - w m d r ro ft h ei n t e g r a t e dn e t w o r kt og u a r a n t e et h e d i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n ts e r v i c e si nt h en e tw a sp r o p o s e d a tl a s t as y s t e ms i m u l a t i o na b o u tt h em o d e lo ft h ei n t e g r a t e dn e t w o r ki s e x e c u t e d ，a n da n a l y z e st h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：e p o n ，w i m 气x ，i n t s e r v - o v e r - d i f f s e r v ，i n t e g r a t e dn e t w o r k ， q o s v i i i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 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：墨崩昏l同期：毕2 止 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：衅么：丛 r 期：互竺! 皇：兰：堡竺 第一章绪论 1 1 宽带接入技术简介 第一章绪论 通信新技术的突破和新业务需求的涌现都驱动通信网络从有线的宽带通信 向灵活便捷的无线通信扩展，下一代网络将是有线和无线融合的全i p 的宽带通 信网络。未来电信业的支撑业务之一应该是宽带业务，而提供宽带业务的关键在 宽带接入。目前骨干网已具有足够的能力支持宽带业务的开展( 骨干网的带宽已 能达到几十t b s 量级) ，而接入网由于用户需求多样性、接入技术多样性、成 本极其敏感和投资回收周期长等特点，使得接入网端建设应用远落后于骨干网的 发展进程，目前用户侧终端接口速率仅能达到1 0 m b s 、l o o m b s ( 最高仅能到吉 比特每秒) 。开展宽带业务的瓶颈主要在宽带接入上。 宽带接入网的建设和发展对国民经济产生巨大推动作用，具有重要战略意 义。以2 0 0 4 年我国公共电信运营商固定资产投资为基础数据来说明宽带接入网 建设对我国国民经济的直接作用。2 0 0 4 年公共电信运营商固定资产投资在2 1 7 3 亿元，按目前我国宽带接入占固定资产全部投资的1 0 ( 一般认为通信网4 0 - - ， 6 0 的投资在接入网) ，那么宽带接入仅在设备、线路等上将是2 1 7 亿年的巨 大市场，而且宽带接入网占通信网的比例估计得比较保守而且这一比例将越来越 高。客观的分析和调查都表明：宽带业务需求的的确存在而且不断增大，宽带用 户数量不断增长。图1 1 是i m sr e s e a r c h 公司统计和预测的全球各地区宽带用户 的发展情况。从这些数据可以明显看到在全球范围内宽带用户出现快速增长的趋 势。 ，、5 0 0 k 妞4 0 0 疽3 0 0 雹2 0 0 糕at 、, 1 0 0 旺0 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 团a s i ap a c i f i c 叨a m e r i c a s 囵e m e a 图1 1 全球宽带用户的增长趋势 第一章绪论 宽带接入网的建设和宽带业务的开通也极大促进电子商务、电子政务、远程 医疗、远程教育、s o h o 、集团用户的高速虚拟专网等众多应用，这将极大提高 社会各行业的工作效率和质量；宽带接入网的建设和宽带业务的开通还将提供视 频点播、高清晰度电视、网络互动游戏等丰富人们生活的服务，使人们生活得更 多姿多彩。 由于用户需求的多样性和运营商资源优势的不同等原因，各种宽带接入技术 都有典型的适用场合。宽带接入技术主要有基于双绞线传输的接入技术( x d s l ) 、 基于对同轴电缆和光纤混合传输系统双向改造的接入技术( h f c + c a b l e m o d e m ) 、基于光纤和5 类线的以太网接入技术、基于光纤传输的接入技术( 主 要有p o n 技术、基于以太网的m c 接入和基于s d h 的m s t p 接入) 和基于无 线传输的接入技术( m m d s 、l m d s 、w i m a x 、w i f i 、u w b 、蓝牙以及移动通 信中的3 g 技术等) 。这些宽带接入技术的着重点不同，适用场合和生命期也不 同，而且实际应用中可以是两种或多种技术的结合应用。比如：通过宽带p o n ( e p o n 、a p o n 或g p o n ) 完成局端到位于距用户群比较近的商用楼、小区的 光网络单元( o n u ) 信号的传输、然后通过x d s l 或五类线上的以太网传输技术 完成从o n u 到最终用户的信号传输。选择接入网技术时需要全方位地、综合地 评价各种技术的长处和不足，根据不同的用户群、已有资源情况、未来发展趋势、 运营维护是否便利等多方面因素作出决定。接入网技术很不同于骨干网技术，它 要直接面向需求差异很大的各种用户群( 尤其对我国这样经济发展水平很不平衡 的情况) ，这决定了接入网的技术是多元化的，不可能一种技术包揽天下。选择 接入网技术时需要全方位地、综合地评价各种技术的长处和不足，根据不同的用 户群、已有资源情况、未来发展趋势、运营维护是否便利等因素作出决定【l 】。 1 2e p o n 与g p o n 技术的比较 多年来，业界一直认为：p o n 是接入网未来发展的方向。这一方面是由于它 提供的带宽可以满足现在和未来各种宽带业务的需要，因此在解决宽带接入问题 上被普遍看好；另一方面，无论在设备成本还是运维管理开销方面，其费用也相 对较低。p o n 的网络结构非常简单，其技术上的复杂性主要在于信号处理技术【2 】。 目前，有两个颇为引人注目的p o n 标准己正式发布，其中一个是由i t u f s a n 制定的g i g a b i tp o n ( g p o n ) 标准，另一个是由i e e e 8 0 2 3 a h 工作组制定的e t h e m e t p o n ( e p o n ) 标准。在p o n 技术被选做w i m a x 接入核心网的媒介时，到底是选用 e p o n 还是g p o n 就成为必须研究的焦点。单独从某一方面来对比两种技术是不 严谨的，接下来将从技术成熟度、成本、多业务能力和安全性等方面加以比较【3 】。 1 成熟度 2 第一章绪论 ( 1 ) e p o n e p o n 的标准是i e e e 的8 0 2 3 a h ，i e e e f l ；t j 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，最小程度地扩充标准以太网的m a c 协议。 提供e p o n 系统的最初都是一些新兴专业厂商，如a l l o p t i c 和s a l i r a 。现在传 统的主流电信大厂也开始进入该领域：如富士通、u t s t a r c o m 和烽火，极大地带 动了e p o n 的产业化发展。 我国从e p o n 国际标准制订一开始就把e p o n 列入国家的8 6 3 重大项目，支持 格林威尔等国内厂商对e p o n 的关键技术进行攻关，2 0 0 4 年初完成8 6 3 项目的验 收，之后滚动投入二期资金支持优秀厂商进行e p o n 系统的商业化推广。 现在，能够提供商用e p o n 系统的厂商也己将近十家，从技术水平上看，因 为几乎同步开发，国内外厂商的差别很小。而价格方面，国内厂商占优。 ( 2 ) g p o n g p o n 的标准是i t u t g 9 8 4 系列标准，g p o n 标准的制订考虑了对传统t d m 业务的支持，继续采用1 2 5 m s 固定帧结构，以保持8 k 定时延续。为了支持a t m 等多协议，g p o n 定义了一种全新的封装结构g e m ：g p o ne n c a p s u l a t i o nm e t h o d 。 可以把a t m 和其他协议的数据混合封装成帧。 目前提供g p o n 系统的还只有一两家新兴专业厂商，! t t l f l e x l i g h t 。其生产供 货、技术支持和服务能力还有待提高，难以独立支撑g p o n 的大规模部署。 与e p o n 相比，g p o n 的产业链还不完整，更谈不上成熟，乃至进入良性循 环。 3 成本因素 在芯片方面，e p o n 继承了以太网“简单即是美 的优良传统，尽量只做最 小的改动来提供增加的功能。e p o n 从技术角度“进入门槛很低，容易吸引大 批厂商加入e p o n 产业联盟。目f i i j e p o n 的第三代芯片其价格并不比前两代芯片 价格高( 甚至还有下降的趋势) ，功能却不可同日而语。g p o n 芯片功能比较复 杂，需要全新设计封装格式，g p o n 芯片厂商数量太少，芯片价格也难以下降。 在模块方面，从技术角度来看，由于g p o n 的光模块要满足很高的突发同步 指标( 在1 2 4 4 g b i t s 速率下，g p o n 标准规定突发同步物理层开销只有1 2 字节) ， 对模块中的驱动和前后放大器芯片的要求很高；还要满足三类o d n 的功率预算， 对o n u 发射机功率和o l t 接收机的灵敏度也有很高要求，只能采用d f b 发射机和 a p d 的接收机，而它们的成本几乎是e p o n 模块中使用的传统f p 发射机币i i p i n 接 收机的6 倍。所以，g p o n 光模块的成本显然要高于e p o n 光模块。 另外，从产量规模角度看，e p o n 系统厂商在标准制订的过程中就已经开发 第一章绪论 了早期的系统，开始进行小规模现场试验。日本y a h o o b b 之所以能在e p o n 标准 刚正式颁布不久即大规模采用e p o n 部署f t t h 就是因为e p o n 的工程技术成熟。 实际上，e p o n 一开始就把竞争对手定位在传统的光纤收发器和a d s l 上，致力 于用与其相当的部署成本，提供更大的带宽、更多的业务和更好的服务质量。现 在，随着e p o n 部署规模的增大，二者的价格差距正在逐步缩小。而g p o n 目前 的部署规模还很小，模块价格很难快速下降。 4 多业务和安全性 目前对e p o n 多业务能力质疑最多的就是它传输传统t d m 业务的能力。且不 说目前e p o n 设备厂商采用的各种t d mo v e re t h e r n e t 的专利技术提供了e p o n 单 一网段的t d m 业务传输通道，从测试结果来看，其性能完全满足1 5 m s 时延等指 标要求，完全符合传统t d m 业务的应用标准。 对于p t v ，v o l p 等i p 以太网基础上的多业务，e p o n 更是可以很好地承载。 对模拟的c a t v 业务，e p o n 也可以采用和g p o n 一样的方式承载：增加一个 波长。 在安全性方面，e p o n 也使用标准的基于a e s 的加密技术，其安全性和g p o n 没有区别。 综上所述，在多业务承载、安全性等方面，目前的e p o n 产品与g p o n 标准规 范的相当，但每单位带宽成本则要 = p , g p o n 低得多，而且e p o n 的技术更成熟， 更早被市场接受，更早进入大规模商用的阶段。另外，e p o n 对于口t v ，v o i p 等i p 以太网基础上的多业务具有很好的承载性。所以，在p o n 技术中，本文选 择e p o n 作为接入核心网的途径。 1 2 宽带无线技术的分析与比较 随着无线通信快速发展，各种无线宽带接入技术层出不穷，除了w i m a x 外， 还有w i f i 、u w b 、蓝牙以及移动通信中的3 g 技术。这些技术相应的无线接入系 列标准分别是由i e e e ( 美国电气和电子工程师协会) 和e t s i ( 欧洲电信标准化协会) 制定。这两个组织是世界范围内最具影响力的标准组织之一，其无线接入系列标 准得到业界的广泛承认【7 】。 i e e e 8 0 2 1 5 , u h i p e r p a n 构成了p a n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ，个人局域网) 的无 线接入标准，个人局域网) 用于解决同一地点的终端与终端之间的连接，通常形 象描述为“最后l o 米”的通信需求，蓝牙和u w b 为其代表技术。 i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 构成了l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ，局域网) 的无线接入 标准，局域网用于解决用户群内部的信息交流和网际接入，形象描述为 最后1 0 0 米”的通信需求。由大批业内顶尖制造商参加的w i f i 联盟，其目标正是为了推广 4 第一章绪论 i e e e 8 0 2 1 1 系列标准的应用。 i e e e 8 0 2 1 6 和h i p e r a 构成t m a n ( m e t r o p o l i a na r e an e t w o r k ，城域网) 的无线 接入标准，城域网用于大都市范围内的业务点与信息汇聚点之间的信息交流和网 际接入，形象描述为”最后l 公里”的通信需求。由一些主要的通信部件及设备 制造商结成的) w i m a x 组织，其目标是促进i e e e 8 0 2 1 6 的应用【6 1 。 e e e 8 0 2 2 0 和3 g 蜂窝移动通信系统构成了w a n ( w i d ea r e an e t w o r k ，广域网) 的无线接入标准，广域网用于解决超出一个城市范围的信息交流和网际接入需 求。 下面将对其中一些技术作详细讨论及比较。 1 蓝牙和u w b 技术 蓝牙和u w b 都属于i e e e 8 0 2 1 5 技术中的一种。 蓝牙技术是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线技术。随 后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织( s i g ) 负责该技术的开发和技术协议的制定，如 今全世界已有1 8 0 0 多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为1 0 c m 1 0 m 。它使用 2 4g h zi s m 免费频段和调频、跳频技术，速率为7 0 0 k b p s ，新版本的蓝牙2 0 将 其提高到了3 m b p s 蓝牙在价格和功耗上很有竞争力，与其他技术相比其优势在于全球统一的、 开放的技术标准。但它的传输速率较低，目前还只限于传送数据和语音，不能实 时传送视频。 超宽带技术( u w b ：u l t r a - w i d e b a n d ) 是一种采用极宽频带( 几百m h z 几个 g h z ) 的无线电技术。与传统通信技术不同的是，u w b 是一种无载波通信技术， 即它不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此它 的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。据资料表明，u w b 信 号的有效传输距离在1 0 m 以内，传输速率可达5 0 0 m b i t s ，是实现个人通信和无线 局域网的一种理想的调制技术。而且u w b 系统功耗低，它使用间歇的脉冲来发 送数据，脉冲持续时间很短( 约为0 2 0 n s 1 5 n s ) ，有很低的占空因数，系统耗电 可以很低，不过一旦传输距离超过1 0 m ，u w b 的性能就会快速下降。 与蓝牙技术相比，技术参数上u w b 的优势是比较明显的。尽管两者的有效距 离差不多，功耗也差不多，但u w b 的速度却快得多。从目前的情况来看，蓝牙 唯一e l u w b 优越的地方就是蓝牙的技术己经比较成熟，但是随着u w b 的高速发 展，这种优势将会逐渐消失。 2 w i f i 技术 i e e e 8 0 2 1 1 标准在1 9 9 7 年由i e e e 8 0 2 1 1 工作组提出，该标准提供了三个物理 层规范，包括2 4 g h zi s m 免费频段中的红外线、1 2m b p s i i 6 频技术( f r e q u e n c y 第一章绪论 h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 和l 2m b p s 直接序列扩频技术( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) ，主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与用户终 端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达至u 2 m b p s 。由于它在速 率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 于1 9 9 9 年又新推出了两个 版本的无线网络标准，i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e 8 0 2 1 1 b 。除原i e e e 8 0 2 1 l 的内容之外， 增加了基于s n m p 协议的管理信息库( m i b ) 以取代原o s i 协议的管理信息库，同时 也扩展了网络的传输速度。 i e e e 8 0 2 1 1 b 使用开放的2 4 g h z 频率，采用直接序列扩频和补偿编码键控 ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，c c k ) 的调制方式，室内传输距离可以支持1 0 0 m ， 传输速率可以达到l1 m b p s ，可以兼容8 0 2 1i i e e e s 0 2 1 l a 工作频段为5 g h z 频段， 物理层也采用o f d m 技术，大大提升无线局域网的速率和整体信号质量，传输速 率可达5 4 m b p s 。由于8 0 2 1 l a 技术具有数据传输速率高，抗干扰能力强的优点， 能满足高密度数据传输用户的需要。 由于i e e e 8 0 2 1 1 卿i e e e 8 0 2 1 1 b 标准之间互不兼容，为了解决这个问题，i e e e 又于2 0 0 1 年1 1 月发布了i e e e 8 0 2 1lg 协议，工作频段为2 4 g h z ，规定的调制方法 有两种，包括8 0 2 1 1 a 中采用的o f d m 与8 0 2 1 l b 中采用的c c k 。通过规定两种调 制方式，既达到了用2 4 g h z 频段实现i e e e 8 0 2 1 1 a 水平的数据传输速度，也确保 了和i e e e8 0 2 1 l b 产品的兼容，工作距离为8 0 1 0 0 米( 室内) ，所以现在市场上的 无线网卡大多数为支持i e e e s 0 2 1 l g 引。 3 3 g 技术 目前所使用的第二代移动通讯系统，主要是以语音通讯为主，只能通过g p r s 服务进行窄带的网络联接，无法满足大量数据传输( 如视频) 的要求。为了满足更 多更高速率的业务以及更高频谱效率的要求，同时减少目前存在的各大网络之间 的不兼容性，一个世界性的标准未来公用陆地移动电话系统f p l s s s ( f u t u r e p u b l i cl a n dm o b i l et e l e p h o n es y s t e m ) 应运而生，19 9 6 年，国际电信联盟( i t u ) 将 该标准更名为i s s2 0 0 0fi n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 一2 0 0 0 ) 。i s s 2 0 0 0 支持的网络被称为第三代移动通信系统，简称3 g 。3 g 的主要目标是要将包括卫 星在内的所有网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统，并且实现宽带业 务，完成全球无缝覆盖。它根据特定的环境提供从1 4 4 k b i f f s 至u 2 m b i f f s 的个人通信 业务，支持全球无缝漫游和提供宽带多媒体业务。 第三代移动通信系统的主要特征为：高灵活性及频谱的高效利用：通信速率 应达至0 2 m b i f f s ，甚至更高无缝隙全球覆盖及全球漫游；综合的系统( 蜂窝移动通 信、无绳电话等综合在单一的用户设备中) 网络管理职能化；宽带和多媒体服务； 综合卫星链路：分层小区结构和多种通信环境。 6 第一章绪论 第三代移动通信技术的主要标准有w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 等， 都已经投入或即将投入实用。三个标准都各自有自己的支持者，w c d m a 可以较 方便的从g s m 网络过渡而来，所以欧洲和亚洲一些原来使用g s m 网络国家都已 经上马w c d m a 。c d m a 2 0 0 0 是由原有的c d m a 升级而来，因此韩国已经部署了 采用该标准的3 g 网络。t d s c d m a 是我国唯一拥有独立知识产权的3 g 标准，因 此受到我国政府的大力支持。 虽然3 g 在传输速率上有很大的提高，但是3 g 依然是以语音通讯为主，其最 高数据传输窄只有2 m b p s ，无法满足用户更高带宽的要求。而且当初u 制订 i s s 2 0 0 0 标准的时候，希望是一个能够提供高速数据接入的全球统一的标准。但 是由于自身利益的驱动，各方争执不下，最后折中成了w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ， t d s w d m a 系列的3 大标准，立即产生了相互之间的漫游的问题。此外，用户在 使用中的速率要求也没有得到很好的满足。此外，手机问题与原有网络的兼容问 题等等，都增加了人们对3 g 的不澍1 6 】。 4 w i m a x 与其它几种无线宽带技术的比较 ( 1 ) w i m a x 与3 g 的比较 对比w i m a x 和3 g 技术，本文可以总结出以下几点： 从标准化程度上看，w i m a x 仅定义了空中接口的物理层和m a c 层。在m a c 层之上采用的协议以及核心网部分不在w i m a x 所包含的范围之内。3 g 技术作为 一个完整的网络，空中接口规范、核心网系列规范以及业务规范等都已经完成了 标准化工作。 一 从业务能力上看，w i m a x 定位于城域网，而3 g 定位在广域网。w i m a x 提供 的主要是具有一定移动特性的宽带数据业务，面向的用户主要是笔记本终端持有 者。w i m a x 技术的开发者旨在突出其在高速率数据传输上的优势，因此它的设 计可以有力地支撑不同类型的业务，包括v o i p 业务，已具有某些4 g 技术的特点。 3 g 从设计最初就是为话音业务和数据业务共同设计的，首先保证提供大容量高 质量话音业务的需求，在此基础上提供分组数据业务。某种程度上8 0 2 1 6 牺牲了 移动性换取了数据传输能力的提高，它的数据带宽优于3 g 系统。w i m a x 传输速 率可达至l j 3 g 的1 0 倍甚至更高，当然这不是3 g 标准的以广域网( wa n ) 为基本模 式、以公众语音及多媒体数据为内容、在全球范围内漫游的个人手机终端的基本 市场定位，本质上w i m a x 是作为3 g 及3 g 演进的一种无线城域网、多点基站互联 的重要支持手段，两者潜在的市场亦有比较大的差异。 从覆盖范围上看，w i m a x 为了获得较高的数据接入带宽，必然要牺牲覆盖 和移动性，因此8 0 2 1 6 在相当长的时间内将主要解决热点覆盖，网络可以提供部 分的移动性，主要应用会集中在游牧或低速移动状态下的数据接入。3 g 则是无 7 第一章绪论 处不在的网络，覆盖是连续的，用户可以实现不问断的通信。 从以上各个角度的分析可以看出，w i m a x 在数据能力上要优于3 g ，而在语 音业务或者有高速移动性或严格q o s 要求的业务上，3 g 将具有明显优势。 从标准化、全球统一频谱、技术特性等多角度考虑，w i m a x 距离真正商用 还有很多工作要做，而且在相当长的时间内承担的主要角色是解决热点覆盖，成 为“最后一公里宽带接入的无线接入解决方案【l0 1 。 ( 2 ) w i m a x 与w i f i 的比较 w i m a x 与w i f i 最大的区别是覆盖范围不同。w i m a x 基站的工作范围为6 l o 公里，而w i f i 的工作范围为5 0 米1 0 0 米，w i m a x 的覆盖范围更广。 w i f i 在m a c 层采用的是c s m a c a ( 载波监听多路访问冲突避免) 协议，比较 适合突发性较大的业务如数据业务，可以提供较短的响应时间，但也使得w i f i 不能象w i m a x 那样具备带宽动态分配的能力，而且如果一个w l a n 内有一个传 输速率较慢的客户端，会使整个局域网的传输效率明显下降。 从系统容量上看，w i m a x 也有显著的优势，一个w i m a x 基站可以同时接入 数百个用户站。同时，w i m a x 可为同一用户站提供多个业务流的传输能力。 ( 3 ) 总结 表1 1 各种无线宽带技术参数比较 从表1 1 和图1 1 可以看出【】，以上无线宽带技术虽然特点各异，但各自都有 各自适合的应用场景。蓝牙和u w b 功耗低，传输速度快，但是作用距离小，成 本高，兼容性差。而w i m a x 与w i f i ，3 g 的确具有很多重叠的功能，具有和w i f i ， 3 g 竞争的关系，但他们可能更多是一个互补关系。这是因为w i f i ，w i m a x ， 3 g 分别针对的是无线局域网、城域网、广域网，具有不同的市场定位。未来 w i m a x 与其他无线网络技术很有可能是共存于市场，就如同今天移动通信的 g s m 和c d m a $ 1 式共存一样一j 。 第一章绪论 l a nm a nw a n覆盖 图1 1 无线宽带技术的比较 1 4 论文研究的内容及安排 在未来的有线宽带接入系统中，以太无源光网络( e p o n ) 作为多业务宽带接入 方式具有优异的特性，目前e p o n 能提供各种网络侧接口和用户侧接口，特别是 对m 数据的支持。与其它几种无线接入技术相比，w i m a x 在无线数据传输中的 优势突出。w i m a x 定位于宽带数据业务，主要采用基于口的协议。考虑将e p o n 和w i m a x 这两种不同的宽带接入融合，主要是由于： ( 1 ) 用户需求的变化使固定宽带接入网络和无线宽带接入网络在技术和业务 上呈现融合的趋势。一方面传统宽带固定接入用户越来越希望在拓扑灵活多变的 环境下可移动、可“游牧”地受用宽带业务；另一方面，传统的移动用户也不满 足于简单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。而 e p o n 和w i m a x 融合网络能够为用户提供理想的宽带接入服务。 ( 2 ) 利用e p o n 作为w i m a x 的核心接入在系统开销方面和业务q o s 保证具有 更多优势和更好的发展应用前景。通常w i m a x 无线网络需要用高速的光纤将分 散的基站连接至中心站。而在e p o n 和w i m a x 融合网路中，e p o n 可以在保障固 定宽带接入服务的同时为w i m a x 提供核心接入。相比于昂贵的光纤直接接入方 9 第一章绪论 式，融合网路不仅能降低系统复杂性和设备开销，而且能为业务提供端到端的 q o s 保证，提高系统的可扩展性和生存性。 e p o n 和w i m a x 的融合网络可以充分将光纤通信的超高带宽和无线网络的 可移动性结合起来，降低设备成本，给用户提供理想的宽带接入服务。然而目前 针对e p o n 和w i m a x 融合网络的研究还处于起步阶段。本文将就此展开研究， 论文的结构安排如下： 第一章绪论首先简要介绍宽带接入技术发展现状，发展意义以及目前发展过 程中存在哪些问题。将目前有线和无线主流的宽带接入技术作了简要的介绍和对 比，主要介绍了e p o n 和w i m a x 的技术优势，引出本文研究课题的研究的必要 性。 第二章简要介绍e p o n 技术，为下章课题研究的展开做背景知识的铺垫。本 章首先详细说明e p o n 的网络架构、工作原理、关键技术，q o s 机制等，为何选 取e p o n 作为媒介。 第三章简要介绍w i m a x 技术，让读者对w i m a x 有一个全面整体的认识。本 章将从w i m a x 的网络架构，物理层原理，m a c 层组成及其q o s 机制等方面来介 绍w i m a x 技术的主要工作原理。 第四章为本文的关键，具体阐述e p o n 和w i m a x 融合网络的理论基础，网络 结构，结构功能模块，主要工作原理和q o s 机制。在本章中我们在目前i p 网络q o s 机制的基础上，研究- ti n t s e r v o v e r d i f f s e r v 的q o s 保障机制，并基于此机制，结 合e p o n 和w i m a x 网络特点，设计融合网络结构和q o s 机制，并在此基础上设计 了融合网络的资源调度算法i w m d r r ，以保障不同的业务流之间不同的q o s 要 求。 第五章在第四章的基础上，对融合网络模型进行仿真验证，并对仿真结果进 行分析。 在本文的最后，对e p o n 和w i m a x 融合宽带接入网技术作出总结及展望。 l o 第二章e p o n 系统简介 2 1e p o n 技术简介 第二章e p o n 系统简介 由于d 技术在骨干