（电磁场与微波技术专业论文）千兆比无源光网络（gpon）媒质接入控制协议研究与设计.pdf

摘要 目前多种宽带接入技术可供选择，从x d s l 到h f c 等。但是从长远来讲， 它们只是过渡性的方案。在有线接入领域，由于光纤的带宽优势，无源光网络 ( p o n ) 技术有着良好的市场前景。无源光网络经历了从a p o n 、e p o n 到g p o n 的发展历程。基于p o n 网络承载多业务时，千兆比无源光网络( g p o n ) 可以 实现高比特率和高效率，其帧结构从6 2 2 m b s 到2 5 g b s 是可扩展的。g p o n 除了对任何业务有较高的带宽利用率，可以将任何业务进行标准的i t u t 通用 成帧协议( g f p ) 封装到同步传送协议，还可以支持非对称传送。 本文的工作集中于千兆比无源光网络系统媒质接入控制( g m a c ) 协议的研 究和设计、协议性能分析以及其他与m a c 协议相关内容的研究。 作为媒质共享的树型网络，g p o n 需要媒质接入控制( m a c ) 协议协调各 终端对上行信道的访问，避免冲突。m a c 协议在整个通信系统中扮演着重要的 角色，对系统的性能有着深刻的影响，在g p o n 系统中居于核心地位。1 1 r u t 建议g 9 8 4 1 、g 9 8 4 和g g p o n g t c 使g p o n 的发展走上了标准化之路，但它 们未对m a c 协议作出明确规定，并指明尚需要进一步研究，因此本文的工作具 有现实意义。 与其他媒质共享网络相比，p o n 的树型结构具有特殊性，这对m a c 协议提 出了特殊要求。随机接入控制方法虽然具有简单和易于扩展的特点，但是无法满 足电信级的时延和吞吐量要求，因而不适合p o n 系统。中央控制基于预约的带 宽分配算法是p o n 的首选，它具有电好的时延和吞吐量特性。 本文根据i t u 建议，为g p o n 系统提出了两种符合建议要求的m a c 协议： 基于优先级的m a c 协议和考虑公平性的m a c 协议。计算机仿真是研究通信系 统性能的重要手段，本文对提出的这两种协议作了分析和研究，分析结果表明了 协议的有效性。 关键词：接入网、光接入、无源光网络、媒质接八控制协议、动态带宽分配、计 算机仿真、通用成帧协议。 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，s e v e r a la l t e r n a t i v e sa r ec o n s i d e r e df o rt h ep r o v i s i o no fb r o a d b a n d s e r v i c e s 纽t h el o c a ll o o p ，f r o mx ) s l 把 疆c h o w e v e r , t h e ya r ea l le x p e d i e n c i e s ，t o s o m ed e g r e e ，f r o mal o n g - t e r mv i e w p o i n t h 1t h ef i e l do fw i r e ds o l u t i o n s ，p a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k s ( p o lol o o kv e r yp r o m i s i n gd u et ot h e i rb a n d w i d t hc a p a c i t y p o n h a se x p e r i e n c e dt h r e em o d e s ，n a m e l ya p o n ，e p o na n dg p o n 。g p o nc a r r i e sa t w o f o l dp r o m i s eo f b o t hh i g h e rb i tr a t e sa n d h i g h e re f f i c i e n c yw h e nc a r r y i n gm u l t i p l e s e r v i c e so v e rt h ep o n ，i to f f e r sas c a l a b l ef l a m i n gs t r u c t u r ef r o m6 2 2 m b st o 2 5 g b ，s ， a sw e l la ss u p p o r tf o ra s y m m e t r i cb i tr a t e s ，e x c e p t i o n a l l yh i g hb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n f o ra n yt y p eo fs e r v i c ea n ds t a n d a r di t u tg e n e r i cf r a m i n gp r o t o c o lr g f p ) e n c a p s u l a t i o no fa n yt y p eo fs e r v i c e ( b o t ht d ma n dp a c k e t ) o n t oas y n c h r o n o u s t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 t 蝴a t i o nf o c u s e so ns t u d ya n dd e s i g no fm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lf o rg i g a b i t - c a p a b l ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s ，p r o t o c o ip e r f o m m n c ee v a l u a t i o n ，a n d o t h e ra s p e c t sc l o s e l yc o r r e l a t e dt om a cp r o t o c 0 1 a sm e d i a s h a r e dn e t w o r k a p o nn e e d ss o m ef o r mo fm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lt oa r b i t r a t et h eu p s t r e a mc h a n n e la m o n gt e r m i n a t i o n s ，a n da v o i d c o l l i s i o n s t h em a cp r o t o c o lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew h o l ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ，a n da f f e c t sp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mg r e a ts i g n i f i c a t l c e s oi t 、st h ek e r n e li n t h eg p o n a c c e s ss y s t e m 凝u tg 9 8 4 。l ，g ，9 8 4 2 ，a n dg 。g p o n 。g t c r e c o m m e n d a t i o na c c e l e r a t e st h ep r o c e s so fs t a n d a r d i z a t i o no fg p o n ，b u tt h e yd on o t d e t e r m i n em a cp r o t o c o la n dd e c l a r e st h a ti tn e e d sf u r t h e rs t u d i e s i t ss t i l la no p e n p r o b l e m ，s oo u rw o r kh a sp r a c t i c a lm e a n i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rm e d i a - s h a r e dn e t w o r k ，p o n st r e e l i k et o p o l o g yh a si t s o w nc h a r a c t e r i s t i c st h a ti m p o s ep a r t i c u l a rr e q u i r e m e n t so nm a cp r o t o c 0 1 t h e m e t h o do fr a n d o ma c c e s si sr a t h e rs i m p l ea n de a s yt oe x p a n d ，b u ti tc a n n o ts a r i s f yt h e r i g o r o u sd e l a ya n dt h r o u g h p u tr e q u i r e m e n t so ft e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s oi t i s n o ta v a i l a b l ef o rp o n c e n t r a l l yc o n t r o l l e dr e s e r v a t i o n b a s e db 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 mi st h ef i r s tc h o i c ef o rp o n ，b e c a u s ei te n s u r e sb e t t e rd e l a ya n dt h r o u g h p u t w eb n n gf o r w a r dt w om a cp r o t o c o lf o rc a p o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h ei t u t r e c o m m e n d a t i o n c o m p u t e rs i m u l a t i o n i s ai m p o r t a n tt o o lt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m b a s e do nt h e mw ea n a l y z e dt h i st w o p r o t o c o l ，a n da l s oa p p r o v e dt h e ya r ee f f e c t i v eb yc o m p u t e rs i m u l a i o n sa sw e l l 独创瞧( 或创新性) 声明 本人声明所鼹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 包含其瞧久已经笈表葳撰写过蕊繇究成果，繁至不包含为获懑j 京邮电大学或其缝 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与哉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。 审请学位论文与资料若有不实之处，本人乐捏一切螺关责任。 本爻签名：溶! 蠢西期：兰竺竺! 圣! 堡 关于论文使用授权的说明 学位论文作兹完全了解j i 京邮电大学鸯关傈整程使耀学位论文鲍煅定，即： 诺究生在校攻读学位期闫沧文工作的知识产权单位属j 京郏电大学。学校有权深 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，可以允朗：采用影印、缩印或其它 复露l 萼曼段绦存、汇壤学位论文。( 绦密静学位论文杰躬整嚣遵守梵烧定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后滔用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：墨墨! 蠡雕麓：三生惫莲垒堡 导师签名：霪擎喾瞄期：塑黧竺卜 北京邮魄太学博士学位论定第一章缝论 第一章绪论 1 。1 接入网的现状及发展趋势 圈前，电信技术和以i n t e m e t 为代表的网络技术发展网新月异，新技术新产 是甭凝溪褒。毫售犍务蠢黄绞熬邀话、电投渡务两数据、藏缘、甏频、多媒嚣等 非话娥务转化。原来单纯提供融话业务的用户线已经不能满足用户对带宽的需 求，交换机到用户终端之间的“最后一公里“已成为制约电信发展的瓶颈问题。 翟茂，翅薄解决各耱鲎务戆浚邃接入数海趱成为当今最熬门戆疆究潆趱【鞠。当 今，光技术领域的发展突飞猛邋，光纤由于其本身传输频带宽，距离远，容量大， 使其得到广泛应用。各国光传输干线都己实现光化和数字化，而接入网的宽带化 迸震袋瀵惹褥多。突其豢因，戮为毫簧网络黪磐于部分剩耀搴葛，繁凳挺蹇豹藏 本可以由众多用户分摊，而对于接入网来说，共享程度要低得多，导致用户相对 成本也较高，因此，如何以经济的手段解决备种业务的快遽接入的问题成为当今 热门麴疆究谦蘧。辍琢窀售联麓爨准讫缝缓( i t u - t ) 在1 9 9 4 、1 9 9 5 年连续发表 了g 9 6 4 ( v 5 1 ) ( 3 】、g 9 6 5 ( v 5 2 ) 4 】两个接入刚接口标准，使得接入网与交换机之间 有了接口标准，从简保证了各厂家的设备接阴统一，以实现互联互通，消除垄断， 侄逐了攘入网戆筵藤发篾。 i t u t 提出接入网的概念，并在g 9 0 2 中对接入网的缡构、功能、按入类型、 管理进行了规范例。按照i t u - t0 1 9 0 2 定义，接入网由业务节点接口( s n i ) 和用 户瓣绦簇霜( 1 0 1 n 1 ) 之窝一系鬟臻送实钵鬟镞获翥簧送戆力豹实麓系统，可经垂 霉i - i 接入圜骟器定 t m k ：电信管理瓣 a k ；接入弼 s k ：渡务节点 u n i ：罔户网络接韶 s n i ：业务节点接口 北京邮龟大学博士学位论文 第一颦绪论 管理接掰( q 3 ) 配置和管理，接入网的边界如阐1 - l 所示。它是本地局与用户设 备间的信息传送实施系统，可以部分或全部替代传统的用户本地线路，含复用、 交叉逡竣窝建羲等臻缝。覆舞l 土，接天鼹霹实联黪s n i 雾u n i 懿类墼，数基没 有限制。 用户零鼗秘霸户售令臻惠 控制和管理 毽1 - 2 接入网酶动镌结构 接入网分成五个蕊本的功能缀：用户端口功能( u p f ) 、业务端口功f 1 ( s p f ) 、 核心功能( e f ) 、传送功能( t f ) 和蓉统管理功能( s m f ) 。图1 2 是接入网功隧组结 构帮凄畿组之瘸稳稳曩连接示意图。 用户端口功能( u p f ) ：负责将特定的u n i 耍求适配到核心功能和系统管理功 能。接入网要求能支持许多不同的攘入以及需要特定功能的用户网络接娜。其主 要功戆黩括：u n i 功戆鹃终接；绩令转筷；u n i 承载运路，琢载能力的魑疆等。 业务端口功能( s p f ) ；负责将对特定s n i 规定的要求邋配到公共承裁体，以 便于在核心功能中处理，并选择襁关的信息用于接入网的系统管理功g 处理。主 要臻黯瓴括：s n i 功熊豹终接；游承载要求、实时管理和撩俸要袭浃袈戮核心功 能等。 核心功能( c f l ；位于用户端霸功能和业务端目功能之闽，受责婚单个用户端 日承载体要求窥监务端口承载体骚求适配到公蔟传送承载倦，它可分布予整个按 入网内。主要功能包括接入承载处理等。 传送功能( t f ) ；负责在接入网的不同位鬣之闻兔公我承载体的传遴提供逯 北京邮媳犬学薅士学位论文第一章绪论 道，并对所用的柏袋传输媒质邀行媒质适配。主要功能包括：复用功能；含业务 疏导和配置的交叉避接功能等。 羧入鼹系统警壤功爨( 矗烈* s m f ) ：受囊淤镳揍天嗣孛耱凌戆模块懿豢琵、操 作和管理，并协调用户终端和业务终端的操作功能。主要功能包括：配鼹和控制 功能；协调指配功能；赦障检测指示功能；采集使用信息和性能数据功能；资 源瞽矮凌麓等。 大致来说，当前宽带接入解决方案有如下几种：改造传统的电话用户线，数 字化并提高带宽，称之为数字用户线( x d x l ) 技术：改造有线电视嬲，部分光 纾纯，霞之其备驳巍簧输麓力，称之为走续灏辘毫统潺帮阏( h e ) ；藏接敷设 光纤，为用户提供商带宽的光接入，这是光接入网( o a n ) 技术；述柯一类是 无线接入，可以作为有线接入的补充。本文将在下面对这燃方案进行懿革介绍。 1 1 。1 基于键缓戆x d s l 菝久技零 x d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s ，数字用户线) 是一种旨在通过现有的普通 电话线路传输速率离达几兆比特的数据、话蒲及视频信号的技术。所有d s l 技 零均麓予瑰寿翡磐遴镶葱毫话线路，采曩嫠肇调裁技术撩褰簧埝豢竞。不霹的 d s l ( a d s l 、h d s l 和v d s l ) 适用场合也不同。其关键是传输距离、速率及 上下行数据带宽的分配。 # 对豫数字麓声缓 蠲s 毛) ：a d s l 是嚣藏使爰豢必广泛懿d s l 技零，所 谓非对称是指下行带宽大于上行带宽。a d s l 支持1 5 8 m b s 的下行投术，把全 频道分为2 5 6 个子信道，根据予信道瞬时衰减特性、群时娥特性和噪声特性，把 羧入数摇动态分酝绘它们，嗣羹誊，将不链转邀数雍懿予绩瀵关溺。对甏浚载送数 据的予信道，则按熊瞬时特性，夜1 个码元甑络载送l l l b r 信息，并使用数字 信号处理器在必要时间调整参数。这种动态分配数据的技术使频带利用率大大提 裹，褥误璃器噪声躐至最，j 、，援蠢了系统蕊簸容量。a d s l 被广泛嚣予i n t e r a c t 接入，远端l a n 接入和视频点播( v o d ) 镣业务。 黼比特攀数字用户线；h d s l ) ：h d s l 熙d s l 中最为成熟的技术，h d s l 采蒡l2 至3 对双绞线，其鸯葙嗣沟上下雩亍带宽，当采窝2 辩双绞线露h d s l 其有 t 1 速率( 1 5 4 4 m b s ) ，当采用3 对双绞线时具有e 1 速率( 2 0 4 8 m b s ) 。电信公 司通常采用h d s l 作为t 1 e 1 的替代连接方式。尽管h d s l 的有效传输距离只 有4 s 公里，僵电绩公司可磷遴过安装信号转发器来扩袋它豁传输鼯麓。h d s l 北京邮恕大学博士学位论文第一掌培论 有若干编码，一如基带编码方式、正交幅度调制、无载波调幅调相等 6 j 。 此外还有非对称的甚高数攥速率数字用户线( v d s l ) 、单线路数字用户线 ( s d s l ) 等x d s l 援寒。x d s l 繇蔗逶过一对m o d e m 聚实蕊，一个m o d e m 放在胤信局，另个放在用户端。以上d s l 技术都不占用双绞线的全部带宽， 还为谗音通道留省空间【6 l 。 1 。1 。2 无线接入瓣 獗线接入技术大体可以分为移动式接入和固定式接入两大类【刀 8 j 。 移动式接入：移动式接入揩用户端可以在较大范围内穆动的接入技术，包括 集群黪蜂窝嚣耱。繁群簇天是专鬻调度指挥涎绫奄通焦系统，理基发麓为多信遭 自动拨号系统，可与市话相连。集群系统各激站之间可用微波电路，光缆或电缆 连接，已形成统调度指挥能力。蜂窝接入擞瑟包括采用f d m a 的模拟蜂窝技 术，霜t d m a 、c d m a 盼数字蜂窝技零，黎徽蜂窝技零等三类。 嘲窟毒携拳j 锤w & ) ：f w a 能把有线方式传输的信息用无线方式传输到固定 用户端或相反传输的通信系统，即本地无线环路( w l l ) 技术。与有线本地环 爨耩魄，它兵有建浚速度浃，方便灵活，造徐低纛等饶熹，嚣两残为鲞旃无线接 入发展的重点。由于f w a 用户摄固定的，落的用户端的功率控制问题比移动接 入倚举的多。此外，f w a 不移农小区切换阍题，所以接入鼹难少，优点多，具 有广鬻豹翦录 9 1 。 1 i 3 光纤同轴溉和网( h l 懈) h f c 改造原露的c a t v 同辘电缆嬲络，使之部分光终他著具备救囱健输能 力，程中心点到光魄转换节熹之阍采蘑有滚党纾接入，蔼光电转换节煮到竭户角 同轴电缆接入。这样可使光纤接近用户，减少同轴电缆的缀连放大器，提高系统 可靠饿。h f c 同时列用同轴电缆的繁宽0 0 h z ) ，作为宽带渡务敢接入平螽。h f c 采用溅交幅度调制、残蟹边带诵铺以及正交确移键控等控术，可以在较窜的频带 传送较多的数字视频节目。上行通道占据的频段较窄( 5 4 0 m h z ) ，主鼹用于传 输低滚用户控制倍感、交互式低速数据业务靼电话韭务，这已能满足鼹户业务量 豹簧浓。下行通道所占的频段较宽( 4 5 7 5 0 m h z ) ，它又分为两段，4 5 4 4 0 m h z 段用于传输模拟c a t v 业务，每路电视占8 m h z 带宽。5 5 0 7 5 0 m h z 用于传输高 速数撼，鲑v o d 镣她务，最糍速率可达1 0 m b s 。h f c 霹提供c a t v 、v o d 、 4 j b 京邮电大学博士学缘论文第一章绪论 交互戏数据业务和电话业务。h f c 建立在模拟频分复用旗础上，从技术发展趋 势看，会对未来网络发展产生不利的影响，t - i f c 是在c a t v 上构思发服起来的， 要憋霞传浚惫售照务由原来爨攀泡网络转瀚双蠢弱络，瓣辩傻翅络奁羧嚣熬哥靠 性、抗腐蚀性等方面真正达到电信网的要求，具有一定的难度【1 0 1 。 1 1 4 光接入嘲 x d s l 释h f c 技本分裂麓传统电售翻粒毒线毫褪潮豹嗣户装入舔分迸嚣改 造，从近期看，具有一定的性价比优势，但从长远来看，它们只是过渡性的解决 方案。虽然无线接入也有一定的优势，但限予带宽，只能作为有线接入的有益补 竟。瘦子宠纾鹣鬻宽爨势，羹绥凄入方式盛然藏为宽簧犊入露静最终解决方案。 本文摘录了些数据，以说明目前全球遮营市场的邋一发展的必然趋势：日 本总努省于20 03 每9 月4 日公稚，2 0 0 3 年7 月份的f 订h 单月用户增加数为7 3 0 3 9 万，与上一令月终灞麴了1 3 0 8 2 7 5 ，累诗达麓5 3 1 3 3 2 万。莛x d s l 戆攀胃嚣逶数 在2 0 0 3 年4 , 9 份达n 7 0 8 0 3 8 万，高峰以后歼始趋于减少。2 0 0 3 年7 月份开通数为 5 1 1 5 8 5 万，与上一个胃相比减少了1 2 3 3 万( 2 l 】。 巍予光纤懿麓带宽蒋淫，毙纤接入技术豹磷究一壹褥弱重褫。戳激纤转输戮 的地瑷位置划分，有光纤到户( f t l h ) ，光纤到路边( f t t c ) ，光纤到大楼( f t t b ) 等。f t t h 是一种众光网络结梅，用户与节点闻实现完全光缆传输，它是接入鼹 熬最终解凑方案。f t t 毛翡帮浇，转输质鲎鞫运行维护酃卡分理想。濑予整个嗣 户接入网完全透明，因而对传输制式、比特率、波长和传输技术都没严格限制， 适合予各种交互宽带业务。f v f c 用光纤代替主干铜缆和恳部本地铜缀，将光网 络擎嚣( o n u ) 浚麓在路逮，然居逶遘双绞线或毫缆接入焉户。f t t c 适合予疆 住密废较高的住宅区。f t t b 用光纤将o n u 接到大楼内，再用电缆嫩伸到各用 户。f t t b 适用予必一些智能化办公大楼提供离速数据，魄子商务和筏频会议等 监务。将f t t b 与弱前已在诲多办公大楼傻蠲豹瑷5 类线为基础酶大横综合布线 系统结合起来，能够较好地提供多媒体交飘式宽带业务。f t t c f t t b 成本比 f t t h 低，可提供较宽的对称带宽，省掉大部分镀缆f i l j 。 扶系统配置上，光接入两珂分为无源光溯络( p o n ) 和有源光躐络( a o n ) ( 参考配置参见图l - 3 ) 。无源光网络由于在o l t 和o n u s 之间没有任何有源电 子设备，对于各静妲务呈透我状态，易于舞级扩蜜，霞予维护管理。l 羊u 矗校据 北京邮电大学博士学位论文 第一章鳍论 技术撼动和市场导向的方针，分别制订了g 9 8 2 “支持i s d n 基群速率戏等效速 率的光接入网”、g 9 8 3 1 “基于凭源光网络的宽带光接入系统”以及g 9 8 4 1 “千 整篦光源光溺终( g p o n ) 一j l 殳攘述”等一畚列建议。 有源光网络中，用有源设备和网络系统( 如s d h 环黼) 的o d t 代替无源光 网络中的o d n ，传输距离和容鬣得以增加，舄于扩展带宽，网络规划和运行的 灵淫瞧较大。不是之楚是有源设螯霈要爨房、 筵亳、缝护等，灌宓羹了安装残本纛 运营成本。 用户侧 t s rr s 接入链路 o l t o l t s n i 一照势节点 v l功能 一致翥嚣点 网络侧 图1 - 3 光接入网参考配置 o d n ：光分配| 霹o l t ：光线路终端o n u ：竞鼹络尊兄o d t ：毙远程终端 a f ：适配动能u n i ：用户搠络接口s n i ：业务节点辖口s n ：敝务节最 s ：光发送参考点r ：光接收参考点v ：局业务节点间的参考点 彳：鸯爆户发送参考点a ：a f 与o n u 瓣秘参考点 觅源光网络( p 0 n ) 系统由予其低的接入成本，受到徽雾电信主管部门和运 营零门盼重撬。无源光踺终发袋要褒在，主装鸯三静按零，分裂蔻a t m - p o n 、 e p o n 和g p o n ，本文下面对遮三种无源光网络技术进行简单说明。 6 沁一一洲一 一洲一。一删 。罡一 北京邮电大学博士学位论文繁一章绪论 1 2 以a t m 为基础的无源光网络m - p o n ) f 1 羽1 1 3 j 麓源竞弱络楚不舍有源电子设备帮蠢电器件豹竞阏络，它宙竞纤、毙纤连接 器、光分路器、无源光衰减器、光接头等无源光器件构成。p o n 按其拓扑结构 可分为总线形、环形、星形和树型。本文论述的p o n 均怒樾型无源光网络。与 有添光溺络稿魄，溅缘光霹络舆肖许多优越靛；无须供电；抗电磁于貔；由于无 源器件的稳定性好，p o n 具有很高的可靠性，几乎无须维护，因而降低了运营 成本。豁于上述优点，无源光接入成为研究热点，各大公谶竟握开发光源光接入 产品，黉内外都蠢产品箍出【l s j 。 a t m 是实现宽带综合业务数字网( b i s d n ) 核心技术，它是以分缀传递模 式为豢磁，并融合了电路传递横式蓬速亿的优点发展恧成躲。a t m 克服了电路 模式中不能适应任戆速率酶业务，难以导入拳知薪业务静缺点。它简化t 分组通 信中的协议，在交换节点上不辫对信息进行麓错控制，从而大大提高了通信处理 能力。a t m 可以纛藏是一种特殊分组传递模戏，它建立农舞步时分复蠲罄础上， 著且馁角霜定长度的信元。a t m 交换是以信元为单位的存储交换方式，它依靠 信元橼记( 信头) 来识别通道，敞又称为标记复用或统计艇用。a t m 信元长度 固定，肖裂予用磴串态速地砖僚头避蠢识剐謦羹交换。a t m 是一荦孛较魏疆怒兹传 递模筑。近年来，a t m 在国内外电信两络和塌域网中得n - f 大量的应用f 1 9 】。 为了向对成本十分敏感的膳民和小型企业提供包括话甯、数据、视频等在内 簸灵瀵多样匏业务，一释技术怒怒越m 鼓本秘笼源毙网终趣缝合，使p o n 揍繁熬 信息a t m 化，构成帮一的系统。上世纪9 0 年代中期，由世界十几大运营商和电信 设备制造商发起，成立了全业务接入网络( f s a n ) 联盟，f s a n 提出了a p o n 技 术拣潦方案。这耱蓥予越戳的p o n 穗为a t m - p o n ( 或穆艚0 n ) 。 一个a t m 化的攘入网，可以通过利用a t m 的集中和统计复用，搿缀合无源 分路器对光纤和光线路终端( o l t ) 的共享作用，可为用户提供一个多媒体接入 乎垒。然嚣当今毽赛上绝大多数数据零是豁 p e t h e r n e t 方凌产生兹，蘑纛p 溅传送 数据逐需在ip 和a t m 信元及s o n e t s d h 格式之间来回转换，效率低、技术复杂、 成本离，不适合向所有用户推广鹿用。因此裔人称atm - p o n 作为一种接入技术 已经i 童时了。 北京邮电太学博士学位论文 第一章缝论 1 3 藻子以太网技术的无源光网络( e p 0 a p o n 是在1 9 9 5 车提出的，巍f 嚣a t m 被期臻在局域隧( l a n ) 、城域i 褥( m a n ) 帮主子弼占据主要熬倥。然而获群以后，蔽太弼按寒发震麓过了a t m 。现在以 太网已缀发展成为了一个广为接鼹的标准，现在金球有超 到1 4 0 0 万个以太端口， 9 5 的l a n 都是使用默太网技术。以太网技术发展很快，废用环境也从l a n 向 m a n 、梭心嗣发袋 i e e e 顺应了这种形势，于2 0 0 1 年初成立了e f m 研究缀，计划将链路层的 e t h e m e t 和物理层觞p o n 技术结合在一起，形成新一代的无源光网络黯o n 。 所谓e p o n ，就是翻薅无源竞瓣络静拓莽结稳承载多种监务的e t h e m e t 信号簧输 的一种网络形式，即p o n 光纤中传输的是长度变化的e t h e m e t 帧信号。基本原 理是农与a p o n 类似的结构和g 。9 8 3 静基础上，设法保整a p o n 蛉精华部分 物理豢p o n ，丽e t h e r n e t 代替a t m 作为数爨镳路层协议，从丽构成一个w 以提 供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体口0 1 。图前，很多研究认为， 把e t h e m e t 和p o n 技术结合起皋可以克服a t m p o n 的缀多缺点，例如缺乏撬 颏、系统复杂、价格琢贵、簧输熊力以及带宽肖鞭等等，秘掰e t h e m e t 协议的简 单性，w 以在接入网上提供低价格高效率的宽带。e p o n 可以提供比a p o n 更高 的带宽釉更全匿的服务，成本却缀低，两对e p o n 酶体系缝褥也籍合g 9 8 3 标准 的大多数要求。 e p o n 在e t h e m e t 之上提供多种业务，采用点到多点( p 2 m p ) 结构、无源 光纾传辘方式。在物理层，e p o n 傻鼹1 0 0 0 b a s e 的数太瓣p h y ，在协议躯第 二层，e p o n 采用戏熟的全双工以太网技术，数据传输采愆长度可变的分组。 e p o n 系统不需任何复杂的协议，光信号就自精确地传邀到最终用户，来自 最终鼹户弱数据也熊渡嶷中传送戴中心网络。下嚣方向，翔广撵的方淡，o l t 发出数据分组，分缎最长为1 5 1 8 字节，每个数据分组带有个帧头，啦一标识 该数据分组是发往哪个o n u s ；上行方向，通过m a c 协议来控制和优化释o n u s 与o l t 之淹突发程豹数据遂售秘实时懿t d m 遽售，e p o n 逶过在m a c 层孛实 现8 0 2 1 p 来提供与a p o n 类似黝q o s 。 目前，i p e t h e r n e t 应用占到熊个局域网通佰的9 5 以上，e p o n 由于使用上 述经漆 匿蹇效懿缝稳，簸瑟或免连接接灭鼹鬣终震户懿一耱较灸有效豹遴羡方 北豪邮电大学博士学位论文第一章绪论 法。 e p o n 系统因为采用了e t l l e m e t 技术而取得了很多技术和应用上的优羚，但 e p o n l g 鸯嚣丈欢杰，繇效率投低秘建敬支持竣太嚣之豁麓垃务。警遴爨话音 f f d m 1 k 务时，就会引起q o s n 臌。效率低是因为e p o n 使用8 b 1 0 b 编码作线路 码，篡本身就引入2 0 的带宽损失，1 2 5 g b i t s 的线路速率在处理协议本蛊之前 实嚣载只有1 g b i f f s t 。勇癸，譬瑰e 糟蘸还臻慧亳售级熬嚣终薤褪_ 移建务麓理。 i 。4 千兆比无源光网络( g p o n ) 1 1 4 1 1 1 5 l f l 6 l 2 0 0 1 年，f s a n 意识到a p o n 市场前景不容乐观，以及新业务的不断出现， 匿此麓不多在e f m 提出e p o n 概念的冠孵，也开始进行1 g b i f f s 以上豹p o n 标准豹研究。除了需要支持更离的比特速率井，f s a n 撼爨“对全部协议开放墟 进行究全彻底地羲新考虑”的正确决定，努力寻求一种最健的、支持垒业务的、 效率娥赢的解决方窳。 针对f s a n 稳疆的解决方案，大多数先邀国家运营商的代表，提出一整套“吉 比特业务需求”( g s r ) 文档，作为提交i t u t 的标准之：反过来又成为提议 和开发g p o n 勰块方案的基戳。这从一定黪崽义土说骧g p o n 是一耱按照游费 者的凇确需求设计、由运营商驱动的值得焉户信任约群决方案。2 0 0 2 年9 月 f s a n 提出了一种具有前所未脊的高比特速率( 最高2 4 0 b s ) 、能以原有格式( 可 跌说怒透传) 积极薅皎效率( 9 0 殴上) 传邀多秘业务( t d m 和数援) 的是接 入网g p o n 解决方慕。 从g p o n 提出的背景，我们可以看出，g p o n ( 千兆比p o n ) 提供1 2 4 4 g b s 纛2 4 8 8 g b s 的下孬速率秘敷蠢标准夔上嚣速率，瑟量支持苦秘接入驻务， o a m & p ( o p e r a t i o n 、a d m i n i s t r a t i o n 、p r o v i s i o n i n g ) 功能以及可升级能力，特别 是非常有效地支持原有格式的数据分组和t d m 流，是光按入网络一种全新的最 优纯觳奏效筑解决方赛。 g p o n 的主骚技术特点怒采用全新的传输汇聚层协议“通用成帧协议” ( g f p ：g e n e r i cf r a m i n gp r o t o c 0 1 ) ，实现多种业务码流的通用成帧规程封装， g f p 藤爰逮鼷残枣霆艇疆免毫鬃援户售号选务浚稻簧絷翳缀箍侯一鼹邋援懿逶嚣 9 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 机制；另方面又保持了g 9 8 3 中与p o n 协议没有直接必系的许多功自特性， 如o a m & p 管理、d b a 等。 g p o n 瞧是瓷蔫众多群凌搂入瘸终糕联瓣效零孛蹬一霹在单一渡长下疆貘 2 5 0 b s 的带宽，同时可传送多个波长在一祭光纤上。g p o n 可在接入网络上提 供1 0 m b s 、1 0 0 m b s 及1 g b s 的服务，并支持对称和非对称的线路速肇选择，包 括对称6 2 2 m b s 、对穆1 2 5 g b s 、2 。5 g b l s 下行移i 2 5 g 瓣上行等。扶麓户靛立 场来赣，对于接入朦来说，o p o n 具有前所米有的高比特率、高带宽；而其非对 称特性更能适应采浓的f t t h 宽带市场。 g p o n 豹孩一惑蒺磊塞是g f p ，采焉g f p 遗蔼菠蛰议，筑褥蓬霹类燮鞠 芏 莓速 率的溅务( e t h e r n e t 、t d m 、a t m 等) 进行原有格式封装后缀由p o n 传输。g p o n 具有粳盖任何可能出现的新业努的适配能力，包括数字视频、存储网络( s a n ) 、 毫予麓务等。g p o n 其有瑟岗泰寒筑、霹升级熬多遂务环壤，篷为将泉懿泣务提 供清晰的转移路线，而不需要中断和改变现有的g p o n 设备，也不需鼹以任何 方式改变其传输层。 努乡 篷褥一掇静是g p o n 系统哥提供甥瑷覆盖至少2 0 公里，优予x d s l 豹 6 公熙达3 倍之多。整个系统兼顾扩充性及提供完整的管理功能，也考虑到硬件 保护及数据的安全，具有丰富的业务管理能力。 1 5 本文的生谣工作 本文的内容主骤是围绕千熬比无源光潮络( g p o n ) 的媒质接入控制协议展 开的，无源光网络作为媒质共事的网络，m a c 协议决定了锫终端对媒质的访问， 它对系绞鲍性能蠢麓凌定性毂影嚷。 本文的主要工作包括： 1 i t u t 建议草紫g g p o n g t d m j 研究 g , g p o n 。g t c 建毒义餐确了貔溪媒蒺器秘铃羧汇聚层豹蒸本要隶，与m a c 癸议 最相差的部分是该建议明确了信息流的帧格式，开销字节的安排以及物理层维护 信元的分配。但是对于m a c 协议中最关键的带宽分配方法没有做出规定，并指 饔零簧送一步硬炎。与a p o n 不霹，g p o n 采霆籍是邋建戏梭强议( g f p ) ，箕 北京邮电大学媾士学位论文熊一章绪论 信元流的大小是任意的，所以a p o n 中m a c 协议所采用的微时隙方法在g p o n 系统中已经不再邋用【2 2 【2 3 】( 2 4 】 2 5 】，需要设计新的m a c 协议。因此本文对m a c 癸议黪变努嚣算法戆磷究吴考瑗实意义。零文缦据建议要蕊据窭了嚣襄麓态分嚣 带宽的m a c 协议，均符合建议规范。 2 m a c 协议所确定的网络性能的理论分析及其计算机仿真研究 臻元簧羧露题( c 鼹) ) 帮臻元瞳廷交纯( e d v ) 是秃源毙弼络系统豹两个重 要参数，将影响整个系统的性能。考虑到理论分析只能得出普遍问题的恣性结果， 而对予复杂的实际闯题，往往难以解决，因此计算机仿真成为研究通信网络及其 往畿游徐懿最重要手段。文孛较为系统遗磷究了窕蒂无澈巍秘络蕊终m a c 汝谈 的仿真手段，并指出仿真过程中应注意的问题，仿真由m a t l a b 编程实现。作 者提出的g p o n 系统的m a c 协议就采用了计算机仿真作为主要的研究洋评估手 段。 3 g p o n 系统基于业务优先级的m a c 协议的设计 分组网络中，曦i 于各神业务对业务质量鹩要求不尽糨圊，有的业务类型对时 延缀敏感 魏话黹) ，有静翻只对绩元丢失率敏感( 魏f t p 、e - m a i l ) ，菪将不同 类型业务不加区别的对待，就脊可能会出现个o n u 的t c p 业务分组与另一个 o n u 的实时业务分组竞争带宽的情况。这会导致q o s 的瓣化，甚至会造成信元 丢失。疆既要求g p o n 系统熬m a c 协议能为掰有o n u s 中高优先级驮捌的分组 提供优先权。 农这种思想的指导下，本文根据g g p o n g c 建议，蓠次提出了符食建议要 求静m a c 穆议一一基于业务谯先级懿m a c 务议。赖绐鞠袋蠲g g p o n g t c 建议 规范，并有所改进，采用以字节葳以5 3 字节为单位的倍元级的动态带宽分配， 基子审谚一许可过程，采用优毙分配算法，优先为所有o n u s 的高优先级业务分 配带宽。该方案豹优点是在一怠的负载条终下可以最大陵发地满足嵩优先级监务 对q o s 的要求，c t d 非常小。在负载较高时，优先分配算法亦能将c d v 控制 在迩范良之魂。该协议的计冀枫仿真结巢袭明，在总受泼必o ，8 的憷掇下，毒 优先级业务豹倍元传输对延 踅和系统的信元时延交纯谯被分别控制凝6 8 0 和 2 0 u s 内，满足建议的要求。 j e 京邮嗽大学博士学位论文第一章绪论 4 考虑公平性韵m a c 协议的设计 上面所说的基予业务优先级的带宽分配方案只有在商优先级的带宽需求完 全滚是爱才为毵俊笼级鼗务分熬带宽，惩捷强级堑务受鼗零较薹辩，窖簇遥戒低 优先级业务信元扎堆，导致系统信元时延变化性能降低。为了改善这种情况，本 文设计了考虑o n u 公平性的m a c 协议，其分配策略将自动随负载状况而调整， 繇秀不窝凌宠级数务分配不蘑蔽毽，m a c 貉滚壤摆系缓豹带宽资源、o n u s 熬 负荷嗣业务权值为o n u s 分配带宽。该方案采用w e i g h t e dr o u n dr o b i n ( w r r ) 算法，在相同负载以及高优先缀业务的授权为8 6 的情况下，计算机仿真结果表 饔，考痣公平注戆m a c 蛰议售元薅廷淫戆酶避于差予烫努优先级嚣m a c 魏议， 但有较好的时延变化特性。高优先级业务的倍元传输时延值和系统的信元时延变 化值分别为7 0 0 和1 5 u s 以内。 憨之，本论文豹嚣静是对手楚 l 无源毙掰终戆媒霞羧入控麓穆议放蒺褪蓑| 、蠡 题进行系统的研究，并尝试设计两套具有实际意义的m a c 协议，这两寮协议是 首例公开报道并符合i t u - t 建议的g p o n 系统的m a c 协议。相信本文的工作对 茬动狻莺于毙琵纛源必嚣络赘磷究、开菱及攀西箍鑫专场熬窍重要戆参考侩僮帮 现实慧义。 全文是这样缎织盼：第一章绪论部分，分析了当前宽锵接入技术的现状及发 震趋势，无源竞潮络静基本嚣i 撰鄹结褐，a p o n 、e p o n 粒g p o n 这三耱无源免 网络器自的技术特点以和发展前景；第二章中，本文介绍了g p o n 系统的结构 以及实现g p o n 鬣绕所需的关键技术；第曼激中，本文研究了m a c 协议设计的 一般涤委g | 蔓及m a c 镑议豹计雾橇仿真方法；根据建议要求鸯彳亍设诗了麓子韭务 优先级的m a c 协议和考虑公平性的m a c 协议，在文中分别给出了协议模型、 协议濂程和算法模挺以及计算机仿真结果；缀屠在第四擎，我们对全文进行了总 结，农总结全文鹣纂磴上，辩未来p o n 发麓方向帮应蔫前景进行了搽讨。 ! ! 塞墼燮堡主堂垡翌塞 燕二童堡望 参考文献： 【1 1m t g a g n a i