（物理电子学专业论文）基于tcont轮询的gpon上行动态带宽分配算法研究.pdf

1 l 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t - c o n t 轮询二g p o 孳n 缨研究 丫1 “糌剃掣掣 基于轮询的上行动态帝苋，子；= 。研究 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： 受鼋么 日期： ：型! 空! 盆! ! ! 兰 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：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 1 | 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 基于t c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 摘要 随着i n t e r n e t 的普及和宽带应用的不断发展，用户对带宽的需求不 断增加。骨干网可提供的带宽迅速增长，网络容量的压力开始转向接 入网，因此窄带接入设备逐渐成为网络性能的瓶颈。在众多宽带接入 技术中，光纤到户被普遍认为是一种理想的综合接入方案。g p o n 由 于具有高速率、高效率、全业务q o s 保证及灵活的业务接入方式等优 点，被认为是下一代光纤到户系统的关键技术，同时也是今后宽带接 入网的最佳选择之一。 g p o n 系统的下行方向采用时分复用广播方式发送数据帧，上行 方向多用户采用时分多址接入方式共享上行带宽资源。相对于静态带 宽分配算法而言，一套设计良好的动态带宽分配算法可以在保证业务 公平性的前提下保证全业务的q o s 并提高系统的带宽利用率。因此， 研究g p o n 动态带宽分配技术具有十分重要的意义。 本文首先讨论了g p o n 技术的研究背景和发展现状。然后从 g p o n 的系统结构出发，分析了g p o n 的工作原理、各部分的功能及 关键技术。其次结合g 9 8 4 标准详细研究了g p o n 传输汇聚层的协议 栈、结构及g e m 封装和t c o n t 等关键概念。最后参考e p o n 中的经 典轮询动态带宽分配算法和具有相对q o s 保证的动态带宽分配算法， 本文提出了一套基于t - c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法。 该算法按照不同t c o n t 业务的优先级顺序分配上行带宽资源。仿真 结果表明，该算法在平均时延、时延抖动等方面符合i t u t 相关标准 的要求，是一种既满足q o s 要求、又兼顾业务之间公平性的高效的 g p o n 动态带宽分配算法。 关键词：吉比特无源光网络动态带宽分配传输容器服务质量 1 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于t _ c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 r e s e a r c ho nu p s t r e a md y n a m i cb a n d w i d t h a s s i g n m e n ta l g o r i t h mb a s e do n t c o n tr o u n dr o b i ni ng p o n a bs t r a c t w i t l lt h ep o p u l a r i t yo fi n t e r n e ta n db r o a d b a n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ， u s e rd e m a n df o rb a n d w i d t hi n c r e a s e sr a p i d l y b a c k b o n en e t w o r kc a n p r o v i d ear a p i dg r o w t ho fa v a i l a b l eb a n d w i d t h n e t w o r kc a p a c i t yp r e s s u r e b e g a nt ot u r n t ot h ea c c e s sn e t w o r k t h u s ，n a r r o w b a n da c c e s sd e v i c e s b e c o m et h eb o t t l e n e c ko fn e t w o r kp e r f o r m a n c e a m o n gk i n d so fb r o a d b a n d a c c e s st e c h n i q u e s ，f i b e rt ot h eh o m ei sa c c e p e t e da sak i n do fe x c e l l e n t i n t e r g r a t e ds o l u t i o n sf o ra c c e s sn e t w o r k g p o ns u p p o r t sh i g hs p e e dr a t e ， h i g he f f i c i e n c y ，f u l l s e r v i c eq o sa n df l e x i b l es e r v i c ea c c e s sm e t h o d t h e r e f o r e ，g p o ni sr e g a r d e da st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o n f 兀hs y s t e ma n do n eo ft h eb e s tc h o i c e sf o rb r o a d b a n da c e e s sn e t w o r ki n t h ef u t u r e g p o nu s e st d mb r o a d c a s tm e c h a n i s mt os e n dd a t af r a m e si n d o w n s t r e a md i r e c t i o n 。腑i l em u l t i u s e r su s et d m am e t h o dt os h a r e u p s t r e a mb a n d w i d t hr e s o u r c e c o m p a r e dt o s t a t i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n t a l g o r i t h m ，as e to fw e l l d e s i g n e dd y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m c a ne n s u r ef u l ls e r v i c eq o sa n di n c r e a s et h es y s t e mb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n u n d e rt h ep r e m i s eo fs e r v i c ef a i m e s s t h u s ，r e s e a r c ho nd b at e c h n o l o g yi s o fg r e a ts i g n i f i c a n c e f i r s t l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sb a c k g r o u n do f g p o na n di t sd e v e l o p m e n t s t a t u s t h e n ，i ta n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fg p o n ，t h ef u n c t i o no f i t s p a r t sa n dk e yt e c h n o l o g yf r o mt h ep o i n to fg p o ns y s t e ms t r u c t u r ev i e w s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt oi t u tg 9 8 4s t a n d a r d ，t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e d s t u d yo fg p o nt r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c el a y e rp r o t o c o ls t a c k ，i t ss t r u c t u r e 一 北京邮电大学硕十研究生学位论文基于t c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 a n dk e yt e c h n i q u e ss u c ha sg e me n c a p s u l a t i o na n dt c o n t f i n a l l y r e f e r r i n gt or o u n dr o b i nd b aa l g o r i t h ma n dak i n do fr e l a t i v eq o s g u a r a n t e ed b aa l g o r i t h ma p p l i e di ne p o n ，t h ep a p e rp r e s e n t sas e to f g p o nu p s t r e a md b aa l g o r i t h mb a s e do nt c o n tr o u n dr o b i n u p s t r e a m b a n d w i d t hr e s o u r c ei sa s s i g n e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tt c o n tp r i o r i t yi n t h ea l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i sa l g o r i t h mc a nw e l l s u p p o r tp a c k e td e l a ya n dd e l a yv a r i a t i o ns p e c i f i e di n 眦t s t a n d a r d i ti sa h i g h l ye f f i c i e n tg p o nd b aa l g o r i t h mt h a tc a ns a t i s f yq o sr e q u i r e m e n ta n d g u a r a n t e em u l t i s e r v i c ef a i r n e s s k e yw o r d s ：g p o nd b at c o n tq o s j 一 ， 北京邮电人学硕士研究生学位论文 基于t o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究目的及意义2 1 2 1 三种p o n 技术分析及比较2 1 2 2g p o n 技术的优势3 1 2 3g p o n 发展现状及趋势5 1 3 论文结构安排。6 第二章g p o n 系统分析8 2 1g 】p o i n 协议的标准化8 2 2g p o n 系统结构9 2 2 1g p o n 网络结构及工作原理9 2 2 2g p o n 的层次模型及协议栈1 l 2 2 3o l t 与o n u 的连接模式1 3 2 3g p o n 功能要求1 4 2 3 1o l t 的功能要求1 4 2 3 2o n u 的功能要求l5 2 4g p o n 的关键技术1 7 2 5 本章小结1 9 第三章 g p o n 传输汇聚层研究。2 0 3 1g t c 层结构2 0 3 1 1g t c 协议栈2 0 3 1 2 控制管理平面协议栈2 2 3 1 3 用户平面协议栈2 2 3 2g t c 层关键功能2 3 3 3g e m 封装方式2 4 3 3 1g e m 帧结构2 5 3 3 2g e m 定界2 6 3 3 3g e m 分片2 6 3 3 4g e m 的位置功能2 7 3 4g p o n 传输容器t c o n t 2 8 北京邮电大学硕十研究生学位论文 基于t - c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 3 4 1 四种级别的带宽2 9 3 4 2 五种类型的t - c o n t 3 0 3 4 3 带宽与t c o n t 的对应关系3 2 3 5 本章小结3 3 第四章g p o n 上行动态带宽分配算法的设计3 4 4 1 动态带宽分配3 4 4 1 1 概述3 4 4 1 2g p o n 对d b a 的要求3 5 4 2g p o nd b a 工作原理3 5 4 2 1d b a 协议类型3 5 4 2 2d b a 信令和配置。3 7 4 2 3o l t 与o n u 的d b a 信息交互3 8 4 3g p o nd b a 算法设计原则及机制。3 8 4 3 1g p o nd b a 算法设计原则3 9 4 3 2g p o nd b a 算法设计机制3 9 4 4e p o n 经典d b a 算法4 2 4 4 1 基于轮询的d b a 算法。4 2 4 4 2 具有相对q o s 保证的d b a 算法4 3 4 5g p o nd b a 算法的详细设计。4 3 4 5 1 基于t c o n t 轮询的d b a 算法描述4 4 4 5 2 基于t c o n t 轮询的d b a 算法流程图4 7 4 5 3 基于t c o n t 轮询的d b a 算法优点4 9 4 6 本章小结4 9 第五章 g p o nd b a 算法的实现5 0 5 1 仿真系统及o p n e t 软件介绍5 0 5 2 算法实现与仿真设计5 1 5 2 1 系统模型设计5 l 5 2 2 业务源设计。5 2 5 2 3o l t 模型设计5 4 5 2 4o n u 模型设计5 5 5 2 5s i n k 模型设计5 8 5 3 算法仿真5 8 上 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 5 3 1 仿真场景5 8 5 3 2 仿真结果分析6 l 5 3 3 算法性能分析6 4 5 4 本章小结6 4 第六章总结与展望6 5 参考文献6 6 附录。6 8 嚣【谢7 l 攻读学位期间发表的学术论文目录7 2 苎室坚皇查堂堡主竺窒竺堂垡丝生一 基于代o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 二：_ = ：= ：= ： - 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着互联网的飞速发展和数据业务的急剧增长，人们对带宽的需求日 渐增长。传统的铜线接入方式，例如a d s l 、v d s l 已经很难适应高带宽业务的需 要。为适应宽带业务日益增长的趋势，用户接入网必须向宽带化、高速化、智能 化、综合化方向发展。光纤到户技术是通信业界公认的发展方向，光纤具有传输频 带宽、抗干扰能力强、容量大等优点，因此非常适合作为高速、宽带业务的传输媒 介。 在各种光接入技术中，基于一种新型的点到多点拓扑结构的无源光网络技术， 由于其具有高带宽、长距离传输、全业务接入、严格的q o s 保证等优点，使得电 信运营商对它寄予了厚望。 p o n 的概念最早是由英国电信公司的研究人员于1 9 8 7 年提出，主要是为了满 足用户对网络灵活性的要求。由于不包含任何有源器件，而且具有价格低，安装、 维护方便的优点，p o n 成为光接入网技术中的热点，发展十分迅速。电信运营商 和设备制造商开发了多种协议和技术来使p o n 解决方案能更好地满足接入网市场 要求。概括地讲，p o n 的发展经历了从a p o n 到e p o n ，再到g p o n 等几个发展 阶段【1 1 。 最早的p o n 标准是i t u - t 于1 9 9 8 年发布的g 9 8 3 ，即基于a t m 的p o n ，主 要目的是使接入网部分p o n 和核心网的a t m 化相兼容。它采用a t m 作为传输协 议，支持对称和非对称速率。但a p o n 技术复杂、成本高、速度低。在2 0 0 0 年 底，e f m a 提出了e p o n 的概念，即在p o n 上传输以太网。随着以太接入网的发 展，e p o n 最终纳入到了以太接入网i e e e8 0 2 3 a h 标准。对于以以太网承载的数据 业务，e p o n 免去了i p 数据传输的协议和格式的转换，传输速率可达1 2 5 g b w s ， 但对话音和视频等实时业务不能提供q o s 保证。因此差不多e f m a 提出e p o n 的 同时，f s a n 组织考虑到a p o n 的低效率和e p o n 的不足，于2 0 0 2 年提出了 g p o n ，并在2 0 0 3 年通过了g p o n 系列标准：i t u tg 9 8 4 1g 9 8 4 2g 9 8 4 3 ， o n t 管理控制规范g 9 8 4 4 也于2 0 0 4 年发布。2 0 0 7 年9 月和2 0 0 8 年3 月i t u t 又 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t - c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 相继提出了g 9 8 4 卜吉比特能力光纤接入网络的增强带和g 9 8 4 卜千兆比无源光 网络范围扩展，用于作为g 9 8 4 x 系列标准的补充。 p o n 技术从问世的那天起，就被认为是实现册的最佳技术。每一次p o n 标准的提出都促进了接入网技术的迅速发展。2 0 0 3 年起u t 陆续推出的g 9 8 4 x 系列规范，更是对g p o n 的发展有着非常重要的意义。人们开始对g p o n 进行大 量深入的研究，并且业界认为它将是下一代光接入网的最佳解决方案。 1 2 研究目的及意义 1 2 1 三种p o n 技术分析及比较 a t m 无源光网络，简称a p o n ，用于宽带综合业务的接入。a p o n 是数据链 路层a t m 与物理层p o n 技术相结合的技术，它利用a t m 的集中和统计复用，再 结合无源分光器对光纤和光线路终端的共享作用，使成本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 左右。a p o n 是以2 1 个全球主要电信运营商 为主的f s a n 集团于2 0 世纪9 0 年代中期开发完成的。a p o n 的双向传输复用技术 采用w d m 方式，即上行采用1 3 1 0 n m 波长进行传输，下行采用1 5 5 0 r i m 波长进行 传输。o l t 到o n u 的下行信号传输采用t d m 广播方式，各o n u 从下行信号中 接收属于自己的数据帧，下行速率可以使用1 5 5 5 2 m b w s 或6 2 2 0 8 m b i v s 。o n u 到 o l t 的上行信号传输采用t d m a 方式，各o n u 在o l t 分配的时隙中传送上行数 据帧，上行速率为1 5 5 5 2 m b i t s 。a p o n 采用a t m 信元的封装方法，将上层业务 信号，如以太网、e l t 1 等在a t m 层进行封装，然后在p o n 上传输【2 1 。它的缺点 是技术比较复杂，承载的i p 业务效率不是很高。 为了克服a p o n 系统的缺点，第一英里以太网联盟工作小组首先提出e p o n 的概念，即基于以太网的无源光网络。e p o n 与a p o n 相比，其上下行传输速率比 a p o n 高，e p o n 提供较大的带宽和较低的用户设备成本。封装方式上，e p o n 将 口分组直接成帧后在p o n 上进行传输，去除了中间的a t m 封装，从而消除了 a t m 协议与i p 协议转换的必要，实现了系统的i p 透明传输。除了帧结构与 a p o n 的不同之外，其余所用的技术与g 9 8 3 建议中的许多内容相似，其下行采用 t d m 传输方式，上行采用t d m a 传输方式。e p o n 虽然有其独特的优势，但是对 于其他协议的高层客户信号未能提供良好的封装方法也是e p o n 的明显缺点。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于t - c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 由于a p o n 成本高、速率低、系统复杂，并且在传输m 数据时需要进行协议 的转换和格式的转换，r r u t 很快推出了用于代替a p o n 的g p o n 。由于g p o n 是在a p o n 的基础上专门针对a p o n 的缺点发展起来的，所以g p o n 保留了 a p o n 的许多优点，与a p o n 有很多相同之处。它以其特有的类似于通用成帧规 程的g e m 帧和a t m 信元承载多种业务，支持全业务的接入。它可以提供从 6 2 2 0 8 m b i v s 到2 4 g b i v s 的可升级的框架结构，支持上下行不对称速率，支持多业 务，特别是本色模式和极高的效率同时支持数据和t d m ，提供明确的服务质量保 证和服务级别，具有电信级的网络监控和业务管理能力。基于这一原因，g p o n 成 为目前最为理想的宽带光接入网技术。 三种光接入网的主要性能参数【3 】可参见表1 - 1 。 表1 - 1a p o n 、e p o n 与g p o n 性能比较 a p o ne p o ng p o n 下行链路速率 1 5 5 m 2 2 1 2 4 41 2 5 0l2 4 4 2 4 8 8 ( m b w s ) 上行链路速率 1 5 5 6 2 2 1 2 5 01 5 5 6 2 2 1 2 4 4 ( m b i v s ) 线路码型 n r z8 b l o bn r z 数据链路层成帧a t m e t h e m e tg e m & a t m t d m 支持能力t d mo v e l a t mt d mo v e re t h e m e tt d mo v e ra t m t d mo v e re t h e m c t q o s 支持不支持支持 最大传输距离( k m l 2 0 2 0 6 0 分路比 3 23 2 6 46 4 1 2 8 下行数据加密方式a e s 搅动加密 未定义a e s 1 2 2g p o n 技术的优势 上一节详细介绍了a p o n 、e p o n 和g p o n 三种光网络的特点。通过对表1 - 1 的比较及g p o n 的技术标准分析，g p o n 具有以下独特的技术优势【4 】： 1 高的传输速率 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 g p o n 提供更宽的数据速率范围。下行高达2 4 8 8 g b i t s 的速率和上行 1 2 4 4 g b i v s 的速率足以满足未来宽带网络的发展需要。 2 灵活的蚧行速率配置 g p o n 支持的速率配置有七种方式。对于f t l h 、f f t c 应用，可采用非对称 配置；对于兀t b 应用，可采用对称配置。由于高速光突发发射、突发接收器件的 价格昂贵，且随速率上升显著增加，因此这种灵活的配置可使运营商有效地控制光 接入网的建设成本。 3 系统容量扩大，网络覆盖范围扩大 相对于a p o n 和e p o n ，g p o n 规定的每个o l t 最大可连接的o n u 的数量大 幅提高，最高可支持1 2 8 个o n u 。o n u 间差分距离最远可达2 0 k m ，逻辑距离覆 盖可达6 0 k m 。g p o n 的这一特性可以满足绝大多数情况下的接入需求，运营商可 以根据实际应用灵活地组织网络拓扑结构。 4 高效的m 业务承载能力 g p o n 的传输汇聚层传输协议有两种，即g e m 或者a t m 。a t m 模式下 g p o nt c 层的p d u 就是a t m 信元。i t u - t 在g p o n 的标准中引入a t m 模式主 要是考虑g p o n 应该与早期的a t m 设备互通，这样就可以使用a t m 信元不用经 过转换而直接在g p o n 上传输，省去了原始数据的封装和解封步骤。而g e m 模式 是g p o n 最大的特点，它允许在必要情况下对原始数据帧直接进行分段重组，并 在m a c 层上采用可变长封装的方式进行打包传输，其间引入的带宽开销远远小于 a t m 模式。具体的说，g e m 帧中的荷载长度范围为0 - 4 0 9 5 字节，解决了a p o n 中a t m 过高的信元所带来的承载i p 业务效率低的弊病；而以太网m a c 帧中的荷 载长度范围仅为4 6 - 1 5 0 0 字节，因此g p o n 对于i p 业务的承载能力是相当强的。 5 支持不同业务的q o s g p o n 继承了a p o n 对带宽进行分类管理的策略，能够传输对q o s 要求不同 的多种业务。而e p o n 由于本身源于以太网技术，这就先天决定了e p o n 对q o s 的支持相对较弱。尽管后来有种种补充协议希望弥补e p o n 在这方面的不足，单 就q o s 支持方面，e p o n 可提供的选择远不如g p o n 的丰富。同时，以太网承载 t d m 业务的技术并不成熟，为了能够承载t d m 业务必须设计新的m a c 机制并增 加新的软硬件。这必然会带来e p o n 成本的上升，降低其对g p o n 的竞争力。而 g p o n 由于t c 子层结构和a t m 封装方式，并采用了1 2 5 9 s 的帧长和多种时钟恢 复方式，能够比较容易的支持t d m 业务。 6 强大的o a m 能力和健壮性 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 g p o n 为满足消费者需求和便于电信运营商运行维护管理，提供三种方式来进 行维护，管理和控制：嵌入式o a m 、p l o a m 和o m c i 。它们分别承担不同的 o a m 任务。同时g p o n 继承了g 9 8 3 中规定的o a m 相关要求，具有丰富的业务 管理和电信级的网络监控能力。g p o n 还提供了多种系统保护功能，支持自动光纤 倒换和强制光纤倒换，这些都为g p o n 网络提供了必要的健壮性保证。 从以上优点可以看出，g p o n 的设计充分考虑了运营商的需求，在提供千兆以 太网业务的同时，还全面支持语音、视频和数据业务，能够提供多种业务的q o s 保证。因此，g p o n 是目前最先进的宽带光接入技术。它是打破网络带宽瓶颈的最 佳解决方案，是实现“最后一公里技术的最佳选择。 1 2 3g p o n 发展现状及趋势 无论g p o n 还是e p o n 要成为一种主流网络技术获得大规模部署，需要核心 元器件、系统设备、运营商等各环节达到一定的产业成熟度，形成很好的产业链； 主要标志是有实力的厂商的支持和运营商的规模设备采购，形成规模市场。 g p o n 由于标准门槛较高，商用芯片推出较晚，但是2 0 0 6 年情况已经大为改 观，b r o a d l i g h t 公司在第一季度推出g p o n 的单系统芯片，阿尔卡特朗讯已与 f r e e s c a l e 合作，于2 0 0 6 年中推出商用g p o n 芯片，此外c o n e x a n t 也宣布了2 0 0 6 年g p o n 芯片计划，而e p o n 主要芯片商p m c ( p a s s a v e ) 也宣布加入g p o n 芯片阵 营，其中f r e s c a l e 、c o n e x a n t 等都是大型芯片商。目前支持g p o n 的芯片厂商有 f r e e s c a l e 、c o n e x a n t 、b r o a d l i g h t 、p m c 、a m c c 等t 5 1 。 在系统制造商方面，世界主流厂商如北电、阿尔卡特朗讯、c a l i x ( 收购o p t i c a l s o l u t o n s ) 、爱立信( 2 0 0 7 年2 月份刚收购e n t r i s p h e r e ) 、摩托罗拉、t e l l a b s 、日立、 f l e x “g h t 、n e c 等，以及国内的华为、中兴公司都已经推出了g p o n 产品或者宣布 相应的计划，加入到g p o n 阵营中来，看好g p o n 未来的发展。 运营商中，2 0 0 5 年1 1 月美国三大地方贝尔公司( a t & t ，b e l l s o u t h ，v e f i z o n ) 发 布了g p o n 设备的联合招标通知。v e f i z o n 从2 0 0 6 年开始部署阿尔卡特朗讯的g p o n 设备。欧洲的法国电信、中东的科威特和新加坡电信等也已开始了g p o n 现场试验 和部署。在国内，中国电信和网通都确定了未来接入网向g p o n 演进的长远目标， 中国电信已经开始g p o n 设备的实验室测试，g p o n 作为未来接入网发展的目标已 成为运营商的共识。可以说，随着越来越多的大厂。商和运营商加入，g p o n 的发展 趋势已经非常明显，规模部署g p o n 的产业链已经形成。巨大的g p o n 市场机会即 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于t - c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 将到来，现在发展g p o n 正逢其时。 从以上分析可以看出，国外很多公司已经提出了g p o n 产品和相应解决方案， 而国内通信公司发展相对缓慢。因此，有必要加强对g p o n 关键技术的研究，从而 推动g p o n 技术发展。g p o n 上行业务采用时分复用的方式共享带宽资源，因此 g p o n 上行链路带宽分配是影响系统带宽利用率和业务q o s 的关键问题。与a p o n 的静态带宽分配相比，动态带宽分配技术具有高效灵活的特点。但是现阶段，现有 的动态带宽分配算法还存在这样或那样的不足。比如没有严格按照g p o n 协议标准 的要求来设计动态带宽分配，将g p o n 的带宽分配作为固定带宽值进行分配，严重 影响了带宽利用率；没有采用g p o n 标准协议中定义的全部传输容器来设计动态带 宽分配。这些问题对g p o n 的发展和不同厂商g p o n 设备的互通问题产生了很大的 影响。 所以，对g p o n 的关键技术动态带宽分配算法进行研究，是促进g p o n 在国内 加速发展的必要的环节，也是非常重要的环节。只有g p o n 的关键技术被一一解 决，才能使更多的企业参与和支持g p o n 的发展，才能形成良好的产业链，使 g p o n 得到更广阔的应用。这也是本文的研究意义所在。 1 3 论文结构安排 本文首先从g p o n 的网络结构出发分析了g p o n 各部分的功能、工作原理和 传输汇聚层的结构。接下来详细分析了g p o n 传输汇聚层的关键技术，包括g t c 层结构、g t c 层帧结构、g e m 帧和t ，c o n t 等概念。最后从g p o n 上行带宽的类 型入手，结合g p o n 标准自身的特性，参考e p o n 中的典型轮询算法和具有相对 q o s 保证的动态带宽分配算法，针对不同业务的分类提出一套既满足q o s 要求、 又兼顾业务之间公平性的高效的g p o n 上行动态带宽分配算法。软件的仿真结果 表明，该算法符合g p o n 标准协议的要求，使用传输容器进行动态带宽分配设 计，并且采用分片处理，使带宽利用率得到提高，达到了算法设计目的。具体而 言，本文的结构安排如下： 第一章，概述本论文的课题研究背景、意义，并对研究内容做一个总体性的介 绍。同时，分析g p o n 技术的优势和g p o n 技术的发展现状。 第二章，对g p o n 系统进行较为详细的描述，包括g p o ng 9 8 4 x 协议、 g p o n 系统结构、工作原理、功能要求和g p o n 关键技术等方面内容。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于t - c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 第三章，主要研究g p o n 传输汇聚层的组成及其关键技术，包括g t c 层结 构、g e m 封装模式和传输容器t c o n t 等概念。 第四章，在分析g p o n 上行链路中多种不同带宽和多种不同t c o n t 的基础 上，依据上行d b a 的工作原理和工作流程，研究并设计上行动态带宽分配算法。 介绍了基于t c o n t 和q o s 共同作用下的设计方案，给出了详细的算法思想和算 法流程。 第五章，使用o p n e t 仿真工具搭建g p o n 系统平台，在设定的实验场景下验 证该算法的可行性，并对算法进行性能分析。 第六章，对全文进行总结，对设计中的有待改进的问题进行总结，并对后续工 作进行展望。 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t - c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 第二章g p o n 系统分析 2 1g p o n 协议的标准化 i t u tf s a n 在2 0 0 1 年1 月差不多e f m a 提出e p o n 概念的同时，也开始进 行1 g b i t s 以上的p o n 标准的研究。2 0 0 2 年9 月提出了一种具有前所未有的高比特 速率，能以原有格式和极高的效率传送多种业务的光接入网g p o n 解决方案，并 于2 0 0 3 年1 月通过有关g p o n 的新标准g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 ，2 0 0 4 年又发布了 g 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 标准。根据这一最新标准的规定，g p o n 可以提供1 2 4 4 g b i f f s 和2 4 8 8 g b i t s 的下行速率和r r u 规定的多种标准上行速率，可以灵活地提供对称 和非对称速率。传输距离至少达2 0 k m ，系统分路比可以分为l ：1 6 、1 ：3 2 、l ： 6 4 乃至1 ：1 2 8 ，而且支持各种接入服务、o a m 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。 作为一种灵活的吉比特光纤接入网，g p o n 支持更高的速率和对称非对称工 作方式，同时还有很强的支持多业务和o a m 的能力。它以a t m 信元和通用成帧 规范承载多业务，对各种业务类型都能提供相应的q o s 保证，支持商业和居民业 务的宽带全业务接入。 g p o n 各标准内容如下： 1 g 9 8 4 i ( g g p o n g s r ) ：千兆比无源光网络的总体特性 该标准主要规范了g p o n 系统的总体要求，包括o a n 的体系结构、业务类 型、s n i 和u n i 、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能目标。 g 9 8 4 1 对g p o n 提出了总体目标，要求o n u 的最大逻辑距离差可达2 0 k m ， 支持的最大分路比为1 6 、3 2 、6 4 或1 2 8 ，不同的分路比对设备的要求不同。从分 层结构上看，删定义的g p o n 有p m d 层和t c 层构成，分别由g 9 8 4 2 和 g 9 8 4 3 进行规范。 2 g 9 8 4 2 ( g g p o n p m d ) ：千兆比无源光网络的物理媒介相关层规范 该标准主要规范了g p o n 系统的物理层结构。g 9 8 4 2 要求，系统下行速率为 1 2 4 4 g b i t s 或2 4 8 8 g b i f f s ，上行速率为0 1 5 5 g b i t s 、0 6 2 2 g b i f f s 、1 2 4 4 g b i f f s 或 2 4 8 8 g b i t s 。标准规定了在各种速率等级下o l t 和o n u 光接口的物理特性，提出 了1 2 4 4 g b i f f s 及其以下各速率等级的o l t 和o n u 光接口参数。但是对于 2 4 8 8 g b i f f s 速率等级，并没有定义光接口参数，原因在于此速率等级的物理层速率 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于t c o n t 轮询的g p o n 上行动态带宽分配算法研究 较高，对光器件的特性提出了更高的要求，有待进一步研究，从实用性角度看，在 p o n 中实现2 4 8 8 g b i t s 速率等级将会比较难。 3 g 9 8 4 3 ( g g p o n g t c ) ：千兆比无源光网络的传输汇聚层规范 该规范2 0 0 3 年完成，