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北京邮电大学顾十学位论文 摘要 g p o n 应用于交通信息传输管理系统的研究 摘要 无源光网络一直被认为是光接入网中颇具应用前景的技术，而吉 比特无源光网络以其高速率、高效率，可提供具有q o s 保证的多业 务承载、电信级的网络运行维护和业务管理的能力，成为了当今通信 技术的研究热点之一。现代通信技术向着数字化、宽带化、智能化、 高速化及个人化的方向发展，具体作用于交通行业，我们需要建立一 个安全、可靠、实时、便捷的交通信息传输管理系统。 本文在介绍了交通信息传输管理系统的构成及功能结构的基础 之上，提出了将g p o n 应用于交通信息传输管理系统的研究方向。 通过讨论传统的交通信息传输管理系统的需求、组成结构及信息 传递方式，传递方式，给出交通信息共用平台的框架设计，并提出了 基于g p o n 的交通信息网的实现方案。在交通信息共享的基础上， 规划了平台的结构，通过此平台对所有交通信息数据进行统一的存储 及处理。 本文以i t u t 对g p o n 系统的规范作为技术基础，改造了系统 通用的树型拓扑结构，成为了适合交通系统中使用的线性结构。在此 基础上，以实例的方式，讨论了交通信息管理系统的网络结构及连接 模式，并总结了采用g p o n 接入的交通信息管理系统的优势所在。 最后，我们讨论了采用g p o n 接入的交通信息传输管理系统中 的m a c 协议的实现方案。在介绍了具体业务承载方式及可应用的动 态带宽分配模式的基础上，先提出的简单的分布式多级m a c 协议的 设计方案。针对方案中存在的网络用户侧接入方式复杂，不易具体实 施的缺点，又对方案进行了改进，提出了基于q o s 的二层m a c 协议 的设计方案，并使用o p n e t 仿真软件，设计了g p o n 中基于q o s 的二层动态带宽分配的仿真平台。仿真结果可以看出，基于q o s 的 二层m a c 协议能够保证较高的带宽利用率，体现带宽分配的公平性， 并能使得各种灵活接入的交通信息业务的传输性能达到应用的需求。 关键词：无源光网络吉比特无源光网络智能交通系统媒 体接入控制动态带宽分配算法 北京邮电大学顾1 ：学位论文摘要 t r a n s m i s s i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo ft r a f f i c i n f o r m a t i o nb a s e do ng p o n a b s t r a c t p o ni san e wt e c h n o l o g ye m e r g e di nt h er e c e n ty e a r s i ti n c l u d e s a p o n ( a t mp o n ) e p o n ( e t h e r n e tp o n ) a n dg p o n ( g i g a b i tp o n ) a g p o nn e t w o r kc a np r o v i d er e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c ee x p e c t e df o ra l l k i n d so fs e r v i c e s t oi m p r o v et h ew o r l dt r a n s p o r tp r o b l e m a d v a n c e d t r a 衔cm a n a g e m e n ts y s t e mn e e dt ob ea c h i e v e d a f t e rr e s e a r c h e do nt h en e e d so ft r a m ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n d s t u d yo ft h et e c h n o l o g yo fg p o n t h i sp a p e rp r o p o s e dat r a n s m i s s i o n m a n a g e m e n ts y s t e mo ft r a f f i ci n f o r m a t i o nb a s e do ng p o n t h i sp a p e rd e s c r i b e da na r c h i t e c h t u r eo ft r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ， a n a l y s e dt h em e t h o do ft r a n s m i s s i o na n ds h a r e do fi n f o r m a t i o n t o a c h i e v eau n i f o r ms t o r a g ea n dp r o c e s so fs e r v i c ed a t a ，t h i sp a p e r p r o p o s e dac o m m o nt r a 瓶ci n f o r m m i o np l a t f o n n n l i sp l a t f o r mc o u l d o f f e rt h ec a p a b i l i t yo f t h ei n t e g r a t i o no f d a t aa n do p e r a t i o n b a s e do nt h es t a n d a r d i z a t i o no fg p o np r o p o s e db yi t u t m i s p a p e rr e b u i l t at r a d i t i o n a lt r e et o p o l o g yo fg p o ni n t oam o d eo fi i n e t o p o l o g y t h i sa r c h i t e c h t u r ef i tt h en e e d so f t r a f f i cs y s t e m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e ma b o u tt 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 np r o b l e mo fg p o ns v s t e mi n i l s eo ft r a m ci n f o r m a t i o n t r a n s p o r t ，t h i sp a p e rd e s i g n e dam a co fs i m p l ed i s t r i b u t e dm e t h o di n m u l t i 1 e v e l ，a n a l y s et h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ，a n di n t r o d u c e ds o m e d i s a d v a n t a g e so ft h ec o m p l e x i t yi no n u f o rr i s i n gt h ep e r f o r m a n c e s ， t h i sp a p e rp r o p o s e dan e wd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) s c h e m e t w ol e v e ld b as c h e m eb a s e do nq o s a ne s s e n t i a l i d e ai st oa l l o c a t e b a n d w i d t ha m o n ga l lo n u sa n da l l o c a t eb a n d w i d t hi no n eo n u a c c o r d i n gt ob a n d w i d t hr e q u i r e m e n tb a s e do nd i f f e r e n tc l a s ss e r v i c e s a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e wa l g o r i t h mc a ni m p r o v e b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dm e e td e l a yr e q u i r e m e n to fd i f f e r e n ts e r v i c e s a n dr e a l i z et h ef a i r n e s sf o rb o t hd i f f e r e n to n u sa n ds e r v i c e s 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 k e yw o r d s ：p o n ，g p o n ，i t s ，m a c ，d b a 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：违l 盟同期：2 婴2 ：垒：! 壁 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问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 豳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；学校可以公御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) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：! ! l 些日期：2 壶2 ：生：! 壁 导师签名：，盈f 型垂日期：兰塑z 。兰卫 北京邮电大学硕1 j 学位论文第一章绪论 第一章绪论 通信技术的发展日新月异，成为引领信息潮流的重要力量，强劲的推动着人 类社会向信息化的方向迈进，并实实在在的改变着人们的工作和生活方式，在关 系到国计民生的交通行业中，也不例外。将具有接近无限的带宽潜力、卓越的传 送性能和优越的联网能力的光纤接入到路边，已经成为大势所趋。无源光网络 ( p o n ：p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 技术概念从2 0 世纪9 0 年代中期出现至今已 1 0 多年了，将其应用于宽带接入网的独特优势越来越得到广泛的共识。本文将 吉比特无源光网络( g p o n ) 引入到交通信息接入网部分，以解决空闲光缆线路 与视频监控设备需要的通信宽带化的矛盾，加快我国的交通信息化进程。 本章首先介绍了光纤接入网的发展演变，并在此基础上简略的阐述了无源光 网络的技术特点，然后从传统的交通信息传输管理系统的出发，讨论了交通信息 传输管理系统发展趋势。最后，在本章结尾处，扼要的介绍了本论文的主要工作 内容。 1 1 光纤宽带接入技术的发展演变 全球向信息密集的工作方式和生活方式的转变，推动了通信行业的发展，使 得人们对通信容量的要求r 益增加，自从1 9 9 8 年起公用网中的数据通信业务量 超过了电话通信业务量，互联网通信业务量的增长率从每年4 5 上升到1 0 0 。 未来几年，由于高速数据业务及视频业务的发展，加之运营商问竞争加剧等因素， 全球光纤接入将进入大规模建设时期，光纤接入网将逐步取代原有的铜线接入 网，为设备提供商、网络建设者、运营商以及业务提供商等带来巨大的收入。 光纤接入技术( f t t h ；f i b e r t ot h eh o m e ) 是指采用光纡作为主要传输媒质 来实现接入网用户信息传送的应用形式，基本结构如图l 所示。 图1 - 1f t t h 的基本结构 北京邮电大学硕上学位论文 第一章绪论 未来5 l o 年，全球的光纤接入市场将迅速增长，用于f 1 v r x 的资本支出将 从2 0 0 5 年的5 0 多亿美元增加到2 0 1 3 年的2 2 8 亿美元。全球f t t x 用户数也 将迅速增长，并且在全球宽带接入中所占的比率将逐步提高。根据预测 3 】，的 f t l h 用户数将从2 0 0 6 年的l1 0 0 万户上升到2 0 1 1 年的86 0 0 万户( 如图l 一2 所示) 。 图1 - 22 0 1 1 年全球f t t h 用户数和普及率预测 1 2 无源光网络技术的发展 无源光网络是种应用于接入网、局端设备( o l t ：o p t i c a l l i n et e r m i n a l ) 与多个用户端设备( o n u o n t ：o p t i c a ln 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 l ) 之间通过无源的光缆、光分合路器等组成的光分布网( o d n ：o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k ) 连接的网络 2 】。p o n 一直被认为是光接入网中颇具应用前景的技术， 它打破了传统的点到点解决方案，是一种经济的宽带接入技术。 1 2 1p o n 技术的分类 p o n 技术的概念是2 0 世纪9 0 年代初提出的，可分为用于窄带t d m 业务接 入的窄带p o n 技术和用于宽带接入的基于a t m 传送的b p o n ( a p o n ) 、基于 e t h e m e t 分组传送的e p o n 技术以及兼顾a t m e t h e m e 们d m 综合化的g p o n 技 术。下面就简要介绍各种p o n 技术的的主要特点。 1 b p o n ： b p o n 系统过去被称作a t m p o n ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e b a s e dp o n ) 系统，它是以a t m 作为基本技术的p o n 系统，传输速率上行为1 5 5 m b 风，下行 传输速率为6 2 2 m b s ：以后又追加了上行传输速率可到6 2 2 m b s ，下行传输速率 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 可到1 2 g b s ，数据传送使用a t m 信元。现在关于b p o n 的国际标准是i t u t 的g 9 8 3 系列建议。 2 e p o n e p o n 就是将简单经济的以太网技术与p o n 的传输结构相结合的产物。 2 0 0 0 年开始引起技术界和网络运营商的广泛重视。2 0 0 1 年5 月，i e e e 成立了 e f m ( e t h e m e tf o r t h ef i r s tm i l e ) 研究组，并准备起草e p o n 标准。2 0 0 2 年，e p o n 标准草案出台。 e p o n 融合p o n 和以太网的优点，系统结构更简化、标准宽松、成本更低； 1 g b p s 的高速宽带易于升级；现有的以太网兼容，无需协议转换；具有同时传输 t d m ( 时分复用) 、i p 数据和视频广播的能力等优点。随着多协议标签交换 ( m p l s ) 等新的i p 服务质量( q o s ) 技术的采用，也可提供一定的q o s 保证 8 】。 然而，e p o n 技术目前仍难以支持实时业务的服务质量；在安全性、可靠性等方 面与电信级的服务相比仍有差距。 3 g p o n g p o n 是i t u t 提出的千兆级的p o n 。2 0 0 3 年3 月i t u t 颁布了描述g p o n 总体特性的g 9 8 4 1 和o d n 物理媒质相关( p m d ) 子层的g 9 8 4 2 的g p o n 标准； 2 0 0 4 年3 月和6 月发布了规范传输汇聚( t c ) 层的g 9 8 4 3 和运行管理通信接口的 g 9 8 4 4 标准。由于g p o n 标准是i t u t 在b p o n 标准之后推出的，因此g9 8 4 标准系列不可避免地沿用了b p o ng9 8 3 标准的很多思路。g p o n 与e p o n 都 是千兆比级的p o n 系统，与e p o n 力求简单的原则相比，g p o n 更注重多业务 q o s 保证，因此更受运营商的青睐。 g p o n 能够简单、通用、高效地透明传送各种业务，具有前所未有的高比特 率、高带宽：其非对称特性更能适应未来的f t l h 宽带市场；传输距离更远、 覆盖范围更广。 1 2 2 三种p o n 技术的比较 由于a t m 技术复杂、支持承载在以太网上的i p 业务的效率不高、成本比较 高、对运维人员要求比较高等原因，a t m 城域网在我国应用规模相对来说较小。 b p o n 在接入网中的应用，也因成本较高，而且在我国的应用中也无法发挥b p o n 基于a t m 技术的优势。因此，在我国各项建设中，应用规模预计不如e p o n 及 g p o n 。故在此，对b p o n 不再进行详细讨论。以下内容是对将得到规模应用的 e p o n 及g p o n 技术的多方面比较及讨论。 1 技术成熟度 对于标准的设计而言，g p o n 的标准是以支持现有的各种业务以及未来业务 北京邮电大学硕l 学位论文 第一章绪论 的有效承载、支持电信级设备的运行维护管理为目标，相对e p o n 而言，g p o n 的标准设计的更为全面而严格。 在硬件的具体实现方面，e p o n 相关芯片、模块及系统，已有规模的产业化 生产，而只有少量厂家拥有g p o n 的芯片、模块及系统的设计生存的技术，g p o n 的商用及产业化进城，仍需进一步的发展。 2 带宽利用率 对于i p 业务，e p o n 的可用带宽约为8 2 0 m b p s ，1 2 4 4 g b p s 速率的g p o n 大 约有1 g b p s 的可用带宽。 假设了仅仅传输单一的以太网业务，而不包含t d m 等其他业务开销的情况 下，可以估算出，e p o n 的总传输效率为6 5 6 ，而g p o n 的总传输效率为 8 6 3 2 】。 3 多业务支持 对于传统t d m 业务的支持能力，是g p o n 与e p o n 的多业务支持的最大区 别所在。g p o n 由于其传输12 5us 的帧长，使得t d m 业务严格的q o s 要求能够 得到极好的保证。而e p o n 系统中，各个厂商必须采用各种t m do v e re t h e m e t 的专利技术，才能符合t d m 业务传输的q o s 要求。 4 0 a m 功能 e p o n 标准中定义了远端故障指示、远端环回控制和链路监视等基本的 o a m 功能，而对于其他高级的o a m 功能，则需通过扩展机制，在各个设备实 现中自主增强各种o a m 的功能。 g p o n 中的o a m 包括带宽授权分配、d b a 、链路监测、保护倒换、密钥交 换以及丰富的告警功能。所以，从标准本身来看，g p o n 标准中定义的o a m 信 息比e p o n 标准定义的更为丰富。 1 ，2 3 采用g p o n 接入交通信息传输管理系统 在与人民生命财产安全密切相关的交通行业中，交通信息的传输必须有强大 的q o s 保证，并且需要强大的o a m 功能以实现对全部的交通信息进行维护和管 理工作。 由于可靠性的要求，在交通信息传输系统中，不可动摇的重要地位，我们通 过以上的介绍及比较，可以看出g p o n 系统以其前所未有的高带宽、q o s 保证 的全业务接入、很好的支持t d m 业务以及强大的o a m 能力为基础保证，成为 交通信息传输系统中，接入方式的不二选择。 - 4 - 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 交通信息传输管理系统的发展概述 交通行业是国民经济的支撑部门，是关系到国计民生的基础性产业。近年来 随着经济的高速增长，交通的制约作用日益显露。交通信息化的滞后，使得在突 发事件的处理问题上，无法及时的进行实时监控和宏观调控。 完整的交通信息传输管理系统由三部分组成，分别介绍如下。 1 交通信息管理机构或管理协议 交通信息管理机构或管理协议是交通信息软硬件系统的基础，保证软硬件系 统的完好和j 下常工作，维持整个交通信息系统的正常运转。本文对此不作讨论。 2 硬件传输系统 硬件传输系统负责交通信息的数据采集和传输，数据信息的实时性、可靠性 是整个交通信息传输管理系统证常运转的首要条件。 传统的交通信息传输系统中，大部分采用铜线接入的方式。铜线接入由于其 自身传输媒质的特点，限制了信息传输带宽的扩大。现在的交通信息传输系统中， 已经在公路沿线大量的铺设了光纤。随着交通信息采集技术的进步和采集手段的 多样化，交通信息系统将会接收到不同媒体形式的交通信息，如图像、图形、语 音和数字等，作为一个统一的交通信息传输管理系统，能够支持不同媒体形式的 交通信息是十分重要的。光纤接入是实施“少层次、少局所、大局所”接入网建 设原则的最好方式。但是，我们不得不指出的是，现今普遍使用的点对点业务接 入方式，不仅仅需要大量的光纤，而且还在中，t l , 机房局端处因众多光口占用较 大的空问、消耗更多的电力。这样的方式，使得交通信息传输系统用于设备、线 路等方面的投资成本大大增加，不利于进一步的发展。 另外，由于交通信息传输系统特定的户外工作的条件，不可避免的需要接入 网设备安装在室外，工作环境十分恶劣。传统的光接入方式，像s d h m s t p 环 网线网或多级结构光以太网，从业务采集点到局端，需要经过中间节点的光电 电光转换，或者其它的有源设备。这些设备的能源供给，以及运行维护都相当的 复杂，使得系统的运维成本居高不下。 3 软件系统 软件系统的作用是分析所采集的原始交通信息，整合不同来源的数据，并以 适当的、直观的方式表达或及时的发枷这些信息。 传统的在交通信息管理软件平台中，各种交通信息的相互独立存储及处理， 导致不能及时方便直接的调度需要的各种相关信息并加以整合。这样的方式，不 能保证对实际路况信息的及时准确的处理，并很大程度上影响了管理机构的宏观 调控的能力。交通信息传输管理系统的数字化、网络化，是在具有了良好的网络 基础的条件之上，对整个路网交通信息的统一管理和控制。统一的共用信息平台 北京邮电大学硕上学位论文第一章绪论 整合道路管理部门业务管理信息资源，按定标准规范完成多源异构数据的接 入、存储、处理、交换、分发等功能，并面向管理业务和信息服务，从而实现部 门问信息共享，并为各相关部门制定交通运输组织与控制方案和科学决策提供依 据。 总之，现今的交通信息传输管理系统的发展，滞后于交通行业乃至整体国民 经济发展的需要。大容量，低成本，易于管理和实施，并且具有高可靠性的交通 信息传输管理系统的建设，是个亟待解决的问题。 1 。4 本论文的主要工作与结构安排 针对以上所提到的交通信息传输管理系统的发展现状，不难看出现代交通信 息传输管理系统遇到了许多前所未有的问题，硬件传输系统及软件系统的落后， 使得交通行业的发展难于跟上整体社会信息化的需求。在了解了光纤接入系统的 发展及无源光网络技术的特点之后，我们可以把其于交通传输管理系统相结合， 研究了g p o n 应用于交通信息传输管理系统的组网方案、技术特点及性能分析。 在攻读研究生学位期间，我先后参加了实验室在下一代光网络研究与系统仿 真软件丌发方面的一些项目，主要与本论文相关的项目为北京邮电大学光通信中 心与北京兆维光通信技术有限公司联合参与的北京市科委项目“光纤到户 ( f 1 v r h ) ”。 结合项目中的研究成果，本文的工作任务主要在于以下几个方面： 给出交通信息共用平台的框架设计，并提出了基于g p o n 的交通信息网 的实现方案。 改造了g p o n 组网通用的树型拓扑结构，成为适合交通系统中使用的线 性结构，设计了采用g p o n 接入方式的交通信息传输管理系统的具体实 现形式。 提出的简单的分布式多级m a c 协议的设计方案，并分析了该方案对应 用在采用g p o n 接入方式的交通传输管理系统中的优缺点。 提出了基于q o s 的二层m a c 协议的改进设计方案，并使用o p n e t 仿 真软件，设计了g p o n 中基于q o s 的二层动态带宽分配的仿真平台。 通过具体的仿真结果分析了方案的时延性能。 本论文的结构安排，按照以下层次，详细的进行了论述。 首先，本文在介绍了无源光网络的技术背景及交通信息传输管理系统的构成 及功能结构的基础之上，确定了将g p o n 应用于交通信息传输管理系统的研究 方向。 然后，在第二章中，具体的研究了i t u - t 对g p o n 系统的规范的部分内容， 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 包括g p o n 系统的总体特性、传输汇聚层的组成和关键技术的研究，以及系统 中的管理控制接口的传输机制和要求的探讨。 其次，在第三章中，讨论了传统的交通信息传输管理系统的需求、组成结构 及信息传递方式，并提出了交通信息共用平台的概念，在交通信息共享的基础上， 规划了平台的结构，通过此平台对所有交通信息进行统一的存储及处理。 随后，在第四章中，我们讨论了采用g p o n 接入的交通信息管理系统的组成 结构，主要工作在于改造了g p o n 网络拓扑通用的树型结构，使之成为适合交 通系统中使用的线性结构。在此基础上，以实例的方式，讨论了交通信息管理系 统的网络结构及连接模式，并总结了采用g p o n 接入的交通信息管理系统的优 势所在。 最后，在第五章中，我们讨论了采用g p o n 接入的交通信息传输管理系统 中的m a c 协议的实现方案。在介绍了具体业务承载方式及可应用的动态带宽分 配模式的基础上，先提出简单的分佰式多级m a c 协议的设计方案，在分析了方 案的优缺点后，又对其进行了改进，提出了基于q o s 的二层m a c 协议的设计方 案，并使用o p n e t 仿真软件，设计了g p o n 中基于q o s 的二层动态带宽分配 的仿真平台。仿真结果可以看出，基于q o s 的二层m a c 协议能够保证较高的带 宽利用率，体现带宽分配的公平性，并使得各种灵活接入的交通信息业务的传输 性能均能达到应用的需求。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章g p o n 系统的技术特点 第二章g p o n 系统的技术特点 作为一种灵活的吉比特级的光纤接入网，g p o n 以其高速率、全业务、高效 率及提供电信级的服务质量保证的特点，成为了众人所关注的焦点技术。 i t u - t 在2 0 0 3 年初颁布了描述g p o n 总体特性的g 9 8 4 1 和o d n 物理媒质 相关子层的g 9 8 4 2 的g p o n 标准，在2 0 0 4 年又发布了规范传输汇聚层的g 9 8 4 3 和o n t 管理控制接口的g 9 8 4 4 标准。 本章中较为详细的介绍了g p o n 技术，包括g p o n 系统的总体特性以及系 统中的o n t 管理信息接口的传输机制和要求的探讨，并着重阐述了g p o n 传输 汇聚层的特点。 2 1g p o n 的总体特性 g p o n 是以a t m 信元和g e m 帧承载多业务，可以支持商业和普通住宅用 户的全业务接入的带宽需求。 2 1 ，1g p 0 8 系统的网络结构 g p o n 同所有p o n 系统一样，应用于接入网，由局端设备( 0 l t ) 与多个 用户端设备( o n u o n t ) 之间，通过无源的光缆、光分合路器等组成的光分配 网( 0 d n ) 链接的网络系统，其网络结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1g p o n 网络结构 o l t 为接入网提供网络侧与核心网之问的接1 ：3 ，具有集中分配带宽、控制各 个o n u 、实时监控、运行维护管理p o n 系统的功能。o n u 为接入网提供用户 一8 一 北京邮电人学硕士学位论文 第一二章g p 0 t h 系统的技术特点 侧的接口，提供话音、数据、视频等多业务流与o d n 的接入、受o l t 集中控制。 系统分之比为1 ：1 6 3 2 6 4 ，随着光收发模块的发展，支持的分支比将达到1 ：1 2 8 。 在同一根光纤上，g p o n 可使用波分复用( w d m ) 技术实现信号的双向传输。 根据实际的需要，还可以在传统的树型拓扑的基础上采用相应的p o n 保护结构 来提高网络的生存性。g p o n 可应用于接入网中的光纤到户、光纤到楼、光纤到 路边和光纤到交接箱等典型的应用场合，系统可以根据不同场合需要接入不同种 类的业务。 2 1 2 ( i p o n 系统的基本要求 在g 9 8 4 1 中，主要规范了g p o n 接入系统的总体技术要求。g p o n 支持高 速率和对称月 对称工作方式，同时还具有还具有强大的支持多业务接入和o a m 的能力。g p o n 标准中已明确规定要求支持的业务类型包括：数据业务( e t h e m e t 业务，包括i p 业务和m p e g 视频流) 、p s t n 业务( p o t s 、i s d n 业务) 、专用 线( t 1 、e 1 、d s 3 、e 3 和a t m 业务) 和视频业务( 数字视频) 。g p o n 中的多 业务映射到a t m 信元或g e m 帧中进行传送，对各种业务类型都能提供相应的 q o s 保证。一些基本的技术要求如下： 对称非对称线路速率，包括对称的6 2 2m b p s 、1 2 5o b p s 和非对称( 上 下行) 的1 5 5 1 2 4 4m b p s 、6 2 2 1 2 4 4m b p s 、1 5 5 2 4 8 8m b p s 、6 2 2 2 4 8 8m b p s 、 1 2 5 2 5g b p s ，具有前所未有的高比特率； 最大逻辑距离和最大物理距离分别为6 0 k i n 和2 0 k m = 最大光程差为2 0 k m ； 平均最大传输时延为1 5 m s ； 系统分支比为l ：1 6 3 2 6 4 ，最大可支持的分支比为l ：1 2 8 ； 采用定的安全机制，防止恶意用户从下行数据流中轻易解码；防止恶 意用户冒充别的o n u o n t 或别的用户。 2 1 3g p o n 系统的复用机制 g p o n 定义了基于a t m 和基于g e m 的两种多路复用机制，基本概念如图 2 。2 所示。t - c o n t 是基本的控制单元，通过a i i o c _ i d 来标志识别。在g e m 业 务中，一个t - c o n t 中业务流的复用是由端口来完成的，通过p o r ti d 来标识。 在a t m 业务中，一个t - c o n t 中业务流的复用由v p v c 来完成，通过v p i s v c i s 来识别。 北京邮电大学硕士学位论文第二章g p o n 系统的技术特点 l 夏) 灏一 抖1 器茵菌由匈 ”r 专飞一谶、 |1 一| “f 齑”盘 图2 - 2g p o n 两种复用机制的概念 而且，可以在一个p o n 中包含的o n u 内，实现基于a t m 和基于g e m 的 两种模式的混合配置，如图2 3 所示： 一一 i # = = ：= = ! = t - c d v t v p t = ：= = ：。= vp - h v ， h 一 卜一丽一 i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 t - c a t , 广秭_ f 亍 w sr 一 ! 毫= = = = = = 三 t | c o me t ：= ：= i翌 | o m m o ”i 州 一 | l 图2 - 3 混合复用方式 2 2g p o n 系统的传输汇聚层( g t c ) 2 2 。1g t c 的协议栈 g 9 8 4 3 为g p o n 定义了一个全新的传输会聚子层g t c ，该子层可以作为通 北京邮电大学硕士学位论文 第二章g p o n 系统的技术特点 用的传输平台来承载各种客户信号( a t m 、g e m ) 。在1 2 9 8 4 3 中，还对g e m 进 行了定义，g e m 类似于g f p ，用于对变长包信号进行封装，同时，g 9 8 4 3 还规 定传统的t d m 业务也将由g e m 进行封装和传送，因而如何保证t d m 业务的 q o s 也是g p o n 技术面临的挑战。g t c 层的协议栈如图2 - 4 所示： t c ；i d 掣t a i a o n | o m c i m 阳i s t n l a v e t i l il l 删“却mli w ll 泓一“i 5 ” i l n m 一“ i g + ，c 脯矾* * a ，、* m a 孤，“m tc 。，m ，t t r 图2 - 4g t c 层的协议栈 从图中可以看出，g t c 层主要由g t c 成帧子层( g t cf r a m i n gs u b l a y e r ) 和 t c 适配子层构成，g t c 的成帧予层完成g t c 帧的封装，终结所要求的o d n 的 传输功能，p o n 的特定功能( 如测距、带宽分配等) 也在p o n 的成帧子层终结， 在适配子层看不到。成帧予层应实现的功能包括： 1 复用和解复用功能，实现p l o a m 、a t m 和g e m 流与t c 传输帧的复用 解复用； 2 。t c 传输帧帧头的产生解码； 3 基于a l l o ci d 的内部交换功能。 g t c 的适配子层提供p d u 与高层实体的接口。a t m 和g f p 信息在各自的 适配子层完成s d u 与p d u 的转换。o m c i ( o p e r a t i o n sm a n a g e m e n t c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e ，操作管理通信接口) 适配子层高于a t m 和g f p 适配 子层，它识别v p i v c i 和p o r ti d ，并完成o m c l 通道数据与高层实体的交换。 从另一个角度讲，g t c 主要由控制管理( c m ) 平面以及用户( u ) 平面组成。 c ，m 平面用于管理用户业务流量管理、安全性及o a m 功能，而u 平面用于承 载用户业务。嵌入的o a m 、p l o a m 和o m c i 被归为c m 平面；除去o m c i 的 a t m 和g e mp d u 被归为u 平面。下面具体讨论c m 平面及u 平面各自的协议 栈。 1 c m 平面协议栈 北京邮电大学硕士学位论文第二章g p o n 系统的技术特点 g t c 控制管理平面的协议栈如图2 5 所示，g t c 的c i m 平面由3 部分组成， 嵌入式o a m 、p l o a m 和0 m c i ，其中嵌入式o a m 和p l o a m 主要用于对g p o n 的物理层和g t c 层进行管理，而o m c i 提供了种管理更高层的通用方式。 | 扎。枷ii l t ca d 叩r o b - l a y e r o 蛳c i j 蛔t “ 萄自 0： | ( 3 f m a 妇弦t c 脚l e r ( 3 f m t c 。诹 。 j 。 ! 訾| 訾 i m 蚴b e d d 。df _ ； j ! 一。j i 。 o ：l 0 - 铋i a 您i 娜m 。3 g e mp a r o n ；h e a d e r 00 m 翻q d e x m g b l 辩d 彘h 鼬妇她j 图2 - 5g t c 控制管理平面的协议栈 一b w 掣a o t 3 9 x 簟1 触i n g d 龇 嵌入的o a m 通道由格式化的g t c 帧头提供。嵌入o a m 通道的每个信息 直接映射到g t c 帧头中的特定区域，提供了一条时间要求严格的控制信息的低 时延通路。g p o n 使用这一通道提供带宽授权、密钥交换、d b a 信令功能。 p l o a m 通道在g t c 帧内专门分配的区域传送。它传送所有不经由嵌入 o a m 通道的p m d 和g t c 层管理信息。该o a m 通道的消息格式与( 3 9 8 3 1 中 规范的p l o a m 消息格式类似。 o m i c 管理g t c 上层所定义的业务。g t c 为o m i c 信息流提供a t m 或g e m 传送接口，并根据设备情况配置可选的通道、指定传输协议流识别符( v p i ，v c i 或p o r ti d ) 。 2 u 平面协议栈 g t c 用户平面协议栈如图2 - 6 所示，g t c 数据平面的业务流通过其数据类 型( a t m 或g e m ) 以及其端口p o r t i d ( g e m ，共1 2 比特) 或v p i ( a t m ) 来 标识。g p o ng t c 中还引入了g 9 8 3 4 中规定的t o c o n t 概念。t - c o n t 是业务 北京邮电人学硕i ：学位论义第二章g p o n 系统的技术特点 流量的集合体，通过a l l o c i d 标识，一种t c o n t 只能承载一种数据类型。 冉霸唾研盯k g n 矗 嘲 爿玎旺c 基c 时g l ：m d ；e 砒 t ：l 氍曲姗瞎岍 。w r 一一* ，q v p l l 犯ip o r t i d a a dp r i f i l t 日l l 盱 ：i a t m t c i d 华日7g l 澍t c - 却t e 一一二。6 胁哗m 油妒 l 知b c da 】”d t h c ；：舡 t： 。 l 黼a 删m g e m p 盯锄 f r a m e b e 妇 肿衄 ill： m u l u p l e m 雄h u u i t m e l o c i 0 4 2 2 26 t o 的帧结构 图2 - 6g t c 用户平面协议栈 g t c 帧的封装在g t c ( g p o nt r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ) 的成帧子层完成，终 结所要求的o d n 的传输功能。下文分别对下行帧及上行帧进行讨论。 1 g t c 下行帧结构 g p o n 系统采用固定1 2 5 u s 周期的下行帧，以保证整个系统的定时关系。图 2 7 为下行帧的结构图，下行帧是由p c b d 域和负荷域组成。在1 2 4 4 g b p s 和 2 4 4 8 g b p s 系统的一帧分别有1 9 4 4 0 和3 8 8 8 0 字节，但两种速率情况下，依赖于 每帧中分配结构的数目，p c b d 的长度都是相同的。 北京邮电大学硕：t 学位论文第二章g p o n 系统的技术特点 图2 - 7g p o n 下行帧结构 负荷域分别由a t m 块或g e m 块组成。g e m 块的具体组成方式，后文会有 详细说明。 p c b d 是下行物理控制块，提供帧同步、定时及动态带宽分配等o a m 功能。 p c b d 由以下几个域组成： 1 ) p s y n c 域：物理同步域( p h y s i c a ls y n c h r o n i z a t i o nf i e l d ) 是固定的3 2 b i t 2 ) 样式，o n u 逻辑电路用该字段来发现下行帧的起始位置，实现与0 l t 的同步。 i d e n t 域：4 字节的i d e n t 域的低3 0 位包含一个超帧计数器，每个帧的 i d e n t 将会比前一个大l 。当这个计数器达到它的最大值时，下一个帧 计数器将重设置为0 。它主要用于用户数据加密系统，也可用于提供 较低速率的同步参考信号。p l o a m d 字段用于传送物理层管理信息。 p l o a m 域：携带p l o a m 信息。其部分用途解释如下： m e s s a g ei d ：指示消息类型。 o n ui d ：标记特定的o n u ，可从0 到2 5 3 。o x f f 用于广播。 m e s s a g ed a t a ：传送g t c 的p l o a m 消息净荷。 c r c ：c r c 一8 校验序列。接受端发现c r c 不正确时，将丢弃此消息。 生成多项式同a p o n 。 b i p 域：比特间插奇偶校验8 比特码，用作误码监测。 p l e n d 域：下行负荷长度域( p a y l o a dl e n g t hd o w n s t r e a m ) ，规定了带宽 映射和a t m 部分的长度，该字段被发送两次以保证误差的健壮性。 其部分用途解释如下： b l e n ：b a n d w i d t hm a p 的长度，位于p l e n d 域前1 2b i t ，1 2b i t 的 长度限定了1 2 5 s 内能授权分配的i d 数在4 0 9 5 范围内。b wm a p 的 劝 北京邮电大学硕士学位论文第二章g p o n 系统的技术特点 实际长度( 以字节为单