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硕十论文 g p o n 系统中基于全部t - c o n t 类型的动态带宽分配算法的研究与仿真 摘要 随着“光进铜退”的进程加速和f t t x 技术的大力推广，吉比特无源光网络( g p o n ) 作为一种典型的光纤接入技术，已成为目前研究的热点。它总效率高，具有全业务接入 能力，致力于提供更高的数据传输效率和业务等级，以有效支持多媒体业务。因此，为 了提高带宽利用率，降低分组时延，保证用户的服务质量( q o s ) ，在g p o n 中引入动 态带宽分配机制( d b a ) 是十分必要的。g p o nd b a 技术的研究对接入网光纤化和全 光网络的实现具有非常重要的现实意义。 本文首先研究了p o n 网络技术的产生和发展、f t t x 技术的市场现状与发展趋势， 介绍了g p o n 技术标准化进程、协议模型和功能结构，分析了对g p o nd b a 技术研究 的意义所在和研究方向。 其次对动态带宽分配的关键概念和实现原理进行了深入的研究，介绍了d b a 机制 的技术基础，并对现行已有的p o n 动态带宽分配算法进行归纳，对有借鉴意义的算法 分析了它们的特点；描述了基于用户认购速率的全t - c o n t 的动态带宽分配算法。 最后使用o p n e t 软件对g p o n 系统的光线路终端、光网络单元、光分路器等关键 节点进行建模，利用不同的业务组合，对各种情况下d b a 算法的性能进行仿真，结果 表明该d b a 算法能够区别对待不同认购速率特级的用户，同时兼顾各用户之间的公平 性，保证各类业务的服务质量，符合相关标准的要求；最后对g p o n 系统中带宽分配功 能模块给出了初步的逻辑设计原理框图。 关键词：吉比特无源光网络，动态带宽分配，o p n e t 仿真 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t hc o p p e rw i r eb e i n gr e p l a c e db yo p t i c a lf i b e ra n dr a p i dd e v e l o p m e n t o ft e c h n o l o g yo ff t t x ，g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( g p o n ) h a sb e e no n eo ft h eh o t t e s t t o p i c si nt h er e s e a r c ho fa c c e s sn e t w o r ka sat y p i c a lo p t i c a la c c e s st e c h n o l o g y g p o nh a s h i g he f f i c i e n c ya n dc a p a b i l i t yt os u p p o r tf u l ls e r v i c ea c c e s s g p o ni sd e s i g n e dt oa p p l yt o h i g h e rd a t at r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dah i g h e rl e v e lo fs e r v i c e ，t oe f f i c i e n t l ys u p p o r tt h e m u l t i m e d i as e r v i c e t oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fb a n d w i d t ha n dr e d u c et h ed e l a yo fg r o u p i n g ， a s s u r i n gt h eu s e r sq o s ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt o u s ed b am e c h a n i s mi ng p o ns y s t e m t h e r e s e a r c ho ng p o nd b ah a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h er e a l i z a t i o no fa l l - o p t i c a l n e t w o r k i n g f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to fp o n ，t h em a r k e ts t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f f t t xw e r es t u d i e d t h es t a n d a r d i z a t i o np r o c e s so fg p o n ，t h ep r o t o c o lm o d e la n dt h e f u n c t i o nc o n f i g u r a t i o no fg p o nw e r ei n t r o d u c e d t h es i g n i f i c a n c ea n dd i r e c t i o no fg p o n d b ar e s e a r c hw e r ea n a l y z e d s e c o n d l 5k e yc o n c e p t i o n sa n dp r i n c i p l e so fg p o nd b a w e r es t u d i e dd e e p ；t h eb a s i c t e c h n o l o g yo fd b a w a si n t r o d u c e d t h ep o nd b aa r i t h m e t i c st h a ta l r e a d ye x i s t sw e r e s u m m a r i z e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r i t h m e t i c st h a tc o u l db eu s ef o rr e f e r e n c ew e r e a n a l y z e d a ni m p r o v e dd b a a r i t h m e t i cb a s e do na l lt y p e so ft - c o n t sw a sd e s c r i b e d f i n a l l y , t h em o d e l so fk e yn o d e ss u c hl i k eo l t s ，o n u s ，a n do p t i c a ls p l i t t e r sw e r eb u i l t i no p n e tm o d e l e r w i t hd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so fs e r v i c es o u r c e ，p e r f o r m a n c eo fd b a a r i t h m e t i cw a si m i t a t e d s u b s c r i b e r sw i t hd i f f e r e n t s u b s c r i p t i o n r a t ec o u l db et r e a t e d d i f f e r e n t l y , t h ef a i m e s sw a sc o n s i d e r e da n dq o so fd i f f e r e n ts e r v i c e sw e r ea s s u r e d ，a l lo f t h e s ew e r ep r o v e db yt h er e s u l t s t h eb a s i cl o g i c a lf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mw a sd r a w n k e yw o r d s ：g p o n ，d b a ，o p n e tm o d e l e r 硕j 二论文 g p o n 系统中基于伞部t - c o n t 类型的动态带宽分配算法的研究与仿真 简略字表 a o n ( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) a p o n ( a t m p o n ) a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) c d v ( c e l ld e l a yv a r i a t i o n ) d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ) d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) e p o n ( e t h e r n e tp o n ) f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) f s a n ( f u l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ) f s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) g e m ( g p o ne n c a p s u l a t i o nm e t h o d ) g f p ( g e n e r i cf r a m i n gp r o t o c 0 1 ) g p o n ( g i g a b i tp o n ) i s d n ( i m e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) o a m ( o p e r a t i o n ，a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ) o a n ( o p t i c a l a c c e s sn e t w o r k ) o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) o n t ( o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a l ) p b x ( p r i v m eb r a n c he x c h a n g e ) p c b d ( p h y s i c a lc o n t r o lb l o c kd o w n s t r e a m ) p l i ( p a y l o a dl e n g t hi n d i c a t o r ) p l o a m ( p h y s i c a ll a y e ro p e r a t ea n dm a n a g e ) p l o u ( p h y s i c a ll a y e ro v e r h e a du p s t r e a m ) p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) p t i ( p a y l o a dz y p ei n d i c a t o r ) 有源光网络 a t m 无源光网络 异步传输模式 恒定比特率 码分多址 信元时延变化佰兀町延焚化 动态带宽分配 数字用户线 以太网无源光网络 频分多址 全业务接入网 有限状态机 g p o n 封装方法 通用成帧协议 吉比特无源光网络 综合服务数字网 长期演进 操作管理与维护 光接入网 分配网络 光线路终端 光网络单元 光网络终端 用户级交换机 下行物理控制块 净荷长度指示 物理层操作维护管理 上行物理层开销 无源光网络 公用交换电话网 净荷类型指示 v v i s b a ( s t a t i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ) s d i ( s u c c e s s i v ed a t ai n t e r v a l ) s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) t b ( t r a n s m i tb y t e s ) t c ( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ) t c o n t ( t r a n s m i s s i o nc o n t a i n e r ) t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) v b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ) w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) w d m a ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 静态带宽分配 连续分组间隔 服务等级约定 传输字节 传输汇聚 传输容器 时分复用 时分多址 可变比特率 波分复用 波分多址 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文g p o n 系统中基于伞部t - c o n t 类型的动态带宽分配算法的研究与仿真 1 引言 1 1 课题研究背景 电信网一般可被分为核心骨干网、接入网和用户住宅网。近些年来，随着网络技术 和光通信技术的迅速发展，作为i n t e m e t 核心骨干网的带宽已达到t b p s 级。同时，i p 业务的迅猛增长，多媒体业务的多样化，使得用户住宅网的需求除了原来的话音业务外， 数据和多媒体业务的发展已经成为不可阻挡的趋势。而同时，被称为“最后一公里的 连接核心网与用户侧网络的接入网，发展一直比较缓慢【1 ，2 1 。 1 1 1 光接入网 光接x n ( o a n ) 就是采用光纤作为主要的传输媒质的接入网，泛指本地交换机或远 端交换模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的光传输系统。与传统的光传 输系统不同，o a n 是针对接入网环境所设计的特殊的光传输系统。 根据室外传输设施中是否含有有源设备，o a n 可分为无源光网络( p o n ) 和有源 光网络( a o n ) 。在a o n 中，用有源设备或网络系统的光远程终端( o d t ) 取代无源 光网络中的光分配网络( o d n ) ，传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，网络规划 和运行更灵活，但成本高，维护复杂。在p o n 中，在o l t 和o n u 之间没有任何有源 设备，o d n 中只采用无源器件进行简单的分光耦合等操作实现光分配的功能。p o n 对 各种业务透明，易于网络升级扩容，便于管理维护，实现成本低。不足之处是o l t 和 o n u 之间的距离和容量受到一定限制。 光纤用于接入网主要优点在于：( 1 ) 能满足用户对全业务接入的需求。人们除了打 电话、看电视以外，还希望有高速计算机通信、网络购物、远程办公、远程医疗诊断、 远程教学以及高清晰电视等。这些新业务用铜双绞线是难以实现的；( 2 ) 光纤带宽大， 损耗低，信号传输质量好，不易受电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备故障率， 降低了维护成本，不受铜线电缆网径小的限制，能克服铜缆无法克服的一些限制因素， 还能缓解城市地下通信管道拥挤的问题；( 3 ) 光纤的市场价格目前已经低于一般的铜缆， 而且铜缆的价格仍在不断上涨，使以铜缆作为接入介质的接入技术成本升副引。 无线通信具有接入的灵活性泛在性1 4 。随着3 g 网络的全面商用，运营商也开始提 出“打造全域自由移动无线上网的宽带城市 的新目标，期望实现家庭无线宽带与3 g 网络的无缝覆盖和自由切换。然而有线宽带网络在数据方面的优势，是无线宽带很难替 代的。尽管目前已经商用的3 5 gh s p a 的理论下行速率已经达到1 4 4 m b p s ，未来的长 期演进项目( l t e ) 更高达1 0 0 m b p s ，但无线频谱资源是有限的，移动用户如果大量同 时在线，移动宽带无法保障每个用户分配到足够的带宽。但光纤却可以保障固网宽带无 l 引言 硕上论文 限扩容1 5 】。因此限于带宽，无线接入只能作为有线接入的有益补充。由于光纤的带宽优 势，光纤接入方式必然成为宽带接入网的最终解决方案1 6 j 。移动通信设备领域的领头羊 爱立信，同时也在积极推进g p o n 光网络技术。 综上所述，以光纤技术为代表的宽带接入技术必定有着美好的发展前景，“光进铜 退”已是宽带接入发展至今的必然趋势，光纤接入网必定在未来的宽带应用中发挥重要 的作用。 1 1 2 无源光网络( p o n ) 的产生与发展 p o n 最显著的特征是无源：o l t 和o n u 之间的o d n 不含有源器件，它能经济有 效和透明地传输高速数据。由于p o n 提供的带宽可以满足现在和未来各种宽带业务的 需要，而且在设备成本和运维管理开销方面，其费用也相对较低，因此p o n 被作为光 接入网的首选方案1 7 】。 目前国际上已经提出的主流p o n 技术标准有三种，从最初基于a t m 的a p o n 技 术，到基于以太网的e p o n 技术，再到现在的g p o n ，每一次p o n 新标准的促进了接 入网技术的迅猛发展1 8 j 。这三种p o n 技术标准都是采用t d m t d m a 复用多址方式。 最早提出p o n 的概念是在1 9 8 7 年，为了满足用户对于网络灵活性的要求，英国电 信公司的研究人员在光纤用户网的研究中最早提出了p o n 概念【9 】。i t u t 制定了一些 p o n 标准，其中最重要的两个标准是g p o n a 和g p o n b 。g p o n a 支持的业务速率不 超过i s d n 基群速率( g 9 6 2 ，( 3 9 6 3 ) 或其等效速率，即模拟话音业务( p o t s ) 和基群或其 等效速率及其以下速率的数字业务。g p o n b 支持大于i s d n 基群速率的业务，如数字 视频( 交互式或分配式) 【l0 1 。 1 9 9 5 年f s a n 联盟成立，目的是要共同定义一个通用的p o n 标准【l 。1 9 9 8 年，i t u t 发布了a p o n 标准一g 9 8 3 系列，这个标准是以1 5 5 m b i t sa t m 技术为基础的。各电信 设备制造商也紧接着开发出了相应的产品，目前在欧洲、北美、日本都有a p o n 产品的 实际应用。 2 0 0 0 年底，由一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟( e f m a ) ，并提出了e p o n 概念一基于以太网的p o n ，促成了i e e e 在当年成立第一英里以太网( e f m ) 小组，开 始正式研究包括1 2 5 g b p s 的e p o n 在内的e f m 相关标准。e p o n 标准i e e e8 0 2 3 a 1 1 己 于2 0 0 4 年6 月正式颁布。 2 0 0 1 年底，f s a n 把a p o n 更名为b p o n ( “宽带p o n ”) 。其实e f m a 提出e p o n 概念的同时，f s a n 在2 0 0 1 年1 月左右也丌始进行1 g b i t s 以上的p o n - - g p o n 标准的 研究，并由i t u t 于2 0 0 3 年3 月颁布了描述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 2g p o n 标准。2 0 0 4 年3 月和6 月又分别发布了规范传输 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。 2 硕上论文g p o n 系统中基于全部t - c o n t 类型的动态带宽分配算法的研究j 仿真 因为a t m 不是发展方向，而且a p o n 系统复杂，速率有限，设备昂贵，满足不了 用户高带宽和低成本的要求，因此a b p o n 已逐渐退出舞台【1 2 , 1 3 】。目前，大量应用于宽 带光接入网的技术主要是e p o n 和g p o n 。e p o n 成本较g p o n 低，标准和设备成熟， 后提出的g e p o n 速率高达1 g b p s ，但e p o n 对实时性要求高的t d m 业务的支持能力 不足，同时由于线路编码、承载层、传输汇聚层、业务适配效率等方面的原因使其传输 效率很低，仅为g p o n 的一半，因此主要定位于为用户提供数据业务接入，以商业用户 和个人用户为主i 忆j 。 g p o n 能够满足运营商的多业务接入需求和其它技术规范如终端管理、设备互通以 及业务发放等方面的要求。其主要技术特性包括：高带宽和高传输效率、单纤接入、支 持接入距离更远、对各种业务类型都能提供相应的q o s 保证、高可靠性、在接入网层面 上提供统一平台等i l 4 。 目前g p o n 和e p o n 在成本方面已比较相近，随着使用量的增加g p o n 的成本还 会进一步降低，g p o n 的效能成本比更高，成为一种具有强大竞争力的有线接入技术【l 5 。 1 1 3f t t x 市场现状与发展趋势 f t t x 主要用于描述光纤接入方式，目前主要有光纤到交换箱( f t t c a b ) 、光纤到路 边( f t t c ) 、光纤到楼( f t t b ) 、光纤到户( f t t h ) 等几种方式。 2 l 世纪以来，全球的宽带接入网进入了大发展阶段。到2 0 0 5 年底，世界绝大多数 电信公司依然是以建立在铜线基础上的d s l 宽带接入技术为主发展宽带接入的。x d s l 和h f c 技术分别对传统电信网和有线电视网的用户接入部分进行改造，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1 6 1 。 随着光纤在长途网、城域网乃至接入网主干段的大量应用，符合逻辑的发展趋势是 f t t x 正逐渐成为宽带接入的主要方向。其中f t l n + v d s l 2 将是中近期的主要解决方 案，f t t b 将成为城市新建区的可选方案，f t t h 将是城市新建商务区和高档住宅区的 选择方案【l 6 j 【l7 1 。在我国，2 0 0 5 年烽火通信与武汉电信合作建设了中国第一个f t l h 商 用工程，到目前为止f t t h 试点工程已经在全国遍地开花，运营商在铺网时将投资重心 转向光纤接入网，控制铜缆投资，新建商业楼宇与住宅区原则上采用光纤覆盖【l 引。 作为实现f t t x 的p o n 技术的两大代表，e p o n 和g p o n 技术在成本投入、支持 速率等方面各有优劣。与g p o n 技术相比，e p o n 的技术门槛较低，核心芯片的设计难 度较小，目前已经有不少芯片厂商加入了e p o n 芯片设计的阵营，其产业链更成熟。目 前e p o n 的最主要市场在日本和韩国。同本大量采用e p o n 建设f t t h 网络。据统计， 截至2 0 0 8 年3 月底，日本的f t t h 用户已经达到8 8 0 万户，居世界第一位。在国内， 各大运营商已在我国各大城市开始大量使用e p o n 技术铺设f t t x 。 g p o n 在技术上更具优势，它能支持多种速率等级，可支持上下行不对称速率，与 l 引言 硕士论文 e p o n 只能支持对称单一速率相比，g p o n 的光器件选择余地更大。另外，g p o n 可支 持高达1 2 8 的分路比和长达2 0 k m 的传输距离。g p o n 在总效率和等效系统成本方面都 有相当的优势，因为它无论是在传输汇聚层还是在业务适配层的效率都是最高的。随着 g p o n 技术的逐渐成熟，欧美主流运营商的支持力度不断加大，曾经一度困扰g p o n 发 展的诸多问题，例如商用化产品少、成熟性不足、成本较高等，在芯片制造商、设备提 供商、解决方案供应商和电信运营商的共同努力下逐步得到解决。在全球宽带接入市场 尤其是欧洲和北美等市场，g p o n 正在迎来新一轮的应用热潮，规模化效应也逐渐显现 出来。对价格不太敏感但对技术有高要求的商业用户将真正成为g p o n 的用户群【l 9 1 。 g p o n 目前发展最好的地区是北美，运营商可以利用那里良好的b p o n 基础自然地 过渡到g p o n 。同时，g p o n 较e p o n 更易满足美国企业用户大量基于t d m 的专线业 务。在国内，2 0 0 8 年9 月我国信息产业部颁发了首个g p o n 设备入网证给华为，运营 商方面，中国电信在2 0 0 8 年7 月在上海进行了g p o n 设备功能验证测试，多家国内外 厂商参与测试的设备都获得了较为满意的性能指标。2 0 0 8 年我国光纤到户的成本约5 0 0 美元户，如果到2 0 1 0 年成本可以降至1 0 0 美元户，将会促进f t t h 大规模发展1 2 川。 在今后几年内，基于这两种技术的产品市场定位可能有所不同。从长远看，如果 g p o n 能够在产业化方面取得突破性进展，市场空间肯定会更大。市场调查机构h e a v y r e a d i n g 于2 0 0 8 年发布的全球f t t h 技术和市场发展报告预计，到2 0 1 2 年全球5 的家 庭将实现f 1 v r h ，g p o n 技术将在未来几年内有望成为f t t h 的主导技术，f t t h 用户 总数有望从2 0 0 0 万增至9 0 0 0 万。 目前f t t x 产业发展存在的主要问题仍然是需求动力不足，解决这个问题要求产业 链在刚性需求和成本两个方面有重大的突破。当前，f t t x 市场的发展主要依赖运营商 中长期发展规划中对宽带接入带宽的规划和设备厂商为做大产业规模在价格上的让利 等因素的推动。但这些推动力并非刚性需求，需求的紧迫性和持久性都不足以支撑f t t x 产业的快速强劲增长，因此f t t x 市场的发展还有赖于杀手锏业务的推动1 2 。 在成本方面，f r r x 设备生产迫切需要一部行业级的f t t x 建设施工规范，并需要 制定标准的f t t x 配附件，进行规模化生产，以降低成本。此外，f t t x 设备的节能也 成为运营商和设备商关注的新问题1 2 。 在国内市场的预期方面，三大全业务运营商将全面展开f 1 v r x 网络部署，这也成为 g p o n e p o n 市场快速发展最根本的动力。2 0 0 7 年底，我国f t t h 用户达到2 0 万户， 2 0 0 8 年，我国f t t x 建设规模在5 0 0 万线左右，2 0 0 9 年我国f t t x 市场建设规模将比 2 0 0 8 年扩大2 3 倍，g p o n 技术开始小规模试点应用，预计到2 0 1 0 年将进入大发展阶 段【2 l 】1 2 2 】。中国宽带光纤接入网的发展趋势可能是跨越a p o n 、b p o n 、e p o n 较快地过 渡到g p o n 阶段。 在未来5 年内，f t t x 必将成为各大运营商接入网建设的主流技术【2 ，f t t x 尤其是 4 硕士论文g p o n 系统中幕于伞部c o n t 类型的动态带宽分配算法的研究o j 仿真 f t t h 将是下一代接入网的必然选择，在各宽带运营商开始更多的关注呈高速增长的城 域网内的数据业务时，f t t h 全光接入将产生层出不穷的宽带应用以及同益庞大的用户 规模，f t t h 在全球的发展将更为迅速，而g p o n 作为主流技术之一将会获得更好的应 用前景，这势必将光通信市场推向理性发展阶段【2 3 1 。 1 2g p o n 简介 1 2 1g p o n 标准化进程 g p o n 的概念最早由f s a n 在2 0 0 1 年提出，之后在不同组织和厂商的推动下，2 0 0 3 年i t u t 批准了g p o n 标准q 9 8 4 1 和q 9 8 4 2 ，2 0 0 4 年又相继批准了g 9 8 4 3 和c t 9 8 4 4 ， 至2 0 0 5 年，g p o n 技术标准基本完成，形成了g 9 8 4 x 系列标型2 4 】。i t u t 建议g 9 8 4 所描述的光接入网可以支持数据、视频、专用线及p s t n 业务，具有传输速率高、业务 承载效率高、o a m 功能和扩展能力强等特点1 2 5 。 ( 1 ) q 9 8 4 1 标准主要规范了g p o n 系统的总体特性，具体包括光接入网的体系结构、 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【2 6 1 。 ( 2 ) g 9 8 4 2 主要规范了g p o n 系统的物理媒质相关( p m d ) 层要求。g 9 8 4 2 除了要 求下行速率为1 2 4 4 g b i t s 或2 4 8 8 g b i t s 、上行速率为1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、1 2 4 4 g b i u s 、 2 4 8 8 g b i t s 以外，还规定了在各种速率等级下光线路终端和光网络单元接口的物理特 性，提出了1 2 4 4 g b i t 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 t 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较高， 对光器件特性提出了更高要求，在p o n 中实现2 4 8 8 g b i t s 速率等级是比较难的【2 。7 1 。 ( 3 ) g 9 8 4 3 规范规定了g p o n 的传输汇聚子层、帧格式、测距机制、安全机制、动 态带宽分配( d b a ) 、操作维护管理功能等。q 9 8 4 3 通过引入一种新的传输汇聚子层， 实现了承载g p o n 封装模式g e m 业务流和a t m 业务流的承载。g e m 是一种新的封装 结构，主要用于封装那些长度可变的数据信号和t d m 业务1 2 引。 ( 4 ) g 9 8 4 4 是2 0 0 4 年6 月正式完成的，提出了对o n t 管理控制接口o m c i 的要求， 目标是实现多厂家o l t 和o n t 设备的互通性。该建议指定了协议无关的m i b 管理实 体，模拟了o l t 和o n t 之间信息交换的过程。其中，o n t 是指用于f t t h 并具有用户 端口功能的o n u t 列j 。 g p o n 标准是由运营商主导的，因而更符合运营商的业务运营需求。f s a n 从一开 始就着眼于多业务的接入，并致力于制定能同时支持语音、数据和视频等业务的光接入 解决方案和相关的设备标准。欧洲的法国电信、英国电信、意大利电信、德国电信一直 是f s a n 的主要参与者，并与其他主流运营商如v e r i z o n 、a t & t 等一起制定了g p o n 的通用技术规范，以期通过共同的技术实现方式来降低设备价格，推动产业发展【3 0 1 。 硕上论文 1 2 2g p o n 协议参考模型 g p o n 的协议参考模型如图1 1 所示。g p o n 由控n 管理平面( c m 平面) 和用户平 面( u 平面) 组成。c m 平面管理用户数据流，完成安全加密等o a m 功能；u 平面完成 用户数据流的传输。用户平面分为物理媒介相关子层( p m d ) 、g p o n 传输汇聚子层( g t c ) 和高层【10 1 。 管理甲面 国产甲面 高层 g t c 适配子层 g t c 成帧子层 物理媒质相关子层 图i 1g p o n 系统协议栈 g p o n 的技术特征主要体现在g t c 层。g t c 层进一步细分为成帧子层和适配子层。 g t c 成帧子层完成g t c 帧的封装，所要求的光分配网络的传输功能、光分配网络的特 定功能( 如带宽分配) 也在成帧子层完成。适配子层提供协议数据单元( p d u ) 与高层实 体的接口。a t m 和g e m 信息在各自的适配子层完成服务数据单元( s d u ) 与p d u 的转换。 操作管理通信接口适配子层高于a t m 和g e m 适配子层，它识别v p i v c i 和p o r t i d ， 并完成o m c i 通道数据与高层实体的交换。g p o n 的分层结构如下图1 2 所示。 6 高层各种用户业务 o m c i 适配子层：识别v p i v c i 和 p o r t - i d 。提供该通道数据和高层实体 的交换 适配子层 a t m 适配子层g e m 适配了层 传传输汇聚层 a t ms d u 与p d n 的g e ms d u 与p d u 的 输 ( t c 层) 转换转换 测距 媒 上行时隙分配 质 成帧子层 带宽分配 层 保密和安全 保护倒；特 e 0 适配 物理媒质层( p m i ) 层) 波分复用 光纤连接 图1 2 g p o n 分层结构 域i - 论i g p o n 系统中* 十争部t _ c o n f 类型的动态带m 丹e 算泣究，仿真 1 2 3g p o n 的网络结构与技术指标 g p o n 网络结构如图i3 所示，由o n u 、o l t 和无源光分配网( o d n ) 组成。o l t 具有集中带宽分配、控制备o n u 、实时监控、运行维护管理p o n 系统的功能，是p o n 系统的核心功能设各，它通过o d n 与各o n u 连接。o n u 为接入网提供用户侧的接口， 提供话音、数掘、视频等多业务流与o d n 的接入，受o l t 集中控制。g p o n 可使用波 分复用( w d n ) 技术在同一根光纤r 实现信号的双向传输，还可以在传统的树型拓扑的基 础t 采用相应的p o n 保护结构术提高网络的生存性1 3 1 - 3 3 j 。 国固 。“d 秘 e 炉 q 视频服务 核心网接 网 川户驻地嘲 翻13 g p o n 系统网络结构 o l t - 光线路终端o n u 光网络单元o n t - 光网络终端n t - 网络终端 g p o n 町应用于f t t h 、f t t b c 和f t t c a b 等典型应用场合。f t t b c 和f t t c a b 的o n u 都不在用户家中，可以用数字用户线技术( d s l ) 完成与用户的连接。这二种结构 下g p o n 所支持的业务有所不同。g 9 8 43 主要针对f t t h ，没有进行有关x d s l 的规范。 根据标准，g p o n 可提供从1 5 55 2 m b i v s ，到12 4 4 g b i t j s ，直至24 8 8 g b i t s 的多种 l 下行速率，支持多种对称和t l i x , t 称的上f 行速牢组合。其余技术指标如表11 所示。 随着光收发模块的发展演进t c 层支持的分路比可以为l ：】6 、l ：3 2 、1 ：6 4 乃卒1 ：1 2 8 “1 表g p o n 的技术指标 类别说明 服舟和q o s 肚能 全业务 物理距离最人2 0 k m 逻辑距离最大6 0 k i n ( 通过删距协议) 分支数日物理层6 4 个。t c 层1 2 8 个 f 行：1 4 8 0 15 0 0 n m 波k 分配 e 行1 2 6 0 13 6 0 r i m 视频：1 5 5 0 15 6 0 n m ；宁l中 宁! 1 引言 硕上论文 1 3 课题研究的目标与内容 1 3 1 课题研究的意义 虽然e p o n 起步较早，其产业成熟度和商用规模暂时领先g p o n ，但g p o n 在带 宽效率和线路速率、业务支持能力和服务质量、网管能力和互通性能、安全特性等方面 具有e p o n 无可比拟的优势【l0 1 。g p o n 相对e p o n 也不再有成本瓶颈，在互通性问题 上比e p o n 更好，已通过2 0 0 8 年1 2 月f s a n 组织的互通测试，今年9 月全球范围内的 互通规范会最终确定。因此全球运营商的p o n 网络部署策略现已开始偏向g p o n ， g p o n 全球投资额在2 0 0 8 年已经超过了e p o n ，预计在2 0 1 2 年将达到4 倍于e p o n 的 投资规模【35 1 。所以，g p o n 关键技术的研究对接入网光纤化和全光网络的实现具有非常 重要的现实意义。 g p o n 网络中，一个o l t 与多个o n u 相连接，形成了多点竞争的共享网络结构。 在上行链路上，目前g p o n 网络中采用f d m a 、w d m a 、c d m a 三种接入方式存在成 本高、实现复杂、信道容量固定、信道间干扰等问题，因此g p o n 现多采用时分多址 ( t d m a ) 接入方式【l0 1 ，即将上行带宽分成若干时隙，分配给每个o n u 分别使用。给 每个o n u 分配的带宽可以是固定的或动态可变的。 带宽分配的方式主要有静态和动态两种。静态带宽分配( s b a ) 实现简单，它按照事 先预定的带宽进行初始配置，不管实际的网络状况如何运行期间该值都保持不变。因此 s b a 不能实现带宽的统计复用，带宽利用率低。在网络业务流量具有突发特性时，即使 整个网络负载很低，s b a 也可能会使某些o n u 的某些时隙产生“溢出”现象，导致分 组传送延迟；而整个网络负载较高时，s b a 可能造成上行链路某些时隙无法充分利用。 为了有效支持多媒体业务，g p o n 致力于提供更高的数据传输效率和业务等级。因 此，为了提高带宽利用率，降低分组时延，保证用户的q o s 【3 引，在g p o n 中引入动态 带宽分配机制是十分必要的。动态带宽分配( d b a ) 是一种在毫秒微秒的数量级下动态 分配上行带宽的机制，带宽利用率高，能完成基于统计复用的t d m a 。o l t 根据即时 的网络拥塞状况给每个o n u 逐个分配带宽，每周期更新一次【3 7 1 。 d b a 技术使不同类别的业务在各种不等比例下组合，更均匀、合理地利用带宽， 缩小了带宽利用率的变化范围，降低了突发接收发射时各种因素引起的带宽浪费，使系 统带宽利用率高而稳，节约成本，同时也使g p o n 网络的网管功能得到的增强和丰富。 d b a 本身具备的灵活性为进行服务等级协议( s l a ) 提供了很好的实现途径。g p o n 系统一个o l t 最多可连接1 2 8 个o n u ，这些o n u 面对不同级别的用户，根据用户的 服务等级协议研究d b a 算法，能保证重要用户的带宽使用。 g 9 8 4 3 建议中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，因此对m a c 协议带 8 硕士论文g p o n 系统中基于全部t - c o n t 类型的动态带宽分配算法的研究与仿真 宽分配算法的研究具有现实意义p 引。 1 3 2 本论文的主要工作 研究g p o n 相关标准i t u tg 9 8 4 协议对g p o n 的规范，掌握相关特性指标、系统 结构、及关键技术等知识；研究g p o n 的特点，比较g p o n 较其它p o n 技术的优势， 说明g p o n 技术研究的意义，同时从g p o n 技术和设备的市场应用情况和发展前景、 关键技术对g p o n 性能的影响方面通过研究说明研究d b a 算法的意义。 对d b a 的早期标准进行研究( 主要是g 9 8 3 系列标准协议对t - c o n t 的建议) ，介 绍了g p o n 的m a c 协议，对动态带宽分配的关键概念和实现原理进行了深入的研究， 并对现行已有的p o n 动态带宽分配算法进行归纳，分析了有借鉴意义的算法，总结它 们的特点；描述改进的动态带宽分配算法，使用合适