（通信与信息系统专业论文）epon系统中基于qos的两层动态带宽分配算法的研究.pdf

摘要 近年来，通信网的主干部分发生了巨大的变化，但在接入网部分却进展缓 慢。由于光纤具有传输频带宽、容量大、抗干扰能力强等优点，非常适合作为 高速、宽带业务的传输媒体。结合i p 传输和p o n 透明宽带传送能力优势的以太无 源光接入网( e p o n ) 系统被认为是实现未来宽带接入乃至最终实现f t t h 的主要 手段。e p o n 中上行接入及动态带宽分配对提高系统的服务质量，改进e p o n 系统 时延及以太网帧丢失率等性能指标有着重要的意义，是e p o n 系统的核心关键技 术之一。目前，针对e p o n 的帧结构、带宽分配与性能分析以及如何实现服务质 量( q o s ) 保证等问题正成为国内外的研究热点。 本论文主要对e p o n 上行信道带宽动态分配技术进行了研究。本文首先介绍 了接入网的发展现状和趋势、几种光接入网比较，然后从e p o n 系统的定义出发， 阐明了e p o n 系统的结构和工作原理，上下行帧结构，分析了e p o n 的技术特点以 及几项e p o n 的关键技术。论文在详细分析了e p o n 上行接入技术中各种带宽分配 策略的特点基础上，提出了一种基于信用度的两层动态带宽分配算法，将带宽 分配分为i n t r a o n u 和i n t e r - o n u 两层，在i n t r a - o n u 层采用基于信用度的预测分 配算法，在i n t e r - o n u 层主要针对不同等级的业务流采用不同的传输带宽。建立 了相应的数学模型，并对其性能进行了分析。新算法，与m p c p 协议相结合，通过 g r a n t r e p o r t 机制，完成o l t 和o n u 之间接入控制。该算法可以动态更新传输窗 口大小，以适应网络负载的变化响应数据流的突发，并且规定最大开窗大小， 保证所有的o n u 公平地共享网络带宽资源。最后本文利用先进的网络仿真工具 o p n e t ，建立了e p o n 网络上行信道m a c 控制子层t d m a 模型，在基本模型的基础上 引入新的算法动态带宽分配机制。所有的仿真模型都是建立在有限状态机的基 础上，通过与其他算法进行分析比较，该算法有效的提高了带宽利用率，降低 了中低优先级的平均包延时。 关键词：以太无源光网络( e p o n ) ；动态带宽分配；上行接入；服务质量 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r eg r e a tc h a n g e si nt h eb a c k b o n ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，b u tl i t t l ep r o g r e s si nt h ea c c e s sn e t w o r k t h ef i b e rh a st h ea d v a n t a g e so f b r o a db a n d w i d t h , h u g ec a p a b i l i t y ，p o w e r f u li n t e r f e r e n c er e j e c t i o ne t c ，w h i c hs u i t sv e r y m u c ha st h et r a n s m i s s i o nm e d i u mo fh i g h s p e e db r o a d b a n dn e t w o r k t h i n k i n go ft h e a c t u a l i t yo f t h ei pn e t w o r ka n dt h ea b i l i t yo f p o nt r a n s p o r t ，e p o n ( e t h e m e tp a s s a v e o p t i c a ln e t w o r k ) w i l lb eo n eo ft h em a i ns o l u t i o n st oi m p l e m e n tf u t u r eb r o a d b a n d a c c e s sn e t w o r k e v e nb et h ef i n a lt e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tf 1 r h u p s t r e a ma c c e s s a n dd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o nw h i c hh a v ei m p o r t a n tm e a n i n gi nr a i s i n gt h e s e r v i c eq u a l i t yo fe p o na n dr e d u c i n gp a c k e td e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e r so n eo fk e y c r u c i a lt e c h n o l o g i e so fe p o ns y s t e m n o w ，a c c o r d i n gt of u n c t i o n , t h es t r u c t u r a la n d b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fe p o n ，a n dh o wt or e a l i z e q o sg u a r a n t e ea r eb e c o m i n gd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hh o ts p o t s t h er e s e a r c hi sm a i n l yf o c u s e do nt h ed y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m e so f e p o nu p s t r e a mc h a n n e l f i r s t l yt h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ea c c e s s n e t w o r k ，s o m ek i n d so f c o m p a r i s o no f o p t i c a la c c e s sn e t w o r k t h e nf r o md e f i n i t i o no f e p o ns y s t e m ，w ei l l u m i n a t es t r u c t u r eo fe p o ns y s t e ma n do p e r a t i o np r i n c i p l e ，u p a n dd o w nf l a m e ，a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dk e yt e c h n i q u e so fe p o n t h e n ， m a i n l ya n a l y z ee p o no nu p s t r e a ma c c e s st e c h n o l o g ya n db a n d w i d t hd i s t r i b u t i o n s t r a t e g y a n a l y z i n gi n d e t a i lt h ec h a r a c t e r i s t i co fv a r i o u sb a n d w i d t hd i s t r i b u t i o n s c h e m e s ，w ep u tf o r w a r dak i n do ft w ol e v e ld y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m e b a s e do nc r e d i td e g r e e ，d i v i d e dd y n a m i cb a n d w i d t ha si n t r a - o n ul e v e la n d i n t e r - o n ul e v e l ，a d o p ta l l o c a t i o ns c h e m eb a s e do nc r e d i td e g r e ei ni n t r a - o n ul e v e l a n da d o p td i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hf r o md i f f e r e n tf l o w si ni n t e r - o n ul e v e l w ee s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n gm a t h sm o d e la n da n a l y z ei t sf u n c t i o n o u rn e wa l g o r i t h m c o m b i n i n gw i mm p c pp r o t o c o la n dg r a n t r e p o r tm e c h a n i s m f i n i s ha c c e s s c o n t r o lb e t w e e no l ta n do n u t h i sa l g o r i t h mc a nd y n a m i c a l l ya d j u s tt r a n s m i s s i o n w i n d o ws i z ea n dd e c i d et h em a x i m a ls i z eo ft h ew i n d o w i ti sm o r ee f f i c i e n ti n u t i l i z i n gt h eu p s t r e a mb a n d w i d t hr e s o u r c e s i nt h i sp a p e r ，w ef i r s te s t a b l i s he p o n n e t w o r ku s i n ga d v a n c e dn e t w o r ks i m u l a t i o nt o o lo p n e to nu p s t r e a mc h a n n e lm a c c o n t r o ls u b - l a y e rb a s e do nt d m am o d e l o nt h ef o u n d a t i o no fb a s i cm o d e l ，w e i n c r e a s en e wa l g o r i t h mo fd e v e l o p m e n tb a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l lt h ee m u l a t i o n sa r e b a s e do nt h ef i n i t es t a t em a c h i n em o d e l c o m p a r i n gw i t l lo t h e rt r a d i t i o n a la l g o r i t h m s ， t h en e w a l g o r i t h mi 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 he f f e c t i v e l ya n dr e d u c et h e a v e r a g ep a c k e td e l a yo f m i d d l ea n dl o wp f i o f i t ) r k e yw o r d s ：e p o n ；d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ；u p s t r e a ma c c e s s ；q o s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘逛盘茎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。 学位论文作者签名：长号签字日期：沙。乡年乡月行日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：长弓 签字日期：西。g 年占月西日 导师签名：乏厶心剀导师签名：乏卅卜1 多乞坤 签字日期。z 卯产占月即日 第一章概述 第一章概述 1 1 引言 通信网络由传输网和交换网组成，而传输网又可进一步分为核心网和接入 网。近年来，通信核心网络技术发展迅速，人们对高速数据、高质量视频通信等 宽带业务的需求日益迫切。w d m 、d w d m 等技术的应用，将核心网的带宽提高到 t b p s 的数量级；高速以太网技术使得局域网的容量达至u l o g b p s 。与之相反，与 用户联系最密切的接入网却由于受到技术、设备、成本等各种因素影响，发展 缓慢，接入速率依旧停留在m b p s ，不能为传输网和交换网提供足够的数据量， 成为制约整个网络性能的“瓶颈”，这就是通常称作的“最后一公里”的问题。 接入的网络化、数字化、宽带化、智能化是解决当前网络矛盾，提高网络利用 率的关键问题。如何解决好这被称为“最后一公里”的通信问题，成为国际高 新技术所关注的焦点。 1 2 接入网概述 国际电联给接入网下了具体的定义：接入网( a n ：a c c e s sn e t w o r k ) 是由业 务节点接口( s n i ) 和用户节点接口( u n i ) 之间一系列传送实体( 例如线路设施和 传输设施) 组成。为传送电信业务提供所需传送承载能力的实施系统，可经由q 3 接口进行配置和管理，其中的传送实体可提供必要的传送承载能力，对用户信 令是透明的。 1 2 1 主流宽带接入技术 目前宽带接入技术层出不穷，主流技术有以下这些乜m 帕： ( 1 ) 基于铜线的接入网 这种方式主要目的是充分利用现有的铜线资源。采用先进的数字信号处理 技术来提高双绞线对的传输容量，向用户提供各种接入手段。在光纤接入网尚 未形成或经济条件不允许时，选择x d s l 接入技术，满足接入甚至宽带接入的需 要。 d s l ( 数字用户线路，d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 包括h d s l ，a d s l ，v d s l 等 技术，一般称之为x d s l 。它们主要的区别就是体现在信号传输速度和距离的不 同以及上行速率和下行速率对称性的不同这两方面。 高速数字用户环路h d s l 是x d s l 技术中最成熟的一种。它采用高速自适应数 字滤波技术和先进的信号处理器，进行线路均衡，消除线路串音，实现回波抑 制，设计、安装和维护方便、简捷，支持n x 6 4 k b i t s 等各种速率，传输距离可 第一章概述 达3 - 1 0 k m ，广泛适用于移动通信基站中继、无线寻呼中继、视频会议、i s d n 基 群接入、远端用户线单元( r l u ) 中继以及计算机局域网互联等业务。 非对称数字用户环路( a d s l ) 技术，即用户线的上行速率和下行速率不同， 上行速率较低，下行速率则比较高，特别适合传输多媒体信息业务。a d s l 的典 型的上行速率为1 6 6 4 0 k b i t s ，下行速率为1 5 4 4 8 1 9 2 f o i t s ，传输距离为 3 - 6 k m ，在未来几年内，a d s l 接入技术仍会是终端用户最主要的宽带接入方式。 超高速数字用户环路( v d s l ) 技术也是一种非对称的数字用户环路技术，采 用频分复用方式，将上、下行信号放在不同的频段传输，典型速率上行 1 6 - 2 3 m b i t s ，下行1 2 9 6 5 5 2 m b i t s ( 目前最高达到1 5 5 m b i t s ) ，但传输距 离比a d s l 短得多，典型的传输距离为0 3 - 1 5 k m 。由于v d s l 的传输距离比较短， 因此特别适合于光纤接入网中与用户相连接的最后“一公里”。v d s l 可同时传 送多种宽带业务，如高清晰度电视( h d t v ) ，清晰度图像通信以及可视化计算等。 但我们应该看出，由于铜线的技术固有的不足有限的带宽，当信息量 进一步增大，高清晰度图像业务、多媒体业务进一步普及和发展时，基于铜线 的接入技术的带宽瓶颈效应将暴露出来。因此，基于铜线的技术并非长久之计。 不过在基于光纤的接入网发展成熟及普及之前，它仍会长时间是家庭宽带接入 的主流技术。 ( 2 ) 混合光纤同轴( h f c ) 接入技术 为了解决终端用户通过普通电话线入网速率较低的问题，人们尝试利用目 前覆盖范围广、具有很大带宽的c a t v 网络。h f c 接入技术就是以现有的c a t v 网络 为基础，采用模拟频分复用技术，综合应用模拟和数字传输技术、射频技术和 计算机技术所产生的一种宽带接入网技术。h f c 网络由光纤和同轴电缆组成，同 轴电缆采用树型结构，通过分支器连接到终端用户，所有连接到光节点的用户 共享一条光纤线路。h f c 技术可以统一提供c a t v 、话音、数据及其他一些交互业 务，由于c a t v 网络覆盖范围已经很广泛，而且同轴的带宽比铜线的带宽要宽得 多，因此h f c 是一种相对比较经济、高性能的宽带接入方案，是光纤逐步推向用 户的一种经济的演变策略。 不过h f c 接入技术的应用也有一些需要解决的问题，首先，原有的c a t v 网络 只提供广播业务，大都为单向网络，为实现双向通信，需要有双向分配放大器、 双向滤波器、双向干线放大器等。其次，h f c 接入系统为树型结构，同轴的带宽 是所有用户公用的，且还有部分带宽要用于传送电视节目，用于数据通信的 带宽受到限制，目前一般一个同轴网络内至多连接s 0 0 个用户。再者，h f c 网络 的安全保密性，系统健壮性以及价格等问题也有待进一步解决和完善。在我国 开展h f c 接入，还有一个经营体制的问题，需要打破行业界限。 第一章概述 ( 3 ) 基于无线技术的接入网 由于某些紧急情况或受地理环境等因素制约下，敷设有线传输线工期长、 难度很大，此时可考虑采用无线接入技术。宽带无线接入技术主要有l m d s 和d b s 卫星接入技术。 本地多点分配业务( l m d s ) 是近年来逐渐发展起来的一种工作于2 4 g h z 一 3 8 g h z 频段的宽带无线点对多点接入技术。该技术利用毫米波传输，可提供双向 话音、数据及视频图像业务，可以实现n x 6 4 k b i t s 到2 m b i t s 、甚至1 5 5 m b i t s 的用户接入速率，具有很高的可靠性，号称是一种“无线光纤”接入技术。该 技术可使宽带业务克服铜线电缆本地环路这一瓶颈，满足用户对高速因特网和 数据通信日益增长的需求。其缺点是传输距离只有3 - 5 k m ，且受外界气候因素的 影响较大。 d b s 技术也叫数字直播卫星接入技术，该技术利用位于地球同步轨道的通信 卫星将高速广播数据送到用户的接收天线。其特点是通信距离远、费用与距离 无关、覆盖面积大且不受地理条件限制，频带宽、容量大，适用于多业务传输， 可为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动灵活的移动通信服务 等。但它的下行带宽为4 0 0 k b s ，上行为3 3 6 k b s 是无法满足宽带接入的要求的。 因此这两种无线接入方案不会成为接入的主流技术。 ( 4 ) 基于光纤的接入网 光纤接入网是指在接入网中采用光纤作为主要的传输媒质来实现信息传送 的网络形式。 我们所探讨的接入网主要是从用户的家庭或住宅区、商业区如何来接入到 主干网络中。现在用户家庭的接入主要利用基于铜线的解决方案，但光纤无穷 的带宽潜力和远距离的传送能力、安全可靠的传输性能却是其它传输媒质所无 法比拟的。 人们很早就提出了光纤到户( f t t h ) 的设想，即将光纤一直铺设到用户家庭。 从长远来看，光纤巨大带宽的传输能力使其成为理想的传输媒质，但f t t h 的构 造成本太大，现在还不到时机。其一，广大用户要承担光纤到户的安装费用， 包括铺设光缆的费用和安装在用户家中的光端机等接口设备的费用，以及交给 电信公司的月租费等。其二，现在很多用户还不迫切需要使用这样大的带宽。 目前i n t e r n e t 或各地区信息网络所能够提供的信息也并非必须使用光纤。但随 着信息量的增加，信息服务种类的增多，f t t h 应是今后的一个发展方向。在向 卯t h 迈进的过程中，我们只能一步一步迈进，将光纤一步一步推向用户侧，人 们提出了光纤到办公室( f t t o ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到小区( f t t z ) 、光纤 到路边( f t t e ) 的解决方案，最终f t t h 演进“。 第一章概述 1 2 2 接入网发展趋势 随着社会和技术的进步，信息技术发展的大趋势是电话、计算机、电视三 种技术、产业乃至网络的融合，即三网合一。它表现为业务层互相渗透交叉， 应用层使用统一的通信协议，网络层互联互通，技术上趋向一致。 从业务上分析，受这种大潮的推动，接入网的发展目标是建立一个全业务 接入网( f s a n ) ，它不仅能支持窄带、宽带以及交互式宽带业务，而且还能支持 目前尚未定义的一些新业务，以满足用户的各种业务需求。 从技术上分析，伴随着各种接入技术的发展，有线接入网的发展方向必然 是数字化、宽带化、光纤化。这也是用户日益增长的通信需求驱动的结果。数 字化的宽带光纤接入网将是市场导向和技术发展的必然结果。 同时由于因特网的飞速发展，用户对i p 业务接入的需求空前高涨。因为以 太网接入技术在各方面所具有的优越性，尤其是无缝传输i p 数据的能力、带宽 可扩展性和应用的普及性等强大的优势，决定了以太网接入技术必然是接入网 技术近期发展的热点和重点。 1 3 光纤接入网 1 3 1 光接入网概况 所谓光接入网( o a n ) 就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远 端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，o a n 指采用 基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来应能 以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。i t u 建议g 9 8 2 提出了一 个与业务和应用无关的光接入网功能参考配置，如图1 1 所示。 光纤接入系统的主要组成部分是光链路终端( o l t ，o p t i c a ll i n kt e r m i n a l ) 和远端光网络单元( o n u ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 。它们在整个接入网中主要完 成从业务节点接口( s n i ，s e r v i c en o d ei n t e r f a c e ) 到用户网络接口( u n i ，u s e r n e t w o r ki n t e r f a c e ) 之间的有关信令协议的转换。o d n 为光分路合路器。接入 设备本身还具备组网能力，可以组成多种形式的网络拓扑结构。同时接入设备 还具备本地维护和远程集中监控功能，通过透明的光传输形成一个维护管理网， 并通过相应网管中心统一管理。 适配功能( a f ) 为用户和o n u 提供适配功能，它可以包含在o n u 内，也可以是 独立的( 提供最后的引入线上的传输功能) 。 第一章概述 用 图1 1 光接入网功能参考配置1 1 采用光接入网的最基本目的有以下几个： 1 首先是为了减少接入网的维护运行费用并降低故障率。由于铜缆网的故 障率很高，特别是其中的配线网部分是主要故障段，维护运行成本也很高，采 用光接人网后，故障率也会大大降低，从而大大降低了每年的维护运行费用。 2 其次是为了支持开发新业务，特别是多媒体和宽带新业务，从而增加竞 争力，增加新业务收入，补偿建设光接入网所需的投资。近年来由于光器件价 格的持续稳定下降和铜缆价格的持续上升，光接入网的初装费用也已经到了可 以与传统铜缆网相比的程度，在传输距离约为2 - 3 公里以上时已低于传统铜缆 网。 3 引入光接入网后，传输距离可以大大延长，大量的小型交换机和远端交 换模块可以逐步减少，整个电信网可以向节点数较少、覆盖区较大、结构更加 简单的方向演进，特别是宽带业务网的结构需要朝这一方向发展。 4 最后，引入光接入网后，特别是f t t c f t t b 以后，剩下的双绞线或同轴 电缆的距离已经很短，这就使宽带业务的传送成为可能，这样将光纤和现有双 绞线和同轴电缆结合可以充分利用现有的巨大网络投资，提供一种经济的宽带 混合接入网。 除了述基本目标外，采用光纤接入网可以满足用户希望较快提供业务，改 进业务质量和可用性的要求，总带宽可以在用户之间重新分配而不影响业务， 第一章概述 也可以节约城市拥挤不堪的地下管道空间，延长传输覆盖距离。总之，采用光 接入网己经成为解决电信网发展瓶颈的重要途径。 1 3 2 无源光接入网 根据接入网室外传输设施中是否含有源设备，o a n 可以划分为无源光网络 ( p o n ) 和有源光网络( a o n ) ，前者采用光分路器分路。后者采用电复用器分路， 多数国家和国际电联标准部( i t u - t ) 更注重推动p o n 的发展。不少国家已开始 或准备在接入网中大量引入o a n 系统，其中德国走得最快。目前商用的p o n 系统 主要是窄带p o n ( 2 m b s 以下业务) 。 p o n 的结构主要由网络侧中心机房局端系统的光线路终端( o l t ) 、馈线光 纤、无源光分路器( p o s ，p a s s i v eo p t i e a ls p l i t t e r ) 、用户线光纤、用户侧 终端光网络单元( o u n ) 组成，其中，由馈线光纤、p o s 用户线光纤组成光分配 网络( o d n ) 。对于下行传输，采用基于时分复用的广播方式，由无源光分路器 把由馈线光纤输入的光信号按功率平均分配到若干输出用户线光纤上，一般有 l ：1 6 、1 ：3 2 或1 ：6 4 三种分配方案。对于上行传输，采用时分多址接入方式， 由p o s 把由用户线光纤上传的光信号耦合到馈线光纤并传输至o l t 。整个系统可 以同时传送话音、数据和视频信号。 按承载的内容来分类，p o n 技术主要包括以a t m 为基础的无源光网络( a p o n ) ， 宽带无源光网络( b p o n ) 、以太网无源光网络( e p o n ) 以及最近出现的千兆以 太网无源光网络( g p o n ) 。在3 种主流的p o n 技术中，a p o n b p o n 是比较成熟的技 术，e p o n 是2 0 0 1 年推出的技术，而g p o n 的标准于2 0 0 3 年1 月才通过“。 a p o n 下行传输的是连续的a t m 信元流，每个a t m 信元含5 3 个字节，下行方向 采用的是时分复用的广播方式，每个o u n 都将收到所有的帧，它们可以自主地从 相应时隙中取出属于自己的信元。 a p o n 上行传输的是突发模式的a t m 信元。为了实现无冲突的、有效的上行接 入，保证各个o u n 的上行信号都能完整地到达o l t ，g 9 8 3 建议采用时分多址( t d m a ) 的上行接入控制。这样，a p o n 必须对各个o u n 进行测距，并根据不同的延时进行 协调。为了实现同步，上行帧中的每个信元由5 6 个字节组成，其中，3 个字节的 开销用于同步，防卫时间用于防止微小的相位漂移损伤信号，前置比特图案则 用于同步获取，o l t 必须在收到o u n 上行突发的前几个比特内实现b 特同步，才 能恢复o u n 的信号。 目前，a p o n 的上行和下行速率都可达至u 1 5 5 m b i t s ，非对称应用时下行方向 的速率可达至u 6 2 2 m b i t s 。 e p o n 发展的主要原因是：i p 技术在骨干网和城域网中逐渐占主导地位。e p o n 第一章概述 系统中，数据以i e e e 8 0 2 3 帧格式的变长信息包从o l t 经过p o s 下行广播到多个 o u n ，每个信息包都带有一个标题，唯一标识该信息发给某个o u n 。上行方向中， 数据从各o u n 经过p o s 汇聚至u o l t 。采用时分复用的t d m a t d m - e p o n ，其传输距离 最远可达2 0 k m ，一根光纤最多可支持6 4 个用户，总带宽为6 2 2 m b i t s 到 2 4 g m b i t s 。 a p o n ( 或b p o n ) 的帧结构是基于a t m 格式的封装；e p o n 的帧结构是基于以太 网( e t h e r n e t ) 格式的封装；而g p o n 的帧结构不基于任何指定类型的格式，它 是一种基于各种用户信号原有格式的封装，所以，g p o n 也被称为“t h en a t i v e m o d ep o n ”( 原型p o n ) 。g p o n 是f s a n 组织提出的一种速率高达2 4 g b i t s s 、能 以原有格式和极高的效率( 9 0 9 6 以上) 传送包括话音、以太网、a t m 、租用线等 多种业务的技术。g p o n 的主要技术特点是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，为高层用户信号业务流和传输网络提供一种通用的适配机制；另一 方面又保持了g 9 8 3 中与p o n 协议没有直接关系的许多功能特性，如o a m 管理、d b a 等。这里，传输网络可以是多种类型，如s o n e t s d h 和i t utg 7 0 9 ( o t n ) ；用户 信号可以是基于分组的( 女i i p p p p ，或e t h e r n e tm a c ) ，或是持续的比特速率， 或者是其它类型的信号；而6 f p 贝u 对不同业务提供通用、高效、简单的方法进行 封装，经由同步的网络传输；因为使用标准的8 k h z ( 1 2 5 p s ) 帧，从而能够直接 支持t d m 业务。 总结起来，e p o n 相对于现有类似技术的优势主要体现在以下几个方面”： ( 1 ) 与现有以太网的兼容性：e p o n 的基本做法是在g 9 8 3 的基础上，设法保 留a p o n ( a t mp o n ) 的精华部分物理层p o n ，而用以太网代替a t m 作为数据链路 层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体。 这一思想已经在以太网界获得了积极响应。以太网技术，是迄今为止最成功和 成熟的局域网技术。e p o n 只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充，基本上是与 其兼容的。 ( 2 ) 高带宽：根据目前的讨论，e p o n 的下行信道为百兆千兆的广播方式， 而上行信道为用户共享的百兆千兆信道。这比目前的接入方式，如m o d e m 、 i s d n 、 d s l 甚至a p o n ( 下行6 2 2 1 5 5 m b p s ，上行共享1 5 5 m b p s ) 都要高得多。 ( 3 ) 低成本：e p o n 提供较大的带宽和较低的用户设备成本。 首先，由于采用p o n 的结构，e p o n 网络中减少了大量的光纤和光器件以及维 护的成本。降低了预先支付的设备资金和与s o n e t 及a t m 有关的运行成本。无需 租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此可有效节省运营维护 成本。 第一章概述 其次，以太网本身的价格优势，如廉价的器件和安装维护使e p o n 具有a p o n 所无法比拟的低成本。 再次，由于光电子器件的成本不断降低，e p o n 的每线设备接入成本已可与 a d s l 、c a b l em o d e m 相比，特别是目前光纤的价格比电缆还低，这些条件都成为 f t t h 发展的基础。 ( 4 ) 支持多种业务：由于e p o n 系统建立在i p 的技术上，因此，e p o n 系统支持 各种以i p 技术为基础的网络服务，使电视网、电信网、互联网( 三网) 的融合 也成为现实。 ( 5 ) 高的接入可靠性：整个光传输通道为光纤和无源光器件，可以有效避免 电磁干扰和雷电影响，保证信号传输质量。 ( 6 ) 便于管理：通用性好，免去了i p 数据传输的协议和格式转换，效率高， 管理简单。对业务透明，便于系统升级、管理和引进新业务。 1 4 本论文完成的主要工作 本论文的研究工作旨在研究以太网技术与无源光网络结合过程中的部分关 键技术，详细分析了以太帧在传播过程中测距过程，突发接收模式的比较；在 对上行的多址接入技术进行详尽的分析的基础上，在带宽分配算法上基于轮询 算法和数据流优先级服务的思想，提出了一种基于信用度的两层动态带宽分配 算法，在o n u 之间采用基于信用度的预测方式，来调度各个o n u 之间的带宽分配。 在o n u 内部针对不同的业务的时延特性，将业务流分为三个优先级，以保证对高 优先级提供更好的o o s 。建立了相应的数学模型，并对其性能进行了分析。 基于描述的e p o n 网络和上行带宽分配算法，建立o p n e t 仿真模型。通过仿真 设计，验证模型的有效性和正确性，井在模型上使用新算法进行仿真。论文对 仿真结果进行分析。分析结果表明新的算法无论在平均包延时、带宽利用率以 及公平性等重要指标上都表现出较好的性能，同时也对新算法和其他现存的算 法进行了比较。此算法可以被应用到实际网络设备中向光纤到户的用户提供保 证服务质量( q o s ) 的服务。 第二章 以太无源光网络系统结构和关键技术 第二章以太无源光网络系统结构和关键技术 本章主要阐述了以太无源光网络的网络结构、工作原理、关键技术、难点、 网络技术的演化问题等问题。 2 1e p o n 与其它网络的区别 早在1 9 9 8 年i t u l 在g 9 8 3 1 建议中对“基于无源光网络( p o n ) 的宽带光接入 网”b p a t mp o n 做出了详尽的规范。a p o n 接入网系统下行传输速率最高仅为 6 2 2 m b i t s ，随着p o n 分光比的增加，光网络单元( o n u ) 数也随之增多，每个o n u 所用带宽十分有限。i n t e r n e t 的普及使得i p 技术成为网络的主导技术，而a t mp o n 固有的与i p 技术的不相容性使得有限的网络资源造成了极大的浪费，而且a p o n 设备复杂昂贵。为此人们将目光转移到让m a c 帧直接在p o n 上高速传输的 e t h e r n e tp o n 上，即以太无源光网络。i e e e8 0 2 3 工作组把人们以前熟知的“最 后1 英里”接入网络段改称为“第1 英里”( t h ef i r s tm i l e ) ，并在2 0 0 0 年1 1 月成 立了e f m ( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ) 研究小组，于2 0 0 1 年7 月开始制定i e e e 8 0 2 3 a he f m 标准。该组织对民用及商用e p o n 接入网进行了研究，目的是在现有 的i e e e 8 0 2 3 协议的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太 帧。为实现这一目的，工作组对e p o n 的目标、优势及关键技术问题进行了初步 讨论，其传输速率上下行同为1 2 5 g b s 。2 0 0 4 年6 月e p o n 标准8 0 2 3 a h 被批准， 其标准化建议i e e e s 0 2 3 a h “1 主要定义以下四方面内容： ( 1 ) e t h e r n e t 基于铜线； ( 2 ) e t h e r n e t 基于点到点( p 2 p ) 光纤； ( 3 ) e t h e r n e t 基于点到多点( p 2 m p ) 光纤： ( 4 ) 网络操作、控制管理和维护( 0 a m ，o p e r a t i o n sa d m i n i s t r a t i o na n d m a i n t e n a n c e ) ，其中点对多点( p 2 m p ) 是在e p o n 基本拓扑结构下，对 其较底层网络物理层( p h y ) 和m a c 层的讨论。 e p o n 与传统的以太网的不同有： 第一，以太网一般采用共享介质或点对点的传输。而e p o n 典型的物理拓扑 结构是树形，下行方向( 从局端到用户侧) 是点到多点，上行方向( 从用户侧 到局端) 是多点到点。 第二，在传输方式上，光以太网是点到点传输，线路上的码流是连续的， 尽管从上层来看，以太网的数据具有突发性，但经过物理层处理后，在光路上 第二章 以太无源光网络系统结构和关键技术 它与传统的连续模式的发送和接收没有区别，因此一般的可应用于同步数字体 系( s d h ) 的发送和接收的光电、电光模块都可以适用于以太网。而e p o n 的 上行数据具有突发性，这种突发性不仅是从上层的角度看，在物理层，从光路 上看也是突发性的( 线路上可能有时有光，有时没有光) ，从光路上看就是一 些不连续的光包。这一点对传统的连续模式的光发送和光接收模块提出了挑战， 传统的连续模式的光发送和接收模块不能适用于突发式的发送和接收。 第三，局域网和接入网的业务种类也存在差别。对以太网来说，数据主要 是i p 包，基于载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 机制，是一种多址随机 接入方式，允许碰撞存在。而作为接入网，接入的既有语音信号，又有数据信 号，服务等级不一样，服务的质量是个重要的指标。因此在e p o n 中采用受控的 多点接入。每个光网络单元( o n u ) 的接入是通过光线路终端( o l t ) 的授权来 实现的。我们知道c s m a c d 是以太网的重要特征，从这点来看两者是有本质区别 的。但两者的共同点是数据的格式都是基于以太网的帧格式，e p o n 在此帧格式 上略有改动。 e p o n 的经济学观点非常简单，光纤是传输数据、视频和语音业务最有效的 介质，拥有几乎无限的带宽。但是对每一个用户与中心局之间实现点对点光纤 连接，在光纤的两端安装有源设备，在中心局实现所有光纤连接的管理，其费 用极其巨大，无法承受。e p o n 避免了点对点的弊端，转而采用点对多点的拓扑 结构，不需要诸如再生器、放大器和激光器等电子设备，减少了中心局使用的 激光器的数量。 点对点光纤技术适用于城域网和长距离应用，e p o n 适用于接入网的特殊需 要。e p o n 比其他的接入网技术更为简单、有效，费用更加低廉。它最远可将光 纤延伸n 2 0 公里甚至3 0 公里，并且获得高性能，高可扩性，低维护费用的端到 端光纤网。 e p o n 最关键的优越性在于允许运营商放弃复杂昂贵的a t m 和s o n e t 器件，从 而使网络大为简化。传统的电信网使用多层结构，i po v e ra t m ，s o n e t 和w d m 。 这种结构的网络要传输i p 业务，则需要使用a t m 交换机来构成虚链路。使用分插 复用器和数字交叉连接设备管理s o n e t 环和点对点的w d m 光连接。点对点的 光纤接入与e p o n 的比较列于表2 2 。 第二章以太无源光网络系统结构和关键技术 表2 2 点对点光纤接入和e p o n 网络的对比 点对点光纤接入 e p o n 点对点结构 一点对多点结构 每条光纤端点和户外敷消除了有源电子部件，不需要在户外敷设再生器、放 设现场需要有源电子部大器等有源电子设备，取而代之的是无源光耦合器， 件维护简单，使用寿命长 每个用户在中心局( c 0 )由于从多达6 4 个光网络单元( o n u ) 来得传输信号，无 中需要使用单独的光纤源耦合进入一条光纤( 从临近分界点到服务提供商提 端口供的c 0 或p o p 端) ，所以在c 0 节省了光纤和端口空间 每个用户都需要使用昂多个用户共同分享昂贵的光线路终端( 0 l t ) 的有源 贵的有源电子部件电子器件和激光器 2 2e p o n 的发展现状 从全球范围看，在宽带用户中，6 6 是采用d s l ，在中国这个比例高达9 0 ， 但利用e p o n 技术的f t t h 接入方式呈现出高速增长的势头。 国际上在e p o n 方面领先的有s a l i r a ，a 1 1 0 p t i c 等新兴公司，也有一些老牌 公司如n o k i ab r o a d b a n d ，o u a n t u mb r i d g e 等，一些大型的运营商和设备提供商 如c i s c