（通信与信息系统专业论文）epon动态带宽分配算法研究.pdf

摘要 随着通信技术的迅速发展，用户对带宽的需求越来越高。以成熟的以太网技 术为基础的以太网无源光网络( e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，e p o n ) 采用点到 多点结构、无源光纤传输，能够在以太网之上提供多种业务。它综合了无源光网 络和以太网技术的优点，具有成本低、高带宽、易使用、易升级、便于维护、承 载业务灵活等特点，成为解决接入网“最后一公里”问题的下一代宽带接入网的 最佳方案之一。 e p o n 采用特殊的点到多点的网络拓扑结构，在下行方向，光线路终端采用 广播方式将数据发送到各个光网络单元；在上行方向，各个光网络单元采用时分 多址的方式共享信道带宽。为了避免上行冲突，获得更高的上行带宽性能，设计 一种公平、高效的上行接入带宽分配算法是十分必要的。 本文以动态带宽分配( d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ，d b a ) 算法为研究重点， 首先介绍了接入网的发展现状和趋势以及e p o n 技术的优势，简述了e p o n 的 系统结构、工作原理和关键技术；而后介绍了两种经典算法：i p a c t 算法和c p f c t 算法，分析了经典算法的优点与缺陷，并在此基础上提出了一种改进型d b a 算 法，从带宽利用率、时延和公平性等方面分析了新算法的性能，仿真结果表明， 新算法不仅保证了上行带宽的高效利用，同时保证了不同业务的服务质量 ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) ，具有良好的时延特性；接下来从一个全新的角度，提 出了一种基于博弈论的新型d b a 算法，新算法能够达到帕累托最优的纳什均衡， 实现了用户与系统的性能最优化；最后对本文的工作和所得到的结论进行了总 结，并对今后的工作进行了展望。 关键词：以太网无源光网络；动态带宽分配；服务质量；纳什均衡 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e q u e s t sf o r b a n d w i d t ho fu s e r sa r ei n c r e a s i n g e p o nt e c h n o l o g yr e p r e s e n t st h ec o n v e r g e n c eo f m a t u r ee t h e m e tt e c h n o l o g yw i t hp o na n di s r e g a r d e da st h eb e s tc a n d i d a t eo fn e x t g e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r kb e c a u s eo fi t sl o wc o s t ，b r o a db a n d w i d t h ，b e i n gu s e da n d u p d a t e de a s i l y , s i m p l em a i n t e n a n c ea n d p r o v i d i n gm u l t is e r v i c e e p o ni sap o i n tt om u l t ip o i n ts y s t e m i nt h ed o w n s t r e a md i r e c t i o n ，t h eo p t i c a l l i n et e r m i n a lb r o a d c a s t si t s p a c k e t st oa l lo p t i c a ln e t w o r ku n i t s ；i nt h eu p s t r e a m d i r e c t i o n ，m u l t i p l eo p t i c a ln e t w o r ku n i t ss h a r et h es a m et r a n s m i s s i o nc h a n n e lb yu s i n 2 t d m a i no r d e rt oa v o i dc o n f l i c ta n d a c q u i r eh i g h e ru p s t r e a mb a n d w i d t h p e r f o r m a n c e ，i tl sv e r yn e c e s s a r yt od e s i g naf a i r , h i 曲p e r f o r m a n c eb a n d w i d t h a l l o c a t i o na l g o r i t h m m a j o ri nd b a ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，f o r e g r o u n do ft h e a c c e s sn e t w o r ka n da d v a n c e so fe p o n ，w h i l es u m m a r i z e st h es y s t e m a r c h i t e c t u r e w o r kt h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g ya tf i r s t ；i nt h en e x tp a r t ，e x i s t i n gd b a a l g o r i t h m s ： p a c ta n dc p f c ta r ei n t r o d u c e d ，w h i l et h e i rv i r t u ea n dw e a k n e s sa r e a n a l y z e d b a s e do nt h ee x i s t i n gd b a a l g o r i t h m s ，a ni m p r o v e dd b aa l g o r i t h mi sp r o p o s e d ， w h i l ei t sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d i ti ss h o w nf r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h en e w a l g o r i t h mi m p r o v e sb a n d w i d t hu t i l i z a t i o no fu p l i n ka n de n s u r e st h eq o so fd i f f e r e n t s e r v i c e sa n ds h o w ss a t i s f i e dd e l a yp e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e ，an o v e la l g o r i t h m b a s e do ng a m et h e o r yi sp r o p o s e d ，w h i c hc a na t t a c hp a r e t oo p t i m a ln a s he q u i l i b r i u m a n dr e a l i z et h eb e s tp e r f o r m a n c eo f u s e r sa n ds y s t e m i nt h ee n d ，t a s ko ft h ep a p e r ， r e l a t e dc o n c l u s i o n sa n dt h ee x p e c t a t i o na r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k , d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ， q u a l i t yo fs e r v i c e ，n a s he q u i l i b r i u m 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，也不包含为获得丞洼太堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一虢嚆乎一扩乡月厂r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权一丞洼太堂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： 签字嗍：渺扩 砌乡 6 月1 4 同 j 导师签名：微 签字同期：y 胡年j 月j 同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。全球范围内i p 业务 有了突飞猛进的发展，其中北美骨干网上的业务量已达到了6 - 9 个月左右就翻一 番的地步，而且迄今没有减缓的迹象。传统电话网将不可避免要过渡到以数据业 务特别是口业务为中心融合的下一代电信网，这种下一代电信网的基本特征将 是宽带化和口化。 从核心网看，目前应用同步数字体系技术全世界已敷设了大约8 0 万个网元， 其速率已高达1 0 0 g b s 。近年来，由于波分复用的应用，网络链路容量有了新的 突破性进展，目前单对光纤的实际商用系统传输容量己达3 2 0 g b s 和1 0 0 g b s ， 实验室己完成1 t b s 的试验。另一方面，网络节点( 无论是交换机还是高性能路由 器) 的吞吐量均已突破6 0 8 0 g b s ，总吞吐量超过1 t b s 的高性能路由器也已问世。 相对于核心网的快速发展，接入网仍停留在窄带水平和以电路交换为基础的 框架之内，“最后一公里”成为限制网络宽带化和口化的接入瓶颈，而且解决这 一问题的呼声越来越高。为了突出它的优先地位与重要性，以太网圈子的人已经 把“最后一公里”这一网络段改称为“第一公里”。“第一公里”连接服务提供商 中心局与企业及住宅用户，也称用户接入网或本地环路，它是街区一级的网络基 础设施。宽带的“第一公里”接入方案不仅能提供丰富的互联网服务与应用，而 且在价格上还要与现有网络相当。因此，如何克服这一瓶颈，实现宽带化和口 化成为接入网发展的主要发展趋判1 1 。 1 2 接入网技术 国际电联给接入网下了具体的定义2 】：接入网是由业务节点接1 ：3 和用户节点 接口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； 目前的宽带接入方式综合来看，技术上比较成熟的主流技术为以下几种3 】： 第一章绪论 ( 1 ) 基于电话网用户线的a d s l 非对称数字用户线路( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 是数字用户 线路即是以铜质电话线为传输介质的传输技术的一种。它以现有普通电话线为传 输介质，能够在普通电话线，即铜双绞线上提供高达8 m b i t s 的高速下行速率， 上行速率可达1 m b i t s ，传输距离则达到3 - 5 k i n ，可以与普通电话共存于一条电 话线上，使上网与接听、拨打电话互不影响。a d s l 的适用范围为城区电话用户 群落，或人口相对密集的小区或写字楼、商厦。 ( 2 ) 基于有线电视网的混合光纤同轴网宽带接入 由于混合光纤同轴网络大部分采用传统的高速局域网技术，但是最重要的组 成部分也就是同轴电缆到用户电脑这一段使用了另外的一种独立技术，这就是电 缆调制解调器。电缆调制解调器又名线缆调制解调器，是一种将数据终端设备( 计 算机) 连接到有线电视网，使用户能进行数据通信，访问i n t e r n e t 等信息资源的设 备。它是近几年随着网络应用的扩大而发展起来的，主要用于有线电视网进行数 据传输。用户可以通过电缆调制解调器连接有线电视宽带网，接入有线电视数据 网，有线电视数据网再和i n t e m e t 高速相连，用户即可在家中高速连入i n t e m e t 网。同时，它的缺点也是很明显的：一是尽管它依赖现有的有线电视网络，但是 它必须对现有的有线电缆进行双向改造后才能实现对i n t e r n e t 的上传；二是其网 络结构呈树形，所以当用户增多时，在低频端的回传噪声积累也相应变大；三是 树形结构的本质是总线共享型的，所以当使用电缆调制解调器的用户数增多时， 在单位时间内分配给用户的带宽变窄，导致用户上网尤其是在进行视频会议等需 要长时间占用高带宽的业务时网络整体性能下降。 ( 3 ) 无线接入网络 无线接入技术是指接入网的某一部分或全部使用无线传输媒质，向用户提供 固定和移动接入服务的技术。无线接入系统主要由用户无线终端、无线基站、无 线接入交换控制器以及与固定网的接口网络等部分组成。其基站覆盖范围分为三 类：大区制5 5 0k m ，小区制0 5 5k m ，微区制5 0 5 0 0m 。无线接入的优点是可 以提供一定程度的终端移动性，开设速度快，投资省，缺点是传输质量不如光缆 等有线传输方式，适用于移动宽带业务的无线接入技术尚不成熟。 ( 4 ) 光纤接入网络 所谓光接入网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。根据接入网室外传输设施 中是否含有源设备，光接入网又可以划分为无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ， p o n ) 和有源光网络( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ，a o n ) ，前者采用光分路器分路，后 者采用电复用器分路，两者均在发展，但多数国家和国际电联标准部更注重推动 第章绪论 p o n 的发展，第1 5 研究组己于1 9 9 6 年6 月通过了第一个有关p o n 的国际建议 g 9 8 2 ，不少国家也己开始或准备开始在接入网中大量引入光接入网系统。光纤 接入技术与其他接入技术( 如铜双绞线、同轴电缆、无线等) 相比，最大优势在于 可用带宽大，而且还有巨大潜力没有开发出来。此外，光纤接入网还有传输质量 好、传输距离长、抗干扰能力强、网络可靠性高、节约管道资源等特点。当然， 与其他接入技术相比，光纤接入网也存在一定的劣势。最大的问题是成本较高， 尤其是光节点离用户越近，每个用户分摊的接入设备成本就越高。另外，与无线 接入相比，光纤接入网还需要管道资源，这也是很多新兴运营商虽然看好光纤接 入技术，但义不得不选择无线接入技术的原因。但是无论是从传输性能，还是从 对业务长远发展的支持能力来看，光纤接入技术与其他接入技术相比都有比较大 的优势。因此，只要条件允许，无论是传统运营商还是新兴运营商都把光纤接入 网作为其接入网建设的重点。 1 3 无源光网络技术 无源光网络是指光分配网络( 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 d n ) 中不含有任 何电子器件及电子电源，o d n 全部由光分路器等无源器件组成，不需要贵重的 有源电子设备。p o n 网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处 理功能均在交换机和用户宅内设备完成，而且这种接入方式的前期投资小，大部 分资金可以等到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的 短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设机房，维护容易。正是由于这些优 点，p o n 在近年来备受关注。 1 3 1p o n 的发展史 p o n 技术始于2 0 世纪8 0 年代初，1 9 8 3 年，b t 实验室首先发明了p o n ， 并于1 9 8 7 年在英国进行了p o n 的早期试验。1 9 9 3 年，德国电信在原东德开始 部署p o n 。1 9 9 5 年春，几大网络运营商联合成立了“全业务接入网络组织”，该 组织的目标是制定一个标准，使得设备制造商及运营商在p o n 的发展中有可遵 循的目标。第1 个经由该组织制定的标准是1 5 5 m b i t sp o n 系统。这个系统就是 异步传输模式无源光网络( a t mp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，a p o n ) ，它使用异步传 输模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，a t m ) 作为其承载协议。19 9 9 年，国际电联 批准了g 9 8 3 x 标准。2 0 0 1 年a p o n 被改名为宽带无源光网络( b r o a d b a n dp a s s i v e 第一章绪论 o p t i c a ln e t w o r k ，b p o n ) 。 以太网无源光网络( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，e p o n ) 的研究和开发是 由a l l o p t i c 和s a l i r a 等后起的光网络设备商推动的发起的主要原因是因为a p o n 需要协议转换、带宽有限、结构复杂和造价昂贵等技术局限性。随着快速以太网、 吉比特以太网和十吉比特以太网在局域网和城域网应用的逐步扩大，采用e p o n 技术将更加经济，兼容性也更好。e p o n 技术可以借鉴以太网成熟的协议标准和 己有的a p o n 协议标准，容易扩展并且面向用户。 随着口技术的不断完善，大多数运营商已经将口技术作为数据网络的主要 承载技术，使得a t m 技术完全退出了局域网。在这种背景下，两个颇为引人注 目的新的p o n 标准孕育而生，其中一个是由国际电联负责制定用来替换a p o n 标准的吉比特无源光网络( 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 ) 标准，另一个 是由i e e e 8 0 2 3 a h 工作组负责制定的e p o n 标准。和a p o n 相比，e p o n 具有更 宽的带宽、更低的费用和更灵活的业务功能。 自2 0 0 0 年1 1 月起，i e e e 8 0 2 3 a h 工作小组开始进行e p o n 的标准化工作， 其制定e p o n 标准的基本原则是尽量在8 0 2 3 体系结构内进行e p o n 的标准化工 作，工作重点放在e p o n 的介质访问控$ 1 j ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议上， 最小程度地扩充以太网m a c 协议。2 0 0 4 年6 月，e f m 正式发布了e p o n 的相 关标准8 0 2 3 a h 。2 0 0 1 年，国际电联也开始起草制订一个超过1g b i t s 速率的p o n 网络标准g p o n 。该标准不但提供高速带宽( 上下行速率1 2 4 4 g b i t s 和 2 4 8 8 g b i t s ) ，支持各种接入服务，并且能以原有数据的格式( 无需再次转换) 和极 高的效率同时支持数据及电信话音业务。国际电联在2 0 0 3 年正式通过并颁布了 g p o n 标准系列中的三个标准：6 9 8 4 1 、q 9 8 4 2 和6 9 8 4 3 ，2 0 0 4 年4 月国际电 联通过了q 9 8 4 4 ，至此g p o n 的标准己经完善1 4 】。 1 3 2 三种技术的特点 ( 1 ) a p o n b p o n 的技术特点 a p o n 是数据链路层a t m 技术与物理层p o n 技术相结合的光接入网技术， 被认为是当时( 1 9 9 7 年是a t m 的黄金时代) 的晟佳结合。a p o n 利用a t m 的集中 和统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使性价比有重 要改进，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 n u 都将收到所有的信元，它们 可以根据信元的目标地址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，保证各个光网 4 第一章绪论 络单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，o n u ) 的上行信号都能完整地到达光线路终端 ( o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ，o l t ) ，6 9 8 3 建议采用时分多址的上行接入控制。这样， a p o n 必须对各个o n u 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有5 6 个字节，由5 3 个a t m 信元字节和3 个开销字节组成， 开销字节包括：防护时间用于防止微小的相位漂移损伤信号：前置码则用于比特 同步获取，o l t 必须在收到o n u 上行突发的前几个比特内实现比特同步，才能 恢复o n u 的信号；定界符用于唯一指定a t m 信元和微时隙的开始，也可作为 字节同步。目前，a p o n 上行和下行速率都可达到1 5 5 m b i t s ，非对称应用时下 行方向的速率可达到6 2 2 m b i t s 。 ( 2 ) e p o n 的技术特点 随着这几年口的崛起和发展，由于a t m 不敌以太网而导致a p o n 的发展 受阻，针对这一问题有人提出了e p o n 的概念和实施方案，即在与a p o n 类似 的结构和6 9 8 3 的基础上，设法保留a p o n 的精华部分即物理层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e p o n 。这一思想已经在以太网界获得积极响应。现在， e p o n 被视为能满足上述要求的下一代接入网的最佳技术，它代表了低成本高带 宽以太网设备与低成本光纤网的融合。e p o n 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o d n 下行广播到多个o n u ，每个信息包都带有一个 唯一标识，标志该信息发给某个o n u 。上行方向中，数据从各o n u 经过o d n 汇聚到o l t 。为了防止来自各o n u 的信息包发生碰撞，上行接入主要采用t d m a 技术进行管理，各o n u 被分配给特定的时隙。采用时分复用的t d m a t d m 的 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 b i t s 。 ( 3 ) g p o n 的技术特点 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 em o d e p o n ”。g p o n 是国际电联提出的一种速率高达2 4 g b i t s ，能以原有格式和极高 的效率( 9 0 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封装方法来实现传输汇聚层协议，该协议是从同步 数字体系“通用成帧协议”借鉴过来的，可以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种通用的适配机制；另一方面又 保持了c z 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，用户信号可以是基于分组的，或是持续的 第一章绪论 比特速率，或者是其它类型的信号，而g f p 则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 帧，从而能够 直接支持t d m 业纠5 1 。 1 3 3e p o n 的技术优势 随着口技术的不断完善和推广，大多数运营商己经将口技术作为数据网络 的主要承载技术，以太网看起来是对一个口数据接入网的合理选择。最新采用 的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 技术使以太网能支持声音、数据和视频。这 些技术包括全双工传输模式、优先权( 8 0 2 1 p ) 、虚拟局域网( v i r t u a ll o c a la r e a n e t w o r k ，v l a 标记( 8 0 2 1 q ) 等。而且e p o n 能够提供更高的带宽，上下行都 为1 g b i t s ，远大于a p o n 的下行6 2 2 m b i t s 或1 5 5 m b i t s ，上行1 5 5 m b i t s 的带宽。 因此，与以太网技术结合的e p o n 有了它巨大的优势和潜力。与其他系统相比， e p o n 系统有非常突出的优点，主要表现在【6 】： ( 1 ) 基于i p 及以太网技术：e p o n 是对迄今为止最成功、最成熟、应用最广 泛的以太网技术等有关协议的补充，基本上是兼容的，这样一来可以节省大量的 投资，可以说这是它作为接入网技术的最大优势，未来的网络必定是基于p 或 以太网的，经由e p o n 传输口包是最好的方案。 ( 2 ) 提供非常高的带宽：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 综合业务数字网( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，i s d n ) 、a d s l 甚至a p o n ( 下 行6 2 2 15 5 m b p s ，上行共享15 5 m b p s ) 都要高得多。 ( 3 ) 低建设成本：e p o n 系统显著减少了光纤、光收发模块、中心局设备的数 量。另外，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，这些条件成为 光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h l 发展的基础。同时，e p o n 的基础是以太网， 而以太网是当今和未来世界上使用最广泛的网络技术，其相关器件、设备价格最 低。用e p o n 作接入网，成本低、通用性好，免去了口数据传输的协议和格式 转换，效率高，管理简单。 ( 4 ) 低运营维护成本：局端o l t 与用户o n u 之间仅有光纤、光分路器等光 无源器件，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。 ( 5 ) 解决远端用户的接入问题：e p o n 可以达到2 0 k m 的传输距离，避免了传 统传输介质( 如双绞线、五类线、c a b l e 等) 的距离瓶颈问题。 6 第一章绪论 ( 6 ) 支持多种业务：由于e p o n 系统建立在i p 技术上，因此e p o n 系统支持 各种以口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。 ( 7 ) 统一的标准：i e e e 8 0 2 3 a h 工作小组从2 0 0 1 年1 1 月就开始进行e p o n 的 标准化工作。大约有7 0 个公司加入了这个工作小组，包括c i s c o ，n o r t e l ，s b c ， w o r l d c o m ，v e r i z o n ，s a l i m ，b r o a d c o m ，a g e r e ，i n t e l ，b r o a d l i g h t ，a l c a t e l 等。2 0 0 4 年 6 月2 7 日，i e e e 已经正式推出了关于e p o n 系统的8 0 2 3 a h 协议。 1 4e p o n 的研究现状与发展前景 e p o n 同时具备了p o n 和以太网的优点，成为f t t h 领域中的热门技术多 家国际研究咨询机构对f t t h 的前景保持相当乐观的态度，均认为2 0 0 5 2 0 0 8 年是f t t h 技术快速应用和推广的几年，尽管从全球范围看，在宽带用户中，6 6 是采用a 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。 从技术成熟性来说，e p o n 推出较早，技术成熟，从芯片到设备的产业链较 为健全，商用芯片较多，成本不断下降，在国外有几百万线的规模商用，国际上 在e p o n 方面领先的有s a l i r a ，a l l o p t i c 等新兴公司，也有一些老牌公司如n o k i a b r o a d b a n d ，q 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 o ，n o r t e l ， a l c a t e l ，b r o a d c o m 等公司都非常看好e p o n 在宽带接入网方面的巨大优势，并 已着手研究相关产品。s a l i r a 光网络系统公司已确定与美国最大运营商中的三家 共同建立三个试验系统。其推出的e p o n 由接入操作系统、桥接t d m 域和分组 域基于软件的部件组成，具有动态q o s 和流量分类功能。1 0 p t i c 和o n e p a t h 正在 分别开发企业和个人用户的市场，诺基亚的d 5 0 0 d s l a m 产品是a t m 向e p o n 的过渡产品。q u a n t u mb r i d g e 也声称支持e p o n 。此外，富士通、比瑞利也有 e p o n 产品。p a s s a v e 公司也于2 0 0 4 年9 月正式发表一款高整合性的以太无源光 纤网络芯片一p a s 6 2 0 1 。富士通作为全球三大i t 厂商之一也推出了一系列富士 通e p o n 解决方案。 就全球市场来说，目前国外的发展主要集中在日本、韩国、美国、瑞典、意 大利等国家。日本是全球f t t h 发展最好的国家，主要采用e p o n 技术，其制定 的计划要求光纤线路的用户或家庭要达到整个宽带市场的三分之一以上。同时， 日本的开放竞争政策也促使更多的运营商加入到f t t h 市场中来，在竞争加剧的 情况下，不得不提前实施f t t h 计划。日本将光纤接入普及率视为国家信息化先 第章绪论 进程度的标志，制定了e j a p a n 计划推动f t t h 的发展。截止到2 0 0 5 年1 2 月， 日本的f t t h 用户数己达到4 6 3 7 万户。另外，日本还采用将光纤通到用户宅地， 再与a d s l 相连接的方式，为用户端提供5 5 m b i t s 的速率。作为日本的主力运 营商，n t t 公司的光纤接入网络发展较快，业务也比较成熟，到2 0 0 5 年1 2 月 n t t 共有2 8 2 万名光纤用户，2 0 0 6 年n t 计划在光纤和无线高速网络上增加投 入。到2 0 1 0 年，n t t 公司光纤业务用户将达到3 0 0 万，在此期间将在新网络上 投入5 万亿日元。 2 0 0 3 年以来，国内关于f t t h 的新闻也屡见不鲜，各大运营商对于f t t h 的兴趣不断增长，相继开始了试验网络的建设。2 0 0 4 年起，国内不少通信公司 都投入了大量的人力、物力到f t t h 技术的研发和实验中来。武汉烽火科技于 2 0 0 4 年在武汉光谷展开光纤试点，测试其e p o n 设备。北京格林威尔公司也宣 布在徐州实验局开通e p o n 测试。2 0 0 6 年1 月到3 月，杭州网通，广州网通， 宁波网通先后开通了s a l i r a 2 5 0 0 e p o n 商用实验局。其他大大小小通信公司都对 e p o n 技术开始了跟踪和研发，这其中包括华为、上海贝尔阿尔卡特、u t 斯达 康、中兴、格林威尔公司等国内领先的通信设备制造商。其中格林威尔公司的多 业务e p o n 系统最有特点，其系统支持上下行对称1 2 5g 带宽，支持o n u 的自 动加入，支持t d m 业务，提供动态静态带宽分配、弹性保护倒换等功能。u t 斯达康也于2 0 0 4 年7 月向全球业界发布了u t 斯达康电信级千兆无源以太光网 络方案及其相关产品。 从当前的发展情况来看，在f t t b c 的市场中，相关的技术和产品己经相当 成熟，e p o n 技术已经可以大有作为。但在f t t h 这个领域，e p o n 要像a d s l 那样，支持大规模的家庭用户接入还需假以时日。可以预见一旦f t t h 市场启动， 其市场规模将是空前的，必将带动整个通信行业进入新一轮的快速增长时期1 7 j 。 1 5 本文的主要工作 本文主要的研究工作集中在对于现有的e p o n 上行接入动态带宽分配算法 进行研究和改进，在提高系统带宽利用率的基础上最大限度的减小数据包时延， 并不同业务类型的数据流公平的使用有限的带宽资源。 本论文共分为6 章，各章的主要内容为： 第一章对接入网进行了简单的概述，并介绍了光接入网特别是无源光网络的 现状及发展趋势。 第二章总体介绍了e p o n 系统，包括系统结构，上下行工作原理及关键技术 第章绪论 等。 第三章介绍了现有的e p o n 上行带宽动态分配算法，分析了这些算法的优势 和劣势，为后面新算法的提出奠定了基础。 第四章在总结上一章研究结果的基础上，提出了改进型d b a 算法，分析了 性能，并进行了仿真验证。 第五章从一个全新的角度出发，提出了一种基于博弈论的新型d b a 算法。 第六章总结了全文的工作，并对今后的工作加以展望。 第二章e p o n 系统概述 2 1e p o n 系统结构 第二章e p o n 系统概述 2 1 1e p o n 的功能结构 一个典型的e p o n 系统主要由光线路终端( o l t ) 、光网络单元( o n u ) 和光配 线网( o d n ) 组成 8 1 ，如图2 1 所示。 光网络 爿 光线路 单元 终端 ( 0 1 1 兀t 1 ) ( o l t ) 远端设备局端设备 u n i 用户侧揍口 2 1 i 1o l t 功能要求 图2 1e p o n 功能结构模型 s n 工 网络侧接口 o l t 既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源 光纤网络的光纤接口。根据以太网向城域和广域发展的趋势，o l t 上将提供多个 l o g b i t s 的以太接口，支持波分复用传输。如果需要支持传统的t d m 话音，普 通电话线和其他类型的t d m 通信( t 1 e 1 ) 可以被复用连接到附接口，o l t 除了提 供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的服务等级协定( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ，s l a ) 的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。o l t 为光接 入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并经一个或多个0 d n 与用户侧的 o n u 通信，o l t 与o n u 的关系为主从通信关系。o l t 可以分离交换和非交换 业务，管理来自o n u 的信令和监控信息，为o n u 提供维护和供给功能。o l t 可以直接设置在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器 接口。o l t 在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在一个设备内。 o l t 作为e p o n 的核心，应实现以下功能【9 j ： 1 0 第二章e p o n 系统概述 向o n u 以广播方式发送以太网数据，支持多种业务，提供多个用户网络 接口。 发起并控制测距过程，并记录测距信息。 为o l t 的o n u 侧的可用带宽与o l t 网络侧的可用带宽提供交叉连接功 能。 为o n u 分配带宽，即控制o n u 发送数据的起始时间和发送窗口大小。 其它相关的以太网功能。 2 1 1 2o d n 功能要求 o d n 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备，它的功能是分发下行数据和集 中上行数据。o d n 是由无源光元件( 诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等) 组成 的纯无源的光配线网，呈树形分支结构。o d n 由无源光分路器和光纤构成。具 有光波长透明性、互换性和光纤兼容性等光特性。o d n 的部署相当灵活。由于 是无源操作，几乎可以适应于所有环境。一般一个o d n 的分线率为8 或1 6 ，并 可以进行多级连接。 2 1 1 3o n u 功能要求 o n u 采用了技术成熟而又经济的以太网协议，在中带宽和高带宽的o n u 中 实现了成本低廉的以太网第二层第三层交换功能。这种类型的o n u 可以通过层 叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。因为都使用以太协议，在通信的过程 中，就不再需要协议转换，实现o n u 对用户数据的透明传送。o n u 也支持其他 的传统的t d m 协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。在更高带宽的o n u 中，将提供大量的以太接口和多个t 1 e 1 接口。 o n u 为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于o d n 的用户侧。 o n u 的主要功能是终结来自o d n 的光纤处理光信号并为多个小企业用户和居 民住宅用户提供业务接口。o n u 的网络侧是光接口而用户侧是电接口，因此o n u 需要有光电和电光转换功能，还要完成对语声信号的数模和模数转换、复用、 信令处理和维护管理功能。o n u 为用户提供e p o n 接入的功能【1 0 】： 选择接收o l t 发送的广播数据。 响应o l t 发出的侧距及功率控制命令，并作相应的调整。 对用户的以太网数据进行缓存，并在o l t 分配的发送窗口中向上行方向 发送。 第二章e p o n 系统概述 提供用户业务接口以及其它相关的以太网功能。 2 1 2e p o n 的层次结构 根据i e e e8 0 2 3 a h 标准，e p o n 的层次结构如图2 - 2 所示1 1 ： l a n c s m a ，c d 层故 i 目 目，z ： l l c 一逻辑链路控制 o a m ( 可选) m 3 m c 一多点m a c 控制 m a c 一媒质掺八控制 协调 裂pivla1)-phypividl j l a n c s m a t c d 层次 高层 l l c 一逻辑链路控制 o a m ( 可选) n i p m c 一乡点m a c 控制 m a c 一煤质拇八控制 r 两矿t 剽p m d x f i v e ) p h y i 卜p h y j 无源光网络媒质 g m i i = 吉比特攥质无关接口 m d i 端质相关接口 o a m = 运行管理维护 o l t = 光线路终端 o n 【j = 光网络单元 p e s - 4 物理编码子层 p h y = q g j 理层 耶q 自= 物理燥质附加层 p m d = 物理媒质相关子层 图2 2e p o n 层次结构模型 从物理层上看，e p o n 从电气特性、机械特性、规程特性、功能特性等四大 功能基本上采纳了以太网的标准，确切的说，应该是千兆以太网的标准。包含物 理层子层和物理媒质子层两大子层功能。千兆以太网的物理层子层标准中总共有 l h 、l x 和s x 共三种。由于s x 的驱动距离比较短，因此在e p o n 里主要是采 用了l h 和l x 的物理媒介子层标准。 从数据链路层看，该层分为l l c 和m a c 两大部分。l l c 主要体现为8 0 2 2 ， m a c 在8 0 2 的标准中有8 0 2 3 、8 0 2 4 、8 0 2 5 等。e p o n 在数据链路层上，采用 了基于时分复用思想的控制协议。通过对时间进行分片，然后将不同的时间片指 定给不同的o n u 设备使用，从而避免数据传输过程中的冲突问题以及复杂的冲 突检测问题。 1 2 型 一层一层一层一层一层一冁一层 吲一歇一明一赫一错一雠一孵一一一燧 第二章e p o n 系统概述 e p o n 在m a c 层中实现8 0 2 1 p 来提供与a p o n 类似的q o s 。e p o n 就是 通过这些简单成熟的协议来提供声音、视频和数据服务，控制和优化各o n u 与 o l t 之间突发性数据通信和实时的话音通信。e p o n 所要完成的很多关键技术都 在m a c 控制层上完成，它直接连接传统的m a c 芯片，也就是在一般上讲的p o n 传输层完成所有的e p o n 功能，包括测距，带宽分配，时隙分配，信息扰动，突 发同步等。 传输汇聚层负责o l t 和多个o n u 之间在下行方向和上行方向以太网帧的正 确传输，保证o l t 和o n u 的发