（物理电子学专业论文）以太网无源光网络epon总体方案研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 r ( 随着通信变换运营商竞争的加剧以及光纤和网络设备价格的大幅下降, i n t e m e t 获得高速发展并带来真正的宽带业务需求。方面光纤开始从骨干网向广域网和城 域网并即将向本地网延伸；另一方面以太网作为一种毫无争议的局域网标准开始向 究内容包括： f 1 1 在广泛调研的基础上，分析了e p o n 的发展现状，阐述了其市场应用前景。 ( 2 ) 针对e p o n 的参考配置，提出了e p o n 的系统要求，并对其构成功能进行 了综合分析比较。 ( 3 ) 重点分析研究了涉及e p o n 的关键技术与难点，比较了几种不同的上行实 现方法。 ( 4 ) 分析比较了几种不同的m a c 机制，提出来一种新的接入控制机制；带宽 请求允许机制。分析表明，采用这种新的机制可以大大减少往返时延并提 高了传输效率。 ( 5 ) 给出了一种上行采用w d m a 下行采用广播技术的e p o n 总体解决方案。 分析表明，采用该方案可以避开在使用t d m a 技术时会碰到的很多技术 难点。 关键词：以太网无掘j 争网络时分多址接入。波分多址接入 媒体接之芦制 以太零换 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d r i v e nb yt h ep e r f e r v i dc o m p e t i t i o nb e t w e e nt mc l e c sa n dt h er a p i dd e c l i n ei n t h ec o s to ff i b e ro p t i c sa n dn e t w o r ke q u i p m e n t ，t h ei n t e m e th a ss e e n u n p r e c e d e n t e d t g r o w t ha n ds p a w n st h eg e n u i n ed e m a n df o rb r o a d b a n ds e r v i c e s t h e s ef a c t o r sa r e p r o m o t i n gt w on e wk e ym a r k e tt r e n d s f i r s t ，d e p l o y m e n to ff i b e ro p t i c si se x t e n d i n g f r o mt h eb a c k b o n et ot h ew a na n dt h em a nn e t w o r ka n dw i l ls o o np e n e t r a t ei n t ot h e l o c a ll o o p s e c o n d ，e t h e r n e ti ss p r e a d i n gf r o mt h el a nt ot h em a n a n dt h ew a na st h e u n c o n t e s t e ds t a n d a r d t h en e wa c c e s sn e t w o r k t e c h n o l o g ye p o n i sb r e a ks u r f a c ei nt h i s b a c k g r o u n d 【n t h i sp a p e r ，t h ea r c h i t e c t u r e ，k e yt e c h n o l o g i e sa n d p r o t o c o l so f e p o nw i l l b ed i s c u s s e d t h em a i n p a r t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ew i d e l ys u r v e ya n dr e s e a r c h ，a d d r e s st h ee v o l v e m e n t ，m a r k e t ， p r o m i s i n ga p p l i c a t i o na n dp r o s p e c to f e p o n ( 2 ) d i s c u s st h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，s t x u c t u r ea n df u n c t i o no f e p o n ( 3 ) a d d r e s st h ek e yt e c l m o l o g i e sa n dd i f f i c u l t yo fe p o n e s p e c i a l l y , t h eu p s t r e a m r e a l i z a t i o ni sd i s c u s s e ds u f f i c i e n t l y ( 4 ) c o m p a r ea n da n a l y z es e v e r a ld i f f e r e n tm a c m e c h a n i s m s p u tf o r w a r dan e w a c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s m s ：b a n d w i d t h r e q u e s t g r a n t a n a l y s e si n d i c a t et h a t ： i ta f f o r d sg r e a te f f i c i e n c ya n df l e x i b i l i t y ( 5 ) b a s e do nt h ea b o v e ，as o l u t i o n - - u p s t r e a mu s e sw d m a ，d o w n s t r e a mu s e s m u l t i c a s t - _ i sp r e s e n t e d t h er e s u l ti n d i c a t et h a t ：w ec a na v o i dm u c hd i f f i c u l t y o f t e c h n o l o g yb y n o tu s i n gt d m ab u tw d m a k e y w o r d s ：e p o nt d m aw d m am a ce t h e r n e ts w i t c h n 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 随着i n t e r n e t 和相关宽带业务的快速发展，数据业务流量得到了空前的增长， 平均每1 0 0 1 2 0 天就会翻一番。自1 9 9 7 年到2 0 0 1 年1 月，由于采用了d w d m 等新技术，长距离骨干网的增长速度己超过了1 2 0 ，0 0 0 ，而在企业局域网传输速 度的增长速度也有1 ，0 0 0 。但是连接这两个高速网络的接入网的速率却很长一段 时间内徘徊在5 6 k b p s ，即使采用x d s l 和c a b l em o d e m 等技术仍不能从根本上解 决问题，形成了所谓的“网络瓶颈”【lj 。然而事实上，根据v e r t i c a ls y s t e m sg r o u p 的调查，在1 9 9 9 年7 6 的美国商业用户所在位置的一英里范围内都存在光纤接入 点，但是却没有连接。这种没有连接的现象，就是众所周知的“最后一公里”。研 究宽带“最后一公里”网络已经成为打破这一瓶颈的紧迫课题，引起了各国政府和 通讯企业的关注。e p o n 正是这个热点领域的热点技术，它是继a p o n 后又一被广 泛关注的p o n 技术。 e p o n 是采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务的一 种新技术。e p o n 建立在i t u t 为a p o n 建立的g 9 8 3 标准基础上并希望最终实现 f s a n 的梦想：可以在单一的光接入系统上传输数据、视频和语音等各种业务【2 j 。 1 2p o n 的演变 - p o n 的英文全称为p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，中文意思是无源光网络，用来连 。接通信设施的最后一公里。其一端连接中心局( c o ) 或者电话网接入点( p o p ) ， 另一端连接商业或居民用户驻地口1 。在居民住宅区最后一公里也经常使用铜质电话 线或者同轴电视电缆。而在商业用户密集的大城市，接入网通常用s d h 环，光纤 t 3 线或者铜质t 1 电缆。 华中科技大学硕士学位论文 一般只有大公司才出得起每月3 2 0 0 - - 4 3 0 0 美元的t 3 ( 4 5 m b p s ) 或o c 3 ( 1 5 5 m b p s ) 的线路租用费。中型企业一般使用月租3 7 5 美元的t l 线路，而更多 的中小型企业和居民用户还只能使用p o t 服务和拨号访问互联网。x d s l 和c a b l e m o d e m 可以提供数据传输的过渡方案，但技术复杂并且在短期内不能满足大量用 户的需要。另外其带宽也受限于距离和现有电缆的质量，而这些电缆仍被广泛地用 来传递语音业务。 尽管接入网几乎没有什么发展，但骨干网却因为采用了w d m 和其他新技术而 使带宽得到了飞速的提高。近来，w d m 技术开始渗透到城域网，大大地扩展了城 域网的容量。同时，企业局域网速率也已经从1 0 m b p s 变成了1 0 0 m b p s ，并且很快 的大多数局域网将升级到吉比特级。这就形成了一个背靠背的漏斗，而瓶颈就在最 后一公里接入网。 p o n 技术的目的就是要打破最后一公里的瓶颈，目前有两种主要的p o n 技术： a p o n 和e p o n 。 1 2 1a p o n 4 】 a p o n 技术是作为f a s n 工作的第一步在2 0 世纪9 0 年代中期开发出来的。 f s a n 是一个由2 0 个大型运营商同它们的主要设备供应商组成的小组，致力于研 究一个公用的宽带接入系统使之既可以提供宽带业务又可以提供窄带业务。1 9 9 5 年i p 数据业务、视频和1 0 1 0 0 m 高速业务对带宽需求的大幅增长已经开始浮出水 砸。为此英国电信组织f s a n 合作开发标准来为这些高速业务设计廉价高速的解决 方案，并期望能通过光纤将这些业务传送给全世界的居民和商业用户。， 0 在当时，协议层和物理层各有一个合理的选择分别是a t m 和p o n ：a t m 因 为其对大多数的协议的适应性而得到选择，p o n 则因为其经济性而得到选择。 t f s a n 采用的a p o n 格式被i t u t 采纳为标准( i t u tr e c g 9 8 3 ) 。最初的i t u 标 准重点关心居民用户应用而没有包含视频服务在p o n 上传送的内容。后来许多供 应商开始采用a p o n 兼容系统并将重点放在商业用户市场。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 , 2 2e p o n t 5 1 e p o n 的研究和开发是由a l l o p t i c 、s a l i r a 等新兴光网络设各商推动的，发起的 主要原因是因为a p o n 的技术局限性，需要协议转换、带宽有限、结构复杂、造 价昂贵等等。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 市场的逐步扩大，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已有的a p o n 协议标准，容易扩展并且面向用户。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， e p o n 的开发者初期重点关注f t t b u s i n e s s 和f t t c 的开发。而长远目标则是 实现全业务的f t t h ，最终实现在同一平台上传输数据、视频、语音等各种业务。 在2 0 0 0 年1 2 月，i e e e8 0 2 3e f m 研究组成立并开始致力于开发可广泛应用 于接入网市场的以太网协议标准并推动e p o n 的标准化。包括3 c o m 、a l l o p t i c 、 a u r an e t w o r k s 、c d t m o h a w k 、c i s c o 、d o m i n e t s y s t e m s 、i n t e l 、w o r l d c o m 和w o r l d w i d ep a c k e t s 等6 9 家公司加入了这个研究组。2 0 0 1 年7 月i e e e 的局域网标准委员 会( l m s c - 8 0 2l a n m a ns t a n d a r d sc o m m i t t e e ) 根据e f m 研究的初期研究成果， 批准了e f m 研究组的项目认定请求( p a r ) ，成立并授权e f m 任务实施组( 8 0 2 3 a h e f mt a s kf o r c e ) 负责起草用户接入网的以太网标准供i e e e 标准协议理事会讨论 批准。e f m 研究组提供给e f m 实施组的三个主要议题之一就是实现吉比特以太网 点到多点的光传送方案，即e p o n 。 在商用化方面，国外的e p o n 研究进展迅速，a l l o p t i c 和o a e p a t h 正在分别开 发企业和个人用户的市场，它们可提供i g b p s 的下行速度和8 0 0 m b p s 的上行速度， 这个上行速度使e p o n 对企业独具吸引力，因为它具有超过现在的a p o n 的速率。 还有消息称a l l o p t i c 公司将很快推出一种新的在f t t h 市场上有极大竞争力的产 品，上行下行均为l g 带宽，最大支持3 2 个用户。 表1 1 是2 0 0 0 年至2 0 0 1 年欧美和日本相关公司的p o n 项目启动资金情况【6 i 。 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 12 0 0 0 2 0 0 1 年p o n 启动资金 p o n 供货商 启动资金 最近启动时间 n e ce l u m i n a n t t e c h n o l o g i e si n c 8 $ 2 6 m i l l i o n 2 0 0 1 1 1 0 s a l i r ao p t i c a ln e t w o r k s y s t e m s i n c $ 2 3 9m i l l i o n 2 0 0 l ，8 a l l o p t i ci n e $ 4 3m i l l i o n 2 0 0 l 6 i a m b a t e c h n o l o g i e si n c $ 1 0m i l l i o n 2 0 0 1 2 t e r a w a v ec o m m u n i c a t i o n s l $ 1 3 3 m i l l i o n2 0 0 1 1 w a v e 7 o p t i c si n c $ 9m i l l i o n 2 0 0 0 1 0 o n e p a t hn e t w o r k s $ 5 4m i l l i o n2 0 0 0 1 0 o p t i c a ls o l u t i o n si n c $ 1 0 4m i l l i o n 2 0 0 0 4 q u a n t u mb r i d g ec o m m u n i c a t i o n sl n c $ 1 2 4m i l l i o n2 0 0 0 4 国内也在大力研究和发展宽带无源光网络技术，a p o n 和e p o n 都是目前重点 研究的技术，但相比之下a p o n 技术发展得比较早，其标准和技术发展相对比较 成熟。在国内已经有烽火通信、华为和北邮电信等企业开发出了可商用的a p o n 系统，但还没有企业开发出e p o n 系统。不过目前国内已经有不少科研机构包括北 京邮电大学、武汉邮电科学研究院和华中科技大学开始了e p o n 系统的研究开发工 作，并取得不少进展。华中科技大学已经在低成本精确波长激光器、低成本波分复 用解复用器和基于w d m a 的e p o n 体系结构方面取得了实质性进展，为研究低成 本实用化e p o n 系统提供了有力的保障。 1 3e p o n 的市场和应用p ，8 1 目前e p o n 尚处于商业开发的起始阶段，预计在2 0 0 3 年实现初期应用。尽管 a p o n 在市场上略微领先，但目前的趋势是高速以太网在城域网市场份额逐步扩 大，这使e p o n 拥有巨大的潜在市场。 e p o n 可广泛应用于企业、居民小区、智能大厦、科技园区和校园等环境的宽 带接入。在国外，有好几类接入网运营商可以采用e p o n 技术。c l e c 可以使用 e p o n 这种低成本的方式在接入市场提供各种不同的业务。i l e c 可以使用e p o n 4 华中科技大学硕士学位论文 来扩展他们光纤直接到用户，或者与原有d s l 技术相结合来保护投资，获得用户。 e l e c 使用e p o n 来延伸点到点的以太网解决方案。i x c 采用e p o n 用来延伸接触 范围和拓展接入市场的业务。同时，e p o n 系统除了在兀t b ， f t t c 等结构中扮 演重要角色之外，也可以有力的推动其它各种接入网技术的应用。使用e p o n 能使 d s l 突破传统的距离限制，从而增加约5 0 的用户。同样，e p o n 也可以给现有 的c a b l em o d e m 连接提供带宽。e p o n 还可以拓展点到点的m s p p 和蚴e m e t ， 这些运营商可以通过连接一个微型的e p o n 来增加用户数。采用同样的原理，e p o n 技术还可以用来给固定的无线发射塔增加带宽。总的来说，e p o n 在宽带接入领域 具有非常广阔的应用前景，目前，世界上许多厂商都展开了实用化产品的研究和开 发工作。下面的表1 2 介绍了目前全球各相关公司p o n 的铺设情况【6 1 。 表1 - 2 截至2 0 0 1 年1 1 月各公司p o n 的铺设情况 p o n 供货商铺设情况产品类型 a l c a t e ls a 试验中a p o n a l l o p t i el n c 1 个客户和多个试e p o n 用客户 i a m b a t e c h n o l o g i e si n c 开发中n m m a r c o n ic o r p p l c2 个客户和多个试a p o n 用客户 n e ce l u m i n a n t t e c h n o l o g i e sl n c 试验中a p o n o k in e t w o r kt e c h n o l o g i e s试验中a p o n o n e p a t h n e t w o r k s试验中e p o n o p t i c a ls o l u t i o n si n c 2 3 个客户和多个试r f - b a s e da p o n 用客户 p a c e o a1 个客户和多个试a p o n 用客户 q u a n t u mb r i d g ec o m m u n i c a t i o n s l n c 6 个客户和多个试 l a p o n 用客户 s a l i r ao p t i c a ln e t w o r k s y s t e m s l n c 开发中e p o n r e r a w a v ec o m m u n i c a t i o n s6 个客户和多个试a p o n 用客户 w a v e 7o p t i c si n c 试验中e p o n 华中科技大学硕士学位论文 1 4e p o n 的前景1 6 , 8 1 目前，在全球从事p o n ( 包括a p o n 和e p o n ) 研究生产的只有3 0 多家企业， 但是其市场潜力却很大，到2 0 0 4 年，p o n 设备全球市场将会达到1 0 亿美元，中 国将是一个非常大的和有吸引力的市场。对于中国的这种居民居住密集型的特殊环 境采用p o n 接入将是十分理想的选择，考虑到成本因素和以太网的普及和易铺设 性，采用e p o n 将较a p o n 具有优势。在e p o n 商用化之前，a p o n 还将有较大 的市场空间，但随着e p o n 标准和商用化的完成( e p o n 标准化有望在2 0 0 3 年完 成) 以及吉比特以太网和十吉比特以太网所占城域网市场份额的扩大，e p o n 的市 场将会迅速成长。根据对世界城域网以及吉比特以太网和十吉比特以太网所占份额 的预测，2 0 0 5 年随着城域网的市场总额的不断扩大，吉比特以太网和十吉比特以 太网所占市场份额将超过1 3 。另一方面在局域网市场以太网几乎成为唯一的选 择，而且随着i n t e m e t 的高速发展将不再只有大中型企业和高校铺设以太网，科技 园区、居民小区和智能大厦也将大量铺设以太网。综合这两方面的因素，到那时采 用e p o n 接入技术将是最合理的选择，它免除了a p o n 所需的信元拆装过程降低 了成本，并且对于突发的数据业务支持的更好。 现在电信运营商基于q o s 的考虑，从传统语音角度对e p o n 的实时性持怀疑 态度，但随着e p o n 研究的深入，完全可以打消这种疑虑。e p o n 可以借助s l a 和充分的带宽冗余来解决这问题。 随着中国加入w t o ，电信市场进一步开放，中国电信市场中外资份额可以逐 步达到4 9 ，这势必会催生大量的新兴运营商，他们会采用可尽快收回成本并迅速 盈利的最新技术。据c i b cw o r l dm a r k e t 资料显示采用a p o n 技术大约1 5 - - 2 7 个 月就可以实现盈利，而采用e p o n 则实现盈利更快( 因为e p o n 本来成本就比a p o n 低) 川。在未来几年内因为成本因素f t t h 发展速度仍将比较缓慢市场总额很小， 而f t t b 和f t t c 则会有较快的发展，尤其是在我国发展将更快。e p o n 可以用在 f t t h 、f t t b 和f t t c 这三种场合，但主要的市场还是在f t t c 和f t t b ，在我国 其典型应用将集中在新建的居民小区、科技园区和智能大厦。目前上海市已经将住 6 华中科技大学硕士学位论文 宅通信纳入政府规划，北京、武汉等大城市也已经开始了居民小区和办公大楼的宽 带化建设，可以说未来5 年将是宽带接入网发展的黄金时期，e p o n 作为宽带接入 的最新趋势，其市场前景将十分乐观。 e p o n 等宽带接入技术决不仅仅意味着用户更愉快的网上生活，更重要的是它 的背后孕育着一场网络技术和应用的革命，将在通信、商务、娱乐等领域催生出新 的并且是非常庞大的市场，如高速全业务接入、后台信息支持、内容服务，甚至有 可能导致网络计算机( n c ) 的再次复活。这必将带动整个社会经济的发展，而且随着 中国加入w t o ，服务业领域的竞争将大大加强，也会缩短宽带化这一进程所需时 间。当然我们也要考虑到采用e p o n 宽带接入技术后还有一个问题：用户享受到了 足够的带宽，但他是否能享受到与之相配套的、足够多的信息服务昵? 如网页内容 的建设，多媒体的部分应该更为丰富才能吸引用户；视频点播在技术上也不成问题 了，但节目的来源、版权等又将遇到些新的问题。然而这也意味着一个庞大的市 场机会。所以从根本上来说e p o n 的应用和发展将带来多个经济领域的良性互动。 1 5 本文的主要研究内容 1 5 1 课题来源 建立宽带光接入网已经是发展的必然趋势，而e p o n 因为其对e t h e m e t 的兼容 以及充足的带宽等种种优点成为光接入网的热门技术。目前关于e p o n 的协议标准 尚在制定之中，即使是其总体架构方案亦尚无定论。本文是8 6 3 课题基于千兆以 太网的宽带无源光网络的重要组成部分预研和总体方案设计，将全面考量 e p o n 的系统要求、系统结构、协议标准和关键技术以及难点，最终给出总体的架 构方案。 华中科技大学硕士学位论文 1 5 2 本论文的主要内容 第一章论述了无源光网络( p o n ) 尤其是以太网无源光网络( e p o n ) 的重要 性，演变过程和研究现状，描述了e p o n 的市场和应用以及前景。指出了e p o n 巨大的经济效益和社会效益。 第二章讨论了目前e p o n 的系统要求，论述了e p o n 的总体要求、网络要求、 业务要求、转发要求、协议要求以及安全要求和一些用于e p o n 的网络性能测量的 参数定义。 第三章论述了e p o n 的系统结构，并根据i e e e8 0 2 3e f m 工作组的建议介绍 了各个网元的功能。 第四章指出了e p o n 的关键技术和难点所在，如上行实现技术、动态带宽分配、 以太网在p o n 上的成帧技术与实现技术、测距与延时补偿、光器件、突发信号的 快速同步技术等等。 第五章着重论述了e p o n 的协议，介绍了e f m 工作组关于协议开发的进展和 现状，提出了一种新的媒体接入控制机制一带宽请求允许，并和其它的接入控制 机制进行了比较。 第六章综合了前面几章的成果，提出了一种上行基于w d m a 的e p o n 解决方 案，并从技术实现难度、成本等各方面论证了这一方案的可行性。 第七章对本文的主要结论和成果进行了总结并提出了下一步的研究方向。 文章的最后列出了课题研究和论文写作过程中的参考文献和作者在硕士期间 发表的论文以及文中出现的专业名词缩写览表等附录文件。 华中科技大学硕士学位论文 2e p o n 的系统要求 e p o n 的研究是从其系统要求出发的，这也是i e e e8 0 2 - 3e f m 工作组首先讨 论e p o n 的系统要求的原因。由于系统要求是最先提出的，所以这些要求不局限于 具体p o n 的拓扑结构，也不全部属于8 0 2 3 a h 协议范畴。为了更能清楚地说明问 题，图2 1 给出了p o n 的参考配置，并解释了相关名词： 瑚i t 哩塑堡! - ；揍入链路犟生型 图2 - 1p o n 的参考配置 在图2 一l 中的英文缩写词含义如下： o d n ：光配线网络，它是o l t 和o n u 之间的光传输媒质和无源光器件组成。 o l t ：光线路终端。它提供o a n 网络侧接口，并且连接一个或多个o d n 。 o n u ：光网络单元。它提供o a n 用户侧接口，并且连接一个o d n 。 a f ：适配功能。 u n i ：用户网络接口。 s n i ：业务节点接口。 s ：光发送参考点。 r ：光接收参考点。 v ：与业务接点间的参考点。 t ：与用户终端间的参考点。 a ：a f 与o n u 间的参考点。 9 华中科技大学硕士学位论文 在下行方向( 从o l t 到o n u ) ，多种业务信号通过光纤传输到本地网中心局 ( c o ) ，然后被o l t 通过o d n 无源地分配到o n u 单元，经过o n u 的光电转换和 信号处理后，为用户服务。在上行方向( 从o n u 到o l t ) ，不同用户的数据经过o n u 信息处理和电光转换后用多址复用的方式传送到o l t ，经处理后上行到业务网络。 以上是p o n 的参考配置，e p o n 与此并无二致，同样由0 l t 、o n u 、o d n 和 网元管理系统( e m s ) 组成。但是e p o n 由于自身的特性( 即基于以太网，主要承载包 业务) 和以前的p o n ( 包括a v o n ) 还是有不同要求。本章余下部分将就e p o n 的总 体要求、网络要求、业务要求、转发要求、协议要求以及安全要求和一些用于e p o n 的网络性能测量的参数定义进行阐述。 2 1 总体要求【9 l 必须支持声音、视频以及来自更高层协议的数据业务和应用( 如实时传输 协议r t p 和i p 语音v o l p ) 。 即插即用的o n u 安装： _ o l t 可以禁止o n u 的注册； _ 新的o n u 的增减不能对已连接在网络上的其他0 n u 的业务造成明显 的影响； 操作员可以控制每个o n u 不同类型业务的带宽。 2 2 网络要求【9 l 上行和下行必须支持1 g 的带宽； 最大通信距离不小于1 0 k m ： 最小分支比大于1 6 ； 本地运营商希望最小分支比为6 4 ，而多系统经营商则希望能够到1 2 8 p o n 必须以全双工操作方式运行。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 3 业务要求 1 0 , l q 根据转发规则，必须支持广播和多播业务( 如数字视频广播) 必须支持抖动敏感周期业务( 如语音业务) ： 必须支持延时敏感突发业务； 必须支持抖动敏感突发业务： 必须支持尽最大努力传送业务。 2 4 转发要求口，1 2 1 p o n 物理层在光学上并不符合8 0 2m a c 层的转发要求，首先它是不对称拓扑： 下行是p 2 m p ( 点对多点) ，而上行是p 2 p ( 点对点) 1 。其次在物理层仅支持 o l t t o o n u 转发但不支持o n u t o o n u 转发。为此不对称的p o n 技术需要段模 型： 2 4 1p 2 p 段模型 o n u 只能看到自己与o l t 虚子接口之间的点到点虚链路： o l t 可以看到n ( o l t 到o n u 的链路数) 条与下游o n u 的点对点链路 广播和多播业务必须满载； 对广播多播，未知业务可扩展。 2 4 2 共享段模型 所有的帧可以被所有的o n u 看见( 但服从v l a n 约束) 1 对于t d m a ，在同一时刻只能有一个o n u 与o l t 通信，从这种角度看上行在每个时刻均是p 2 p ；对于w d m a ， 实际上是每个o n u 拥有独立的信道，在这种情况下上行是多个p 2 p 的集合。其它多址接入方式也都可以算作 是某种形式的p 2 p 华中科技大学硕士学位论文 广播无需复制传播2 ； 段内的对等通信是缺省的通信。 这里有一点需要注意，就是在别的所有的m a c 类型中段间通信都是通过更高 的层( 如m a c 网桥、l 3 路由器) 复制单独的拷贝给每个段来完成的。 上述两个段模型都需要增加一个集中层( 或m a c 层) 来支持8 0 2m a c 层的 结构要求，示于图2 2 。引入集中层可实现m a c 层的对等通信，对等通信业务需 要和外部业务合并，这些都决定于集中层的细节，有待进一步研究。 i更高层 外 外 部 都 i i 集中层i 一。 i1 1 ”。4fl j ，鼍- 一 刚 l； 所 对 或 有 蓑 域 广 帧 信 播 1- 1 l 上行眦lp o np o r ti 下行眦l 2 5 总的协议要求p t l 2 1 图2 - 2 集中层示意图 o l t 必须可以利用o n u 统计复用的优点； 距离、速度和o n u 数目在一定的范围内可升级 速度可升级至 l g b p s ； o 帧在传输过程中不能被拆分。 2 通过分路器直接用功率分配的形式即完成了信号的广播，无需逻辑上的复制过程。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 1 上行协议要求 必须支持时分控制或别的多址接入控制，正常情况下无碰撞 可以分给不同o n u 可变的带宽； o n u 应该可以传送本地环境给o l t ： 本地环境可能包括带宽需求、缓冲状态或其他信息。 o l t 必须能在上行方向上对某个o n u 进行流控制； 必须支持o n u 往返时间测距和连续测距( t d m a 必需) 。 2 , 5 2 下行协议要求 必须支持动态带宽分配。 2 6 安全要求 链路加密； 增加机制防止冒充o l t 和o n u 增加机制防止未经授权的帧监听 增加手段防止或最小化： d o s 拒绝服务攻击： - 偷窃服务； 其他。 2 7 性能测置所需的参数定义m 1 1 - 1 3 ，1 4 单播、多播、广播传输的系统效率：定义为在某段稳定状态条件下用户数 据比信息容量： 华中科技大学硕士学位论文 帧延时：定义为帧产生时刻与传输完毕时刻之差： 帧延时偏差：定义为帧延时的t b d 百分比； 初始测距和最佳调谐测距环回时间：定义为测距开始与结束的时间差： 最佳调谐测距频率：定义为在保护带宽规范内测距能准确定时的最小频 率： 反馈环回时间：定义为反馈环回开始与结束的时间差； 系统失败恢复时间：定义为系统重启到最后个o n u 注册完毕所需的时 间。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3e p o n 的构成和功能 i t u t 研究组从1 9 9 2 年即开始对窄带光接k n ( 2 m b p s 业务速率以下) 进行标准 化研究，然而由于这一领域技术选择的多样性，标准化进展十分缓慢，直到1 9 9 5 年1 1 月才产生了第一个有关无源光网络的建议，即g p o n a 。1 9 9 6 年5 月g p o n a 获得通过并改编为g 9 8 2 。g 9 8 2 对涉及窄带基于无源光网络的光接入网的一些基 本问题达成了共识。1 9 9 8 年1 0 月和2 0 0 0 年4 月，i t u t 分别通过了f s a n 提交 的关于a p o n 线路接口说明书和控制信道说明书，定为标准g 9 8 3 i 和g 9 8 3 2 。 2 0 0 1 年i t u - t 又发布了关于波长分配的标准g 9 8 3 3 i l “，在g 9 8 3 的f s a n 标准文 件并未排除非a t m 协议，并留有较大余地。这样，大部分o 9 8 3 和部分g 9 8 2 的 现有内容都可被e p o n 有效引用。上一章图2 1 是i t u t 建议的p o n 的参考配 置 l ，在此不再赘述。 根据现有标准的建议 1 0 , 1 1 , 1 3 , 1 4 j ，图3 1 给出了e p o n 的系统构成。e p o n 系统 主要由网元管理系统( e m s ) 、光线路终端( o l z ) 、光配线i n ( o d n ) 、光网络单元 f o n u ) 组成。o d n 由光传输媒质光纤和光分支器件( o b d ) 组成。e p o n 采用点到多 图3 - 1e p o n 系统结构示意图 点的分布结构，在下行方向( 从o 盯到o n u ) ，多种业务信号通过光纤传输到本地 华中科技大学硕士学位论文 网中心局( c o ) ，然后被o b t 通过o d n 无源地分配到0 n u 单元，经过0 n u 的光 电转换和信号处理后，为用户服务。在上行方向( 从o n u 到o l t ) ，不同用户的数 据经过o n u 信息处理和电光转换后用多址复用的方式传送到o l t ，经o l t 处理 后上行到业务网络。 以下分别阐述o n u 、o l t 、o d n 和e m s 。 3 1o n u o n u 连接p o n 的用户侧，o n u 为用户数据、视频和电话网提供到p o n 的接 口。o n u 的最重要的功能就是将接收到的光信号格式的业务转换成用户所需的格 式( e t h e r n e t ，i p 广播，p o t s ，t 1 等等) 。e p o n 还有一个独特的特征就是o n u 除了终结和转换光信号外，还能提供l a y e r 2 和3 的交换功能。这就允许在o n u 内部路由。e p o n 也可以再加一个波长来传送模拟的c a t v 业务或者1 p 视频业务嘲。 o n u 有如下的关键特征和功能： 用户端接口要支持p t o s ，t 1 ，d s 一3 ，1 0 1 0 0 b a s e t ，i p 广播和专用波长 服务( 在8 6 3 课题中只要求支持1 0 1 0 0 b a s e t ) 。 l a y e r 2 和3 的交换路由能力。 可以提供从6 4 k b p s 到1 g b p s 的数据业务( 受用户端接口限制) 。 低启动成本和即插即用的扩展性。 有标准以太网接口从而无需另外的d s l 和c a b l em o d e m 在f t t b u s i n e s s 和f t t h 应用中由于每个用户驻地均需一个o n u ，并且成本 不是由多订户来均分，所以0 n u 的设计和成本就成了e p o n 能否被接受和铺置的 关键因素。在f t t b 应用( 只是应用成本并非启动成本) 中所有o n u 的成本占了 整个系统成本的7 0 ，在f t t h 应用中则占到了将近8 0 的比例。因此如何降低 o n u 成本是本课题的一个关键和难点所在。 o n u 的功能框图【”j 示于图3 2 。 华中科技大学硕士学位论文 业务层 网 圆圈圈 幽 匝圆圆 图3 - 2o n u 功能框图 由图3 2 可见，o n u 由三部分组成，定义为核心层、业务层和公共层。它们 的功能描述如下。 3 1 10 n u 核心层 o n u 核心层功能包括：用户和业务复用功能；传输复用功能；o d n 接口功能。 传输复用功能提供从o d n 接口来的和到o d n 接口的输入、输出信号的鉴别 和分配所要求的功能，提取和输出与这个o n u 有关的信息。 用户和业务复用功能，对来自或送给不同用户的信息进行组装和拆卸与各种不 同的业务接口功能相连。 o d n 接口功能提供一组光电物理接口功能，终结o d n 相应组的光纤。它包括 光电、电光变换。 3 1 2o n u 业务层 o n u 业务层主要提供用户端口功能。用户端口功能提供用户业务接j ，并三 将其适配到i p 2 2 j j 茬式。该戋戋百夏是供给单7 r 尾卢或一群，罨声。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 3o n u 公共层 o n u 公共层功能包括供电和操作维护管理( o a m ) 功能。 供电功能提供o n u 电源( 如交流直流、直流直流) 变换。供电方式可以是 本地供电，也可以是远供，几个o n u 可以共用一个供电系统。o n u 在备用电池供 电条件下也能正常工作。 o a m 对o n u 的所有功能块，提供处理操作、管理和维护功能的手段( 如不同 功能块的环回控制) 。 3 2o l t o l t 提供与o d n 之间的光接e l 。在o a n 网络侧，o l t 应提供至少一个网络 接口。o l t 一般位于中心局内。o l t 提供传送到o n u 所需各种业务的手段 1 7 1 。 作为p o n 的一端，o l t 的关键特征和功能包括【2 1 ： 对骨干w a n 的多业务接口； 对p o n 的g 比特以太网接口； l a y e r 2 和l a y e r - 3 的交换或者路由： q o s 保证和s l a ( 业务级别允许) ； 流量集中。 为提供e p o n 系统到w a n 的接口，在中心局至少需要以下类型的设备： g 数字交叉连接设备，传输未交换和没有本地交换的t d m 业务到电话网。 一般的数字交叉接口包括d s 1 、d s 3 、s t s 1 、o c 3 等。 o 语音网关，传输本地交换的t d m 语音业务到p s t n 公共交换电话网。 i p 路由器或者a t m 边缘路由器，直接传输数字业务到骨干数据网。 - 视频网络设备，传输视频业务到骨干视频网。 g l t 的功能框图【1 6 示于图3 3 。 华中科技大学硕士学位论文 需西函 业务层 圆倒圈 障 io a _ 嘞能li 供电功能j f 到中间设备，其后l , j q 3 接口 图3 - 3o l t 功能框图 由图3 3 可见，o l t 由三部分组成，定义为核心层、业务层和公共层。 3 2 1o l t 核心层 o l t 核心层功能包括数字交叉连接功能、传输复用功能和o d n 接口功能。 传输复用功能提供在o d n 上发送或接收业务通路所要求的功能。 数字交叉连接功能为o l t 的o d n 侧的可用带宽与o l t 网络侧的可用带宽提 供交叉连接能力。 o d n 接口功能提供一组物理光接口功能，终结相应的o d n 的一组光纤，它包 括光电和电光转换。为了实现从o l t 到o d n 中光分路器处灵活分配点之间不 同地理路内间的保护倒换，o a n 系统应能为o l t 装备可选的备用o d n 接口。 3 2 2o l t 业务层 o l t 业务层包含业务端口功能。业务端口能配置成一种业务或者能同时支持两 种或多种不同的业务( 至少要支持i p e t h e m e t 业务) 。该层还能提供处理通过o l t 的信令信息。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 3o l t 公共层 o l t 公共层包括供电和o a m 功能。 供电功能将外部电源变换为所要求的机内电压。 o a m 对o l t 的所有功能块，提供处理操作、管理和维护的手段，它也提供 o a m 接口功能。对于本地控制，提供一个接口用于测试和通过协调功能，经接入 网q 3 接口与上层网管操作系统( o s ) 相连。 3 3o d n o d n 即光配线网络由单模光纤和分路耦合器、连接器、光纤接头等无源器件 组成( 这些光缆和器件均在室外) 。有源器件如o l t 和o n u 在o d n 的两端。光 信号在o d n 中的传输要么