（通信与信息系统专业论文）共享型wdmpon介质访问控制方法的研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的迅猛发展，人们对通信的要求也越来越高。原来以话音业务 为主要服务的通信网已经越来越力不从心了。随着视频聊天，在线影视等多媒体 技术的普及，迫使服务提供商们要大幅提高网络的带宽。现在的技术能使骨干网 和局域网的带宽基本满足人们的需求，而“最后一公里”接入网部分却成了通信的瓶 颈。 无源光网络( p o n ) 技术打破了传统的点到点通信方式，以其低成本、可靠且稳 定的性能和能提供透明宽带的传送能力成为接入网有效的解决方案。从2 0 世纪8 0 年代起到目前为止，p o n 技术已经历了a p o n b p o n 、e p o n 、g p o n 几个发展阶 段。但这几种接入技术的上行方向都只有单个信道，所有的用户共享这一根链路 的带宽。随着视频等双向流量都比较重的业务出现，传统的接入方式变得力不从 心了。将w d m 技术应用到p o n 网络中去，就能使上行链路由单一的信道变成多 个信道，从而解决上行链路吃紧的局面。采用什么样的介质访问控制方法来充分 利用上行带宽一直是人们研究的热点。 这里首先分析了共享型w d m p o n 的网络结构和工作原理，采用了一种简单 的介质访问控制方法，并基于o p n e t 平台建立了相应的网络模型；其次分析了调 谐时间对系统性能的影响，提出一种采用前后相邻时隙进行匹配的算法；接着针 对组网成本昂贵的问题，提出采用两个固定发射机来替代可调谐发射机的方法， 并通过仿真验证其可行性；最后对原来的简单算法进行改进，并进行仿真比较。 关键词：w d m p o n ，带宽分配，调谐时间，匹配 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yd 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 i e s ，p e o p l ea r e d e m a n d i n gf o rm o r ea n dm o r en e t w o r kb a n d w i d t h t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c h h a sm a i n l ys e r v e dt h ev o i c eb e c o m ei n c r e a s i n g l yi n s u f f i c i e n t a st h et e c h n o l o g i e so ft h e v i d e oc h a t t i n g , o n l i n em o v i ea n do t h e rm u l t i m e d i ab e c o m ep o p u l a r 谢t hp e o p l e ，w h i c h u r g e n tt h ep r o d d e rt oi n e a s et h eb a n d w i d t hs u b s t a n t i a l l y n o wt h ep r e s e n tt e c h n o l o g y c a l lb a s i c a l l ym e e tt h ep e o p l e sn e e d sb yi n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t ho fb a c k b o n ea n d l o c a la r e an e t w o r k s ，b u tt h e ”l a s tm i l e ”a c c e s sn e t w o r kb e c o m e sab o t t l e n e c ks e c t i o n p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) t e c h n o l o g yb r e a k i n gd o w nt h et r a d i t i o n a lp o i n tt o p o i n tc o m m u n i c a t i o nm e t h o d , w i t hi t sl o w - c o s t ，r e l i a b l ea n ds t a b l ep e r f o r m a n c e ，t h e p r o v i s i o no ft r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo f b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，b e c o m ea n e f f e c t i v es o l u t i o n f r o mt h e2 0 t hc e n t u r yi n8 0y e a r st on o w , p o nh a se x p e r i e n c e d s e v e r a ls t a g e so fd e v e l o p m e n ta sa p o n b p o n ，e p o n ，g p o n h o w e v e r , t h eu p l i n k d i r e c t i o no fs e v e r a la c c e s st e c h n o l o g i e sh a v eo n l yas i n g l ec h a n n e l ，a n da l lu s e r ss h a r e t h eb a n d w i d t ho ft h el i n kc a p a c i t y w i t ht h ed e v d o p m e n to fs e r v i c e s ，w h i c ha r eh e a v y i nb i l a t e r a l ，s u c ha st h ev i d e os e r v i c e sc e t , m a k et h et r a d i t i o n a la c g e s sm e t h o d s i n s u f f i c i e n t i fw d m t e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e dt ot h ep o nn e t w o r k , i tc a nm a k et h e u p l i n kf r o mas i n g l ei n t oan u m b e r , a n dr e s o l v et h ep r o b l e mo fu p l i n kt i g h ts i t u a t i o n u s i n gw h a tk i n do fm e d i a a c c e s sc o n t r o lm e t h o d st om a k ef u l lu s eo fu p s t r e a m b a n d w i d t hh a sb e e nah o ts p o t sf o rs t u d y i n g h e r ew ef i r s t l ya n a l y z et h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs h a r i n gw d m - p o n n e t w o r k w ep r o p o s e das i m p l eb 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 ，a n dt h e nb u i l tt h e c o r r e s p o n d i n gn e t w o r k i no p n e t p l a t f o r m t h e ns t u d yt h ei n f l u e n c eo ft u n i n gt i m eo n t h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dp r e s e n tam a t c ha l g o r i t h mw h i c hu s ea d j a c e n tb e f o r ea n d a f t e rt i m es l o t s a i m i n gt or e s o l v et h ec o s i l ye x p e n s eo fn e t w o r k i n gi s s u e ，w eu s et w o f i x e dt r a n s m i t t e r st or e p l a c et h et u n a b l et r a n s m i t t e r s ，a n dv e r i f yi t sf e a s i b i l i t y f i n a l l y , w ei m p r o v et h es i m p l ea l g o r i t h m ，a n dm a k eae o m p a r e s i o nb e t w e e nt h e m k e y w o r d ：w d m p e n ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，t u n i n gt i m e ，m a t c h i n g 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：奎毕日期：乙。7 9 年乡月歹日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄雌导师签名：二五 = 睑 日期：纱哞二月弓日 第一章绪论 第一章绪论 随着经济的迅猛发展和人们生活水平的不断提高，人类社会正逐步迈向信息 化社会，因而对信息的需求会不断提高，为了满足人们对通信的需求，通信网不 仅要在容量和规模上逐步扩大，还要不断扩充其功能，发展新业务，由此各种新 的通信技术应运而生。 1 1 通信网概述 通信网是由一定数量的节点( 诸如终端设备，交换设备) 和连接各个节点的 传输链路有机地组合在一起，以实现两个或多个规定节点间信息传输的通信体系。 一个完整的通信网是由各种用户信息的业务网和若干支撑网组成的。业务网是通 信网的主体，是向用户提供诸如电报，电话，数据，视频等各种业务的网络。它 按其功能又可以分为接入网，传输网和交换网。支撑网是使业务网能够正常运行， 提供全网服务质量以满足用户要求的网络，其包括信令网，同步网和管理网【1 1 。 接入网是由传统的用户环路发展来的，是用户环路的升级，是电信网的重要 部分。图1 1 是接入网在电信网中所处的位置，它处于业务节点接口( s n i ) 和用 户网络接口( u n i ) 之间，是本地交换机与用户之间的连接部分。国际电信联盟将 接入网定义为：接入网是由业务节点和用户网络接口之间的一系列传送实体组成， 为供给电信业务而提供所需传送承载能力的实施系统【2 】。接入网包括本地交换机与 用户端设备之间的所有实施设备与线路，通常它由用户线传输系统，复用设备， 交叉连接设备等部分组成。接入网负责将电信业务透明地传送到用户，即用户通 过接入网的传输，能灵活地接入到不同的电信业务节点上。 um研蛆s1讥i j n i j 控入l 网i 骨干网 i 垃a 网l 1 伎7 刈i 交换网 i , f - 女州i 图1 1 接入网在电信网中的位置 电子科技大学硕士学位论文 1 2 光接入网现状 1 2 1 点到点有源光网络( p 2 p ) 点到点( p o i n tt op o i n t ，p 2 p ) 是指每个用户到局端都通过一各独立的链路连 接起来，因此在局端和各个用户设备中都需配置1 个光收发器，即为点到点的光 传输形式。目前采用p 2 p 技术实现光纤到户【3 4 】( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 的组 网器件是：媒质转换器和以太网交换机。利用媒质转换器可以把电信号转变为光 信号后再进行传送。早期的光纤到户和企业客户的专线接入一般采用这种方法， 它的优点是利用目前非常主流的以太网交换机( 1 0 0 m b i t s ) ，无需更新支持光信号 传输的网卡，只是简单地加上媒质转换器就可使其正常工作，这样就能降低升级 的成本。采用点到点方式实现光纤到户具有的主要优点有：带宽容量大，用户独 享1 0 0 m b i t s 乃至1 g b i t s 的带宽接入；布线方便灵活，易于维护和管理；由于局 端到用户都是独立地享用一根光纤，因此信息安全性较好；传输的距离长( 可达 到1 0 公里以上) ，这样就使其服务区域较大。 但这种点到点技术的致命弱点是需要铺设大量的光纤线路，需配置多个光收 发器，同时还需要很多的供电设备。如果在大规模的网络应用情形下，就会使得 网络建造困难，成本也很昂贵。另外，目前p 2 p 技术缺乏相应的国际统一标准， 从而使不同厂家的设备很难相互兼容。因此，它只被认为是实现光纤到户的过渡 技术。 1 2 2 点到点无源光网络( p o n ) p o n 是一种典型的点到多点方式的接入网，信号从o n u 节点到o l t 节点的 线路上无需有源的元器件，即网络中不用电力供应，在内部所使用的器件主要有： 光分路器和光纤。下面简要介绍几种常见的p o n 网络。 a p o n 是上个世纪9 0 年代由f s a n ( 全业务接入网) 主持开发完成的，其标准 由i t u 完成修订。它主要采用a t m 信元作为传输的基本单元，信元包大小为5 6 个字 节，包括3 个开销字节和一个a t m 信元。b p o n 是在a p o n 基础上发展而来的，它 能提供包括以太网数据和图像传输在内的多种业务服务。第1 个b p o n 技术标准于 1 9 9 8 年由n t t 和南方贝尔共同制定，并正式开始其的商业运营。但这两种技术都 有如下缺点：业务适配较复杂；提供业务的能力有限；信号的传输效率较低；且 设备价格较高。正是由于上述缺点，随着a t m 技术的没落，其商业化应用前景也 2 第一章绪论 变得黯淡了。 e p o n 是由e f m ( 第一英里以太网) 工作组于2 0 0 0 年提出的，它在p o n 层 上以以太帧为载体，上行以突发的e t h e r n e t 包方式发送数据流。e p o n 可提供上下 行对称的1 2 5 g b i t s 传输速率，一般采用8 b 1 0 b 的线路编码【5 】。 由于采用e t h e r n e t 封装方式，非常便于承载p 业务，非常符合现在网络朝口技 术发展的趋势，这促使e p o n 技术成为业界的佼佼者，并以其较低的成本己逐渐成 为最受欢迎的接入网技术。但e t h e m e t 封装方式也有一个非常致命的缺点：不便承 载t d m 业务，诸如话音和电路交换方式的数据。虽然现在很多学者对如何在以太 网中传送t d m 业务的技术进行了广泛的研究并取得了一定的成果，但这些成果还 不太成熟，这给e p o n 的应用带来了诸多的限制。 g p o n 是由f s a n 在2 0 0 2 年提出来的，其标准于第二年由r r u 完成修订。它 的主要出发点是为了提供更大的带宽服务能力，并对口业务提供更快地传输速度。 它提供两种格式的数据包格式，一种是固定大小的a t m 信元，以较好地服务t d m 业务，另外一种是通用成帧结构，以完成对多种不同业务的封装映射。它能将业 务分成多种业务类型，从而更好地实现不同业务的服务质量。但是这种技术的组 网成本较高，且只有一个上行的数据链路。表1 1 给出两种常见p o n 技术一些参 数的比较【6 j ： 表1 - 1 两种p o n 技术参数的比较 e p o ng p o n 标准制定者 i e e e ( e f m )i t u ( f s a n ) 速率1 2 5 g b i t s2 4 88 ：g b i t s 线路编码 8 b 1 0 bn r z 光分支比 1 ：1 6 ，1 ：3 21 ：6 4 ，1 ：1 2 8 服务质量不可靠可靠 安全性 支持高级封装 未定义 传输效率 上行6 1 ，下行7 3 上行9 3 ，下行9 4 基本传输单元以太帧 a t m ，g f p 1 。3 光接入网发展趋势 随着p o n 技术的不断发展和投入使用，高速的大容量的带宽接入即将成为现 电子科技大学硕士学位论文 实，人们开始追求和享用高速大容量带宽接入所带来的好处。目前，视频聊天， 在线播放电影，大型高清的网络游戏等业务已得到快速的普及，而这些都需要较 大的接入带宽。市场的需求促使运营商投入新兴的技术以便能够快速响应人们的 需求，所以对新业务的快速部署成了运营商的当务之急。“三网合一”的综合业务服 务网络就是在人们对高带宽的需求背景下产生的。“三网合一”就是将原有三个相互 独立的电话网，数据网和电视网进行融合。很明显基于铜线的接入技术已经不能 满足需求，而无源光网络( p o n ) 技术，它拥有纯介质网络特性和能提供较高的 带宽等优势逐渐成为各大运营商们的首选。但谁将成为未来光接入网的主流技术 呢? 是独立型的时分复用p o n 还是单纯的w d m p o n 技术。 由于人们对带宽需求急剧增加，以单波长为基础的时分复用技术，诸如a p o n ， e p o n ，g p o n 等，都不能很好地满足日益增长的带宽需求。因此时分复用p o n 系统的一个解决方案是部署基于w d m 的无源光网络技术，使多个波长可以支持 一方或双方的上行和下行链路。波分复用技术应用到宽带接入网络后，能够大幅 提高网络的带宽。 为应对人们对带宽需求的急剧增长趋势，p o n 技术可以朝着两个方向发展【7 】： 一种是在原来单波长的基础上提高信息的传输速度以加大整条链路总的带宽容 量，如目前正在研制的速率可达1 0 g b p s 的p o n ，但这要求整个体系链同步升级， 其实现起来比较难，且可提升的带宽空间有限；另一种是朝多波长发展，即从单 一的波长向多个波长发展，即需要采取波分复用技术。但是当网络中使用的波长 数目达到某个阀值时，线性增加的波长数目会引起指数级增长的成本。因此单纯 的w d m p o n 无法在合理的性价比上满足运营商的需求。由此看来，简单地采用 某种单纯的p o n 技术，很难同时满足运营商和客户的需求。而通过结合时分复用 和波分复用的p o n 技术就是一种理想的解决方案【8 】，也就是共享型的w d m p o n 。 这种组合能充分发挥各自的优点，w d m 技术能实现大容量带宽的传输，再结合 t d m a 成熟的技术，能最终实现用户的高效接入。 1 4 主要研究内容 论文首先对w d m p o n 系统的网络结构进行了简要的介绍，并重点分析了共享 型w d m p o n 的工作原理，研究介质访问控制方法，提出了一种简单的访问方法， 并在o p n e t 仿真平台下对其进行网络建模；其次分析了调谐时间对系统性能的影 响，提出了一种匹配算法，以减少不必要的调谐次数；接着针对w d m p o n 系统的 4 第一章绪论 组网成本高的问题，提出了用两个廉价的固定收发机来替代昂贵的可调谐收发机 的方案，并在o p n e t 仿真平台下对其进行仿真，验证了该方法的可行性；最后对 前面那个简单的访问方法进行改进，并与现有的一种带宽分配算法进行比较，仿 真表明改进后的算法具有较好的公平性。 本论文的大致结构如下： 第二章主要对w d m p o n 系统进行简要的介绍。比较了w d m p o n 系统的两种 组网构架，并对二者的优缺点进行简要分析，重点介绍了共享型w d m p o n 系统的 工作原理以及关键技术。 第三章基于o p n e t 仿真平台下对w d m p o n 系统进行网络建模，并详细介绍 了建模的过程，包括模型中所要用到的几种信元包的格式和几个主要进程域的程 序设计流程图。 第四章首先研究了w d m p o n 系统的介质访问控制方法，采用了一种简单的带 宽分配算法，并对其进行了仿真，检验了所搭建的网络模型。其次分析了调谐时 间对系统性能的影响，提出了一种匹配算法以减少不必要的调谐次数。接着针对 w d m p o n 系统的成本高的问题，提出了用两个廉价的固定收发机来替代昂贵的可 调谐收发机的方案，并在o p n e t 仿真平台下对其进行仿真，验证了该方案的可行 性。最后，在原来简单的带宽分配算法的基础上进行改进，提出一种新的分配算 法，并将其与现有的一种带宽分配算法进行了对比分析，结果表明新算法的分配 策略具有较好的公平性。 第五章对全文进行了总结。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章w d m p o n 网络简介 p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 是一种点到多点的光纤接入网络，它主要由 骨干交换网侧的o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 节点，起连接作用的o d n ( o p t i c a l d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 节点和用户侧的o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 节点组成。一 般情况下，由于其上行链路为多个o n u 节点所共享，因此上行采用时分复用的接 入方式，而下行简单地采用广播的方式，各个o n u 节点依据信元包头部信息中的 地址来决定是否接收该包。常见的网络拓扑有总线型，环型，树型和星型等。o l t 处于p o n 系统的线路终端，一般放在中心机房，它是整个p o n 网络的控制中心。 比如，通过在o l t 端定义用户的带宽参数来控制用户业务质量，通过编写访问控 制列表来实现网络安全控制，通过读取m i b 库来获取系统的状况以及用户状态信 息等，还能提供有效的用户隔离。o d n 是一个连接o l t 和o n u 的无源光配线网 络。所谓“无源是指该系统在工作时不需要供电，它仅仅由光纤、分路器、接 头和连接器组成。其主要功能是：分发下行数据和对上行的数据进行合路。由于 设备是无源，几乎可以适应于所有环境。o n u 一般处于用户驻地侧，其主要功能 是：选择接收o l t 发送的广播数据；响应o l t 发出的测距及功率控制命令，并做 出相应的调整；对用户的数据进行缓存，并在o l t 分配的发送窗口中向上行方向 发送。 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 ) 是指将多束不同波长的光波信号进 行复合后，再在同一根光纤上进行传输的技术。它能使运营商的光纤基础设施容 量大增。将w d m 技术引入到p o n 系统中，也就是w d m p o n 。它可以将用户接 入带宽增加数倍甚至数十倍，能极大地满足用户的需求。因此w d m p o n 也被认 为是下一代接入网的解决方案。 2 1w d m - p o n 系统架构 依据各o n u 节点是否能共享系统的多个波长，我们可将其分为两种类型9 】： 一种是独立型：为每个o n u 都分配一对波长，每对波长相对独立；另一种是共享 型：多个o n u 共享有限的几个上行波长。 6 第二章w d m p o n 网络简介 2 1 1 独立型w d m - p o n 结构 波长独立型的w d m p o n 系统中，系统为每个o n u 节点配置一对固定波长， 分别用于上行和下行数据的传输，这样也就是在o l t 和每个o n u 节点之间都建 立了一条双向的点对点连接，故这种w d m p o n 是一种点对点的系统，雨不再是 点对多点了。独立型的w d m p o n 的结构框架如图2 1 所示。 多波长光 入0 爿光发射机 j ， 、 源 入0 入1 入1 5 n 光接收机 x1 6 、 a - - - - - | o n u l 5 w d m 接 入1 6 ， 1 7 入3 1 收机 1 5 1 光发射机 1l ， l n 光接收机 r 3 1 、 图2 - 1 独立型的w d m - p o n 结构 从图中可以看到，每个o n u 都有一个固定波长的光发射机和一个固定波长的 光接收机，这样每个o n u 就只能在一个波长上进行数据发的发送，同时也只能接 收一种固定波长上的信号。在o l t 中包括一个多波长光源和一个w d m 接收机， 多波长光源可根据需要产生多种波长信号，为每一个o n u 分配一种波长。w d m 接收机可以接收多波长复用后的信号，保证每个o n u 发送过来的信号都能接收到。 与其它p o n 最大的不同是在o d n 节点中，它里面含有一个无源波长路由器，而 不同于其它p o n 中的无源分路器。无源分路器将信号按功率分给每一个o n u ，波 长不变，而无源波长路由器则是将信号按波长发送到每个o n u ，将波长复用信号 变成单波长信号。这种独立型的w d m p o n 结构既支持单纤传输也支持双纤传输。 在这种w d m p o n 中，o n u 中有特定波长的光源，一般配置一个固定的发射 机和一个接收机。o l t 中采用多波长光源，下传至o n u l ，o n u 2 ，o n u n 的 数据都以直接调制的方式，加载到波长为九1 、地、加的光信道上进行数据的 发送，在o d n 处由波长路由器件将各个信号分发给对应的o n u ，以完成下行数 据的传输。而进行上行传输时，各o n u 间采用w d m a 的方式解决信道争用的问 题，每个o n u 使用一个特定的波长，因而不需要定时和网络同步。上行信号通过 7 电子科技大学硕士学位论文 波长路由器件复用到一跟光纤上，再上传至o l t 接收端，由w d m 接收机进行数 据的接收。各条点对点连接都是按照事先预定好的波长进行配置和工作，而且多 个波长同时进行工作。也就是说，在这种独立型的w d m p o n 中，每一个用户发 送和接收信息都是用不同的波长，因而整个网络不需要时钟同步和网络同步，这 样减轻了整个网络的管理难度，同时也就减轻了整个网络的管理成本。同样，这 种独立型的结构中每一个用户拥有一对波长，这就使得每一个用户不需要与其他 用户共享带宽，因而其上行和下行带宽都十分宽裕，在未来的日子里，它能够很 大程度上满足日益飞速增长的带宽需求。最后，在以往的p o n 结构中，o l t 向 o n u 发送信息是以广播形式的，o n u 收到信元包后需要判断该包是否发给自己 的，如果不属于本地o n u 的则丢弃，反之才进行处理。这样存在保密性差的问题， 而独立型的w d m p o n 系统则完全克服了这种问题，o l t 给o n u 发送信息是点 对点的，不牵扯其它o n u ，保密性能良好，特别适用于一些特殊网络用户。 独立型的w d m p o n 是简单地将波分复用技术运用在p o n 中，o d n 处的波 导光栅路由器通过识别o l t 发出各种波长，将信号分配到各路o n u ，即o l t 可 以通过查看接收到的波长来识别出不同的o n u 节点，即不需要像在时分复用的 p o n 网络中用时隙来识别o n u ，这样大大减小了系统的复杂性。 虽然波长固定的w d m p o n 有着以上先天优势，但是它并没有被网络运营商 大规模采用，这是由于这种网络本身有其缺陷。 首先，每一个用户也许不一定需要这么大的带宽，即使需要也不会时刻都需 要，但是这种结构使得系统将波长分配好之后就不再给其它用户了，这就可能出 现有的用户带宽不够，而有的则空闲，不能让各个波长上的带宽资源得到充分的 利用，造成了带宽的极大浪费。 其次，系统中可使用的波长数量是有限的，不可能无限增加，而当用户数量 很多时，每一个用户都占用两个波长的话，就会造成波长资源紧张，或者波长根 本不够用。 再者，如果每一个用户固定两个波长，那么新增加一个用户就需要增加两个 波长，而且该新加入系统的用户的波长不能和原有用户一样，而o l t 也需要多产 生一个波长，这样增加了网络扩展的难度，不利于实际应用。 最后，这种独立型的w d m p o n 接入网络，如果用户数量越多，则所需波长 数量越多，所需光源的种类也越多，这就需要数量巨大而且价格昂贵的光器件， 这在o n u 中尤为突出，初期的建设成本巨大，不利于大量架设，因而难以应用于 商用，只有当光器件集成技术变得成熟时，成本下降以后才有前景。 8 第二章w d m - p o n 网络简介 2 1 2 共享型的w d m - p o n 结构 在共享型的w d m p o n 系统中【10 1 ，不需要对每个o n u 的工作波长进行固定， 而是进行动态分配，使得整个网络的o n u 能够共享波长，网络具有可重构性。共 享型的w d m p o n 的基本结构框架如图2 2 所剥1 1 1 。 o l t0 啊加 k 鼬g 光发 l 入0 ，入1 ，入2 ，入3 l 可调谐光发射机 ， 射机 入0 ，入1 ， 2 ，入3 n 光接收机 入4 、 , 4 - - - - - | o n u l 5 w d m 接 i 入4 收机 入0 ，九1 ，入2 ，入3 ： 4 可调谐光发射机 1 -i 光接收机 r 入4 、 图2 2 共享型的w d m - p o n 结构 在波长共享的w d m p o n 系统中，每个o n u 都包有一个可调谐光发射机和 一个光接收机，这样o n u 的数据可以发送到不同的波长上进行传输，但只能接收 一种波长的光信号。在o l t 中包含一个光发射机和一个w d m 接收机。光发射机 可以为多波长光发射机，也可为单波长的发射机，图2 2 中为单波长发射机。w d m 接收机可以接收多波长复用后的信号，保证每个o n u 发射过来的信号都能接收到。 而在o d n 中，当下行为单波长时需要有源分路器将信号按功率分给每一个o n u ， 为多波长时需要无源波长路由器将信号按波长发送到每个o n u ，将波长复用信号 变成单波长信号。 波长共享的w d m p o n 系统在下行传输时，可以像独立型w d m p o n 系统一 样，给每一个o n u 固定一个波长，也可以像e p o n ，g p o n 一样，各o n u 共享 个下行的波长，图2 2 就表示的是下行共享一个波长。上行传输时，o n u 没有 固定的发射波长，当o n u 有数据要发送时，先使用控制信道向o l t 发送带宽请 求，上报自己各个缓存中等待传输的数据长度，o l t 接到所有o n u 的队列状态信 息后进行统一调度，动态地为各个o n u 分配带宽( 指定波长号和时隙号) ，将控 制信息封装成令牌包下行发送到各o n u ，o n u 收到控制信息后，发射机能够按照 o l t 端的带宽分配策略从一个波长上调谐到另外一个波长上，在分配的时隙上发 9 电子科技大学硕士学位论文 送数据。图2 - 2 就表示的是总共有1 6 个o n u ，上行共享4 个波长，每一个o n u 都可以发送4 个波长的光信号。 在这种共享型w d m p o n 网络中，它是将波分复用技术和时分复用技术综合 地运用在p o n 中，因此它既不能像在独立型w d m p o n 网络中可以简单地通过波 长来识别出不同的o n u 节点，也不能像在时分复用的p o n 网络中简单地用时隙 来识别o n u ，而是需要将波长和时隙信息综合考虑才能识别出特定的o n u 节点， 这是因为在共享型w d m p o n 网络中，多个o n u 节点共享有限的几根波长信道 ( 其中波长数目小于o n u 节点的个数) ，这就使得需要再将时隙信息考虑进去才 能识别出特定的o n u 节点。 波长信道可以动态分配，如果某个o n u 业务比较重时，就可以获得相对比较 大的带宽和波长，而业务量轻的o n u 在空闲时不占用波长资源，这样提高了波长 信道的利用率。 另外，当网络中新加一个o n u 时，不需要像固定波长的那样新增波长，并且 o l t 也要做相应改变，而是直接与以前的o n u 共享网络中的波长资源，o l t 可 以不做任何改变。网络的升级比较方便，容易实现，扩展费用也比较小，整个网 络的可扩展性也比较大。 当然这种波长共享的w d m p o n 系统也存在缺陷。最主要的问题是费用问题， 目前可调谐光发射机的价格比较昂贵，而每一个o n u 都需要一个，这样整个网络 的前期投资巨大，不利于商业用途。 还有一个问题是o l t 既要根据需求分配波长又要分配时隙，增加了o l t 的管 理难度。这里w d m p o n 的带宽资源能被所有的o n u 所共享，但这都是按照o l t 端的动态带宽分配算法( d y n a m i cw a v e l e n g t ha n db a n d w i d t h a l l o c a t i o i l ，d w b a ) 来确定的。这样使得d w b a 算法的选择更具挑战性，并且需要在m a c 层上进行 升级。同时由于需要时分复用，整个网络都需要同步，其中又会牵扯到o n u 测距， 动态判定门限等复杂问题。总之整个网络的复杂度加大了，同时不可避免的是网 络的管理，运行和维护的费用加大。 当然，随着科技的发展这些问题都可解决，比如可以在o n u 里用几个固定波 长的光发射机来代替可调谐光发射机，或者等到可调谐光发射机技术成熟，价格 下降，波长共享的w d m p o n 系统一定能发挥其最大的优势。就目前而言，这种 共享型的w d m p o n 系统能够很好地从原来单纯的时分复用接入网过渡而来。 比较前面介绍的独立型w d m p o n 和共享型w d m p o n 的系统特点可以看 出，采用共享型的w d m p o n 能充分利用系统的带宽资源，系统具有较高的带宽 1 0 第二章w d m p o n 网络简介 利用率。因此，本文的所做的研究工作也是基于共享型的w d m p o n 组网结构。 2 2 共享型w d m - p o n 系统的工作原理 要使新加入的o n u 能够正常工作，必须要有一套机制来确保，一般采用自动 的发现注册机制。在发现过程中，o l t 能发现新加入的o n u ，并与其交换些信息， 以使其能正常地工作。与e p o n 系统相比，w d m - p o n 系统中o n u 节点可以有不 同的结构( 如可调谐机，固定机) ，因此其所支持的波长也就不同。共享型 w d m p o n 系统的整个发现过程可描述如下【1 2 j ： 1 首先o l t 在所有波长上广播发现帧g a t e 。这个帧信息用来告诉所有的o n u 发送时刻何时开始和发送窗口的长度。所有的o n u 在自己所支持的波长上接收此 消息。 2 当收到这些g a t e 帧以后，每个正在等待注册的o n u 都会采取种策略去 回应一个r e g i s t e r r e q 消息，这个消息包括本o n u 节点的结构( 如可调，固 定，调谐时间和所支持的波长) 信息，以及其它的标准信息( 如该o n u 的地址， 本地的时钟) 。 3 o l t 端可能同时在不同的波长上接收到从o n u 发送过来的r e g i s t e r - r e q 消息，记录该包的一些信息，诸如往返时间和o n u 的地址。接着o l t 对该 r e g i s t e r e , z q 帧回复一个r e g i s t e r 信息，这个信息包含一些标准的信息。 4 同时o l t 节点单播发送一个g a t e 消息，它让特定的o n u 来识别该 r e g i s t e r 信息。如果o n u 能够支持多个波长，那么该消息需要指定该o n u 初 始时首先应当接收和发送的波长。 5 o n u 接收到r e g i s t e r 信息和g a t e 信息后，将回复一个r e g i s t e r - a c k 信息，而且来自不同o n u 的多个a c k 帧也可能会同时在不同波长上发送到o l t 端。当o l t 节点收到r e g i s t e r - a c k 后，特定o n u 的发现过程也就完成了。 在注册识别过程中也会出现多个o n u 同时注册，从而会产生冲突。解决注册 冲突的方法一般有两种。一种是随机延迟一段时间的方法：当出现冲突时，出现 冲突的o n u 依然可以去响应授权信息，但在响应开窗时需要随机地推迟一段时间 ( 但要确保各o n u 推迟后的响应信息依然落在开窗的范围里面) 。这种方法可以 使o n u 加入系统所消耗的时间减少，但它要求增大开窗的宽度，这就造成系统带 宽的浪费，从而使系统的利用率下降。另一种是随机跳过开窗方法：当出现冲突 时，出现冲突的o n u 任意地跳过多个授权信息后再重新来响应后面的授权信息。 电子科技大学硕士学位论文 假如授权的时长为1 s ，则出现冲突的o n u 可以随机地延迟几s 后( 此处可由系统 进行配置) ，再等待注册授权信息。这种方法比前一种方法要多花费些时间，但它 不需要增大注册开窗的长度，从而对系统的带宽利用率不会造成不良的影响。 在共享型w d m p o n 系统中，当各个o n u 注册后，首先o l t 节点需要对各 个o n u 的物理距离进行测量【1 3 】，采取补偿的方式确保各个o n u 节点的逻辑距离 能保持一致。由于在共享型w d m p o n 系统的上行链路是多条点对多点的拓扑结 构，各个o n u 的数据发送时隙必须要与o l t 的系统分配时隙保持一致，以避免 多个o n u 节点的上行出现冲突。这就需要o l t 侧的时钟应当与o n u 侧的时钟保 持同步。一般同步采用时间标签的方法。o l t 中有一个全局的计数器，当为下行 方向时，o l t 依据本地计数器插入时钟标签，各个o n u 用收到的时间标签来修正 本地的计数器，以完成系统的同步；当为上行方向时，各个o n u 依据本地的计数 器插入时钟标签，o l t 端接收到该时钟信息用来完成测距操作。其上下行( 只描 述了一个上行和下行波长信道上的情况) 数据的发送示意如图2 3 所示。 o l t 回团回团 司旦旦至瓜丽 一争l 二一 矿司 一 图2 3w d m - p o n 系统的上下行数据的发送 当测距完成以后，各个o n u 就可以上报自己当前各队列的带宽请求了。上报 队列状态有多种方式，可以在控制信道上以固定的周期发送请求信息，也可以在 数据信道的某个固定时隙中进行带宽请求。本文采用后者方式，将多个上行数据 信道都以帧为单位，再将每帧细分为多个时隙，各个o n u 的带宽请求都在每个帧 的第一个时隙进行传输。当o l t 收到所有o n u 发送过来的带宽请求后，采用相 应的带宽分配算法对其进行分配，这些分配信息封装在控制包中以广播的方式下 传至o d n 节点。o d n 节点收到该下行控制帧后，只是简单地将其复制几份，分 1 2 匦 匦 令一 令一d 酣一鲍 盼一 第二章w d m p o n 网络简介 别发往至各个o n u 节点。当o n u 接收到这些控制帧以后，它首先读取该控制帧 的头部地址信息，再和本o n u 的地址进行对比，如果相符，则接收这个控制包， 并用一张数据分发表将其中包含的信息纪录下来并保存，这些控制信息包括：哪 个波长，哪个时隙，发送哪个队列等信息。因为在整个网络中，各个波长和时隙 都是严格的同步，所以当某个o n u 节点的发送数据时刻到达后，其就可以将数据 在指定的波长和时隙中将其发送出去。在o d n 节点时，o d n 只是简单地按波长 号进行数据的和路。在合路时，由于在o l t 分配带宽时都是考虑了所有的o n u 的请求，是统一的分配带宽，其不会出现冲突，而各o n u 也是严格按照控制信息 进行数据的发送，所以在o d n 处，可将各上行的波长带宽进行简单的合路，且不 会出现冲突。经过在o d n 处合路后的数据就可以顺利地到达o l t 端，从而实现 多个o n u 节点共享上行的几条链路的带宽资源。 2 3w d m - p o n 关键技术分析 w d m - p o n 是w d m 技术和p o n 技术相结合的产物，它能提供更高的带宽， 日益成为未来接入网的发展方向 1 4 】。然而在现阶段共享型的w d m p o n 系统还面 临诸多问题，诸如：介质访问控制方法；光复用器件；o l t 光源的选择；光突发 模块等，以下是几种关键技术的分析： 2 3 1 介质访问控制方法 介质访问控制方、法【1 5 】，也就是多个节点对共享信道的访问方法。它提供寻址 及介质存取的访问方法，可以使网络上的各个节点在同一个信道上高效率地进行 数据的传送，且不会出现冲突。一个好的介质访问控制方法要求能够充分地利用 好系统的带宽，并为各个用户提供公平的，高效的接入服务，同时还要确保接入 的延时，信元的丢失率等参数尽可能地小。它又主要包括测距技术和带宽分配算 法。 由于在共享型的w d m p o n 系统中，多个节点共享上行链路的有限几个