（物理电子学专业论文）吉比特无源光网络gpon传输汇聚层的研究.pdf

摘要 随着宽带互联网和第三代移动通信技术的发展，接入网再度成为通信行业关注的热点。 吉比特无源光网络( g p ( ) n ) 是一种发展前景良好的有线接入技术，拥有带宽高，安全性 强，稳定性好等特点，是实现光纤到户( 硎) 、有线网络与无线网络融合的的最佳技术 平台。g p o n 传输汇聚层( t c ) 是连接物理层与高层业务层的关键一层。因此，基于g p o n 协议标准及分层结构，搭建传输汇聚层试验平台。实现光线路终端( o u ) 和光网络单元 ( o n u ) 的媒质接入控制( m a c ) 功能，是实现g p o n 核心功能的关键。 论文首先总结了无源光网络的发展历史及研究现状，介绍了g p o n 系统的网络结构、 协议分层结构和g p o n 传输汇聚层协议栈模型。在此基础上，论文提出并设计了g p o n 总 体结构，归纳并介绍了该结构中使用的光层器件。随后，在i t u - tg 9 8 4 系列协议的基础 上，提出了一种简化的g p o n 传输汇聚层模型，设计了帧结构和o l t 、o n u 的数据收发 模块，使用v e r i l o gh d l 语言进行编程并仿真。接着，论文选定赛灵思( x i l i n x ) 公司的 v i r t e x - 5f p g a 芯片，以该芯片为基础设计f p g a 开发板，优化设计了电源、配置电路、以 太网、r s 2 3 2 、u s b 、v g a 、s f f 等外围模块的电路。然后，论文以x c 5 v l x 5 0 t - f f l l 3 6 芯片为核心进行开发板的布局布线，制作四层p c b 板，对板上各模块进行调试验证，证明 这些模块的可用性，搭建了g p o n 实验平台。此外，论文还对g p o n 物理层的部分关键器 件进行测试，验证了s f p 光收发器、可调光衰减器的性能指标。最后，论文在g p o n 实验 平台的基础上，在电域和光域分别对所提出的g p o n 传输汇聚层结构进行了验证。 关键词：吉比特无源光网络( g p o n ) ，光纤到户( 硎) ，传输汇聚层( t c ) ，媒质接入 控制( m a c ) ，现场可编程门阵列( f p g a ) i i i a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fb r o a d b a n di n t e r a c t a n dt h et h i r d g e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，t h ea c c e s sn e t w o r kh a sb e c o m et h ef o c u so ft e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y a m o n gv a r i o u sa c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，gi g a b y t ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( g p o n ) i sa k i n do ff i x e da c c e s ss y s t e mw i t ht h eb r i g h tf u t u r ea n dm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hb a n d w i d t h ， s t r o n gs e c u r i t y , a n db e t t e rs t a b i l i t y g p o n ，w h i c hc a l lb eu s e di nf i b e rt ot h eh o m e ( f t t h ) b u s i n e s s ，i st h eb e s tp l a t f o r mt os u p p o r tt h ei n t e g r a t i o no ff i x e dn e t w o r ka n dw i r e l e s s n e t w o r k t h et r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ( t c ) l a y e ro fg p o ni sr e s p o n s i b l et ol i n kp h y s i c a l l a y e ra n dt h es e r v i c e si nh i g h e rl a y e r s t h u s ，d u r i n gt h er e s e a r c ho fg p o n ，t h et cl a y e rs h o u l d b ec o n s i d e r e df i r s t l y b a s e do ng p o n p r o t o c o ls t a n d a r da n di t sl a y e ra r c h i t e c t u r e ，t h em o d e lo f g p o nt cl a y e rs h o u l db eb u i l tu p ，a n dt h ef u n c t i o no fm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) i ng p o n o p t i c a ll i n et e r m i n a l ( o l t ) a n do p t i c a ln e t w o r ku n i t ( o n u ) s h o u l db ec o m p l e t e d t h i sp a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e dt h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) ，d i s c u s s i n gt h en e t w o r ks t r u c t u r eo fg p o n ，l a y e rm o d e li ni t sp r o t o c o l ，a n dp r o t o c o l s t a c ko ft cl a y e r o nt h eb a s i so fi t u tq 9 8 4s e r i e sp r o t o c o l s ，t h i sp a p e rs e t su pas i m p l i f i e d m o d e lo fg p o nt cl a y e r , d e s i g n st h ef r a m es t r u c t u r ei no l t o n u ，a n du s e sv e r i l o gh d l l a n g u a g et od op r o g r a m m i n ga n de m u l a t i o n s e c o n d l y , x i l i n xv i r t e x - 5f p g ac h i pi sc h o s e da s t h ec o r eo fg p o nh a r d w a r ep l a t f o r m u s i n gx c 5 v l x 5 0 t - f f113 6c h i p ，t h i sp a p e rd e s i g n e da f o u rl a y e rp c bb o a r d i ts h o w st h a tt h ep o w e r , j t a gc h a i n , r s 2 3 2p o r t ，v g ap o 心u s bp o r t ， a n ds f fp o r ti nt h eb o a r da l lw o r kw e l l t h i sp a p e ra l s ot e s t ss o m ek e yd e v i c e si ng p o ns y s t e m ， i n c l u d i n gas f pt r a n c e i v c ra n dav o a m o d u l e a tl a s t , w eu s e dt h i sp c bb o a r dt ov a l i d a t et h e s i m p l i f i e dm o d e lo fg p o nt cl a y e ri ne l e c t r i c a lf i e l da n do p t i c a lf i e l ds e p a r a t e l y k e y w o r d ：f i b e rt ot h eh o m e ( f t t h ) ，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 ) , m e d i aa c c e s s c o n t r o l ( m a c ) ，t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c el a y e r ( t c ) ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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了 谢意。 研究生签名：幻乡 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包 括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一弛蜂一名：蟮眺掣。 i i 第一章绪论 第一章绪论 随着视频通话、高清视频点播等通信和互联网业务的兴起和发展，用户对网络带宽的 需求正越来越高。近年来，随着基于光纤的主干网的大规模建没，主干网承载业务的能力 已经得到极大的提升，而网络带宽的瓶颈目前主要出现在接入网一侧。随着中国国内第三 代移动通信( 3 g ) 牌照的发放，接入网的发展再次成为通信行业关注的焦点。 相对各种无线接入网，有线接入网拥有带宽高，安全性强，稳定性好的特点。其中， 吉比特无源光网络( g p o n ) 是一种拥有良好前景的新型有线接入网。g p o n 便于实现有 线网络和无线网络的融合，同时可支持语音、数据、点播视频和有线电视等高层业务。国 际电信联盟标准工作组( 1 t u t ) 近几年来颁布的l t u tg 9 8 4 系列标准则是g p o n 系统 的主要标准。 1 1 吉比特无源光网络简介 1 1 1 无源光网络的发展及g p o n 网络模型 自上世纪9 0 年代出现以来，无源光网络( p o n ) 的发展主要经过了3 个阶段：a p o n 、 e p o n 和g p o n 。 基于异步传输模式( a t m ) 的a p o n 出现于1 9 9 5 年，当时被视为全业务接入网的核 心技术。a p o n 使用波分复用( w d m ) 技术来实现上下行的信道复用，其中上行采用1 3 l o n m 波长，下行采用1 5 5 0n m 波长进行传输。而光线路终端( o l l ) 到光网络单元( o n u ) 的下行信号传输采用时分复用( t d m ) 技术，各个o n u 从一f 行信号中选出属于自己的数 据包。a p ( ) n 下行传输的速率可包括1 5 5 5 2m b i 讹和6 2 2 0 8m b i t s 两种。o n u 到o l t 的 上行信号传输则采用时分多址接入( t d m a ) 技术，上行速率为1 5 5 5 2m b i t s 。 a p o n 是通过a t m 技术来实现的，但a t m 交换机设备昂贵，操作较复杂，需要有经 验的操作员来管理，这意味着建设a p o n 需要较高的资金投入。此外，a p o n 的传输带宽 也不是很高，无法很好地支持近年来新兴的视频服务。为改进上述缺点，i e e e 提出了基于 以太网技术的e p o n 。e p o n 采用以太网帧的封装方式，相对a p o n 提高了传输速率。 e p o n 将i p 分组直接成帧后在p o n 上进行传输，去除了中闻的a t m 封装，从而使互 联网与局域网连接时没有必要进行a t m 协议与l p 协议之间的转换，实现了传输的透明化， 提高了传输速率。e p o n 系统支持上下行1 2 5g b i t s 的速率，远高于a p o n 系统的传输速 率。同时e p o n 所用的技术是基于以太网的，而以太网的性价比较高，安装也较容易。与 a p o n 系统相比，e p o n 大大地节省了建网成本。 然而，e p o n 的设计方式使这种接入网存在先天的缺陷：对非基于以太网的其他高层 业务不能提供一种较好的封装方法。为了最大地适应网络传输的需要，解决各种信号的封 装方法，g p o n 应运而生。 由电信运营商主导的全业务接入网组织( f s a n ) 于2 0 0 2 年9 月最先提出了g p o n 的 概念。在此基础上，i t u t 于2 0 0 3 年3 月颁布描述g p o n 总体特性的( 2 9 8 4 1 规范和描述 g p o n 物理媒质相关( p m d ) 子层的( 3 9 8 4 2 规范，随后又于2 0 0 4 年2 月和6 月发布描述 传输汇聚( t c ) 层的g 9 8 4 3 规范及描述管理控制接口的( 3 9 8 4 4 规范。这4 个协议构成了 g p o n 的协议栈。i t u t 目前仍在陆续对g 9 8 4 系列协议进行修订。 g p o n 系统采用层次化结构，按从用户端剑中心局的顺序，依次为家庭网络，光网络 终端光网络单元( o n t o n u ) ，光配线网( o d i n ) ，光线路终端( o l t ) 。其中o n u 位 于用户端。向用户提供一系列服务。o l t 位于局端，提供主干网到接入网的连接。g p o n 的数据传输分为上下行两个方向，可以通过双纤来实现，也可在使用w d m 技术的情况下 东南人学硕十学位论文 ：一。! n t 一：一： ； j l n ix d s l p o 、 物理链路 i “。f 8 。 o n t 管理和控制接【i a v a n a g e m e n t s y s t e m ：一 ； 此7 p 0 、 i n t e l - f a c e 图1 1g p o n 的网络模型 1 1 2g p o n 相对其他p o n 系统的优势 在各类p o n 技术中，g p o n 也有着较大的技术优势。g p o n 是1 1 u - t 对a p o n 的升 级，因此其技术指标全面超过a p o n 。业内近年来的讨论主要集中在g p o n 和e p o n 之间。 相对于e p o n ，g p o n 拥有以下的优势：首先，g p o n 可以提供2 4 8 8 g b i t s 的下行速率和 多种标准上行速率，传输距离至少达2 0 k i n ，分路比为l ：1 6 、l ：3 2 、l ：6 4 乃至l ：1 2 8 ， 即在速率、速率灵活性、传输距离和分路比方面比e p o n 有优势。其次，g p o n 采j j 两种 适配方式，除传统的a t m 外，还采用了一个标准通用组帧程序，可以透明、高效地将各 种数据信号封装进现有s d h 网络，适应任何信号格式和传输制式，业务提供灵活。第三， g p o n 传输汇聚层本质上是同步的，可以灵活地支持t d m 实时语音业务。而e p o n 在承 载t d m 业务方面没有具体规定，导致厂商可以采用不同的方式来实现，互操作性较差， 性能难以保证。最后，相对于e p o n ，g p o n 在网络管理方面功能更丰富。 尽管e p o n 技术目前更加成熟，但从长期发展来看，g p o n 是光接入网发展的必然选 择。表1 1 给出a p l ) n 、g p o n 和e p o n 的主要区别。 表1 1 三种不同p o n 网络的对比 a p o ng p o ne p o n 下行线路速率( m 比特s )1 5 5 6 2 2 1 2 4 4 12 4 4 2 4 8 812 5 0 上行线路速率( m 比特s )1 5 5 6 2 21 5 5 6 2 2 1 2 4 4 2 4 8 812 5 0 线路编码 n r zn r z8 b 1 0 b 分路比 3 26 4 - 1 2 83 2 - 6 4 最人传输距离( k i n ) 2 06 0 2 0 t d m 支持能力 t d mo v e ra t mt 蹦o v e ra t m 或t d mt d mo v e r o v e rp a c k e te t h e r n e t 上行可用带宽( m b i t s )5 0 0 ( 上行6 2 2 m b i t1 1 0 0 ( 上行1 2 4 47 6 0 - 8 6 0 ( 传输i p 业务)s 速率情况下)g b i t s 速率情况f ) o a m 有有有 下行数据加密搅动或a e s 加密a e s 加密朱定义 2 硝模络网 ，、 的 j ! 统 、 系 一 n 一 一 | | p 一 g 了一：! 出一 叭 给；p ； 0 _ 幽 一州一 o ： 鹭； 7 、弋 糕里耳 纤 单过通 第一章绪论 1 1 3 基于g p o n 的f t t x 系统 尽管移动通信技术正迅速发展，但移动通信阿的带宽存在固有局限在支持高带宽应 用时显得力不肌0 ，因此网络性能占优的周定接入网仍然受到用户的青睐。相对于传统的 电接八阿光接入呵拥有更大的带宽是打通从主干嘲到用户桌面的“虽后一公里”瓶颈 现象的最佳接入阿方案。光纤到户( 兀1 h ) 、光纤到楼( f t r b ) 和光纤到路边( f 1 1 ) 是目前主流的光接 阿技术，统称为f 几、。f t t x 是电信运营商，尤其是同网运营商未来 的主要增长点之一，而g p o n 是组建各娄f t t x 系统时蛊好的技术选择。 ! j 啦护 、! ! 鲈 警 一专垂扩 一攀痞 图i - 2 基于o p o n 的f 1 1 x 同路实例 图1 - 2 给出了基于g p o n 的f t r x 网络的一个实倒从圈中可以看到，g p o n 可以为 家庭住宅挺供洲服务。为办公楼提供啪服务为住宅小区提供f f r c 服务，此外 还兼容传统的x d s l 接入网使用g p o i q 技术后。整个f m 阿络将支持数据、语音和视 频的三重播放。在兀t h 结构中，根据功分器的功分比不同用户端可以获得数十兆至数 百兆的带宽在兀1 b 和f 1 t c 的结构中，用户端也可获得相当于v d s l 接入阿的带宽。 需要指出的是通过g p o n 与飞蜂窝c f e m t o c e l l ) 技术的结台，网络运营商将根容易 实现周阿与移动的融台。f e m t o c e l t 是在近年来3 g 快速发展和移动宽带化趋势下出现的超 小型移动基站其远端连接至基于口的接入网而用户端则支持c d m a 、g s m 、u m t s 等备种标准。f e m t o c e l l 与其他移动基站同制式、同频段，因此现有的手机等移动终端可以 通用在图2 2 的接入网结构中如果在f 1 t h 的终端配置f e m t o c e l l 设备用户就可以报 容舶获得高建无线接八月。 对运营商来说，这种阿络架构可以带来毗f 优势：提高服务质量；增加网络容量；使 阿络可快速拓展：减少建网和运营中的资本支出。即c a p e x 和o p e ) ；提升用户粘性；刺 激用户更多的使用多媒体服务。而对用户来说，通过这种阿络架构可以获得更好的宽带体 验，井且无需更换当前使用的移动终端蹬备。 随着技术的进步f t t x 的成本近年来已经大幅降低预计不久可降到与x d s l 和h f c 技 术相当的水平，这使f t t x 的商用成为可能。我国目前已开始f t t x 网络的部署，并且已经 在武汉、成都等城市搭建了试验阿络预计f t f x 网络的建设将在2 0 1 2 年前后达到高潮。 有报道称江苏移动2 0 0 8 年启动了首批光纤接入t 程，开始在全省范围内人规模部署 f t t x 。烽火通信拿f 包括苏州在内的江苏多数地吒的f t t x 合同江苏移动首批f 1 t x 试 点主要包音移动营业厅、高档商业接字 ；l 及a p r u 值较高的大客户数据服务三项应用。 基于g p o n 的几1 、技术同样获得运营商的关注。近朋有报道称，中国电信g p o n 试 点招标已经进入尾声，烽火、华为，中兴和上海贝尔四家设备商分享了共2 3 0 0 线的订单。 中国电信进行g p o n 试点建设的目标是，通过小范围试点，确定类似e f o n 的商用技术标 i 、一 r餐，趟 东南人学硕一i ：学位论义 准；为进一步商朋打下基础。中国电信将在试点中借助成熟的f t t b 组网模式，用g p o n 替换e p o n 进行建网，试点主要面向群体用户。 1 2g p o n 传输汇聚层简介 1 2 1g p o n 的分层结构 与其他现代网络类似，g p o n 也是基于分层结构的。根据g 9 8 4 3 协议，g p o n 可分 为物理媒质相关( p m d ) 层、传输汇聚( g t c ) 层、o m c i 通道层和高层业务层。表1 2 给出了具体的分层结构。在这一分层结构中，传输媒质层用于连接高层业务和物理链路， 因此是g p o n 系统中最核心的一层。而传输媒质层义分为g t c 层和p m d 层。其中，p m d 层要求的电光( e o ) 适配、波分复用、光纤连接等功能主要通过光器件来实现，因此不 是本文关注的主要方面。而g t c 层要求的成帧和适配功能则主要通过软件实现，_ 卜面将重 点介绍g t c 层及其中的成帧子层。 表1 2g p o n 系统分层结构及各层功能 高层业务层实现语音、数据和视频等多种高层业务 o m c l 通道层提供对高层业务的管理 o m c i 适配子层：识别v p i v c i 和p o r t - l d ，提供该通 适配 道数据和高层实体的交换 传输传输汇聚层 子层 a t m 适配子层：a t mg e m 适配子层：g e m 媒质( g t c 层) s d u 与p d u 的转换s d u 与p d u 的转换 层 、测距、列步、上f h = 螭隙分配、 成帧 二f 层 动态带宽分配、保密和安全、保护倒换 物理媒质相关层( p m d e o 适配、波分复用、光纤连接 层) 1 2 2g p o n 传输汇聚层的规定 ( 3 9 8 4 3 协议为g p o n 定义了一个全新的传输汇聚( g t c ) 层。g t c 层体现了g p o n 主要的技术特征，是一种用于承载各类业务数据的通用数据传输平台。g t c 层需要实现上 行信道复用、测距、时延补偿、突发同步和信息加密等功能。g t c 层最大的特点是引入一 种新的数据传输协议g e m 。 4 图1 - 3g p o ng t c 层协议栈 第一章绪论 图1 3 给出了g p o ng t c 层的协议栈。如图所示，g t c 层位于物理媒介相关层和高 层业务层之间，主要由成帧子层和适配子层构成。 ( 1 ) 成帧子层 g t c 成帧子层应实现的功能包括：p l o a m 信息、a t m 和g e m 数据流与t c 传输帧 的复用解复用；t c 传输帧帧头的产生解码；基于分配标识符( a l l o ci d ) 的内部交换。 下一节将对g t c 成帧子层进行详细介绍。 ( 2 ) 适配子层 g t c 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 自的适配器完成服务数据单元( s d u ) 与p d u 的转换。操作管理通信接口( o m c i ) 则提 供了对高层的管理服务。根据o n u 提供的接口类型的不同，o m c i 信息可封装在a t m 信 元或g e m 帧中进行传输。o m c i 适配器高于a t m 和g e m 适配器，它能够识别虚通道标 识符虚信道标识符( v p l v c i ) 和端口标识符( p o r ti d ) ，并完成o m c i 通道数据与高层实 体的交换。d b a 用于实现o l t 对o n u 的动态带宽分配。 、 从另一个角度来看，g t c 主要由控制管理( c m ) 面以及用户( u ) 面组成。 ( 1 ) 控制管理面 g t c 层的控制管理面由三部分构成：嵌入式o a m ，物理层o a m ( p l o a m ) ，o n u 管理控制接口( o m c i ) 。嵌入式o a m 和p l o a m 提供p m d 层和g t c 层的管理，o m c i 提供高层业务层的管理。 嵌入式o a m 位于g t c 的帧头信息中，提供一个底层通道以供紧急控制信息所用。这 个通道的使用功能包括：提供带宽、主要开关控制、以及动态带宽分配。 p l o a m 是由g t c 帧承载的一个消息格式系统。所有不使用嵌入式o a m 的p m d 层 和c t c 层管理信息均采用这种传输方式，包括o n u 注册及i d 分配、测距，p o r ti d 分配、 v p i v c l 分配、数据加密、状态检测、误码率监视等。 o m c i 用于管理位于g t c 层之上的高层服务。通过o m c i ，g p o n 系统可以有效的管 理a t m 数据和g e m 数据的传输 ( 2 ) 用户面 用户面负责g p ( ) n 系统的数据传输。g p o n 系统中传输的不同数据通过通信类型( a t m 或g e m ) 、端口标识符和虚通道标识符来识别。g p o n 的数据传输用剑传输容器( t - c o n t ) 的概念。传输容器是数据流的一个单元，通过o m c i 的控制，传输容器能够实现动态带宽 分配及服务质量的控制。 1 2 - 3 成帧子层简介及研究现状 g t c 成帧子层主要负责将来自p m d 层的透明比特流打包，形成g t c 帧。在这一过程 中，成帧子层需完成测距、同步、上下行时隙分配、带宽分配、加密解密和保护倒换等功 能。本文主要对其中的上下行时隙分配、测距、同步和动态带宽分配进行了研究。 1 测距 ( 1 ) 扩频法 粗测时o l t 向o n u 发出一条指令，随后0 n j 发送一个特定低幅值的伪随机码给0 l t , ， 利用相关技术检测出从发出指令至接收到伪随机码的时间差。动态精测需要开一个小窗口， 通过检测相位变化实时调整时延差。这种方法的技术较为复杂。 ( 2 ) 带外法 粗测时o l t 向0 n u 发出一条测距指令，0 n u 接收剑指令后将低频小幅的正弦波加到激 光器的偏置电流中，正弦波的初始相位同定。o l t 通过检测正弦波的相位值计算出环路延 时。精测时需要开一个帧大小的窗口。带外法测距技术也较复杂。 ( 3 ) 带内法 5 东南火学硕卜学位论文 当0 l t 需要测距时，0 l t 形成一个测距窗口供被测0 n u 使用。0 l t 发送一个测距信号， o n u 在接收到这个信号后，在测距窗口发送应答信号。0 l t 接收到应答信号后计算出均衡时 延值。采用实时监测上行信号，不需要另外开窗。这种测距方法实现简单，但测距需r 叶用 上行带宽。 2 同步 同步是数据通信中重要的一环。同步分为比特同步、帧同步幂l 网同步等。在整个网络 中，比特同步是其他同步的基础。在g p o n 系统中，因为下行方向信息流是连续的，所以f 行比特同步可以使用传统的锁相环实现。但是上行比特同步由于其突发性变得相对困难。 g p o n 系统上行同步的方法包括相关同步法、数字环路振荡法和门控振荡法等。下面简单介 绍一下其中的相关同步法。 在g p o n 系统中，o l t 精确地知道上行信号的速率，它利用预置的关键字对接收剑的输 入信号中的关键字进行相关运算。从运算结果判定接收信号相位的同步方法称为相关同步。 从相关函数的定义知道，任意两个信号x ( t ) 和r ( t ) 的相关函数为 1， y ( f ) = 寺l ，x ( t ) r ( t r ) d t 么7 1 式中t 是时间，f 是两信号之间的延迟，t 是相关时间。当x ( t ) 是r ( t ) 的相移加随机 噪声时，即 x ( f ) = r ( t + 妒) + 疗( ，) 式中n ( t ) 是随机噪声。于是式( 1 ) 可以进一步表示为 j ，( f ) = 万1 x ( ，) 【，( f + 妒一r ) + 刀( ，_ r ) 】疵 显然，当f2 缈时上式有最人值。在g p o n 系统中，0 l t 可以使用具有不同相位延迟的 时钟信号与已知的同步码进行相关运算，当某种延迟信号与同步码具有相同的相位关系时， 相关值取得最大。 同步码位于上行帧信元开销中的前导码，前导码完成接收电平幅度恢复和突发同步两 项功能。幅度恢复要求前导码中有更多的连“l ”，而突发同步则要求前导码中有更丰富的 频率分最。即“0l ”在突发同步中也称同步码为关键字。 相关同步电路的性能主要通过同步建立时间和同步保持时间等参数来评估。同步建立 时间不能超过同步码( 关键字) 的传送时间。同步保持时间是从同步建立以后到整个信元 传送为止。相关同步法的前提是预先知道接收信号的发送速率。在突发模式系统中，要求 时钟频率的精确度和突发信元的长度有密切的关系。信元也跃，要求精度越高。 3 动态带宽分配 在g p o n 系统中，为了更好地为用户提供各种业务，满足用户的特殊需求，并且提高 上行带宽利用率，灵活的带宽分配策略和算法是非常重要的。目前一种常用的动态带宽分 配方式是将所有业务分为不同的服务质簧( q o s ) 等级，同时将所有带宽分为不同的等级， 以不同等级的带宽满足不同q o s 的业务。 例如，将接入业务分为高、中、低三个等级，由o l t 统一分配带宽。对应于高、中、 低三个优先级业务，将系统带宽分为同定带宽、确保带宽和尽力而为带宽。在实际操作中， 首先最大限度地满足每个o n u 的带宽请求，即设定一个最大确保带宽，若o n u 的请求带 宽( 【司定带宽除外) 朱超过最大确保带宽，则按需分配，否则为该o n u 分配所需带宽。 第二步，若带宽还有剩余，则按比例先为未能得到带宽满足的o n u 中的中等优先级业务 分配带宽，再为低优先级业务分配带宽。这一算法在第一步带宽分配中可以保证单个o n u 中低优先级业务的最大利益，体现了公平性。 6 第一章绪论 4 上下行时隙分配 g t c 成帧子层的上下行时隙分配是本文研究的主要内容。上下行时隙分配包括g t c 帧的定界、g t c 帧对p l o a m 和o m c | 管理功能的支持，以及g p o n 系统承载的业务。 这一部分将在f 文重点讨论。 1 3 本文的研究目的及意义 1 3 1 部署g p o n 网络的意义 与传统的宽带接入方式相比，g p o n 技术有着多方面优点： ( 1 ) g p o n 能提供稳定的高带宽，用户无需担心流量共享和维护带来的带宽下降问题。 ( 2 ) g p o n 在产生之初就是一个电信技术，具有保密性高和可运营性强等特点。 ( 3 ) g p o n 是一种绿色的接入方式。光纤没有电磁辐射，不会造成电磁污染，并且能抗雷击； 制造光纤的原料是二氧化硅，成本低，无污染。 ( 4 ) g p o n 的网络部署简单，并通过光纤实现三网合一，能满足信息化小区的需求。 g p o n 对于促进经济发展，促使社会资源优化配置，也有着重要的意义： ( 1 ) 实现三网融合。 电信网、计算机网、有线电视网在技术、业务、市场、行业、终端、制造商等方面进 行融合，就可转变成电信综合网、数据综合网、电视综合网。这将大大简化：【程施：【= 由 原来的多次建设变为一次建设，节约社会资源。同时，三网融合使网络管理变得简单，大 大减少了网络日常维护量，且不对总业务量产生影响。实现三网融合后，网络资源对所有 运营商开放，用户可以自主选择服务主体，有利于创造平等、开放的竞争环境，使电信业 的竞争进入良性循环。这与当前中国电信业重组的大背景一致。三网融合需对具备语音、 数据、视频三种功能的网络实现统一的网络管理。而g p o n 的一系列优点决定，g p o n 是 实现三网融合的一种优秀技术。 ( 2 ) 促进相关产业的发展 g p o n 的发展将促进相关制造业和网络服务业的发展。网络的建设需要大量光纤、光 电器件、传输设备和系统设备。网络性能的提高还将使v o | p 、视频点播、视频会议等业 务得到进一步发展。在当前的宏观经济滑坡的情况下，将起到拉动内需的作用。 ( 3 ) 降低社会产出成本，提高社会效益 基y - g p o n 的网络为用户提供了一个高带宽的信息平台。通过这一平台，人们可以付 出较少的人力、物力、财力以获得较大的产出。p o n 技术将大幅度提高人们的劳动效率， 尤其是在网络相关的行业。 1 3 2 研究g t c 成帧子层的意义 如上所述，g t c 成帧子层实现了g p o n 系统上下行传输过程中的媒质接入控制( m a c ) 功能。此外，通过对上卜行g t c 帧结构进行调整，g p o n 将能够承载多种不同的高层业务， 例如语音、数据、 p t v 等。 然而，g 9 8 4 系列协议结构复杂，实现起来存在定难度。，此外，g 9 8 4 系列协议并朱 对g p ( 削将承载的高层业务作出规定，因此通过对成帧子层的成帧流程的具体设定，运营 商可以根据需要使g p o n 满足不同的应用。本文认为，承载什么样的业务，满足用户什么 样的需求，正是g p o n 朱来发展的首要问题。因此对g p o n 的研究首先是对g t c 成帧子 层的研究，g t c 成帧子层在整个g p o n 中处于核心地位。 本文主要对g t c 成帧子层的关键技术进行了研究，探索一种符合我国运营商当前需 求的g t c 成帧子层模型，并以f p g a 技术为基础搭建实验平台，实现这一模型。 7 东南大学硕j ：学位论文 1 3 3 本文的研究目的及主要工作 本文首先对i t u t ( 2 9 8 4 系列协议进行了简化，提 l ；简化的网络模型。在此基础上， 使刚v e r i l o gh d l 硬什描述语言米实现g p o n 系统传输汇聚层的核心功能。另一方面，以 f p g a 为核心研制开发板，搭建g p o n 系统的试验平台。最后进行软硬什联调，对g p o n 系统简化模型进行验证。 本文各章：话的主要内容如f ： 第一章，介绍了p o n 系统的发展历史及研究现状；结合i t u tg 9 8 4 系列协议分析了 g p o n 的网络架构和网络优点；阐述了基于g p o n 和f e m t o c e l l 技术的围网和移动融合方 案。本章还重点对g p o n 传输汇聚层的特点进行了分析。 第二章，首先设计了g p o n 的整体结构方案，对s f p 光收发器、可凋光衰减器、光放 大器等光器件在g p o n 中的应用进行介绍。随后，简化了i t u tg 9 8 4 系列协议，提出一 种g p o n 传输汇聚层模型；运用v e r i l o gh d l 语言实现这一模型，并进行软件仿真。 第三章，以x i l i n x 公司v i r t e x - 5f p g a 芯片为核心设计通用开发板，在比较的基础上 完成对电源、配置、外部接口模块的电路没计。 第四章，完成f g p a 开发板的布局布线，制作四层p c b 板，通过编程下载等多种手段 验证p c b 板各模块的可用性。 第五章，对一款s f p 光收发器和一款l o 通道可调光衰减器进行测试，验证这两款光 器件是否可以被应用在g p ( ) n 试验平台中。 第六章，以开发板为基础，在电域和光域对所设计的g p o n 系统简化模型进行软硬件 联调、验证。 8 第_ 二章g p o n 整体结构及传输汇聚层设计 第二章g p o n 整体结构及传输汇聚层设计 在分析了i t u tg 9 8 4 系列协议的基础上，本章首先提出了一种g p o n 的整体结构方 案，包括物理层和传输汇聚层的结构，便于下一步的研究。本章同时设计了一种g p o n 传 输汇聚层的简化模型，包括成帧流程和o l t 、o n u 结构，并以v e r i i o gh d l 语言进行仿真。 2 1g p o n 整体结构方案 图2 1g p o n 整体结构方案 为了更好的对g p o n 系统g t c 层进行研究，本文首先提出了g p o n 整体结构的一个 方案，如图2 1 所示。图2 1 中涉及的g p o n 系统由三部分构成：o l t 、o n u 和o d n 。 每一部分的组成和具体功能分别如下： ( 1 ) o l t o l t 中主要由高层业务层、g t c 层和p m d 层三部分构成。高层业务层用于为有线电 视、语音、数据和i p t v 等业务提供服务。g t c 层则包括适配子层、成帧子层和管理控制 面。适配子层为高层业务提供a 1 r i 适配和g e m 适配；成帧子层将透明的数据流组装成 g t c 帧，并完成测距、同步等一系列功能：管理控制面提供包括p l o a m 和o m c ! 在内的 一系列管理功能。o l t 的p m d 层的器件主要包括光发送机( t x ) 、光接收机( r x ) 、掺饵 光纤放大器( e d f a ) 和环行器。 ( 2 ) o n u o n u 同样分为高层业务层、g t c 层和p m d 层三部分。其高层业务层和g t c 层的结 构与o l t 类似，但其中的具体实现有所不同。在这一方案中，o n u 中没有使用光源，冈 9 东南人学硕i ：学位论文 此其p m d 层的结构与o l t 不同。o n u 的p m d 层主要由环行器、光功分器、? f 导体光放 大器( s o a ) 、马赫曾德干涉仪( m z ) 和光接收机( r x ) 组成。o n u 通过调制o l t 发送 的连续光米实现上行信号传输。其中光功分器的功分比为2 0 ：8 0 ，2 0 的光信号被o n u 接收，8 0 的光信号经过放人、调制，完成上行数据传输。 ( 3 ) o d n o d n 利j j 各种无源器件( 光纤、光分路器、波分复用器和光连接器等) 在个o l t 和一个或多个o n u 之间提供一条或多条光通道。o d n 的光特性应能提供现在可预见的任 何业务，而不需对o d n 进行任何改动。因此o d n 器件的选择应当遵循以下要求：波长透 明性：光功分器等器件应没有任何波k 选择的功能，能够支持在1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 区域 内任何波长信号的传输；可逆性：输出口和输入口的倒置不应引起器件光损耗的大幅度变 化：光纤的兼容性：光器件应与尊模光纤g 6 5 2 兼容。 由于g p o n 规定的网络物理覆盖范围至少为1 0 k m ，协议内逻辑支持范围为6 0 k m 。因 此在实验室环境中，本文在o d n 中使用可调光衰减器( v o a ) 米模拟光纤链路的衰减。 2 2g p o n 光层器件设计 2 2 1g p o n 的光源技术 1 在o n u 中采用光源 ( 1 ) 发光二极管( l e d ) l e d 的输出光功率一般为几毫瓦，入纤功率几到几十微瓦，可见输出功率较低。l e d 是一种谱宽较宽的光源，在室温下，短波长的l e d 线宽约为2 5 至4 0 n m ，长波长的l e d 线宽可达7 5 至1 0 0 n m 。l e d 在输入电流较大时，线性性较差。 在实际应用中，可以通过波长路由器将l e d 的频谱分成较窄的频带来进行上行传输。 在各个o n u 中可以采用同样的l e d ，并且结合t d m 技术，各个o n u 可以共享一个信道。 使用l e d 成本较低，但由于l e d 输出功率低，且衰减和色散都较强，所以不适合长距离 的通信。 ( 2 ) 激光器( l d ) 激光器的一f = 作基于光的吸收、受激发射和光子被放大的过程。半导体激光器利用粒子 数反转和光反馈来形成吸光振荡，这样形成的光通常单色性很好。市场上，常刚的激光器 有两种：法布里珀罗激光器( f p l d ) 和分布反馈式激光器( d f b l d ) 。前者一般输出功 率较小，输出激光的质量较低，适合普通应用。若对光源性能要求较高，则应使用分布反 馈式激光器。 在o n u 中使用l