（物理电子学专业论文）宽带无源光网络的媒质接入控制协议设计.pdf

摘要 f 在国家骨干通信网建成之后，目前面临如何用这个骨干网随时随地为用户提 供包括宽带业务在内的所需业务，这就是接入网需要解决的问题。在各种可能的 y 广一 接入方案中，长远智基于a t m 的无源光接入圆( a p o n ) 是最具市场潜力的接 。一 入方案，它支持宽带接入业务，业务透明结合了a t m 的多业务、多比特率技 术和无源光接入网的宽带宽、低成本优势。 ，可 结合a t m 技术的p o n 我们拄第二章啪行了研究，讨论了a p o n 的网络 l - 结构、分层模型和各组成单元等问题，设计了一个光分配网并提出了基于波分的 时分复用接入技术方案。 a p o n 是一个树形媒质共享网络，上行用户间信元在0 l t 处有可能发生碰 撞。我们在本论文研究的重点就是设计一个塑亟蛰厶控壹i l 协议，使得用户上行信 元有序到达o l t 而不发生碰撞，同时保证各业务所要求的传输时延( t d ) 和信 ， 元时延抖动( c d vj 。f 经过理论分析和计算机仿真可以证明我们提出的双控制 t 写入顺序读出媒质接入控制协议( d 。m a c ) 是一个非常有效的，比典型的g l o b a l f i f om a c 协议具有更小的传输时延和信元时延抖动。 弋。 另外我们还设计了一个可以让多个用户共享同一o n u 的交换式集线器。它 允许多用户共享同一o n u 并且其总带宽在用户间动态分配。交换式集线器在解 决居民用户和小商业用户尽可能早地享受宽带服务提供了强有力的支持，能充分 、 利用有些用户已有的局域网资源。p t 最后我们探讨了p o n 的发展趋势，认为多用户通过低价位、高性能的交换 设备共享o n u 的接入方式和w d m 接入方式为今后有线接入的具有竞争力的接 入方式。 1 吖 i _ r f 浙江大学硕士学位论文 4b s t r a c t h a v i n gb u i l tt h en a t i o n a lb a c k b o n ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，h o wt op r o v i d et h e s e r v i c e si n c l u d i n gb r o a d b a n ds e r v i c et ou s e r st h r o u g hi ta ta n y t i m ea n da n y w h e r ei s t h es u b s e q u e n ti m p o r t a n t t h i n g i n a l lk i n d so f a l t e r n a t i v e s ，a t mb a s e d p a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ( a p o n ) h a s t h em o s t p r o m i s i n gp r o s p e c t ，w h i c hs u p p o r t sb r o a d b a n ds e r v i c e a n ds e r v i c et r a n s p a r e n c y i na d d i t i o n ，i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fm u l t i s e r v i c ea n d m u l t i b i tr a t ec a p a b i l i t i e so f a t ma n dt h ea d v a n t a g e so f w i d eb a n d w i d t ha n dl o wc o s t o f p o n w es t u d yt h ea t mb a s e dp o na n dd i s c u s si t sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，l a y e r e d m o d e la n dt h e i rc o m p o n e n t s a no 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 ) u s e di na p o ni s a l s o d e s i g n e d i na d d i t i o n ，w eb r i n gf o r w a r d aw a v e l e n g t hd i v i s i o nb a s e dt i m e d i v i s i o na c c e s st e c h n o l o g y a p o ni sat r e e 1 i k em e d i u m s h a r e dn e t w o r k w h i c hh a si t so w nc h a r a e t e r i s t i c s t h a te m p l o y sap a r t i c u l a rm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lt oa v o i dc o l l i s i o n b e t w e e nc e l l sf r o md i f f e r e n tt e r m i n a l s h e n c e w ef o c u so ns t u d ya n dd e s i g no f m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lu s e di na p o n t h em a c p r o t o c o lm u s th a v e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c et oc e r t i f ya ss m a l lt r a n s f e rd e l a y ( t d ) a n dc e l ld e l a yv a r i a t i o n ( c d v ) a sp o s s i b l et om e e t a l lk i n d so f s e r v i c e sb e s i d e sn oc o l l i s i o nb e t w e e n c e l l s b y t h e o r ya n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，d u a lc o n t r o lw r i t es e q u e n c er e a dm e d i u m a c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lf d - m a c ) w e b r i n gf o r w a r dw o r k sb e a e rt h a nt y p i c a lg l o b a l f i f om a c p r o t o c 0 1 i no r d e rt ol e tr e s i d e n t i a la n ds m a l lb u s i n e s sc u s t o m e r se n j o ya l lk i n d so f s e r v i c e s t h a tb a c k b o n en e t w o r k p r o v i d e se c o n o m i c a l l ya se a r l ya sp o s s i b l e ，w ed e s i g nas w i t c h h u b t h i sk i n do f s w i t c hh u bh a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sd y n a m i c a l l ya l l o c a t i n gt h e w h o l eb a n d w i d t ho fo n eo n ub e t w e e na l lu s e r sc o n n e c t i n gt h es w r c hh u b ，a b i l i t y t oc o n n e c te t h c r n c t a tl a s t , w eg i v ea p r o s p e c to f a p o n ：m u l t i u s e r sa c c e s st h eb a c k b o n en e t w o r kt o g e ts e r v i c e st h e yn e e db yl o wc o s t ，h i g hp e r f o r m a n c es w i t c he q u i p m e n tt h r o u g h e x i s t i n g l o c a la r e an e t w o r ki sag o o dw a ya n dw d ma c c e s st e c h n o l o g yw i l lb e a n o t h e r p r o m i s i n g m e t h o d j i 浙讧大学硕士学位论文 第一章绪论 2 1 世纪是信息社会的时代，由信息技术、信息传送( 服务) 、信息资源所构成 的信息产业将成为生产力的基本要素。社会对信息的需求推动了信息产业的发 展，迫切要求各种专业信息系统共同经过一个信息网络，能使任何人在任何地点、 任何时间，将文本、声音、图像、电视信息传送给在任何地点的任何人，这就是 国家信息基础设施( n ) 。由国家骨干电信网( 数字交换网、光纤网、数字微波网、 卫星通信网等) 构成的高速通信网为n i l 提供了高速信息传送的通道。接入网就 是这个通道的“最后一公里”，它主要解决如何将图像、数据、语音等多种业务 综合传送到用户的问题。 1 1接入网 在电信网中，传统上公用电信网一般可分为长途网( 长途端局以上部分) 、 中继网( 长途端局与市话局以及各市话局之间部分) 和接入网“1 三部分。最近 国际上已将长途网和中继网合并称为核心网( c o r en e t w o r k ) 。相对于核心网的其 他部分统称为接入网( a c c e s sn e t w o r k ) ，它主要完成将所有用户接入到核心网的任 务并已成为公用电信网中最大和最重要的组成部分。 接入网在电信网中特别是在未来的通信信息网中具有极其重要的地位，对今 后的发展起着关键的作用。这主要是因为：接入网首先是电信网和通信信息网中 最大的部分，它的建设费用占建网总费用的一半以上；其次接入网直接面对广大 的用户和各种应用系统，它的服务质量和内容直接影响网络的发展，事实上大部 分业务只需由接入网而不必通过核心网就可以完成：再次它是完成语音、数据、 活动视像等全业务综合的最主要的部分和必经之路，因此，接入网成了当前信息 通信中高新技术竞争最激烈和发展最快的部分。建设能把电信、有线电视和计算 机等多种行业中的语音、数据、静止或半静止图片、特别是活动视像业务融合为 一体的公共通信信息宽带接入网是现代电信网发生巨大变革的主要环节：具有多 媒体的、全业务特性的公共通信信息宽带接入网是建设信息高速公路的基本设 施。 接入网定义为电信网络中业务节点( s o u r c en o d e ) 与用户驻地网 浙江大学硕士学位论文 ( c u s t o m e r p r e m i s e s n e t w o r k ，c p n ) 之问的实体部分( 如传输系统等) 。图1 1 示出了 图1 i 、电信网的基本组成 电信网的基本组成和接入网在其中的位置。图中u n i ( u s e r n e t w o r k i n t e r f a c e ) 是用 户网络接口，s n i ( s e r v i c en o d ei n t e r f a c e ) 是业务节点接口，而c p n ( c u s t o m e r p r e m i s e s n e t w o r k ) 是用户驻地网，多数情况下它只足一个用户终端。 在电信、计算机、有线电视技术趋向融合的情况下，传统的接入网定义也将 有了变化其重新定义。1 为：业务节点接口( s n i ) 和相关用户网络接口( u n d 之间 的系列传送实体( 诸如线路设备、传输设备等) 所组成的为传送信息业务提供所 需传送承载能力的实旋系统，这种接入网定义称作通用接入网( u n i v e r s a la c c e s s n e t w o r k ，u a n ) 。如图1 2 所示，业务节点( s 如可以是交换设各、前端机 ( h e a d e n d ，h e ) 或各种数据库( d a t ab a s e ，d b ) 或光盘库( o p t i c a ld i s kb a s e ，o d b ) ，而 用户网络侧包括各种终端设备( t e r m i n a le q u i p m e n t ，t e ) 。在接入网中包括各种功 能块，其中业务口功能( s o u r c ep o r tf u n c t i o n ，s p f ) 的主要作用是将特定的s n i 规 定的要求与公用承载通路相适配以便核心功能块处理，并负责选择有关的信息以 便在a n 系统管理功能中进行处理。用户口功能( u s e r p o r tf u n c t i o n ，u p f ) 的主要 图i 2 、接入网功能结构 作用是将特定u n i 要求与核心功能和管理功能相适配。核心功能( c o r e 浙江大学硕士学位论文 f u n c t i o n ，c f ) 处于u p f 和s p f 之间。其主要作用是负责将个别用户1 2 承载通路或 业务口承载通路的要求与公用传送承载通路相适配。传送功能( t r a n s p o r t f u n c t i o n ，t f ) 是为a n 中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道，也为公用 传输媒质提供适配功能。接入网系统管理功f l ( s y s t e mm a n a g e m e n tf u n c t i o n 。s m f ) 是协调a n 内u p f 、s p f 、c f 和t f 的供给、操作和维护，也负责协调用户终端 ( 经u n i ) g u 业务节点( 经s n i ) 的操作功能。 1 2接入网分类 类。 目前接入网按接入技术可分为有线接入、无线接入以及有线和无线综合三 1 2 1 有线接入网 有线接入技术可分铜缆接入和光纤接入，其中铜缆接入又可分为：、对绞 铜线接入，它是普通电话业务( p o t s ) 的传输方式。、同轴电缆，主要用于过去 的有线电视传输。、线对增容( p a i rg a i n p g ) 系统。它采用语音压缩编码可以 在一对铜绞线上扩大容量传送4 、8 、1 6 路电话。、高比特率数字用户线路0 i g h b i tr a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，h d s l l ) 系统，它在两对以上的对绞铜线上传送全 双工2 m b i t s 信息。改进型的第二代h d s l 2 “1 能在一对对绞线上实现超过第一代 h d s l l 的性能其具体表现在：一对线上实现两线对h d s l l 的传输速率：获得 与两线对h d s l l 相等的传输距离：对环路损害( 衰减、桥接头、串扰等) 的容 忍能力不低于h d s l l ：对现有业务造成的损害不能超过两线对h d s l l ：能够在 实际环路上可靠地运行：价格要比传统h d s l l 低。、非对称数字用户线路系 统( 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 x d s l ) ，利用一对铜绞线实现宽带传 输，其上行方向传送3 8 4 5 7 6 k b i t s 而在下行可传送6 2 5 2 m b i t s 的信息，这就使 得原有对绞铜线可以得到充分的应用。 有线接入技术的光纤接入可分为：、采用z 接口的用户环路载波( s u b s c r i b e r l o o pc a r r i e r , s l c ) 系统，由于此系统在端局和用户端需要经过多余的模数与数 模转换，增加了接入成本。、采用v 5 国际标准接口的数字环路载波( d i g i t a l l o o p c a r r i e r , d l c ) 系统，由于采用了标准接1 ：2 ，此系统不需要多余的模数转换即可将 浙江大学硕士学位论文 数字信息传送到用户端，这样不仅提高了传输质量并在一定长度下成本还能低 于铜线。、采用v 5 国际标准接口的无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k , p o n ) ， 此网络采用低成本的无源光器件进行分路，它有利于升级和业务的拓展以及全数 字化。在今后可能的各种升级方式中，波分多路复用w d m “将是最有效和有力 的方法，它能容许长远的逐步升级。在密集波分多路复用w d m 系统中，每对光 纤可以密集加载1 0 0 路光，每路传送时分多路t d m 的数字脉冲信号1 0 g b s ，因 此每对光纤总的传送速率可达1 0 0 1 0 g b s = 1 t l g s 。、模拟视频图像光纤传输 系统。 另外有线的还有混合光纤同轴电缆( 1 i f o “1 的现行有线电视网络和交互式数 字图像( s w i t c h e dd i 蓟m lv i d e o ，s d v ) 系统。h f c 网络采用模拟传输方式，它在干 线传输中用光缆作为媒质，应用副载波复用技术将多路c a t v 信号调制到一条光 路信号上，通过光线传输送到光节点设备，电话信号和各种数字信号也通过光纤 送到光节点设备。在h f c 系统中，光节点设备是关键部分，它包括一个模拟线 性宽待光接收机、一个下行信号光接收机和一个反向上行信号光发射机；另外还 有一个下行信号的射频放大部分。从光节点设备到用户是一个传统的同轴电缆 分配网，用户通过网络用户接口单元( n i u ) 与网络相连。每个n i u 除通过同轴电 缆直接连往电视机外最多还可通过双绞线连接六十部电话机，为6 0 个用户提供 语音业务。一个光节点一般可服务5 0 0 个家庭。 1 2 2 无线接入网 无线接入网“3 1 依终端是否可移动可以分：固定终端接入和移动终端接入。 固定终端接入主要有：、卫星直播( d i r e c t b r o a d b a n ds y s t e m ，d b s ) 系统，这就 是现令用于同步卫星的电视广播系统；、采用c 或k u 波段的同步卫星通信 ( s y n c h r o n o u ss a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，s s c ) 系统；、甚小孔径终端卫s ( v e r y s m a l la p e r t u r et e r m i n a l ，v s a t ) 系统，这种地球站天线直径一般小于2 4 m ，主要 用于小容量数据传输和小容量话音业务。工作于c 或k u 波段；、单区制无线 接入，这是一种传统的无线接入方式，一般工作于1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z ，适用于 于户数较少的郊区和农村，覆盖半径可达几十公里；、微波点对多点通信系统 ( m u l t i p l ea c c e s sr a d i os y s t e m ，m a r s ) ，本系统由中心基站传送到若干个用户端 站，每个端站容量为几十户，传输频率为1 4 2 5 g h z ，适用于用户小集中、大分 浙江大学硕士学位论文 散地区：、本地多点分布业务( l o c a lm u l t i p i o md i s t r i b u t i o ns e r v i c e ，l m d s ) 系统 此系统工作于2 8 g h z ，可与固定卫星链路相连，传输宽带业务也可传输双向高 数数据、广播视频、视频点播和电话业务覆盖半径不超过8 k i n ：、多点多路 分布业务( m u l t i p i o n tm u l t i c h a n n e ld i s t r i b u t i o ns e r v i c e ，m m d s ) 系统。移动终端接 入土要有：、无线寻呼( p a g i n g ) 系统这就是目前的b p 机系统；、无绳电 话( c o r d l e s st e l e p h o n e ，c t ) 系统，一般用于用户密集，而服务区域半径小的地区。 它是由小基站( t e l e p i o n t ) 和一批重量轻体积小的手机构成，在室内无屏蔽阻挡 的传输距离为1 0 0 3 0 0 m ：无阻挡的室外传输可达l k m 以上。u t s t a r c o m 开发的无 线市话接入系统就属于这种系统；、集群通信系统这是一种常用于生产、管 理和公安消防、交通等方面的调度系统，如出租车调度系统属于这一类；、蜂 窝移动通信系统，开始时这种系统为模拟移动通信方式如早期欧洲的t a c s 、 n m t 和北美的a m p s 等，现今为工作于9 0 0 m h z 与1 8 0 0 m h z 中国和欧洲的g m s 以及北美的c d m a 数字通信系统；、同步卫星移动通信系统，这类系统已有 多年历史，如海上通信设备i n m e r s a t 等：、低轨道卫星移动通信系统( l o we a r t h o r b i ts a t e l l i t em o b i l es y s t e m ，l e o ) ，这种系统由运行于离地面数百公里到数千公 里的轨道上的卫星网组成最具代表性的是美国m o t o r o l a 公司的“铱”系统以 及全球星( g l o b a l s t a r ) 系统：、公共陆地移动通信系统( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l e t e l e p h o n es y s t e m ，f p l m t ) ，这是新一代的移动通信系统，其标准还正在制定之 中。 1 2 3 混合接入网 有线无线综合接入技术主要有光纤无线混合( h y b r i df i b e r & w i r e l e s s ，h f w ) 系 统和个人通信系统( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，p c s ) 。 1 3本文的主要工作 在电信网、有线电视网和计算机通信网三网合后，人们要求能在一个通用 接入网中能随时随地获得所有服务( 如高速数据通信、图像通信、远程教学等) ， 而这种服务将以个人化和宽带化为主要特征。目前在用户网中利用电缆进行传 输，存在带宽窄、容量小、损耗大、防干扰能力差、成本逐步上升等缺点。为了 浙江大学硕士学位论文 满足用户对网络传输能力提出越来越高的要求接入网光纤化是不可避免的，而 光纤化的过程中基于a t m 的无源光接入网( a p o n ) 成了最佳选择，它以宽带化、 低成本化和今后业务容易拓展为主要特征。由于拥有上述优点，所以基于a t m 的无源光接入网( a p o n ) 自然也就成了我们的研究对象，本论文的工作主要就 是基于a p o n 进行的。 因为a p o n 是一个媒质共享网络，与其它共享网络一样也需要一个介质访问 控制( m a c ) 协议来管理和分配系统资源，以期获得较高的吞吐量( t h r o u g h p u t ) 和较好的系统性能。我们在后面各章节中的主要任务就是设计出这样一个介质访 问控制( m a c ) 协议，使得a p o n 的系统带宽能在各个用户之间动态分配并保持较 高的吞吐量：拥有较小的信元传输时延( t r a n s f e rd e l a y ) 和信元时延抖动( c e l l d e l a yv a r i a t i o n ) ；另外还要求本系统能提供各种现有业务以及将来可能出现的 业务。除了设计m a c 协议之外，我们还设计了一个应用于a p o n 的光分配网”“ ( o d n ) 以及完成了用于非f t t h 接入类型中多用户共享同一o n u 的交换式集线器 ( s w i t c h - h u 8 ) 的电路设计。 本论文所完成的具体工作可概括如下： 、设计了一个供后面章节设计m a c 协议用的a p o n 光分配网。该光分 配网是基于波分复用”1 基础上的时分复用( w - t d 1 0 分配网，应用单模光纤双窗口 宽带树形分路器。1 能提供多达3 2 个0 n u 接入，即最大分光比为3 2 。”。我们 设计的这个光分配网中用了两根单模光纤分别作为上下行的传输媒质，并且在每 跟光纤中传输同方向的两个光波长。这两个波长上行时一个波长用来传输实时业 务，另外一个波长用来传输非实时业务；下行时一个波长用来传送个人业务，另 外一个波长用来传送广播业务。设计的系统上行容量可达1 5 5 m s + 1 5 5 m s ，下行 容量可达1 5 5 1 v l s + 6 2 2 m s 。a p o n 光分配网在双向上每个波长都采用时分复用技 术为用户提供服务。 、设计了适用于自行设计的无源光网络的双控制写入顺序读出媒质接入控 制协议及其帧结构。双控制写入顺序读出媒质接入控制协议采用了规范、兼容的 帧结构，基于申请许可模式进行工作，带宽在用户间按需动态分配，许可对象 是信元级的，利用了双控制写入顺序读出算法，通过a p o n 信元头所携带的o l t 与o n u 之间仅有的信息有效控制传输时延( t d ) 和信元时延抖动( c d v ) ，并 【注t 】、我们设计的光分配同包括了o l t 和o n u 的光收发部分详见第二章。 浙江大学硕士学位论文 且该协议充分利用了剩余带宽给予新到用户及时发送申请信息以减少传输时延。 双控制写入顺序读出媒质接入控制协议为充分发挥我们设计的光分配网中每个 方向都有两个波长的特点，还采用了对应于两个上行波长1 3 l o n m 和1 5 5 0 r i m “” 的两块8 1 个字节大小的缓存区b u f f e r i 和b u f f e r o 分别记录着每个o n u 待发非 实时业务和实时业务信元的队列长度，根据待发信元数，按比例取整给出准许并 根据间隔原理“2 1 ( 由间隔器完成) 控制写入许可，并分别缓存到顺序读出的许可 队列p e i - m i t o 和p e r m f f l 中。通常系统处于非满荷状态，又许可时隙产生速率等 于系统上行最高有效a p o n 信元速率所以在许可队列p e r m i t o 和p e r m r l 中分 别有些许可时隙是空闲的，也即这个空闲许可时隙对应的上行时隙是空闲的，为 了充分利用剩余带宽，我们在许可空闲时隙插入准许发送上行申请块的信令，以 减少带宽浪费且减少新到用户的等待时间，同时保证当系统高负载时以不为新用 户提供服务来维持系统正常运行。经由计算机仿真结果与已有的g l o b a 】f i f o m a c 协议仿真结果相比较可知双控制写入顺序读出媒质接入控制协议能在高带 宽效率情况下有更小的传输时延和信元时延抖动性能。 、m a c 协议所确定的网络模型的理论分析。在a p o n 中，m a c 协议所确 定的网络模型具有输入参数为入的简单到达流、各个顾客的服务时间之间以及它 们与输入之间均相互独立并且服务时间有相同分布和拥有一个先到先服务的服 务台等三个特性，所以我们采用了泊松到达、任意服务时间分布和一个先到先服 务排队模型( m g 1 一f c f s ) 来进行分析。在分析中我们应用了嵌入马尔可 夫链，通过推导得出了m g i 模型的队长分布即待发信元数分布的母函数，并 由这个母函数求出了平稳队长分布均值，通过队长均值表达式可知这个均值与服 务时间方差成一次函数关系，方差越大，队长均值就越大，特别地还导出了当服 务时问为常值时的m d i 模型的队长均值分布表达式。再由立陶公式我们导出 了m g 1 和m d 1 模型中的平均等待时间表达式，另外还求出了等待时间分布 的母函数。在我们分析的m g 1 模型中，由于服务时间分布不定，即服务率u 也就不确定，因此唯一遗憾的就是在理论分析中无法得出显形的数值表达式。 、多用户共享o n u 的交换式集线器( s w i t c h h u b ) 的电路设计。我们完成 了支持i e e e 8 0 2 3 8 0 2 3 u 、8 0 2 1 p ( q 0 s ) 和8 0 2 1 q ( v l a n ) 标准规范功能的 多个用户共享o n u 的交换式集线器的电路原理设计以及电路板实现，使其能用于 租11 】、上行的1 3 l o n m 和1 5 5 0 r i m 分别用于非实时和实时业务，详见2 4 2 节。 浙江大学硕士学位论文 f t t c b o 等接入网模型或者应用于以太网。交换式集线器通过o n u 中的以太网 适配卡可以实现在多个用户之间动态分配同一个o n u 的总带宽但在任一时刻都 只有个用户独占带宽。通过电路内部配置，使本交换式集线器工作于自适应 i o m i o o m 模式，并且任一端口都可与同类产品或者现行通用的以太网集线器往 上、往下级联或者连接数据终端设备，同时这些端口只要再加光电模块即可实现 光纤通信。 总之，经过完成上述工作，基本实现了本论文的主要目标：对宽带无源光网 络媒质接入控制( m a c ) 协议及其与光接入网有关的问题进行了研究，并设计了 一个全新的媒质接入控制协议以及应用该协议的光分配网，另外还设计了一个多 用户共享同一o n u 的交换式集线器。由计算机仿真分析可知我们提出的双控制写 入顺序读出媒质接入控制协议具有很好的传输时延和信元时延抖动特性，在实现 了保持低传输时延和信元时延抖动的情况下，还能拥有较高的吞吐量。 浙江大学硕士学位论文 第二章基于a t m 的无源光( 接入) 网络( a p o n ) 2 1 无源光网络( p o n ) “1 电信网的核心部分由于引入了光纤，采用s d h 传输体制，传输速率成倍提 高，而接入网部分仍以双绞线铜缆网为主“”3 ，随着互联网业务和多媒体业务的 日益增多普及，家庭用户对带宽要求与日俱增，而长期以来网络运营者一直期望 建设一个统一的接入平台为用户提供多种服务。由于无源光网络( p o n ) 能以相对 较低的价格提供充分的带宽，统一的传输平台，低运营成本，并且因其透明传输 等优点能满足目前的各种业务需要以及将来非常容易拓展可能出现的业务，因此 p o n 成为了研究热点并正成为接入网的发展方向。各大公司都竞相开发无源光 接入网产品国内外都有产品推出“，如阿尔卡特( a l c a t e l ) 公司的1 5 7 0 n b 系统、 爱立信( e r i c s s o n ) 公司的l o c 一2 i 系统。1 、中兴通信公司的z x a l 0 - - p o n 系统“” 等。 目n 参考蓖 r a 、参考点t 订参考点 o n u ：o o t i c a ln e t w o r ku n i t o l t ：o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n a f ：a d a p t a t i o nf u n c t i o n o d n ：o o t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k 图2 1 、光接入网参考模犁 2 1 1 光接入网”2 1 的定义及参考配置 【注1 1 ：本章以后各章节所提到的无源光网络( p o n ) 一般意指无源光接入网，除非特别申明 【注2 1 ：本章以后备章节所提到的光接入g ( o a n ) - - 般意指无源光接入网，除非特别申明。 浙江大学硕士学位论文 一个接入链路定义为一个给定的网络接口和单个用户接口( d 之间的全部 传输手段。由于网络侧和用户侧不同，因此接入链路不对称。光接a 网( o a n d 定义为共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所支持的接入链路群。一般称为 光纤环路系统( f r r e ) 。 从光接入网的定义可以看到，一般情况下，光接入网是一个点到多点的光传 输系统。它的系统配置如图2 1 所示。图中o d n 是光分配网络，它是o l t 和 o n u 之间的光传输媒质，由无源光器件组成：o l t 是光线路终端，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 是光网络单元它提供o a n 用 户侧接口，并且连接一个o d n 。 无源光网络( p o n ) 在o l t 和o n u 之间没有任何有源电子设备，对各种业务 呈现透明状态，易于升级扩容，便于维护管理。 2 1 2 光接入网的拓扑结构和应用类型 一般来讲，通信网有三种最基本的结构：星形，总线形，环形。它们分别如 星形结构 总线结构 环形结构 图2 2 、网络基本结构 图2 2 所示。这些物理上的拓扑结构与信息的实际流动途径( 网络的逻辑结构) 相 互组合，可形成多达六种网络结构。具体实际应用中选择哪种结构取决于大量的 经济和技术因素。 根据o n u 的位置不同，o a n 可以划分为四种基本的应用类型：光纤到路边 浙江大学硕士学位论文 ( f t r c ) ，光纤到大楼( r r r b ) 光纤到办公室( r t r o ) ，光纤到冢( r y r n ) 。 f t t c 是一种树形网络结构。o n u 设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒 处，有时也可设置在交接箱处。此时o n u 到用户之间采用对绞线铜缆。若要传 送宽带业务，这一部分还需要高频电缆( 如5 类线) 或同轴电缆。f t t c 主要有以 下特点：、在f t t c 结构中。现有的铜缆资源仍能利用，可以推迟用户引入线 或者配线部分的光纤投资，具有较好的经济性。、预先建设了一条靠近用户的 宽带传输链路，一旦有宽带业务需求，可以很快将光纤引致用户处。、由于 f t t c 是一种光缆铜缆混合系统从维护运行的观点来看仍不理想。 f t t b 是f t t c 的变形不同之处是o n u 直接放在楼内( 如居民住宅公寓或小 企业，事业单位办公楼内) ，在经过铜缆将业务分别送到各个用户。n t b 比f t t c 的光纤化程度更进一步，因而更适合高密度用户区，也满足未来宽带传输系统发 展的要求。 在f t t c 结构中，如果将设置在路边的o n u 换成无源光分支器，将o n u 移到 用户家或大企业事业单位用户( 如公司、大学、研究所、政府机关等) ，即为f t n 或f t t o 方式。f t t h 是一种全光网络，接入网成为全透明的光网络，因而对传输 制式、带宽、波长等没有任何限制适合引入新业务是一种理想的业务传送网 络。o n u 安装在用户处，环境条件、供电、维护安装等问题都得以简化。光纤直 接通到用户，每个用户真正有了宽带网络，b i s d n 的实现才有最终的保证。 2 1 3 光接网络的传输复用技术 传输复用技术主要完成o l t 和o n u 连接的功能，其连接可以是点到多点， 也可以是点到点的方式。适合光接入网的传输复用技术主要有：、s d m ( 空分复 用) ，对上行信号和下行信号用分开的两根光线传输。实现简单，但与下面的单 纤传输方式相比，成本高，安装和维护要复杂些；、t c m ( 时间压缩复用，又称 “光乒乓传输”) 在一根光纤上以脉冲串形式的时分复用技术。每个方向传送 的信息，首先放在发送缓存中，然后每个方向在不同的时间间隔内发送到单根光 纤上。接收端收到的时间上压缩的信息在接收缓存中解除压缩。因为在任一时刻 仅有一个方向的光信号在光纤上，t c m 不受近端串扰的影响，上行采用t d m a 方 式，下行采用t d m 方式；、f d m ( 频分复用) ，在单根光纤上的上行和下行信号 通过调制，安排在不同的频谱位置。在接收端解调器中的滤波器仅滤出所需的信 浙江大学硕士学位论文 号频谱；、s c m ( 副载波复用) ，一般都用两根光纤，每根光纤传送上行或者下 行光信号。下行采用时分复用( t d m ) ，0 l t 在预定时隙内包含全部用户信息的t d m 信号以广播方式送到每个0 n u 。每个0 n u 仅接收到相关时隙的信号，由于采用广 播方式，需要设置和检查安全密码。上行采用时分多址复用( t d m a ) ，以防止上行 信号的碰撞。凶为每个0 n u 到o l t 的距离不同，0 l t 通过自动定距程序对每个0 n u 进行定位、控制和管理，使每个0 n u 在指定的时间向上发信号：、w d m ( 波分复 用) ，在一根光纤上的上行和下行信号用不同的波长，每个方向的信号传输由波 分复用器件分开。w d m 能同时处理双向信号传输，上行和下行信号分别用 1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 波长，除采用v d m 器件外，不需要另外的光纤，或者提高线路比 特率。如果采用高密度波分复用，可为每个0 n u 提供专用的上行和下行波长。光 栅型w d m 已达2 0 个波长，不久可望达到4 0 个到5 0 个波长。更有甚者，若对光 纤加装密集的波分多路d w d m 系统则可达1 0 0 路0 1 ，但这种系统目前成本太高， 然而从长远看它依旧是实现f t t h ，提供宽带业务的一种最有效和有力的办法。 2 1 4 光网络单元( o n u ) 的功能要求 o n - u 提供与o d n 之间的光接口，实现o 6 u n 用户侧的接口功能。o n u 可 以位于用户住宅的室f 勾( f t t b 、f t t o 和f t t h ) 或用户所在处的室岁b ( f t t c ) 。o n - u 业务层 圆圆圆 矧 公共层 广_ 广 l 供电功能llo a m 功能l 图2 3 、o n u 的功能框图 提供传递系统处理的各种不同业务所需要的手段。它的功能框图示于图2 3 。 从图2 3 可见，o n u 由三部分组成，定义为核心层、业务层和公共层。核 心层功能包括用户和业务复用功能、传输复用功能和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 浙江大学硕士学位论文 求的功能，提取和输入与这个o n u 有关的信息。用户和业务复用功能对来自和 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 口功能提供一组光物理接口功能，终端o d n 相应组的光纤，包括灯电、电光 变换。o n u 业务层提供用户端口功能。用户端口功能提供用户业务接口，并且 将其适配到6 , 4 k b i t s 或n x 6 , 4 k b i t s 。该功能可以提供给单个用户或群用户，也 能按照物理接口来提供信令变换功能( 即振铃、信令、a d 和d a 变换) 。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、直涮直流) 变换。供电方式可以是本地供电或者远程供电当然多个 o n u 可以共用一个供电系统。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) 。 2 1 5 光线性终端( o l t ) 的功能要求 o l t 提供与o d n 之间的光接口，应至少提供o a n 网络侧一个网络接口。 o l t 可以位于交换局内，也可以位于远端，它包括核心层、业务层和公共层三部 分，提供传送到o n u 所需各种业务的手段，其功能框图示于图2 4 。 业务层 核心层 f ，、。# n n “l 网络 数字交传输 o d n 叉连接复用 l 业务l 功能功能 io d n 接口功能l 后到 i 端口i 犁盅 i 功能f 公共屡 吾霉 l 供电功能ll o a m z 燧t - - 萁 图2 , 4 、o l t 的功能框图 o l t 的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，终端相应的o d n 的一组光纤，它包括 光电和电光转换。 浙江大学硕士学位论文 o l t 业务层包含业务端口功能，它至少传一个i s d n 基群速率，并能配置成 一种业务或者能同时支持两种或多种不同的业务。任何提供两个或多个2 m b i t s 端口的支路单元( t u ) 都应能以每个端口为基础独立配置，并且可以独立地配置给 不同的业务，o l t 设备中的每个t u 位置能安排任一类型的t u ，并能支持任何 不超过最大设计数、业务类型任意组合的t 仉另外该层还提供处理通过o l t 的 信令信息。 o l t 公共层包括供电和o a m 功能。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，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 口与上层网管操作系统( o s ) 相连。 2 1 6 光分配网( o d n ) 的功能要求 o