（通信与信息系统专业论文）无源光网络关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的发展，电信业务已山以话音为主的窄带业务向话音、数据、 视频等多媒体宽带业务方向发展。为了实现多媒体通信，公用电信网络必须其有 宽带接入能力。目6 仃，实现宽带接入的技术方案主要有：铜双绞线x d s l 、铜缆 h f c 、有线光纤宽带接入、无线宽带接入等。其中，基于光纤宽带接入的无源光 网络( p o n ) 技术，以其经济有效的特点j 下在获得广泛的应用。为了推动p o n 技术的应用，i t u t 已经制定出了基于a t m 协议的p o n 标准，即a p o n ，同时 j 下在标准化另一个p o n 标准g p o n 。与此同时，i e e ep 8 0 2 3 a h 第一英罩以太 网( e f m ) 特别工作组正在制定基于以太网协议的p o n 标准，称为e p o n 。 本文对各种p o n 技术进行了研究，重点放在新兴的e p o n 及g p o n 技术上。 首先，介绍了已经标准化的a p o n 技术。其次，针对e p o n 技术，探讨了p c s 层的帧结构、具体的m a c 控制帧格式、m a c 层管理机制、o m c i 机制、流分 类调度机制、动态带宽分配策略，并给出了一种具体的多址接入算法，借助 o p n e t 网络仿真软件搭建p o n 网络模型，对接入算法的时延性能进行仿真分析。 同时，对于g p o n 技术，实现了基于t - c o n t 的接入算法，对算法进行了性能 仿真，探讨了g p o n 的o m c i 机制，对g p o n 采用的封装协议g e m 的效率进 行了分析，并对各种p o n 技术作了比较和展望。最后，指出未来工作的方向。 关键词：宽带接入a p o ne p o ng p o nm a c 层管理o m c i 多址接入 t c o n tg e m a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed 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 ，t h es e r v i c e sp r o v i d e db y t e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sh a v ec h a n g e df r o mt r a d i t i o n a ln a r r o w b a n dv o i c et o b r o a d b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e si n c l u d i n gv o i c e d a t a & v i d e o i no r d e rt oo f f e r m u l t i m e d i as e r v i c e s ，p u b l i ct e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sm u s tb ea b l et op r o v i d e b r o a d b a n da c c e s sf o ru s e r s n o w a d a y s ，t h e r ea r em a i n l yf o u rb r o a d b a n ds o l u t i o n s ， w h i c ha r ed s l u s i n gt h es a m et w i s t e dp a i ra st e l e p h o n yl i n e s ，h f c ，盯x ( f 1 v r h ， f 1 陌b ，f 1 _ r c ) ，a n dw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s s a m o n ga l lt h e s es o l u t i o n s ，p a s s i v e o p t i c a ln e t w o r kb a s e do nb r o a d b a n df i b e ra c c e s sp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r o l ei nb r o a d b a n da c c e s sb e c a u s eo fi t sl o wc o s t f o rt h ew i d e l yu s eo fp o n t e c h n o l o g y ，i t u t h a v es t a n d a r d i z e dap o nr e c o m m e n d a t i o nb a s e do na t m p r o t o c o l w h i c hi sc a l l e da p o n ，a n di ta l s oi n t e n dt os t a n d a r d i z ea n o t h e rp o n s t a n d a r dw h i c hi sc a l l e dg p o n m e a n w h i l e ，i e e ep 8 0 2 3 a he t h e m e tf i r s tm i l et a s k f o r c eh a sb e e nw o r k i n go nad i f f e r e n tp o ns t a n d a r db a s e do ne t h e m e tp r o t o c o l w h i c hi sc a l l e de p o n i n t h i sp a p e r , w es t u d yd i f f e r e n tp o n t e c h n o l o g i e s ，w i t he m p h a s i so ne m e r g i n g e p o n & g p o n f i r s t l y , w ei n t r o d u c e da p o nw h i c hh a sb e e ns t a n d a r d i z e db y1 t u t t h e n ，f o re p o n ，w ed i s c u s sd e t a i l e dp c sf l a m e ，e t h e r n e tm a c c o n t r o lf l a m e ，m a c m a n a g e m e n ts c h e m e ，o m c is c h e m e ，t r a f f i cc l a s s i f i c a t i o n s c h e d u l i n g ，a n da l s oa m u l t i a c c e s sa l g o r i t h m i na d d i t i o n ，w eg i v eap o nm o d e l ，a n da n a l y z et h ed e l a y p e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mw eh a v ep r o p o s e du s i n gt h ef a m o u sn e t w o r ks i m u l a t i o n s o f t w a r eo p n e t m e a n w h i l e ，w ea l s om a k eas t u d yo ng p o n ，g i v ear e a l i z a t i o no f m u l t i a c c e s sa l g o r i t h mb a s e do nt - c o n t , a n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa l g o r i t h m a n da l s ot h ee f f i c i e n c yo fg e mt h a ti s a d o p t e db yg p o na st h ee n c a p s u l a t i o n p r o t o c o l ，a n dg i v es o m ei d e ao nt h eo m c io fg p o n f i n a l l y ，w ec o m p a r et h et h r e e p o n t e c h n o l o g i e s ，m a k eap r e d i c t i o no nt h et r e n do fp o nt e c h n o l o g y ，a n dg i v es o m e s u g g e s t i o no nt h ed i r e c t i o no ff u t u r ew o r k k e y w o r d s ： b r o a d b a n da c c e s sa p o n e p o ng p o nm a cm a n a g e m e n t o m c im u l t i a c c e s st - c o n tg e m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技 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所做的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：嚯冠炎本人签名：1 互俎犬 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公析i 论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在互年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： r 期：兰! 笙： ：皇 f t 期：似争- 岁 第一章绪论 第一章绪论 1 1 接入网的兴起 接入网，也称本地坏路( l o c a ll o o p ) 、用户网( s u b s c r i b e r sn e t w o r k ) ，是 指从端局到用户之问的所有机线设备，通常包括用户线传输系统、复用设备、数 字交叉连接设备、用户网络接口设备。接入网介于核心网与用户之间，为用户 的业务需求提供接入支持。 随着以口为代表的数据业务的爆炸式增长，用户对业务需求的多样化，通 信技术的不断发展，以及通信市场的同益开放，整个电信网的发展呈现出了新的 态势： l 、为了适应不断增长的信息量对带宽的需求，核心网向超高速和大容量方 向发展，速率高达8 0 0 g b i t s 的波分复用系统已经投入使用； 2 、随着c p u 性能的不断提高，用户方面，从电子邮件、w e b 浏览到视频多 媒体业务，带宽需求正以几倍、几十倍、上百倍的速度增长。 作为连接核心网与用户的纽带，接入网的发展相对滞后，这导致在宽带的核 心网与有大量信息需求的用户之间存在瓶颈，用户无法享受到宽带接入服务。对 运营商而言，为了提供宽带多媒体业务，获取更多的电信收入，必须采用新的接 入技术以解决接入网的瓶颈问题。对设备制造商而言，结合新的接入技术，向运 营商提供具有竞争力的接入设备以获取利润无疑具有很强的吸引力。接入网的市 场价值使得它吸引了运营商、设备制造商的共同注意，在当自i 电信技术的发展中 占据越来越重要的地位，各种接入技术也应运而生。 1 2 各种接入技术 自上个世纪8 0 年代以来，各种接入技术层出不穷，这一领域呈现出百家争 鸣的局面。事实上，用户需求的多样性和不同网络的不同接入方式导致了各种接 入技术的产生。在多样化的接入技术中，目前以下这些技术呈现比较良好的发展 态势： 1 、d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，数字用户线) 技术：它是充分利用现有的 双绞线提供宽带接入业务的技术。这类技术中，目前被看好的是 a d s l ( 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 ，非对称数字用户线) 技术以及 它的简化版本。a d s l 的下行最高速率可达8 m b p s ，主要支持i p 数据和 2 无源光网络关键技术研究 电话业务，也可支持视频点播业务。a d s l 的劣势在于传输距离短、线 对要求苛刻。简化的a d s l 技术，线对的适应性大大增强，同时，价格 也有较大幅度的降低。付出的代价是，下行速率降至1 5 m b p s 。目前有 关简化的a d s l 的开发工作已获得诸多运营商和制造商的一致支持，应 用前景比较乐观。 2 、c a b l em o d e m ( 电缆调制解调器) 技术：它是基于混合光纤同轴( h y b r i d f i b e rc o a x ，h f c ) 网的一种技术，可在不影响有线电视广播的频带内实 现信息的接入与访问。c a b l em o d e m 的下行传输速率为1 0 m b p s 3 0 m b p s ，上行速率可超过5 1 2 k b p s ，具有频带宽、速度快的优势。它的 问题在于：其一存在回传信道的干扰问题；其二，c a b l em o d e m 技术使 用的是共享访问平台，因此可能出现用户争用带宽的现象，从而影响接 入速率。而且每一个调制解调器用户的加入都会增加噪声、减少可靠性 以及影响线路上的服务质量。同样不可忽略的是，共享平台还有安全问 题。另外，建设h f c 网或改造原有的有线电视系统使之具备双向传输能 力的造价相当昂贵。 3 、光纤接入技术：无论采用什么样的先进技术，由于传输媒质铜缆的限制， 传输带宽的“瓶颈”总难以解决，因此，光纤接入技术与铜线技术相比 有着无可比拟的带宽优势和广阔的应用前景。光纤接入网络按其配线网 是否含有有源器件分为两大类：有源光网络和无源光网络。其中，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 ) 技术，不但具备带宽优势，且 由于是无源系统，安装、开通和维护运营成本可以继续降低。长远看来， 面对同益丰富的多媒体业务和呈爆炸式增长的i p 业务的压力，采用p o n 作为接入网是最为理想的解决方案，易于升级和管理，代表了宽带接入 技术的最新发展方向，是真正意义上的宽带接入解决方案。 4 、无线接入技术：可以分为移动无线接入和固定无线接入两大类。移动无 线接入网包括蜂窝移动电话网、无线寻呼网、无绳电话网、集群电话网、 卫星全球移动通信网及个人通信网等，是当今通信行业中最活跃的领域 之一，也代表了个人通信的发展方向。固定无线接入是从交换节点到固 定用户终端采用无线接入的方式，它实际上是p s t n i s d n 网的无线延 伸。目的，一种被称为本地多点分配业务( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o n s e r v i c e ，l m d s ) 的固定无线接入技术被广泛看好。它利用地面转接站 而不是卫星来转发数据，可提供2 m b p s - 一1 5 5 m b p s 的带宽。 5 、以太网接入技术：原本主要应用于局域网的以太网技术，由于技术上的 发展，带宽得到进一步提高，可以满足接入网和城域网数据通信的需求。 第一章绪论 由于具有性能价格比高、可扩展、易安装的特点，这一技术正在成为企 事业用户高速接入的主要手段，目前全球企事业用户8 0 以上都采用以 太网接入。 运营商采用哪种接入技术要考虑多种因素，虽然从当前看来，a d s l 接入能 够满足大多数用户的需求，但它能提供的带宽有限，难于扩容，并非真f 意义上 的宽带接入，因此，接入网长远的未来在于p o n 技术。 1 3p o n 技术介绍 1 3 1p o n 的概念及其关键技术 p o n ( 无源光网络) 是指o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，光配线网) 中 不含任何有源电子器件，o d n 全部由光分路器( s p l i t t e r ) 等无源器件组成的光纤接 入网络。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。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。它的传输距离约为2 0 k m ，可满足大多数需求，而 且它造价低，无需另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服 务。在f t t h ( f i b e rt ot h eh o m e ，光纤到户) 的实施方案中，p o n 可以最大程 度地减少光收发信机、中心局终端和光纤的数量，是点到多点的光网。基于单纤 p o n 的接入网只需要n + 1 个收发信机和l k m 光纤( 见图1 1 ( c ) ) 。这罩n 是用 户数，l 是用户到中心局的距离。 图1 1f t t h 的三种实施方式 p o n 的拓扑非常灵活，可配置成树形、总线形及环形，如图1 2 所示。为了 确保网络的健壮性，p o n 可采用冗余配置，如采用双环形和双树干树形等。 p o n 上所有的传输是在光线路终端( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t ) 和光网络 单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，o n u ) 之间进行的。o l t 设在中心局，把光接入网 接至城域骨干网；o n u 位于路边或最终用户所在地，提供话音、数据和视频服 务。在下行方向( o l t 到o n u ) ，p o n 是点到多点的广播网，由o l t 发送的数 据通过l ：n 无源分光器被送到每一个o n u ，分割比一般在4 与6 4 之i 日j ；在上 l 网 机 则信 同 信 删棚蝴 籼m 枷m ，条 ，条+ 条+ 慷 壕= = 愫 4 无源光网络关键技术研究 行方向，由于光分路器的方向性，来自o n u 的数据只能到达o l t ，不会到达其 它o n u ，因此是多点到点网。 ( a ) 树形拓扑 0 l 3 ( b ) 总线形拓扑 ( c ) 环形拓扑 图1 2p o n 的拓扑 由于o n u 需要共享上行干线光纤的信道容量和资源，因此必须解决上行多 址接入问题。由于o n u 的传输是突发的，必须解决突发模式下光发送器的开关 快速切换问题，以避免与其它o n u 的发送信号产生干扰，影响o l t 的接收。同 时，o l t 的接收器应能根据o n u 的发送功率及距离衰减调整接收门限，或者 o n u 根据相应的功率衰减调整发射功率。由于p o n 下行的广播性质，还必须解 决恶意的o n u 窃听发给其它o n u 的数据以及冒充其它o n u 发送有害数据的安 全性问题。由于p o n 提供多媒体综合接入服务，必须满足不同等级的业务流对 服务质量的不同需求，这依赖于我们的多址接入方式及可能采用的不同服务策 略。最后，p o n 作为接入网，是运营商整个服务网络的组成部分，如何实现简 单、高效的o a m ( o p e r a t i o n s ，a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，操作、管理与维护) 机制，也是p o n 必须解决的问题。以上是p o n 技术推广面临的关键技术问题。 1 3 2 各种p o n 技术的产生 p o n 为用户接入提供了良好的硬件平台，但要为用户提供优质的宽带接入 服务，还需要高效的传输协议支持。围绕着p o n 该采用哪种传输协议，衍生出 三种不同的p o n 技术，这三种p o n 技术分别是：基于a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ，异步传输模式) 协议的a p o n ( a t mp o n ) 技术，基于e t h e m e t ( 以太 网) 协议的e p o n ( e t h e r n e tp o n ) 技术，及基于g e m ( g p o ne n c a p s u l a t i o n m e t h o d ，g p o n 封装方式) 的g p o n ( g i g a b i tp o n ) 技术： l 、a p o n 技术：1 9 9 5 年，一些主要的网络运营商成立了全业务接入网( f u l l s e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ，f s a n ) 联盟。f s a n 的目的是为p o n 设备定 第一章绪论 义一个统一的标准，以使制造商与运营商能够达成一致，推动p o n 技术 在接入网的应用。经过f s a n 的不懈努力，1 9 9 8 年1 0 月通过了接入网 采用a t m 协议的标准，即i t u t ( 国际电信联盟电信标准化部门) 建 议g 9 8 3 1 ，2 0 0 0 年4 月又批准通过了其管理与控制接口规范标准，即 i t u t 建议g 9 8 3 2 ，2 0 0 1 年又发布了关于波长分配的标准，即i t u t 建议g 9 8 3 3 。之所以采用a t m 作为多业务接入的承载协议，是因为 当f s a n 成立时，业界普遍认为a t m 将成为局域网、城域网和骨干网 的核心技术。因此，a t m 协议与p o n 技术的结合，成为f s a n 理所当 然的选择。在f s a n 的努力下，i t u t 又通过了一系列关于a p o n 的 建议，从g 9 8 3 4 到g 9 8 3 8 ，内容涉及动态带宽分配( 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 ) 、系统保护、管理与控制等功能，这一系列标准的出 现，使得a p o n 具备了完善的o a m 机制，为推动其市场化奠定了基础。 2 、e p o n 技术：在f s a n 推动a p o n 标准化进程的同时，2 0 0 1 年初，电器 和电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 成立了第一英里以太网( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ，e f m ) 工作组。 i e e e p 8 0 2 3 a h e f m 工作组的任务是推动以太网技术在接入网中的应用， 内容涉及铜线上的以太网，点到点光纤上的以太网，点到多点光纤上的 以太网，操作、管理与维护( o a m ) 。针对在点到多点光纤上实施以太 网标准，e f m 采用了1 2 5 g b p s 的传输速率，结合8 0 2 3 标准，打算制定 出基于以太网协议的p o n 标准，即e p o n 标准。关于e p o n 的标准化 工作，目前仍在进行当中。 3 、g p o n 技术：考虑到宽带接入的需求，f s a n 于2 0 0 1 年发起了标准化超 过1 g b p s 的接入速率进程。除了考虑支持更高的接入速率，f s a n 重新 考虑了协议的选择问题，以使新的接入标准能够更有效的支持多业务接 入，具有更高的效率和良好的扩展性。f s a n 的努力导致了一个新的p o n 标准的产生，也即是g p o n 。g p o n 能够支持更高的传输速率，更好地 适配t d m 业务及数据业务，具有很高的效率。i t u ts g l 5 于2 0 0 3 年 1 月2 0 同至3 l 同在瑞士日内瓦召丌了2 0 0 1 - 2 0 0 4 年研究期第四次会议， 通过了关于g p o n 的两个标准：g 9 8 4 1 ( g g p o n g s r ，g p o n 的一般特性) 、 g 9 8 4 2 ( g g p o n p m d ，g p o n 物理媒质相关子层规范) 。关于g p o n 的 标准目前仍在积极的进展之中： 三种p o n 技术由于采用不同的链路传输协议，对物理层的编码机制要求也 不相同，在o a m 机制上也有区别。在接下来的研究中，我们将会对各种p o n 技术进行较为详细的介绍，并比较其优劣。 无源光网络关键技术研究 1 4 本文所作的研究 结合当前接入网的发展趋势，本文对p o n 技术进行了研究，重点是上行多 址接入的解决方案、综合接入业务的q o s 支持及p o n 的o a m 机制。 当自仃的三种p o n 技术中，a p o n 的标准化进程基本结束，e p o n 与g p o n 的标准化进程尚在进行之中，因此，研究的重点在于e p o n 与g p o n 技术。a p o n 作为最早提出并标准化的p o n 标准，虽然存在速率较低、a t m 不能很好的适配 i p 数据业务等缺点，仍有许多值得借鉴的地方，它的o a m 机制相当完备，可以 为e p o n 及g p o n 所借鉴。因此，我们首先研究了a p o n 的相关技术，并对其 进行了较为详细的介绍，接下结合具体的e p o n 及g p o n ，对如何解决p o n 的 关键技术问题作了深入的研究，提出了解决方案。本文完成了如下工作： 1 、探讨了e p o n 的p c s 予层的帧结构，m a c 控制帧格式，m a c 层管理机 制，o m c i 机制； 2 、结合p 8 0 2 1 p 与8 0 2 1 q ，借鉴i n t s e r v 与d i i t s e r v 的思想，讨论了e p o n 的流分类调度机制与动态带宽分配策略； 3 、实现了一种具体的多址接入方案，对接入方案的多业务时延性能进行仿 真分析； 4 、借助o p n e t 网络仿真软件，搭建p o n 的网络模型，利用o n o f f 源产 生自相似性的业务源； 5 、根据a p o n 中t - c o n t 的概念，实现了基于t - c o n t 的g p o n 接入算法， 对算法的性能进行仿真分析； 6 、对g p o n 的o m c i 机制进行了探讨。 本文的安排如下：在第二章对a p o n 技术进行了研究和介绍；在第三章对 e p o n 技术进行了研究，包括p c s 帧格式、m a c 帧格式、o n u 的流分类及队列 管理机制、上行多址接入算法的实现及其仿真分析：在第四章对g p o n 技术进 行了研究，实现了基于t - c o n t 的g p o n 接入算法，对g p o n 的o m c i 机制做 了探讨，分析了g e m 的效率，并对各种p o n 技术的优劣作了比较。最后在结 束语中指出我们工作的不足和需要进一步研究的内容。 第一二章a p o n 技术介绍 第二章a p o n 技术介绍 2 1a t m 技术简介 a t m 即异步转移模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) ，最初是c c i t t ( 国际 电话电报咨询委员会。i t u t 的前身) 为实现宽带综合业务数字网( b r o a d b a n d i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ，b i s d n ) 而提出的一种传输和交换技术。它兼 具电路交换和分组交换的优点，采用长度为5 3 字节的定长分组( 称之为信元) ， 其中包括5 字节的信元头和4 8 字节的载荷域，用于承载业务。下图给出了a t m 的信元头格式： ( i ) ( b ) g f c ：通用流量控制p t z 有散戴葡兴越 i 虚j 盈路枥：识符 c - p 信元丢卉优先投 v c z 虚通迸标识符c 憎头t 曾讽梭醯 图2 1 ( a ) u n i 中的a t m 头部；( b ) n n i 中的a t m 头部 图中，g f c ( g e n e r i cf l o wc o n t r 0 1 ) 用于接入流量控制，v p i ( v i r t u a lp a t h i d e n t i f i e r ) 及v c i ( v i r t u a lc h a n n e li d e n t i f i e r ) 用于选路，p t ( p a y l o a dt y p e ) 表示承载 的净荷类型，c l p ( c e l ll o s sp r i o r i t y ) 表示信元丢弃优先级( 值为0 表示高优先级， 为1 表示低优先级) ，h e c ( h e a d e re r r o rc o n t r 0 1 ) 用于信头差错控制。 a t m 协议参考模型由3 个平面组成：用户面、控制面与管理面。协议参考 模型包含4 层：物理层、a t m 层、a t m 适配层及高层。如下图所示： 图2 2a t m 的协议参考模型 用户面：采用分层结构，提供用户信息流的传送，同时也具有一定的控制功 能，如流量控制、差错控制等： 控制面：采用分层结构，提供呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫 和连接的建立、监视和释放： 无源光网络关键技术研究 管理面：包括层管理和面管理。其中层管理采用分层结构，完成与各协议层 实体的资源和参数相关的管理功能，同时还处理与各层相关的o a m 信息流。面 管理不分层，它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。 物理层负责通过物理媒体j 下确、有效地传送信元，a t m 层主要负责信元的 交换、选路和复用，a t m 适配层( a t ma d a p t a t i o nl a y e r ，a a l ) 的主要功能是 将高层业务信息或信令信息适配成a t m 信元流，高层则相当于各种业务的应用 层或信令的高层处理。 a t m 技术具有如下的特点： 1 、a t m 是一种统计时分复用技术，提高了带宽的利用率，同时带宽分配十 分灵活，可支持恒定速率以及各种变速率的业务； 2 、采用了长度不大的定长分组格式，利于用硬件实现快速分组交换，交换 时延小； 3 、支持多种业务，根据业务区分，进行不同的适配，提供不同的服务质量 保证。 a t m 是一种面向连接的技术，用户之间只有在建立连接之后才能进行通信， 有利于流量管理和拥塞控制，从而有利于实现q o s 保证。 a t m 已经在骨干网络中得到应用。在网络边缘，a t m 也被作为不同业务的 汇聚技术而受到重视，作为一种多业务平台，a t m 可以把p s t n i s d n ，i p 和 x 2 5 等业务汇聚传送到骨干网上。目前还没有哪一种技术能像a t m 那样很好的 提供多业务、多速率的支持能力。 2 2a p o n 技术简介 作为最早提出并规范化的p o n 技术，a p o n 是三种p o n 技术中最为完善的。 根据i t u tg 9 8 2 的规定，a p o n 接入网可以分为通道层和传输媒质层。其中， 传输媒质层分为传输汇聚( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ，t c ) 子层和物理媒质 ( p h y s i c a lm e d i u m ，p m ) 子层。通道层相当于a t m 层中的虚通道( v p ) ；t c 层相 当于在1 3 2 1 宽带综合业务数字网( b i s d n ) 规范中的传输汇聚层，它又可分为适 配子层和p o n 传输子层。适配子层负责将用户数据流适配成a t m 信元：p o n 传输予层完成p o n 的测距、同步、带宽分配、保密和安全等功能。物理媒质( p m ) 子层则完成e o ( 电光) 或o e ( 光电) 变换、单纤双向传输时的w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，波分多路复用) 功能。 a p o n 有两种双向传输方法。第一种是单纤w d m 双向传输，上下行采用不 同的波长，如上行1 3 1 0 n m ，下行i t u tg 9 8 3 1 规定为( 1 4 8 0 - 1 5 8 0 ) n m ，而g 9 8 3 3 规定为( 1 4 8 0 1 5 0 0 ) r i m 。g 9 8 3 3 实际上是把g 9 8 3 1 规定的下行带宽分成两部分： 第二章a p o n 技术介绍 9 ( 1 4 8 0 1 5 0 0 ) n m 为基本带宽，( 1 5 3 9 1 5 6 5 ) n m 为增加带宽，可用于数字业务，其 中( 1 5 5 0 1 5 6 0 ) n m 用于视频业务分配。增加带宽用于d w d m 时，其中心频率f r j 距应符合i t u tg 9 5 9 1 和g 6 9 2 规范。双向传输也可以采用双纤空分复用，上 下行均采用同一个波长，此时上下行方向的工作波长范围均为( 1 2 6 0 1 3 6 0 ) n m 。 根据g 9 8 3 1 的规范，在下行方向上，a p o n 是速率为1 5 5 5 2 m b i t s 或 6 2 2 0 8 m b i t s 的连续a t m 信元流，其中插入了用于物理层操作、管理与维护 ( p h y s i c a ll a y e ro p e r a t i o n 。a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，p l o a m ) 的专用信 元；上行方向上则是速率为1 5 5 5 2 m b i t s 的突发a t m 信元流( 包含p l o a m 信 元) 。下图给出了a p o n 的上下行帧结构： 禽53 个j 二行授权信号 l5 5 5 2 m b it s 一卜行帧结 勾t 帧= 5 3 信元 刿一刿一墨j 一些 - = s 个字节开销 徽时隙 丙t _ 鬲了t 而 图2 3a p o n 的上下行帧结构 1 5 5 5 2m b s 的下行帧包含2 个p l o a m 信元，共5 6 个时隙；6 2 2 0 8m b s 的下行帧包含8 个p l o a m 信元，共2 2 4 个时隙。上行帧的速率为1 5 5 5 2m b s ， 共5 3 个时隙，每个时隙包含5 6 个字节。上行时隙通常用来发送a t m 信元或者 上行p l o a m 信元；也可以是一个分割的时隙，由来自o n u 的微时隙( m i n i s l o t ) 组成。o n u 借助微时隙说明队列的拥塞情况，为o l t 实现动态带宽分配( d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，d b a ) 提供支持。为了支持突发传输信元的接收，上行方 向信元之f 自j 及微时隙之i 日j 引入了3 个字节的丌销，包括： l 、保护时间( g u a r dt i m e ) ：在两个连续的信元之f u j 或微时隙之间提供| u j 隙 以防止碰撞，最小长度为4 b i t ； 2 、前置码( p r e a m b l e ) ：用作相对于o l t 的本地时钟提取到达信元和微时 隙的相位或用作比特同步和幅度恢复： 3 、定界符( d e l i m i t e r ) 指示a t m 信元和微时隙的开始，也可作字节同步。 保护时间长度，前置码和定界符格式由o l t 设定，o l t 通过下行的上行丌 l o 无源光网络关键技术研究 销控制p l o a m 信元告知o n u 上行开销的格式。 由于上行信道是共享的，因此o l t 要求每个o n u 传输a t m 信元时必须获 得下行的p l o a m 信元的授权。且由于一个p l o a m 信元包含2 7 个授权信号， 而上行帧仅需5 3 个授权信号，所以，6 2 2 0 8m b s 的下行帧中，后面6 个p l o a m 信元的授权信号域全部填充空闲授权( i d l eg r a n t ) 信号，不被o n u 使用。 经过多年的发展，a p o n 技术能够较好地支持各种业务，为多媒体业务提供 q o s 保证；同时，a p o n 技术有完善的o a m 机制，具备比特误码率监视、告警 和检测、自动发现和自动测距、端到端的业务流监视及带宽管理等功能，还能够 实现基于搅动策略的下行数据加密安全机制。 2 3a p o n 的p l o a m 信元及其o m c i 机制 2 3 1a p o n 的p l o a m 信元 为了对p o n 的物理层进行操作、管理及维护，g 9 8 3 1 定义了2 0 种下行 p l o a m 消息，1 1 种上行p l o a m 消息，如下表所示： p l o a m 消息名方向描述 ln om e s s a g e0 l 一o n u表明p l o a m 信j e 小包含p l o a m 消息 2 n e w _ c h u r n i n g k e y _ r q o l l o n uo l t 向o n u 要求新的搅动密钥 o l t 通知o n u 在上行的p l o a m 信的 3 u p s t r e a mr x c o n t r o l o l l o n u r x c f 域中应填充的内容 4 u p s t r e a m _ o v e r h e a d o l t 0 n u通知o n u 上行的开销及颅置的均等化时延 提供一个o n u 的序列譬及掩盖一部分序列 5 s e r i a l n u m b e r m a s k o l l o n u 号的掩码 授予消息中序列号对应的o n u 相应的 6 a s s i g n p o n i d 0 l 1 o n u p o n i d ，用于标识该o n u 通知指定的o n u 柏：均等化时延寄存器中置 7 r a n g i n g _ t i m e o l ，t o n u 入的时延值 8 d e a c t i v a t e p o n i d o l t + o n u 通知指定的o n u 停止发送数据 9 d i s a b l e s e r i a l n u m b e r 0 l t o n u 使指定的序列i 对心的o n u 进入紧急状态 l o c h u r n i n g k e y _ u p d a t e o l t 0 n u 通知指定的o n u 新的密够】开始生效 g r a n t a l l o c a t i o n 为指定的o n u 分配数据授权吁及p l o a m l l0 l t o n u m e s s a g e 信，亡授权， d i v i d e d s l o t g r a n t 为指定的o n u 分配微时隙授权哆，指定微 1 20 l 1 0 n u c o n f i g u r a t i o nm e s s a g e 时隙的位置 l3 c o n f i g u r ev p v c o l 丁o n u配置v p v c 值，用于o m c i 1 4 b e r i n t e r v a l 0 l t o n u定义o n u 统计误比特值采用的时问问隔 住) c 余配置的p o n 网络中确定o l t1 jo n u 1 5p s t m e s s a g e 0 【丁 o n u 的连接性并负责自动保护切换 p h y s i c a l e q u i p m e n t 0 l t 通知o n u 自己1 i 能发送a t m 仿无，设 1 6o l t o n u e r r o rm e s s a g e ( p e e )备错 第二章a p o n 技术介绍 1 7 c 。h u m e dv p o l ，t o n u通知o n u 该v p 足否采用搅动机制 r e q u e s t _ p a s s w o r d o l t 要求o n u 提供口令以确认o n u 身份的 1 8o l ，t + 0 n u m e s s a g e 有效性 1 9p o p u p m e s s a g e o u o n u通知o n u 从p o p u p 状态转移到等待状态3 v e n d o r _ s p e c i f i c 2 00 l ，t 0 n u设备生产商特殊信息 m e s s a g e 2 in om e s s a g eo l l t 一0 n u 表i jp l o a m 信元刁i 包含p l o a m 消息 2 2 n e w _ c h u r n i n g _ k e y o l 丁一0 n uo n u 告知o l t 在下行方向f 二使用的桁钏 o n u 收到来自o l t 的c o n f i g u r e _ v p v c ， 2 3 a c k n o w l e d g e o l l t o