（通信与信息系统专业论文）基于gmpls的智能无源光网络技术研究.pdf

摘要 摘要 无源光网络技术( p 0 帅以其性能优良、价格低廉和部署简便等优 点已经成为未来接入网技术的发展方向，p o n 技术提供的高带宽能 够满足未来互联网应用不断增长的需要。但目前p o n 技术仍然停留 在以往接入网带宽管道的技术层面上，对业务数据缺乏良好的感知和 控制能力，无法满足用户多样化服务需求以及为运营商带来更多的增 值服务。还不具备良好的商业发展模式。从下一代n - 络( n o n ) 的发 展来看，未来的发展趋势是智能化，即强调网络具有智能性，能够对 业务进行智能感知，根据业务需求进行资源的自动管理和分配。因此 本文在目前i o n 技术基础上提出智能光接入网的概念，通过添加智 能控制面功能，提高接入网对业务和资源的有效控制和管理，满足用 户多样化服务需求并提供良好的接入网商业发展模式 本文首先对p o n 技术的发展和n g n 的演进趋势进行简要回顾， 然后在此基础上提出智能光接入网的发展方向，并给出种具体的实 施方案一基于通用多协议标签交换协议( o m p l s ) 的无源光网络技术 ( g m p l sp o b o 。g m p l s 作为智能光网络的标准已经得到了广泛的应 用，能够提供强大的智能业务和资源控制管理功能。本文提出将 g m p l s 的核心功能和部分技术向接入网推进，在p o n 中引入智能控 制功能，从而实现对用户业务的感知，并按照业务需求对资源进行自 动控制和管理。控制面开辟了用户和运营商之间的控制面通道，用户 能够在线提出各种业务请求，系统能够根据用户要求对网络资源进行 自动控制虬保证不同的服务质量。具备智能控制功能的p o n 系统能 够有效提高运营商的业务和资源控制能力，从而为接入网提供理想的 商业发展模式。本文对g m p l sp o n 的系统构成、功能设计、协议层、 成帧、信令和资源动态分配等关键技术都进行了较深入的研究，提出 了相应的解决方案，给出了一个完整的系统实现方案。 在满足用户多样化需求方面，利用控制面和面向连接的业务管理 上海交通大学博士学位论文* 要 能够在p o n 中提供动态服务水平规约( s l a ) 。本文还对p o n 中动态 s l a 的实施方案进行了研究。用户与运营商之问通过控制平面进行动 态服务协商，用户可以在线建立或修改s l a 。系统按照动态s l a 对 资源进行实时控制和分配。本文对一种两级动态带宽分配机制进行了 研究，结合可配置的o n u 内调度器和基于流量预测的动态带宽分配 ( d b a ) 算法，能够实现动态s l a 的准确执行。 本文还对g m p l sp o n 控制面的一项重要功能接纳控制( c a c ) 算法进行了研究，接纳控制能够对网络业务量进行有效控制，避免拥 塞，充分保证所有s l a 的正常执行。针对g m p l sp o n 的特点提出 了一种改进的最佳c a c 算法，通过对业务的时延要求进行分类，减 少了计算量使之适合于接入网环境应用。 最后，本文对g m p l sp o n 的媒质接a f m a c ) 关键控制芯片的设 计进行了讨论。m a c 芯片的设计关系到整个系统是否能够实现设计 要求和检验是否掌握自主知识产权。本文给出了m a c 控制芯片的一 些关键功能设计，并对部分的模块进行了仿真，为下一步的实际工作 打下了基础同时还对g m p l sp o n 与目前的两种接入系统( e p o n 与g p o n ) 的综合性能进行了比较。 接入网技术是用户与整个网络联系的“第一公里”或“最后一公 里”，在提供端到端应用中起到了“承上启下”的重要作用，如何使 接入网顺应未来网络智能化发展的要求是本文的研究重点。本文提出 了智能接入网的概念，实现了接入网对用户业务的感知和网络资源的 智能管理和控制，对于光接入网的未来发展应具有重要的应用价值。 关键词：无源光网络，通用多协议标签交换，智能光网络，动态服务 水平规约 n 上海交通大学博士学位论文 t h eg m p l s - b a s e di n t e l l i g e n tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s a b s t r a c t t h ep a s s i v e0 p 6 c a ln e t w o r k ( p o n ) h a s 慨b 呲i n gt h em o s tp c o m i s i n g a c c 黜b c t w o r kt h n o l o g yb e c a u s eo f t h ef 醐n n c so f g o o dt z r f o r m m c * , l o w - c o s ta n d e a s yd 印l o y m m t h d w 臼，e f t i mm o s ti m p o r t a n tp r o b l e m 妇t h a tc 山t tp o n t e c h n o l o g yi s s t i l las i m p l el a y 靠2d a t ap i p e ；i tl a c k sc a p a b i l i t i e so f 咖c i d e 血f l e a t i o na n di n t e l l i g e n tr c c o n t r 0 1 i t n o ts a 6 s f yt h ev a r i e t ys e f r t r i c e d e m a n d sf r o me n du 9 嘟d p r o v i d eg o o d b u s i n e s sm o d nf r o ma n o t h e r v i e wp o t mo f d 酬g e n e r a e - mn e t w o r k0 q g t 嘎t h ef u t u r en e t w 证m u s th a v ei n t e l l i g e n c e s n e t w o r k c 雒i d e m i f yu 蚶蛐ca n dm a k ea u t o m a 丘c 硝o i 哪d i s t r i b u t i o n 1 h e n = l ht h i s t h e w sl x o p o s c st h ec o n c e p to f h n e m g e n tio n t h r o u # t h ec o n h o lf u n c t i o n s ，p o n c p r o v i d e r a 伍ci d e n t i f i c a t i o na n dt h ei n d u l g e n tr e s o u l v em g e m e n t t h i st h e s i sf i r s ti n t j d d u c e st h eio n 蛐l o g y , m a dt h e nt h ei n t e u i g e n ta c c e s s n e t w o r k 一窖a 司i z e dm u l t i - p r o t o c o ll a b e ls a v i t e h i n g ( o v a t s ) - b e s e dp o n ( g m p l s p o n ) , i s1 , r o p o 缸g m p l sl 咂o v i d c sa 蛐i n t e l l i g e n tc o n t r o l 岫w h i d ai s a b l et om a n a g et h et 囤d u 嘲a l l o c a t i o nf o rm o s tk i n d so fn e t w e r k s w ep r o p o s et o 珥l 曲t h eg m p l s f u i l l 出o n sa n dp a r to ft h ep r o t o c o l si n t op o n t oe s t a b l i s hm i n t e l l i g e n ta c c e s sn e t w o r k u s i n gg m p l s ao 叫n 啪c e n t r o lp l a n ew h i c h 赴吐a 坦燎 t h en g n s e a m l e s s l y mb ee a b i i d 词i np o n b yt h i sc o n t r o lp l a n e , p o n i n t e l l i g e n t l yi d e n e f ya n dc o n t r o lt h eu s e rf r a n c t h e r e f o r e , a ni n t e g r a t e de n d - t d - e n d 8 e a v i p r o v i s i o ni se m b l e di no l p r o p o s a l b e f o r eg e t t i n gs a v i d , 嗽s 锄u s g n a l i n gt or e q u e s t 靶f v i 嘲f r o m 鲥州p r o v i d e r s e f v i p r o v i d e rh a st om d k e a d m i s s i o l lc o n t r o ld e e i s i o ma c c o r d i a gt ot h eu s e r s q 嘲a n dc t m e n tn e t w o r k e 9 m c e & t h i st h e s i sa l s og i v e , t h ed e s i g n sa n ds o l m i o mo ff i m 商o n a lb l o c k , p r o t o c o ll a y e a f l e m i n g , s i g m t t n g 柚ds y 蛐锄s t r u c t u r e so f g m p l s io n 珊 上海交通大学博士学位论文 t i mi n t d l i g c m tc o n t r o lp l a n ea n dc o n a e 商o n - - o r i e a t e ds e f v i r a m a g e m e ma l s o h 咖p o nd e l , l o yd y n a m i cs e x v i c el e v e la g r e e m e n t s ( s l y ) w i t hd y n a m i cs l ， u a c e s t a b l i d aa n dm o d i f yt h e ks l a , sw i t hs 豇啊c ep r o v i d e a o n l i n e r e s o u r c e s 锄 a l l o e a t e di n t v l l i g e n t l yb yd y n a m i cs l at og u a r a n t e et h eo o so f e a c hi d v i c c ，i no f d 盯 幻f u f i l lm cd 蜘m a i cs t h i st h e s i sp r o p o s at w o - l a y e rd y m m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o nm e c h a n i s m i nt h i sm e c h a n i s m , ak i n do f c o n f i g u r a b l oo n us c h e d u l e ra n d al i a r cp r c d i c t i o nb e s c dd b a a l 妒r i t h m sm c o m b i n e dt o 自l q u i et h e 由删cs l a s 聃a c c t n t e l y e x e c u t e d t h i s t h e s i sa l s od i s c u s s e o t h e c a l la d m i s d o nc o n t r o l ( c a c ) a l g o f i m m i n g m p l s t o n a ni m w o v c do p t i m a lc a ca l g o r i t h mi ss t u d i 6 d a tl a s t , l h em e d i a “潲 c o n t r o lc h i pd e s i 龄i sl m m n t e d a c c e s sn d w o r ki st h e f i r s tm i l e a n d l a s tm i l e b 矗w e mw 日ja n dt h e 晴 n e t w o r k t h i st h e s i s t i mc o n c 印to f t h ei n 钯a l i g e m n e t w o f kt om e e tt h e 曲d o p i n gt r e n do fn 懿tg 眦删蛆l l ( k w o l k 伽a 缀, v t w o r ki s a b l et o i n t e l l i g e m l yi d e n f i 4u s e r 佃i ca n de u o c e t et h ef 帮o i 嘲a c c o r d i n g l y o r e - s o l u t i o n p c l i n 招o u t a 芦彻瞌矗n gd j 僦。血o f n e x t g v r a l i o nn 鳓v o r k t e 曲n o l o 肼 k e y w o r d s ：p o n , g m p l s ，l n l c l i 暗缸0 p d c dn a w o r k , d d 蛳i cs l a s i v 英文缩略词汇衰 英文缩略词汇表 a t m p a s s i v e0 l i d c d n e t w o d 【基于a t m 的无源光网络 a i m a d a p t i v e l a y e r , a t m 适配层 a 聊睇h r o n m 碍t r a n s f 盯m o d e ，异步传输模式 a v , a g e 黜删p 胃u 8 每用户平均收入 a s y a c h r o n o mv i g i t a is u b 8 c r i b 目l i n e , 非对称数字用户线 a p p l 幽p r o g r a m i n t 耐a c c , 应用编程接口函数 a u t o m a t i c s w i t c h e do l 垴：丑l n 曲v m k 自动交换光罔络 b i t e n v r r 丑蛾比特错误率 b r o a d b s n d h 魄脚e d s a r v i o d i g i 协i n 醴w 础宽带综合业务数字网 c y c l i cr c d u n d a a c y c b 出循环冗余校验 c 柚a d m i i o n c o n g a , 接入允许控制 o d 呦t a 叫麟嘲b km 锄僵y 内容可寻址存储景 d 】n m 血b a n d w i d t h a l l o c a t i o n , 动吝带宽分配 d i f f e u m t i a t e d s c t v i c e 区别业务服务 e t h c m e t i n t h e f i r s t 衄e l i 锄厶第一英哩以太同联盟 f i l e t r a n s f a p n s o c o l , 文件传输协议 硝b 叮栅山e 由l 豇击n g ，光纤到大楼 f 匐b e h o - 血m e 。光纤到家 f i r s ti nf i r s to 吐先入先出 e t h c m d p s i v o o p t i c a l n e t w o r k ，基于1 2 l 太网的无源光网络 p u l ls e r v i c e a c c c an e w o r k , 全业务接入同组织 g p o ne n 删，g p o n 封装 g n e d c f , r a m m gp r o d e 通用成帧规程 o e n v r a l i z e d p r o c e s s o r s h a m g ，通用处理器共享 g i g a b i t 雄p a 商 o l 砌l n 酣l 吗吉比特无源光网络 g e n e r a l i z e d m u l f i 啊o t o c o ll a b ds w i t c h i n g , 通用多协议标签交换 h e a d e fe n o r c o n t r o l , 头部错误枝验 h f o d f i b e r c a b l e , 混合光纤同轴 w t i t u t e f o r e l e c u i c a l m d 日乜d n i c g h i ，电子电气工程师协会 h 瞻n 矗勘曲_ 血9 1 址f 抽晦因特同工程师任务组 h 把r n e tp l m o l 瞒同协议 =：=?=oi篙=口 英文缩略词汇表 口t e l e v i s i o n , i p 电视 i n t e g r a t e ds c n 钕，集成服务 d x ：a l a r e a n e t w e d 【局域网 l a b e ld i s m b e f i o np r o t o c o l , 标签分发协议 l a b e ls w i t c h i 唱p a m , 标签交换路径 k g 弛弘d 单d c n t j 长程相关 l i n km 衄a 踟t p r o t o c o l ，链路管理协议 m e d i a a c c e e s c o n t r o l ，媒质接入控制 m u l t i - p o i n tc c n 岫l p r o t o c o l 多点控制协议 m u l t i 删l a b e ls 叫畦峨多协议标签交换 山) t i o np i 曲m e 砷哦g r o 聃活动图像专家组 n “t g e a e r a t = i o a n e t w o r k 下一代网络 n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m , 网络管理系统 n e t w o r k s e r v k e p r o v i d 网络服务提供商 n e t w o r k - n e t w e t ki n m f e c e , 弼络- 两络接口 n o n r e m m 盈n 非归零码 0 l 啊a 劬呜a i 触缸a 如n 锄d m a j i 岫鼬鸭管理、操作与维护 0 i m lu t e m 血a l 光线路终端 o l y d c a ln 酣 矗【h l i i 光网络单元 0 i m o r t e s t p a t h 陆开发最短路径优先 p o i n t t o p o i n t p r o t o c o l , 点对点协议 l 抽o f i t yq m 血吕优先级调度 p d u r m # i r 油c a t i o r , p d u 长度指示 确两c 正l y a e r o a m , 物理层o a m p a s s i v e q 坩叫n e t w e c k , 无源光网络 q 啊l i 够o f & 嗽服务质量 r a m k m a c c e s sm e m o r y , 随即可存取存储器 鼬m 蜘a f i o n p r o t o c 0 1 资源预留协议 s e r “c el e v e l a i 卵l c n 乜，服务水平规约 s y n c h r c a o u sd i 西嘲h i e r a r c h y , 同步数字系列 s i m p l e d a t a u k 简单数据链路 s e r v i c e - n e t w o r kh 把r m i 服务同络接口 s i m p l e p o n d a 纽曲皿简单p o n 数据链路 s 岍d 蹦嘶q l 哪血噶严格优先级调度 ：圳啤哪=眦罴篙=羔蝴=m：嘲羞：l|i|踟5 英文结略词_ ；亡表 s h o r t - r a n g e i ) e p e n d e n t , 短程相关 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l , 传输控制协议 t n n e d i v i s i o n m u l t i p l e a e c e 。时分复用多址接入 v n t u a lp a t hi d e a t i f i e r , 虚通道标识 v h - t u a lc i r e t f i ti d e n t i f i e r , 虚电路标识 v m i a b l e b i t g a t e , 可变比特率 v i r t u a ll a b ，虚拟局域网 v o i c e o v e l l l , i p 电话 g r g l e a r e a n e t w o r k , 广城罔 w e i g h t e df 血q e e u i a g 加权公平队列调度 w a v e t e a g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , 波分复用 5|二砌吼一=哪一 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储签名；却蓼 日期：硼年乎月弘日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名： 郭骢 日期：伽1 年q - 月；口日 指导教师签名： 日期泸p 月丫日 上海交通大学博士学位论文第一章光接入网发展概述及下代月络发展趋势 第一章光接入网发展概述及下一代网络发展趋势 随着信息时代的不断深入和因特网的快速普及，用户对于带宽的需求与日俱 增，推动了口骨干网、口城域网和局域网以前所未有的规模和速度向前发展 借助于光纤提供的巨大带宽，目前骨干网以及用户局域网的带宽已经飞速发展， 骨干网的带宽达到几十g 到几百g 的水平，而用户局域网的带宽也已经达到干 兆的水平。但作为骨干网和用户之间桥梁的接入网由于发展缓慢还停留在以铜线 接入为代表的相对较低的水平，已经成为用户和骨干网的发展瓶颈，阻碍了整个 网络建设的发展，导致很多高带宽应用得不到发展。随着近年来光纤及光通信器 件成本的不断下降，人们慢慢认识到符合逻辑的发展趋势是将光纤继续向接入网 的配线段和引入线进行延伸，最终实现光纤到家( r r r a ) 。本章将通过两条主要 线索引出本文的主要研究内容，首先通过对整个接入网技术的发展进行回顾和分 析，指出接入网的发展思路；然后通过对下一代网络( n o n ) 发展趋势的分析，进 一步指出下一代接入网技术的发展趋势，通过对这两条线索的分析可以得出相同 的结论，即下一代接入网技术应该以口为业务对象，通过通用多协议标签交换 协议m l s ) 技术搭建智能控制平台，实现快速和自动的业务提供以及资源的智 能管理引入面向连接特性以改善q o s ，并与n g n 全面融合 1 1 光接入网技术发展概况 到目前为止，接入网已经从最初的窄带拨号上网方式逐渐过渡到以非对称用 户数字线( a d s l ) 和线缆调制解调g c , ( c a b l em o d e m ) 为基础的宽带接入等技术。通 过a d s l 可以为家庭用户提供最高6 - 8 m 的接入速率。由于基于铜线的接入网技 术带宽已经接近极限而无法进一步提高，不能继续满足未来多媒体应用的需求， 因此光纤接入作为一种全业务接入方式被提出来。光纤以其极低的损耗、极宽的 频带以及抗电磁干扰等许多优点无疑是宽带接入网的最佳传输媒质。国际上，发 达国家在上一世纪九十年代初就做了许多光纤到家( f 1 ) 的试验，但都因用户 经济上不能承受而放弃，于是实行战略退却，提出了f t t c + x d s l 和h f c + c a b l o m o d m n 等各种入户方式。到了上一世纪末，一方面人们使f t r c 或h f c 的光节 点一步步向用户逼近，试图以此克服上述这些过渡方式的局限性；另一方面。光 纤传输技术本身有了很大的进步，使兀t b 或f 丌h 可能涉及的网络成本大幅度 下降，于是f t r b 和f t r h 又重新被提上了议事日程。与有源方式相比，无源光 接入网( p o n ) 在安全性、可靠性和低成本上无疑占有优势，因此目前对f i t h 等 上簿交通大学博士学位论文第一章光接入网发展概述及下一代同络发展趋势 光纤接入技术的研究主要集中在p o n 范围内。 典型的p o n 结构采用树形拓扑结构，如图1 1 所示。一个p o n 系统包含一 个光线路终端( o l t ) 通过无源光分配网( 0 d 与若干光网络单元( o n t o 连接。其 中o l t 提供p o n 系统与核心网的上连，o n u 则负责终端用户的综合业务接入。 在上下传输方向上，采用波分复用方式( 上行1 3 3 0 r i m ，下行1 5 5 0 m n ) 。在下行方 向，p o n 为点对多点结构，数据采用广播式发送；而在上行方向为多点对点结 构，各o n u 的数据发送采用时分复用( t d m a ) 方式共享一个传输信道，由专用 的控制协议负责对o n u 的发送顺序和时间进行同步。 图1 ip o n 系统拓扑结构图 利用p o n 的拓扑结构，可以采用多种二层传输技术方式实现业务的封装和 传输，如：a t m - p o n ( 简称a p o t 0 、e t h e r n c t - p o n ( 简称e p o n ) 、o i g a b i t - e a p a b l c p o n ( g p o b o 和渡分复用w d m - p o n 等 ， 1 1 1a p o n 拭喇粥 作为被r r u t 和全业务接入网论坛( f s a n ) 【1 6 标准化的第一种p o n 技术， a p o n 提供了全业务支持能力，通过a t m 适配层( a a l ) ，除了可以提供面向口 的分组业务之鲆，还可以提供传统的t d m 语音业务。r m t g 9 8 3 定义了a p o n 的传输速率为对称的1 5 5 m b p s 或者上行1 5 5 m b p s 下行6 2 2 m b p s ，可以支持c l a s s b 或c 的光分配网( o d f 0 。最远距离可达2 0 k i n ，可支持的分路比为1 ：1 6 - 1 ：3 2 。 上行和下行波长为1 4 $ 0 - 1 5 9 0 n m ，采用n r z 扰码方式的线路编码。虽然 a p o n b p o n 可以提供多业务接入，而且通过虚连接具有较强的业务提供和资源 管理能力，可以保证良好的q o s 。但实际上a p o n b p o n 的业务适配很复杂。 业务提供能力有限，数据传送速率和效率不高，成本较高，其市场前景由于a t m 的衰落而黯淡。另外，从业务发展趋势看，a p o n 的可用带宽仍然不够，无法满 足网络和业务的发展需要，不是一种有前瞻性的技术选择【l ”，因此目前光接入网 2 上海交通大学博士学位论文 第一章光接 同发展概述及下一代同络发展趋势 技术研究主要围绕e p o n 、g p o n 以及w d m _ p o n 进行。 1 1 2e p o n 技术捌 随着p 的崛起和发展，e p o n 的概念l l j 被提出并被标准化。i e e e 8 0 2 3 a l l 规范的e p o n 技术的上下行波长是1 3 1 0n m 和1 4 9 0n n l ，上下行速率均为1 2 5 g b i “s ，传输距离是1 0 也ol o n ，分路比是3 2 一1 6 ，可以提供集成的三重业务捆绑 服务。e p o n 是在原有髓e8 0 2 3 于兆以太网协议唧j 基础上扩展面来的，要满 足与原有协议的兼容性，因此e p o n 在层结构上作了重要的改进，如图1 2 。 从图中可咀看出，即o n 通过咀太网技术实现与口的无缝连接，大大简化 了层结构，消除了a t m 和s d h 层。为了保持兼容性，在原来的千兆以太网基础 上增加了仿真层( e m l l i 撕i 删秘操作、维护及管理( o a i v o 层，把m a c 控制 层增强为多点m a c 控制层( m 雌p o i n tm a cc o n n 0 1 ) 图l r 2 e p o n 协议层 h g u r e l 2 1 k p r o t o c o l l a y e r o f e p o n 在千兆以太网中并没有对o a m 制定协议，而由于e p o n 属于接入网范畴， 服务提供商需要e p o n 对o a m 提供支持，因此需要制定新的条款以定义o a m 内容。实现五大管理功能：故障管理、计费管理、配置管理、性能管理和安全管 理等。其中性能管理和故障管理可以在低层完成，配置管理、计费管理和安全管 理则可放在高层实现。 在m a c 与上层之间有一层多点m a c 控制层，它运行多点控制协议( m p c p ) 将m a c 控制功能与多点控制功能结合在一起，用于在点对多点结构的f o n 中 实现对多个o n u 的分别控制。通过定义的5 种控制帧的交互，实现对o n u 的 定时、自动发现、参数协商配置和发送带宽的分配等。在每个传输循环中，每个 o n u 至少分配到一个发送时隙。在o n u 时隙开始之前，o l t 必须通过g a t e 消息帧通知o n u 发送时隙的开始时间和发送长度。在发送时隙中，0 帅可以自 上海交通大学博士学位论文 第一章光接入网发展概述及下一代月络发展趋势 行决定如何合理使用该时隙。在o n u 时隙结束前，o n u 必须发送一个r e p o r t 消息，向o l t 报告当前o n u 内缓存状态量。如果支持分类服务，则需要分别报 告各服务类别的缓存状态信息。o l t 收到r e p o r t 消息后，综合所有o n u 的缓 存状态采取适当的带宽分配算法计算在下一个通信循环中所要分配的各o n u 发 送时隙大小，并在下一循环开始前用g a t e 消息予以发布。由于以太网是一种面 向无连接 2 1 1 的技术，因此其业务提供和资源管理相对比较简单。受限于以太网的 无连接模式，e p o n 无法对用户业务进行准确的定义和管理，而只能按照用户业 务的不同特点和q o s 要求进行分类。属于同一优先级或具有相似q o s 要求的业 务被分为同一服务类别，接受相同的服务。同时由于缺乏控制信令，用户的实时 需求无法传递到中心控制单元，因此e p o n 只能按照事先确定的服务策略结合一 定的带宽管理杌 勖。满足用户有隈的q o s 需求 1 1 ，3o p o n f 7 i 【 j 2 0 0 1 年，在i e e e 制定e p o n 标准的同时，盯i - 1 。也通过了吉比特以太网无 源光网络( g p o n ) 的新标准g 9 8 4 i 和g 9 8 4 2 ，用于改善a p o n 所面临的速率 问题。按照这一最新标准的规定，g p o n 可以灵活地提供多种对称和非对称上下 行速率，在下行方向支持1 2 4 4 g b p s 和2 4 8 8 g b p s ，而在上行方向支持1 5 5 m b l 略、 6 2 2 b r o p s 1 2 4 4 0 - 蜥和2 4 s s g b p s 。传输距离至少达2 0k m 系统分路比可以为 1 ：1 6 至1 ：1 2 8 。线路编码采用n r z 扰码方式，保证了高效的带宽利用率。g p o n 传输汇聚层( g 1 ) 【钏，采用了一种新的g p o n 封装模式( g e m ) ，支持可变长分组 封装，提高了封装效率g e m 封装能够支持多业务，可以支持传统的t d m 业 务( 如t 1 e i 、p o t s 等1 ，还能够支持分组业f ( i p p p p 、e t h e m e t 等) ，底层传输 可以是多种承载技术( s d h 、g 7 0 9 等) ，见圈1 3 。g e m 可以对不同业务提供通 用、高效和简单的封装。 图1 3 0 p o n 协议层 p i f f a t ei jt h e g r o t o o o ll a y e r o f c b o n 4 上海交通文学博士学位论文 第一章光接入网茇展概述及下一代罔络发展趋势 g p o n 的上行和下行帧结构如图1 4 所示。其中下行帧长1 2 5 u s ，连续发送。 每帧由两部分组成，分别是p c b d ( p h y s i c a lc o n u o lb l o c kd o w m i r e a m ，下行物理 层控制块1 和负载部分。p c i m 提供帧同步物理层o a m 和上行数据调度等功能； 负载部分可以包含a t m 信元和g e m 帧，用于对原有a t m 设备兼容，下行帧 广播发送，所有o n u 接收相同的数据，但需根据a t m 信元头的v p i v c i 进行 图1 4 g p o n 帧结构 h g e r ei at h ef i n es m u m m 。o f g p o n 过滤，或者通过g e m 帧头的p o r ti d 接收属于自己的帧。在下行帧的p c b d 域中， 除了包含帧同步、帧指示、下行p l o a m 等信息还包含用于上行带宽分配的 u sb wm a p 域。带宽分配的控制对象是t - c o n t ，u sb wm a p 域中指示了特定 t - c o n t 上行传输的起始时间和结束时间，从而实现了上行数据的多址接入和动 态带宽分配。个o n u 可以有多个t - c o n t ，每个t c o n t 可以包含多个具有 相同q o s 要求的v p i v c i 或p o r t 。 的上行帧和下行帧的长度相同，皆_ i d g p o n 为1 2 5 u s 。每帧包括一个或多个o n u 的上行时隙，这些时隙的分配按照下行帧 中的u ss w m a p 进行组织通常情况下，g p o n 只对t - c o n t 进行资源分配， 每个t - c o n t 只能携带一种类型的数据，删或者g e m 。在a t m 中，每个 t - c o n t 由a l l i d 进行识别，每个w o n t 中可以包含若干个v p ，每个v p 可以包含若干v c ，o l t 只对该t - c _ d n t 进行流量监测和资源管理，但不保存或 维护任何关于v p 或v c 的资源分配信息，相关的工作由a t m 客户层负责。在 g b m 中，每个t - c o n t 由a i l o ci d 识别，每个t - c o n i 包含若干个p o r ti d ， o l t 只对该t - c o n t 进行流量监测和资源分配不保存或维护任何关于p o r t _ i d 的资源分配信息， 1 1 4w d m - p o n t 明 对于e p o n 和g p o n 来说，现有的方案都采用了单一波长的时分复用的数 据传输方式。随着未来接入网带宽需求的不断增长，这种电的复用方式使得 e p o n 和g p o n 能够提供的有效带宽很难再迸一步扩展而w d m p o n l 2 s l i 切技 5 上海交通人学博士学位论文第一章光接入同发展概述及下一代舟络发展趋势 术能够很好解决带宽的扩展问题。其基本原理就是在原有io n 的树形结构基础 上，应用w d m 技术，从而为每个o n u 分配独有的一对上，下行波长，使得 w d m - p o n 技术在传输带宽、用户管理、信息安全、容量扩展性等方面具有很 大的优势。w d m p o n 系统的典型分路比为2 0 - 4 0 ，在网络拓扑上属于虚拟的点 到多点，实际的点到点方式；工作在连续模式；具有很好的业务透明性，二层可 以承载任意协议；物理层采用w d m 传输方式，基于w d m 的分路器只引入凡分 贝的光信号衰减，避免了普通p o n 所带来的十几分贝光信号衰减和复杂t d m a 方式，且具有容易升级换代的优点；w d m p o n 可以提供上下行对称的2 - 4 0 g b i y s 总带宽，每个用户终端( 可以是一个用户，也可以是一群用户) 可以有1 0 0 m b i t s - 1 g b i t s ；w d m - p o n 系统的每个波长通道间完全隔离，消除了普通p o n 技术的安全性隐患w d m - p o n 系统的波长分配主要采用动态自适应分配方式， 灵活性高，应用方便，但技术难度较大，目前比较成熟的是频谱分割技米和多模 激光器选模技术。显然，w d m - p o n 系统的关键是光器件，特别是具有自适应 能力的光发送器件和低成本波分复用器件等。此外，作为一种实际上的以太网点 对点传输技术，必然也伴随有该技术的相应优缺点。简言之，w d m - p o n 系统 在关键光器件没有本质性突破前，还只能处于研究开发阶段，但其潜在的优势已 经吸引了业界的注意力和兴趣 i 1 5 未来接入网技术的改进思路 在已经提出的几种p o n 技术中。由于a t m 应用范围逐渐缩小，a p o n 也逐 渐退出了历史舞台；w d m - p o n 的较高的实现成本使之目前还无法得到广泛的 应用。而e p o n 和g p o n 技术比较成熟并且成本适中比较接近大规模应用，但 对到底使用哪种p o n 技术目前还存在着比较多的争议，有很多文献对此进行了 比较【”h 啪。支持e p o n 技术的一方认为，e p o n 的优点在于技术简单、成本较 低，对于口业务有着良好的支持能力；但反方认为，e p o n 的效率较低、安全 性和网络可管理性较差，对以太网以外的业务如t d m 支持性不好，且q o s 机制 还不完善等。支持g p o n 的一方则认为，g p o n 技术代表了未来p o n 技术发展 的趋势，首先可以实现包括t d m 、口在内的全业务支持，其次具有良好的安全 性和强大的网络管理和配置功能，在传输效率和q o s 方面也具有突出的表现； 反方则认为，g p o n 技术过于复杂，实现成本较高，标准化成熟度和设备商支持 程度较差等。 从无源光网络发展的趋势来看，最先提出的a p o n 属于a t m 阵营，能够有 效地支持多业务接入，具有较强的q o s 能力，但存在接入速率低和成本高的缺 陷。随后，基于千兆以太网技术的e p o n 的出现提供了对l p 业务的良好支持， 虽然具备接入速率高，成本低的优点，但在多业务支持，口q o s 和网络管理方面 6 上海交通大学博士学位论文 第一章光接入网发展概述及下一代网络发展趋势 还存在着缺点。紧接着a t m 阵营又抛出了g p o n 技术，希望借助于通用成帧规 程( g f p ) 技术实现包括i p 业务在内的全业务支持，同时提高了传输速率并保持了 q o s 的优点，但仍然存在着技术复杂，成本高的缺点。这几种技术都有各自的长 处和不同的缺点，这样就给我们指出了下一代无源光接入网技术的发展思路。 首先，随着未来宽带数据量的需求不断增长，下一代无源光网络技术在链路 速率，分支比以及物理层技术指标方面应该继续有所提高，并且能够实现无源光 网络技术的不断升级。其次，下一代网络将逐渐过渡到以口为多业务平台的全 口网，整个网络结构以分组交换为主，纯t d m 业务将逐步消亡并走向以软交换 为代表的分组化方向，因此下一代无源光网络技术也将全面支持口多业务平台。 第三，在协议层方面逐渐走向扁平化和简单化趋势，消除复杂的中间层，改善协 议执行效率、加快层间数据通行速率。第四，由于接入网相对核心网来说资源相 当有限，因此必须采用高效的物理层编码和链路层数据封装，以增加系统可用带 宽，降低比特成本。第五，在业务提供上，提高业务的感知能力，实现端到端业 务的自动发放和管理能力。第六，向网络智能化方向发展，通过智能控制平面能 够在线相应用户的实时需求，并通过智能化的控制实现资源的精细化管理，并完 成相关用户管理、业务管理和计费管理等。第七，在q o s 处理能力上，能够根 据不同业务选择不同的措施满足其o l