（通信与信息系统专业论文）基于epon+mac层协议无线接入的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 因特网的迅速发展普及，大量数字多媒体业务的涌现，人们对带宽的需求日 益增长，光纤接入以太无源光网络( e p o n ) 被认为是解决“最后一公里问题的 最佳有线接入方案，能实现用户无线连接的无线局域网( w l a n ) 等接入方式虽 然无法提供足够的长距离带宽却因自由灵活的接入而应用广泛，光通信与无线通 信的融合实现宽带无线接入将成为具有竞争优势的解决方案。用户对移动灵活的 无线接入需求，宽带无线接入将成为未来接入的发展趋势。但如何增加e p o n m a c 帧结构的功能，既能结合p o n 结构的技术优势，又能实现自由灵活的无线 接入，对e p o n 的推广应用具有重要的现实意义。 随着e p o n 大规模商用的展开，针对e p o n 的无线接入研究具有重要的实 用意义。本文采用理论分析与仿真模拟等方法，对e p o nm a c 中有关媒介接入 控制协议的内容进行分析研究，对比分析了e p o n 与w l a n 两者之间媒介接入 控制m a c 协议帧的功能格式，在对e p o n 体系中m a c 有关协议帧内容进行研 究后，将w l a n 中的m a c 有关无线的媒介接入控制帧添j j n ne p o nm a c 中， 封装成为适合无线媒介传输的8 0 2 1 1m a cp d u 帧，在p o n 体系结构下实现宽 带无线接入。 期间主要完成的工作以及取得的成果如下： ( 1 ) 针对e p o n 的系统结构和工作原理，详细分析了e p o nm a c 层的层 次内容、m p c p 帧的格式内容，以及实现的具体功能。 ( 2 ) 深入分析i e e e8 0 2 1 1m a c 协议核心算法载波侦听多点接入冲突检 测( c s m a c a ) 机制以及基本接入分布式协调功能( d c f ) 的内容、帧格式，以及衡 量m a c 协议性能的数值指标。 ( 3 ) 设计实现无线接入控制的协议帧封装到e p o nm a c 帧中。从m a c 协 议出发，对比分析e p o n 与w l a nm a c 协议实现的功能具体差异，将w l a n m a c 中有关无线接入控制的协议帧封装到e p o nm a c 帧，向上实现与e p o n 高层协议实现数据传输，向下能应用i e e e8 0 2 1 1m a c 协议实现e p o n 光纤与 w l a n 无线接入的优势结合。 ( 4 ) 采用o p n e t 仿真软件搭建了e p o n 无线接入的仿真平台，对提出的 江苏大学硕士学位论文 e p o nm a c 协议无线接入进行模型仿真，比较分析有关性能指标，并通过对系 统的带宽利用率以及吞吐量的分析，展示了该e p o n 无线接入系统的优势之处。 相比较w l a n 系统而言，e p o n 无线接入系统能大幅提高系统带宽吞吐量，以 及无线接入的用户数。 关键词：以太无源光网络，无线局域网，8 0 2 1 1m a cp d u ，o p n e t 仿真，宽带 无线接入 i i 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n e ta n de m e r g e n c eo fl a r g en u m b e ro fd i g i t a l m u l t i m e d i as e r v i c e s ，t h ed e m a n df o rb r o a d b a n ds e r v i c e sh a sk e p tr i s i n g t h ea b u n d a n t f a c t sc o l l f l r mt h a te t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a lf i b e ra c c e s sn e t w o r k ( e p o n ) i st h eb e s t s o l u t i o no ft h e ”l a s tm i l e ”a l t h o u g he p o ni su n a b l et o p r o v i d ea d e q u a t e l o n g d i s t a n c eb a n d w i d t h ，i tc a ng i v ee n d - u s e rf l e x i b l ew i r e l e s sa c c e s sm e t h o d ss u c h a sw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w e a n ) w h i c hb e c o m e san o t i c e a b l es t u d yf i e l d t h ei n t e g r a t i o no fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt oa c h i e v e b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sw i l lb e c o m et h em o s tc o m p e t i t i v es o l u t i o n t h ed e m a n d f o rf l e x i b l ew i r e l e s sa c c e s sm e t h o dm a k eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sb e c o m ef i e n do f f u t u r ea c c e s sm e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h ee x t e n s i o no ft h ee p o nm a c l a y e rf r a m e f u n c t i o nc a nn o to n l yb ec o m b i n e dw i t ht h ea d v a n t a g eo fp o ns t r u c t u r e ，b u ta l s o a c h i e v ef l e x i b l ew i r e l e s sa c c e s sw h i c hi so fi m p o r t a n t ；i g n i f i c a n c et op o p u l a r i z a t i o n a n da p p l i c a t i o n t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h ep r o t o c o lo fe p o nm a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) ，c o m p a r e de p o nm a c p r o t o c o lf r a m ef o r m a tw i t hw l a n m a c a f t e rs t u d y i n gt h ec o n t e n t so ft h em a cp r o t o c o lf r a m ei ne p o n ，w l a nw i r e l e s s m a cf r a m ei sa d d e dt ot h ee p o nm a cw h i c hf u r t h e re n c a p s u l a t e s8 0 2 1 1m a c p d uf r a m e ss u i t a b l ef o rw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，t h u sd i s p l a y e dp e c u l i a rf e a t u r e su n d e r p o na r c h i t e c t u r e d u r i n gt h ec o m p l e t i o no ft h ew o r ka n d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f r o mt h ev i e w p o i n to fh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ，t h ea r c h i t e c t u r ea n do p e r a t i o n a l p r i n c i p l eo fe p o n i sa n a l y z e d a c c o r d i n gt os u c hf e a t u r e s ，t h ec o n t e n to fm a c l a y e r , f r a m ef o r m a ta n dc o n t e n to fm p c pa r ed i s c u s s e da n dc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n sa l e r e a l i z e d ( 2 ) t h em a t u r ea n dw i d e l yu s e dc s m a c aa l g o r i t h mf o ri e e e8 0 2 1 1m a c a n d b a s i cd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( d c f ) i sr e s p e c t i v e l yd i s c u s s e di nt e r m so f c o n t e n t ，f r a m ef o r m a ta n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o ro fm a cp r o t o c 0 1 i i i 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) s t a r t i n gf r o mt h em a cl a y e rp r o t o c o l ，ac o n t r a s t i v es t u d yo ff u n c t i o n so f e p o na n dw l a nm a c l a y e rp r o t o c o li sm a d e t h e nt h ew i r e l e s sa c c e s sc o n t r o l f r a m er e f e r r i n gt ow l a nm a ci s e n c a p s u l a t e d t oe p o nm a ct oa c h i e v e c o m m u n i c a t i o nw i t hu p p e rl a y e rp r o t o c o l so fe p o na n da l s ou t i l i z ei e e e8 0 2 1 1 m a cp r o t o c o lt oa c h i e v et h ei n t e g r a t i o no fe p o no p t i c a lf i b e ra n dw l a nw i r e l e s s a c c e s s ( 4 ) o p n e ts i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e dt oe s t a b l i s hm o d e lo fe p o n ，s i m u l a t e t h ep r o p o s e de p o nm a c l a y e rp r o t o c 0 1 r e l e v a n tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r ea l s o c o m p a r e da n dd i s c u s s e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ew i r e l e s sa c c e s sf u n c t i o n o fe p o nm a cc a nb o t ha c h i e v et h eo p t i c a lb r o a d b a n da c c e s so fp o ns y s t e ma n d a d v a n t a g e so fw l a nf l e x i b l e a c c e s sw h i c hh a st h ec e r t a i na p p l i c a t i o nv a l u eo f e n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：e p o n ，w l a n ，8 0 2 1 1m a cp d u ，o p n e ts i m u l a t i o n ，b r o a d b a n d a c c e s s i v 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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。 本学位论文属于 保密 口，在 年解密后适用本授权书。 不保密 r v - 1 。 学位论文作者签名：率r 埝溺指导教师签名： 矿l 。年占月阳 印i 库月f 胡 独创性声明 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以外，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。 学位论文作者签名：私椭 日期： 2 0 1 0 年6 月fv 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来通信业的迅猛发展促进了网络传输能力的巨大提升。随着信息时代的 到来以及通信技术和网络技术的飞速发展，网络的普及程度迅速提高，人们对信 息的需求与曰俱增，对网络的依赖程度也逐渐加深，网络承载的业务也早已从过 去单一的数据业务发展为语音、数据、图像、多媒体等多种综合业务，网络流量 也空前膨胀。这些都对提供业务的通信网络各方面性能提出了更高的要求。 二十世纪末网络技术取得了飞速发展，尤其在骨干网的传输技术方面，促使 传输容量大幅度增长的同时传输距离也无限延伸。随着传输技术与交换技术的不 断进步，骨干网和城域网已基本实现了数字化、宽带化和智能化。因此接入网【1 l 再次成为制约今后网络发展的瓶颈。 由于光纤传输系统具有频带宽、损耗低、抗干扰、容量大等诸多优点，规模 效应使目前光纤价格大幅下降，在接入网中采用光纤作为传输介质逐步被业界认 同，因此出现了删系列概念，并被写入ug 9 8 2 和c l p o n b 等标准【2 】。 根据v e r t i c a ls y s t e m sg r o u p 的调查显示，在1 9 9 9 年就有7 6 的美国商业用户所 在位置的一公里范围内存在光纤接入点，最近o v u mr h k 的高级分析师l y n n h u t c h e s o n 也分析指出，目前全球h i t x 用户已经超过5 8 0 0 万户，并继续保持 强劲的增长趋势，保守估计到2 0 1 2 年全球采用h t f x 方式接入的用户将达到1 2 亿。因此随着时间的推移，将会引起愈来愈人的重视。 在“光进铜退的接入演变策略背景下，2 0 0 8 年中国电信e p o n 采购已经完 成了两期，规模从初期的4 万线扩大到4 0 0 万线，涉及省份也从南方2 l 省( 区、 市) 发展推广到北方1 0 省( 区、市) 。截至2 0 0 8 年1 0 月，中国有2 7 3 亿的上 网用户，并且这个数字还在快速增长，用户对带宽需求的快速增长以及政府的大 力推动，光纤网络市场的巨大潜力正在逐步释放出来。展望2 0 0 9 年全球f i t x 市场热点，中国和美国格外值得关注，前者因受益于国家大规模网络基础设施的 建设，后者寄希望于奥巴马新政府上台后实施有关“大力建设宽带网络”的计划， 两者的删用户部署规模将达到7 4 8 0 万【3 1 0 在光纤接入中，无源光网络( p o n ) 由于具有节点无源、铺设运行维护成本低、 江苏大学硕士学位论文 对业务透明传输以及升级容易等优点而备受关注【4 】【5 】。2 0 世纪8 0 年代初p o n 概 念被提出，按所采用的技术可以将市场上的p o n 产品划分为a p o n b p o n ( a t m p o n 宽带p o n ) 、e p o n ( 以太网p o n ) 以及g p o n ( 吉比特p o n ) 。其中 a p o n 于1 9 9 5 年提出，当时a t m 在局域网( l a n ) 、城域网( m a n ) 和主干网 中占据主导地位，但实际情况以太网超越a t m 发展成为了一个广为接受的标准， 并且目前全球有超过4 0 0 万个以太端口，9 5 的l a n 都是使用以太网技术。以 太网技术发展很快，传输速率从1 0m b i t s 、1 0 0m b i t s 、1 0 0 0m b i t s 、1 0g b i t s 甚至4 0g b i t s ；应用环境也从l a n 向m a n 、核心网发展。e p o n 是基于以太网 的宽带接入系统，它利用p o n 的拓扑结构实现以太网的接入，实现以太网和p o n 的融合。它是i e e e 8 0 2 3e f m ( e t h e m ei nt h ef i r s tm i l e ) 研究小组最早提出的， 由于利用了低成本的以太网设备和光纤设施，相比于i t i ，f s a n ( 国际电信联盟 全业务接入网工作组) 制定的g p o n ，具有价格低、协议灵活、技术成熟等优 势，而被认为是解决“最后一公里”问题极具竞争优势的解决方案【6 】。 虽然结合以太网和p o n 两种技术优势的e p o n 能实现用户简易接入的同时 享受宽带服务，但却无法像w l a n 等无线接入方式提供终端用户自由灵活的链 接，成熟的w l a n 技术在热点区域已经广泛，吏用，若能构造基于p o n 结构实现 无线接入将让光纤接入方案在解决“最后一公里”问题更具竞争优势，因此由 e p o nm a c 层协议实现宽带无线接入具有重要的现实意义。 1 2 研究现状 目前针对无源光网络研究较多的主要集中在e p o n 与g p o n 接入技术，其 中2 0 0 3 年1 月份通过的g p o n 标准体系一i t u t 9 8 4 系列标准，能提供高速的对 称与非对称的带宽，能以原有的格式和极高的效率传送包括视频、音频、数据等 综合业务，采用全新的传输汇聚层协议“通用帧协议【7 】 ( g e n e r i cf r a m i n g p r o t o c o l ，g f p ) ，实现多种业务流的通用协议封装，为高层用户信号业务流和传 输网络提供一种通用的适配机制，但高昂的漫备成本和标准协议的局限性，使 g p o n 商用化还有待时日。 2 0 0 0 年1 1 月成立的e f m ( e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l e ) 研究小组提出，将以太 网技术与p o n 技术结合，根据i e e e8 0 2 3 以太网协议，在e p o n 中传送的是可 变长度的数据包。e p o n 标准i e e e8 0 2 3 “q 已于2 0 0 4 年6 月正式颁布。由于 e p o n 国内外标准规范的制订没有考虑到产品实际应用中会碰到的问题，按照标 2 江苏大学硕士学位论文 准规范制订出来的e p o n 产品在市场推广应用中会存在一些需要解决的问题。 其中t d m 业务的承载、实时业务的q o s 问题、o a m ( 运行管理维护) 问题等 方面研究的较多，但基于p o n 结构的无线接入方面研究相对较少。 在参考文献 9 1 仁p 介绍了使用p o n 网络结构实现3 g 基站分布的无线接入， 该论文建立了基于p o n 结构的3 g 拉远基站r b s ( r e m o t eb a s es t a t i o n ) 的实验 模型，通过w d m 激光的r b s 和单个光电二极管的中心站c o ( c e n t r a lo f f i c e ) 的p o n 结构连接2 个b s 实现双工通信模型，说明了采用g p o n 结构与分布在 相距2 0 k m 的1 2 个b s 进行通信的可行性。文中重点讲述了物理实现过程，但没 有涉及到有关m a c 协议等内容。参考文献 1 0 1 介绍了p o n 结构的u w b 无线接 入实现，采用波分复用与时分复用方案将传输到每个用户驻地后对信号功率进行 分割，然后室内用户借助u w bo n u s 实现无线接入，文中还简单介绍了实现原 理与终端的设计。参考文献1 1 1 介绍了e p o n 与w i m a x 固网移动两种技术方案 的融合实现带宽接入，文章中不但对e p o n 与w i m a x 协议如何实现融合进行 了分析说明，而且还给出了o n u 与b s 集成的设计方案。但由于频谱资源的限 制、建设成本周期以及应用范围等制约因素，在国内实现突破必将困难重重，因 而p o n 结构实现w l a n 长距离宽带无线接入具有多：际应用基础与极大的竞争优 势，研究由e p o nm a c 层协议实现宽带无线接入具有重要的实际意义。 1 3 研究内容 论文从e p o n 的系统结构和原理出发，主要分析e p o n 中m a c 控制子层 m p c p 协议内容，研究媒介接入访问控制机制，讨论i e e e8 0 2 1 1 中m a c 协议 内容，并重点分析面向竞争机制的分布式协调功能d c f 访问机制：带冲突避免 的载波监听多路接入的随机访问方法。在此基础上研究m p c p 协议引入 c s m a c a 协议内容，实现基于e p o n 的无线接入控制访问，包括分析d c f 协 议原理、性能指标。建立基于o p n e t 的e p o n 无线接入访问控制仿真模型，通 过功能机制重点分析i e e e8 0 2 1 1m a c 层中有关无线接入控制的协议帧功能作 用，在此基础上提出将i e e e8 0 2 1 1m a c 层中有关无线接入实现的协议帧增加 到e p o nm a c 中，封装成为能实现无线接入的扩展m a c 帧。最后通过建立仿 真实验获取的数据，说明了研究方案的可行性。 论文主要研究内容有： ( 1 ) 分析e p o n 的系统结构和工作原理，针对e p o n 的结构特点，深入的 3 江苏大学硕士学位论文 分析m a c 协议内容、m p c p 帧的格式内容，以及实现的具体功能。 ( 2 ) 深入研究应用广泛的i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议核心算法载波侦听多点 接入冲突检测( c s m a c a ：c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 机制以及基本接入分布式协调功能( d c f ) 的内容、帧格式，以及衡量 m a c 协议性能的数值指标。 ( 3 ) 从m a c 层协议出发，对比分析e p o n 与w l a nm a c 层协议实现的 功能具体差异，将w l a nm a c 中有关无线接入控制的协议帧封装到e p o nm a c 帧，能实现向上与e p o n 高层协议实现数据传输，向下能应用i e e e8 0 2 1 1m a c 协议实现e p o n 光纤与w l a n 无线接入。 ( 4 ) 采用o p n e t 仿真软件搭建e p o n 无线接入模型，对提出的e p o nm a c 层协议无线接入进行模型仿真，比较分析系统的带宽利用率、吞吐量等性能指标 1 4 全文的组织安排 全文内容安排如下： 第一章：为绪论部分，简单的介绍了本误题的研究背景、研究现状以及本论 文的主要工作内容。 第二章：深入介绍了e p o n 的框架结构，并说明了各组成部分的功能与e p o n 的帧结构设计原理。同时又对e p o n 的系统同步和测距、上行信道复用技术、 突发接收问题、系统管理问题，这几个e p o n 关键技术和技术难点进行了介绍 和分析，并重点研究了i p a c t 算法内容以及多点控制协议m p c p 的工作原理以 及其控制帧的内容。 第三章：详细的分析了i e e e s 0 2 1 1m a c 协议核心算法c s m a c a 机制以及基 本接入分布式协调功能( d c f ) 、r t s c t s 帧交换的基本原理、m a c 帧结构；分析影 响网络性能的有关参数，得到吞吐量与其他各网络参数的关系；利用马尔可夫理 论得到吞吐量的表达公式以及达到最大吞吐量时最佳退避窗口的选择方法。 第四章：为工作的重点内容，对支持无线接入的e p o nm a c 协议进行分析研 究，阐述了e p o n 无线接入系统的工作原理，并通过对m p c p 协议数据帧格式 内容的分析，构造适合无线接入的e p o n 帧，增加用于识别无线接入工作站的 标识符b s s i d ，封装8 0 2 1 1m a cp d u 数据帧等工作内容。 第五章：无线接入的e p o nm a c 协议模型在0 p n e t 仿真平台下的搭建，通过 采集系统时延、带宽利用率、吞吐量等实验数据，对系统性能进行了分析与总结， 4 江苏大学硕士学位论文 补充说明了今后需要加强的工作内容。 第六章：对论文所完成的工作进行概括总结，并对所研究的课题延伸方向进 行了简单的分析与阐述。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章e p o n 系统结构与工作原理 e p o n 基本构想是将成熟的以太协议引入p o n 系统，以提高效率，降低 设备成本。由于m e t h e m e t 结构在整个数据网络中占主导地位，而以太对口的 支持非常成熟，对于e p o n 系统，可以直接使用i p 协议来进行管理，包括对 用户端设备和业务的管理，都可以很简单地实现，因此，在支持开展综合业务和 多种服务质量的灵活性和方便性方面，e p o n 的优势也很明显。e p o n ( 以太无 源光网络) 是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网 平台和t d mm a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制方式、提供多种综合业 务的宽带接入技术。 2 1e p o n 系统原理 2 1 1e p o n 体系结构 e p o n 在很大的程度上继承了i t u t 和f s a n 对a p o n 的建议，采用符 合i e e e 8 0 2 3 协议的以太帧承载业务信息。虽然e p o n 拓扑结构的种类很多， 就目前实际应用的情况来看，主要的几种拓扑结构：树型结构、总线型结构、环 型结构以及混合型结构等。环型结构线路设定自由度和灵活性较好，网络可靠性 最高；总线型结构相对简单，增建节点容易，相互影响少；树型结构是目前使用最 多的拓扑结构，根据接入网业务的特点，为防止投资期过长，对于确有业务需要 但业务量不明朗的情况，可先将光纤接入n d , 区或大楼等，然后再根据具体的需 求，接入分支光纤，因此，树型结构非常适合接入网建设的初期。 e p o n 系统主要由光线路终端( o l t o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) 、光网络单 元( o n o ：o p t i c a ln e t w o r ku n i 0 以及光分配网络( o d n o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k ) 组成，为单纤双向系统。其中下行链路方向为o l t 以广播方式发送以 太网数据帧。通过i ：n 的无源分光器，数据帧到达各o n u ，o n u 通过检查接 收到的数据帧的目的l l i d 地址和帧类型( 如：m p c p 帧、o a m 帧) 来判断是否 接收此帧。而在上行链路方向，各o n u 的数据帧以突发方式通过共同的无源 分配网传输到o l t ，各个o n u 在o l t 分配的不同时隙中，将数据帧发送到 o l t 。o l t 采用m p c p 协议，通过请求授权机制来实现带宽的分配。各o n u 6 江苏大学硕士学位论文 发送的信号只会到达o l t ，而不会到达其他o n u 。为了避免数据冲突并提高网 络利用效率，上行方向采用t d m a 多址接入方式，并对各o n u 数据进行仲裁， e p o n 的系统参考结构如图2 1 所示。 用户侧 注：o d n 中的无源光分路器可以是一个或多少光分路器的级联 图2 1e p o n 的系统参考结构图 如图2 1 所示为典型的e p o n 系统结构图，其中o l t 通常位于网络侧， 放在中心局端( c o ：c e n t r a lo f ! f i c e ) ，既是一个交换机或路由器，又是一个多业 务提供平台。它提供面向无源光纤网络的光纤接口，用于把光接入网连接到城域 网或者广域网。o l t 将提供多个g b i t s 和1 0 g b i t s 的以太接口，支持w d m 传输。 o l t 还支持a t m 、f r 以及o c 3 1 2 4 8 1 9 2 等速率的s d h s o n e t 接口的连接。 若需要支持传统的t d m 语音、普通电话线( p o t s ) 和其他类型的m 通信( t 1 e 1 ) 可以复用连接到p s t n 接口。它可以是一个l 2 交换机或l 3 路由器，提供网络 集中和接入，能完成光电转换、带宽分配和控制各信道的连接，并有实时监控、 管理及维护功能。 o n u 通常位于用户侧，如光纤到小区( f r r c ) 、光纤到大楼( f r r b ) 、光 纤到用户家庭( r r r h ) 等，主要用来接入用户终端。它采用以太网协议，实现 以太网第二层和第三层交换功能。此类o n u 可以为多个最终用户提供共享高 带宽。在通信过程中，不需要协议转换，就可实现o n u 对用户数据透明传送。 o n u 也支持其他传统的t d m 协议，而且不增加设计和操作的复杂性。在带宽 7 江苏大学硕士学位论文 更高的o n u 中，将提供大量的以太接口和多个t 1 接口。对于接入方式，o n u 可以被集成在一个简单设备中，不需要交换功能，用极低的成本给终端用户分 配所需的带宽。 o d n 一般采用无源光纤分支器( p o s ，p a s s i v eo p t i c a ls p l i t t e r ) ，它完成下行 光信号的分配和上行信号的集中，它是一个连接o n u 和o l t 的无源设备，用来 分发下行数据并集中上行数据。o d n 的分光比为1 ：1 6 到1 ：1 2 8 之间，即一个 o l t 可以承担1 6 到1 2 8 个o n u ，但考虑到目前的技术水平和经济因素，o l t 一般承担3 2 到6 4 个o n u 。 e p o n 与其他p o n 系统最大的区别就是它是基于以太网技术的，它继承了 以太网的核心遗传因子，将以太网中最核心的部分保存了下来，添加了多址接入 和远距离传送的成分，使得传输距离和接入拓扑方面取得了突破。在制定的标准 方面，针对p o n 这种新的媒质，8 0 2 3 工作组定义了新的物理层，而对以太网 m a c 层以及m a c 层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质。e p o n 帧格式基本与i e e e8 0 2 3 的以太数据帧格式兼容，只在以太帧中加入时戳( t i m e s t a m p ) 、l l i d 等信息。 e p o n 的上行帧结构如图2 2 所示。下行数：器流被分割成具有固定长度的帧， 每帧含有多个不同长度的数据包。时钟信息以同步标记的形式存在于每一帧的开 始处。每隔一定的时间( 与上行传输的帧长度有关，图中为2 m s ) 传输一次同步 标记以使o n u 与o l t 同步。 图2 2e p o n 的下行帧结构 每个可变长度的数据包被赋予某个o n u 的地址，用1 ，2 ，3 n 表示o n u 的序号。数据包由可变长度的净荷、信头和错误校验区组成。 e p o n 的上行帧结构如图2 3 所示【1 2 】。各吟o n u 发出的上行信息流通过光 8 江苏大学硕士学位论文 耦合器合并共用光纤，以t d m 的方式复合成一个连续的数据流。该数据流以 帧的形式组成，帧长同下行帧，每帧一个帧头，表示该帧的开始。上行传输的数 据流被分成有固定长度的帧，每帧又被分成指定给各个o n u 的时隙，每个时隙 可包含几个变长的数据包：每帧的开始处含都有帧的标识。 帧长2 m s h 一- 叫 长度可变 图2 3e p o n 的上行帧结构 上行传输的每一帧中都赋予每个o n u 以相应的时隙，用o n u 的序号1 ，2 ， 3 n 表示。每个时隙中包含变长的数据包和时隙歹_ 销，时隙开销主要包括保护 带宽，时间标识及信号功率标识等。如在指定的时隙中o n u 没有数据上传，则 以填充位填充【1 e l 。 2 1 2e p o n 上下行数据传输 当o l t 启动后，它会周期性的在本端口上广播允许接入的时隙等信息。o n u 上电后，根据o l t 广播的允许接入信息，主动发起注册请求，o l t 通过对o n u 的认证( 本过程可选) ，允许o n u 接入，并给请求注册的o n u 分配一个本o e f 端e l 唯一的一个逻辑链路标识( l l i d ) 。 对于下行，数据从o l t 到多个o n u 采用时分复用技术( t d m ) 广播式传输， 根据i e e e 8 0 2 3 a h 协议，每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的特定o n u 逻辑链路标识( l l i d ) ，该标识表明本数据帧是给o n u ( o n u l 、o n u 2 、 o n u 3 o n u n ) 中的唯一一个。另外，部分数据帧可以是给所有的o n u ( 广 播式) 或者特殊的一组o n u ( 组播) ，在图2 4 的组网结构下，在分光器处，流 量分成独立的三组信号，每一组载到所有o n u 的信号。当数据信号到达o n u 时，o n u 根据l l i d ，在物理层上做判断，接收给它自己的数据帧，摒弃那些给 其它o n u 的数据帧。举例，图2 4 中，o n u 2 收到包2 、1 、3 、1 ，但是它仅仅 9 江苏大学硕士学位论文 发送包2 给终端用户2 ，摒弃其他。 图2 4 e p o n 下行传输 对于上行，采用时分多址接入技术( t d m a ) 分时隙给o n u 传输上行流量。 当o n u 在注册时成功后，o l t 会根据系统的配置，给o n u 分配特定的带宽， ( 在采用动态带宽调整时，0 l t 会根据指定的带宽分配策略和各个o n u 的状态 报告，动态的给每一个o n u 分配带宽) 。带宽对于p o n 层面来说，就是多少可 以传输数据的基本时隙，每一个基本时隙单位时间长度为1 6 n s 。在一个o l t 端 口( p o n 端口) 下面，所有的o n u 与o l tp o n 端口之间时钟是严格同步的， 每一个o n u 只能够在o l t 给他分配的时刻一t 面开始，用分配给它的时隙长度传 输数据。通过时隙分配和时延补偿，确保多个o n u 的数据信号耦合到一根光纤 时，各个o n u 的上行包不会互相干扰。上行传输原理如图2 5 。 图2 5e p o n 上行传输 在上行带宽的分配上目前的各种算法都采用了请求( r e q u e s t ) 授权( g r a n t ) f f j 机制，即o n u 向o l t 发送数据的请求，请求的内容包括：业务类型，请求发 送的数据量大小，o l t 在收到请求之后根据各个o n u 的情况，和不同业务的 情况统一进行上行带宽的分配。这种机制如图2 6 所示： 1 0 江苏大学硕士学位论文 图2 6r e q u e s t g r a n t 机制结构示意图 2 1 3e p o n 的协议层次模型 由于e f m 工作组的目的是以尽量小的协议改动将以太网引入接入网范畴。 对协议分层与千兆以太网的协议分层相比较，物理层定义相同，主要的区别是在 数据链路层中多了用于支持上行和下行链路的多点接入m a c 控制子层( m p c p 子层) 。对于以太网技术而言，p o n 是一个新的媒质。8 0 2 3 工作组定义了新的 物理层。而对以太网m a c 层以及m a c 层以上则尽量做最小的改动以支持新的 应用和媒质。e p o n 的层次模型如图2 7 【1 2 】【1 3 】【1 4 】 其中：f e c - - 前向纠错，g m i i = 千兆比媒质独立接口，p c s = 物理编码子层， m d i ：= 媒质相关接口，o a m = 运行、管理和维护，p m d - - 物理介质相关子层， p m a = 物理介质附加子层，r s = 调和子层。 e p o n 物理层是构成整个网络数据传输的基础，它通过g m i i 接口与r s 层 相连，具有为m a c 层传送可靠数据的作用。 e p o n 物理层定义了物理编码子层( p c s ) 、物理介质附加子层( p m a ) 、 物理介质相关子层( p m d ) 和调和子层( r s ) 。p c s 将g m i i 发送的数据进行编 码解码，使之适合在物理媒体上传送；p m a 生成并接收线路上的信号；p m d 提供与传输介质的物理连接；r s 层的基本功能为将g m i i 的数据与相关控制信 号映射到百兆以太网的p l s 服务原语。 江苏大学硕士学位论文 o s i 参考 模型分层 lan分层lan分层 上层 _ _ 上层 m a c i 姒cm 慷c c i i e n tc l i e n tc l i e n t m 慷cc l i e n t o a mo a m0 a mo a m 多点m a c 控制 多点m a c 控制 m a cm a c i 垤a c m a c 0 ij0 n u r sl 强 丌丌 g m i i ig m l p 广1 p c s f e c ( 可选) 3 c 酏】f e c f 司选1 p m a p h yp h y p m a p m dip m d i 、m d i m i _ 无光源介质厶_ 7 ， 图2 7 e p o n 的层次模型 2 2e p o n 关键技术及难点 2 2 1 测距技术 由于o n u 与o l t 之间光链路长度各不相同，使得信号时延也各不相同，可 能会造成o n u 的上行数据帧发生碰撞，因此必须采用测距技术加以补偿，保证 各o n u 到o l t 的逻辑距离是相同的。这个逻辑距离时间就是均衡环路时延，它 是一个常数。 测距的程序相应分为两步：第一步，静态粗测在o n u 的注册阶段，进 行静态粗测补偿由物理距离差异造成的时延；第二步，动态精测在有业务运 行的情况下实时进行动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起 的时延漂移。 e p o n 系统测距方式采用g r a n t r e p o r t 机制，即o n u 到o l t 的同步是 通过g r a n t r e p o r t 控制帧中的时戳( t i m es t a m p ) 来实现的。在o l t 中有一 个计时器，o l t 根据这个计时器来设置各个o n u 的计时器。首先要测出往返时 1 2 江苏大学硕士学位论文 间( r 丌) ，然后由o l t 在绝对时间哟发送一个g r a n t ，其中包括一个时间标 记t o ；当o n u 在t 1 时间收到g r a n t 帧，将本地的计时器重新设置为哟；然 后在t 2 时刻发送r e p o r t 帧；最后在t 3 时刻o l t 收到该r e p o r t 帧；这样， r t r = t 3 t 2 。 2 2 2 系统同步 e p o n 中的各o n u 接入系统是采用时分方式，所以o l t 和o n u 在开始通 信之前必须达到同步，才会保证信息正确传输。要使整个系统达到同步，必须有 一个共同的参考时钟，在e p o n 中以o l t 时钟为参考时钟，各o n u 时钟和o l t 时钟同步。o l t 周期性的广播发送同步信息( s y n c ) 给各o n u ，使其调整自己的时 钟。e p o n 同步的要求是在某一o n u 的时刻t ( o n u 时钟) 发送的信息比特，o l t 必须在时刻t ( o l t 时钟) 接收它。在e p o n 中由于各o n u 到o l t 的距离不同， 所以传输时延各不相同，所以要达到系统同步，o n u 的时钟必须比o l t 的时钟 提前u d ( i - _ 行传输时延) ，也就是如