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南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 5 7 1 4 1 5 摘要 y 基于异步传输模式的无源光网络( a ：r m p o n ) 结合了a t m 多业务多比特率 支持能力和p o n 透明带宽传送能力的优点，是未来理想的宽带接入解决方案之 一，具有广阔的应用前景。 本文主要对a p o n 系统分层结构中传输汇聚t c 层的总体方案、t c 层上 行接入功能的设计、关键技术及其优化方法等内容进行了深入研究。重点是 在t c 层总体设计的基础上，分析提出了基于g 9 8 3 1 协议的上行接入设计思路、 技术实现方法，独立自主地完成了上行接入整体设计以及分层模块化设计，运用 v h d l 语言和原理图进行描述、并用f p g a 实现了上行接入功能。仿真实践表明， 本上行接入的技术方案已实现在t c 层中正常运行，表明设计是基本成功的。此 外，本文还对有关上行接入设计的优化方法与优越性作了分析和探讨。 本课题得到江苏省高技术项目资助，项目名称为基于异步传输模式的无源光 网络系统( a p o n ) 中光网络终端的研制，项目代号：b g 2 0 0 1 0 4 6 。 关键词：无源光网络终端，上行接入，v h d l ，f p g a ，优化设计 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 a b s t r a c t t h ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r kb a s e do na s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d eh a st h e c o m b i n a t i o no ft w om e r i t s o n ei s a b i l i t yo fa t m ss u p p o r t i n gm u l t i - s e r v i c e sa n d m u l t i b i t r a t e s ，t h eo t h e ri sa b i l i t yo f p o n st r a n s f e r r i n gt r a n s p a r e n tb a n d w i t h a p o n i so n eo ft h ei d e a lb r o a d b a n da c c e s ss o l u t i o n sa n dh o l d st h ew i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h ef u t u r e t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h eo v e r a l ld e s i g no ft r a n s f e r c o n v e r g e n c e ( t c ) l a y e r ，d e s i g no fu p s t r e a ma c c e s sf u n c t i o n i nt cl a y e r ，c r i t i c a l t e c h n i q u e so fu p s t r e a ma c c e s s a n dd e s i g no fo p t i m i z a t i o nm e t h o d b a s e do nt h e d e s i g no ft cl a y e r , t h ei d e ao fd e s i g no fu p s t r e a ma c c e s sf u n c t i o ni se m p h a t i c a l l y b r o u g h tf o r w a r d t h eo v e r a l ld e s i g no fu p s t r e a ma c c e s sa n dt h el a y e r e dd e s i g no fi t s m o d u l e sa r ei n d e p e n d e n t l ya c c o m p l i s h e da n dt h ed e s i g ni s r e p r e s e n t e db yv h d l l a n g u a g e a n ds c h e m a t i c s t h ef u n c t i o no f u p s t r e a m a c c e s si s s u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e db yf p g a a n da l s ow o r k sw e l li nt cl a y e r t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n d e m o n s t r a t et h es u c c e s so ft h ed e s i g n m o r e o v e gt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni s f i r s t l y c o n s i d e r e da n di t ss u p e r i o r i t yi sa l s op r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e d t h i sd i s s e r t a t i o ni ss p o n s o r e db yj i a n g s uh i - t e c hp r o j e c t t h ep r o j e c tn a m ei s r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f o p t i c a l n e t w o r kt e r m i n a l s 加p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s y s t e mb a s e d o n a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e t h ep r o j e c tc o d ei sb g 2 0 0 1 0 4 6 k e y w o r d s ：o n t u p s t r e a m a c c e s sv h d lf p g a o p t i m i z a t i o nd e s i g n 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入漫计与优化方法探讨 绪论 2 1 世纪全球通信网络正在向数字化、综合化、宽带化和智能化方向发展。 交互式实时业务和数据业务的急剧增长使得电信运营商寻求低成本、高质量的宽 带接入解决方案。处于网络边缘“最后一公里”的接入网宽带化问题就显得同益 突出，接入网已成为制约整个网络宽带化发展的瓶颈。 在诸如x d s l 、h f c 、无源光网和无线接入等多种接入技术中，基于a t m 的 无源光网络a p o n 系统普遍被认为是最有效、最理想的一种接入技术，是解决 接入带宽瓶颈的较为合适的手段之一。a p o n 将a t m 的多业务、多比特速率能 力和统计复用功能与p o n 的透明宽带传送能力结合起来，可提供上、下行对称 的1 5 5 m b p s 和非对称的6 2 2 1 5 5 m b p s 的接入带宽。同时a p o n 系统的业务覆盖 面相当广，可以把各种不同的业务如：语音、视频、数据等融合到一个网络中传 输，可以支持现有及未来出现的新业务。p o n 可以承载多个用户的业务，各个 用户可共享一个传输信道，这样大大减少了单个用户的传输费用，使得a p o n 的普及成为可能：在带宽分配方厩，a p o n 采用动念带宽分配算法，这样既可以 提高带宽的利用率，还可以支持不断出现的新业务的要求：在服务质量( q o s ) 方面，a p o n 可以满足不同业务的q o s 性能要求，对不同的业务，通过提供不 同的时隙数来满足q o s 的要求。总之，a p o n 具有传输容量大、传送距离远、 业务综合且传输透明、运行和维护费用低、性价比合理、升级方便等优点，适应 多媒体时代的接入特点。 国内外关于a p o n 的发展状况大体如下： 1 9 9 6 年a p o n 系统由全业务接入网小组( f s a n ) 提出； 1 9 9 8 年国际电信联盟i t u t 通过了关于a p o n 接入网规范的g 9 8 3 1 建 议： # 2 0 0 0 年我国制定了g ，9 8 3 1 的等效通信行业标准y d 厂r1 0 9 0 - - 2 0 0 0 。 自从g 9 8 3 1 标准提出以后，国外的一些厂商已经进行了a p o n 系统的丌发 研制，开展了光纤到户( f t t h ) 的实验。我国自主a p o n 系统的研发工作也在 积极的进行之中，国家己将a p o n 列为8 6 3 通信高科技攻关计划。 g 9 8 3 1 协议一问世我们课题组就对此进行了前期的跟踪研究。1 9 9 9 年我们 在国内首先翻译了g 9 8 3 1 协议，对国内的接入网情况开展了大量的调研工作： 2 0 0 0 年在详细消化深入分析g 9 8 3 1 协议的基础上提出了光网络终端o n t 原理 样机的功能要求与总体方案架构，同时也提出了o n t 中传输汇聚t c 层的整体 原理框架及实现手段；2 0 0 1 年我们申报并获得了江苏省高技术研究项目的支持。 第1 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 在前期研究阶段中，虽然o n t 和t c 层的总体方案基本确定，但是构成总 体的各模块还未具体的实现。况且在实现过程中还要不断的验证总体方案的正确 性，必要时对总体方案进行相应的修改，以利于总体功能的实现和检测。本论文 主要在论述整个o n t 的核心部分t c 层总体设计的基础上，重点对t c 层中 上行接入功能的设计思路、设计方法、实现方案以及关键技术的解决进行了深入 的研究，得出了一些有意义的结论。另外，对t c 层上行接入设计中所涉及的优 化问题进行了探讨，初步总结出优化设计的方法和效果。 本文首先概要介绍了a p o n 系统的网络结构和规范以及o n t 的整体设计考 虑；而后分析了o n t 的关键部分t c 层核心芯片的设计，论述了t c 层总体结构 及其各功能模块的组成；在上述的基础上，重点研究论述了t c 层中上行接入功 能的设计与实现，对上行接入的设计思想、总体架构、实现方案及关键技术进行 了深入的分析研究，并对上行接入方案中各模块的设计进行了详细的论述；最后 对上行接入方案设计中所涉及的优化设计方法，从软硬件设计方面进行了探讨。 在分析g 9 8 3 1 协议的基础上，上行接入部分采用了模块化设计方法，用v h d l 语言和原理图方式描述设计各个模块的电路系统功能。目前，上行接入的总体方 案及其所构成的模块均已经过了综合、实现和时序仿真，t c 层的联调实践表明 整个上行接入的逻辑功能准确有效，并在t c 层中获得良好的运行。 上行接入的设计是t c 层核心芯片设计的重要任务与主要内容之一，本论文 主要论述了具有自主知识产权的符合g 9 8 3 1 协议的上行接入技术实现方案的研 制过程，解决了上行接入中的几个关键技术，包括接入控制、时隙定时、信元生 成、突发发射等技术。上行接入在 f c 层中连接后，其硬件是用x i l i n x 公司的现 场可编程门阵列f p g a 实现，带有上行接入的整个t c 层在v i r t e x 3 0 0 ef p g a 芯 片中进行测试验证，验证结果表明上行接入在t c 层中运行正确，与其他模块协 调工作，功能正确，达到了预期的设计目标。同时，f p g a 芯片也实现了t c 层 的核心功能。 在上行接入的设计过程中，本人所做的工作主要有： 研究消化了g 9 8 3 1 、1 4 3 2 ，1 等协议，为上行接入的设计打下了基础。 在g 9 8 3 1 协议的基础上，共同对t c 层的整体功能进行了分析，确立了 t c 层的整体原理结构以及信元定界、信元分离、消息处理、授权处理、测距等 模块功能。 根据t c 层整体功能的需要，提出了上行接入的分层设计思想，并确立了 上行接入的整体原理架构和各组成模块的功能。 研究分析了上行接入的关键技术，并在设计中予以实现。 根据设计需要，认真学习了v h d l 语言，查阅了大量资料，研究了f p g a 第2 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 器件的结构、功能，为上行接入的硬件设计作了充分的准备。 熟悉了x i l i n x 公司的f o m a d a t i o n 4 1 、i s e 5 1 等集成开发软件，为上行接入 的软件设计提供了条件。 用v h d l 和原理图对上行接入的各功能进行了设计、仿真，并用f p g a 器 件在t c 层中进行了硬件验证。 首次对t c 层的优化设计进行了考虑。结合f p g a 器件的特点，在上行接 入的设计中应用了知识产权i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核技术、并行处理等技术， 使设计得到了优化。 到目前为止，上行接入以及t c 层核心芯片的软硬件设计都已完成，周围电 路的设计也已完成；o n t 的其它两部分即高层和物理媒介层的设计也已完成。 o n t 的整体连通与测试正在进行之中。 上行接入的研制成功是t c 层核心芯片研制成功的一个重要组成部分，它保 证了t c 层功能的全面实现。而t c 层的研制又是整个o n t 设计的核心和关键， t c 层的设计拥有自主的知识产权，其功能的实现可以保证了o n t 功能的实现。 上行接入的研究设计工作为早日研制成功o n t 、实现我国光纤到户、最终解决 接入网的带宽瓶颈提供了条件：同时它作为江苏省高技术项目的部分，为完成 此项目提供了前提。 由于研制时间的仓促，上行接入功能的设计可能不定是尽善尽美的，因此 上行接入设计还要不断地进行优化，以使其性能更加完善。希望读者对此能提出 宝贵的建议，我相信这些建议一定会有益于上行接入的完美设计! 第3 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 1 基于a t m 的无源光网络a p o n 系统 基于a t m 的无源光网络a p o n 系统是宽带接入的解决方案之一。a p o n 系 统在无源光网络p o n 上运行a t m 信元，具有接入带宽高、服务质量好、易于维 护等优点。本章简要论述了a t m 的概念、协议参考模型以及a p o n 的网络分层 结构等内容。 1 1a t m 技术概述及其协议参考模型 1 1 1a t m 网络与a t m 信元 今天信息网络的最大问题之一是网络的种类太多，诸如电话网、计算机网、 有线电视网等，这些网络按照不同的服务类型而彼此分开、相互独立。随着网络 服务的增加，网络种类也在增长。每一种网络都基于不同的服务参数，为每种 网络服务而建立一个特定的网络造成了效率的低下和资源的浪费。a t m 所面l 晦 的任务是建立一个统一的物理网络，它能包容所有先前的网络功能和服务，还要 能适应未来服务需求的变化。而当今没有一个现成的网络能做到这一点。 a t m 是英文“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) ”的缩写。a t m 的标准化起始于1 9 8 8 年，当时的c c i t t ( 现园际电信联盟的i t u t ) 把a t m 描 述成一种基于非通道化的高速数字链路的交换技术：a t m 也是一种传输方式， 在这种方式中，信息被组织成信元；说它是异步的，是因为包含来自一个特定用 户信元的重复出现不必具有周期性【1 1 ；a t m 是信元中继技术的国际标准，它将 电路交换的可靠性与分组交换的高效性结合起来：a t m 网络能够承载面向连接 或无连接的服务、恒定比特率或可变比特率服务，并能满足各种业务的服务质量 ( q o s ) 要求。 a t m 技术的主要优点有【4 j ： 通过q o s 级的支持对多种业务类型进行无缝集成，包括数据、语音、视频 和多媒体业务等 通过对突发业务的统计复用来有效利用带宽 保证带宽和资源的分配、动态带宽管理 适合于时延丢失敏感和时延丢失不敏感型业务 专用和公共网络技术的无缝连接 有效的、基于硬件的定长信元处理 改进了需要多个单独网络的情况，只需要应用单一的传输网络 第4 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 在a t m 网络中信息是以a t m 信元的格式进行传输的，a t m 信元是a t m 网 络的运输载体，信元是a t m 网络数据交换的单元。a t m 信元由定长的5 3 字节 组成，其中包含5 字节的信头和4 8 字节的净荷。a t m 的信元结构如图1 1 1 1 所示。 l5 字节的信头i4 8 字节的净荷l 图1 1 1 1a t m 信元结构 其中，5 字节的信头包含了一些控制标识信息，4 8 字节的净荷是a t m 的信息段， 封装了在a t m 层以上各层的协议数据单元( p d u ) 。 a t m 信头包括虚通路标识( v p i ) 段、虚通道标识( v c i ) 段、净荷类型( p t ) 段、信元丢弃优先级( c l p ) 段和头差错检验( h e c ) 段：用户网络接口的信元 信头还包括一个通用流量控制( g f c ) 段。图1 1 1 2 为用户网络接口侧的a t m 信头格式。 字节1 4 87654321 位 g f cv p i v p iv c i v c i v c ip t ic l p h e c 图111 2 用户网络接口侧的a t m 信头格式 a t m 的固定长度信元结构使a t m 交换机较容易地预测所需缓存空间的大 小，减少a t m 交换机的处理复杂度，加快交换速度，同时也减少信元排队时间 和网络堵塞率。 a t m 是一种面向连接的分组交换技术。它具有面向连接的高速、高可靠性 和分组交换的高带宽利用率等特点，a t m 网络可以提供所有局域网和数据应用 问题的解决途径。 1 1 2 a i m 协议参考模型 由i t u t 发布的关于a t m 的协议参考模型如图1 1 2 1 所示。图1 1 2 1 所 示协议参考模型中有两层与a t m 功能有关。一个是所有业务通用的a t m 层， 提供分组传送能力；另一个是a t m 适配层( a a l ) ，依赖于不同的业务。a t m 层定义了以信元形式进行的数据传输，也定义了逻辑连接的使用。a t m 适配层 把高层协议适配成a t m 信元，以支持不是基于a t m 的信息传送协议。 第5 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 图11 2 1a t m 协议参考模型 a t m 协议参考模型三个的平面的主要功能简单描述如下： 用户面提供用户信息传递以及相关的控制( 如流控和差错控制) 控制面执行呼叫控制以及连接控制 管理面包括面管理和层管理。面管理执行与作为一个整体的系统有关的 管理并在所有的面之间提供协调功能；层管理执行与资源及驻留其协议实体中的 参数有关的管理l l j 。 a t m 协议参考模型中各层的功能为： 物理层的功能是将信元编码并通过物理介质正确、有效地传送信元。物 理层又分为传输会聚子层( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) ； i i 物理媒介子层 ( p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n ts u b l a y e r ) 。 传输会聚( t c ) 子层实现信元与各种现有的物理线路接口的协议 ( s d h s o n e t 、e l d s 1 等) 。物理媒介子层( p m d ) 将信元传送到各种光电传 输介质，具有传输编码、定时和同步等功能。 a t m 层的功能是生成信元，它接受a t m 适配层4 8 字节的净荷，并加上 相应的5 字节信头，形成5 3 字节信元。a t m 层支持连接的建立，可将来自a t m 交换机不同输入端口的信元汇集到同一输出端口，同样也可将同一输入端口的信 元分离到各个输出端口。 a t m 适配层( a a l ) 的功能是将高层的用户、控制和管理信息适配处理 成4 8 字节的信元净荷形式，送往a t m 层。a a l 层分成两个子层：会聚子层 f c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 平d 分段拆装子层( s e g m e n t a n d r e a s s e m b l y ) 。 会聚子层( c s ) 位于a a l 的上部，与高层相邻，负责信元分段和拆装的控制 功能。分段拆装子层( s a r ) 位于a a l 的下部，与a t m 层相邻，它的主要功能是 在发送端将传送的信息进行分段，使其长度能适合a t m 信元净荷的大d , ( 4 8 字 节1 ；在接收端从信元净荷中提取信息，组装成用户信息。并完成信元信息段类 第6 页 南京理工大学硕士学位论文 a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 型识别，部分填充段处理，段内有效负载的比特误码检测和报文识别等功能。 a t m 网络可以传输数据、话音和视频等多种业务，因此与a t m 适配层相连 的信息可以有多种格式，每一种都要有与之相对应的a a l 适配方式。 1 。2 光接入网 1 2 1 光接入网概述 光接入网( o a n ) 是指用户与端局之间以光纤为传输媒介的通信网。图1 2 1 1 为光接入网的典型结构，图中端局是指平常人们所说的电话局。交接箱即为业务 接入点，在光接入网中又常称为远端局或远端站，简称为远端。从端局到交接箱 之间的这一段线路由主干光缆组成，是信息传输的主干通道，在光纤接入网中称 为传输网。 图1 2 1 1 光接入网的典型结构 从交接箱到用户之间的线路组成分配网。根据光缆终端位置的不同，图中的 分配光缆和引入线可以有较大的变化：如果光缆的终端位于交接箱，则用户的引 入线可从远端局的远终端设备( r t ) 直接引出。 1 2 2 光接入网功能模型、业务类型与参考配置 光接入网由五个基本的功能组成：用户端口功能、业务端口功能、核心功能、 传送功能和系统管理功能。图1 2 2 1 是光接入网功能结构图。 j q 3 接口 一 一一一- - j 图122 1 光接入网的功能结构图 第7 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 光接入网承担的业务范围极为广泛：从低速到高速，从普通业务到多媒体业 务。光纤接入网传送的业务，除了普通的电话业务( p o t s ) 外，还可以是宽带业 务。归纳起来可分为如下四类： 交互式或邮箱式业务 检索式业务 闭路分配式业务 广播分配式业务 光接入网可以连接到多个业务节点。以这种方式，接入网可提供支持特定业 务的不同业务节点的接入，也可以提供支持相同业务的多个业务节点的接入。如 图1 2 _ 3 1 所示。 图12 31光接入网与业务节点之i 自】的连摄 由光接入网的定义可以看到，一般情况下，接a n 是一个点对多点的光传输 系统。从系统配置上分为无源光网络( p o n ) 和有源光网络( a o n ) ，如图12 32 所示。 盥i 3 接口 匪巫雯 图123 2 光接入网的参考配置 第8 页 南京理工大学硕士学位论文 a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 图中的缩写含义如下： o d n ：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 ：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 ：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 。 o d t ：光远程终端。由光有源设备组成。 a f ：适配功能。 u n i ：用户网络接口。 s n i ：业务节点接口。 s ：光发送参考点。 r ：光接收参考点。 v ：与业务节点间的参考点。 t ：与用户终端间的参考点。 a ：a f 与o n u 间的参考点。 无源光网络由于在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 透明状态，易于升级扩容，便于维护管理。i t u - t 根据技术推动和市场导向，制 定了o 9 8 3 1 建议“基于p o n 技术的高速光接入系统”。该系统由于其低的接入 成本和易操作性，受到很多电信部门的重视。不足之处是o l t 、o n u 之间的距 离和容量受到一定的限制。 有源光网络用有源设备或网络系统的o d t 代替无源光网络中的o d n ，传输 距离和容量大大增加、易于扩展带宽，网络规划和运行的灵活性大。不足之处是 有源设备需要机房、供电等，不便于维护。 总之，随着信息传输向全数字高速化过渡，光接入网必然成为宽带接入的最 终解决方案。 1 3 a p o n 系统的网络参考结构和分层结构 1 3 1 a p o n 网络参考结构 在无源光网( p o n ) 上实现基于a t m 信元的传输，就构成了a t m p o n ( 简 称a p o n ) 系统。如图1 3 1 1 所示，系统中主要有局端和远端这两种设备。局 端设备称作o l t ( 光线路终端) 。远端设备依据其在网络中位置的不同，其功能 和规模也不相同。我们一般把安装在用户室内的叫做o n t ( 光网络终端) 设备， 它既是光的终端设备又是网络终端n t 设备：另一种远端设备叫做o n u ( 光网 络单元) 设备，这种o n u 设备没有到用户，必须要使用金属线( 或同轴电缆) ， 通过各种x d s l 技术将业务引入到用户。局端设备o l t 的一个光接口可以对应n 第9 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 ( 8 或1 6 ) 个远端o n t ( o n u ) 设备。局端和远端设备之间是a p o n 系统的光 分配网络( o d n ) 。本文所研究的是光纤到户( f t t h ) 型结构。 图1 3 1 1a p o n 系统 a p o n 的网络参考结构如图l 3 1 2 所示。该系统由光线路终端( 0 l t ) 、光 网络终端( o n t ) 和光缆组成，其中光缆是具有无源光分路器的无源光网络( p o n ) 结构。一根光纤在多个o n t 之间进行无源分路，而多个o n t 共事这一根光纤的 容量。 i r p o n。r p o t 0 f l t s n i ：业务节点接口u n i ：用户网络接口i f p o n ：p o n 专用接口 图l3 1 2a p o n 参考结构 o l t 的接口位于s n i 侧，连接业务节点和p o n 。o n t 的接口位于i f p o n 处， 连接o l t 和o n t 。i f p o n 是p o n 专用接口，在i f p o n 处的a t m 传送协议由物 理媒介层、传输汇聚层和a t m 层组成。0 d n ( 光分配网) 为o l t 到用户之间提 供光传输手段，o d n 的光特性基本要求为光波长透明，能够支持1 3 1 0 n m 和 1 5 5 0 n m 窗口的传输，可逆性以及光纤的兼容性2 ”j 。 1 3 2a p o n 系统的分层结构与业务类型 a p o n 的分层结构基于i t u t 建议g 9 8 2 。协议参考模型分为物理媒介层、 传输汇聚( t c ) 层和通道层，如表1 3 2 1 所示。 第1 0 页 南京理工大学硕士学位论文 a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 表132 1 a p o n 系统分层结构 层名 功能 通道层 参考i 7 3 2 传输媒介层 适配子层参考i 7 3 2 注：该层应提供 传输会聚 相关的操作管 ( t c ) 层p o n 传输测距；信元时隙分配；带宽分配；保密和安全； 理维护( 0 a m ) 子层帧定位；突发比特同步；比特字节同步 功能物理媒介层e 0 适配：波分复用：光纤连接 在a p o n 网络中，通道层对应于a t m 层的v p ( 虚通道) 旧n 】。 t c 层分为p o n 传输子层和适配子层，它对应于b i s d n 的传输汇聚子层。 物理媒介层和t c 层组成了传输媒介层，它对应于b i s d n 的物理层。 a p o n 系统支持的业务类型与1 2 2 节中所提到光接入网的业务类型相当。 具体有p o t s 业务，窄带i s d n 业务，宽带a t m 业务( 视频点播v o d 业务、远 程教育、远程医疗、数字视频广播或组播等) 和宽带无连接的数据业务( 基于i p 的因特网接入，局域网互联、虚拟专用网v p n ) 等。 总之，a p a n 能应用a t m 平台在p o n 上传送窄带和宽带业务。 第1 1 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 2 o n t 总体方案的设计考虑 光网络终端o n t 是a p o n 系统的用户侧设备，其主要功能是把网络中的业 务信息提供给用户同时把用户的信息上传给网络，实现用户与网络之间的信息交 互。在设计o n t 之前，先要明确o n t 的总体功能。本章根据g ，9 8 3 1 协议简要 论述了o n t 所应实现的核心功能以及总体方案的设计考虑，同时还提出了o n t 的分层设计方法以及物理媒介层、t c 层、通道层的设计。 2 1o n t 核心功能与接口 2 1 10 n t 的核心功能 研制一个有效的光网络终端o n t 必须要研究它所应具有的核心功能，目的 是为准确实现其核心功能作准备。o n t 的核心部分由o d n 接口功能、用户端口 功能、传输复用解复用、用户和业务复用( m u x ) f a 复用以及供电等组成，如 图2 1 1 1 所示。 图2 1 110 n t 功能模块图 各部分的功能描述如下： o d n 接口处理光电转换过程。o d n 接口从下行p o n 净荷中提取a t m 信 元，并向上行p o n 净荷中插入a t m 信元；同步信号从下行帧定时提取。 复用功能将业务接口复用至o d n 接口，只有有效的a t m 信元才可以通过 复用器，这样多个虚通道v p s 能够有效共享分配的上行带宽。 用户端口功能通过u n i 连接一个终端，用户端口可以向上行净荷中插入 a t m 信元并从下行净荷中提取a t m 信元【1 2 , t 3 。 检验o n t 设计成败的一个重要标志是看所设计的o n t 是否能很好地实现其 核心功能。在后面的几章中，将从不同的设计角度来验证o n t 核心功能的实现。 第1 2 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 2 1 2o n t 的接口 o n t 的接口分为p o n 特定接口i f p o n 和用户端业务接口。图2 1 1 1 中o d n 端对应于i f p o n 接口，用户端业务接口对应于用户端。i f p o d 是一个p o n 特定接 口，位于光连接点处，在a p o n 中该接口支持在o n t 和o l t 之间进行的a t m 传送协议。从而通过p o n ，o n t 和o l t 共同提供u n i s 和s n i 之间透明的a t m 传送业务。 a p o n 中决定i f p o n 接口类型的是线速率、单双纤和光通道损耗类型等三 种因素。适用于f 订h 的o n t 的标称线速率为上下行对称的1 5 5 5 2 m b p s 。在 o 9 8 3 ，1 协议中，对称的1 5 5 5 2 m b p s 系统规定了四种接入线接口：b 类光通道损 耗单纤系统、c 类光通道损耗单纤系统以及b 类和c 类双纤系统 l 2 , 13 】。本文研 制的o n t 采用的是b 类光通道损耗单纤系统。 用户端的接口类型应能支持多种高层应用，包括电路仿真( c e s ) 、局域网 仿真( l a n e ) 、纯a t m 业务( n a s ) 和帧中继( f r ) 等业务。表2 1 2 1 给出 了o n t 可能支持的一些高层协议实例及高层以下各层的实例，这样可以看出每 一层上支持的接口数。 表2 1 2 10 n t 各层协议实例及接口 高层协议实例c e s 语音、l a n e 、a t m 、f r 适配层协议 a a l l 、a a l 2 、a a l 3 4 、a a l 5 a t m 层协议a t m 信元 t c 层p o n 传输子层 物理层实例 媒介相关层单纤i f p o n 、双纤 f p o n 从表2 1 2 1 中可以看出多个高层协议实例通过适配层实例和a t m 层实例在 不同的物理层实例上传输，体现了a t m 的独特之处即a t m 允许设备通过不同 的物理接口传输数据且独立于高层协议。 2 2o n t 的分层设计构想与总体方案设计框图 2 _ 2 10 n t 的分层设计构想 o n t 的分层设计构想来源予两个方面：一是o n t 所应完成的功能及其复杂 性使得o n t 有必要进行分层设计；二是a p o n 系统的分层结构使得o n t 的分 层设计成为可行。由2 1 节可知，o n t 所应实现的功能是相当的复杂，它包含了 核心层、业务层、公共层等功能模块，并且要提供多种不同的业务接口。鉴于 o n t 功能的复杂性，要分清各功能模块间的信号流向就变得十分困难，所以按 第1 3 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 照信号流向进行设计的一般方法就不太适用了。因此，根据a p o n 系统分层结 构进行分层设计的考虑成为解决这一问题的可行方法。g 9 8 3 1 协议中的a p o n 系统分层结构见表1 3 2 1 所示。根据a p o n 的分层结构，网络中的o n t 都应提 供相应层面的服务功能。一个o n t 应具有协议参考模型各层的功能，从而可以 和o l t 在对等的协议层面上进行通信。所以，分层设计思想即在协议的不同层 面上进行设计，各层之间通过协议接口连接构成一个完整的o n t 。按照g 一9 8 3 1 协议，o n t 可以分成三个相对独立的协议层来实现，即物理媒介层、传输汇聚 ( t c ) 层和a t m a a l 与高层。各层模块之间的信号流向如图2 2 1 1 所示。 图2 2 1 1o n t 各层模块及其信号流向 o n t 三个协议层模块的主要功能是： 物理媒介层为o n t 提供了最底层的物理链路，它的主要功能为光电电光 转换、波分复用和光纤连接。选择利用现有的集成光电收发一体模块可以实现这 些功能。 o t c 层由p o n 传输子层和适配子层( 可选) 构成。p o n 传输子层的功能为： 比特字节同步、突发同步、帧定位、私有性和安全性、带宽分配、信元时隙分 配和测距。由于a p o n 系统下行信号为连续的信元，所以不需要考虑下行突发 同步的问题；比特同步可以用数据，时钟恢复芯片实现；带宽分配、时隙分配由 0 l t 完成，o n t 只需对o l t 的带宽和时隙分配作出相应的响应即可；测距由 o l t 和o n t 协同完成。因为p o n 传输子层的信号向上直接进入a t m 层，且 0 n t 是光纤到户没有适配辅助的接入技术，所以可选的适配子层在本o n t 系统 中不需考虑其功能的实现。在本设计中，选用现场可编程门阵列( f p g a ) 芯片， 通过对其进行硬件编程来实现t c 层功能的。 a t m a a l 层是完成信元的生成、拆装以及对高层协议的适配等功能。一 些a t m 芯片集成了a t m a a l 层功能。在本设计中，选用富士通公司的a t m 芯 片m b 8 6 6 9 8 a ，该芯片集成了a t m 和a a l l 5 的功能，能支持语音、视频和数 据业务：同时选用t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 在高层协议和a a l 协议间 进行数据处理。 除了三大功能块本身的设计以外，它们之间接口的设计也是至关重要的，需 要仔细研究。三大功能块之间必须很好的匹配才能使整个o n t 有效工作。 第1 4 页 南京理： 火学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 2 2 2o n t 的总体方案设计框图 基于分层设计构想的考虑，o n t 的总体设计应该分成三个相对独立的子系 统来完成，即物理媒介层系统、t c 层系统和a t m 及高层系统。设计的方法为： 物理媒介层以及t c 层需处理固定长度的帧和信元，高速处理是最重要的要求， 所以对它们的设计主要依赖于硬件实现：a t m 及高层的设计由于其逻辑功能较 复杂，且为了适应高层业务的多样性灵活性，所以适合于用软件编程实现。由以 上分析，o n t 的整体设计框图如图2 2 2 t 所示。 从图中可知各层之间的接口为：t c 层和a t m 层是通过主从u t o p i a 接口 实现信元传递的，a a l 与高层是通过微处理器接口进行通信的。各个功能块严 格对应协议各层，从而体现了分层设计的构想。此外，o n t 各协议层的实现与 其核心功能的实现是一致的分层设计只是一种设计方法，这种方法是为了比较 方便地实现o n t 核心功能而提出的。 物理层 ，一l 、 光纤 图222 10 n i 整体设计框图 第1 5 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 3o n t 中传输汇聚t c 层分析设计 传输汇聚t c 层连接物理媒介层和a t m 层，t c 层设计是整个o n t 设计的 核心与关键。t c 层设计的主要任务是实现o n t 中p o n 传输子层的字节帧同步、 时隙分配、测距、上行接入等功能，设计出符合g 9 8 3 1 协议p o n 传输子层规 范功能的具有自主知识产权i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的内核。本章从原理方案 的角度简要论述t c 层的设计。 3 1t c 层的整体设计原理图 t c 层需要处理的信息流可以分为上下行两路。下行信息流即是o l t 向o n t 发送的光信号：上行信息流即是o n t 处理用户的需求信息并向o l t 发送的光信 号。在分析g 9 8 3 1 协议基础上设计的t c 层整体功能如图3 1 1 所示。 图31 1t c 层整体功能圈 注：图中的实线为数据信号，虚线为控制信号 下面根据图3 1 1 所示，对t c 层整体设计的原理按上下行两个方向进行论 述： 下行：下行信号经物理媒介层完成了光电转换，以比特流的形式至t c 层。这种1 5 5 5 2 m b p s 的高速串行比特流经过专用的时钟提取芯片进行比特同步 和片内信号处理基准时钟的提取，生成比特时钟和字节时钟。接着根据信元定界 状态机进行信元定界，通过信头差错检测机制h e c 字节获取有效的a t m 信元， 同时完成字节同步、帧同步，在帧同步以后即可以进行p l o a m ( 物理层操作维 第1 6 页 南京理工大学硕士学位论文a p o n 网络终端o n t 上行接入设计与优化方法探讨 护管理) 信元和a t m 信元的分离。在信元帧中分离出a t m 信元和p l o a m 信 元，分别送入a t m 信元缓存和p l o a m 信元缓存。a t m 信元经缓存后送入从 u t o p i a 接口由a t m 层继续处理。p l o a m 信元在授权处理和消息处理中提取 出有效的上行授权时隙和p l o a m 消息。 上行：上行接八根据这些授权和消息作出相应的响应；授权和消息处理 的结果经过授权消息接口后，产生易于上行处理的授权号和消息域，分别给上行 接入控制模块和上行p l o a m 信元存储模块存储；上行接入控制模块根据授权号 进行上行时隙计数，并对授权类型进行译码以此产生信元选择信号，同时还产生 各种控制信号控制着授权消息接口、上行信元存储、并串转换、上行扰码等各模 块；p l o a m 信元的消息域被译码后，送入测距状态机产生o n t 的各种状态信 号，上行接入控制根据这些状态产生控制信号。 在整个t c 层设计中，比特同步、信元定界、帧同步、授权消息处理、测距 处理和上行接入等模块的设计是t c 层设计的关键，具有较大的难度。其中，t c 层的上行接入包括授权消息接口、上行接入控制、上行信元存储、多路选择、并 串转换、上行扰码等功能，这部分的设计将在下一章作详细的描述。为了能够很 好地理解上行接入的设计，以下就t c 层整体以及各个模块的功能与实现作一个 简要全面的分析。 3 2t g 层各主要功能模块的分析 3 2 1比特同步、信元定界和帧同步 比特同步：下行的光信号经过物理媒介层的光电转换后，得到速率为 1 5 5 ，5 2 m b p s 的电信号，此电信号的电