（通信与信息系统专业论文）提供安防增值业务的epon技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着通信网络的普及及用户综合化的需求，构建可以提供各种业务的综合网 络构架，成为了目前国际、国内学术研究的热点之一。而实现传感网和接入网的 结合，是提高人们生活品质，保障人们生命财产安全的重要需求。本课题研究光 纤传感技术融入无源光接入网的网络架构，重点对提供安防增值业务的无源光接 入网的带宽分配算法进行研究。 本文简要概述了e p o n 技术优势和国内外发展现状，介绍e p o n 系统结构和 现有的技术难点，对现有的和新提出的带宽分配算法做详细介绍。e p o n 关键技 术中的动态带宽分配算法，由于目前现有的标准没有对该算法有明确的规定，是 目前研究的热点之一。 本文所设计的动态带宽分配算法是利用m p c p 协议与e p o n 上行信道数据传 输的特殊结构相结合，以最大传输窗口为界线，o l t 依据接收到的r e p o r t 帧判 断o n u 缓存队列的大小，如果队n 4 , 于最大传输窗口则先授权，把剩余的带宽 分配给所需要的o n u ，这样能避免带宽的浪费和降低了传输延时。根据安防传感 业务的特性，提出融入安防传感业务的动态带宽分配算法。 本文最后一章利用网络仿真软件o p n e t ，依据前几章所阐述的e p o n 系统 结构，设计了各个部分的节点模型，各节点模型下的进程模型和e p o n 系统框架， 仿真证明该算法的有效性和可行性。仿真结果表明，新的动态带宽分配算法在带 宽利用率和延时方面，与其他算法相比表现出良好的性能。在e p o n 系统中加入 安防传感业务，并未对正常的通信信息有影响，能实现对安防增值业务良好的接 入。 关键词：以太无源光接入网( e p o n ) 、多点控制协议( m p c p ) 、动态带宽分配 算法( d b a ) a b s t r a c t a b s t r a c t e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) h a se m e r g e da sa no p t i m i z e do p t i c a l n e x t g e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r kt h a ti sc a p a b l eo fp r o v i d i n gh i 班s p e e di n t e m e tt ot h e e v e ri n c r e a s i n ge n d - u s e r s i no r d e rt oa d a p tt on e e d so ft i m e s ，i ti st h ea c c e s sn e t w o r k a n ds e c u r i t ys y s t e md e v e l o p m e n tt r e n di nt h ef u t u r e ，t h a t c o n v e r g e n c eo fs e n s o r n e t w o r ka n da c c e s sn e t w o r ki sa c h i e v e d e p o nt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ht h e t h e o p t i c a ls e n s i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ed e v e l o p m e n to fe p o nt e c h n o l o g ya n di t sa d v a n t a g e si so u t l i n e di nt h i sp a p e r , a n dt h es t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e d a l s ot h ee p o ns y s t e ms t r u c t u r e a n dt h ee x i s t i n gt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sa r ea d d r e s s e da n dm a n ya p p r o p r i a t es o l u t i o n sa r e c i t e di nt h i st h e s i s b e s i d e st h eb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h md e s i g n e di nt h i sp a p e r w i l lb eg a v ead e t a i l e di n t r o d u c t i o n w h e nt a l k i n ga b o u tt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f e p o n u p l i n ka n dd o w n l i n kt r a n s m i s s i o n , t h eb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m ，a so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e so fe p o nt e c h n o l o g y , i si n t r o d u c e d t h ea l g o r i t h mi sn o tc l e a r l y d e f i n e di nc u r r e n ts t a n d a r d s ，s oi tb e c o m e so n eo ft h eh o ts t u d i e s f o rt h es p e c i a l s t r u c t u r eo fe p o ns y s t e m ，p o i n tt o m u l t i - p o i n t ，t om a k ef u l l u s eo fb a n d w i d t h ， i e e e 8 0 2 3 a hw o r k i n gg r o u ph a sp r o p o s e dt h em p c pp r o t o c o l ，c o n t r o l l i n gt h e a l l o c a t i o no f u p s t r e a mb a n d w i d t ha n dp r e v e n t i n gt h ec o n f l i c t t h ed y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m ( d b a ) i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , u t i l i z i n gm p c p ( m u l t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) p r o t o c o la n do n u ( o p t i c a ln e t w o r k u s e r ) u pt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n du s i n gt h em a x i m u mt r a n s m i s s i o nw i n d o w f o r t h el i n e o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) d e t e r m i n e st h es i z eo ft h eo n ub u f f e rq u e u e a c c o r d i n gt ot h er e p o r t6 7 锄ew h i c hi st r a n s p o r t e db yo n u i ft h eq u e u es i z ei sl e s s t h a nt h em a x i m u mt r a n s m i s s i o nw i n d o w , i tw i l lb ef i r s ta u t h o r i z e d t h er e m a i n i n g b a n d w i d t hw i l la l l o c a t et ot h er e q u i r e do n u s oi tc a ni m p r o v eb a n d w i d t hu s a g ea n d r e d u c et h et r a n s m i s s i o nd e l a y t h ed e s i g n e dd b aa l g o r i t h mi ss i m u l a t e di nf i n a lc h a p t e ru s i n gn e t w o r k s i m u l a t i o ns o f t w a r eo p n e t v a r i o u sp a r t so ft h en o d em o d e la n de a c hn o d em o d e lo f t h ep r o c e s sm o d e la r ed e s i g n e d t h en o d ea n dp r o c e s sm o d e lf i n a l l yc o m p o s eo ft h e i i a b s 仃a c t e p o ns y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h mi sm u c hb e t t e ri nb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n dd e l a yp e r f o r m a n c e ，c o m p a r e d w i t ho t h e ra l g o r i t h m s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a te p o nt e c h n o l o g yr e a l i z e s ag o o da c c e s st ot h es e c u r i t ys e r v i c e s k e y w o r d s ： e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，m u l t i p o i n tc o n t r o l p r o t o c o l ( m p c p ) ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) i i i 图目录 图目录 图2 1e p o n 系统的框架结构8 图2 2e p o n 帧结构9 图2 3 环路延时测量1 1 图2 4o n u 注册过程1 2 图3 1 静态带宽分配算法示意图16 图3 2i p a c t 工作流程18 图3 3 算法流程图2 3 图3 4 时间间隔的计算2 4 图4 1g a t e 帧结构仿真图。2 8 图4 2r e p o r t 帧结构仿真图2 8 图4 3r e g i s t e r 帧结构仿真图2 8 图4 4r e g i s t e rr e q 帧结构仿真图2 9 图4 5r e g i s t e ra c k 帧结构仿真图2 9 图4 6e p o n 业务包仿真格式2 9 图4 7 链路模型：31 图4 8o l t 节点模型3 2 图4 9o n u 节点模型3 3 图4 1 0o d n 节点模型3 5 图4 1 1l l i d 子模块状态图3 6 图4 1 2l l i d 子模块进程模型3 7 图4 13t i m e r 状态图3 8 图4 1 4t i m e r 进程模型3 8 图4 1 5q u e u e 进程模型3 9 图4 1 6d b a 进程模型4 0 图4 17o l t 端g a t e 模块状态图一4 0 图4 18r e g i s t e r 模块状态图j 4 1 图4 1 9s c h e d u l e 子模块状态图4 3 图4 2 0s i n k 进程模型4 4 图目录 图4 2 1g e n e r a t e 进程模型4 4 图4 2 2s c h e d u l e 进程模型4 5 图4 2 3o n u 端注册状态图。4 6 图4 2 4e p o n 系统模型4 7 图4 2 5 接入安防传感业务的e p o n 系统模型4 8 图4 2 6 新算法和s a r f d b a 算法的带宽利用率和时延比较图5 1 图4 2 7 增加安防传感业务的仿真结果5 2 缩略词表 英文缩写 英文全称 d b a e p o n g p o n i p a c t l l i d m p c p o l t 洲7 o d n q o s p o n t d m a 缩略词表 d y n a m i cb a n d w i d t ha u o e a t i o n e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k i n t e r l e a v e dp o l l i n gw i t ha d a p t i v ec i r c l e t i m e l o 西c a ll i i 墩i d e n t i f i c a t i o n m u l t i p o i n tc o n t r o lr o t o c o l o p t i c a ll i n et e r r a i n a t i o n o p t i c a ln e t w o r ku n i t o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k q u a l i t yo fs e r v i c e p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea e e e s s 中文释义 动态带宽分配算法 以太无源光网络 吉比特无源光网络 基于授权请求的自适 应循环周期时间的交 织轮询方案 逻辑链路标识 多点控制协议 光链路终端 光网络单元 光分配网络 服务质量 无源光网络 时分多址接入 主要数学符号表 符号类别 变量 常量 数学符号 r - 主要数学符号表 示例 口 c l a f 厂口 字体、说明或用法 斜体字符 大写粗体字符 求a 的大小权值个 数 向上取整 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得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对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 遗兰盔日期：沙p 年r 月7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：拭歪耋导师签名： 日期：伽 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着信息技术的发展，人类社会生活的通信需求日益增长，网络的骨干部分 发生了巨大变化，基本可以满足用户高带宽需求。但接入技术在过去的几年并未 受到人们的关注，发展缓慢己成为网络发展的瓶颈【l l ，制约发展信息高速公路，自 此接入网逐渐得到广大人员的关注。各种新的宽带接入技术已成为国内外学者和 专家研究热点。 传统的铜线接入网络，接入的主要方式主要是为用户提供数字用户线( d s l ， d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 宽带接入，但数字用户线接入方法可以提供的带宽非常有 限，无法满足高带宽需求业务的后续发展。同轴电缆公司利用同轴电缆混合光纤 ( h f c ，h y b r i df i b e r - c o a x i a l ) ，它虽然可以提供分配3 6 m b s 的有效数据传输，但 仍不能满足高峰期时所需的速度。因此，数字用户线和同轴电缆混合光纤都不能 为用户提供足够的带宽。光纤具有容量大、损耗低、以及抗干扰能力强的特点， 并能满足高速、高宽带传输的要求，是一种理想的接入网络的传输介质。以太无 源光接入网( e p o n ，e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 结合i p 传输和无源光网络 透明传输，它不仅拥有前两者相结合的优势，而且在性价比方面比前两者具有更 好的优越性。它被认为是未来接入技术最终实现光纤到户的主要手段。在接入技 术中，以太无源光接入网完全继承了以太网技术成本低廉、协议灵活、成熟的技 术优势，适合中国国情，因此具有广阔的市场和发展优势。以太无源光接入网也 成为各综合业务接入的最佳选择，如安防传感业务接入技术。美国i e e e 8 0 2 3 e f m ( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ) 工作组，于2 0 0 0 年1 1 月开始进行的以太无源光接入 网系统标准化工作，在现有的以太网协议标准上，通过较小的改动，加入新的m p c p ( m u l t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议，实现在用户接入网传输以太网帧。 网络发展的趋势必然朝着综合化方向发展，光纤接入网不仅要实现对安防传 感业务的接入，将要实现对银行、保险等各项业务的综合接入。本章将对光纤接 入网的发展背景、技术优势、国内外发展现状和研究背景进行简要的介绍。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 接入网概述 目前电信网按网络功能可以分为三个部分：接入网、交换网和传输网。国际 电信联盟( i t u t ) 对接入网定义为：接入网由业务节点接口( s n i ，s e r v i c e n o d e i n t e r f a c e ) 和用户端接口( u n i ，u n i tn o d ei n t e r f a c e ) 之间【l 】的一系列传送实体组 成。对于有线网络，接入网的主要任务是实现对高速数据业务的承载【2 】，包括m 电话、视频点播( v o d ) 、基础网络服务、高清晰视频( h d t v ) 、交互式游戏、双 向会议。为了满足信息高速公路的协调和快速发展，接入网在实现高宽带化的同 时，也在追求对多业务的接入控制和管理。接入网络情况比较复杂，解决决手段 复杂繁多，目前主流的有a d s l 、e p o n 、g p o n 和无线接入等技术。 1 2 1p o n 概述 为了解决接入网瓶颈问题，引入了光纤接入，光纤具有容量大，传输距离长 等特点，是理想的接入网传输介质。光纤接入从技术上分为两大类：有源光网络 ( a o n ，a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 和无源光网络( p o n ) 【i 】。为了提供更低的价格、 更高的带宽、更好的服务质量，p o n 技术成为了光纤接入的最佳方式。采用p o n 构建的f t t x 接入网，可以实现未来高带宽的全业务接入，并能够充分保障业务 的q o s 和适应未来网络发展趋势。 p o n 是指用户端到骨干网之间不含有任何电子器件及电子电源，例如：光纤， 光分路器合路器等都是无源器件。它被视为适合中心局端和用户长距离传输，最 长可达2 0 k m 。它的造价成本和提供的带宽能满足用户实际需求，扩展性能好易于 升级，使它得到了广泛的应用和迅速的发展。p o n 技术包括a p o n 、b p o n 、g p o n 、 e p o n ，其中基于以太网的e p o n 技术完全继承了以太网技术成本低廉、协议灵活、 成熟的技术优势，得到了广泛的发展与应用。 1 2 2e p o n 技术优势 随着网络应用范围的不断扩大，各种新业务不断加入，接入网在带宽和业务 承载能力上也必须不断升级，各类运营商在建设网络时，必须满足不断增长的用 户需求和提高竞争力。因此在接入网技术中，e p o n 和g p o n 是成为了人们首要 选择。经过若干年的技术发展，以以太网为基础的e p o n 技术由于标准开放性好， 价格低廉，易于被人们接受适合大规模应用。而受a p o n 技术影响较大的g p o n 第一章绪论 技术，标准相对复杂，成本高，不容易开展大规模的应用。而且目前g p o n 在互 通、商用芯片方面也还需要进一步的完善和发展。所以无论现在还是将来，要想 大规模的普及，在中国人均收入还很低的国家，g p o n 在成本上始终难以和e p o n 竞争。 与e t h e m e t 技术结合的e p o n 有巨大的优势和潜力。与其他技术相比，e p o n 技术的优点主要表现在 1 】： 1 ) 与以太网兼容。以太网技术成熟，使用范围广，基于以太网的p o n 技 术可以节省大量成本，未来的网络反正趋势必定是基于p 或以太网的。 2 ) 成本低廉，维护简单，容易扩展，易于升级。e p o n 技术采用无源光 设备，系统结构简单，降低了成本。而且采用以太网接口，可升级性比较强。 3 ) 高带宽。由于e p o n 采用时分复用技术，能够提供高达1 g b i t s 的上下 行带宽，长时间内这一带宽能够提供普通用户对带宽的需求。 4 ) 解决远端用户的接入问题，e p o n 可以提供用户接入的最大距离达到 2 0 k m ，避免了传统传输介质的距离短的问题。 5 ) 对多业务的支持。 基于以上观点，基于以太网的无源光纤接入网( e p o n ) ，可实现对安防增值 业务的接入，不仅能在今后的防火防盗系统中节省大量成本，而且在传输时能得 到带宽保证，满足安防系统的各项指标。 1 2 3e p o n 国内外发展现状 目前，国内三家全业务运营商正在进行各自的f t t x 部署，抢占市场争取早 日实现三网合一。其中中国电信坚持走光进铜退路线，接入技术以e p o n 为主， 同时也开展少量的g p o n 试点。中国移动通信在接入网发展较快，已在全国2 0 多 个省开始进行p o n 试点，总量约数十万线。从国外著名咨询机构o v u mr h k 于 2 0 0 9 年初统计显示，全球光纤用户达到5 8 2 0 万户，亚太地区已是全球最大的光 纤用户市场。 2 0 0 4 年6 月e f m a ( e t h e m e tf i r s tm i l e a l l i a n c e ，第一公里以太网联盟) 发布 e p o n 技术规范i e e e8 0 2 3a 1 1 以来，e p o n 技术快速发展，国内外各大生产厂家 和通信类企业争先生产相关的芯片和设备，争夺市场。目前e p o n 技术均已基本 成熟，并有较大规模的应用。国内外各大企业推出了较多的e p o n 解决方案，并 开展试验和在某些地方获得了应用，但是各生产厂家标准并不互通，用户在使用 电子科技大学硕士学位论文 时还存在较多问题，还有许多尚待完善的部分。 在日本和韩国，e p o n 也已经有了一定规模的商用。韩国已有7 5 的家庭使 用了光纤接入网，日本2 0 0 5 年已部署约2 9 0 万端口，每月新增有用户估计有1 0 万。国外e p o n 技术发展迅速，目前在e p o n 方面领先的国外厂商有s a l i r a 和 a l l o p t i e 及w o r d w i d e p a c k e t s 等新兴公司。s a l i r a 推出的e p o n 由接入操作系统、 桥接t d m 域和分组基于软件的部件组成，具有动态q o s 和流量分类功能。 2 0 0 3 年以来，国内关于f t t h 的新闻也屡见不鲜，各大运营商对于f t t h 的 兴趣不断增长，相继开始了试验网络的建设。随着有关标准的制定为了争夺市场， 国内各厂商均纷纷致力于e p o n 的研究，如中兴、烽火等。2 0 0 8 年，国内e p o n 应用量达到5 0 0 万线，大规模的应用使得设备成本大幅下降。一些运营商、业务 提供商已经把光纤铺设到了办公大楼、大型企业、住宅小区，并且已经准备建设 f t t h f t t b 。中国网通已采用s a l i r a 的e p o n 设备在北京、长沙提供业务。长城 宽带网络服务有限公司与日本富士通公司签署了e p o n 技术合作协议，在北京等 大城市中广泛应用，并逐步覆盖全国范围。上海电信也开展了商业试点。从目前 的形式看，各大运营商的宽带用户都在迅速增加中。可以预见一旦f t t h 市场启 动，其市场规模将是空前的，必将带动整个通信行业进入新一轮的快速增长时期。 近日，中国电信联合中兴通讯在上海成功承办1 0 ge p o n 1 9 】标准中间会议。1 0 g e p o n 标准于2 0 0 9 年9 月己对外正式发布。 目前对于e p o n 技术研究的焦点和热点仍然集中在点到多点协议设计、d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t h a l g o r i t h m ) 算法、q o s 保证和网络管理等方面，以及由于由 这些原因所导致的不同厂商设备之间的互联互通问题。 1 3融入光纤传感技术的无源光网络发展现状 光纤传感技术是近年发展较快的新型传感技术，它利用一条光纤作为传感和 传导介质，实现大范围物理量的测量。随着网络带宽化综合化的发展和光纤传感 器的广泛应用，许多学者提出构建适合传感信号传输的网络模型，同时与通信网 融合。目前研究出的在无源光网络中融入光纤传感技术的方案是采用w d m 技术， 该方案虽然能保证网络升级的兼容性和平滑性，但是成本高，不适合大规模的普 及。 本课题将基于以太网的无源光接入网进行设计，以兼容性、平滑性和普适性 为基本原则，根据现有光纤接入网的技术标准和技术发展趋势，研究出低成本的 第一章绪论 能提供安防增值业务的e p o n 系统模型。 1 4课题的研究背景和意义 目前，全国各地在大范围的铺设光纤通信网络，不久的将来便可实现光纤到 户。与光纤通信网同步发展的光纤传感技术也已应用广泛，如水利、铁路、建筑 和大楼内的火灾报警等众多行业，以“青藏铁路路基地温监测系统 为代表的光 纤传感网络陆续建立【3 】。 将光纤传感网络融合到光通信网中，以实现同时具备通信功能和传感功能的 新的光纤接入网综合业务增值网络，对进一步提高人民的生活品质，保障人民生 命、财产安全，具有极其重要的现实意义。 1 5 主要工作及创新点 本论文主要研究提供安防增值业务的光纤无源接入网，实现光纤传感网和光 纤接入网的融合，提出在光纤无源接入网中安防传感业务和数据通信网共存的动 态带宽分配算法。论文主要完成的工作： 1 ) 研究e p o n 系统的功能结构和技术特点，比较不同的上行带宽分配算法； 2 ) 提出提高带宽利用率和降低延时的d b a 算法，并结合安防传感业务的特 性，建立提供安防增值业务的e p o n 系统框架，实现接入网和传感网的融 合； 3 ) 基于新提出的算法，建立o p n e t 仿真模型； 4 ) 通过o p n e t 仿真实验证明模型的可行性、有效性。 本文在以下几方面有一定的特色： 1 ) 提出提高带宽利用率和降低延时的动态带宽分配算法，算法简单适用； 2 ) 调整带宽分配算法，将传感业务融入以太无源光接入网中，实现传感网与 数据网的融合。 本文以以太无源光接入网中接入光纤传感技术所产生的安防传感业务为研究 背景，围绕这个课题展开深入研究，设计和实现了提供安防增值业务的无源光接 入网，主要内容安排如下： 第一章简述论文的选题依据，介绍e p o n 的技术优势，分析e p o n 技术的国 内外发展现状，并阐述本论文主要完成的工作及论文结构； 电子科技大学硕士学位论文 第二章详细介绍e p o n 的系统结构、工作原理、关键技术以及安防传感业务 的特性； 第三章简要介绍现有的e p o n 上行动态带宽分配算法，提出提高带宽利用率 和降低延时的d b a 算法，并将安防传感业务加入新提出的动态带宽分配算法； 第四章详细介绍利用网络仿真软件o p n e t 搭建e p o n 系统平台，对第三章提 出的动态带宽分配算法进行仿真，证明算法的可行性和有效性； 第五章结束语，对本文所完成的工作做总结。 第二章e p o n 系统及提供安防功能的光纤传感网 第二章e p o n 系统及提供安防功能的光纤传感网 实现融入光纤传感技术的e p o n 系统，引入了安防功能，使e p o n 系统成为 具有安防功能的多业务综合网。这种同时具备通信功能和安防功能的光纤接入网 综合业务增值网络，对进一步提高人民的生活品质具有极其重要的意义。下面介 绍提高安防业务的e p o n 系统基本结构及工作原理。 2 1e p o n 系统的基本结构及工作原理 2 1 1e p o n 系统结构 e p o n 系统作为新兴的宽带接入技术，通过点到多点( p 2 m p ) 的单线双向光 纤接入系统，实现数据、语音及视频的综合业务接入。e p o n 系统一般由光线路终 端( o l t ) 、光分配网络( o d n ) 、光网络单元( o n u ) 、以及用户组成，如图2 1 所示。n 个o n u 共享一个o l t ，共享o l t 至o d n 的光纤干线，利用波分复用器 ( w d m ) 工作于单纤双向传输方式。在上行方向( o n u 到o l t ) ，o n u 发送的 数据包通过o d n 汇聚到达o l t ，而不会传输到其他o n u 。在下行方向( o l t 到 o m 7 ) ，o l t 发送的数据包通过o d n 分发到达各个o n u 。o l t 位于p o n 接口和 业务节点之间，在下行链路o n u 则与各终端用户连接。o l t 主要功能是为光接入 网提供本地交换机与控制中心之间的接口，并经过一个或多个o d n 的汇聚或分发 与用户侧的o n u 通信，o l t 与o n u 的关系可视为主从通信关系【l 】。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 1e p o n 系统的框架结构 o l t 的功能是提供业务网络与o d n 之间的光接口，提供各种手段来传递各种 业务，既相当于一个交换机或路由器的功能，又是一个承载多业务的平台，它提 供面向光纤无源网络的光纤接口。作为e p o n 的核心，o l t 应实现以下功能： 1 ) 以广播方式向o n u 发送以太网数据； 2 ) 发起并控制测距过程，记录测距数据； 3 ) 计算上行信道的可用带宽，为o n u 分配授权时隙，控制o n u 发送数据的 起始时间和发送窗口大小； 4 ) 周期性的发送o n u 注册帧，为新加入的o n u 实现注册； 5 ) 其他相关的以太网功能。 o d n 为o n u 和o l t 之间提供光传输手段，其主要功能是完成o l t 与o n u 之间信息传输的汇聚和分发，建立o n u 与o l t 之间的端到端的信息传输通道。 o n u 为光接入网提供用户业务与p o n 之间的接口，o n u 的主要功能有： 1 ) 过滤收到的o l t 发送的广播信号； 2 ) 接收o l t 发送的发现授权帧，实现新加入的o n u 注册； 3 ) 接收o l t 发送的授权帧，在时隙里向上传输业务； 4 ) 对用户的以太网数据进行缓存； 5 ) 提供用户业务接口以及其它相关的以太网功能。 在e p o n 系统中，o l t 是系统的核心，结构相当复杂，也应有操作系统做核 心，软件功能有：启动和初始化模块、带宽分配模块、测距和注册模块、缓冲模 块等等。o n u 软件核心是实时操作系统和实现m a c 层和物理层的功能程序和网 第二章e p o n 系统及提供安防功能的光纤传感网 络层程序。o n u 程序必须有以下软件模块：测距和注册模块、m a c 初始化模块、 时间同步模块、启动模块等。各模块的功能和实现将在第四章详细介绍。 2 1 2e p o n 上下行工作原理 如图2 1 所示，下行o l t 采用纯广播的方式将数据传输给所有在线的o n u ， o n u 根据帧头的l l i d 地址接收属于自己的数据帧，丢弃其他数据帧： 1 ) o l t 为已注册的o n u 分配l l i d ； 2 ) 各个o n u 监测到达帧的l l i d ，以决定是否接收该帧； 3 ) o l t 根据o n u 的带宽需求分配带宽； 4 ) 对从网络端来的数据由o l t 解封装和封装打上l l i d 地址，向下传送。 上行采用时分多址接入( t d m a ) 技术，多个o n u 的上行数据组成一个t d m 数据流传送到o l t ： 1 ) o l t 接收数据前比较l l i d 注册列表； 2 ) 每个o n u 在由o l t 统一分配的时隙中发送数据帧； 3 ) 分配的时隙补偿了各个o n u 距离的差距，避免了各个o n u 之间的碰撞。 2 1 3e p o n 帧结构 e p o n 系统以以太网为基础，因此帧格式与i e e e 8 0 2 3 规定的以太数据兼容， 但在以太帧中加入时戳( t i m es t a m p ) 、l l i d 等内容，提供安防传感业务的e p o n 帧加入业务类型( s e r v i c et y p e ) 字段。o l t 为已注册的o n u 分配l l i d 地址和带 宽，这样可使e p o n 网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合，o n u 接收与自己l l i d 地址相匹配的下行数据帧。e p o n 数据帧结构如图2 2 所示。 图2 2e p o n 帧结构 电子科技大学硕士学位论文 2 2e p o n 关键技术 在e p o n 系统中，为了实现更好的接入功能，必须解决以下关键技术难题： o n u 自动发现与注册、测距、带宽分配、q o s 保证。 2 2 1带宽分配 在e p o n 系统中，上行信道数据传输如果采用时分复用，那么由于上行信道 带宽有限，因此不可能满足所有用户所需要的带宽。一种可解决的办法是为每个 o n u 分配一个时隙，每个o n u 在它所分配的时隙里传输数据。最先提出的算法 是静态带宽分配，即在一个轮询周期内给为每个o n u 都分配同样大小的时隙，然 而这样会造成带宽的浪费，另外此种机制并不能适应突发性业务，实时性业务得 不到及时的传输。为了解决静态带宽分配算法的不足之处，设计公平、有效的动 态带宽分配算法是实现提供安防增值业务的光纤无源接入网的关键技术问题。 上行信道由于多个o n u 共享一个信道，避免o n u 上传数据时发生冲突，必 然要对上行信道带宽进行分配。为了支持o l t 实现动态分配上行信道带宽， i e e e 8 0 2 3 a h 在m a c 控制层上定义了多点控制协议( m p c p ) 。m p c p 中引入了五 个新的控制消息1 6 ：g a t e 和r e p o r t 用来分配和请求带宽；r e g i s t e rr e q ； r e g i s t e r 和r e g i s t e ra c k 用来控制启动过程。o l t 给每个有带宽请求的o n u 发送一个g a t e 授权帧，包括该o n u 上传数据的开始时间和时隙长度。o n u 将 接收到的g a t e 帧进行解析，当授权时隙来到，在时隙长度内传送授权时隙长度 的数据。o n u 利用r e p o r t 帧把缓存区内数据的大小传递给o l t ，帮助o l t 智 能的分配时隙。r e p o r t 帧是o n u 在授权时隙内传送完数据后紧接着发送。 2 2 2测距 e p o n 系统的上行信道，信息从各o n u 传输到o l t 之间的物理距离互不相等， 最远距离可以是2 0 k m ( 长距离e p o n 技术发展后，距离甚至更长) ，而最近距离 可以是0 。另外随着使用时间的增加，环境温度湿度的变化和器件老化等原因，使 各o l t 与o n u 之间环路延时的不同，这将引起上行信号传输到o d n 汇聚时产生 冲突。为了避免上行信号发生冲突，确保整个系统的正常工作，e p o n 系统使用算 法把所有o n u 都调整到与o l t 相同的逻辑距离处，再使用t d m a 技术来实现。 这种测量物理距离，然后把每个o n u 都调整到与o l t 有相同逻辑距离处的过程 1 0 第二章e p o n 系统及提供安防功能的光纤传感网 称为测距。 测距一般使用时间标签法 4 】。o l t 最先完成的测距是与注册过程相关的。当发 现g a t e 帧消息在o l t 传送出去之前，将被打上o l t 的m p c p 时钟标签( t o ) 。 当发现g a t e 帧消息到达o n u ，o n u 将本地时钟计数器的值设置为接收消息中的 时钟标签的值，使本地时钟与接收时钟标签的数值“相同。当本地时钟计数器值到 了时隙的开始时刻，o n u 在开始时刻后加入额外的随机时延后，开始发送 r e g i s t e r消息，此时 的本地时钟计数器的时间戳时钟标签为( ) 。r e q o n u o n u 接收发现g a t e 帧消息和发送r e g i s t e r 帧消息之间的时间间隔为_req 乇打。最后当r e g i s t e r _ r e q 消息到达o l t 时，o l t 记录本地的m p c p 时钟计 数器值( t 2 ) 。从o l t 发送发现g a t e 帧消息到接收到r e g i s t e rr e q 帧消息之 间的时间间隔为疋。，且等于乞一气。 尺丁丁= ( 乞一t o ) 一( 一t o ) = 乞一 ( 2 - 1 ) 本地时闻t 2 0 l 0 n u 时钟标签t 1 ， 设置时钟为t 0时钟标签t1 2 2 30 n u 自动发现与注册 图2 3 环路延时测量 由于未注册的o n u 在默认状态是不允许传输数据的，因此o n u 只有等到o l t 分配l l i d 地址和授权后才能开始传输数据。如果o n u 一直保持静默状态未发送 注册请求帧，那么o l t 就不能发现新加入的o n u 。为了解决这个问题，m p c p 协 议定义了一种自动发现与注册模式。自动发现与注册过程定义了一个o l t 与o n u 之间的握手过程。 电子科技大学硕士学位论文 整个发现和注册过程由o l t 发起并对整个过程进行控制，o n u 只是被动地响 应。o n u 的自动发现包括以下4 个步骤【5 】： 1 ) o l t 的发现与注册模块生成一个发现窗口，在此窗口内已经初始化的o n u 都不允许进行数据传输。发现与注册模块指示发现进程发送发现g a t e 消 息。 2 ) 只有未初始化或要注销的o n u 才会响应o l t 的发现g a t e 消息。未初始 化的o n u 收到发现g a t e 消息后，把本地时钟计数器设置为收到的发现 g a t