（电路与系统专业论文）以太无源光网络测距及动态带宽分配算法研究.pdf

上海人学硕士学位论文 摘要 本文研究的主要内容是以太无源光网络( e p o n ) 测距过程及上行链路动态带 宽分配算法。在e p o n 通信初始，系统必须对所有的o n u 进行注册、测距和延 时补偿，使各o n u 与o l t 有相等的逻辑距离，以避免不同o n u 因为不相等的 传输延时发生碰撞，更有效地实现上行链路带宽分配。本文在已有测距算法的基 础上，对动态测距结果也做了补偿，给出了一种新的改进测距实现方法。 本文提出的上行链路动态带宽分配算法是在该领域备受关注的i p a c t 算法 的基础上实现的。针对i p a c t 算法的不足，本文给出了三点改进：一、从系统 的稳定性考虑，给出了一种新的发送带宽( 时隙) 动态确定方法：二、鉴于e p o n 系统中每个o n u 连接多个用户的实际情况，给出了o n u 端实现的数据帧重组 填充策略；三、在预计系统成本允许的情况下，改造o n u 端缓存区，使其支持 区分业务( d i f f - s e r v ) ，保证系统具有一定的服务质量( q o s ) 。改进的算法具有创新 性。 关键字：以太无源光网络；测距；带宽分配；服务质量 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er a n g i n gp r o c e s sa n du p l i n kd 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 ) a l g o r i t h mi ne p o n b e f o r ee p o ns t a r t st ow o r kn o r m a l l y , t h e s y s t e mm u s tf i n i s hr e g i s t e r i n g ，r a n g i n ga n dd e l a yc o m p e n s a t i n gf o r a l lo n l i n eo n u s a n di ti sn e c e s s a r yf o re p o nt oa v o i dc o l l i s i o na n dm a k ed b ar e a l i z e ds u c c e s s f u l l y f o rt h i sr e a s o n ，t h ep a p e rg i v e sad e wa l g o r i t h mf o rr a n g i n gb e f o r ed i s c u s s i n gd b a d e e p l y t h ed b aa l g o r i t h md i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sb a s e do ni p a c t , w h i c hi sav e r y f a m o u sa l g o r i t h mf o re p o n i p a c ti se a s yt ob ei m p l e m e n t e d ，b u ti ta l s oh a s s h o r t c o m i n g s t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g s ，t h ep a p e ri m p r o v e si p a c ti nt h r e e a s p e c t s f i r s t ly ，t h ei m p r o v e di p a c tg i v e sa r e a s o n a b l ea l g o r i t h mf o rd e t e r m i n i n gt h e s i z eo fa s s i g n e db a n d w i d t h ( t i m e s l o t ) s e c o n d l y , i ti m p l e m e n t s a s t r a t e g yf o r r e o r d e r i n gd a t ap a c k e tt of i tt h es l o ta to n u t h i r d l y , t h ei m p r o v e di p a c ts u p p o r t s d i f f - s e r vba 6 6 i n gb u f f e r st oo n u ，a n dg u a r a n t e e sq o st os o m ee x t e n t t h e i m p r o v e di p a c t d i s c u s s e di nt h i sp a p e ri si n n o v a t i v e k e y w o r d s ：e p o n ，g a n g i n g ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o n , q o s i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：墨里：主：星选 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章前言 本课题来源于上海科委重大项目“全业务光接入网在临港新城中的应用”子 课题。 随着通信技术的发展和计算机网络的普及，通信网络也在不断地更新升级， 服务范围越来越广泛，从先前单一的话音业务已经发展成集语音、数据、视频于 一体的综合通信网络。当前基于光纤的通信主干网随着技术的不断升级，网络性 能得到极大的提高，能提供给用户的带宽资源也越来越多。而用户接入网并没有 随着主干网的升级和用户对综合通信的需求有较大的改观，依然是铜线网络，从 物理介质上限制了网络速度的提高和用户对一些诸如v o d 等宽带实时通信业务 的需求，成为通信网络发展的瓶颈。因此，寻求一种能提供各种服务的宽带接入 解决方案成为通信网络发展的当务之急。 在众多的接入网技术中，以太无源光网络( e p o n ) 兼有网络设备廉价和拓扑 结构简单等优点，成为f t t h 的首选技术m - 8 1 。我国己将e p o n 列入国家8 6 3 计划进行研究，上海市科委在光专项里也将相关技术列入了研究计划。本课题正 是在这样的背景下，顺应未来通信的发展趋势，对e p o n 系统的关键技术进行 研究。 1 2 无源光网络接入技术 近年来，宽带接入网的建设正在大规模展开，采用的宽带接入方式主要有基 于现有铜缆线路的宽带接入方式、基于光纤的宽带接入方式和基于无线的宽带接 入方式等。其中基于现有电话线的a d s l 和有线电视网络铜缆资源的c a b l e m o d e m 宽带接入在今后几年时间里将是宽带接入的主要方式。而光纤加以太网 的接入方式在通信技术和市场需求的推动下发展势头也非常强劲，已成为未来数 字化城市首选的接入方式。 上海大学硕士学位论文 无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，即是在整个网络中仅使用无源 器件：光分路器和耦合器，而不使用成本高且容易发生故障的有源光器件，便于 网络的维护和管理，降低网络成本，被广泛看好是下一代接入网的主流解决方案。 无源光网络是点到多点的拓扑结构，如图1 1 所示。位于主干网中心局( c o ，c e n t r e o f f i c e ) 的光链路终端( o l t ，o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) 通过分路器( s p l i t t e r ) 和耦合 器：( c o u p l e r ) 与位于用户接入端的多个光网络单元( o n u ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 相 连。从o l t 到o n u 的光纤网络称为光分配网( 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 ) ，光纤链路上的分路器和耦合器属于光分配网，是光分配网链路上仅有 的无源器件。数据从o l t 到o n u 的传送链路称为下行链路，是点到多点的传送， o l t 以广播的方式发送，发送的数据到达所有的o n u ，o n u 根据数据帧的目的 m a c 地址撷取属于自己的数据。数据从o n u 到o l t 的传送链路称为上行链路， 是多点到点的传送，多个o n u 通过复用方式共享高速光纤信道。所有来自o n u 的数据都必须经由o l t ，o n u 之间不能直接通信。由于上行链路是共享信道， 可能多个o n u 同时发送数据，造成冲突，所以，无源光网络需要一种信道分配 机制来避免碰撞，有效共享上行链路。 下行链路一 吁 l足圈圃 f l回 图1 1 无源光网络 1 3a t m 无源光网络( a v o n ) 与以太无源光网络( e p o n ) 最初应用的无源光网络是以a t m 为基础的a p o n ，i t u t 已经制定了a p o n 技术的g 9 8 3 建议。但是a p o n 有两个问题：一是传输速率不够高，下行为6 2 2 上海大学硕士学位论文 m b p s 或1 5 5m b p s ，上行速率为1 5 5m b p s ，带宽被1 6 3 2 个o n u 所分享，每个 o n u 只能得到5 2 0 m b p s ；另一个更主要的问题是，与以太网设备相比，a t m 交换机和a t m 终端设备相当昂贵，而且，现在因特网工作于t c p i p 协议，用 户终端设备都是i p 设备，采用a t m 技术必须将i p 包拆分重新封装为a t m 信元， 这就大大增加了网络的开销，造成网络资源的浪费。 而e p o n 融合了无源光网络和以太数据产品的优点，形成了许多独有的优 势。e p o n 系统能够提供高达1 g b p s 的上下行带宽，这一带宽能够适应现在及将 来1 0 年内用户对带宽的需求。由于e p o n 采用复用技术，支持更多的用户，每 个用户可以享受到更大的带宽。e p o n 系统不采用昂贵的a t m 设备和s o n e t 设备，能与现有的以太网兼容，大大简化了系统结构，成本低，易于升级。由于 无源光器件有很长的寿命，故障率低，户外线路的维护费用大为减少。标准的以 太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网络设备，而p o n 结构本身就决定了 网络的可升级性比较强，只要更换终端设备，就可以使网络升级到1 0 g b p s 或者 更高速率。e p o n 不仅能综合现有的有线电视、数据和话音业务，还能兼容未来 业务如数字电视、v o i p 、电视会议和v o d 等等，实现综合业务接入。 虽然a l t o n 对实时业务的支持性能优越，但随着多协议标签交换( m p l s ) 等 新的i p 服务质量( q o s ) 技术的采用，高层协议与e p o n m a c 协议柏配合，e p o n 己完全可能以相对较低的成本提供足够的q o s 保证。加之e p o n 的价格优势明 显，因而被认为是解决通信网络接入瓶颈，最终实现光纤到家的优秀方案。 1 4 论文主要内容和创新点 本文内容具体安排如下： 第1 章：本章介绍了本文研究的课题背景和接入网领域被广泛看好的无源光 网络，并对当前得到应用的两种无源光网络系统：a t m 无源光网络和以太无源 光网络做了比较。 第2 章：本章介绍了e p o n 系统的拓扑结构、基本通信机制和常见光路设 计，重点分析了用于e p o n 系统基本通信的多点控制协议m p c p ，最后讨论了在 m p c p 基础上实现带宽分配的效率问题。 m p c p 基础h 实现带宽分配的效率问题。 上海大学硕士学位论文 第3 章：本章先介绍了传统的测距方法，分析了e p o n 系统基于m p c p 时 间戳测距算法的原理，在论文 6 的基础上，对测距过程中的动态影响做了延时 补偿，在算法实现上做了改进。最后给出了改进算法的有效性验证结果。 第4 章：本章在已有上行链路带宽分配算法i p a c t 8 l 的基础上，对该算法做 了三点改进：发送时隙大小的合理动态确定、增加o n u 端数据帧重组填充策略、 引入d i f f - s e r v 以提高e p o n 系统的q o s 。最后在o p n e t 平台上实现了e p o n 系统的网络仿真，仿真结果证明了改进算法的优越性。 第5 章：结束语，总结全文。 本文的创新点 1 ) 本文在已有测距技术的基础上给出了一种新的改进测距算法，并在同等的 网络参数下，对改进的测距算法和文献 6 】中提出的算法进行仿真比较，仿真结 果证明，采用改进测距算法的e p o n 系统能减少冲突次数，降低丢帧率。 2 ) 本文在已有i p a c t 算法的基础上，针对该算法三点不足之处做了改进， 并在同等的网络参数下对改进的动态分配算法和文献【8 的i p a c t 算法做了仿真 比较，在仿真过程中，直接采用了本文第3 章改进的测距算法，提高了带宽分配 算法的稳定性。仿真结果证明，改进的i p a c t 算法无论在链路效率、吞吐量还 是网络延时、抖动方面都优于文献【8 提出的原有算法。 4 t 海大学硕士学位论文 第2 章以太无源光网络( e p o n ) 本章介绍了e p o n 系统点到多点拓扑结构、基本的通信机制和常见的光路 设计，重点分析了i e e e8 0 2 3 a he f mt a s kf o r c e 制定并推荐用于e p o n 系统基 本通信的多点控制协议m p c p ，最后讨论了在m p c p 基础上实现带宽分配的效率 问题。 2 1e p o n 常见的拓扑结构 接入网是主干网提供给众多用户共享资源的通信接口，是点到多点结构。以 太网是天然的广播结构，p o n 网络也是点到多点结构，因此在网络结构上以太 无源光网络非常适合用户接入。常见的e p o n 结构主要有总线结构、环形结构、 树形结构和双干路树形结构，如图2 - 1 ( a ) - ( d ) p j 所示。( a ) 、( b ) 是直接从以太网络 继承过来的拓扑结构，但是在光学上实现c s m a c d 比较困难，并且有距离上的 限制，因此没有太多的应用；( c ) 、( d ) 都是树形结构，不同的是( d ) 在o l t 与分路 器耦合器之间用了两条光纤信道，能提供更多带宽给用户，但是使通信成本增 加。因此，在满足一定通信要求的基础上，考虑到e p o n 的铺设成本，一般采 用结构( c ) 。 曰 ( a ) 总线结构 ( c ) 树形结构 图2 - 1 常见的e p o n 结构 ，r 海大学硕士学位论文 事实上，e p o n 作为f t t x 的解决方案，一个o n u 都要连接多个用户。图 2 2 为实际网络中典型的e p o n 接入结构。 图2 - 2 典型的e p o n 接入结构 2 2e p o n 通信机制 2 2 1 以太帧格式 e p o n 是光纤中传送以太帧的无源光网络，i e e e 8 0 2 3 规定的以太网帧结构 如图2 - 3 所示【1 9 】。每帧以7 个字节的先导字段开头，每字节的内容为1 0 1 0 1 0 1 0 。 该字段的曼彻斯特编码会产生1 0 m h z ，持续5 6 u s 的方波，从而使接收方与发送 方的时钟同步。随后是内容为1 0 1 0 1 0 1 l 的一字节，标志着帧本身的开始。 字节数7l 6624 6 1 5 0 00 - - 4 64 目的地址源地址用户数据填充字段帧校验帧头 个个 图2 - 3i e e e 8 0 2 3 规定的以太帧结构 6 上海大学硕士学位论文 以太帧格式中包含两个地址：源地址和目的地址，一般只使用6 字节地址。 目的地址的最高位为0 是普通地址，为1 时是组地址，组地址允许多个站点使用 同一地址。当把一帧送到组地址时，组内的所有站点都会收到该帧。向一组站点 发送称为多点传送( m u l t i c a s t ) ，全“1 ”地址留作广播发送( b r o a d c a s t ) 之用，目的 地址全为“1 ”的以太帧将被传送至网络上的所有站点。e p o n 系统下行链路就 采用广播方式发送数据。长度字段指明数据字段中的字节数，其值为0 - 1 5 0 0 字 节。0 字节数据是合法的，但这一点产生了麻烦，当接收端检测到冲突时，就会 将当前帧的其余部分丢弃，这样，残余帧会一直出现在链路上。为了便于区别有 效帧和残余帧，8 0 2 3 协议规定有效帧中从目的地址到帧校验字段的最短长度为 6 4 字节。如果帧的数据部分少于4 6 字节，使用填充字段以达到要求的最短长度。 要求满足最短帧长的另一个原因( 也是最重要的一个原因) 就是为了防止一个站 点发送短帧时，在第一比特尚未到达电缆的最远端时就已完成发送，可能造成有 冲突发生却检测不到的现象。随着网络速度的提高，相应的就必须增大最小帧长 度或是缩小电缆最大长度，当网络速度提高到1 g b p s 时，这些限制太痛苦了。 但是在e p o n 中，通信是数据在o l t 与o n u 之间的上行、下行传送，而非点 对点式的通信，因此不受最小帧长度和光纤长度的影响，覆盖半径在1 0 - 2 0 k i n 。 最后一个字段是帧校验( f c s ) ，由4 字节组成循环冗余校验( c r c ) 值，它由发送 设备生成，接收设备对排在它前边的目的地址、源地址、协议类型和数据比特进 行计算，以便检验帧是否出错。校验采用的算法是循环冗余校验。 2 2 2e p o n 工作原理 在用户接入网络，大多通信量是从主干网络到用户的下行数据流和从用户到 主干网的上行数据流，而非点对点的通信模式，因此，很自然地把e p o n 网络 的通信分为下行链路和上行链路通信阳】。 1 、e p o n 下行链路通信 e p o n 下行链路是点到多点结构，o l t 下行的数据经由1 ：n 无源分路器分成 上海大学硕士学位论文 多路以广播的方式发送给所有的o n u 。以太网具有天然的广播特性，非常适合 点到多点的下行链路通信，传输的以太帧包含源地址和目的地址信息，o n u 根 据数据帧m a c 地址信息获取属于自己的数据，丢弃其他数据。下行链路通信如 下图2 - 4 所示。 图2 4e p o n 下行链路通信 2 、e p o n 上行链路通信 上行链路是o n u 数据经由耦合器到达o l t 的过程，在物理上是多点到点的 拓扑结构。由于耦合器的定向特性，数据只能到达o l t 而不能直接到达其他的 o n u ，当多个o n u 发送的数据同时到达o l t 或o l t 尚未接收完毕一个o n u 的数据而另一个o n u 发送的数据也已到达，那么就会产生冲突，造成丢帧。因 此，上行链路需要某种共享机制来避免冲突，公平共享高速光纤信道。 传统以太网使用的基于竞争的媒体接入机制如c s m a c d 等很难在e p o n 系统中实现，因为耦合器的方向特性，0 n u 不能检测到发生在o l t 端数据碰撞 冲突。虽然o l t 能够检测到o n u 竞争冲突并发送控制消息通知发送失败的 o n u ，但是o l t 端消息的产生、发送和o n u 端消息的接收、处理会产生很大 的延时，尤其是网络负载重的情况下，碰撞概率提高，网络会陷入瘫痪。因此， e p o n 系统中，必须引入非竞争的接入机制来实现上行链路的共享。 e p o n 网络上行链路复用方式可以是波分复用( w d m ) ，码分复用( c d m ) ：f i i 时 分复用( t d m ) 。波分复用是每个o n u 使用不同的波长发送数据，这种方式的优 上海大学硕士学位论文 点是通信简单，易于实现，每个o n u 和o l t 之间随时可以通信，可以看成是点 对点结构，因此不需要特定的算法来协调各个o n u 。波分复用的缺点，一是o l t 设备造价太高，因为有多少o n u ，o l t 端就必须有多少个不同波长的收发机； 二是不便于升级，用户端每增加一个o n u ，局端就必须重新改造和配置o l t ， 增加一个相应的收发机；三是复杂的局端设备提高了故障率，操作维护管理复杂， 成本高。因此，实际中一般不采用波分复用。码分复用是利用各路信号的编码相 互正交而实现互不干扰，这种复用方式优点是理论上没有o n u 数目的限制，缺 点是随着o n u 数目的增加，信道之间的干扰越来越大，并且，采用码分复用， 物理线路所能处理的数据速率要远远高于用户数据速率【3 1 ，因此，e p o n 系统也 不用码分复用。时分复用是把上行链路的发送时间( 带宽) 分成若干( 通常等于在线 o n u 数目) 个发送时隙，按一定顺序分配给o n u ，o n u 只能在分配给他的发送 时隙里发送数据，其他时间处于等待状态。时分复用的e p o n 系统通过延时补 偿和增加保护时隙的方法保证各个o n u 发送数据不会碰撞冲突。时分复用的优 点是网络上行通信采用同一波长，o l t 设备简单，不管接有多少个o n u ，只需 要一组收发设备。时分复用方式易于实现和升级，可以灵活增减o n u 数目。这 种复用方式的缺点是o n u 必须根据系统时钟实现同步。综合三种复用方式，实 际应用中通常采用时分复用。 在实际的t d me p o n 网络配置中，为了进一步减少成本和网络操作维护管 理( o a m ) 的复杂性，上行链路和下行链路采用不同的波长用于实现在单根光纤内 的双向传送。e p o n 上行链路通信如图2 5 所示。 图2 - 5e p o n 上行链路通信 9 上海大学硕士学位论文 来自用户的数据进入各自所属o n u 的缓存区，等待发送时隙发送出去。由 于t d me p o n 是基于o l t 控制的，o n u 只能在o l t 允许的时隙内发送允许大 小的数据，系统采用同步技术和延时补偿能够有效的避免o n u 之间的竞争问题。 2 2 3e p o n 光路设计 e p o n 的光路可以使用2 个波长，也可以使用3 个波长【2 0 l 。在使用2 个波长 时，下行使用1 5 1 0 n m ，上行使用1 3 1 0 r i m ，这种系统足以提供数据、语音和视频 业务给用户。在使用3 个波长时，除下行使用1 5 1 0 r i m ，上行使用1 3 1 0 n m 外， 增加了一个1 5 5 0 下行使用波长。这种系统除了能提供2 波长系统提供的业务外， 还可以提供c a t v 业务，或是简单的d w d m 业务。 图2 - 6 表示2 波长e p o n 系统的结构，1 5 1 0 r i m 波长用来携带下行数据， 1 31 0 r i m 波长用来携带上行数据。该类e p o n 系统使用线路码率为1 2 5 g b p s 的双 向传输，即使分光比为3 2 ，也可以传输2 0 k m 。 0 l t 图2 - 62 波长e p o n 结构 图2 7 表示3 波长e p o n 系统的结构，除使用1 5 1 0 r i m 波长携带下行数据外， 还使用1 5 5 0 n m 波长携带下行c a t v 业务，上行数据仍然使用1 3 1 0 r i m 波长。这 种e p o n 系统既可以直接传输模拟视频信号，也可以传输用q a m 调制的数字视 频信号。这种e p o n 系统，即使分光比为3 2 ，也可以传输1 8 k m 。 上海人学硕士学位论文 图2 73 波长e p o n 结构 e p o n 系统也可以使用多波长的光路设计结构提供未来的d w d m 应用，此 时1 5 3 0 1 5 6 5 n m 波长留作以后升级使用，以便今后提供d w d m 业务和模拟视频 业务。这样，可以降低e p o n 的初装费用，随着用户业务量和对带宽需求量的 增加，今后可以在现有e p o n 的光路上增加d w d m 器件和设备，便于系统升级。 2 3 多点控制协议：m p c p m p c p 是i e e e8 0 2 3 a he f m 工作组制定的用于实现e p o n 上行链路时分复 用的通信控制协议。它的主要功能有：控制网络启动过程，完成o n u 的自动接 入发现，测距提供延时补偿的依据，同步，根据o n u 的状态信息分配发送时隙 等。 2 3 1m p c p 的消息定义 为了有效的完成预期的功能要求，m p c p 中定义了五种消息：g a t e 、 r e p o r t 、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 。g a t e 消息用于 o l t 向o n u 发送授权信息，r e p o r t 消息用于o n u 向o l t 发送请求信息和状 态信息，r e g i s t e rr e q 、r e g i s t e r 、r e g i s t e ra c k 消息用于系统初始化 时o l t 对各个在线o n u 完成注册和测距过程。m p c p 定义的消息帧格式如下图 2 8 所示。 孛瓣幸藤 一 监 m 殛 rl【 z二。赫划 一 ： 篱 上海大学硕士学位论文 图2 - 8 m p c p 消息帧格式 在帧结构中，时间戳信息用于完成网络同步，避免各个o n u 的发送时隙发 生重叠，操作码用于区分不同的消息类型。时间戳是每种消息类型都必须具备的， 整个e p o n 网络以o l t 的时钟为主时钟，各个o n u 根据时间戳信息实现与o l t 的同步。命令参数也是每个消息所必须具备的，但是每种消息各不相同。 2 3 2m p c p 完成的主要功能 m p c p 主要是针对e p o n 系统的p 2 m p 结构开发的，用于e p o n 的通信控 制和管理，m p c p 所完成的功能任务也就是一个简单的e p o n 系统通信过程。在 e p o n 系统中，通信前首先要初始化系统，在初始化过程中，o l t 要完成系统的 一系列软硬件检测工作，包括检测连接该o l t 的各个o n u 的在线状态，完成 o n u 的注册，这个过程也称为自动发现过程。o n u 注册完毕后，o l t 就要对注 册的各个o n u 进行测距工作，用所得到的往返行程时间r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 更新o l t 端的o n u 信息表，这些r t t 信息是o l t 对不同距离o n u 延时补偿 的依据。对于一个理论上简单的e p o n 网络( 不涉及基于m p c p 复杂高级的时 隙分配算法) ，接下来的工作o l t 就可以根据各个o n u 的请求信息分配发送时 隙，进行通信了。 1 、o n u 注册过程 注册过程，也称为自动发现过程，就是系统启动时，o l t 要检查那些连接于 该o l t 的o n u 的在线状态，如果在线就对其进行认证注册。完成一个o n u 注 册过程的流程如图2 - 9 所示。 上海人学硕士学位论文 0 l t 0 n u 图2 - 9 一个o n u 的注册过程 第一步，o l t 给所有的o n u 发送g a t e 消息，通知o n u 现在进行注册； 第二步，o n u 通过竞争共享信道向o l t 发送r e g i s t e r _ r e q 消息，该消息包 含该o n u 的状态信息，以及o n u 所期望得到的时隙信息；第三步，o l t 接收 到某o n u 的注册请求后向该o n u 发送r e g i s t e r 信息，给该o n u 分配逻辑 链路地址；第四步，o l t 向已分配逻辑链路地址的o n u 发送g a t e 消息，给予 初始授权；第五步，o n u 获得逻辑链路地址和初始授权后给o l t 发送 r e g i s t e ra c k 消息，向o l t 反馈逻辑链路地址和同步信息。当所有在线的 o n u 都完成以上五步后，整个e p o n 注册过程完成，此时o n u 只能在o l t 授 权的时隙内发送信息，以时分复用方式共享上行链路，避免冲突。 2 、测距 测距就是o l t 获得到每个注册o n u 的往返行程时间r t t 的过程，测距的 目的是获取i 盯t 信息为延时补偿提供依据。因为不同的o n u 与o l t 的物理距 离不等，因此传播延时也不相等，如果o l t 不考虑这类延时，不同的o n u 即使 在保护时隙足够大的情况下仍然有可能发生碰撞。因此，e p o n 初始化时测距是 极其重要的一步，而测距技术也成为e p o n 的关键技术之一。i e e e8 0 2 3 a he f m t a s k 制定的m p c p 协议能够很好地实现测距。 上海大学硕士学位论文 3 、o n u 逻辑实例映射 如果网络有p 2 p e 层或s e 层，o l t 可以通过m p c p 授权给某个o n u 多个 实例，每个实例可以映射给同个o n u 的不同用户，也可以映射给不同的通信 流。 2 3 3m p c p 时隙分配及链路效率 1 、n i p c p 时隙分配 e p o n 系统是通过m p c p 的请求授权机制来分配时隙的。系统注册、测距 后，各个o n u 在初始化的时隙里向o l t 发送r e p o r t 请求消息，o l t 根据接 收到的信息给o n i j 发送g a t e 授权消息，分配合适大小的数据发送时隙。基本 的流程如下图2 1 0 所示。 0 l t 0 n u l 0 n u 2 o n u 3 lul l 2t ：14 lb j x d a t a i l ?| ， f d a t a 2 l f| ， d a t a 图2 一l o 简单的时隙分配流程 上图中，从o n u 指向o l t 的箭头表示o n u 向o l t 发送时隙请求信息，从 o l t 指向o n u 的箭头表示o l t 根据请求信息向o n u 发送授权信息。( t 1 。t o ) ， ( t 3 一t 2 ) ，( t 5 一t 4 ) 分别是编号为1 ，2 ，3 的o n u 的发送时隙，由于链路传送的以 太帧不能分割，所以o n u 的数据经常不能恰好填满发送时隙，如o n u l ，o n u 2 所示的发送情况。( t 2 一t i ) ，( t 4 一t 3 ) 为相邻发送时隙问的保护时隙。 4 海大学硕士学位论文 2 、链路效率 为了公平合理地给o n u 分配发送时隙，o n u 需要遍历所有的注册o n u ， o l t 遍历所有的o n u 并分配发送时隙所用的时间称为一个轮询周期 ( p o l l c y c l e ) 。e p o n 系统的通信可以简单地看作是以轮询周期为时间单位反复 持续的进行的，链路效率主要考虑在一个轮询周期内实际发送数据帧的时隙占用 轮询周期的比值。轮询周期内用于发送控制消息的时隙和预留的保护时隙没有发 送用户数据，称为冗余时隙( o v e r h e a d s l o t ) ，e p o n 下行链路冗余主要是由于传 送m p c p 控制消息占用了一定的发送时隙，上行链路除了o n u 发送m p c p 控制 消息外，还要在不同的发送时隙间分配一定的保护时隙。显然，数据帧的传送并 没有占用链路的全部发送时隙，而且，随着o n u 数目的增多，链路上的控制消 息时隙和保护时隙也增多，在轮询周期和保护时隙大小不变的情况下，链路效率 会随之下降。 记e p o n 链路的数据速率为e p o nr a t e ，控制消息大小为m s g s i z e ，保护时 隙为g u a r d s l o t ，o n u 数目为n ，则下行链路冗余0 d o w n s t r e a m ，上行链路冗余 0 u p s t r e a m ，下行链路效率e d o w n s t r e a m ，上行链路效率e u p s t r e a m 表示公式如 下： o 。w “s r n u 5 i i 五丽n xm s g s i z ex 1 e p o n r a t e ( 2 q 、 。u s - 一t n u = i i ；i 石n i 苫西x m s g s i z ex i ；芦i i i j l ：i j i ；i ；+ i i j i 石n ；：石g u a r d s l 。t ( 2 - 2 ) e d o w n s r e a m = 1 o d o w n $ r e a m ( 2 - 3 ) e u p s t r e a m = 1 0 u p s t r e a m ( 2 - 4 ) 图2 1 l 为p o l l c y c l e = 2 m s ，g u a r d s l o t = 1 u s ，e p o n _ r a t e = 1 g b p s 时o n u 数 目1 1 对下行链路、上行链路效率影响的理想曲线，链路效率随o n u 数目的增加 而成比例降低。由此可见，在系统通信初始化前注册在线o n u 很重要，如果 o n u 不在线，o l t 就不对其进行遍历访问，也就是减少了轮询o n u 的数目， 维持较高的链路效率。 上海大学硕士学位论文 图2 - 1 1 理想e p o n 系统链路效率对o n u 数目曲线图 3 、m p c p 对高级时隙分配算法的支持 m p c p 是e p o n 通信最基本的操作控制机制，它本身只实现最简单的通信模 式。在实际的应用中，大都会在m p c p 基础上实现更高级的时隙分配算法，以 达到较高的链路效率和吞吐量。更高级的时隙分配关键在于给o n u 不同的优先 级，综合考虑网络负载情况，按需分配合理大小的时隙，这些工作都可以在给 o n u 分配发送时隙之前由o l t 完成。所以，m p c p 不排斥在其基础上实现高级 时隙分配算法，它本身就是一个开放和容易扩展的协议，在制定的过程中就给上 层的时隙分配算法留有足够的支持空间。 上海大学硕士学位论文 第3 章e p o n 测距技术 测距技术是e p o n 系统的关键技术之一，其测量结果的准确度直接影响着 上行链路时分复用算法的效率乃至整个网络性能。本文先介绍了传统光网络中的 测距方法，分析了e p o n 系统基于m p c p 时间戳测距算法的原理，在论文 6 】的 基础上，对测距过程中的动态影响做了补偿，在算法实现上做了改进。最后给出 了改进算法的有效验证结果。 3 1 概述 e p o n 的上行链路是一个多点到点网络结构，e p o n 系统中分配网( o d n ， o p t i c a ld i s t r i b u t e dn e t w o r k ) 部分为共享光纤媒介，上行链路采用t d m a 方式实 现多个o n u 的上行共享接入。因为光分路器耦合器r ( s p l i t t e r c o u p l e ) 与每个光网 络单元的距离各不相同，传输延时也不同，来自不同o n u 的数据帧可能在o l t 处出现碰撞冲突，如下图3 - 1 所示。 图3 1 可能引起冲突的上行传输 为保证每一个o n u 的上行数据在o l t 复用时能够插入指定的时隙且彼此不 发生碰撞，o l t 需要一套机制，测量每一个o n u 与o l t 之间的距离( 即传播 延时) ，并指挥每个o n u 调整发送时间，以保证该o n u 的上行数据在o l t 规 定的时刻到达，如图3 - 2 所示。这种机制可以把所有o n u 都调整为与o l t 有相 同的逻辑距离。这种测量o n u 的距离，然后把每个o n u 都调整到与o l t 有相 同“虚”距离的过程就称为测距( r a n g i n g ) 。 上海大学硕士学位论文 3 2 测距方法 图3 2 成功测距后没有冲突的上行传输 产生传输延时的根源有两个：一个是物理距离的不同；另一个是环境温度的 变化和光电器件的老化因素。测距的程序也相应地分成两步：第一步，静态粗测， 在系统初始安装、网络增加新的o n u 或由于故障而被停止业务的o n u 重新恢 复运行时进行，对物理距离差异进行延时补偿；第二步，动态精测，在o n u 上 有业务运行的情况下实时进行的动态精测，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。 测距的方法可以分为以下三种： 1 ) 、扩频法测距 测距时，o l t 先向需要测距的o n u 发出测距指令；o n u 收到指令后，向 上发出一个特定的幅度很小的伪随机码。由于此信号幅度很小( 相对于业务数据 幅度而言可忽略) ，故测距过程中不用中断其他o n u 运行中的业务。在o l t 接 收端，利用相关检测的方法，将信号到达相位提取出来。这种方法的优点是测距 过程可以在不中断o n t 业务的情况下进行，如此可以减小o n u 对数据缓存区 的需求，对业务q o s 影响不大。缺点是技术复杂，不易实现，精度不高。 2 ) 、带外法测距 粗测时，o l t 向o n - l t 发出一条测距指令，o n l t 接到指令后将低频小幅的 正弦波加到激光器的偏置电流中，正弦波的初始相位固定。o l t 通过检测正弦波 的相位值计算出往返行程时间r t t 。糖测时，需要开一个帧大小的窗口。这种方 上海大学硕士学位论文 法的优点是采用低幅带外的测距信号，测距过程不中断运行中的o n u 的业务， 不需要数据缓存，对业务q o s 影响很小。缺点是采用模拟相位测量技术，实现 复杂，成本较高，而且由于静态测距要分两阶段完成，所需完成时间长，不利于 切换时的系统恢复。 3 ) 、带内开窗测距 当有o n u 需要测距时，o l t 发出指令使所有运行中的o n u 在某段时间内 暂停上行业务，相当于在上行时隙内打开一个测距窗口；同时命令需测距的o n u 向上发送一个特殊的数据帧。o l t 记录从发出命令到收到o n u 的响应数据的延 时，即可得到此o n u 的往返行程时间r 1 盯。这种方法的优点是利用成熟的数字 技术，实现简单、精度高、成本低。缺点是测距占用上行带宽。 综合考虑上面三种测距方法，考虑到精度和实现难易程度，以及接入网最敏 感的成本问题，所以，带内开窗测距法是最常用的测距方案。 3 3 基于m p c p 的测距原理与r t t 计算 在分析了传统的测距原理后，本文在论文 6 】的基础上，提出了一种基于 m p c p 时间戳的测距算法，并对测距过程中的动态影响做了补偿，在算法实现上 做了改进。仿真结果表明，新的测距算法优于原有算法。 3 3 1 与测距有关的帧结构 e p o n 是在点到多点( p 2 m p ，p o i n tt om u l t i p o i n t ) 无源光网络上以千兆速 率、全双工的模式传输以太帧。在传送数据的过程中，要求以太帧格式不变，不 进行包的分割和重组，这是与a p o n 最大的不同。e p o n 在m a c 控制子层中采 用8 0 2 3 a he f m t a s k 制定的多点控制协议( 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 ) ， 它规定了o l t o n u 之间的控制机制以便有效地传输数据，主要功能是控制网络 启动过程和轮流检测用户端的带宽需求情况。m p c p 引入五个控制消息：g a t e 、 r e p o r t 、r e g i s t e r _ r e q 、r e g i s t e r 、r e g i s t e r a c k 。g a t e 和r e p o r t 用来请求和分配带宽，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。它们都可看作是m a c 控制帧，其帧格式如图3 3 。 上海大学硕士学位论文 i 姐cd a姒cs at y p e m a cc t r l t y p e t i m es t a m p 1 6 e s s a g e f c s ( 4b y t e s ) ( 4 0b y t e s )( 4b y t e s )l ( 6b y t e s )( 6b y t e s )( 2b y t e s ) ( 2b y t e s ) m a c 目的地址m a c 源地址类型标识 操作码时间戳数据区帧校验序列 图3 - 3 m a c 控制帧格式 m a c 控制帧的长度恰好是以太帧的最小长度6 4 字节( 不包括7 字节的前导 码p r e a m b l e 和l 字节的帧起始定界符s f d ) 。m a c 控制帧通过唯一的类型标识 符( 0 x 8 8 0 8 ) 标识，操作代码( o p c o d e ) 表明其控制功能( 带宽请求、带宽授权等， 目前仅定义了p a u s e 功能) 。时间戳( t i m es t a m p ) 用于o l t 和o n u 间的时间同步 操作。4 0 字节的控制参数部分若用不完则以0 填充。需要说明的是，e p o n 中 采用对前导码的二次改变实现与8 0 2 1 d 的兼容。因此一个有效以太网控制信息 应是长度固定为7 2 字节( 6 4 + 8 ) 的控制帧，满足以太网上传送数据帧不小于6 4 字 节的要求。 3 3 2 基于m p c