（通信与信息系统专业论文）epon系统中onu的设计与测试.pdf

摘要 e p o n 技术作为一项重要的接入网技术 代表着未来f t t x 技术的发展方向 但是由于技术标准定义的不完善 在目前的e p o n 应用中 存在不少问题 尤其是 不同厂商设备的互连互通问题 这个问题在很大程度上阻碍了e p o n 技术展开大范 围的应用 本文基于对e p o n 技术标准i e e e8 0 2 3 a h 2 0 0 4 的研究和分析 首先对e p o n 系统各层次的协议栈和e p o n 物理层和数据链路的关键技术进行了详尽的分析 主 要是详细描述了e p o n 系统架构 协议层次 上下行通信过程 多点控制协议等 提出了e p o n 数据链路层的几项关键技术 测距 上行带宽分配 多业务的q o s 保证以及安全问题 本文以e p o n 系统开发项目为背景 着重论述o n u 设计方案的选择和o n u 的具体硬件实现 在o n u 设计方案选择中 对目前三家主要的o n u 芯片提供商的 芯片进行了一一分析与比较 结合项目的实际情况 选择一款最适合我们的o n u 芯片 t e l i l o s 的t k 3 7 1 5 根据o n u 扩展用户端口的不同 将o n u 划分为纯 数据型o n u 数据 语音型o n u 和三网合一型o n u 三种应用类型 最后详细描 述了纯数据型o n u 的硬件各部分设计和功能实现 并且初步测试表明 o n u 的设 计基本成功 本文在详细分析e p o n 系统协议 组网模式和工作原理的基础上 以实际项目 开发为背景 分析比较了o n u 的三种主要实现方案 并阐述了本项目中方案选择 的原因和理由 并对其进行了具体的实现 对以后e p o n 系统的开发 尤其是在 o n u 的实现方面 具有实际的应用价值 关键词 e p o n o n u 动态带宽分配 8 0 2 3 a h 协议栈 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t e p o na c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yi sa l li m p o r t a n tt e c h n o l o g ya n dr e p r e s e n t st h e f u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff t t xt e c h n o l o g i e s h o w e v e ld u et ot e c h n i c a ls t a n d a r d s f o rt h ed e f i n i t i o no fi m p e r f e c t i o n si nt h ec u r r e n te p o na p p l i c a t i o n s t h e r ea r em a n y p r o b l e m s e s p e c i a l l y i n t e rw o r k i n gb e t w e e nd i f f e r e n te q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r si sab i g o n e i nal a r g ee x t e n t t h i sp r e v e n t st h el a r g e s c a l ea p p l i c a t i o no fe p o n f i r s to fa 1 1 b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fi e e es t a n d a r d8 0 2 3 a h 2 0 0 4 e p o nt e c h n o l o g y e p o ns y s t e ma l ll a y e r so fp r o t o c o ls t a c k p h y s i c a ll a y e rp r o t o c o la n d d a t a l i n kl a y e rp r o t o c o la r ea n a l y z e di nd e t a i l e p o ns t r u c t u r e p r o t o c o ls t a c k c o m m u n i c a t i o np r o c e s sa n dm u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o la r ed e s c r i b e dp a r t i c u l a r l y a n d t h e ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si nd a t al i n kl a y e ra r ei n t r o d u c e d r a n g i n g u p l i n kb a n d w i d t h a l l o c a t i o n m u l t i s e r v i c eq o sg u a r a n t e ea n ds e c u r i t yi s s u e s s e c o n d l y b a s e d o ne p o ns y s t e md e v e l o p m e n tp r o j e c ta sb a c k g r o u n d o n u s c h e m ed e s i g na n do n uh a r d w a r er e a l i z a t i o na r ed i s c u s s e d i no n us c h e m ed e s i g n t h e r ei sad e t a i la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h r e em a j o rp r o v i d e r so fo n uc h i p a c c o r d i n gt oo u ra c t u a ls i t u a t i o n w es e l e c tao n uc h i pw h i c hi st h eb e s tc h o i c ef o ru 亨一 t k 3 7 15o ft e k n o v u s o n ui sd i v i d e di n t op u r ed a t ao n u v o i c e d a t ao n ua n dt h r e e n e t so n u f i n a l l yt h er e a l i z a t i o no fp u r ed a t ao n u ss c h e m ea n dh a r d w a r ea r ed e s c r i b e d i nd e t a i l a n dp r e l i m i n a r yt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h er e a l i z a t i o no fo n ui ss u c c e s s b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ee p o ns y s t e mp r o t o c o l e p o ns y s t e mn e t w o r k m o d e l w o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o j e c tb a c k g r o u n d a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h et h r e e m a i np r o g r a m so fo n ur e a l i z a t i o n d e s c r i b e dt h ep r o j e c to p t i o n sa n dt h er e a s o n a n d t h e ni t sc o n c r e t er e a l i z a t i o n t h i st h e s i si sav a l u a b l er e f e r e n c ef o re p o ns y s t e m d e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e a n de s p e c i a l l yi nt h er e a l i z a t i o no fo n u k e y w o r d s 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 o n u o p t i c a ln e t w o r ku n i t d b a d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n 8 0 2 3 a hp r o t o c o ls t a c k 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 1 引言 第1 章绪论 技术进步和市场需求是促进网络发展的重要源动力 伴随互联网规模不断发展壮 大 与互联网息息相关的业务呈现 爆炸式 增长 互联网技术衍生出各种各样的业 务应用 从市场的需求现状和发展趋势来看 新兴宽带业务的不断出现 传统的铜线 接入技术已经很难满足接入带宽要求 国内外运营商也在不断探索新通信环境下的接 入技术应用和网络转型 不同的国家和地区网络基础不同 对技术的选择和网络发展 方面也有所差异 不过所有运营商在接入层发展方面的理解基本是一致的 即 光进 铜退 提升末端用户接入带宽 光进铜退 是今后相当长一段时间内国内外运营商 网络转型的重点 1 2p o n 的产生背景 随着互联网的持续快速发展 网上新业务层出不穷 特别是近年来开始风靡的网 络游戏 m s n 和q q 等实时网络通信工具 使得人们对网络接入带宽的需求持续增 加 主流接入技术从拨号逐渐过渡到速度更快的a d s l 和以太网 也反映出人们这种 对接入带宽需求永无止境 不断上升的趋势 与其他有线 无线通信技术相比 光纤 通信在带宽容量方面具有无与伦比的优势 目前 骨干网络容量超前 带宽资源过剩 而与此形成鲜明对比的是 接入网领域仍然是铜缆接入的天下 虽不断有新技术涌现 但终究受限于其物理本性 难以在接入带宽距离上有更大的突破 这使得接入网成为 整个传输网络的瓶颈 既限制了宽带网络新业务的进一步开发 也在一定程度上阻碍 了长途光纤通信网络的迸一步发展 接入网络光纤化曾经是很多电信运营公司长期以来追求的理想 然而 受技术成 熟水平 市场开放程度 成本等诸多因素的限制 除了少数十分发达的地区 美国 欧洲和日本 做过一些这方面的试验外 一直未能实现大规模应用 而这种局面在低 成本的e p o n 技术出现并迅速成熟的今天将有望得到根本的改观 一方面是技术上有望保证在用户可接受的成本下实现光纤接入 另一方面是不断 1 武汉邮电科学研究院硕士论文 涌现的新业务对带宽的巨大潜在需求 在 技术进步 和 市场需求 两驾马车的合 力作用下 f t t p f t t h 即将进入一个大规模商用的崭新时代 无源光网络 p o n 的概念由来已久 它具有光纤网络高带宽及对网络协议透明 的特点 同时 点对多点的结构节省了光纤资源 降低了成本 2 以太网 e t h e m e t 技术经过二十年的发展 以其简便实用 价格低廉的特性 几乎已经完全统治了局域 网 并在事实上被证明是承载i p 数据包的最佳载体 随着i p 业务在城域和干线传输 中所占的比例不断攀升 以太网也在通过传输速率 可管理性等方面的改进 逐渐向 接入 城域甚至骨干网上渗透 而以太网与p o n 的结合 便产生了e p o n 它同时 具备了p o n 和以太网的优点 成为f t t p f t t h 领域中的热门技术 1 3p o n 的优点 在接入网中使用p o n 结构具有很多优点 1 采用p o n 可以使中心局与用户所在地之间的距离更长 p o n 的工作距离 理论可以达到2 0k m 适当改进后甚至能达到更长 从而有效地增加骨干带宽的延伸 范围 提高带宽的使用效率 2 p o n 采用的是点到多点的拓扑结构 与点到点的接入方式相比 可以节省 大量的铺设光纤的成本 并减少了局端的光电设备数量 3 由于采用了光纤 p o n 可以提供更高的带宽 随着光纤离用户驻地的距离 越来越近 特别是实现了f t t h 后 用户就能够享受到光纤的巨大带宽所提供的各种 宽带业务 4 p o n 的下行方向是点到多点的网络 o l t 发出的任何信号都将广播到所有 o n u 因此p o n 的下行方向非常适合于广播视频业务 无论是i p 视频业务或模拟视 频业务 5 p o n 取消了分路点上的复用器和解复用器 使得网络不再需要维护这些复 杂的复用 解复用设备 或为它们供电 p o n 中没有任何有源设备 全部是无源器件 和光纤 这些无源器件在建设p o n 时 就可以埋在地下 降低了运营 服务和维护 成本 2 1 0 6 p o n 可以简单地升级到更高的比特率 也能够根据需要逐步延伸光纤的范 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 围 从f t t c 到f t r b 最终到f t t h 因而能够满足不断增长的带宽需求 而且 正是由于p o n 具有极佳的可扩容性 因此可以采用降低初始投资 然后逐步升级的 方式 从而保护了投资者的利益 1 4e p o n 及其它接入技术 e p o n 是几个最佳的技术和网络结构的结合 e p o n 采用点到多点结构 无源光 纤传输方式 在以太网之上提供多种业务 目前 i p e t h e m e t 应用占到整个局域网通 信的9 5 以上 e p o n 因采用了以上经济和高效的结构 而成为连接接入网最终用户 的一种最有效的通信方法p 10 g b i t s 以太主干和城域环的出现也将促使e p o n 成为 未来全光网中最佳的最后一英里的解决方案 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 按照2 0 0 3 年1 月发布的i e e e 8 0 2 3 a hd r a f i l 3 规定 e p o n 系统通过一条共享光纤将多个d t e 连接起来 为不对称的基于无源光分 路器的树形型分支结构 而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 o l 多点控制协议 是 使这种结构适用于以太网的一种控制机制 d s l 技术特别是a d s l 在相当长一段时间内仍是接入的主流技术 从d s l 技术本 身发展来看 a d s l 2 的应用将会加速 但产品必须可以实现玎u t 标准所规定的功 能并满足互操作性 采用d m t 调制的v d s l 2 实现与a d s l2 的后向兼容 将是v d s l 发展的方向 d s l 和l a n 是目前中国宽带的两种主要接入方式 但d s l 的距离限制挡住了大量 的客户 传统的l a n 技术也难以灵活地提供和保证用户的带宽 同时在维护方面比较 麻烦 采用e p o n 技术 不仅可以通过无源传输网络直接连接到服务区域 再进行d s l 或l a n 扩展 从而为大范围用户提供服务 而且可以集中进行管理和带宽分配 当把 o n u 集成到d s l a m 使用e p o n 能使d s l 突破传统的15 0 0 m 的距离 从而增加约5 0 的用户 d s l 可以到达的范围和其潜在的用户群都会大大增加 通过集成o n u 到 c m t s c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m e p o n 可以用来给现有的c a b l e 连接提供 带宽 而且可以实现真正的交互式服务 同时降低建设和运营成本 e p o n 技术还可 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 以用来给固定的无线发射塔提供带宽 很好地解决无线接入技术中如何将上行数据汇 集到c o 的问题 4 1 光纤接入技术与其他接入技术 如铜双绞线 同轴电缆 五类线 无线等 相比 最大优势在于可用带宽大 而且还有巨大潜力可以开发 在这方面其他接入技术根本 无法与其相比 光纤接入网还有传输质量好 传输距离长 抗干扰能力强 网络可靠 性高 节约管道资源 降低生产和运行维护成本等优势 当然 与其他接入技术相比 光纤接入网也存在一定的劣势 最大的问题是成本 还比较高 尤其是光节点离用户越近 每个用户分摊的接入设备成本就越高 另外 与无线接入相比 光纤接入网还需要管道资源 这也是很多新兴运营商看好光纤接入 技术 但又不得不选择无线接入技术的原因 光纤接入虽然有了一些应用 但高成本依然限制了技术的应用 特别是光器件 光纤 光接续等技术和成本能否快速降低 在很大程度上决定了光接入技术的发展 f t t h 光纤接入高速增长应该在2 0 0 5 年以后 目前基数依然偏小 成为主流技术还需 要时间 在当前的情况下 e p o n 技术大多会以一种与其他技术相结合的姿态进入市 场 f t t b f t t c d s l f t t b f t t c l a n 都是不错的选择 分阶段的试验和在目前 条件下 采用f t t b 方案来发掘p o n 网络的优势 一方面提升业务竞争力 一方面培 训市场 逐步从f t t b 过渡到f 1 接入网的共同趋势都是逐渐将光纤化推向用户 f t t c 将逐渐向f t t h 发展 而 h f c 将逐渐从较大的节点向较小的节点发展 然后逐渐将光纤推进至分支点 f t t l 甚至实现f t t h 光纤到户后 消除了f t t c f t t b 中的金属引入线和h f c 中的同轴电 缆 避免了金属腐蚀等问题 接入网的瓶颈也随之消失 当然光纤到户将是一个过程 需要投入大量的资金和人力 需要从设备商 到运营商 到服务提供商一起来培养这 个市场 e p o n 还是g p o n e p o n 与g p o n 两种技术各有千秋 无论是e p o n 技术还是 g p o n 技术 其应用在很大程度上决定于光纤接入成本的快速降低和业务需求 而价 格则是最核心因素 a d s l 的发展就充分证明了这一点 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 5 课题来源 主要研究方向及章节安排 本论文的主要研究内容是武汉邮电科学研究院承担的国家8 6 3 项目 基于千 兆以太网的无源光网络 中用户端设备o n u 的若干关键技术 e p o n 标准 i e e e 8 0 2 3 a h 于2 0 0 4 年正式发布 是以由制造商主导技术 目前e p o n 标准规定了 物理层和m a c 层 因而m a c 层以上的标准需要设备商自行开发 此外 e p o n 标 准在o a m 方面的定义相对较少 所以各厂商对标准定义理解也有所差异 以致不同 厂商之间设备互通性能相对不足 在e p o n 的研究领域内 存在着许多极富挑战性 的工作 人们关注p o n 技术已经超过十年了 可是由于a t m 技术的复杂以及设备的昂贵 使得p o n 并没有如人们所料的发展与普及 现在 无论是长距离的核心传输网络 还是接入网 都已经从a t m 为中心 逐渐转移到以i p 为基础来提供视频 音频和数 据通信了 只有适应当前接入和未来网络核心技术的接入网络结构才能推动未来的全 光i p 网络成为现实 e p o n 的概念正是在这样的趋势下提出的 尽管e p o n 采用成熟的全双工以太网技术作为第二层协议 但是这种全新的点到 多点以太网仍然有许多需要解决的技术值得研究 首先 e p o n 同所有采用t d m a 技术作为上行接入技术的p o n 一样 也面临 着上行信号的突发发送和接收 以及时隙调度问题 如何将p o n 特有的传输机制与 以太网技术相结合 即在现有的标准的以太网协议的基础上实现一个局端设备对若干 个远端设备的控制 实现远端设备的即插即用 以及优化上行传输的效率 这是e p o n 中必须研究的基本问题 第二 因为目前的以太协议是在共享的铜线或者p 2 p 结构的光纤上传输的 e p o n 采用的是一种p 2 m p 的光纤结构 如何实现p 2 p 或共享媒质与p 2 m p 媒质之间的转 换 使得e p o n 设备能够与现有的被广泛使用的以太网设备兼容 这是e p o n 能够 得到应用推广的基础和前提 因此也必须进行深入的研究 第三 以太网技术虽然比a t m 简单易于实现 但是其最大的劣势就是很难象a t m 那样为每一种类型的业务提供端到端的q o s 保证 采用以太网技术非常适合数据业 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 务的传输 但是如何提高e p o n 传输实时话音的能力 也是e p o n 作为全业务接入 网所必须研究的问题 本论文的内容安排如下 第二章主要介绍了e p o no n u 的总体设计和功能概述 先简要介绍的e p o n 技 术和其它接入技术的比较 然后分析了e p o n 组网并对e p o n 协议栈进行了详细分 析 最后分析了e p o n 关键技术及目前e p o n 研发的进展 第三章主要介绍了e p o n 用户端设备o n u 的详细设计方案 我们对比分析了目 前最大的三家o n u 芯片厂家的设计方案 联系我们的研发的实际情况得出结论 t e k n o v u s 公司的方案最适合我们 然后详细分析了t e k n o v u s 公司各模块的功能并对 其实现 由于光突发模块是o n u 的主要技术之一 直接影响着开发o n u 的开发成 本 所以本章对光突发模块进行了详细的介绍 第四章介绍了o n u 的多业务扩展设计 v o i p 支持 c a t v 支持 和宽带实时数 据业务 宽带实时数据业务中详细介绍了带宽分配策略 虽然这种应用现在还没有普 及 但有很大的市场潜力 第五章主要介绍了o n u 的调试和测试 结合以太无源光网络设备测试标准和中 国电信2 0 0 7 年5 月颁布的e p o n 设备测试标准进行了部分测试 并对后期o n u 的 改进进行了分析 第六章总结了全文 提出本设计中存在的不足之处 并提出了下一步我们还需要 做的工作 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章e p o n 系统介绍及o n u 相关协议分析 2 1e p o n 与其它p o n 的比较 随着宽带业务的发展 人们越来越意识到网络的接入部分 最后1k m 存在严重 的带宽 瓶颈 接入部分两边目前都已跨入吉比特级以上的速率 如用户端广泛使 用的p c 其内部传送速率已达到千兆比特速率 而作为接入部分的另一头 城域网或 骨干网的每波长速率也已达到2 5 一1 0g b p s 它们都比接入部分高出至少3 个数量级 随着三网合一的推行 突破接入网瓶颈变得越来越迫切 只有突破接入部分的带宽 瓶 颈 才能使整个网络有效发挥宽带的作用 真正推动各种业务的发展 给运营商带 来经济效益和社会效益 从技术上讲有三种方式突破接入网瓶颈 一是高速数字用户 线路 v d s l 二是基于无源光网络 p o n 的光纤到户 f t t h 三是高速无线 接入 光纤接入从技术上可分为两大类 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 p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 1 5 j 1 9 8 3 年 b t 实验室首先发明了p o n 技术 p o n 是一种纯介质网络 由于消除了局端与用户端之间的有源设备 它能避免 外部设备的电磁干扰和雷电影响 减少线路和外部设备的故障率 提高系统可靠性 同时可节省维护成本 是电信维护部门长期期待的技术 p o n 的业务透明性较好 原 则上可适用于任何制式和速率的信号 目前基于p o n 的实用技术主要有a p o n b p o n g p o n e p o n g e p o n 等几种 其主要差异在于采用了不同的二层技术 图 2 1 为p o n 的两个主要标准体系 基于a t m n u f s a n 联盟 基于以太网 e f m 工作组 1 9 9 8 1 0 l 过2 0 0 1 年底改名 2 0 0 0 i i 开始翻定 2 0 0 4 6 发布 图2 ip o n 的两个主要标准体系 7 2 0 0 2 9 推出 2 0 0 3 年初通过 武汉邮电科学研究院硕士论文 a p o n 是上世纪9 0 年代中期就被i t u 和全业务接入网论坛 f s a n 标准化的p o n 技术 f s a n 在2 0 0 1 年底又将a p o n 更名为b p o n a p o n 的最高速率为6 2 2 m b p s 二 层采用的是a t m 封装和传送技术 因此存在带宽不足 技术复杂 价格高 承载i p 业务效率低等问题 未能取得市场上的成功 为更好适应i p 业务 第一英里以太网联盟 e f m a 在2 0 0 1 年初提出了在二层用 以太网取代a t m 的e p o n 技术 i e e e8 0 2 3 a h 工作小组对其进行了标准化 e p o n 可以 支持1 2 5 g b p s 对称速率 随着光器件的进一步成熟 将来速率还能升级蛩j 1 0 g b p s 由 于其将以太网技术与p o n 技术完美结合 因此成为了非常适合i p 业务的宽带接入技 术 对于g b p s 速率的e p o n 系统也常被称为g e p o n 1 0 0 m 的e p o n 与1 g 的e p o n 的不 同在速率上的差异 在其中所包含的原理和技术是一致的 目前业界主要推广的是 g e p o n 百兆位的e p o n 也有不多的一些应用 在论文后面提到的e p o n 如果没有 特别说明 都是指千兆位的g e p o n e p o n 是几种最佳的技术和网络结构的结合 e p o n 采用点到多点结构 无源光 纤传输方式 在以太网上提供多种业务 目前 i p e t h e m e t 应用占到整个局域网通信 的9 5 以上 e p o n 由于使用上述经济而高效的结构 从而成为连接接入网最终用户 的一种最有效的通信方法 1 0 g b p s 以太主干和城域环的出现也将使e p o n 成为未来全 光网中最佳的最后一公里的解决方案 在一个e p o n 中 不需任何复杂的协议 光信号就能准确地传送到最终用户 来 自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络 在物理层 e p o n 使用1 0 0 0 b a s e 的 以太网p h y 同时在p o n 的传输机制上 通过新增加的m a c 控制命令来控制和优化 各光网络单元 o n u 与光线路终端 o l t 之间突发性数据通信和实时的t d m 通 信 在协议的第二层 e p o n 采用成熟的全双工以太技术 使用t d m 由于o n u 在自 己的时隙内发送数据报 因此没有碰撞 不需c d m a c d 从而充分利用带宽 另外 e p o n 通过在m a c 层中实现8 0 2 1 p 来提供与a p o n g p o n 类似的q o s 在e f m a 提出e p o n 概念的同时 f s a n 又提出 g p o n f s a n 与i t u 对其进行了 标准化 其技术特色是在二层采用i t u t 定义的g f p 通用成帧规程 对e t h e m e t t d m a t m 等多种业务进行封装映射 能提供1 2 5 g b p s 和2 5 g b p s 下行速率 和1 5 5 m 6 2 2 m 1 2 5 g b p s 2 5 g b p s 几种上行速率 并具有较强的o a m 功能 如果不考虑e p o n 可以 看得到的不久将提升到1 0 g b p s 速率 1 0 g d a 太网已经成熟 当前在高速率和支持多 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 业务方面 g p o n 有优势 但技术的复杂和成本目前要高于e p o n 产品的成熟性也 逊于e p o n l 6 1 光纤接入从9 0 年代初就走上了舞台 总的说来是一种 说得多 做得少 的技术 p o n 系统无疑是其中佼佼者 e p o n 与g p o n 两种技术各有千秋 无论是e p o n 技术 还是g p o n 技术 其应用在很大程度上决定于光纤接入成本的快速降低和业务需求 而价格则是最核心因素 a d s l 的发展就充分证明了这一点 f t t h 的成功取决多方面因素 如设备价格及部署成本继续下降 有更多的宽带 应用驱动用户产生更高的带宽需求 f 1 v r h 在与其它宽带接入技术 如a d s l 2 v d s l b w a 等 的竞争中必须能显示出更充分的优势 此外电信市场的进一步开放以及政 府强有力的政策与经济支持 对推动f t l h 的发展也至关重要 随着时间的推移 光 纤光缆和光元器件成本在稳步下降 各种光电新技术的进步也为f t t h 的实现创造了 条件 i p t v 等各种宽带新业务的需求会进一步刺激f t t h 的发展 现有铜缆网运行维 护负担的加重 也促使运营商更加青睐光纤网 来自新兴运营商等竞争对手的压力 有可能迫使传统电信运营商提前实施f t t h 以便确保在宽带领域的竞争优势 因此 有理由相信 f 1 w 应该有很广阔的发展前景 7 1 实现全光纤的f t t h 是宽带接入的发展方向 但是实现全部的光纤接入 需要一 个过程 设备 光纤 工程成本和应用的业务需求 都是其广泛推广与使用的关键因 素 第一步从f t t b 开始 充分利用p o n 的技术 和现有的以太网的优势 成本底 使用广 然后逐步过渡到f t l m 是一条比较合理的选择 f t t h f t l l 3 的应用 主要 有如下模式 一是新兴运营商在管道 光纤资源紧张的区域利用f t t b 快速开展业务 如网吧一 条街 小区接入等 二是部分驻地网运营商利用f t t b 占领接入和用户驻地网市场 然后为基础业务 运营商提供公共接入平台 三是政府或设备制造商推动的商用试验 主要为了实现 三网合一 的应用模 式 四是主体运营商开展的f t t h 试验及局部商用 建立f t t h 示范小区建设 五是作为新兴运营商展开业务竞争的切入手段 六是一些高档的应用场所 高档小区 写字楼 作为提升整体形象的方式 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 2 e p o n 系统组成和拓扑结构 2 2 1e p o n 系统组成 一个典型的e p o n 系统由o l t o n u p o s o d n 组成阴 如图2 2 所示 d o l t 放在中心机房 c o c e n t r a lo f f i c e o n u 放在网络接口单元 n i u n e t w o r ki n t e r f a c eu n i t 附近或与其合为一体 p o s p a s s i v eo p t i c a ls p l i t t e r 是无源光纤分支器 即分光器 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备 它的功能是将输入 下行 光学信号分发给多个输出端口 使 多个用户能够共用一条光纤 从而共享带宽 在上行方向 将多个o n u 光学信号时 分复用到一条光纤中 i p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 无源光网络 p o n 是一种点到多点的 p 2 肝 结构的无源光网络i p o n 是无源光网络的简称 p a s s i v e0 p t i c a ln e t w o r k p o n 由光线路终端 0 l t 光网络单元 o n u 无源分光器 1 0 s 组成 图2 2e p o n 网络结构图 e p o n 技术特点 1 点到多点结构 一个o l t 下面可带3 2 个o n u 后续可扩展 每个o l t 下面的 所有o n u 通过时分复用共享1 g 带宽 即每个o n u 可以提供上下行最大为l g b p s l 拘带 宽 2 无源光纤传输方式 e p o n 不需任何复杂的协议 光信号就能精确地传送到最 终用户 来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 3 基于以太网的网络架构 e p o n 使用i p e t h e m e t 结构 目前 i p e t h e m e t 应用占 到整个局域网通信的9 5 以上 e p o n 由于经济而高效的结构 从而成为连接接入网 设备或终端用户的一种最有效的通信方法 e p o n 的上下行传输方式如图2 3 图2 4 所示 1 0 g b p s 以太主干和城域环的出现也将使e p o n 成为未来全光网中最佳的最后一 公里解决方案 因此要解决 最后一公里 的瓶颈问题 研发一种满足市场需求的 o n u 势在必行 图2 3e p o n 下行传输方式 2 2 2e p o n 的拓扑结构 图2 4e p o n 上行传输方式 p o n 技术可以采用多种拓扑结构 包括树型 环型和总线型等 使用l 2 y 6 耦合 器或1 n 的光分路器 p o n 就可以灵活地采用如图2 5 中所示的多种拓扑结构 另外 使p o n 具有自愈性可提高其生存性 通过对p o n 的主干和分支都进行冗余保护 如双 环或双树结构 也可以仅仅对树的主干部分进行冗余保护 如图2 5 c 所示 e p o n 通 常采用树型拓扑 如图2 5 a 所示 武汉邮电科学研究院硕士论文 一 一 a 树型拓扑 c 具有冗余保护的树型拓扑 d 总线型拓扑 图2 5p o n 拓扑结构 2 3e p o n 协议栈介绍 2 3 1e p o n 的层次模型 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 6 t 8 1 f e c 前向纠错 心 运行 管理维护o l t 删r s 2 调跫王星 伽1 i 羊兆比煤质独立接口 o n u 光网络单元p c s 物理警婴星 岫i 煤蕨相关接口阴y 物理层p 卧 物理煤质附加p 岫 物理煤质相关 图2 6e p o n 的层次模型 1 2 ii洲ill 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 3 2m p c p 子层 e p o n 系统通过一条共享光纤将多个d t e 数据终端设备 连接起来 其拓扑结 构为不对称的基于无源分光器的树型分支结构 m p c p 就是使这种拓扑结构适用于以 太网的一种控制机 u t 9 1 e p o n 作为e f m 讨论标准的一部分 建立在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 o l 多点控制协议 基础上 该协议是m a cc o n t r o l 子层的一项功能 m p c p 使用消息 状 态机 定时器来控制访问p 2 m p 点到多点 的拓扑结构 在p 2 m p 拓扑中的每个o n u 都包含一个m p c p 的实体 用以和o l t 中的m p c p 的一个实体相互通信 作为e p o n m p c p 的基础 e p o n 实现了一个p 2 p 仿真子层 该子层使得p 2 m p 网络拓扑对于高层 来说就是多个点对点链路的集合 该子层是通过在每个数据报的前面加上一个l l i d l o g i c a ll i n ki d e n t i f i c a t i o n 逻辑链路标识来实现的 该l l i d 将替换前导码中的两个 字节 p o n 将拓扑结构中的根结点认为是主设备 即o l t 将位于边缘部分的多个节 点认为是从设备 h p o n u m p c p 在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以 协调数据有效的发送和接收 1 0 1 系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个o n u 发送 位于o l t 的高层负责 处理发送的定时 不同o n u 的拥塞报告 以便优化p o n 系统内部的带宽分配 e p o n 系统通过m p cp d u 来实现o l t 与o n u 之间的带宽请求 带宽授权 测距等 m p c p 涉及的内容包括o n u 发送时隙的分配 o n u 的自动发现和加入 向高层报告拥塞情 况以便动态分配带宽 m p c p 多点控制协议位于m a cc o n t r o l 子层 m a cc o n t r o l 向 m a c 子层的操作提供实时的控制和处理 2 3 3e p o n 的物理层 e p o n 物理层通过g m i i 接口与r s 资源调度 层相连 担负着为m a c 层传送可 靠数据的责任 物理层的主要功能是将数据编成合适的线路码 完成数据的前向纠错 将数据通过光电 电光转换完成数据的收发 整个e p o n 物理层由如下几个子层构成 物理编码子层 p c s 前向纠错子层 f e c 物理媒体附属子层 p m a 物理 媒体依赖子层 p m d 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 同干兆以太网的物理层相比 唯一不同的是e p o n 的物理层多了一个前向纠错子 层 f e c 其它各层的名称 功能 顺序没有太大的变化 前向纠错子层完成前向 纠错的功能 这个子层是一个可选的子层 它处在物理编码子层和物理媒体附属子层 中间 它的存在引入使我们在选择激光器 分光器的分路比 接入网的最大传输距离 时有了更大的自由 从宏观上讲 除了f e c 层和p m d 层以外 各子层基本上可以同千 兆以太网兼容 1 p c s 物理编码子层 子层 p c s 子层处于物理层的最上层 p c s 子层上接g m i i 接口下接p m a 子层 其实现的 主要技术为8 b 1 0 b 1 0 b 8 b 编码变换 由于1 0 比特的数据能有效地减小直流分量 便 于接收端的时钟提取 降低误码率 因此p c s 层需要把从g m i i e l 接收到的8 位并行的 数据转换成1 0 位并行的数据输出 这个高速的8 b 1 0 b 编码器的工作频率是1 2 5 m h z 它的编码原理基于5 b 6 b 和3 b 4 b 两种编码变换 p c s 的主要功能模块为 发送过程 从r s 层通过g m i i 口发往p c s 层的数据经过发送模块的处理 主要是 8 b 1 0 b 根据g m i i 发来的信号连续不断地产生编码后的数据流 经p m a 的数据请求 原语把他们立即发往p m a 服务接口 输入的并行八位数据变为并行的十位数据发往 p m a 自动协商过程 设置标识通失n p c s 发送过程发送的是空闲码 数据 还是重新配 置链路 同步过程 p c s 同步过程经p m a 数据单元指示原语连续接收码流 并经同步数据 单元指示原语把码流发往p c s 接收过程 p c s 同步过程设置同步状态标志指示p m a 层 发送来的数据是否可靠 接收过程 从p m a 经过同步数据单元指示原语连续接收码流 p c s 接收过程监督 这些码流并且产生给g m i i 的数据信号 同时产生供载波监听和发送过程使用的内部 标识 接收信号 监测包间空闲码 p c s 子层的发送 接收过程在自动协商的指示下 完成数据收发 空闲信号的收发和链路配置功能 具体数据的收发满足r d 平衡规则 在链路上传输的数据除t 2 5 6 个数据码之外 还有1 2 个特殊的码组作为有效的命令码 组出现 在e p o n 系统中 按照单纤双向全双工的方式传送数据 当o l t 通过光纤向各 o n u 广播时 为了对各o n u 区别 保证只有发送请求的o n u 能收到数据包 8 0 2 3 a h 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 标准弓i x t l l i d 1 们 这是一个两字节的字段 每个饼州由o l t 分配一个网内独一无 二的l l i d 号 这个号码决定了哪个o n u 有权接收广播的数据 这个两字节的字段所 处的位置如图2 7 所示 8 b y t e s6 b y t e s6 b y t e s2 b y t e s4 6 1 5 0 0 b y t e s4 b y t e s 图2 7l l i d 在帧中的位置 这个字段占据了原千兆以太网8 0 2 3 z 中前导码 p r e a m b l e 部分两个字节的空间 同9 0 2 3 z 标准相比s p d 或称s l d l l i d 定界符在e p o n 中为o x d 5 的位置也滞 后了 对于在e p o n 中新增的l l i d 我们可以把它当作数据发送出去 不用对p c s 作什么变动 但是对于e p o n 中s p d 位置的这种变化 我们必须给以足够的重视 我们知道 普通的千兆网技术发送状态机根据e v e n 或o d d 的指示选择第一个或第 二个字节用 s 来替代 也就是说s p d 的位置可以是变化的 而在e p o n 的p c s 技术 中 s p d 的位置是固定的 我们要准确地把前导码的第三个字节用 s 来替代 否则 o n u 会收不到正确的以太网包 这是因为s p d 在整个八字节的前导码中有固定的位 置 它起着指示l l i d 和c r c 位置的作用 如果它不能出现在以太网包头中的第三 个字节的话 我们就不能够得到正确的l l i d 值 没有正确的l l i d 处于等待状态 的o n u 就得不到想要的数据 在各o n u 向o l t 突发发送数据的时候 得到授权的o n u 在规定时隙里发送数据 包 没有得到授权的o n u 处于休息状态 这种在上行时不是连续发送数据的通信模 式叫突发通信 在o l t 俱 j p c s 的发送和接收都处于连续的工作模式 而在o n u 侧的 p c s 子层接收方向是连续接收o l t 钡u 来的广播数据 而在发送方向 却是在断断续续 地工作 因此e p o n 的p c s 子层不仅要能像普通的千兆 p c s 子层一样在连续的数据流 状态下能正常工作 在面对突发发送和突发接收时也要保持稳定 其中o l t 儇i j 的突发 同步和突发接收