（光学工程专业论文）基于atm技术的无源光网络apon系统中光网络终端ont的研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文翟2 5 7 2 4 摘要 摘要 l 生活在当代的人们，相信都能深切感受到信息爆炸带给大家的惊喜与“恐 惧”。所能把握的信息量的大小成为谋事成功与否的关键。科技民生如此，政治 经济更是如此。人们对信息的需求达到了前所未有的渴求程度。网络的概念己 早也成为人们熟悉的话题。面对主干网1 0 6 传输速率的应用，宽带接入网的发 展成为必然的趋势。基于异步传输模式的无源光网络( a p o n ) 结合了a t m 的多 业务多比特率支持能力和p o n 的透明宽带传送能力，以其经济性和灵活性成为 2 1 世纪理想的光纤接入方案。 本论文主要是研究a p o n 系统中光网络终端设计研制的实现方案与关键技 术。课题源于江苏省高技术项目，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 。i 论文分为如下三大部分： 1 a p o n 系统介绍，简要介绍了a p o n 系统的两大基础技术支持一光接入网知 识和a t m 网络知识，在此之后，分析了a p o n 系统的网络分层结构、网络规范及 其设计实现的关键技术。 2 光网络终端( o n t ) 的设计说明，介绍了o n t 在a p o n 系统中的位置及作 用，针对o n t 的功能要求和a p o n 的网络分层结构，我们提出了o n t 分层开发的 设计构想，并进一步细化为可行性的设计方案，给出了各层实现的途径以及所 需要的硬件支持。o n t 设计的一个重要环节是t c 层核心芯片的设计，文中给出 了芯片设计的功能模块图，并逐个模块说明了实现途径和实际设计过程。 3 系统测试，分别就芯片的测试及整个o n t 的测试给出了两套测试方案。 文章附录中是设计中所涉及的一些技术参数，设计详细流程及芯片的部分测试 结果。 本论文的创新之处在于，提出了a p o n 系统中o n t 的总体设计方案并且独立 开发出具有自主知识产权的t c 层核心芯片，其中包括了十多项功能模块的电路 设计，文中对本次设计的整个过程及各模块的实现进行了详细的说明。 关键词：异步传输模式；无源光网络；光网络终端 南京理 大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t i n f o r m a t i o ny o ua r eh o l d i n gi st h ek e yt os u c c e s s e v e r y b o d yl i v i n gi nt h ep r e s e n t a g ew a sd e e p l y a f f e c t e db y t r e p i d a t i o na n de x u l t a n c yt h ei n f o r m a t i o nb r i n gt ou s i ti s r e l a t et ot h ep e o p l el i v i n ga n dt h es c i e n c ed e v e l o p i n ga n dm o r ei n t i m a t e l yr e l a t et o e c o n o m ya n dp o l i t i c s p e o p l e sr e q u i r e m e n tf o ri n f o r m a t i o ni sm o r ee x i g e n tt h a na n y t i m e sb e f o r e n e t w o r ki sk n o w nw e l lf o r e v e r y o n e a l o n gw i t ht h e 1 0 g b i “s t e c h n o l o g yu s e di nt n m kn e t w o r k , t h ed e v e l o p i n go f a c c e s sn e t w o r ki sg ow i t h o u t s a y i n g t h ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k b a s e do n a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a p o n ) p r e s e n t t h eb r o a d b a n da c c e s st e c h n i q u ef o r2 1c e n t u r yb e c a u s e o f a g i l i t ya n ds a v i n g t h i sp a p e rd e s c r i b e ds t u d y i n go fo n t ( o p t i cn e t w o r kt e r m i n a l ) i nt h ea p o n s y s t e m 1 1 1 i sp r o j e c to r i g i n a t e df o r mt h eh i g h t e c hp r o j e c to f j i a n s up r o v i n c e t n l e ：s t u d y l n ga n de x p l o n i a l l o nt ot h eo 懈o fo a n 。 c o d e ：b g 2 0 0 1 0 4 6 t h ew h o l ep a p e rm a k eu po fs i xc h a p t e ra n dt h r e ep a r t s 1 i n t r o d u c et oa p o n s y s t e m ；2 e x p l a i nf o rt h ed e s i g n i n go fo n t ；3 t e s t i n g t ot h es y s t e m t h ef i r s tp a r to f p a p e ri n t r o d u c e d t h ek n o w l e d g eo fo a na n da r m a f t e r t h a t p a p e r a n a l y z e dt h el a y e r e ds t r u c t u r ea n d c r i t e r i o no fa p o n s y s t e ma n dt h ek e yt e c h n o l o g y f o rr e a l i z a t i o n t h es e c o n dp a r to f p a p e ri n t r o d u c e dt h el o c a t i o na n df u n c t i o no fo n t t o w a r d st o r e q u i r e m e n to f f u n c t i o na n dt h el a y e r e ds t r u c t u r e ，w ec o n c e i v e dl a y e r e dd e s i g n i n g a n dm o r eg i v i n gt h ef e a s i b l es c h e m eo f r e a l i z a t i o na n dt h em e t h o df o re a c hl a y e ra n d t h eh a r d w a r e r e q u i t i n gi nd e s i g nc o u r s e d e s i g nf o rt h ec h i po f t c l a y e ri sk e y s t o n e t ot h er e a l i z a t i o no fo n t 础sp a p e rp r o v i d e dt h ef u n c t i o nb l o c ko ft h et c l a y e r c h i p ，a n de x p l a i n e d t h em e t h o da n d p r o c e s so f d e s i g n f o re a c hb l o c k 乃et h i r dp a r to f p a p e rg a v et w os e ts c h e m ef o rt e s t i n gt h es y s t e m 髓ea p p e n d i x i n c l u d e ds o m ep a r a m e t e ru s i n gi nt h ed e s i g na n dt h ed e t a i l e df l o wc h a r to fd e s i g n a n da p a r to f t e s t i n g r e s u l t k e y w o r d s ：a t m ，p o n ，o n t i i 南京理工大学硕士学位论文绪论 绪论 目前全球通信信息网正在向全数字化，综合化方向发展。多媒体通信和 i n t e r n e t 的迅速发展迫使电信运营服务商寻找更低成本、高质量宽带接入的解 决方案来迎接迫在眉睫的市场挑战。在刚刚过去的上个世纪，网络的核心部分 发生了翻天覆地的变化。无论是传输还是交换都已更新了好几代，整个通信网 络成为一个全数字化的、软件控制和高度集成的智能化网络。而另一方面，现 存的电信接入网绝大部分仍为普通双绞线主宰的模拟系统。两者在技术上的反 差说明接入网已成为制约整个通信网络发展的瓶颈。目前出现的一些接入技术 手段如x d s l 和h f c 、无线接入等均属过渡性的权宜之计，而宽带无源光纤接入 技术才是彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段。【2 5 。l 在宽带无源光纤接入技术中，电信运营者和设备供应商普遍都认为h i ) o n 是 最有效的，它是既能提供传统业务又可提供先进多媒体业务的宽带平台。从1 9 9 5 年开始，世界上些有影响力的运营者和设备供应商就开始提出以h p o n 为核心 技术的全业务接入网( f s a n ) 的技术要求和规范。f s a n 组织由2 0 个在宽带接入 系统方面达成共识的电信公司和设备供应商组成，其中包括n t t 、b t 、b e i l s o u t h 和法国电信等。f 1 4 l1 9 9 8 年8 月，i t u 采纳了f s a n 提出的基于p o n 的宽带光接 入网规范并制定了建议g 9 8 3 1 。 a p o n 最重要的特点就是其无源的点到多点式网络结构，光分配网络中没有 有源器件。因而比有源的光网络和铜线网络简单，更加可靠，更加易于维护。 特别是如果f t t t t ( 光纤到家) 大量使用，有源器件和电源备份系统将从室外转 移到室内，对器件和设备的环境要求可以大大降低，维护周期可以加长。维护 成本的降低，最终将使运营者和用户双方受益。由于a p o n 的标准化程度很高， 将使大规模生产和降低成本成为可能。【2 2 】此外，h t m 统计复用的特点也使a p o n 能比t d m ( 时分复用) 方式的p o n 服务于更多的用户，a t m 的q o s ( 业务质量) 优势也得以继承。 目前，国内、外关于a p o n 的发展状况可以大体上总结为： 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 7 年日本n t t 公司联合富士通将第一个非标准的a p o n 系统投入商用； 南京理工大学硕士学位论文 1 9 9 8 年国际电信联盟i t u t 通过了关于a p o n 接入网络规范的g 9 8 3 1 建议： 美国南方贝尔、法国电信、英国电信、c n e t 、日本n t t 、德国电信、k p n 、 s w i s s c o m 、s b c 、t e l e c o mi t a l i a c s e l t 等国外企业与研究机构，在全业务 接入网的研究方面已经取得了阶段性成果，作出了基于i t u - tg 9 8 3 建议的 系统级a p o n 实验或商用产品； 2 0 0 0 年我国等效采用了g 9 8 3 1 建议作为通信行业标准y d t1 0 9 0 - - 2 0 0 0 ： 目前高校中只有北京邮电大学、华中理工大学、浙江大学和南京理工大学 等少数几所高校以及华为、武邮通信集团等少数单位开展了这方面的研究 工作。 我国对a p o n 的研究虽然是刚刚起步，但国家对其却是十分重视的，己将 a p o n 列为8 6 3 通信高科技攻关项目，同时，a p o n 还受到国家自然科学基金重大 项目资助。 a p o n 作为一种接入技术，其最敏感的一个因素是成本问题，其中对用户每 线接入成本影响最大的是用于入户铺设光纤的成本。可喜的是我国五月份公开 报道了中国科学院理化技术研究所开发出了一种新产品，叫做“宽带低衰减渐 变型塑料光纤”，这种光纤是通过对普通塑料进行提纯获得的，成本很低，而 且柔韧性好、重量轻，不受电磁波和无线电射频的干扰，在1 0 0 米到1 0 0 0 米范 围内，带宽可以达到几千兆。并且这种光纤今年就能投入中试生产，预计，一 米光纤的价格只有几块钱。这就使光纤入户的接入成本降至平常百姓能够接受 的价格范围。因此，可以相信在未来几年内，大量的用户需求空间必定会为接 入网产品提供广阔的市场前景。 从g 9 8 3 1 出台起，我们便密切地关注国内外有关w o n 的动态，并开始对 该系统进行有关的研究和分析。在1 9 9 9 年初我们结合自身的研发能力及设计优 势所在，对a p o n 系统研发的目标设计确定为：按照g 9 8 3 对a p o n 物理媒介相 关层、传输会聚层和通道层功能的规范与技术要求，以相关器件来实现o n t 的 物理媒介相关层、传输会聚层和通道层的功能，做成相应的底层硬件协议模块。 并在该底层硬件的基础上加上各种高层协议模块来组成实用的光网络终端设 备。其中重点设计内容有： 开发出具有自主知识产权的p o n 传输层核心芯片； 开发出各网络逻辑层之间的适配电路； 南京理l ：大学硕士学位论文绪论 利用微处理器来实现高层适配。 由于研究工作所涉及的协议是目前国际上刚出台不久的新内容，鉴于产品 的技术保密性要求，世界上各通信公司都在进行封闭的设计，所以我们的研究 工作没有任何可以借鉴的东西，只能是自己按照通用的国际标准摸索着前进。 对我们课题组来说这无疑是一次严竣考验，同时对我们研究生的科研能力也是 一次非常难得的锻炼机会。 本文的内容是对近两年来我们在从事有关o n t ( 光网络终端设备) 课题方 面研究工作的一个初步总结，包括o n t 的整体设计方案和p o n 传输子层核心 芯片的设计框图及硬件实现。 文中首先简要介绍了光接入网系统和a t m 网络技术，在此基础之上，引出 了基于异步传输模式的无源光网络( a p o n ) 系统。文中首先对a p o n 系统的 网络结构、网络规范、服务业务和关键技术进行了讨论，结合o n t 在系统中所 起的作用和网络层次规范，确定了p o n 传输子层的核心芯片作为课题开发的重 点环节：进而，对芯片中各功能模块的设计过程进行了详细的阐述与分析，并 总结了各部分之间的逻辑关系。 到目前为止，o n t 设计中最为重要的核心芯片的设计已经接近尾声，各功 能模块都已实现，整体的连通与测试正在进行之中。核心芯片的设计是本次课 题研究与学位论文中的创新点所在，芯片设计中包括：自行开发的解扰电路， 并行h e c 控制电路，同步信息提前的建模与电路设计，准许处理模块，几十种 消息处理模块，精度达到l 比特( 纳秒级) 的测距状态机等十多个主要功能模 块。整个芯片是具有自主知识产权的独立研发成果。 由于时间原因，本文成文比较仓促，可能有许多不妥之处。希望大家多提 宝贵建议，不胜感激。这些内容可以算是自已近两年来从事本课题研究的一个 阶段性总结。同时，也希望能为进行后序工作的同学提供一些本课题的基本信 息，或是一点可以参考的设计思路。相信以后的设计工作会更为出色，为你们 加油! 南京理工大学硕士学位论文第一章光通信系统与光接入网 1 光通信系统与光接入网 1 1 光通信系统 1 1 1 光通信系统概述 任何通信系统的目的都是把信息从一点传送到另外一点。完成这种信息的 传送，最常用的办法是把信息先附加在一个电磁波上，然后把被调制的载波发 送到目的地，在目的地接收到电磁波后，再把信息复原。这样的系统通常是以 载波频率在电磁波频率谱中的位置加以区分的。对于光通信系统，载波包括红 外光、可见光和紫外光频率。在光频率段进行通信的显著优点是：( 1 ) 调制带宽 可以显著的增大：( 2 ) 能把光功率集中在非常窄的光束中；( 3 ) 器件尺寸明显减少。 对于任何通信系统，传输的信息量大小直接和载波的调制带宽有关。通常，调 制带宽只是载波频率的一个固定百分比，增加载波频率理论上可以增加可利用 的传输带宽，因此也就增加了整个系统的信息容量。当传输大容量信息时，光 波传输无疑具有巨大的吸引力。此外，随着载波频率的增加，传输功率在在电 磁波中的能量集中程度也将增大。最后，由于工作波长是非常小的光波波长， 系统中的器件和零部件尺寸将比相应的电器件尺寸小得多。基于以上这些因素， 光通信已经作为一个特殊的技术领域引起了人们的极大兴趣。m 1 5 。8 】 图1 1 1 1 光通信系统方框图 图1 1 1 1 为光通信系统的框图。图中所包含的各个标准通信模块在任何光 通信系统中都是适用的。数据源的输出被调制到一个光载波上，载波以光场或 光束的形式通过光通道进行传输。在接收端光场被收集和处理。 1 1 2 光通信系统结构分类 光通信系统通常被划分为三类。如图1 12 1 所示，系统由些节点连接而 成，这些节点通常可能是交换机、终端、计算机、工作站、电话机等。图中， 4 南京理工大学硕士学位论文第一章光通信系统与光接入网 从左至右分别表示点对点系统、一点对多点系统、以及网络系统的拓扑结构。 口加 ( 町冉对点( ”一点对多点( c ) 网缮 图1 1 2 1 光纤通信系统结构分类 在点对点系统中，可能是单向的，也可能是双向的，一端的发射机发送信 息到另一端的接收机；在一点对多点( 设有n 个工作站) 的系统中，其中站1 可 发送信息到所有其他n 一1 个站，并可能收到他们的回答，但其他站之间不能相 互通信。该系统的一个特殊情况是广播网络，即一个站可发送信息到所有其他 n 一1 个站。 点对点系统和一点对多点系统仅仅是网络系统的特例。在网络系统中，每 个站可以与其他任一个站进行通信，而绝不仅仅是一个站只能与另外n 一1 个站 通信。有时候我们要指出它们之间的区别，有时候我们通称以上三种情形均为 系统或者网络。现在的情况是已经敷设好的长距离干线正在转变成一点对多点 系统或网络。前者的应用多半是光纤到家或光纤到办公室，而网络的进一步应 用将变成局域网或城域网。 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。图中的端局就是平常人们所说的电话局，在国 外就是所谓的中心局( c o ) ；交接箱就是业务接入点。在光接入网中又常称为远 端局( r o ) 或远端站，并简称为远端。从端局到交接箱之间的这一段线路标为 馈线段，是由主干光缆组成，担负信息传输的主干通道。馈线段所组成的网络 称为馈线网，在光纤接入网中常称为传输网，也有称之为转接网的。 1 6 - 1 9 南京理i - 大学硕士学位论文 第一章光通信系统与光接入网 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。由于光纤( 缆) 终端的位置不同，图 中的分配缆和引入线可能发生较大的变化。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 1 1 直接引出。 1 2 2 光接入网的功能模型 接入网分成五个基本的功能组：用户端口功能( u p f ) 、业务端口功能( s p f ) 、 核心功能、传送功能和系统管理功能。图1 2 2 1 是接入网功能组结构及功能之 间的相互连接示意图。 十。q 3 r = 图1 2 2 1 光接入网的功能结构图 1 2 3 光接入网的业务与参考配置 光接入网承担的业务范围是极为广泛的，从低速到高速，直至超高速，是 实现多媒体通信的关键网络之一，是实现未来信息高速公路的基本设旌和重要 网络。光纤接入网传送的业务，除了普通的电话业务( p o t s ) 以外，还将传送更 多的宽带业务。归纳起来可分四类： 交互式或邮箱式业务 检索式业务 闭路分配式业务 6 南京理| = 大学硕士学位论文 第一章光通信系统与光接入网 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1 2 3 1 光接入网与业务节点之间的关联 由光接入网的定义可以看到，一般情况下，接入网是一个点对多点的光传 输系统a 从系统配置上可分为有源光网络( a o n ) 和无源光网络( p o n ) ，如图 1 2 3 2 所示。 1 7 1 r 1s i r肺 团却萄# 削l 削 v i 业务节点功能1 广1s 瓜咚 = 黑澎匝h o l t 2 z _ j i 业务节点功能1 日户侧冈“自p 刨! 网络侧 图中的缩写含义如下： 图1 2 3 2 光接入网的参考配置 南京理工大学硕士学位论文 第一章光通信系统与光接入网 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 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 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。 有源光网络中，用有源设备或网络系统( 如s d h 环网) 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。不足的地方是有源设备需要机房、供电、维护等。 无源光网络由于在0 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。l t u t 根据技术推动和市场导向 的方针，制定了g 9 8 2 “支持i s d n 基群速率或等效速率的光接入网”，并正在 制定g p o n b “支持大于i s d n 基群速率的光接入网”等两个建议。该系统由于 其低的接入成本，受到很多电信主管部门和运营部门重视。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。 总的来说，随着信息传输向全数字化过渡，光按入方式必然成为宽带接入 网的最终解决方法。其中，无源光网络以其经济性因素成为目前接入网发展的 热点。 1 2 4 光接入网的应用类型 根据o n u 的位置不同，o a n 可以划分为四种基本的应用类型光纤到路 边( f t t c ) 、光纤到楼( f t t b ) 、光纤到办公室( f t t o ) 、光纤到家( f 删。 f t t c f t t c 是一种双星形网络结构。o n u 设置在路边的人孔或电线杆上的分线 8 南京理工大学硕士学位论文第一章光通信系统与光接入网 盒处，有时也可设置在交接箱处。此时从o n u 到用户之间采用对绞线铜缆。若 要传送宽带业务，这一部分还需要高频电缆( 如5 号缆) 或同轴电缆。f t t c 的主 要特点有：在f t t c 结构中现有的铜缆资源仍能利用，可以推迟用户引入线 或者配线部分的光纤投资，具有较好的经济性；预先建设了一条靠近用户的宽 带传输链路，一旦有宽带业务需求，可以很快地将光纤引至用户处。由于光纤 己非常靠近用户，可以充分发挥光纤化的优越性( 如节省管道空间、易于维护、 传输距离长、带宽大等) 。由于f t t c 是一种光缆，铜缆混合系统，从维护运行的 观点来看仍不理想。在综合考虑初次投资和维护运行费用的基础上，当需提供 2 m b i t s 以下窄带业务时，该方式仍是o a n 实现中最经济的方式。 f t t b f t t b 是f t t c 的变型，不同之处是o n u 直接放在楼内( 如居民住宅公寓， 或小企业、事业单位办公楼内) ，再经铜缆将业务分送到各个用户。f t t b 比f t t c 的光纤化程度更进一步，因而更适合高密度用户区。也满足未来宽带传输系统 发展的要求。 f t t h 和f t t o 在f t t c 结构中如果将设置在路边的o n u 换成无源光分路器将o n u 移到用户家或大企业事业单位用户( 如公司、大学、研究所、政府机关等) ，即为 f t t h 或f t t o 方式。f t t h 是一种全光纤网，接入网成为全透明的光网络，因 而对传输制式、带宽、波长等没有任何限制，适于引入新业务，是一种理想的 业务传送网络。o n u 安装在用户处，环境条件、供电、维护安装等问题都得以 简化，光纤直接通到用户，每个用户真正有了宽带网络，b i s d n 的实现才有最 终的保证。 南京理 大学硕士学位论文 第二章a t m 网络技术 2 a t m 网络技术 2 1a t m 技术概述 2 1 1a t m 网络 a t m 是一种网络传输协议。也就是说，a t m 是一种将数据、话音、视频信 号从甲地送到乙地的传输方式。但a t m 提供的不仅仅是那些基本的传输能力， 它还可以： ( 1 ) 支持专用和公用网络： ( 2 ) 对广域网和局域网采用相同的技术； ( 3 ) 在普通线路上传输视频、话音和数据； ( 4 ) 按需分配带宽； ( 5 ) 提供低成本网络并使用低成本技术： ( 6 ) 提供一个简化的网络结构。 a t m 是信元中继技术( 一种快速分组交换技术) 的国际标准。传统上讲，绝大 多数网络或者是面向电路交换的，适于发送延迟敏感型数据( 如视频和话音) ；或 者是面向分组交换的，用于高速数据传输。电路交换可确保端到端传递和应答时 间；但是分组传输时间不同，各分组之间不同的延时会导致传输抖动，因而不适 宜同步通信。a t m 信息传输如图2 1 1 1 所示。 学营 视频 ih 陟 区 莎 f 工工 莎 图2 1 1 1a t m 信息传输示意图 南京理e 大学硕士学位论文第二章a t m 网络技术 a t m 将电路交换的可靠性同分组交换的高效性结合起来，提供了传送各种 类型数据的最好方式。通过简化分组交换技术，a t m 将分组分段为5 3 字节的信 元。这些分组经过转换后，能够以高达每秒g 比特的速度进行传输。这种技术既 能用于局域网，又能用于广域网。f 1 2 t 1 3 】 2 1 2a t m 信元 a t m 传送信息的基本载体是a t m 信元，a t m 信元及其信头格式与分组交 换的分组相比要简单得多，每个信元由5 3 个字节组成，其中包括4 8 个字节的数 据和5 个字节的信头。5 个字节的信头中包含了流量控制信息、虚拟通道标识符、 信元丢失的优先级以及信头的误码控制等有用信息。a t m 信元的格式如图2 1 2 1 所示。 图2 1 2 1a t m 信元 固定长度的a t m 信元有以下优点： f 1 ) 固定长度的数据信元使得联网交换的排队延迟时间更容易预测。交换机厂 家可以在网络设备中引进各种措施，以保证所有类型的数据传输服务尤其是对于 那些延迟要求严格的服务，如话音和视频的传输达到满意的水准： ( 2 ) 与可变长度的数据分组相比，a t m 信元更便于简单可靠地进行处理。很 高的可预估性使a t m 硬件可以更有效地实现，这是因为针对已知大小的信元更 易于设计控制结构、缓冲器和缓冲器管理方案。 ( 3 ) 固定长度的信元使得信元中继式交换机可以并行处理各个信元，其速度远 超过总线结构的交换机的速度极限；a t m 信元采用5 3 字节的固定长，而信头的 功能也大大地简化，即只对信头进行差错控制，不再进行逐段链路的检错和纠错， 端到端的差错控制只在需要时由终端处理：另外，信头中只用v p i 和v c i 标识一 个虚拟连接，而无需源地址、目的地址和分组序号。信元顺序也由终端保证。 南京理 大学硕士学位论文第二章a t m 网络技术 2 1 3 信元的统计复用和处理 信元的统计复用是a t m 的一大特点。所谓统计复用就是根据各种业务的统 计特性，在保证服务质量要求的前提下，在各业务间动态地分配网络带宽，达 到最佳的资源利用率。信元的统计复用如图21 3 1 所示。 虚连接i 带宽c i 虚连接2 带宽c 2 图2 1 3 1 统计复用示意图 在以a t m 技术为背景的网络上，信息的统计复用和交换方式与所传送的信 息类型( 话音、数字、图片、多媒体) 无关。这主要是因为a t m 网络所处理的形式 是相同的固定长度信元，所以可省去许多不必要的检验，从而可直接运用硬件， 加快处理速度，有效地提高了交换与复用的效率。另外，一般的复用器所用的各 输入带宽的总和应小于传馈线路的总带宽，而利用统计复用可使输入带宽总和大 于传输线路的总带宽，且仍可保证各业务的质量。这是通过几方面的具体技术实 现的，如信令、业务特性和服务质量等级、流量控制等。【2 0 2 q 利用信元的统计复用和交换方式与实际信息类型无关的特性，理论上可以使 设备处理宽频带的信息。因此，a t m 可按用户需求做到动态分配频宽，使高速本 地网端点可达到1 0 0 m b p s 。由于a t m 使用很短的信元并采用高速传输速率，使 得传输延迟及延迟抖动量很小，因而a t m 的服务范围十分广泛。 2 2a t m 网络分层 b i s d n 网络协议参考模型与o s l 分层结构相比，采用了简化的网络协议， 它的结构是一个立体的分层模型，由三个面组成，即用户面、控制面和管理面。 每个面又采用了层次化的结构，分为a t m 用户层( 高层) 、a t m 适配层( 自适应层) 、 a t m 层和a t m 物理层。【1 2 】b i s d n 网络协议参考模型的结构如图2 2 1 所示。 1 2 南京理 大学硕士学位论文第二章a t m 网络技术 图2 2 1 ( b ) 中，b i s d n 协议参考模型的三个面具有不同的功能。 a用户面采用了层次化结构，其作用是提供用户信息流的传送，这些信息 包括数据、话音、视频和多媒体等。用户面也具有部分控制功能，如流 量控制、差错控制等。 口控制面采用了分层结构，它具有完成呼叫控制和连接控制功能利用信 令进行呼叫和连接的建立、监视和释放。 o 管理面包括层管理和面管理。层管理采用了层次化的结构，完成与各协 议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令。层管理还处理与各 层相关的o a m 信息流的控制。面管理不分层，它的作用完成与整个系 统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。 ( a )( b ) 闺2 2 18 - i s 渊协议参考模型 物理层负责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 ) 和物理介质子层( p h y s i c a l m e d i ad e p e n d a n ts u b l a y e r ) ，如图2 2 1 ( a ) 。 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 1 d s l 等) 。 物理介质子层( p m d ) 将信元信息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 层负责生成信元，它接受a t m 适配层4 8 字节负载，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 南京理 大学硕士学位论文第二章a t m 网络技术 到各个输出端口。 a t m 适配层负责将来自高层的用户、控制和管理信息进行适配处理，变成 相应的信元负载4 8 字节形式，送给a t m 层。a t m 适配层分成两个子层：会聚 子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 和分段与组装子层( s g m e n t a n d r e a s s e m b l y ) 。 会聚予层( c s ) 位于八a l 的上部，与高层功能相接，负责信元分段和组装的 控制功能。分段与组装子层( s a r ) 位于a a l 的下部，它与a t m 层相接，主要功 能是在发送端将传送的信息进行分段，使其长度能适用于a t m 信元负载的大小 “8 字节) ，在接收端时从信元负载中取出用户信息，将它组装成原来的信息，完 成信元信息段类型识别，部分填充段处理，段内有效负载的比特误码检测和报文 识别功能。 另外c s 子层具有业务指示、信元丢失检测、数据链路服务等功能。a t m 网络可以传输多种业务( 数据、话音和视频) ，因此接入a t m 适配层的信息可有多 种格式，每一种都要求a t m 网络有不同的适配方式。a t m 定义了不同类型的 a a l t 务。 4 南京理 大学硕士学位论文第三章基于a t m 技术的无源光网络 3 基于a t m 技术的无源光网络 基于a t m 技术的无源光网络( a p o n ) 是未来宽带光纤接入网的理想解决 方案。a t m 即a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( 异步传输模式) ，是1 9 8 9 年国际电 信联盟( i t u ) 所属的国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 的第十八研究组在综 合了已有研究结果的基础上提出的一种新的信息传递方式，并将a t m 作为实现 b - i s d n 的一个优先解决方案。a t m 综合了电路交换与分组交换各自的优点， a t m 是面向连接的通信方式同时是分组长度固定的分组交换方式。a t m 适合于 实时和非实时的业务。在传统的分组交换方式中分组长度不固定，这种不固定的 分组方式导致必须采用比较才能知道分组是否结束，而a t m 中将长度固定的分 组称为信元，当分组长度固定时只需计数便可知分组是否结束，计数指令比比较 指令处理起来快得多，因此a t m 适合于进行任务的快速处理。各种通信业务的 业务特性差异导致a t m 在处理各种类型业务采用“分类置之”的方法，即根据 各种业务的信源速率是否可变，信源与信宿之间是否需要同步以及面向连接与否 进行特定处理。传统上一种业务需建立一个网络，因而有计算机网、视频网、话 音网之分。而a t m 几乎可综合所有业务在一个通信网上，包括话音、音视频、 数据业务、v o d 、会议电视系统等等。a t m 技术是基于信元的传输系统，为点 到多点的传输系统的复用和多路接入方式提供了良好的基础，这种传输结构可为 多用户共享整个带宽提供了基础。 3 1a p o n 网络结构 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3 1 1 所示，系统中主要有局端和远端2 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，功能和规模 也并不相同。我们一般把安装到用户驻地的叫做o n t ( 光网络终端) 设备，它既 是光的终端设备又是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 技术将各种业务引入到用户。局端设备o l t 的一个光接口对应n ( 8 或1 6 ) 个远 端o n t ( 呵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 ) 。 南京理 大学硕士学位论文第三章基于a t m 技术的无源光网络 图3 1 1a p o n 网络的结构 3 1 1 光线路终端( o p t i c a il in et e r m j n a t i o n ) o l t 提供s n i 至业务节点以及s n i 至p o n 的接口。o l t 管理所有a t m 传 送系统的p o n 特定面。o n u 和o l t 提供通过p o n 在u n i s 和s n i 之间透明的 a t m 传送业务。 作为全业务接入系统的局端设备的o l t ，一侧是直接或者通过接入数字段与 业务节点相连。在另一侧( 分配) ，是无源光网络的o d n 接口功能。因此，从逻辑 上o l t 由三部分功能组成【l ( 如图3 1 1 1 所示) ： 业务端口功能 宽带业务：在业务节点接口( s n i ) ，将a t m 信元插入业务节点侧上行方向 的s d h 帧中和从业务侧下行方向的s d h 帧中抽出a t m 信元。 窄带业务：在s n i 点处2 mi - - i d b 3 接口，进行信元拆装。将窄带业务适配到 宽带接入系统中，或将窄带业务分流，支持现有的窄带业务节点功能。 复用交叉连接 负责提供业务接口功能和o d n 接口的v p v c 的交叉连接。各种业务内容、 信令和o a m 流信息由其支持的v p 的连接或v c 来实现通信，支持该连接 的v p l 或v c l 由本单元完成连接点功能( c p f ) ，在连接矩阵内进行交叉。 窄带业务和宽带业务在此进行汇合。 1 6 南京理 大学硕士学位论文 第三章基于a t m 技术的无源光网络 o d n 接口功能 负责p o n 的线路终端的光电转换过程。o d n 接口将信元插入下行数字流的 接口当中和从上行数字流中抽出a t m 信元。 图3 1 1 10 l t 功能模块图 3 1 2 光网络终端( o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a t i o n ) 光网络终端( 0 n t ) 是宽带接入网的远端设备，与常规接入网系统不同的是， 多个o n t 共享一个o l t 的光接口。p o n 的这种局端端口和远端端口为i ：n ( n = 4 3 2 ) 的结构，使得光分配网o d n 具备多址接入的能力。 o n t 的设备主要由p o n 接口处理部分、滤波复用处理部分和用户接口三部 分组成。其中p o n 接口处理o d n 的接口功能、传输帧的解帧和突发发送；滤波 复用处理完成下行帧的滤波和路由功能。【5 6 1 图3 1 2 10 n t 功能模块图 图3 1 2 1 为o n t 功能模块示意图，其中的业务部分提供用户端口功能。o a m 实现o n t 的所有功能模块的处理操作、管理和维护功能，如不同功能块的环回 控制。此外，o n t 具有定时和供电等其它方面的能力。 1 7 南京理| 二大学硕士学位论文第三章基于a t m 技术的无源光网络 3 2a p o n 网络规范 3 2 1a p o n 的物理媒介层的要求 在f 删中，a t i v l p o n 的标称速率为对称的1 5 5 5 2 m b i t s ，上下行都是n r z 编码经扰码后传输的。可以应用1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 r i m 的波分复用技术在单根光纤 中进行双向传输，或用1 3 1 0 n m 在两根光纤中进行双向传输。单光纤系统中下行 方向的工作波长范围为1 4 8 0 1 5 8 0 n m ，上行方向的工作波长范围为1 2 6 0 1 3 6 0 n m 。 其具体误码性能，抖动性能，延时性能及其它指标，可以参阅i t u t 的o 9 8 3 1 建议。 3 2 2 a p o n 网络的业务节点接口规范睁” a t m l 5 5 5 2 0 k b i u s 光( 电) 接口 a t m l 5 5 5 2 0 k b i 佻光( 电) 接口应符合i n 卜- t 建议1 4 3 2 2 的相关要求物理 层应基于s d h 的传输方式。该接口应支持a t mp v c 功能，a t ms v c 为可 选功能，此时接口应符合u n l 3 1 4 o 的规定。 u n i 接口 a p o n 系统支持如下一种或多种u n i 接口。具体u n i 接口包括宽带业务的 a t m 2 0 4 8 k b i u s 、a t m 2 5 6 0 0 k b i t s 接口、1 0 1 0 0 b a s e - - - t 接口和窄带业务的 z 接口、i s d n b r 舳r a 接口。 a t m2 0 4 8 k b i t s 接口 a t m2 0 4 8 k b i u s 接口应符合i t u t 建议1 4 3 2 3 的相关要求。 a t m 2 5 6 0 0 k b i t s 接口 a t m2 5 6 0 0 k b i u s 接口应符合i n 卜t 建议1 4 3 2 5 的相关要求。 1 0 l o o b a s r _ t 接口 应符合i e e e8 0 2 3 的相关要求。 z 接口 z 接口应支持二线模拟用户的接入。z 接口应符合y d t 1 0 7 0 2 0 0 0