（通信与信息系统专业论文）epon中mac协议及相关技术研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的迅速发展，用户对带宽的需求越来越高。以成熟的以太网技 术为基础的以太无源光网络e p o n ( e t h e r n e tp o n ) 采用点到多点结构、无源光纤 传输，能够在以太网之上提供多种业务。它综合了无源光网络p o n 技术和以太网 技术的优点，具有成本低、兼容性好、技术成熟、便于维护、承载业务灵活等特 点，成为解决接入网“最后一公里”问题的下一代宽带接入网的最佳方案之一。 由于e p o n 特殊的点到多点的网络拓扑结构，在上行方向各个光网络单元 o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 共享信道带宽，采用时分多址t d m a 的方式发送数 据，因此需要采用媒体接入控制( m a c ) 协议来协调各个o n u 的发送，避免上 行数据的冲突。本论文主要对e p o n 系统的m a c 协议进行了深入的研究，包括多 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 ) 、o a m ( o p e r a t i o n a d m i n i s t r a l i o n m a i n t e n a n c e ) 协议、上行动态带宽分配算法d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ) 的设计等。 在设计动态带宽分配算法的时候，考虑到网络流量的特性，并满足提高系统 的带宽利用率、保证公平性和q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求的目的，本文提出了 一种固定轮询周期的保证q o s 的动态带宽分配算法。此算法将带宽分配过程分为 两部分，首先是光线路终端o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 的优化凋度，即o l t 对 每个o n u 分配带宽，其次是o n u 内部的调度，即在o n u 内部设置优先级队列， 根据业务的q o s 要求将不同业务的数据分配到各个优先级队列中。通过仿真证明， 本算法不仅保证了上行带宽的高效利用率，同时保证了不同业务的q o s ，实现了 设计目的。 最后，根据e p o n 系统的要求，本文提出了e p o n 系统的软件框架设计方案。 根据e p o n 专用芯片的特点，提出了动态带宽分配算法和网元管理系统的设计方 案，对调用芯片a p i 函数扩展动态带宽分配算法进行了详细脱明。本文的最后对 论文的工作和所得到的结论进行了总结。 关键词：以太无源光网络；多点控制协议；o a m 协议；动态带宽分配算法 a b s t r a ( 了 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r e q u e s t s f o r b a n d w i d t ho fu s e r sa r e i n c r e a s i n g e p o n ( e t h e r n e t p a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ) t e c h n o l o g yr e p r e s e n t st h ec o n v e r g e n c eo fm a t u r ee t h e r n e tt e c h n o l o g yw i t hp o n a n di s r e g a r d e da st h eb e s tc a n d i d a t et e c h n o l o g yo fn e x tg e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r kb e c a u s eo f i t sl o w c o s t ，b r o a db a n d w i d t h ，s i m p l em a i n t e n a n c e ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e - t o - c o s tr a t i o a n dp r o v i d i n gm u l t i s e r v i c e s i n c ee p o ni sam u l t i p o i n t - t o p o i n ts y s t e m ，am a j o rf e a t u r ef o rt h i sn e w a r c h i t e c t u r ei st h eu s eo fas h a r e dt r a n s m i s s i o nm e d i ab e t w e e na l lu s e r s ；h e n c e ，m e d i u m a c c e s sc o n t r o la r b i t r a t i o nm e c h a n i s m sa r ee s s e n t i a lf o rt h es u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no f e p o n ：e n s u r eac o n t e n t i o n f r e et r a n s m i s s i o na n dp r o v i d ee n du s e r sw i t ha ne q u a l a c c e s st ot h es h a r e dm e d i a i nt h i sa r t i c l e ，w eg i v ead e t a i l e dp r e s e n t a t i o no fm a c d e f i n e dw i t h i nt h ei e e e8 0 2 3 a ht a s kf o r c e ，i n c l u d i n gm 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 ) ，o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o nm a i n t e n a n c e ( o a m ) a n dd y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o nr d b a ) a l g o r i t h m s t oe f f e c t i v e l ya n df a i r l ya l l o c a t eb a n d w i d t h sb e t w e e ne n du s e r sa n de n s u r eq u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t ，w ep r o p o s ean e wf i x e dc y c l ep o l l i n g d y n a m i c b 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 t h i sp r o p o s e da l g o r i t h mc o n s i s t so ft w op a r t s ：o n ei s s c h e d u l i n gb e t w e e no l t a n do n u ，a n dt h eo t h e ri ss c h e d u l i n gb e t w e e np r i o r i t yq u e u e s i no n u i ti ss h o w e db ys i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h e a l g o r i t h me n s u r e st h eq o so f d i f f e r e n ts e r v i c e sw i t hh i g h e rp r i o r i t ya n dc a ni m p r o v eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n ，m e e tt h e r e q u i r e m e n t o fe p o n s y s t e m a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，w ep r o p o s et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r e f o re p o na c c o r d i n gt ot h ee p o ns p e c i a lc h i p s ，g i v ead e t a i l e dp r e s e n t a t i o no fh o wt o c o n f i g u r eo u ra l g o r i t h m o ne p o n c h i p sw i l ha p i f u n c t i o n s k e yw 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 ；m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l ；o p e r a t i o n a d m i n i s t r a t i o nm a i n t e n a n c e ；d 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 1 i 缩略字表 e p o n a p o n g p o n d b a f r r b f 兀c f r r h d s l o 【j o d n p o s o n u a t m e f m f s a n i e e e o a m a d s l 缩略字表 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 a t mp 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 d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n f i b e rt ot h eb u i d i n g f i b e rt ot h ec u r b f i b e rt ot h eh o m e d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e o p t i c a ll i n et e r m i n a l o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k p a s s i v eo p t i c a ls p l i t e r o p t i c a ln e t w m ku n i t a s y n c h r o n o u st i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g e t h e r n e tf o rt h ef i l s tm j l e f u l 】s e r v i c e sa c c e s sn e t w o r k i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n i n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g n i n e e r s 以太无源光网络 a t m 无源光网络 吉比特无源光网络 动态带宽分配 光纤到大楼 光纤到路边 光线到户 数字用户环路 光线路终端 光分酉a 网络 无源光分路器 光网络单元 异步传输模式 以太第一公里 全业务接入网 国际电信联盟 电气与电子工程师学会 o p e r a t i o n 、a d m i n i s t e r 、m a i n t e n a n c e 运行、管理、维护 a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e r 非对称数字用户环路 v 电子科技大学硕：e 学位论文 h f c c a t v v o l p v o d m a c m d i g m 】i t c p c s p m a p m d s n i u n i m p c p r t t l l i d e m s q o s s l a h y b r i df i b e r c o a x c o m m u n i t y a n t e n n at e l e v i s i o n v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l v i d e oo nd e m a n d m e d i aa c c e s sc o n t r o l m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e p h y s i c a lc o d es u b l a y e r p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t s e r v i c en o d ei n t e r f a c e u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e m u l t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l r o u n dt r i pt i m e l o g i c a ll i n ki d e n t i f i e r e l e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m q u a l i t yo fs e r v i c e s s e r v i c el e v e la g r e e m e n t v i 光纤同轴电缆混合网 共天线电视 互联网电话 视频点播 媒体访问控制 媒体相关接口 千兆比媒质独立接口 汇聚( 子层) 物理编码子层 物理媒质附加( 子层) 物理媒质相关( 子层) 业务节点接口 用户网络接口 多点控制协议 往返时间 逻辑链路标识 网元管理系统 服务质量 服务等级协议 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：么垒日期：上。年岁月z 日 关于论文使用授权的说明 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：丞名导师签名： 李乐氏 日期：l o o l m6 月工日 第章绪论 第一章绪论 接入网技术一直被认为是信息高速公里的“最后一公里”。近年来，信息技术 飞速发展，全球都在致力于研究下一代网络。多数专家认为，下一代网络的基本 特征是宽带化和i p 化。随着d w d m 技术的迅猛发展，骨干网和城域核心网已经 实现了宽带化，而另一方面，当前的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的、原始落 后的模拟系统，传统接入网技术已难以胜任这样的要求。 无源光网络( p o n ) 采用光纤作为传输媒质，没有有源节点，具有对业务透 明、易于升级和运行维护费用低等优点，是三网合一的理想平台。其中e p o n 技 术以其高带宽，能够与i p 业务紧密结合，有效利用已有信息基础设施而减少重复 投资及便于向未来网络升级的诸多优势被认为是下一代网络体系结构中全光接入 网领域的最佳解决方案之一，成为运营商解决“最后一公里”的一种非常经济的 宽带接入解决方案，可以说，e p o n 技术已经成为未来接入网技术的发展方向1 2 】。 1 1 接入网现状及发展趋势 根据g 9 0 2 3 i 建议和我国的接入网体制，接入网是由业务节点接1 2 1 ( s n i ) 和 相关用户网络接口( u n i ) 组成的，为传送电信业务提供所需承载能力的系统，经 q 接口进行配置和管理。因此，接入网可由三个接口界定，即网络侧经由s n i 与 业务节点相连，用户侧由u n i 与用户相连，管理方面则经q 接口与电信管理网 ( t m n ) 相连。接入网是整个电信网的重要组成部分，连接核心网和用户驻地网， 其目标是建立一种标准化的接口方式，以一个可j 监控的接入网络，使用户能够获 得话音，数据，c a t v ，v o d 等综合业务。接入网问题又称为“最后一公里问题”， 也是三网合一的主要难点。目前主流的接入技术包括基于双绞线的x d s l 技术，基 于h f c 网( 光纤和同轴电缆混合网) 的c a b l em o d e m 技术，无线接入技术以及基 于p o n 的接入技术一j 。 1 1 1 基于双绞线的x d s l 接入技术 x d s l 是各种类型的用户线的总称，包括a d s l 、h d s l 、v d s l 、s d s l 、i d s l 等【5 1 ，其中a d s l 技术是目前最诱人的。a d s l 技术的优势是可以充分利用现在的 电子科技大学硕士学位论文 铜缆接入网资源、传输距离也相对较长。但铜线接入网在提供宽带多媒体业务方 面提供的带宽资源不能达到三网合一的要求，并且它的传输速率和距离相互制约； 另外a d s l 的终端设备价格过高，一般用户难以接受。 1 1 2 基于h f c 网的c a b l em o d e m 技术 基于h f c 网的c a b l em o d e m 技术1 6 j 是把光缆接入小区，然后通过光电转换节 点，利用有线电视和总线式同轴电缆网连接到用户，提供综合业务技术。h f c 网 络可以提供的业务有语音、数据传输、电视传输等，基本上综合了当今的新技术。 h f c 宽带网业务关键技术有：数字压缩技术、宽带交换技术、有限制接收系统和 h f c u n 互联技术。其优点是可充分利用有线电视的原有网络，建网快、造价低； 同时由于同轴电缆的带宽较大，可作为宽带综合业务的接入平台。h f c 是一种被 有线电视运营机构看好的技术。但h f c 的缺点是：h f c 采用的是模拟频分多路复 用技术，而主干网络采用的是数字技术，增加了同步、网管和信令等技术上的难 度；采用树状拓扑结构，h f c 的保密性能不够理想，上行带宽不足，同时易产生 上行信号的噪声积累，影响话音质量；现在绝大多数的h f c 都是单向传输的，若 要同时传输话音、数据、图像等信息，必须将其改造成双向传输信道，这需要大 量投资，而在现阶段，过高的成本不能被绝大多数用户所接受。 1 1 3 基于光纤的宽带接入技术 总的说来，目前应用于宽带光纤接入网的技术主要有三种1 7 1 ，它们分别是基于 s d h 的多业务传送技术( m s t p ) 、多业务点对点光端机( p 2 p ) 或称( m c ) 和多业务的 无源光网络技术( p o p 0 。 m s t p 有很高的服务质量，但成本较高，适合对业务质量和安全性等要求非常 高的大用户，不适合普通家庭用户。 多业务点对点网络光端机的星状网络拓扑与环形骨干网络配合非常有利，成 本优势突出，但需要占用大量光纤，不适合大多数用户的普遍接入。 基于无源光网络i ”( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 的宽带接入技术属于光纤 接入技术的一种。无源光网络是一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和 雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维 护成本。无源光网络在接入网技术中占据了主要地位，有很大的发展前景，它被 人们认为是未来光纤到户( 兀t h ，f i b e r t o t h e h o m e ) 的最佳方案。现有的p o n 2 第一章绪论 技术主要包括：a p o n ( 基于a t m 的无源光网络) 、g p o n ( 基于千兆以太网的无 源光网络) 、e p o n ( 基于以太网的无源光网络) 。 a p o n 即a t m p o n ”，是基于a t m ( 异步转移模式) 的p o n ( 无源光网络) 。 这种技术将a t m 和p o n 的优势结合起来，将a t m 作为在p o n 之上的第二层的 帧封装技术，传输速率可达6 2 5 1 5 5 m b p s ，一个a t m 化的无源光网络可以通过利 用a t m 的集中和统计复用，再结合无源分光器对光纤和光线路终端的共享作用， 使成本可望比传统的以电路交换为基础的p d h s d h 接入系统低2 0 4 0 ，目 前己有商用设备问市。a p o n 能实现网上的设备共享，业务透明，可以支持良好 的网络管理系统，实现多种业务的综合，这使它成为一种比较典型的 n t c 兀可b ，兀t h 式的光纤接入网。但由于a p o n 存在协议复杂度高和数据传输 效率低等问题，始终没有得到广泛的应用。 g p o n ”】( g i g a b i tp o n ) f s a n 组织于2 0 0 1 年丌始起草的传输速率超过1 g b p s 的p o n 标准。g p o n 的主要技术特点是采用全新的传输汇聚层协议“通用成帧协 议”( g f p ，g e n e r i cf r a m i n gp r o t o c 0 1 ) ，实现多种业务码流的通用成帧规程封装， 另一方面又保持了g 9 8 3 中与p o n 协议没有直接关系的许多功能特性，如o a m ( 运行、管理、维护) 管理，d b a ( 动态带宽分配) 等。g p o n 对不同的业务需 求对应于不同的系统容量，g p o n 的帧结构不基于任何指定类型的格式，而是基 于各种用户信号原有的格式进行封装。因此，它不但能提供高速的比特率，而且 可以支持多种接入业务，特别是能够有效的支持原有格式的数据流量和t d m 业 务，所以它的出现引起了业界的广泛关注。 e p o n ( e t h e r n e tp o n ) 是i e e e 组织“以太网第一公里( e f m ) ”研究组与2 0 0 0 年1 1 月提出的接入技术，并于2 0 0 4 年6 月，i e e e 一致同意将i e e e8 0 2 3 a he p o n 协议方案正式批准为该组织的标准之一。e p o n 技术是以太网技术和p o n 技术的结 合。在e p o n 系统中，数据采用i e e e8 0 2 3 以太网协议，最小程度地扩充以太网 m a c 协议，传送的是可变长度的以太网数据帧，最长是1 5 1 8 字节，最短是6 4 字节。 e p o n 技术是性价比较高的宽带接入技术，也是f t t c f t t h 的最佳候选技术之一。 表1 - 1 对e p o n 、g p o n 和a p o n 三种技术的主要参数进行了比较。 表1 - 1e p o ng p o na p o n 主要参数列表 i e e ee p o ni t u - tg p o n i t u ta p o n 下行线路速率( m b s ) 1 2 5 0 1 2 4 4 2 4 8 81 5 5 6 2 2 1 2 4 4 电子科技大学硕士学位论文 上行线路速率( m b s ) 】2 5 0 1 5 5 6 2 2 ，1 2 4 4 2 4 8 8 1 5 5 ，6 2 2 线路编码8 b 1 0 b n r z ( 扰码1n r z ( 扰码1 最小分路比f r cl e v e l l 1 66 4 3 2 擐大分路l l ( t cl e v e l ) n a 1 2 86 4 t c 层支持最大逻辑0 5 m 1 0 k m 2 0 k m2 0 k m 传输距离 0 5 m 2 0 k m 数据链路层协议 e t h e m e ie l h e m e t ，a t ma t m p o n 支持最大业务流 d e po bl l i d s o n u 4 0 9 62 5 6 下行数据流加密 未定义a e s c h u r n i n g a e s 针对g p o n 和e p o n 技术的不同特点，可以对这两种技术做出以下分析。 11g p o n 支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，上行不一定要支 持1 g b i t 以上的速率，因此与e p o n 只能支持对称1 g b i t 的单一速率相比，g p o n 在光器件的选择上余地更大，从而可降低成本。 21 从协议上比较，e p o n 标准是以8 0 2 3 体系结构为基础，因此与g p o n 标 准相比其协议分层更简单，系统实现更容易。更鉴于目前以太网芯片的成熟性， 其系统成本更低。 3 ) i t u 在制定g p o n 标准过程中沿用了a p o n 标准g 9 8 3 的很多概念，与 e f m 制定的e p o n 标准相比其标准更完善。但由于其增加了t c 子层，因此也相 应增加了一定的开销，这在一定程度上违背了希望能够借助e t h e r n e t 技术简单、经 济的特点这一初衷。因此规定一个高效率的t c 层机制将成为i t u 在制定g p o n 标准中的一个关键。 4 ) g p o n 标准规定t c 子层可以采用a t m 和g f p 两种封装方式，其中g f p 封装方式适于承载i p 等基于包的高层协议，但对于为了支持a t m 业务而定义的 a t m 封装方式在以e t h e r n e t 为基础的g p o n 系统中是否合适，还有待商榷。 51 在e t h e r n e t 上承载t d m 业务的技术并不成熟，很难满足电信级的q o s 要 求。因此e p o n 为了能够承载t d m 业务和话音业务必须设计新的m a c 机制并增 加新的软硬件。而g p o n 由于其设计的t c 予层结构和a t m 封装方式，并采用了 1 2 5 t t s 的i 帧长及定时机制，能够比较容易的支持t d m 业务和话音业务。 4 第一章绪论 1 1 4 无线接入技术 无线接入技术1 1 2 】是指接入网的某一部分或者全部使用无线传输媒质，向用户 提供固定和移动接入服务的技术。无线接入系统主要由用户无线终端、无线基站、 无线接入交换控制器以及与固定网的接口网络等部分组成。无线接入方式的分类 方法有很多，根据多址方式可分为f d m a 、t d m a 、c d m a ；根据用户是否移动 可分为固定无线接入和支持用户低速移动的移动无线接入：根据所使用的网络技 术可分为蜂窝、无绳电话、集群以及卫星等接入方式。无线接入的优点是可以提 供一定程度的终端移动性，丌设速度快，投资省，缺点是传输质量不如光缆等有 线传输方式，适用于移动宽带业务的无线接入技术尚不成熟。 1 2e p o n 技术优点 经过以上介绍，可以得出e p o n 相对于其它接入方式具有以下显著特点i ”l ： 11 基于l p 及以太网技术：未来的网络必定是基于i p 或以太网的，经由e p o n 传输i p 包是最好的方案。 21 低建设成本：显著减少光纤、光收发模块、中心局设备的数量：另外，e p o n 的基础是以太网，而以太网是当今和未来世界上使用最广泛的网络技术，其相关 器件、设备价格最低。用e p o n 作接入网，成本低、通用性好，免去了l p 数掘传 输的协议和格式转换，效率高，管理简单。局端( o u l ) 与用户( o n u ) 之间仅有光纤、 光分路器等光无源器件，无需租用机房、配备电源，因此可有效节省运营维护成 本； 31 解决远端用户的接入问题：e p o n 可以达到2 0 k m 的传输距离，避免了传 统传输介质f 如双绞线、五类线、c a b l e 等) 的距离瓶颈问题； 41 支持多种业务：由于e p o n 系统建立在i p 的技术上，因此，e p o n 系统支 持各种以i p 技术为基础的网络服务，使广电网、电信网、互联网的融合也成为现 实。 5 ) 解决终端用户的带宽瓶颈：e p o n 可以为用户提供几十兆甚至千兆的上下 行对称带宽，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的 变化动态分配带宽，从而可以作为用户的终极接入方式。 电子科技大学硕士学位论文 1 3e p o n 技术的发展趋势 尽管多家国际研究咨询机构对f t t h 的前景保持相当乐观的态度，均认为 2 0 0 5 2 0 0 8 年是f t t h 技术快速应用和推广的几年，但是不可否认，目前许多国家 的运营商对实现f t t h 商用以及大规模推广还是心存疑虑，因而大都采取了“积极 试验、谨慎部署”的策略。 日本是目前f t t h 应用开展最积极的国家，由于市场竞争激烈以及政府政策鼓 励，日本各大运营商相继大规模推广f t t h 应用，据日本总务省统计，截至2 0 0 4 年7 月，日本f t t h 用户已经突破1 3 0 万，预计在2 0 0 5 年达到4 5 0 万。日本f t t h 开展的业务可分为高速数据、高速数据+ 语音和高速数据+ 语音十视频三种类型，体 现了f t t h 业务发展的趋势三网合一。在技术选择方面，日本宣布放弃早期采 用的m c 方式转而大力推广使用p o n 尤其是a p o n 和e p o n 技术。在a d s l v d s l 非常 普及的韩国，根据其政府“i t 8 3 9 战略规划”在2 0 0 3 年宣布将逐步发展f t t h 替代 现有的d s l 网络，计划2 0 0 5 年推广3 0 万f t t h 用户，到2 0 0 7 年使f t t h 家庭普及 率超过7 0 。 在欧洲和北美地区，美国、荷兰、瑞典等固运营商均开始选择p o n 技术开展 小规模的f t t h 应用试验，但与日本和韩国不同的是，欧洲和北美运营商更倾向于 选择g p o n 技术而不是e p o n 技术来实现f t t h 应用。造成技术选择差异的原因一方 面是欧洲和北美运营商受i t u t 和f s a n 影响巨大，a t m 网络基础较好，另一方面 是欧洲和北美运营商更注重具有q o s 保证的全业务接入能力，g p o n 比e p o n 更能满 足他们的需求。 我国的f t t h 应用还处于起步阶段，发展比较缓慢，不论是主流电信运营商还 是新兴接入提供商，对f t t h 均还没有进入真正的实施阶段。政府相关主管部门也 还未就f t t h 的发展与推广制定系统的政策措施。中国电信和中国网通两大固网运 营商首先在北京、上海和武汉等大城市的新建高级住宅区开展了一些小型的f t t h 商业试验，主要向用户提供高速数据和i p t v 等服务。 从目前各国已经铺设的f t t h 网络来看，运营商向用户首先也是最主要提供的 业务类型仍然是普通i n t e r n e t 数据业务，电路方式的语音业务由于技术实现复杂 并且成本相对昂贵目前很少提供给普通用户，v o l p 业务在中国由于受到政策的限 制也面临困境，而c a t v 业务由于节目源的限制也很难由电信运营商来独立提供。 针对目前的应用环境，同时考虑到国际标准仅规范了e p o n 承载i p 业务的实现方 式，设备制造商现阶段为f t t h 网络所提供的设备在业务承载能力上还比较单一， 第一章绪论 只能提供i p 数据业务，尤其是采用商用：占片实现的系统，下阶段计划通过v o i l 的方式提供语音业务。目前有少数厂商的f t t i - i 设备可向集团用户提供e 1 业务。 1 4 课题来源及本文主要工作 1 4 1 课题来源 “e p o n 系统的研究和实现”是四川i 汇源光通信公司研发中心没立的研究课 题，研究成员包括四川汇源光通信公司技术总监聂为清博士，四川汇源光通信公 司研发中心宋昌林博士、余健工程师，电子科技大学通信学院光纤重点实验室研 究生实习生6 人，共9 人。 课题组从2 0 0 4 年1 月份开始进行前期的资料采集，和基础知识补充，从2 0 0 4 年7 月起开始进入正式研发，到2 0 0 5 年7 月为课题第一阶段。 1 4 2 本文主要工作 本文主要完成了以下工作： 11 对e p o n 系统、帧结构以及e p o n 系统m a cy j , 议进行了具体分析； 21 在对比现有e p o n 上行接入算法的基础上，结合e p o n 系统多业务接入的 特点，提出一种改进的固定轮询周期保证q o s 的动态带宽分配算法，并通过仿真 实验证明此算法的可行性和有效性； 3 、结合e p o n 专用芯片特点，提出e p o n 系统软件整体框架设计方案，在芯 片上完成动态带宽分配算法。 1 4 3 论文结构以及内容安排 宽带接入是目前接入网的重点。本文第一章简述了论文工作的研究背景，介 绍了接入网几种类型，分析了几种p o n 接入网异同，讨论了e p o n 系统的市场前 景并阐述了本论文的课题来源、主要工作及论文结构。第二章介绍了e p o n 系统 的结构并讨论了协议参考模型、工作原理以及e p o n 的帧结构。第三章结合i e e e 8 0 2 3 a h 标准分析e p o n 中的m a c 层协议并重点研究了m p c p 子层和o a m 子层 的特点，分析了现有的e p o n 上行接入算法的优缺点，并在此基础上提出改进的 l 乜子科技大学硕七学位论文 动态带宽分配算法。第四章通过仿真实验模拟e p o n 系统，对改进的算法进行了 可行性仿真，并与其他算法进行性能比较。第五章介绍了e p o n 专用芯片上的软 件整体结构框图，利用芯片提供的a p i 函数在芯片上完成动态带宽分配算法。最 后是全文总结以及未来研究方向。 第二章e p o n 系统及其相关技术 第二章e p o n 系统及其相关技术 随着网络的不断发展，接入网的数字化、宽带化、智能化是解决目前矛盾， 提高网络利用率的关键。e p o n 基本构想是将成熟的以太协议引入p o n 系统，以 提高效率，降低设备成本。但是其结构、 的从系统结构、传输帧类型、分层模型， 修改进行了相关的讨论。 工作原理却与以太网不相同。本章详细 以及8 0 2 3 a h | 力、议在8 0 2 3 协议上的部分 2 1e p o n 系统结构 典型的e p o n 系统结构如图2 1 所示。 图2 - - 1e p o n 系统结构 和其它p o n 结构一样，e p o n 也是由光线路终端( o l t ) 、光网络单元( o n u ) 以及光分布网络( o d n ) 等单元构成的点到多点单纤双向系统。其中o l t 位于局 端，o n u 位于用户端1 1 5 】。在下行方向( o l t 到o n u ) ，o l t 发送的信号通过一个 1 ：n 的无源光分路器( 或者几个光分路器的级联) 到达各个o n u 。在上行方向， 一个o n u 的发送信号只会到达o l t ，而不会达到其他o n u 。为了避免数据冲突 并提高网络利用率，上行方向采用t d m a 方式并对各个o n u 的数据发送进行仲 裁。o d n 在一个o l t 和一个或者多个o n u 问提供一条或者多条光通道，每个通 道被限制在一个特定波长窗口内，上行使用1 2 6 0n m 1 3 6 0n n l 波长，下行使用1 4 9 0 l h 子科技大学硕士学位论文 n m 1 5 0 0n m 波长，如果实现c a t v ，则可以使用1 5 5 0n m 1 5 6 0n m 波长。 e p o n 系统可能承载的业务类型包括i p 业务、t d m 业务和c a t v 业务等，其 中t d m 业务包括语音业务和数据专线业务。对于不同的网络结构，e p o n 系统可 具有不同的业务承载能力。对于f 1 t b c 网络结构，e p o n 系统应具有同时承载】p 业务和t d m 业务( 语音业务或数据专线业务) 的能力，可选支持c a t v 业务；对 于f 1 t h 网络结构，e p o n 系统应具有承载i p 业务和语音业务的能力，可选支持 数据专线业务和c a t v 业务。随着i p t v 视频组播、点播业务的全面展丌，e p o n 也需要支持这类实时业务。这类业务对接入网提出了更高的带宽需求，标清i p t v 带宽至少需要2m b i t s 以上，高清i p t v 带宽至少需要6 8m b i t s 以上( m p e g 4 视频格式) 。 在e p o n 系统中，o l t 既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台， 它提供面向无源光纤网络的光纤接口。根据以太网向城域和广域发展的趋势，o l t 上将提供多个g b i t s 和1 0 g b i t s 的以太接口，支持w d m 传输。如果需要支持传 统的t d m 话音，普通电话线和其他类型的t d m 通信( t 1 e 1 ) 5 以被复用连接到附 接口，o l t 除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的q o s s l a 的不 同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。 o d n 由无源光分路器( p o s ) 和光纤构成，它完成下行光信号的分配和上行信号 的集中，是一个连接o l t 和o n u 的无源器件。 e p o n 中的o n u 采用了技术成熟而又经济的以太网协议，在中带宽和高带宽 的o n u 中实现了成本低廉的以太网第二层第三层交换功能。这种类型的o n u 可 以通过层叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。因为都使用以太协议，在通 信的过程中，就不再需要协议转换，实现o n u 对用户数据的透明传送。o n u 也 支持其他的传统的t d m 协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。在更高带宽的 o n u 中，将提供大量的以太接口和多个t 1 e l 接口。 网元管理系统管理e p o n 中的o l t 和所有的o n u ，并提供与业务提供者核心 运行网络的接口。网元管理范围有故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和 安全管理等。它通过简单网络管理协议( s n m p ) 对e p o n 中的各个网元进行管理， 使整个系统能正常高效地运行，当出现故障时能及时报告和处理，并协调保持系 统的正常工作，从而使e p o n 中的资源得到更加有效的利用。 在下行链路上，o l t 以广播方式发送以太网数据i | ! 【 i 。通过i ：n 的无源分光器， 1 0 第二章e p o n 系统及其相关技术 数据帧到达各o n u ，o n u 通过检查接收到的数据帧的目的l l i d 地址和帧类型来 判断是否接收此帧。 上行链路上，各o n u 的数据帧以突发方式通过共同的无源分配网传输到o l t ， 上行数据采用t d m a 方式，各个o n u 在o l t 分配的不同时隙中，将数据帧发送 到o l t 。o l t 采用m p c p 协议，通过请求授权机制来实现上行带宽的分配。 2 2e p o n 系统分层模型 图2 2 描述了e p o n 系统的协议分层以及与o s i 参考模型之间的关系f 1 6 1 。i e e e 8 0 2 3 a h 协议修改了8 0 2 3 协议的物理层和数据链路层结构。物理层( p h y ) 包括 媒体相关子层( p m d ) 、媒体附加子层( p m a ) 、媒体编码子层( p c s ) 以及调和 子层( r s ) ，其中r s 与p c s 通过千兆媒质无关接口( g m i i ) 链接。数据链路层 增加了多点控制协议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 ) 子层和o a m 子层。o a m 即运行( o p e r a t i o n s ) 、管理( a d m i n i s t r a t i o n ) 、维护( m a i n t e n a n c e ) ，通过o a m 可 以创建、删除、查询o a m 下的各设备的配置、启动、终止或测试设备的运行，以 及接收从设备发出的告警等事件通知。 l 。a n 分层 图2 - 2e p o n 系统分层模型 电子科技人学硕十学位论文 因为i e e e8 0 2 3 协议定义的以太网只支持点到点传输模型和共享传输模型， 不支持点到多点的传输模型。为了支持e p o n 的点到多点的传输模式，i e e e 8 0 2 3 a h 协议用点到点仿真点到多点的传输，即在o l t 上设置多个m a c ，每个 m a c 和一个o n u 的m a c 对