（电磁场与微波技术专业论文）epon动态带宽分配算法的研究.pdf

独创性( 或烈薪性) 声明 本入声明所呈交的论文燕本人在辩师指导下迸干亍的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他入己缎发表溅撰写过翡研究成桑，也不包含为获得北京邮电大学或其健 教育机构的学位或证粥而使用过的材料。与我同工 乍的同志对本研究所做的任 何贡献筠己在论文中伟了萌确的说明并袭示了滏恚。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本入签名：硷趁 舀麓：至童! 兰：堇! ： 关予论文谴_ 鬻l 授投鹣诞臻 学位论文作者完全了解j e 寐邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 辑究囊在校玫溃学位期海论文王 睾静箱谈产投肇使藩憩寨鄄彀大学。攀校毒投缣 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 耀；学校虿戳公寿学键论文熬全罄或懿分内容，霹秘龛诲采弱影印、缭露或箕它 复制乎段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 缳密论文注释：零学位论文属于爨密在一每解密矮适曩零授权书。攀绦密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：鲴：蟊曩期：2 竺! 墨i ：曼! ： 导师签名：圣殷i 也 r 艄： 绽! ! ：i ：竺 e p o n 动态带宽分配算法的研究 撼要 以太无源光网络( e p o n ) 是在无源光网络上承载以太网帧的一 种接入技术。e p n 采焉煮翻多煮的丽络结构，无源光纤传输方式； 结合了光纤强大趣传输能力程e 魄e m e t 篱单、廉价夔特点，以在以 太网上提供多种类型业务。e p o n 建立在l t u 为a p o n 制定的g 9 8 3 标准的簇础上。2 0 0 0 年1 1 月美国i e e e8 0 2 局域网城域网标准委员 会戒立了8 0 2 3e f m ( e 醢瑶m e ti nt h ef i r s tm i l e ) 工作组，致力予e p o n 搴系娥范憋搽准化，小组的工作重点是参照f s a n 魄有关爽容集中开 发e p c i n 的m a c 协议。 本文首先论述了e p o n 的系统结构和工作原理。豳于e p o n 上 行方囊是多个耀户戳t d m a 方式争震传输信道，丽每个o n u 静带宽 震求都是实时变纯的，所以必须粟鼹动态繁宽分配技本。动态繁宽分 配技术是m a c 层技术关键，它直接关系到上行信道的利用率和数据 时延。另外，动态带宽分配所其有的灵活性为进行服务水平协商 ( s l a ) 提供了缀照的实蠛途径。 接着分绍了e p 蛾动态带宽分配密切槌关的协议：m p c p 按议秘 实现q o s 相关的协议。e p o n 的m p c p 协议规定了o l t 与递接到点 猁多点p o n 上的多个o n u 之间的控制机制，以确保上行方向数据 靛膏效传输。带宽分配裰据窃u 麓需求鑫。疆集中控翻。嚣擎c n 的 带宽分配需要考虑如何为各种业务类型提供相应的服务，通过在 m a c 层中实现8 0 2 1 p 协议来提供与a p o n 类似的q o s 。按照d i f f s e r v 模型，通过改变以太网的帧结构，在帧头中增加一定的区域，实现对 业务分级的支持。 本文的主要内容是对e p o n 动态带宽分配方法的研究。动态带宽 分配设计的具体要求有：业务透明：高带宽利用率：低时延和低时延 抖动：公平分配带宽，健壮性好，实时性强。聊o n 动态带宽分配采 用集中控制方式：所有的o n u 的上行信息发送，都要向o l t 申请带 宽，o l t 根据o n u 的请求按照一定的算法给予时隙占用授权，o n u 根据分配的时隙发送信息。 带宽分配策略可以分为自适应式以及请求一应答式。其中基于请 求一授权的轮询带宽分配策略是当前研究的重点。轮询方法可以分为 非固定周期轮询和固定周期轮询。论文在深入的理论研究的基础上详 细介绍了各种分配方案的特点并且分析了它们的优点和有缺陷的方 面。在此基础上提出了一种改进的混合时隙带宽分配方法，并对其性 能进行了讨论。另外，论文概括了为提高e p o n 动态带宽分配性能所 提出的其他方面的考虑和设想，对当前研究中的动态带宽分配策略进 行了较为全面的总结。 关键词：e p o n 动态带宽分配q o s m p c p t h er e s e a r c ho fd y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o na l g o r i t h mi ne p o n a b s t r a c t e t h e r n e t b a s e dp a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k( e p 0 n ) ，a p o i n t t o m u l t i p o i n to p t i c a la c c e s sn e t w o r k ，i st h ek e yt e c h n o l o g yf o rn e x t g e n e r a t i o n a c c e s sn e t w o r k s i ti sl o wc o s ta n dh a sm i n i m a lp r o t o c o l o v e r h e a d e p o n sb u i l do nt h ei n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ( i t u ) s t a n d a r dg 9 8 3f o ra s y n c h r o n o u st r a n s f e r m o d ep o n s ( a p o n 、 t h es t a n d a r do f e p o ni si e e e8 0 2 3 a h i nt h i s p a p e r ，f i r s t l yw es t u d yt h et h e o r ya n da r c h i t e c t u r e o ft h e e p o n s i n c et h eo n u ss h a r et h es a m eo p t i c a lc h a n n e lf o r u p s t r e a m t r a n s m i s s i o n ，t h eo l tm u s ts c h e d u l et i m e s l o t sf o rt h eo n u st ot r a n s m i t d a t a t h em e d i aa c c e s sc o n t r o lf m a c ) p r o t o c o lm u s ta c h i e v en e t w o r k e f f i c i e n c y a n dm e e tv a r i o u s q u a l i t y o f s e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s d y n a m i c b a n d w i d t h a l l o c a t i o n ( d b a ) i s t h ek e y t e c h n o l o g yf o rt h em a c p r o t o c 0 1 t h e nw es t u d yt h em p c p ( m u l t i p l ep o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) a n d o t h e rp r o t o c o l sf o rt h eg u a r a n t e eo fq o si ne p o n a t i e rd i s c u s s i o no f t w ot y p i c a ld b a a l g o r i t h m ，w ep u tf o r w a r dan e wb 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 ma n da n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo f t h en e wa l g o r i t h m a tl a s tw e g i v e ab r i e f s u m m a r y k e yw o r d s ：e p o nd b a q o s m p c p 1 1 引言 第一章绪论 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。全球范围内i p 业务 有了突飞猛进的发展，其中北美骨干网上的业务量已达到了6 9 个月左右就翻 一番的地步，而且迄今没有减缓的迹象。传统电话网将不可避免要过渡到以数据 业务特别是i p 业务为中心融合的下一代电信网，这种下一代电信网的基本特征 将是宽带化和i p 化。 从核心网看，目前应用s d h 技术全世界已敷设了大约8 0 万个网元，其速率 已高达1 0 0 g b s 。近年来，由于波分复用的应用网络链路容量有了新的突破性 进展，目前单对光纤的实际商用系统传输容量己达3 2 0 g b s ( 2 1 6 1 0 g b s ) 和 1 0 0 g b s ( 4 0 x 2 5 g b s ) ，实验室已完成1 t b s ( 1 0 0 x 1 0 g b s ) 的试验。另一方面， 网络节点( 无论是交换机还是高性能路由器) 的吞吐量均已突破6 0 8 0 g b s ， 总吞吐量超过1 1 b s 的高性能路由器也己问世。 从用户侧来看，终端的速率也在突飞猛进，其中c p u 的性能每1 8 个月就翻 一番。而i p 协议已明显成为主导通信协议。在1 9 9 8 年年底发达国家的企事业用 户使用i p 通信协议的已达7 0 8 0 。对于普通居民用户群，因特网业务正成 为日益重要的接入业务，从电子邮件到w e b 浏览乃至视频业务，带宽要求正以 几倍几十倍的速度增长。 相对于核心网和用户侧的快速发展，连接两者的接入网仍停留在窄带水平和 以电路交换为基础的框架之内，成为限制网络宽带化和碑化的接入瓶颈。所以， 接入网的宽带化和i p 化将成为未来接入网发展的主要技术趋向。 目前。位于局端和用户侧之间的接入网部分主要的传输媒介还是铜线。约 占9 4 , 2 e 右，携带的业务主要是电话业务。铜缆网的故障率很高，维护运行成本 也很高，对于新业务特别是多媒体和宽带新业务的支持存在很多问题。 而光接入网技术，、可以有效降低维护成本、支持新业务，也可以节约城市拥 挤不堪的地下管道空间延长传输覆盖距离，适应扩大的本地交换区等其他目的， 把接入网的宽带化数字化进一步推向用户。采用光接入网已经成为解决电信发展 瓶颈的主要途径。 7 所谓光接入网( o a n ) 就是采用光纤传输技术的接 、网，泛指本地交换机 或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，o a n 指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来 应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。 根据接入网室外传输设施中是否含有源设备，o a n 又可以划分为无源光网 络( p o n ) 和有源光网络( a o n ) ，前者采用光分路器分路，后者采用电复用器 分路，两者均在发展，但多数国家和国际电联标准部( r r u - t ) 更注重推动p o n 的发展，丌u t 第1 5 研究组已于1 9 9 6 年6 月通过了第一个有关p o n 的国际建 议( 3 9 8 2 。 i t u - t 建议g 9 8 2 提出了一个与业务和应用无关的光接入网功能参考配置示 例。尽管图示参考配置是以无源光网络( p o n ) 为例的，但原则上也适用其他配 置结构，例如将图1 1 中无源光分路器用电复用器代替就成了有源双星形结构。 ( t ) 参考点( a ) 参考点 u l m 图l - 1o a n 的参考配置 ( v ) 参考点s n i 从给定网络接口( v 接口) 到单个用户接口( t 接口) 之间的传输手段的总 和称为无源光接入链路。光接入网( o a n ) 可以定义为共享同样网络侧接口且 由光接入传输系统支持的一系列接入链路，由光线路终端( o l t ) 、光配线网 ( o d n ) 、光网络单元( o n u ) 及适配功能( a f ) 组成，可能包含若干与同一 o l t 相连的o d n 。 o l t 的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并经一个或 多个o d n 与用户侧的o n u 通信，o l t 与o n u 的关系为主从通信关系。o l t 可以分离交换和非交换业务，管理来自0 n u 的信令和监控信息，为0 n u 和本 身提供维护和供给功能。 o d n 为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率 的分配。无源光网络的o d n 是由无源光元件( 诸如光纤光缆、光连接器和光分 路器等) 组成的纯无源的光配线网，呈树形一分支结构。 o n u 的作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于o d n 的用 户侧。o n u 的主要功能是终结来自o d n 的光纤处理光信号并为多个小企事业用 户和居民住宅用户提供业务接口。o n u 的网络侧是光接口而用户侧是电接口， 因此o n u 需要有光电和电，光转换功能，还要完成对语声信号的数模和模，数转 换、复用、信令处理和维护管理功能。按照o n u 在用户接入网中所处的位置不 同，可以将o a n 划分为三种基本不同的应用类型，即光纤到路边( f t t c ) ，光 纤到楼( f t t b ) 以及光纤到办公室( f t t o ) 和光纤到家( f t t h ) 。 1 3 本文的主要工作 e p o n 是光接入网的一种重要技术，以其高带宽、易维护和廉价等优势成为 接入技术的一个发展趋势。为了适应不同用户的各种业务需求，e p o n 必须能够 支持业务q o s 需求，并且利用动态带宽分配提高上行带宽的利用率，为用户提 供更好的服务。 本文首先论述了e p o n 的系统结构，参考模型分层，上下行传输原理以及 实现e p o n 的关键技术，如测距、系统同步、o n u 自动识别以及动态带宽分配 等。并论述了进行动态带宽分配的重要性。 接着介绍了e p o n 动态带宽分配密切相关的协议：m p c p 扔议和实现q o s 相关的协议。讨论了m p c p 协议的实现过程以及用于动态带宽分配的重要的两 个捎恩g a t e 和r e p o r t 。讨论了q o s 实现相关的8 0 2 1 p 和8 0 2 1 q 协议以及区 分服务模型d i f f s e r v 模型。由于a p o n 的带宽分配有着较长的研究时间，技术比 较成熟，所以作为借鉴论文介绍丁a p o n 的两种动态带宽分配方案：最小分配 法和最少业务量损失法。e p o n 带宽分配与a p o n 带宽分配的最大区别在于数据 包长度方面的考虑。a p o n 承载的是固定长度的a 蹦信元，e p o i n 承载的是可 变长度的以太网数据包。 本文的主要内容是对e p o n 动态带宽分配方法进行研究。e p o n 动态带宽分 配采用集中控制方式：所有的o n u 的上行信息发送，都要向o l t 申请带宽， o l t 根据o n u 的请求按照一定的算法给予时隙占用授权，o n u 根据分配的时 隙发送信息。论文论述了e p o n 的带宽分配策略。可以分为自适应式以及请求 一应答式。其中基于请求一授权的轮询带宽分配策略是当前研究的重点。轮询方 法可以分为非固定周期轮询和固定周期轮询。论文在进行深入的理论研究的基础 上详细描述了各种分配方案的特点并且分析了它们的优点。提出了分段式混合时 9 隙带宽分配算法。另外，论文概括了为提高e p o n 动态带宽分配性能所提出的 其他方面的考虑和设想，如带宽分配的策略、对于测距的考虑、数据块整合以及 分组重新排序等，对当前研究中的动态带宽分配策略进行了较为全面的总结。 第二章e p o n 技术概述 目前，主要的p o n 技术有：g p o n 、a p o n 和e p o n 等。其中g p o n 是采 用g f p ( g e n e r i cf r a m i n gp r o c e d u r e ) 作为服务承载的通信协议，支持固定的或 多种长度的帧结构。a p o n 承载的是a t m 信元。e p o n 是以太网技术与p o n 技 术的完美结合。由于用户驻地网的开益i p 化趋向，使用e p o n 可以无需协议转 换实现用户驻地网与骨干传输网的无缝连接。 e p o n 和a p o n 的主要区别是：在e p o n 中，根据i e e e8 0 2 3 以太网协议， 传送的是可变长度的数据包，最长可为1 5 1 8 个字节；而在a p o n 中，根据协议 的规定，传送的是包含4 8 个字节的净荷和5 字节信头的5 3 字节的固定长度信元。 很显然，a p o n 系统不能直接用来传送i p 业务信息。要求将待传数据分割成可 变长度的数据包，最长可为6 5 5 3 5 个字节。a p o n 如要传送i p 业务，必须把i p 包按每4 8 字节为一组拆分，然后在每组酊附加上5 字节的信头，构成一个个a t m 信元。这个过程除费时外，还增加了o l t 和o n u 的成本，而且字节的信头也是 对带宽的一种浪费。与此相反，以太网适合携带i p 业务，与a t m 相比，极大地 减少了开销。由于成本问题以及以太网的高速发展，a p o n 技术正逐渐被e p o n 技术所取代。 2 1e p o n 结构 一套典型的e p o n 系统由o l t ( 光线路终端) ，0 n u ( 光网络单元) p o s ( p a s s i v eo p t i c a ls p l i t t e r 无源分光器) 和e m s ( 网元管理系统) 组成。o u 位 于根节点，是一个交换机或路由器，通过o d n ( 光配线网) 与各个o n u 相连， 在下行方向，o u 提供面向无源光纤网络的光纤接口：在上行方向o l t 提供 g e ( g i g a b i te t h e r n e t ) 接入。将来1 0 g b i t s 的以太网技术标准定型后，o l t 也会 支持类似的高速接口。为了配合其他流行的协议，o l t 还可支持a t m ，f r 以及 o c 3 ，1 2 4 8 九9 2 等速率的s d h ，s o n e t 的接口标准。o l t 通过支持e 1 接口来实 现传统的t d m 话音接入。在e p o n 的统一网管方面，o l t 是主要的控制中心， 实现网络管理的主要功能。 p o s 是无源光纤分支器，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。o n u 放在用户驻地侧，接入用户终端。 典型的e p o n 系统结构如图2 - l 所示： 图2 1e p o n 系统结构 e p o n 使用的无源器件有完成光分配的单模光纤光缆、无源光分配器耦合 器和连接器等；e p o n 使用的有源部件有光线路终端( o l t ) 和多个o n u 。o l t 位于局端，o n u 位于用户端。o l t 发出的下行光信号经p o n 中的1 ：n 光分配 器分成n 路光信号，在多根光纤中传输，如图所示。相反，o n u 发出的上行光 信号经p o n 中的1 ：n 光分配器合路成路光信号，在一根光纤中传输给o l t 。 e p o n 的层次模型按照2 0 0 3 年1 0 月发布的i e e e8 0 2 3 a hd r a f t2 1 【1 1 规定如 下： o s i 参考模型分层 幽2 - 2e p o n 参考模型分层 从物理层上看，e p o n 从电气特性、机械特性、规程特性、功能特性等四大 功能基本上采纳了e t h e m e t 的标准，确切的说，应该是g e ( 千兆以太网) 的标 准。包含p h y ( p h y s i c a ll a y e rp r o t o c 0 1 ) 和p m d 物理媒质子层( p h y s i c a l m e d i u m d e p e n d e n c ep r o t o c 0 1 ) 两大予层功能。g e 的p m d 标准中总共有l h ( l o n g h a u l ) 、 l x ( l o n gd i s t a n c e ) 和s x ( s h o r td i s t a n c e ) 共三种。由于s x 的驱动距离比较 短，因此在e p o n 里主要是采用了l h 和l x 的p m d 标准。 从数据链路层看，该层分为l l c ( l i n kl a y e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和m a c 两 大部分。l l c 主要体现为8 0 2 2 ，m a c 在8 0 2 的标准中有8 0 2 3 ( c s m a c d ) 、 8 0 2 ，4 ( t o k e nb u s ) 、8 0 2 5 ( t o k e nr i n g ) 等。 e p o n 在数据链路层上，采用了基于t d m 思想的控制协议。通过对时间进 行分片，然后将不同的时间片指定给不同的o n u 设备使用，从而避免数据传输 过程中的冲突问题以及复杂的冲突检测问题。 e p o n 在m a c 层中实现8 0 2 1 p 来提供与a p o n 类似的q o s 。e p o n 就是通 过这些简单成熟的协议来提供声音、视频和数据服务，控制和优化各o n u 与 o l t 之间突发性数据通信和实时的话音通信。e p o n 所要完成的很多关键技术都 在m a c 控制层上完成，它直接连接传统的m a c 芯片，也就是在一般上讲的p o n 传输层完成所有的e p o n 功能，包括测距，带宽分配，时隙分配，信息扰动， 突发同步等。 传输汇聚层负责o l t 和多个o n u 之间在下行方向和上行方向以太网帧的正 确传输，保证o l t 和o n u 的发送和接收机调准在正确的光功率电平上：并控制 每个o n u 的上行传输，避免上行以太网帧的碰撞。 各层完成的功能如图2 3 所示 通道层 i 7 3 2 适配层 i 7 3 2 测距 传输汇聚层信元时隙分配，带宽分配 传输媒质层( t c ) p c i n 传 输层 保密性和安全性 帧定位 突发同步，字节同步，比特同步 物理媒质层电，光适配，波分复用，光纤连接 圈2 - 3e p o n 分层功能 2 2e p o n 上下行传输原理 e p o n 的下行传输原理可以由图2 4 来描述。如图所示数据以广播的方式 把以太网数据帧从o l t 下行到各个o n u ，根据i e e e8 0 2 3 协议，这些数据包不 是定长的，最多为1 5 1 8 个字节。每个数据帧都有唯一的目标地址( m a c 地址) ， 各个o n u 根据自己的m a c 地址码地址与数据帧中的目标m a c 地址相比较， 若一致则接收该数据帧，否则丢弃。如o n u - 1 收到o l t 的广播帧后有选择地接 收目的m a c 地址为o n u j i 的数据帧，丢弃其他的数据帧。此外发给所有o n t o 的数据称为广播帧，发给一组o n u 的数据称为多播帧。 e p o n 下行帧由一个被分割成固定长度帧的连续信息流组成，假设其传输速 率为1 g b i t s ，每帧又携带多个可变长度的数据包( 时隙) ，含有同步标识符的 时钟信息位于每帧的开头，用于o n u 与o l t 的同步，设下行帧每2 m s 发送一 次，同步标识符占1 个字节。按照i e e e8 0 2 3 协议组成可变长度的数据包，每 个o n u 分配一个数据包。每个数据包由信头、可变长度净荷和误码检测域组成。 瞄2 - 4 e p o nf 行原理 e p o n 下行帧结构如图2 - 5 所示 魁恸云蹦腓璐 援霉净荷 信头 钡峨 。一一一 & 度可变 幽2 - 5e p o n f 行帧缩构 e p o n 上行接入技术可以使用频分多址复用( f d m a ) 、时分多址复用 ( t d m a ) 、波分多址复用( w d m a ) 、码分多址复用等方式( c d m a ) 。由于时分复 用具有n 个o n u 只需要一个o l t 转发器和极少的波长等优点，现在一般都是 采用时分复用多址接入方式。波分复用多址接入方式也有非常大的竞争力，是发 展的方向。 e p o n 的上行传输可由图2 - 6 来描述。e p o n 上行方向的数据传送与下行方 向不同，是采用时分复用技术，各个o n u 在o l t 分配给它的时隙内顺序发送， p o s 集中数据统一传向o l t 。其实现过程如图所示。为了避免碰撞，实现信号 的同步，o l t 和o n u 之间要实现自动测距，并根据各个用户的服务水平协议 ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 进行带宽和时隙分配。 图2 - 6e p o n 上行原理 e p o n 的上行帧以时分复用的形式由各个o n u 发送的数据包组成。与光分 配器连接的各个o n u 发送的上行信息流，通过光分配器耦合进共用光纤以 t d m 的方式复合成一个连续的数据流。该数据流以帧的形式组成，帧长与下行 帧长一样，也是2 m s ，每帧有一个帧头，表示该帧的开始。每帧进一步分割成可 变长度的时隙每个时隙分配给一个o n u ，用于发送给o l t 的上行数据。 上行帧结构如图2 7 所示 1 5 圈2 7 e p o n 上行帧结构 每个o n u 有一个t d m 控制器，它与o l t 的定时信息一起，控制上行数据 包的发送时刻，以避免复合时相互间发生碰撞和冲突。在图2 - 7 中用时隙3 表示 传送o n u 一3 的数据该时隙含有3 个可变长度的数据包和一些时隙开销。时隙 开销包括保护字节、定时指示符和信号权限指示符。当o n u 没有数据发送时， 就用空闲字节填充它自己的时隙。 2 3e p o n 关键技术 e p o n 系统功能的实现离不开以下关键技术，包括：测距、系统同步、o n u 自动识别以及动态带宽分配等。 2 3 1 测距 为保证每一个0 n u 的上行帧在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 需要一套功能，测量每一o n u 与o l t 之间的距离( 即延时) ，并 指挥每个o n u 调整发送时间，以保证该o n u 的上行信元在o l t 规定的时刻到 达使之不致相互冲突。这个机制可以通过把所有o l n u 都调整到与o l t 相同的逻 辑距离处的方法来实现。这种测量o n u 的距离，然后把每个o n u 都调整到o l t 的相同“虚”距离处的过程就称为测距( r a n g i n g ) 。具体方法有扩频法测距、带 外法测距以及带内丌窗测距等。 2 3 2 系统同步 系统同步是指每个o n u 发送时隙必须与o l t 的系统分配的时隙保持一致 1 6 以兢丘各个o n u 上行数据发生碰撞，掰以o n u 铡的嚣寸钟应与o l t 测的时锄阉 步。e p o n 时钟同步采用时间标签方式。在o l t 侧有一个全局的计数器，下行 方囱o l t 根摄本地的计数器插入时钟标签，o n u 根据收到的时钟标签修正本地 计数器，完成系统同劳：上行方向o n u 根据本地的计数器插入时钟标签，o l t 根据收到的时钟标签毙成测距。 2 3 3o n u 自动识别 o n u 自动识别的目的是通过系统的自动运行，不需人工干预即完成对新 o n u 的发瑰鞠注册，使戆o n u 能够爨动艇入到e p o n 系统而不影响其他洲毽 运行。e f m 对解决注册冲突掇出了两种方案：a 随机延迟时间：发艇注册冲突 时，裳生净突豹0 掰爨然每次都确藏注翳授粳，毽楚在响应开密砖鹣枫延迟一 定时间( 必须保证o n u 随机延迟后的应答仍然可以落在开窗内) 。采用随机延 迟时闻懿方法埘戳缩短o n u 攘入系绕豹霹闼，但是怒要增大注殛开察的长度， 这样会降低系统的带宽利用率。b 随机跳过歼窗：发生注册冲突时，发生冲突 的o n u 随枫澎过若干个注鼹授权后才重薪确应。麴暴注册授投豹凰期为l s ，那 么发生冲突的o n u 可随机延时l s 至s s ( 系统可配置) ，然后继续等待注册授权。 采用髓枫跳过嚣密的方法比黢枫延迟时阐法多花一些时闯，假是不器增大注燃辨 窗，不会影响系统的带宽利用率。 2 3 。4 动态带宽势配 动态赘蹇分酝算法就是安辩地( m s t f l s 曩级) 羧交e p o n 豹各o n u 上嚣带 宽的机制。e p o n 中如果用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适 舍，翔按峰毽速率静态分配带宽剥整个系统繁宽摄侠藏棱耗尽，带宽秘焉率缀低， 而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提搿。通过d b a ，我们可以根据o n u 突发业务静要浆，通过在g 黼之阍麓鑫调节带宽来疆高p o n 上霞镪宽效攀。 由于能更有效地利用带宽，网络管理员可以在一个己瀚的p o n 上增加更多用户， 终壤麓户迄霹以享蠢受好懿擞务，懿麓户霹戳建蛩静鬻宽蜂镶霹爨超过薅绞熬溷 定分配方式的带宽 根据e p o n 的特点及i w 矗g 9 8 3 建议，可戳褥窭对动态带宽分配设计戆其 体要求有：业务透明；高带宽利用率；低时嫩和低时延抖动；公平分酉己带宽，健 、齄性好，实聪性强。勘态繁燕分配采建集孛控铡方式；所有麴o n u 嬲上行德惠 发送。都要向o l t 申请带宽，o l t 根据o n u 的请求按照定的冀法给予带宽 ( 对隙) 占趱授权，o n u 根据分配嬲对辕发送信惑。其分酝准许翼法的基本愚 1 7 想是：各a n u 利用上行时隙反映信元到达的时间分布并请求带宽，o l t 根据各 o n u 的请求公平合理地分配带宽并同时考虑超载信道有误码、有信元丢失 等情况的处理。 根据不同业务的特点以及对q o s 的要求，业务可以分成：话音业务、视频 业务及数据业务三种类型。对于话音业务，由于它具有对时延敏感、业务产生具 有预见性和业务所需带宽很低的特点，可以把它的优先级设为最高；采用半静态 的媒质接入方案，即在呼叫建立时分配带宽，呼叫结束后释放带宽。对于视频业 务，由于它也对时延敏感、所需带宽高，所以把它的优先级设为与语音业务一样。 对于数据业务，考虑到它对时延不敏感和业务产生的突发性很强的特点，可以把 它的优先级设为最低；采用动态请求允许分配方案，用“尽最大努力传送”的 方式尽可能多地为业务提供带宽。数据业务使用语音业务和视频业务剩余的带 宽。 o n u 可能经常要断开( 特别是在f 砌情况下) ，已经断开的o n u 不应再 占用网络带宽。解决这个问题的方法有：使新的请求在许可信号后的r t t + d t 时间内到达：如果请求( k 个) 丢失了就意味若凹州已经断开；下次询问此o n u 前先等待1 分钟。这样可使断丌o n u 只占用大约o 0 0 0 5 的p o n 带宽。 分析表明，在p o n 中采用d b a ，最大的带宽利用率可达8 0 ，而没有d b a 时只有4 0 。平均传输时延无d b a 时为1 0 0 m s ，而用d b a 时为 请求= 允许= 数据传输。 随机争用方法的特点是无需预先知道每个o n u 的个别需求，请求机会是统 计复用的。相对于静态带宽分配，随机争用需要增加一定的争用解决算法。还有 的带宽分配方法中采用争用机制与轮询机制相结合的方法，在随机预约的o n u 数超过一定值时改用轮询方式以提高系统的性能。 轮询机制就是0 l t 采用轮转的方式对各o n u 进行轮流授权，o n u 在传输的有 效数据流中嵌入其缓冲区内等待发送的以太数据包的请求控制信息，o l t 根据各 个o n u 大小不一的带宽请求信息按照限定最大发送窗的分配方案分别进行授权。 o n u 在授权窗口中发送数据和下一轮的请求。轮询机制在e p o n 动态带宽分配中 有着广泛的应用。 e p o n 的标准尚未确定，关于e p o n 的动态带宽分配方法还在研究之中。由 于a p o n 有较长的研究时间，a p o n 的动态带宽分配方法也比较成熟，所以我 们可以借鉴a p o n 的带宽分配中的一些方法，针对e p o n 的特点进行分析和研 究，从而设计出适应e p o n 的带宽分配方法。 3 3a p o n 动态带宽分配 关于a p o n 的动态带宽分配，已经有了一些研究，归纳其基本的带宽分配 方法主要有最小分配法【2 1 和最少业务量损失法 3 1 等。 3 3 1 最小分配法 1 可分时隙的使用 o l t 在分发授权之前，必须知道各o n u 此时的上行带宽需求情况。按照 g 9 8 3 建议，上行帧的可分时隙( d i v i d e ds l o t ) 可用来传各o n u 的队列信息给 0 l t 。在最小分配法方案中一个可分时隙被分成8 等分，即8 个微隙( m i n i s l o t ) ， 每个微隙分配给一个o n u ，用于上传它的队列信息，分得同一可分时隙中不同 微隙的o n u 称作一组。以通常3 2 个o n u 计，则有四组。o l t 利用可分时隙轮 询各组o n u 的队列信息。通过计算，轮询周期不能超过5 帧，否则将无法实现 实时业务的实时传输。轮询周期越短，接入时延和时延变化就越小。若每个上行 帧含2 个可分时隙，则2 帧为一轮询周期。组的划分以简单方便为原则，比如以 o n u 的p o n i d ( 标识号) 按升序分组。可分时隙的结构如图3 5 所示。 耳骨h h a f i t ； 图3 5 时隙结构 每个微骧长七字节，其中开头三字节是开销，用于保护时间等：最后4 b i t 用于c r c 或其他目的：剩下三个半字节是o l t 的队列信息。队列信息又分成实 时队列信息( 即紧急申请) 和总队列信息( 即总申请) 两部分，其中实时队列信 息占8 b i t ，总队列信息占2 0 b i t 。总队列信息的2 0 b i t 又等分成4 节。我们将一个 上行帧等分成两个时段，轮询一周就有4 个时段，将这4 个时段内到达的数据信 元( 包括实时业务的信元) 数目依次填入以上4 节中。 2 申请数据的处理 o l t 将每次轮询时各o n u 上报的队列信息分成紧急申请数据和总申请数据 两部分存入一临时存储区。o l t 将l 临时存储区中的数据作为授权分配的依据。 o l t 每分完一次授权，都要将各o n u 在临时存储区中的数据减去剐分给它们各 自的授权数目以作为下一次分配授权的依据。在收到新上报的队列信息后。 o l t 立即对临时存储区中对应o n u 的数据进行累加。o l t 在对授权进行分配前， 首先计算此时所有o n u 总申请的总和r z 和紧急申请的总和r i 。 3 分配算法 o l t 在分配授权时，首先用该帧可用数据授权的数目f 与r z 进行比较，若 f r z ，则按需分配授权，如还有剩余，则从下一组( 即将上传状态信息的那组 o n u ) 的第一个o n u 开始按模n ( p o n 中o n u 的数目) 顺序一次一个授权地 分配，直到分完为止，若f r z ，则再比较f 与r i ，若f r j ，则先按需分配。 因为f r z ，所以实际不可能按需分配，我们把这种假设的分配称作虚分配。虚 分配之后，在保证紧急申请的前提下从本组( 最近上传了状态信息的那组) 的最 后一个o n u 按模n 倒序循环从各o n u 一次一个授权地扣除回来，直到分下去 的授权数目与可用的授权数相等。若连紧急申请都不能满足，则只有先按紧急申 请虚分配，接下来与前面方法一样处理，只是不保证紧急申请。虚分配时，从本 组最后一个o n u 开始扣，是因为该o n u 的申请信息最新，新增a t m 上行缓冲 信元数目较多的概率最小，而按这种轮流扣法它被多扣一个的可能性也最大，这 是合理的。同样，有多余授权从下一组的第一个o n u 开始轮流分配最合理。 最小分配法采用固定和动态两种分配方案相结台。对c b r 业务采用固定预 先分配，对其他业务采用动态分配。同时对其他业务进行优先级划分，优先级高 的业务信元优先分得授权。当剩余授权少于某一优先级的业务信元申请总数时， 采用特定的分配算法使各o n u 不能满足的该级信元申请数尽量接近。 3 3 2 最少业务量损失法 最少业务量损失算法是a p o n 系统中一种具有多优先级业务的带宽分配算 法。它通过分级允许控制为各优先级业务分配相应的带宽。当有一新的连接要求 时，它通过计算损失业务目标函数q 来调整带宽分配。在a t m 网络中，当发生 业务量溢出时，虚信元丢失率( v c l p ) 是估计信元丢失率的理想参数。本方法 采用v c l p 作为评价性能的指标。最少业务量损失算法的主要优点是，能使系统 的v c l p 和q 函数值达到最小，并及时为每个要求建立连接的呼口q 有效而公平 地分配带宽，而且在多优先级业务的环境下，可提供高的吞吐量。 l 业务模型 设每个连接突发活动期的业务模型满足伯努利过程，业务类型i 的峰值信元 11 速率为入ib i t s ，业务平均突发活动期为二s ，业务平均沉寂期为二s ， a t d i 业务类型i 的业务密度为。i ，i = l ，2 ，m ，m 为优先级种数。r 。定义为 1 一 口 n ：畸：l ( 1 ) l 。a l p t 强i8 t 它的物理意义是业务类型i 的业务平均突发活动期长度。为计算简单起见，假设 某种优先级的业务需要建立l 个连接，每个连接的业务量满足高斯分布。 2 接入控制机制 在a p o n 中，o l t 根据当前接入网的性能、该业务类型所要求的网络性能 和请求连接的业务所提供的性能要求采用接入控制算法柬决定是否接受新的连 接要求。下面介绍接入控制算法，其优点是能有效地利用网络资源、提供简单的 带宽分配控制机制。按照式( 1 ) 所提出的单个业务模型而建立的多优先级业务访 问控制和带宽分配机制如图3 - 6 所示。 巩先级为l 的- k 鲁 优冼赧为2 的业务 优先氧为盯 的业务 图3 6 多优先级业务的访问控制和带宽分配机制 算法采用的性能指标是v c l p ，因此，设各优先级的业务模型逻辑上都不含 队列，而且同一优先级的业务具有相同的峰值信元速率和业务密度。并设九。为 业务类型i 的单个连接的峰值信元速率：i 为业务类型i 的单个连接的业务密度； l i 为业务类型i 的连接数：业务类型i 的峰值信元速率为r i ，民= l i ：业务类 型i 的平均信元到达率为s t ；s i = r iri ；bi 是带宽分配控制器为业务类型i 所 ” 钋静的攀宙v ( ，1 ， 一台 a t m 上行信道包含多种( 设有m 种) 优先级的业务，张o l t 中相应士呶有 m 种允许控制器，它们连接瓣圊一个带宽分凝控制嚣。带宽分配控制嚣然每个 允许控制器中获褥已建立连羧的各个优先缀搬务的业务密度oi ，峰值信元速率 雕。当有一个新的连接请求时，带宽羚配控制器即刻计算应分配的带宽，根攒应 分配豁繁宽计算蠢有w