基于EPON和WiMAX的融合网络

1、2010年第12 期中文核心期刊基于EPON 和WiMAX 的融合网络（本期优秀论文）The integrated network based on EPON and WiMAXWANG Ye,FAN Hong,WEI Lei(Schoolof Opto-Electronic Engineering,Nanjing University of Posts &Telecommunications, Nanjing 210003,ChinaAbstract :The integration of fixed and mobile network has been a basic trend

2、 of communications industry. Under this trend and background, the integrated network based on EPON and WiMAX has been subject to growing concerns of academic and industrial world because it is suitable for the target of broader bandwidth of mobile network and mobility of broad bandwidth network.This

3、 article provides a overview of the integra-tion of EPON and WiMAX and it's architecture, placement,operation and related papers. We also make a forecast of the integrated network's fu-ture development.Key words :EPON;WiMAX;broad bandwidth access network王烨，范红，魏雷（南京邮电大学光电工程学院，南京210003）摘要：固定移动

4、融合已成为通信行业发展的一个基本趋势。在这个趋势和背景下，基于EPON 和W i M A X 的融合网络由于符合移动宽带化和宽带移动化的目标，正受到学术界和产业界越来越多的关注。综述了EPO N 和W i M A X 融合网络的融合架构、部署与运营和相关的论文，并对融合网络未来的发展做了展望。关键词：W i M A X ；EPO N ；宽带接入网络中图分类号：TN929.11文献标识码：A文章编号：1002-5561（2010）12-0001-040引言目前，运营商的目标是能让用户随时、随地以任何方式高速接入到常用的网络，如电话网、互联网甚至有线电视网，而目前的无线技术和光纤技术都不能完全满足

5、以上目标要求。唯有把无线技术的高度灵活的覆盖能力和光纤技术的高带宽、高可靠性融合到一起才能有所作为。以太无源光网络（EPON ）作为最后一公里的宽带接入光纤技术已经没有争议，但是将光纤接入到每个用户成本太高，而且无法满足用户的移动性要求，因此呈现在用户面前的必须是可移动的无线接口才符合未来的发展方向，具有公里级覆盖范围的宽带无线接入技术WiMAX 是首选。只有将EPON 与WiMAX 融合起来才能为用户提供高带宽、高移动性的服务。1EPON 与WiMAX 融合网络架构将EPON 与WiMAX 融合主要有以下两个优势：1G EPON 中如果用1：16的分光器则每个ONU 平均分配的带宽将达到60

6、Mb/s(目前国内实际的EPON速率达到了2.5Gb/s,必然能支持WiMAX 的进一步提速和发展 这与WiMAX 承诺的70Mb/s的带宽非常接近；在网络结构上，EPON 和WiMAX 都支持P2MP 的网络结构，都遵循轮询/请求/授权的带宽分配方式，这使得两者的融合更加的方便。EPON 的缺点是城市中接入到每户的成本较高而且在偏远地区、农村地区、山区等用户密集度较小的地方覆盖成本也不低，而WiMAX 的大覆盖范围和高度的移动性的低成本接入正好弥补了这一缺点。虽然EPON 与WiMAX 融合架构有很多方式，但文中主要讨论EPON 与WiMAX 融合的4种典型网络架构。1.1独立式架构如图1所

7、示，独立式架构是EPON 与WiMAX 融合的最简单形式。EPON 系统的ONU 和WiMAX 系统的BS 通过以太口直接相连，EPON 和WiMAX 系统分别独立运行，EPON 不知道WiMAX 系统的内部运行状况，WiMAX 也不知道EPON 系统的运行状况。在此收稿日期：2010-08-06。作者简介：王烨（1985-），男，硕士生，主要研究光纤通信及其接入技术。2010年第12 期架构中WiMAX 系统只是EPON 系统的一个有带宽需求的“用户”，上行方向上，数据从SS 发出被WiMAX 系统转发到BS ，然后BS 再把数据转发到ONU,ONU 再把数据转发到位于中心局的OLT 。下行

8、方向的数据转发正好相反。独立架构的优点是保持EPON 和WiMAX 系统各自的独立性，不用改变原有技术体系的任何组成部分。但是EPON 的ONU 和WiMAX 的BS 之间的接口会成为数据传输的一个瓶颈，而且两个系统的控制信息无法互相交换，遏制了EPON 和WiMAX 技术各自的潜力。1.2混合式架构在混合结构中，EPON 的ONU 和WiMAX 的BS 被合成了一个设备ONU-BS ，这样既降低了设备成本也使得EPON 和WiMAX 系统能知道对方的带宽分配机制和包调度的情况。ONU-BS 的核心由中心处理器、ONU 处理器和BS 处理器组成，中心处理器把BS 的各个连接映射到ONU 的8个

9、队列中，并根据网络的流量状况进行总体的带宽分配和包调度，使得合成设备充分发挥EPON 和WiMAX 各自的优势，从而缩短系统中平均队列长度，提高整个系统的吞吐量。可以看出混合架构比独立架构具有更好的带宽分配和容量利用率，这是因为ONU-BS 能直接搜集到SS 的带宽需求，转而直接向OLT 提出带宽申请，使得带宽响应速度大大提高，而且还能根据所获得的带宽大小和网络状况再为SS 分配网络资源。1.3统一式架构统一式架构是对EPON 的MAC 层协议进行修改并与WiMAX 技术面向连接的特性相结合而形成的架构。此架构的特点是使原来面向队列的EPON 系统具有了和WiMAX 系统同样的面向连接的功能，

10、在E -PON 系统中上下行都采用WiMAX MAC PDU 进行传输。在统一架构中，以太网帧被封装在WiMAX MAC PDU 中，从OLT 到ONU-BS 再到SS 的连接是可以进行管理和分配的，ONU-BS 除了可以根据SS 的请求情况决定带宽分配外，还能保证每个连接的可靠行，提高了整个接入系统的QoS 。统一式架构的缺点是要对EPON 协议进行修改，这降低了此架构的认可度，即使实施也要经过很长的时间，难以跟上通信行业快速发展的节奏。1.4MoF 架构MoF 架构是借鉴了RoF 的思想。在MoF 架构中，无线信号被调制到光信号的非使用频段，从而达到光载无线的目的，而且ONU-BS 和OL

11、T 可以根据具体情况使得WiMAX 系统进行上层协议、物理层、射频模块的分离和合并。一种是物理层和射频模块放在ONU-BS 上，其他的上层协议都放在OLT 端。另一种是ONU-BS 只有射频模块，光纤此时只是无线载波的载体，而物理层协议和其他上层的操作都可以放到OLT 端，这样降低了ONU-BS 的复杂度和成本。这两种方式本质上都是光载无线，用在EPON 和WiMAX 融合系统中时，需要考虑EPON 和WiMAX 各自的特点。MoF 架构的优点是不需要修改协议，设备模块的组成具有灵活性，还可以借鉴RoF 领域的成熟技术。2EPON 与WiMAX 融合网络的运营与实施2.1EPON 的部署从整个

12、融合网络来看EPON 的部署主要考虑到两个问题：道路的分布与走向。OLT 与ONU-BS 之间的最大距离为20km, 理想的情况是利用现有的机房和路边管道或杆路就能完成光缆部署，但是这种情况不太可能。道路的走向与分布会使得现有机房与部署光缆的小区的距离大于20km ，若新建管道则初期投入成本可能更高，使得运营商望而却步。WiMAX 基站的分布与部署。虽然理论上WiMAX 基站与移动站之间的最大传输距离达到50km, 但是目前实际使用的WiMAX 最大传输半径只有1.5km 甚至更小。因此，要覆盖一片小区需要多个WiMAX 基站，要使每个基站都能连接到ONU-BS 既要考虑降低光缆的铺设成本也要

13、使得基站的无缝覆盖和楼层的高低。除了从整个网络看EPON 的部署问题外，我们还得考虑EPON 自身的优势和劣势：实际的最大传输距离和分光器的分光比与级联。EPON 协议规定E -PON 的最大传输距离不得超过20km ，但是降低分光器的分光比和调整最大轮询周期可以增加EPON 的最大传输距离，而且分光器还可以进行级联，提高了网络部署的灵活性。 这一点可以使上一段提到的最大图1EPON 与WiMAX 融合架构王烨，范红，魏雷：基于EPON 和WiMAX 的融合网络2010年第12 期传输距离问题得到改善。网络的拓扑结构。EPON 系统组网灵活支持树型、星型、总线型和环型，实际使用时根据目标部署地

14、点、OLT 和ONU-BS 之间的最大距离、ONU 的供电等具体情况选用几种。目前城市中光缆的敷设方式主要是：主干光缆、局端到交接箱是环型的拓扑，而交接箱到用户或者基站是点到多点的星型拓扑。在这一点上EPON 与WiMAX 的融合网络可以沿用现有的组网方式。网络中各种配件的取舍。网络中有各种主要配件如：光纤、光分路器、光放大器和光纤连接器等，这些器件的选择会直接影响到光纤的容量、光功率的损耗、光信号的最大传输距离和整个系统的部署成本。EPON 的部署会影响到整个融合网络的成本和性能，因此必须予以重视。文献4中虽然提出了对EPON的部署的优化模型和寻找EPON 部署方案的方法，但是没有考虑到实际

15、道路的影响和运营商现有设施利用，还需进一步改进。文献2中讨论了Mesh 结构接入的EPON 和WiMAX 融合网络中ONU-BS 的部署问题，使用算法参考的是贪婪算法，文中主要讨论在给定的ONU 个数和用户位置下，使用贪婪算法找出ONU-BS 的最佳位置以减少ONU-BS 与终端用户的距离，从而减低整个网络的传输延迟和EPON 的光缆部署成本。2.2WiMAX 的接入结构WiMAX 的接入结构主要有两种：PMP 结构和Mesh 结构。PMP 结构以ONU-BS 为核心，采用点到多点的方式接入形成星型结构的接入网。这种方式的优点是路由协议简单，各个移动或固定终端通过无线链路直接与ONU-BS 连

16、接，ONU-BS 负责整个覆盖小区的控制和管理，网络的运营和管理也比较容易。但是，在PMP 结构下，单个ONU-BS 的覆盖范围有限，即使在业务量不大的情况下也要多个ONU-BS 来覆盖一片居民区，譬如在人口密集度不高的郊区或农村，消耗的成本和高密集度的城区是一样的，Mesh 结构能解决这样的问题。Mesh 结构是采用一个ONU-BS 和多个BS 以网状网的方式扩大无线覆盖区域，ONU-BS 作为业务接入点与EPON 相连，其它的BS 通过Mesh 路由协议与ONU-BS 相连，ONU-BS 既是接入的汇聚点也是业务的接入点，其余基站只是接入点。Mesh 结构的优点在于网络部署灵活，能很好地减

17、少山区或人口低密集区的光缆铺设，与PMP 结构能很好地形成互补。Mesh 结构是WiMAX 领域的研究热点，目前的讨论主要集中在Mesh 的调度模式、算法和QoS 上。文献3中提出了一个切分合并转移的算法来最小化Mesh 结构中簇的数目，根据这个算法大簇在负载过大时被切分成小簇，小簇转移到相邻的较大的簇而且被其合并，使用这个算法的目的是达到减少整个融合网络中BS 个数的目的。2.3带宽分配带宽分配对于EPON 和WiMAX 网络都分常重要，在EPON 和WiMAX 的融合网络中既占据重要地位，也凸显了融合网络的优势。显然，EPON 是PMP 结构的，所以在EPON 侧OLT 到ONU-BS 是

18、单个OLT 与多个ONU-BS 相连。在WiMAX 侧可以选择PMP 结构也可以选择Mesh 结构，不论哪种选择在某个小区中都是多个SS 通过中间BS 或直接接入到单个ONU-BS 上, 在逻辑上仍然是PMP 的结构。在这种架构下，融合网络是单个OLT 与多个ONU-BS 连接，而每个ONU-BS 又与多个SS 相连接。这种结构在上下行方向上的带宽分配是截然不同的。在下行方向上，EPON 和WiMAX 融合网络的数据传输类似于广播的方式，OLT 到每个ONU-BS 再到每个SS 的通路都是独立的，ONU-BS 或SS 之间没有资源竞争和传输冲突，只要对下行的数据经过加密，使得其他终端用户无法识

19、别，就能保证每个用户之间的独立性。但是在相反的方向上资源竞争和传输冲突就无法避免了。为了避免这个问题又能保证带宽得到最大的利用，人们提出了很多机制和算法。在EPON 中,DBA （动态带宽分配）算法就是解决这一类问题的典型。在WiMAX 中，业务被分成主动授予、扩展实时轮询、实时轮询、非实时轮询、尽力而为五种类型，其中除了主动授予型业务外，针对其它业务人们设计出了各种轮询算法，以达到降低包延迟、减小缓存中平均队列长度目的，而实现低延迟、短队列就是节约存储资源和能源、提高带宽利用率。EPON 和WiMAX 带宽分配机制的类似性和带宽的大小的相近性也是两者融合的基础之一。以PMP 结构为例，1G

20、EPON 中如果用1：16的分光器则每个ONU 平均分配的带宽将达到60Mb/s这与WiMAX 承诺的70Mb/s的带宽非常接近，在网络结构上，EPON和WiMAX 都支持P2MP 的网络结构，下行方向的数据传输都是广播方式，上行方向的带宽分配都遵循轮询/请求/授权的带宽分配方式。对于PMP 结构网络的上行方向的带宽分配，轮询/请求/授予的带宽分配方式是一种典型的带宽分配机制。在EPON 中，OLT 发王烨，范红，魏雷：基于EPON 和WiMAX 的融合网络2010年第12 期送轮询消息给与其相连的每个ONU,ONU 检查自身的缓存队列状况, 若有数据需要传送则返回一条带宽请求消息，OLT 再

21、根据整个网络的状况和该ONU 中每个队列的数据请求情况来决定授予的带宽，分配带宽后ONU 就以分配的带宽大小上传数据。在WiMAX 中，除了主动授予业务类型的带宽分配外，其他几种业务的带宽分配也遵循与EPON 类似的带宽分配方式，但是轮询、请求和授予有一些差异，轮询是基于SS 的，带宽请求是基于每个连接的，授予是基于SS 的。WiMAX 中的BS 与EPON 中的OLT 相对应,SS 与ONU 相对应，在上行方向上,BS 通过无线信道对每个SS 进行轮询，SS 中的每个连接根据自身的队列情况返回本连接的带宽请求，BS 再根据带宽请求情况授予每个SS 一定的带宽。WiMAX 中的主动授予型业务的

22、带宽请求比较特殊，它是BS 主动授予每个SS 固定的带宽以保证话音类业务的QoS 不受其他业务带宽分配的影响，因此，主动授予型业务不参与上下行的带宽分配。对于PMP 这种上行方向带宽分配有竞争和冲突的结构，有线网络和无线网络中都有很多典型的算法来解决延迟、队列大小、公平性、高效率、业务区分和QoS 保证问题。但是，目前对于EPON 和WiMAX 融合网络的算法讨论都是局限于EPON 或WiMAX 领域，从整个融合网络的角度进行算法研究的还没有出现。2.4QoS 支持与映射不论在EPON 还是在WiMAX 中, 支持QoS 的关键在3个方面：一是物理层和数据链路层的安全性；二是如何支持业务等级区

23、分；三是如何支持传统业务。文中主要讨论业务等级的区分和融合网络中E -PON 的ONU 如何与WiMAX 的BS 在业务等级上进行业务映射的问题。在EPON 的下行信道上，OLT 建立8种类型的业务队列，不同种类的队列采用不同的转发方式；在上行信道上，ONU 建立8种业务端口队列，此队列既要区分业务又要区分不同用户的服务等级。WiMax 可以向用户提供具有QoS 性能的数据、视频、话音（VoIP ）业务。WiMax 可以提供5种等级的服务：主动授予服务（UGS ）、扩展实时轮询业务（ertPS ）、实时轮询业务(rtPS、非实时轮询业务(nrtPS、尽力而为业务（BE ）。这些业务的区分对于I

24、PTV 和VoIP 业务尤为重要。五种业务只是根据业务特性进行区分，没有严格的优先级差异，在算法设计上尤其需要注意这个问题。主动授予业务指传送固定速率的实时数据业务，如没经过压缩的话音业务；扩展实时轮询业务主要指传送经过静默压缩的VoIP 业务；实时轮询业务是指可变速率业务，如在线视频业务等；非实时轮询业务是指非周期可变速率的非实时数据业务，如FTP 业务；尽力而为业务是指不提供吞吐量和时延保证的业务，如网页浏览即HTTP 业务。由于WiMAX 提供面向连接的功能，因此，在WiMAX 中对应于5种不同的业务也有五种不同的连接类型。这5种面向连接类型的综合服务如何与EPON 面向队列的区分服务映射是融合网络必须考虑的问题。文献1中采用了包重组的方法，把WiMAX 队列中的5种业务的数据转到E -PON 的8种队列中。研究EPON 和WiMAX 融合网络的目的就是要提高用户体验实现高的QoS, 因此，QoS 的支持与映射是融合网络的核心问题。目前关于这方面的研究还不多，值得进一步挖掘。3结束语宽带移动化和移动宽带化是大势所趋，固定移动融合（FMC ）网络是通信网络的发展方向，EPON 和WiMAX 融合网络是其发