光纤通信：EPON中的接入控制技术

2019-11-04 22:50:17

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供稿：网友

　　接入网是整个电信网最具有技术挑战性的区域之一。为了满足用户对带宽日益增长的要求，实现接入网的高速化、宽带化和智能化，各种接入技术层出不穷，然而被认为最有前途的是光接入技术。无源光网络（PON）由于其易维护、高带宽、低成本等优点成为光接入中的佼佼者，被认为是通过单一平台综合接入语音、数据、视频等多种业务的理想物理平台。以前人们认为将ATM（异步转移模式）技术和P ON技术相结合的APON技术是实现综合接入的理想模式。然而，由于数据业务的爆炸式增长，ATM技术暴露出效率不高、协议复杂等弱点，而ip技术则日渐兴起。由于以太网在传输IP业务时具有效率高、协议简单等优点，所以越来越多的人认为将千兆以太网技术和PON技术相结合的EPON（Ethernet Passive OpticalNetwork）技术是取代APON，实现高速、宽带、综合接入的理想途径。由于PON从本质上是共享媒质的网络，所以必须有接入控制机制使各个终端有序接入系统。本文将对EPON中的接入控制机制进行讨论和分析。
　　
　　1　EPON的技术基础
　　在讨论EPON的接入控制机制之前，我们有必要对EPON的基本工作原理做简单介绍：EPON是由IEEE赞助的EFM（Ethernetin FirstMile，以太网在最初一公里）工作小组最早提出的。他在很大程度上继续了ITU-T和FSAN（全业务接入组）对APON的建议［1］，采用符合IEEE802．3协议的以太帧承载业务信息。EPON是由OLT（光线路终端）、ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）等单元构成的点到多点系统。其系统拓扑多为星型或树型分支结构，下行方向（由OLT到ONU）采用广播方式，每一个ONU将接收到所有下行信息，根据其MAC地址提取有用信号；上行方向（由ONU到OLT）采用时分方式共享系统，通过接入控制机制将各个ONU有序接入。EPON的上、下行信息速率均为1 Gb／s（由于其物理层编码方式为8 B ／10 B码，所以其线路码速率为1．25 Gb／s），由一根光纤采用波分复用实现全双工通信。其结构示意图如图1所示。
　　　光纤通信：EPON中的接入控制技术（图一）

　　2　EPON中的同步技术
　　在讨论EPON的接入控制技术之前还有必要讨论一下他的同步技术。因为EPON中的各ONU接入系统是采用时分方式，所以OLT和ONU在开始通信之前必须达到同步，才会保证信息正确传输。要使整个系统达到同步，必须有一个共同的参考时钟，在EPON中以OLT时钟为参考时钟，各个ONU时钟和OLT时钟同步。OLT周期性的广播发送同步信息（sync）给各个ONU，使其调整自己的时钟。EPON同步的要求是在某一ON U的时刻T（ONU时钟）发送的信息比特，OLT必须在时刻T（OLT时钟）接收他。在EPON中由于各个ONU到OLT 的距离不同，所以传输时延各不相同，所以要达到系统同步，ONU的时钟必须比OLT的时钟提前UD（上行传输时延），也就是假如OLT在时刻0发送1 b，ONU必须在他的时刻RTT（往返传输时延）接收。RTT＝DD（下行传输时延）＋UD，必须知道并传递给ONU。获得RTT的过程即为测距（ranging），测距的过程在后面会进行具体讨论。EPON的同步示意图如图2所示。
　　　光纤通信：EPON中的接入控制技术（图二）

　　在图2中，当EPON系统达到同步时，ONUi和ONUj发送的信息才不会发生碰撞（图中t1-t2为ONUi发送时间， t2-t3为ONUj发送时间）。
　　
　　3　EPON中的接入控制技术讨论
　　在EFM工作小组提出的EPON系统中，要求对千兆以太网的MAC（媒质接入控制）子层不做或做尽量少的改动，对EPON的接入实现通过扩充MAC控制子层和／或物理层功能来实现，这样有利于EPON系统和千兆以太网的兼容性，便于现有的以太网设备用于EPON中，缩短EPON推向市场的时间。本文只讨论通过 MAC控制层的扩充来实现的接入控制机制。在EPON中的接入控制大体有2种：基于静态分配时隙的接入控制和基于动态分配时隙的接入控制方式。
　　
　　3．1　基于静态分配时隙的接入控制方式
　　
　　在这种方式下，OLT不管ONU的请求信息，将系统时隙分配给各个ONU，这种接入方式从复用的角度看属于TDM（时分复用）。分配给ONU的时隙可以是定长的，也可以是变长的，在EPON中由于以太协议分组是变长的，所以分配时隙也应该是变长的。OLT分配给某一ONU的发送带宽是：
　　　光纤通信：EPON中的接入控制技术（图三）

　　在千兆以太网的MAC控制帧有一个用于流量控制的pause（暂停）帧，该帧可被EPON用来进行接入控制。通过pause帧OLT周期性的轮询各个ONU，实现各ONU有序接入。这种接入方式的优点是协议简单，便于将以太网设备直接引用到EPON中。然而该方式具有很多缺点：
　　
　　（1）对一个ONU的授权间隔时延太大，对一个具有32个ONU、最大距离在20 km的EPON系统该时延可达7．2 ms；
　　
　　（2）缺少统计复用增益，系统接入损耗大，带宽利用率低；
　　
　　（3）这种接入方式对各个等级业务同样对待，无法满足某些业务的QoS（服务质量）保证。所以，在EPON中我们不建议采用这种接入方式。
　　
　　3．2　基于动态带宽分配的接入机制
　　
　　在这种接入方式中，OLT根据ONU的请求情况动态的将系统带宽分配给各个ONU。这种分配由M AC控制层的2个治理信息来完成：授权（grant）信息，OLT发送授权信息来分配一个时隙给某个ONU，该信息不需要ONU发回确认；请求（request）信息，ONN通过该信息来报告其状态的改变，请求信息不需要OLT 来进行确认。通过动态带宽分配可以以较小的代价共享系统带宽，实现宽带综合业务的接入。在EPON中动态带宽分配的目标是将系统带宽公平、高效的分配给各个ONU和各种业务。在EPON动态带宽分配中，有关文献提出了2种方式：一种是OLT将授权给各个ONU；另一种是单个ONU可以支持多个用户和业务，OLT授权给予每一个用户或业务。在此，对这两种授权方式加以介绍，对他们的优缺点进行对比，提出我们自己的观点。
　　
　　3．2．1　授权给各个ONU的接入控制方式
　　
　　在这种机制中，OLT根据各个ONU的请求情况来分配带宽，带宽分配算法由高层来完成，各个厂商可以有自己独特的算法，没必要标准化。而在MAC控制子层以下则应该具有标准，这也是EFM正致力的一项工作。需要标准化的MAC控制帧信息应该有：ONU的初始化注册信息（答应新的ONU接入系统，将其MAC 地址、设备容量等参数通知OLT）；OLT的测距授权信息和ONU的测距响应信息（完成OLT-ONU 间周期性的定时调整，测量RTT）；ONU的带宽请求信息（通过该信息携带上行ONU基于其负载的改变而请求带宽授权的改变）；OLT的带宽授权信息（该信息携带给各个ONU的带宽分配信息，同时还要决定发送机会是给数据还是给控制信息）。一个ONU接入EPON系统必须经过初始化和带宽动态分配2步：初始化过程分为注册和测距2步。注册是指在一个ONU新接入系统或关闭后重新开启时将给ONU的一些参数（如MAC地址等）通知给OL T的过程。注册过程首先由OLT广播发送注册授权信息，所有未注册ONU都可响应该授权，假如发送冲突则采用退避算法（如二进制指数退避算法）等待一段时间重新响应；测距是EPON同步的重要一步，其主要目的是计算各ONU的补偿时间。其过程为：OLT向ONU发送测距授权（由于OLT-ONU间的RTT未知，所以测距授权间的保护时间应该足够长）；ONU响应测距授权发送测距响应帧给OLT；OLT收到ONU的测距响应帧后，根据授权给ONU的时隙开始时间和实际ONU到达的时隙开始时间之间的差值，计算出OLT到该ONU的RTT，并将该值通知ONU，同时OLT不断的监视RTT值的变化，当其漂移超过一定程度时，重新发送RTT值给ONU。
　　　光纤通信：EPON中的接入控制技术（图四）

　　动态带宽分配过程是：ONU根据自己的上行缓存器情况组织自己的上行请求帧，并发送给OLT ；OLT在收到ONU的请求帧后，交给高层根据带宽分配算法决定是否响应请求，假如响应，则根据系统带宽利用情况给ONU分配时隙。基于请求／授权的动态带宽分配过程示意图如图3所示。OLT发送的授权帧是这种接入方式的要害，授权帧结构如图4所示，在图4 中给一个ONU的授权域包括16 b的ONU地址（不使用ONU的MAC地址是因为其太长），2 b的授权类型（是控制授权还是数据授权），14 b的保护时间说明和32 b的授权信息（包括16 b的开始时间，16 b的停止时间）。由于在IEEE802．3建议中MAC控制帧净负荷长度为44 B，所以在OLT的一个授权帧中可以携带多个ONU 的授权信息。有些文献提出为了使一个OLT授权帧多携带ONU的授权信息，建议将其授权域扩展到128 B，但我们认为这样做不利于EPON系统和以太网的协议兼容；另外，在EPON中激活ONU数目较少时，会造成浪费。当EPON中激活ONU数目较多时，为减少轮询时间可用多个授权帧来进行授权；为减少ONU的请求时间，可将ONU的请求分类，通过同一请求帧传输多类请求信息。这种分类包括，一个ONU可以有多个缓存器以及在一个缓存中将请求分为带宽请求（当系统中请求ONU数较多时）和总的缓存帧数请求（当系统中请求ONU 数较少时），其示意图如图5所示。
　　　光纤通信：EPON中的接入控制技术（图五）

　　OLT将授权信息给各个ONU的动态接入方式的优点是具有统计复用增益，接入损耗小，能够保证各种业务的QoS需要，缺点是需要复杂的带宽分配算法，在和现有的以太网兼容上还需设备改进。另外，当一个ONU接有多个用户或业务时，这种分配方式无法满足带宽分配对各个用户或业务的公平性，所以有了下一种动态接入方式。
　　
　　3．2．2　授权给每一个逻辑端口的接入控制方式
　　
　　在这种方式中，提出了逻辑端口（logicalport）的概念［4］。逻辑端口独立于ONU的物理端口，一个ONU可以有一个或多个逻辑端口。OLT为各个逻辑端口直接发送授权，由高层协议（如802．1p

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