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相關(guān)專(zhuān)題：
（上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200072）
摘 要：文章簡(jiǎn)要介紹了基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）這種新型的接入網(wǎng)技術(shù)，將其與基于ATM技術(shù)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（APON）的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，并對(duì)其媒體接入控制（MAC）的關(guān)鍵技術(shù)測(cè)距及上行接入進(jìn)行了討論，初步提出了光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案．
關(guān)鍵詞：接入網(wǎng)；無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；測(cè)距；媒體接入控制；帶寬分配
隨著因特網(wǎng)的普及，骨干網(wǎng)正在高速向前發(fā)展，而接入網(wǎng)已經(jīng)成為信息高速公路的瓶頸．目前無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）因?yàn)槌杀镜�、�?duì)業(yè)務(wù)透明、易于升級(jí)和易于維護(hù)管理而深受用戶(hù)歡迎．
典型的PON系統(tǒng)有窄帶無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（NPON）和基于ATM技術(shù)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（APON）．2000年11月美國(guó)IEEE802局域網(wǎng)／城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)成立了802．3 EFM（Ethernet in the First Mile）工作組，試圖引入一種新的寬帶接入技術(shù)—以太網(wǎng)PON（EPON），并致力于EPON體系規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)化［1～2］．
本文對(duì)EPON的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，討論了EPON媒體接入控制（MAC）層的關(guān)鍵問(wèn)題：上行帶寬分配與測(cè)距，并提出了ONU的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案．
1 EPON介紹
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
EPON的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示．它由光線路終端（OLT）、光合／分路器和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）組成，采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．OLT放置在中心局端，分配和控制信道的連接，并有實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理及維護(hù)功能．ONU放置在用戶(hù)側(cè)，OLT與ONU之間通過(guò)無(wú)源光合／分路器連接．EPON使用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，同時(shí)處理雙向信號(hào)傳輸，上、下行信號(hào)分別用不同的波長(zhǎng)，但在同一根光纖中傳送．EPON只在IEEE802．3的以太數(shù)據(jù)幀格式上做必要的改動(dòng)，如在以太幀中加入時(shí)戳（Time Stamp）、PON－ID等內(nèi)容．下行采用純廣播的方式，注冊(cè)后，OLT為已注冊(cè)的ONU分配PON－ID，由各個(gè)ONU監(jiān)測(cè)到達(dá)幀的PON－ID，以決定是否接收該幀，如果該幀所含的PON－ID和自己的PON－ID相同，則接收該幀；反之則丟棄．上行采用時(shí)分多址接入（TDMA）技術(shù)．此外EPON還需通過(guò)已定義的接口與電信管理網(wǎng)相連，進(jìn)行配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及計(jì)費(fèi)管理，完成操作維護(hù)管理（OAM）功能．
1．2 EPON與APON的比較
ITU－T已經(jīng)制定了APON技術(shù)的G．983建議．但是APON有兩個(gè)問(wèn)題：一是傳輸速率不夠高，下行為622 Mbit／s或155 Mbit／s，上行為155 Mbit／s，帶寬被16～32個(gè)ONU所分享，每個(gè)ONU只能得到5～20 Mbit／s．另一個(gè)更主要的問(wèn)題是，與以太網(wǎng)設(shè)備相比，ATM交換機(jī)和ATM終端設(shè)備相當(dāng)昂貴．而且，現(xiàn)在因特網(wǎng)工作于TCP／IP規(guī)約，用戶(hù)終端設(shè)備都是IP設(shè)備，采用ATM技術(shù)必須將IP包拆分重新封裝為ATM信元，這就大大增加了網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)，造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)．
而EPON融合了PON和以太數(shù)據(jù)產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，形成了許多獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)．EPON系統(tǒng)能夠提供高達(dá)1 Gbit／s的上下行帶寬，這一帶寬能夠適應(yīng)現(xiàn)在及將來(lái)10年內(nèi)用戶(hù)對(duì)帶寬的需求．由于EPON采用復(fù)用技術(shù)，支持更多的用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)可以享受到更大的帶寬．EPON系統(tǒng)不采用昂貴的ATM設(shè)備和SONET設(shè)備，能與現(xiàn)有的以太網(wǎng)相兼容，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成本低，易于升級(jí)．由于無(wú)源光器件有很長(zhǎng)的壽命，戶(hù)外線路的維護(hù)費(fèi)用大為減少．標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口可以利用現(xiàn)有的價(jià)格低廉的以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備．而PON結(jié)構(gòu)本身就決定了網(wǎng)絡(luò)的可升級(jí)性比較強(qiáng)，只要更換終端設(shè)備，就可以使網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到10 Gbit／s或者更高速率．EPON不僅能綜合現(xiàn)有的有線電視、數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)，還能兼容未來(lái)業(yè)務(wù)如數(shù)字電視、VoIP、電視會(huì)議和VOD等等，實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)接入．
雖然APON對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持性能優(yōu)越，但隨著多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）等新的IP服務(wù)質(zhì)量（QoS）技術(shù)的采用，高層協(xié)議與EPON MAC協(xié)議相配合，EPON已完全可能以相對(duì)較低的成本提供足夠的QoS保證．加之EPON的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，因而被認(rèn)為是解決“第一英里”電信接入瓶頸，最終實(shí)現(xiàn)光纖到家的優(yōu)秀過(guò)渡方案．
2 EPONMAC的關(guān)鍵技術(shù)
2．1 測(cè)距技術(shù)討論［3］
由于各個(gè)ONU信號(hào)到達(dá)OLT的時(shí)間不確定，并且到達(dá)OLT的時(shí)延也不同，各個(gè)ONU的上行幀會(huì)發(fā)生碰撞，因此必須采用測(cè)距技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償．各個(gè)ONU到OLT的物理距離的不同、環(huán)境溫度的變化和光電器件的老化等因素都可能產(chǎn)生傳輸時(shí)延．測(cè)距的程序可以分為粗測(cè)和精測(cè)．在ONU的注冊(cè)階段，進(jìn)行靜態(tài)粗測(cè)補(bǔ)償由物理距離差異造成的時(shí)延，而在通信過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)精測(cè)，以校正由于環(huán)境溫度變化和器件老化等因素引起的時(shí)延漂移．測(cè)距方法有擴(kuò)頻法、帶外法和帶內(nèi)開(kāi)窗法等幾種．本文提出了一個(gè)綜合粗測(cè)與精測(cè)的簡(jiǎn)單測(cè)距方法，易實(shí)現(xiàn)且成本較低，適合應(yīng)用于EPON系統(tǒng)中．對(duì)于粗測(cè)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生的沖突，則可以用隨機(jī)重發(fā)的簡(jiǎn)單算法解決，具體流程如圖2所示．粗測(cè)時(shí)由一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行沖突檢測(cè)，如計(jì)數(shù)器超時(shí)，則說(shuō)明注冊(cè)過(guò)程中發(fā)生了沖突，ONU需再次發(fā)送測(cè)距幀．因?yàn)樵趥鬏斶^(guò)程中不會(huì)發(fā)生沖突，因此在精測(cè)中計(jì)數(shù)器不會(huì)超時(shí)．為了驗(yàn)證這種測(cè)距算法，建立簡(jiǎn)單的測(cè)距的仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中Delay1～Delay4模塊表示ONU傳輸時(shí)延．定義了一個(gè)能被ONU和OLT識(shí)別的簡(jiǎn)化幀格式．如圖4所示．
開(kāi)頭1字節(jié)用于同步；接著的2比特指示幀起始；ONU－ID指示收發(fā)幀的ONU；ONU運(yùn)行時(shí)間指ONU從收到請(qǐng)求到應(yīng)答所需的時(shí)間．以下是采用VHDL語(yǔ)言在Cadence LDV下對(duì)該測(cè)距過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)運(yùn)行速率為1 Gbit／s．典型值如下：ONU1收到OLT測(cè)距幀等待6 ns后應(yīng)答，Delay1模塊時(shí)延置為31．5 ns，則環(huán)路時(shí)延為63 ns（3 Fh）．結(jié)果如圖5所示，OLT收到應(yīng)答后正確計(jì)算出傳輸時(shí)延63 ns（3 Fh），實(shí)現(xiàn)了測(cè)距功能．
2．2 上行接入算法研究
在EPON中各ONU共享上行信道，由于上行數(shù)據(jù)的突發(fā)性，如果給每個(gè)ONU分配固定的時(shí)隙或隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入，帶寬利用率會(huì)很低．而制定中的EPON協(xié)議一般只會(huì)涉及MAC及物理層，不會(huì)提出具體的帶寬分配算法，它由產(chǎn)品制造商自行規(guī)定．本文采用了基于輪詢(xún)的一種簡(jiǎn)單帶寬分配算法，由OLT對(duì)已注冊(cè)的ONU進(jìn)行輪詢(xún)，ONU通過(guò)上行信道向OLT提出發(fā)送帶寬申請(qǐng)．由OLT進(jìn)行調(diào)度決定ONU幀的發(fā)送，并將調(diào)度信息通過(guò)下行信道發(fā)送給ONU．帶寬請(qǐng)求／準(zhǔn)許消息可以通過(guò)擴(kuò)展千兆以太網(wǎng)中的MAC控制幀（目前只定義了Pause幀）來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣便從邏輯上解決了共享信道帶寬分配的問(wèn)題，這里就不加贅述．我們建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的仿真模型來(lái)分析這種基于輪詢(xún)的上行接入機(jī)制的性能，并與固定時(shí)隙的TDMA接入進(jìn)行了比較．該模型包括1個(gè)OLT和16個(gè)ONU，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，每個(gè)ONU取相同設(shè)置，設(shè)定到達(dá)每個(gè)ONU的數(shù)據(jù)為100 Mbit／s，緩沖區(qū)大小為10 byte，上下行的傳輸時(shí)延在50～100 s隨機(jī)取值．仿真采用文獻(xiàn)［4］中使用的具有自似性的業(yè)務(wù)源，取值為中等網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下的典型值，Hurst系數(shù)約為0．8，取整形系數(shù)α＝1．4，分配給每個(gè)ONU的窗口WMA＝15 000 Byte．OLT采取的調(diào)度策略是批準(zhǔn)所有小于WMA的請(qǐng)求（即Fixed Service策略）．而固定時(shí)隙的TDMA相當(dāng)于給每一個(gè)ONU固定分配最大窗口（即Limited Service策略）．仿真結(jié)果如圖6、圖7所示，圖6描述了ONU端平均隊(duì)列長(zhǎng)度與ONU負(fù)荷的關(guān)系，圖7描述了平均包時(shí)延與ONU負(fù)荷的關(guān)系．基于輪詢(xún)機(jī)制的帶寬分配算法的ONU端平均隊(duì)列長(zhǎng)度和平均包時(shí)延都小于固定時(shí)隙的TDMA．本文只是初步討論了使用基于輪詢(xún)機(jī)制的帶寬分配算法的可行性與基本性能，關(guān)于WMA值的優(yōu)化，ONU端緩沖區(qū)大小的選定，OLT調(diào)度策略的選取，以及將輪詢(xún)機(jī)制與隨機(jī)爭(zhēng)用機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，如何把業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)思想引入EPON協(xié)議等等，還有很多工作要做．
3 EPONONU實(shí)現(xiàn)方案初步討論
OLT既可以采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)框結(jié)構(gòu)，將每個(gè)OLT做成標(biāo)準(zhǔn)線路接口板，加上控制交換板和網(wǎng)管板，則可以利用背板交換能力和整機(jī)網(wǎng)管開(kāi)發(fā)出一種EPON交換機(jī)，利于升級(jí)和功能擴(kuò)展．ONU可以采用獨(dú)立式結(jié)構(gòu)，也可以開(kāi)發(fā)成一種小型用戶(hù)板，插入現(xiàn)有的用戶(hù)接入箱中或單獨(dú)成為一個(gè)用戶(hù)終端．OLT的結(jié)構(gòu)與ONU相似，但為降低成本，EPON大部分功能置于OLT，加之為與IEEE802．3D、802．3Q兼容，需增加P2P仿真功能，OLTMAC芯片要采用多端口，因而OLT軟、硬件實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜一些．ONU主要在OLT的控制下，完成相應(yīng)的功能，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，下面就對(duì)ONU的軟硬件實(shí)現(xiàn)加以討論．
EPON ONU的框圖如圖8所示，很多地方可以借鑒千兆位以太網(wǎng)的成熟技術(shù)，但是突發(fā)光模塊的功能實(shí)現(xiàn)及突發(fā)同步檢測(cè)芯片的設(shè)計(jì)是EPON物理層的技術(shù)難點(diǎn)．實(shí)現(xiàn)MAC協(xié)議的關(guān)鍵芯片是MPC850微處理器和MAC控制器．MPC850微處理器內(nèi)部集成了嵌入式Power PC核、一個(gè)為通信專(zhuān)用的AISC的通信處理器模塊（CPM）和常用外圍組件，并提供通用串行總線（USB）的支持，功能強(qiáng)大，具有較高信價(jià)比，在通信方面廣泛應(yīng)用．由于E－PONMAC協(xié)議尚未制定完成，國(guó)際上還沒(méi)有成品MAC芯片，故MAC芯片可以考慮用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)．Xilinx公司的Vertex II是采用SRAM工藝的新一代大規(guī)模FPGA，它提供了豐富的IP核心，方便快速開(kāi)發(fā)．Xilinx已經(jīng)推出用于其Virtex II系列器件的千兆位以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器（GMAC）的IP核心．因而用Virtex II系列FPGA從速率上及復(fù)雜度上完成EPON MAC功能是可行的．但需要設(shè)計(jì)針對(duì)EPON MAC的IP核心，實(shí)現(xiàn)EPONMAC功能并能提供GMII標(biāo)準(zhǔn)接口．
ONU軟件核心是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)MAC層和物理層的功能程序和網(wǎng)絡(luò)層程序．操作系統(tǒng)應(yīng)具有高可靠的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，并能提供一種及時(shí)響應(yīng)、高效協(xié)調(diào)用戶(hù)實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)機(jī)制，目前常用的有VxWorks、pSOS、QNX等等．ONU程序必須有以下軟件模塊：測(cè)距和注冊(cè)模塊、MAC初始化模塊、時(shí)間同步模塊、啟動(dòng)模塊等等．OLT是系統(tǒng)的核心，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，也應(yīng)有操作系統(tǒng)作核心，軟件功能有：?jiǎn)?dòng)和初始化、上行信道設(shè)置、帶寬分配、測(cè)距和注冊(cè)、OAM、緩沖器管理、中斷處理及各接口管理．OLT和ONU相互協(xié)調(diào)，根據(jù)EPON協(xié)議，控制MAC芯片實(shí)現(xiàn)帶寬分配、碰撞解決、初始化、測(cè)距和功率調(diào)整等機(jī)制．
4 結(jié)束語(yǔ)
本文討論了EPONMAC中的測(cè)距技術(shù)、上行帶寬分配算法及ONU的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案．由于E－PON的MAC協(xié)議還在討論之中，所以EPONMAC中的其他問(wèn)題還有待于進(jìn)一步研究探討，軟硬件實(shí)現(xiàn)還有待專(zhuān)用芯片的推出和IP核心的研制，EPON真正走上市場(chǎng)，還需廣大科研人員付出艱苦的努力．
參考文獻(xiàn)
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摘自 北極星電技術(shù)網(wǎng)
