基于以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)的1553B設(shè)備互聯(lián)方法

MIL-STD-1553B（簡稱1553B）總線是美國軍用航空電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，用于實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和信息交換，以其優(yōu)異的性能在美軍航空、航天和航海等武器裝備上得到廣泛應(yīng)用，并逐漸被民用航空系統(tǒng)采用作為民用航空電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)總線[1]。但是1553B總線存在明顯的缺點：數(shù)據(jù)傳輸速率較低，最大速率只有1 Mb/s；總線工作模式為半雙工模式；最大傳輸距離短,僅為6 m�，F(xiàn)代航空電子的綜合數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)需要實時處理包括雷達、光電探測、導(dǎo)航、座艙顯示等在內(nèi)的綜合信息，1553B的1 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率和半雙工工作模式嚴重制約了綜合數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)信息傳輸和處理的效率，因此需要采用新的數(shù)據(jù)傳輸模式實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸。

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)EPON(Ethernet Passive Optical Network)是一種融合以太網(wǎng)和無源光纖傳輸?shù)膶拵Ы尤刖W(wǎng)技術(shù)[2]。EPON采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝格式，可以實現(xiàn)與現(xiàn)行的以太網(wǎng)設(shè)備無縫互通，并且支持靜態(tài)和動態(tài)的帶寬分配策略，可以根據(jù)用戶的需求動態(tài)地調(diào)整傳輸速率�；�于光纖傳輸?shù)腅PON的最大傳輸速率為1 000 Mb/s，傳輸距離最大可達20 km，每個光線路終端OLT(Optical Line Terminal)可以連接32個光網(wǎng)絡(luò)單元ONU(Optical Network Unit)設(shè)備，OLT和ONU采用點到多點通信方式。EPON是光纖接入網(wǎng)的重要候選方案。

本文根據(jù)1553B總線的工作原理，提出一種新的利用EPON實現(xiàn)1553B設(shè)備互聯(lián)的解決方案。在這種互聯(lián)方案中，1553B設(shè)備通過1553B協(xié)議網(wǎng)關(guān)和EPON網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，同時利用EPON的帶寬分配機制為1553B設(shè)備傳輸速率提供保證。相對于傳統(tǒng)的1553B 總線互聯(lián)，這種新方案不但具有數(shù)據(jù)吞吐量高和覆蓋半徑大的優(yōu)點，而且可以為1553B設(shè)備提供包括時延、速率在內(nèi)的服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)保證機制。

1 1553B總線協(xié)議簡介

1553B總線的拓撲結(jié)構(gòu)是多冗余的總線結(jié)構(gòu),如圖1所示，支持半雙工的傳輸模式，最大傳輸速率為1 Mb/s，采用曼徹斯特二型碼，總線具有直接耦合和變壓器耦合兩種耦合方式，通常情況下采用變壓器耦合方式。1553B總線支持總線控制器BC(Bus Controller)、總線監(jiān)視器BM(Bus Monitor)和遠程終端RT(Remote Terminal)三種設(shè)備，總線上的所有消息都由總線控制器發(fā)出指令進行控制，非常適合集中控制的分布式處理系統(tǒng)。而總線監(jiān)視器只接收而不發(fā)送消息，總線監(jiān)視器對1553B總線的工作狀態(tài)進行監(jiān)視。

1553B總線有10種消息格式，每個消息最少包含2個字，最大為32個字，每字為16 bit信息位、3  bit同步頭和1 bit校驗位。1553B總線采用指令/響應(yīng)的異步方式進行工作，在強調(diào)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性的同時，采用反饋重傳機制來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾�性�?/p>

2 EPON簡介

EPON是基于以太網(wǎng)的無源光纖接入網(wǎng)。在EPON中，其設(shè)備通過一根單模光纖相連，下行光信號傳輸波長為1 550 nm，上行光信號傳輸波長為1 310 nm。OLT通過1:N的光分離/復(fù)用器與多個ONU相連，每個ONU通過以太網(wǎng)接口與用戶終端UE(User Equipment)相連，通常N≤32,N的具體值與OLT的發(fā)射的光信號功率有關(guān)[3]。EPON的下行傳輸采用廣播發(fā)送選擇接收方式，OLT將封裝的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀以廣播的方式向每個ONU發(fā)送，每個ONU利用設(shè)備地址對下行的廣播數(shù)據(jù)進行選擇性接收，下行傳輸模式和以太網(wǎng)非常相似，EPON的最大傳輸速率可達1 Gb/s。

在上行傳輸中，每個ONU采用時分復(fù)用多址TDMA(Time Division Multiople Access)的方式與OLT通信。每個ONU通過上行的光復(fù)用器和OLT通信。為了克服ONU上行數(shù)據(jù)之間的碰撞,每個ONU只能在OLT分配的固定時隙內(nèi)進行數(shù)據(jù)發(fā)送。OLT對ONU的時隙分配可采用靜態(tài)時隙分配和動態(tài)時隙分配兩種策略。在EPON的工作過程中，OLT對ONU具有自動發(fā)現(xiàn)和同步功能。

在EPON中，ONU之間不能直接進行通信，所有ONU之間的通信都必須經(jīng)過OLT的媒體接入控制MAC(Media Access Control)層進行轉(zhuǎn)發(fā)[4]。OLT的MAC層中提供一個邏輯拓撲仿真功能實體，該功能實體實現(xiàn)不同ONU之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。OLT的邏輯拓撲仿真功能支持ONU之間點到點和點到多點的數(shù)據(jù)傳輸。

3 基于EPON的1553B設(shè)備的互聯(lián)

1553B是典型的集中控制的分布式處理系統(tǒng)，而EPON也是基于OLT集中控制的分布式接入系統(tǒng)，本文提出利用EPON實現(xiàn)1553B設(shè)備互聯(lián)的方案如圖2所示。在這種互聯(lián)方案中，多個ONU與一個OLT構(gòu)成一個EPON系統(tǒng)，OLT和ONU由無源光纖連接。OLT通過1553B網(wǎng)關(guān)與1553B總線控制器相連，ONU通過1553B網(wǎng)關(guān)和各種遠程終端相連，遠程終端還可連接1553B子系統(tǒng)。1553B網(wǎng)關(guān)采用10M/100M以太網(wǎng)和OLT、ONU相連，通過1553B總線和總線控制器、遠程終端互聯(lián)。

在圖2的互聯(lián)方案中，1553B遠程終端(包括嵌入遠程終端的子系統(tǒng)和總線監(jiān)視器)通過1553B網(wǎng)關(guān)和EPON中的ONU相連，總線控制器通過1553B網(wǎng)關(guān)和EPON中的OLT相連。1553B總線控制器向遠程終端發(fā)送的消息通過OLT到ONU的下行廣播實現(xiàn)，遠程終端和總線控制器之間的通信通過ONU到OLT的時分復(fù)用方式接入，而遠程終端之間的消息由位于OLT第二層的邏輯仿真功能進行轉(zhuǎn)發(fā)。

利用EPON實現(xiàn)1553B設(shè)備的互連的關(guān)鍵技術(shù)是1553B網(wǎng)關(guān)的設(shè)計。1553B網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)1553B協(xié)議到以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)設(shè)計中采用數(shù)據(jù)設(shè)備公司的1553B 總線控制器BU-61580和Fresscale公司通信協(xié)議處理器MPC860實現(xiàn)1553B網(wǎng)關(guān)。1553B網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。BU-61580通過變壓器耦合和1553B總線控制器、總線監(jiān)視器以及遠程終端連接[5]； MPC860通信協(xié)議處理器通過以太網(wǎng)接口RTL8019提供標(biāo)準(zhǔn)的10Base-T或100Base-T自適應(yīng)的以太網(wǎng)接口[6]。10M/100M以太網(wǎng)接口可以和EPON中的OLT或ONU相連。1553B網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)1553B信令和以太網(wǎng)信令之間的轉(zhuǎn)換。