通信網(wǎng)banner.jpg)
本文作者吳偉先生，南京郵電學(xué)院碩士研究生；鄒靜嫻女士，無(wú)錫輕工業(yè)大學(xué)信息控制學(xué)院副教授。
關(guān)鍵詞：ATM-PON
一 ATM-PON介紹
目前的用戶(hù)接入網(wǎng)主要是以承載話(huà)音業(yè)務(wù)為主的銅纜網(wǎng)，但隨著具有高帶寬要求的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)銅纜接入網(wǎng)已經(jīng)成為全網(wǎng)寬帶化的瓶頸。主干網(wǎng)光纖化帶來(lái)的巨大的帶寬資源使人們考慮到接入網(wǎng)也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)光纖化、寬帶化。
光纖接入網(wǎng)主要面對(duì)小企業(yè)用戶(hù)以及住宅用戶(hù)。它不僅能提供原來(lái)銅纜網(wǎng)所提供的2Mb/s以下的窄帶業(yè)務(wù)，還可以提供圖像、數(shù)據(jù)等寬帶新業(yè)務(wù)。并且接入網(wǎng)設(shè)備不依賴(lài)于交換機(jī)的型號(hào)，可以在多廠(chǎng)家、多類(lèi)型交換機(jī)環(huán)境中工作。
ITU-T在1998年2月的G.983建議中對(duì)基于ATM的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(ATM-PON)做了規(guī)范，建議提出下行業(yè)務(wù)在1550nm波長(zhǎng)采用廣播方式，上行采用1310nm波長(zhǎng)的TDMA方式把用戶(hù)業(yè)務(wù)接入到OLT。根據(jù)G.983規(guī)范，ATM-PON中，一個(gè)OLT最多可尋址64個(gè)ONU，PON所支持的虛通路(VP)數(shù)為4096。
ATM-PON下行速率有155.52Mb/s和622.08Mb/s兩種，上行速率為155.52Mb/s，其幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。155Mb/s下行鏈路上每幀56個(gè)時(shí)隙，含兩個(gè)PLOAM信元；而622Mb/s的為每幀224個(gè)時(shí)隙，有8個(gè)PLOAM信元。ATM-PON的上行幀有53個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙56字節(jié)，即一個(gè)53字節(jié)信元和每個(gè)信元之前的3字節(jié)開(kāi)銷(xiāo)。開(kāi)銷(xiāo)包括3個(gè)域：防衛(wèi)時(shí)間域、前置比特圖案和定界比特圖案。防衛(wèi)時(shí)間最少4比特，用于相鄰信元間相位漂移的保護(hù)；前置比特圖案用于OLT實(shí)現(xiàn)比特同步的獲�。欢ń绮糠謩t可用于確定幀和時(shí)隙的邊界。這3個(gè)域的長(zhǎng)度是可編程的，可以由OLT決定，并通過(guò)下行的PLOAM信元中攜帶的消息告知ONU。OLT在下行PLOAM信元中給ONU發(fā)送上行授權(quán)，ONU只有接到有效上行授權(quán)，才能在上行幀中占有一個(gè)時(shí)隙。并且OLT可根據(jù)需要，要求ONU發(fā)送PLOAM信元、微時(shí)隙信元或者普通的數(shù)據(jù)信元。
ATM-PON的工作原理如下：OLT將到達(dá)各個(gè)ONU的下行業(yè)務(wù)組裝成幀，以廣播的方式發(fā)送到下行信道上，各個(gè)ONU收到所有的下行信元后，根據(jù)信元頭信息從中取出屬于自己的信元；在上行方向上，由OLT輪詢(xún)各個(gè)ONU，得到ONU的上行帶寬要求，OLT合理分配帶寬后，以上行授權(quán)的形式允許ONU發(fā)送上行信元，即只有收到有效上行授權(quán)的ONU才有權(quán)利在上行幀中占有指定的時(shí)隙。
實(shí)現(xiàn)ATM-PON的關(guān)鍵技術(shù)有多址和接入控制技術(shù)(在使用TDMA上行接入時(shí)包括測(cè)距、帶寬分配等)、突發(fā)信號(hào)的發(fā)送和接收技術(shù)、快速比特同步技術(shù)以及安全保密等方面的技術(shù)。
目前實(shí)用的PON系統(tǒng)主要是窄帶PON，由窄帶PON升級(jí)到寬帶的ATM-PON，終端設(shè)備和控制協(xié)議都需要進(jìn)行大幅度的改動(dòng)，傳輸速率的提高對(duì)物理層設(shè)備和媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)協(xié)議都有新的要求。只要寬帶PON的成本可以控制在目前窄帶PON的1.5倍以下，還是可以接受的。雖然寬帶PON的技術(shù)細(xì)節(jié)還需要在其實(shí)際的發(fā)展和使用中繼續(xù)研究和完善，但I(xiàn)TU-T在ATM-PON實(shí)用系統(tǒng)出現(xiàn)之前就確定了G.983建議，對(duì)ATM-PON進(jìn)行了規(guī)范，它進(jìn)入實(shí)用的步伐將會(huì)更加順利。無(wú)論從網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)還是從用戶(hù)需求角度來(lái)看，寬帶的ATM-PON將會(huì)是最有競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的接入網(wǎng)方案。
二 ATM-PON的測(cè)距
由于PON中光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)部分為共享光纖媒質(zhì)，因此上行方向上，每個(gè)用戶(hù)的ATM信元是在預(yù)先約定的時(shí)間插入預(yù)先分配好的時(shí)隙內(nèi)，從而組成一定格式的上行幀送給OLT。為了避免與OLT不同距離的ONU所發(fā)的上行信號(hào)在OLT處發(fā)生沖突，OLT需要一套測(cè)距功能，測(cè)量每一ONU與OLT之間的距離(即延時(shí))，并指揮每個(gè)ONU調(diào)整發(fā)送時(shí)間使之不致相互沖突。
根據(jù)G.983建議，ATM-PON采用全數(shù)字的帶內(nèi)測(cè)距方法來(lái)測(cè)量OLT到ONU的邏輯距離。這種測(cè)距方法適合于0到20km左右范圍的ATM-PON，并能在不中斷業(yè)務(wù)的情況下實(shí)施。測(cè)距過(guò)程主要由兩個(gè)部分組成：一是ONU開(kāi)機(jī)或復(fù)位時(shí)進(jìn)行的首次測(cè)距，通過(guò)打開(kāi)測(cè)距窗口來(lái)進(jìn)行；二是在業(yè)務(wù)傳送過(guò)程中通過(guò)不斷測(cè)量信元延時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整ONU的發(fā)送延時(shí)，以適應(yīng)傳輸延時(shí)隨環(huán)境的變化。
ONU相位參考點(diǎn)表示信元在ONU端的處理、傳輸時(shí)延；OLT相位參考點(diǎn)是指OLT處理、傳輸信元的時(shí)延。OLT到ONU各段的延時(shí)說(shuō)明以及相位參考點(diǎn)如圖2所示。
基本信元發(fā)送延時(shí)Ts，是指等效延時(shí)Td為0的情況下ONU端發(fā)送的上行信元相對(duì)于所收到的下行信元的延時(shí)，它與ONU對(duì)PON信號(hào)的處理時(shí)間有關(guān)。
ONU信元發(fā)送延時(shí)，指延時(shí)Ts和Td之和，即ONU端光電轉(zhuǎn)換之前上行信元相對(duì)于下行授權(quán)之間的總延時(shí)。
接口延時(shí)是指由于收發(fā)接口上的延時(shí)，主要由光電轉(zhuǎn)換造成，圖2中示出了Tio1、Tio2、Tis1、Tis2。
此外還有信號(hào)在光纖中傳播的延時(shí)Tpd。
因此ONU的響應(yīng)時(shí)間為各個(gè)延時(shí)之和，即Tresponse=Tio1+Ts+Td+Tio2；當(dāng)Td取值為0時(shí)，Tresponse=Tio1+ Ts+Tio2；設(shè)上行幀的第一時(shí)隙中的信元對(duì)應(yīng)下行幀第一個(gè)PLOAM信元中的第一個(gè)授權(quán)，則這個(gè)對(duì)應(yīng)的上行信元與該P(yáng)LOAM信元之間的延時(shí)被定義為等效往返延時(shí)Teqd，Teqd是在OLT相位參考點(diǎn)定義的，其值為：Teqd=2Tpd+Ts+Td+Tio1+Tio2+Tis1+Tis2 =2Tpd+Tresponse+Td+Tis1+Tis2
ATM-PON正常工作時(shí)，各個(gè)ONU的Teqd是個(gè)確定常數(shù)，由此才能保證不同ONU的上行信元準(zhǔn)確復(fù)用到上行幀中。為了彌補(bǔ)延時(shí)變化以及安排上行順序，OLT根據(jù)測(cè)距結(jié)果給各個(gè)ONU指定Td值來(lái)調(diào)整延時(shí)。在155.52Mb/s系統(tǒng)中Td的精度為1比特。
ATM-PON中，由OLT主動(dòng)發(fā)起對(duì)ONU的測(cè)距，其過(guò)程簡(jiǎn)述如下：
(1)OLT在下行幀中使用未分配授權(quán)來(lái)打開(kāi)測(cè)距窗口；
(2)OLT向特定ONU發(fā)送測(cè)距授權(quán)，必要時(shí)發(fā)送PLOAM授權(quán)；
(3)OLT收到被測(cè)距ONU響應(yīng)測(cè)距授權(quán)而發(fā)送的上行PLOAM信元；
(4)OLT計(jì)算出Td并告知ONU，ONU調(diào)整自己的發(fā)送延時(shí)；
(5)OLT在業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中不斷測(cè)量上行信元的相位偏差，適時(shí)調(diào)整ONU的發(fā)送延時(shí)。
對(duì)于首次測(cè)距，必要時(shí)OLT先執(zhí)行獲取ONU序列號(hào)的過(guò)程。OLT通過(guò)序列號(hào)屏蔽字消息確定ONU，ONU響應(yīng)以攜帶序列號(hào)消息的PLOAM信元，OLT得到ONU的序列號(hào)后就分配給該ONU一個(gè)PON_ID，以后將使用該P(yáng)ON_ID尋址這個(gè)ONU。
在OLT發(fā)起的首次測(cè)距流程中，OLT首先在需要的情況下依次發(fā)出上行開(kāi)銷(xiāo)消息、序列號(hào)屏蔽字消息、未分配授權(quán)以及測(cè)距授權(quán)、Assign-PON_ID消息、Grant_Allocation消息，接著進(jìn)行門(mén)限恢復(fù)過(guò)程，并對(duì)該ONU進(jìn)行光功率設(shè)置。在這期間，如果由于沒(méi)有檢測(cè)到光信號(hào)或幅度檢出失敗而造成的重試次數(shù)大于規(guī)定值時(shí)，將向該ONU連續(xù)發(fā)送3次PON_ID去激活消息并結(jié)束測(cè)距。光功率設(shè)置完成后正式開(kāi)始延時(shí)的測(cè)量，發(fā)送未分配授權(quán)以及一個(gè)PLOAM授權(quán)后，OLT在打開(kāi)的測(cè)距窗口中等待上行PLOAM信元，收到該ONU的PLOAM信元后計(jì)算往返延時(shí)，成功重復(fù)延時(shí)測(cè)量過(guò)程若干次，并且測(cè)得的延時(shí)偏差小于規(guī)定的最大值，然后計(jì)算出Td，在向ONU發(fā)送測(cè)距時(shí)間消息后成功結(jié)束首次測(cè)距，進(jìn)入對(duì)ONU的動(dòng)態(tài)測(cè)距流程。如果因?yàn)檠訒r(shí)偏差太大，造成重試次數(shù)大于規(guī)定值時(shí)，同樣將向該ONU連續(xù)發(fā)送3次PON_ID去激活消息并結(jié)束測(cè)距。
OLT在發(fā)送含有測(cè)距授權(quán)的PLOAM信元時(shí)，記錄時(shí)刻T1，在測(cè)距窗口中收到ONU的上行PLOAM信元，時(shí)刻為T(mén)2。假設(shè)下行幀中第一個(gè)PLOAM信元的第一個(gè)授權(quán)即為測(cè)距授權(quán)，可以得到：
ΔT = T2-T1
= Tis1+Tpd+Tio1+Ts+Te+Tio2+Tpd+Tis2
= Tis1+Tis2+2Tpd+Tresponse+Te
ATM-PON中為了協(xié)調(diào)各個(gè)ONU的上行業(yè)務(wù)，以最大的往返延時(shí)作為OLT到各個(gè)ONU統(tǒng)一的邏輯距離，即Tconst。于是不考慮上行接入的時(shí)隙位置時(shí)，到各個(gè)ONU的往返延時(shí)應(yīng)該是
Teqd=Tconst=Tis1+Tpd+Tio1+Ts+Td+Tio2+Tpd+Tis2
=2Tpd+Tresponse+Td+Tis1+Tis2
所以，可以得到Td=Teqd-(T2-T1)+Te=Tconst-(T2-T1)+Te
這里，Te為預(yù)設(shè)的延時(shí)，其缺省值為0，也可以根據(jù)ATM-PON系統(tǒng)的實(shí)際大小范圍設(shè)定為某個(gè)值，這樣就能相應(yīng)減小測(cè)距窗口的尺寸，提高信道利用率。
在ONU工作時(shí)，OLT周期地對(duì)收到的信元相位進(jìn)行連續(xù)檢查、測(cè)量傳輸延時(shí)的變化，以保證相鄰信元不發(fā)生沖突。時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)手段將消除OLT的時(shí)鐘抖動(dòng)，溫度變化則造成某個(gè)ONU的上行信元在相位上向相鄰的信元飄移。OLT在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)ONU的每個(gè)上行信元的延時(shí)進(jìn)行測(cè)量，得到與原先Td相位差的均值，如果均值大于1比特，就使用這個(gè)均值修正原來(lái)的Td，并通過(guò)測(cè)距時(shí)間消息發(fā)送給ONU。即OLT在發(fā)出給某個(gè)ONU的上行授權(quán)時(shí)記錄時(shí)刻T1、收到該ONU的上行信元記錄時(shí)刻T2，假設(shè)該授權(quán)是下行幀中的第一個(gè)授權(quán)，取d= Teqd-(T2-T1)，記錄d與上次測(cè)得Td的偏差p=Td-d。如此記錄一段時(shí)間后，求各個(gè)偏差p[i](i=0,1,2...)的平均值av，修正Td=Td+av。
在測(cè)距過(guò)程中，ONU被動(dòng)地對(duì)OLT的授權(quán)和消息作出響應(yīng)，發(fā)送相應(yīng)的上行PLOAM信元，以及對(duì)發(fā)送延時(shí)進(jìn)行調(diào)整。測(cè)距完成后，ONU將使用指定的Td作為發(fā)送延時(shí)。在考慮上行業(yè)務(wù)的時(shí)隙位置時(shí)，ONU根據(jù)上行數(shù)據(jù)授權(quán)在下行PLOAM信元中的位置確定使用哪個(gè)上行時(shí)隙，于是在上面分析的基礎(chǔ)上應(yīng)該再延時(shí)(grant-1)×56×8(bits)(上行幀中時(shí)隙為56字節(jié)長(zhǎng)，3字節(jié)開(kāi)銷(xiāo)加上53字節(jié)信元)。比如，ONU收到的數(shù)據(jù)授權(quán)是下行幀中第一個(gè)PLOAM信元中的第五個(gè)授權(quán)，則ONU總的發(fā)送延時(shí)T=Td+(5-1)×56×8=Td+4×56×8(bits)；如果是第2個(gè)PLOAM信元中的第二個(gè)授權(quán)，即總的第29個(gè)授權(quán)，那么T=Td+28×56×8(bits)。這樣，就可以把上行信元準(zhǔn)確插入到上行幀的第grant個(gè)時(shí)隙中。
接入網(wǎng)數(shù)字化、寬帶化是必然的發(fā)展趨勢(shì)，而ATM-PON因其具有光纖傳輸距離遠(yuǎn)、誤碼率低、帶寬大的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合了ATM適應(yīng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要的特點(diǎn)，成為諸多寬帶接入網(wǎng)方案中最具前途的一種。測(cè)距是ATM-PON實(shí)現(xiàn)上行接入的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是在寬帶高速的ATM-PON系統(tǒng)中，延時(shí)變化對(duì)上行接入的影響非常大，測(cè)距更顯得重要。在實(shí)現(xiàn)MAC協(xié)議的時(shí)候，必須考慮到測(cè)距的實(shí)現(xiàn)以及測(cè)距流程對(duì)MAC協(xié)議的影響。
（全文完）
來(lái)源：《世界網(wǎng)絡(luò)與多媒體》
