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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
目前的用戶接入網(wǎng)主要是以承載話音業(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)光纖化帶來的巨大的帶寬資源使人們考慮到接入網(wǎng)也應(yīng)該實現(xiàn)光纖化、寬帶化。
光纖接入網(wǎng)主要面對小企業(yè)用戶以及住宅用戶。它不僅能提供原來銅纜網(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)備不依賴于交換機的型號，可以在多廠家、多類型交換機環(huán)境中工作。
ITU-T在1998年2月的G.983建議中對基于ATM的無源光網(wǎng)絡(luò)(ATM-PON)做了規(guī)范，建議提出下行業(yè)務(wù)在1550nm波長采用廣播方式，上行采用1310nm波長的TDMA方式把用戶業(yè)務(wù)接入到OLT。根據(jù)G.983規(guī)范，ATM-PON中，一個OLT最多可尋址64個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個時隙，含兩個PLOAM信元；而622Mb/s的為每幀224個時隙，有8個PLOAM信元。ATM-PON的上行幀有53個時隙，每個時隙56字節(jié)，即一個53字節(jié)信元和每個信元之前的3字節(jié)開銷。開銷包括3個域：防衛(wèi)時間域、前置比特圖案和定界比特圖案。防衛(wèi)時間最少4比特，用于相鄰信元間相位漂移的保護；前置比特圖案用于OLT實現(xiàn)比特同步的獲��；定界部分則可用于確定幀和時隙的邊界。這3個域的長度是可編程的，可以由OLT決定，并通過下行的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時隙。并且OLT可根據(jù)需要，要求ONU發(fā)送PLOAM信元、微時隙信元或者普通的數(shù)據(jù)信元。
ATM-PON的工作原理如下：OLT將到達各個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輪詢各個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隙。
實現(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上行接入時包括測距、帶寬分配等)、突發(fā)信號的發(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)。
目前實用的PON系統(tǒng)主要是窄帶PON，由窄帶PON升級到寬帶的ATM-PON，終端設(shè)備和控制協(xié)議都需要進行大幅度的改動，傳輸速率的提高對物理層設(shè)備和媒質(zhì)訪問控制(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)細節(jié)還需要在其實際的發(fā)展和使用中繼續(xù)研究和完善，但ITU-T在ATM-PON實用系統(tǒng)出現(xiàn)之前就確定了G.983建議，對ATM-PON進行了規(guī)范，它進入實用的步伐將會更加順利。無論從網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢還是從用戶需求角度來看，寬帶的ATM-PON將會是最有競爭實力的接入網(wǎng)方案。
二 ATM-PON的測距
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，每個用戶的ATM信元是在預(yù)先約定的時間插入預(yù)先分配好的時隙內(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)的上行信號在OLT處發(fā)生沖突，OLT需要一套測距功能，測量每一ONU與OLT之間的距離(即延時)，并指揮每個ONU調(diào)整發(fā)送時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)測距方法來測量OLT到ONU的邏輯距離。這種測距方法適合于0到20km左右范圍的ATM-PON，并能在不中斷業(yè)務(wù)的情況下實施。測距過程主要由兩個部分組成：一是ONU開機或復(fù)位時進行的首次測距，通過打開測距窗口來進行；二是在業(yè)務(wù)傳送過程中通過不斷測量信元延時動態(tài)調(diào)整ONU的發(fā)送延時，以適應(yīng)傳輸延時隨環(huán)境的變化。
ONU相位參考點表示信元在ONU端的處理、傳輸時延；OLT相位參考點是指OLT處理、傳輸信元的時延。OLT到ONU各段的延時說明以及相位參考點如圖2所示。
基本信元發(fā)送延時Ts，是指等效延時Td為0的情況下ONU端發(fā)送的上行信元相對于所收到的下行信元的延時，它與ONU對PON信號的處理時間有關(guān)。
ONU信元發(fā)送延時，指延時Ts和Td之和，即ONU端光電轉(zhuǎn)換之前上行信元相對于下行授權(quán)之間的總延時。
接口延時是指由于收發(fā)接口上的延時，主要由光電轉(zhuǎn)換造成，圖2中示出了Tio1、Tio2、Tis1、Tis2。
此外還有信號在光纖中傳播的延時Tpd。
因此ONU的響應(yīng)時間為各個延時之和，即Tresponse=Tio1+Ts+Td+Tio2；當(dāng)Td取值為0時，Tresponse=Tio1+ Ts+Tio2；設(shè)上行幀的第一時隙中的信元對應(yīng)下行幀第一個PLOAM信元中的第一個授權(quán)，則這個對應(yīng)的上行信元與該PLOAM信元之間的延時被定義為等效往返延時Teqd，Teqd是在OLT相位參考點定義的，其值為：Teqd=2Tpd+Ts+Td+Tio1+Tio2+Tis1+Tis2 =2Tpd+Tresponse+Td+Tis1+Tis2
ATM-PON正常工作時，各個ONU的Teqd是個確定常數(shù)，由此才能保證不同ONU的上行信元準確復(fù)用到上行幀中。為了彌補延時變化以及安排上行順序，OLT根據(jù)測距結(jié)果給各個ONU指定Td值來調(diào)整延時。在155.52Mb/s系統(tǒng)中Td的精度為1比特。
ATM-PON中，由OLT主動發(fā)起對ONU的測距，其過程簡述如下：
(1)OLT在下行幀中使用未分配授權(quán)來打開測距窗口；
(2)OLT向特定ONU發(fā)送測距授權(quán)，必要時發(fā)送PLOAM授權(quán)；
(3)OLT收到被測距ONU響應(yīng)測距授權(quán)而發(fā)送的上行PLOAM信元；
(4)OLT計算出Td并告知ONU，ONU調(diào)整自己的發(fā)送延時；
(5)OLT在業(yè)務(wù)運行過程中不斷測量上行信元的相位偏差，適時調(diào)整ONU的發(fā)送延時。
對于首次測距，必要時OLT先執(zhí)行獲取ONU序列號的過程。OLT通過序列號屏蔽字消息確定ONU，ONU響應(yīng)以攜帶序列號消息的PLOAM信元，OLT得到ONU的序列號后就分配給該ONU一個PON_ID，以后將使用該PON_ID尋址這個ONU。
在OLT發(fā)起的首次測距流程中，OLT首先在需要的情況下依次發(fā)出上行開銷消息、序列號屏蔽字消息、未分配授權(quán)以及測距授權(quán)、Assign-PON_ID消息、Grant_Allocation消息，接著進行門限恢復(fù)過程，并對該ONU進行光功率設(shè)置。在這期間，如果由于沒有檢測到光信號或幅度檢出失敗而造成的重試次數(shù)大于規(guī)定值時，將向該ONU連續(xù)發(fā)送3次PON_ID去激活消息并結(jié)束測距。光功率設(shè)置完成后正式開始延時的測量，發(fā)送未分配授權(quán)以及一個PLOAM授權(quán)后，OLT在打開的測距窗口中等待上行PLOAM信元，收到該ONU的PLOAM信元后計算往返延時，成功重復(fù)延時測量過程若干次，并且測得的延時偏差小于規(guī)定的最大值，然后計算出Td，在向ONU發(fā)送測距時間消息后成功結(jié)束首次測距，進入對ONU的動態(tài)測距流程。如果因為延時偏差太大，造成重試次數(shù)大于規(guī)定值時，同樣將向該ONU連續(xù)發(fā)送3次PON_ID去激活消息并結(jié)束測距。
OLT在發(fā)送含有測距授權(quán)的PLOAM信元時，記錄時刻T1，在測距窗口中收到ONU的上行PLOAM信元，時刻為T2。假設(shè)下行幀中第一個PLOAM信元的第一個授權(quán)即為測距授權(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ONU的上行業(yè)務(wù)，以最大的往返延時作為OLT到各個ONU統(tǒng)一的邏輯距離，即Tconst。于是不考慮上行接入的時隙位置時，到各個ONU的往返延時應(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，其缺省值為0，也可以根據(jù)ATM-PON系統(tǒng)的實際大小范圍設(shè)定為某個值，這樣就能相應(yīng)減小測距窗口的尺寸，提高信道利用率。
在ONU工作時，OLT周期地對收到的信元相位進行連續(xù)檢查、測量傳輸延時的變化，以保證相鄰信元不發(fā)生沖突。時鐘對準手段將消除OLT的時鐘抖動，溫度變化則造成某個ONU的上行信元在相位上向相鄰的信元飄移。OLT在一段時間內(nèi)對ONU的每個上行信元的延時進行測量，得到與原先Td相位差的均值，如果均值大于1比特，就使用這個均值修正原來的Td，并通過測距時間消息發(fā)送給ONU。即OLT在發(fā)出給某個ONU的上行授權(quán)時記錄時刻T1、收到該ONU的上行信元記錄時刻T2，假設(shè)該授權(quán)是下行幀中的第一個授權(quán)，取d= Teqd-(T2-T1)，記錄d與上次測得Td的偏差p=Td-d。如此記錄一段時間后，求各個偏差p[i](i=0,1,2...)的平均值av，修正Td=Td+av。
在測距過程中，ONU被動地對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，以及對發(fā)送延時進行調(diào)整。測距完成后，ONU將使用指定的Td作為發(fā)送延時。在考慮上行業(yè)務(wù)的時隙位置時，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上行時隙，于是在上面分析的基礎(chǔ)上應(yīng)該再延時(grant-1)×56×8(bits)(上行幀中時隙為56字節(jié)長，3字節(jié)開銷加上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PLOAM信元中的第五個授權(quán)，則ONU總的發(fā)送延時T=Td+(5-1)×56×8=Td+4×56×8(bits)；如果是第2個PLOAM信元中的第二個授權(quán)，即總的第29個授權(quán)，那么T=Td+28×56×8(bits)。這樣，就可以把上行信元準確插入到上行幀的第grant個時隙中。
接入網(wǎng)數(shù)字化、寬帶化是必然的發(fā)展趨勢，而ATM-PON因其具有光纖傳輸距離遠、誤碼率低、帶寬大的優(yōu)點，并結(jié)合了ATM適應(yīng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要的特點，成為諸多寬帶接入網(wǎng)方案中最具前途的一種。測距是ATM-PON實現(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，延時變化對上行接入的影響非常大，測距更顯得重要。在實現(xiàn)MAC協(xié)議的時候，必須考慮到測距的實現(xiàn)以及測距流程對MAC協(xié)議的影響。
（全文完）
來源：《世界網(wǎng)絡(luò)與多媒體》
