EPON媒體接入控制的關鍵技術研究

唐海峰，張瑞峰，李迎春，沈陽，林如儉



（上海大學通信與信息工程學院，上�！�200072）



摘 要：文章簡要介紹了基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡（EPON）這種新型的接入網(wǎng)技術，將其與基于ATM技術的無源光網(wǎng)絡（APON）的優(yōu)缺點進行了比較，并對其媒體接入控制（MAC）的關鍵技術測距及上行接入進行了討論，初步提出了光網(wǎng)絡單元（ONU）的軟、硬件實現(xiàn)方案．


關鍵詞：接入網(wǎng)；無源光網(wǎng)絡；測距；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．目前無源光網(wǎng)絡（PON）因為成本低、對業(yè)務透明、易于升級和易于維護管理而深受用戶歡迎．


　　典型的PON系統(tǒng)有窄帶無源光網(wǎng)絡（NPON）和基于ATM技術的無源光網(wǎng)絡（APON）．2000年11月美國IEEE802局域網(wǎng)／城域網(wǎng)標準委員會成立了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—以太網(wǎng)PON（EPON），并致力于EPON體系規(guī)約的標準化［1～2］．


　　本文對EPON的技術優(yōu)勢、基本結構進行了簡要介紹，討論了EPON媒體接入控制（MAC）層的關鍵問題：上行帶寬分配與測距，并提出了ONU的軟、硬件實現(xiàn)方案．




1　EPON介紹


1．1　系統(tǒng)結構


EPON的總體結構如圖1所示．它由光線路終端（OLT）、光合／分路器和光網(wǎng)絡單元（ONU）組成，采用樹形拓撲結構．OLT放置在中心局端，分配和控制信道的連接，并有實時監(jiān)控、管理及維護功能．ONU放置在用戶側，OLT與ONU之間通過無源光合／分路器連接．EPON使用波分復用（WDM）技術，同時處理雙向信號傳輸，上、下行信號分別用不同的波長，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，如在以太幀中加入時戳（Time Stamp）、PON－ID等內容．下行采用純廣播的方式，注冊后，OLT為已注冊的ONU分配PON－ID，由各個ONU監(jiān)測到達幀的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．上行采用時分多址接入（TDMA）技術．此外EPON還需通過已定義的接口與電信管理網(wǎng)相連，進行配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及計費管理，完成操作維護管理（OAM）功能．


1．2　EPON與APON的比較


　　ITU－T已經(jīng)制定了APON技術的G．983建議．但是APON有兩個問題：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ONU所分享，每個ONU只能得到5～20 Mbit／s．另一個更主要的問題是，與以太網(wǎng)設備相比，ATM交換機和ATM終端設備相當昂貴．而且，現(xiàn)在因特網(wǎng)工作于TCP／IP規(guī)約，用戶終端設備都是IP設備，采用ATM技術必須將IP包拆分重新封裝為ATM信元，這就大大增加了網(wǎng)絡的開銷，造成網(wǎng)絡資源的浪費．


　　而EPON融合了PON和以太數(shù)據(jù)產(chǎn)品的優(yōu)點，形成了許多獨有的優(yōu)勢．EPON系統(tǒng)能夠提供高達1 Gbit／s的上下行帶寬，這一帶寬能夠適應現(xiàn)在及將來10年內用戶對帶寬的需求．由于EPON采用復用技術，支持更多的用戶，每個用戶可以享受到更大的帶寬．EPON系統(tǒng)不采用昂貴的ATM設備和SONET設備，能與現(xiàn)有的以太網(wǎng)相兼容，大大簡化了系統(tǒng)結構，成本低，易于升級．由于無源光器件有很長的壽命，戶外線路的維護費用大為減少．標準的以太網(wǎng)接口可以利用現(xiàn)有的價格低廉的以太網(wǎng)絡設備．而PON結構本身就決定了網(wǎng)絡的可升級性比較強，只要更換終端設備，就可以使網(wǎng)絡升級到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，還能兼容未來業(yè)務如數(shù)字電視、VoIP、電視會議和VOD等等，實現(xiàn)綜合業(yè)務接入．


　　雖然APON對實時業(yè)務的支持性能優(yōu)越，但隨著多協(xié)議標簽交換（MPLS）等新的IP服務質量（QoS）技術的采用，高層協(xié)議與EPON MAC協(xié)議相配合，EPON已完全可能以相對較低的成本提供足夠的QoS保證．加之EPON的價格優(yōu)勢明顯，因而被認為是解決“第一英里”電信接入瓶頸，最終實現(xiàn)光纖到家的優(yōu)秀過渡方案．


2　EPONMAC的關鍵技術


2．1　測距技術討論［3］


　　由于各個ONU信號到達OLT的時間不確定，并且到達OLT的時延也不同，各個ONU的上行幀會發(fā)生碰撞，因此必須采用測距技術進行補償．各個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)生傳輸時延．測距的程序可以分為粗測和精測．在ONU的注冊階段，進行靜態(tài)粗測補償由物理距離差異造成的時延，而在通信過程中實時進行動態(tài)精測，以校正由于環(huán)境溫度變化和器件老化等因素引起的時延漂移．測距方法有擴頻法、帶外法和帶內開窗法等幾種．本文提出了一個綜合粗測與精測的簡單測距方法，易實現(xiàn)且成本較低，適合應用于EPON系統(tǒng)中．對于粗測過程中可能會發(fā)生的沖突，則可以用隨機重發(fā)的簡單算法解決，具體流程如圖2所示．粗測時由一個計數(shù)器進行沖突檢測，如計數(shù)器超時，則說明注冊過程中發(fā)生了沖突，ONU需再次發(fā)送測距幀．因為在傳輸過程中不會發(fā)生沖突，因此在精測中計數(shù)器不會超時．為了驗證這種測距算法，建立簡單的測距的仿真結構如圖3所示，圖中Delay1～Delay4模塊表示ONU傳輸時延．定義了一個能被ONU和OLT識別的簡化幀格式．如圖4所示．







　　開頭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運行時間指ONU從收到請求到應答所需的時間．以下是采用VHDL語言在Cadence LDV下對該測距過程的實驗結果，系統(tǒng)運行速率為1 Gbit／s．典型值如下：ONU1收到OLT測距幀等待6 ns后應答，Delay1模塊時延置為31．5 ns，則環(huán)路時延為63 ns（3 Fh）．結果如圖5所示，OLT收到應答后正確計算出傳輸時延63 ns（3 Fh），實現(xiàn)了測距功能．












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ONU分配固定的時隙或隨機競爭接入，帶寬利用率會很低．而制定中的EPON協(xié)議一般只會涉及MAC及物理層，不會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的一種簡單帶寬分配算法，由OLT對已注冊的ONU進行輪詢，ONU通過上行信道向OLT提出發(fā)送帶寬申請．由OLT進行調度決定ONU幀的發(fā)送，并將調度信息通過下行信道發(fā)送給ONU．帶寬請求／準許消息可以通過擴展千兆以太網(wǎng)中的MAC控制幀（目前只定義了Pause幀）來實現(xiàn)，這樣便從邏輯上解決了共享信道帶寬分配的問題，這里就不加贅述．我們建立了一個簡化的仿真模型來分析這種基于輪詢的上行接入機制的性能，并與固定時隙的TDMA接入進行了比較．該模型包括1個OLT和16個ONU，為簡單起見，每個ONU取相同設置，設定到達每個ONU的數(shù)據(jù)為100 Mbit／s，緩沖區(qū)大小為10 byte，上下行的傳輸時延在50～100 s隨機取值．仿真采用文獻［4］中使用的具有自似性的業(yè)務源，取值為中等網(wǎng)絡負荷下的典型值，Hurst系數(shù)約為0．8，取整形系數(shù)α＝1．4，分配給每個ONU的窗口WMA＝15 000 Byte．OLT采取的調度策略是批準所有小于WMA的請求（即Fixed Service策略）．而固定時隙的TDMA相當于給每一個ONU固定分配最大窗口（即Limited Service策略）．仿真結果如圖6、圖7所示，圖6描述了ONU端平均隊列長度與ONU負荷的關系，圖7描述了平均包時延與ONU負荷的關系．基于輪詢機制的帶寬分配算法的ONU端平均隊列長度和平均包時延都小于固定時隙的TDMA．本文只是初步討論了使用基于輪詢機制的帶寬分配算法的可行性與基本性能，關于WMA值的優(yōu)化，ONU端緩沖區(qū)大小的選定，OLT調度策略的選取，以及將輪詢機制與隨機爭用機制的優(yōu)點相結合，如何把業(yè)務優(yōu)先級思想引入EPON協(xié)議等等，還有很多工作要做．







3　EPONONU實現(xiàn)方案初步討論


　　OLT既可以采用獨立結構，也可以采用標準機框結構，將每個OLT做成標準線路接口板，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網(wǎng)管開發(fā)出一種EPON交換機，利于升級和功能擴展．ONU可以采用獨立式結構，也可以開發(fā)成一種小型用戶板，插入現(xiàn)有的用戶接入箱中或單獨成為一個用戶終端．OLT的結構與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、硬件實現(xiàn)要復雜一些．ONU主要在OLT的控制下，完成相應的功能，結構相對簡單，下面就對ONU的軟硬件實現(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，但是突發(fā)光模塊的功能實現(xiàn)及突發(fā)同步檢測芯片的設計是EPON物理層的技術難點．實現(xiàn)MAC協(xié)議的關鍵芯片是MPC850微處理器和MAC控制器．MPC850微處理器內部集成了嵌入式Power PC核、一個為通信專用的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，功能強大，具有較高信價比，在通信方面廣泛應用．由于E－PONMAC協(xié)議尚未制定完成，國際上還沒有成品MAC芯片，故MAC芯片可以考慮用FPGA來實現(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)媒體訪問控制器（GMAC）的IP核心．因而用Virtex II系列FPGA從速率上及復雜度上完成EPON MAC功能是可行的．但需要設計針對EPON MAC的IP核心，實現(xiàn)EPONMAC功能并能提供GMII標準接口．
　　ONU軟件核心是實時操作系統(tǒng)和實現(xiàn)MAC層和物理層的功能程序和網(wǎng)絡層程序．操作系統(tǒng)應具有高可靠的實時多任務內核，并能提供一種及時響應、高效協(xié)調用戶實時應用系統(tǒng)的協(xié)調機制，目前常用的有VxWorks、pSOS、QNX等等．ONU程序必須有以下軟件模塊：測距和注冊模塊、MAC初始化模塊、時間同步模塊、啟動模塊等等．OLT是系統(tǒng)的核心，結構相當復雜，也應有操作系統(tǒng)作核心，軟件功能有：啟動和初始化、上行信道設置、帶寬分配、測距和注冊、OAM、緩沖器管理、中斷處理及各接口管理．OLT和ONU相互協(xié)調，根據(jù)EPON協(xié)議，控制MAC芯片實現(xiàn)帶寬分配、碰撞解決、初始化、測距和功率調整等機制．








4　結束語


　　本文討論了EPONMAC中的測距技術、上行帶寬分配算法及ONU的軟、硬件實現(xiàn)方案．由于E－PON的MAC協(xié)議還在討論之中，所以EPONMAC中的其他問題還有待于進一步研究探討，軟硬件實現(xiàn)還有待專用芯片的推出和IP核心的研制，EPON真正走上市場，還需廣大科研人員付出艱苦的努力．



參考文獻



［1］　張繼東，陶志勇．EPON的發(fā)展狀況與關鍵技術［J］．光通信研究，2002（1）：26－30．


［2］　Kramer G，Mukherjee B．Ethernet PON（E－PON）：Design and analysis ofan opticalac－cess network［J］．Phot．Net．Commun，2001，3（3）：307－319．


［3］　ITU－T Recommendation G．983－1998，Highspeed opticalaccess systems based on passiveopticalnetwork（PON）techniques［S］．


［4］　Kramer G，Mukherjee B．IPACT：Adynam－ic protocol for an Ethernet PON（EPON）



摘自　北極星電技術網(wǎng)