光纖通信：EPON中的接入控制技術

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　　接入網是整個電信網最具有技術挑戰性的區域之一。為了滿足用戶對帶寬日益增長的要求， 實現接入網的高速化、寬帶化和智能化，各種接入技術層出不窮，然而被認為最有前途的是光接入技術。

無源光網絡（PON）由于其易維護、高帶寬、低成本等優點成為光接入中的佼佼者，被認為是通過單一平 臺綜合接入語音、數據、視頻等多種業務的理想物理平臺。以前人們認為將ATM（異步轉移模式）技術和P ON技術相結合的APON技術是實現綜合接入的理想模式。然而，由于數據業務的爆炸式增長，ATM技術暴露 出效率不高、協議復雜等弱點，而IP技術則日漸興起。由于以太網在傳輸IP業務時具有效率高、協議簡單 等優點，所以越來越多的人認為將千兆以太網技術和PON技術相結合的EPON（Ethernet Passive OpticalNetwork）技術是取代APON，實現高速、寬帶、綜合接入的理想途徑。由于PON從本質上是共享媒 質的網絡，所以必須有接入控制機制使各個終端有序接入系統。本文將對EPON中的接入控制機制進行討論 和分析。
　　
　　1　EPON的技術基礎
　　在討論EPON的接入控制機制之前，我們有必要 對EPON的基本工作原理做簡單介紹：EPON是 由IEEE贊助的EFM（Ethernetin FirstMile，以太網在最初一公里）工作小組最早提出的。他在很大程度 上繼承了ITU-T和FSAN（全業務接入組）對APON的建議［1］，采用符合IEEE802．3協議的以太幀承載業務 信息。EPON是由OLT（光線路終端）、ONU（光網絡單元）以及ODN（光分配網絡）等單元構成的點到多點 系統。其系統拓撲多為星型或樹型分支結構，下行方向（由OLT到ONU）采用廣播方式，每一個ONU將接收 到所有下行信息，根據其MAC地址提取有用信號；上行方向（由ONU到OLT）采用時分方式共享系統，通過 接入控制機制將各個ONU有序接入。EPON的上、下行信息速率均為1 Gb／s（由于其物理層編碼方式為8 B ／10 B碼，所以其線路碼速率為1．25 Gb／s），由一根光纖采用波分復用實現全雙工通信。其結構示意 圖如圖1所示。
　　　
　　2　EPON中的同步技術
　　在討論EPON的接入控制技術之前還有必要討論一下他的同步技術。因為EPON中的各ONU接入 系統是采用時分方式，所以OLT和ONU在開始通信之前必須達到同步，才會保證信息正確傳輸。要使整個系 統達到同步，必須有一個共同的參考時鐘，在EPON中以OLT時鐘為參考時鐘，各個ONU時鐘和OLT時鐘同步 。OLT周期性的廣播發送同步信息（sync）給各個ONU，使其調整自己的時鐘。EPON同步的要求是在某一ON U的時刻T（ONU時鐘）發送的信息比特，OLT必須在時刻T（OLT時鐘）接收他。在EPON中由于各個ONU到OLT 的距離不同，所以傳輸時延各不相同，所以要達到系統同步，ONU的時鐘必須比OLT的時鐘提前UD（上行傳 輸時延），也就是如果OLT在時刻0發送1 b，ONU必須在他的時刻RTT（往返傳輸時延）接收。RTT＝DD（下 行傳輸時延）＋UD，必須知道并傳遞給ONU。獲得RTT的過程即為測距（ranging），測距的過程在后面會 進行詳細討論。EPON的同步示意圖如圖2所示。
　　　
　　在圖2中，當EPON系統達到同步時，ONUi和ONUj發送的信息才不會發生碰撞（圖中t1-t2為ONUi發送時間， t2-t3為ONUj發送時間）。
　　
　　3　EPON中的接入控制技術討論
　　在EFM工作小組提出的EPON系統中，要求對千兆以太網的MAC（媒質接入控制）子層不做或做 盡量少的改動，對EPON的接入實現通過擴充MAC控制子層和／或物理層功能來實現，這樣有利于EPON系統 和千兆以太網的兼容性，便于現有的以太網設備用于EPON中，縮短EPON推向市場的時間。本文只討論通過 MAC控制層的擴充來實現的接入控制機制。在EPON中的接入控制大體有2種：基于靜態分配時隙的接入控制 和基于動態分配時隙的接入控制方式。
　　
　　3．1　基于靜態分配時隙的接入控制方式
　　
　　在這種方式下，OLT不管ONU的請求信息，將系統時隙分配給各個ONU，這種接入方式從復用 的角度看屬于TDM（時分復用）。分配給ONU的時隙可以是定長的，也可以是變長的，在EPON中由于以太協 議分組是變長的，所以分配時隙也應該是變長的。OLT分配給某一ONU的發送帶寬是：
　　　
　　在千兆以太網的MAC控制幀有一個用于流量控制的pause（暫停）幀，該幀可被EPON用來進行 接入控制。通過pause幀OLT周期性的輪詢各個ONU，實現各ONU有序接入。這種接入方式的優點是協議簡單 ，便于將以太網設備直接引用到EPON中。然而該方式具有很多缺點：
　　
　�。�1）對一個ONU的授權間隔時延太大，對一個具有32個ONU、最大距離在20 km的EPON系統該 時延可達7．2 ms；
　　
　�。�2）缺少統計復用增益，系統接入損耗大，帶寬利用率低；
　　
　�。�3）這種接入方式對各個等級業務同樣對待，無法滿足某些業務的QoS（服務質量）保證。 所以，在EPON中我們不建議采用這種接入方式。
　　
　　3．2　基于動態帶寬分配的接入機制
　　
　　在這種接入方式中，OLT根據ONU的請求情況動態的將系統帶寬分配給各個ONU。這種分配由M AC控制層的2個管理信息來完成：授權（grant）信息，OLT發送授權信息來分配一個時隙給某個ONU，該信 息不需要ONU發回確認；請求（request）信息，ONN通過該信息來報告其狀態的改變，請求信息不需要OLT 來進行確認。通過動態帶寬分配可以以較小的代價共享系統帶寬，實現寬帶綜合業務的接入。在EPON中動 態帶寬分配的目標是將系統帶寬公平、高效的分配給各個ONU和各種業務。在EPON動態帶寬分配中，有關 文獻提出了2種方式：一種是OLT將授權給各個ONU；另一種是單個ONU可以支持多個用戶和業務，OLT授權 給予每一個用戶或業務。在此，對這兩種授權方式加以介紹，對他們的優缺點進行對比，提出我們自己的 觀點。
　　
　　3．2．1　授權給各個ONU的接入控制方式
　　
　　在這種機制中，OLT根據各個ONU的請求情況來分配帶寬，帶寬分配算法由高層來完成，各個 廠商可以有自己獨特的算法，沒必要標準化。而在MAC控制子層以下則應該具有標準，這也是EFM正致力的 一項工作。需要標準化的MAC控制幀信息應該有：ONU的初始化注冊信息（允許新的ONU接入系統，將其MAC 地址、設備容量等參數通知OLT）；OLT的測距授權信息和ONU的測距響應信息（完成OLT-ONU 間周期性的 定時調整，測量RTT）；ONU的帶寬請求信息（通過該信息攜帶上行ONU基于其負載的改變而請求帶寬授權 的改變）；OLT的帶寬授權信息（該信息攜帶給各個ONU的帶寬分配信息，同時還要決定發送機會是給數據 還是給控制信息）。一個ONU接入EPON系統必須經過初始化和帶寬動態分配2步：初始化過程分為注冊和測 距2步。注冊是指在一個ONU新接入系統或關閉后重新開啟時將給ONU的一些參數（如MAC地址等）通知給OL T的過程。注冊過程首先由OLT廣播發送注冊授權信息，所有未注冊ONU都可響應該授權，如果發送沖突則 采用退避算法（如二進制指數退避算法）等待一段時間重新響應；測距是EPON同步的重要一步，其主要目 的是計算各ONU的補償時間。其過程為：OLT向ONU發送測距授權（由于OLT-ONU間的RTT未知，所以測距授 權間的保護時間應該足夠長）；ONU響應測距授權發送測距響應幀給OLT；OLT收到ONU的測距響應幀后，根 據授權給ONU的時隙開始時間和實際ONU到達的時隙開始時間之間的差值，計算出OLT到該ONU的RTT，并將 該值通知ONU，同時OLT不斷的監視RTT值的變化，當其漂移超過一定程度時，重新發送RTT值給ONU。
　　　
　　動態帶寬分配過程是：ONU根據自己的上行緩存器情況組織自己的上行請求幀，并發送給OLT ；OLT在收到ONU的請求幀后，交給高層根據帶寬分配算法決定是否響應請求，如果響應，則根據系統帶寬 利用情況給ONU分配時隙�；�于請求／授權的動態帶寬分配過程示意圖如圖3所示。OLT發送的授權幀是這種接入方式的關鍵，授權幀結構如圖4所示，在圖4 中給一個ONU的授權域包括16 b的ONU地址（不使用ONU的MAC地址是因為其太長），2 b的授權類型（是控 制授權還是數據授權），14 b的保護時間說明和32 b的授權信息（包括16 b的開始時間，16 b的停止時間 ）。由于在IEEE802．3建議中MAC控制幀凈負荷長度為44 B，所以在OLT的一個授權幀中可以攜帶多個ONU 的授權信息。有些文獻提出為了使一個OLT授權幀多攜帶ONU的授權信息，建議將其授權域擴展到128 B， 但我們認為這樣做不利于EPON系統和以太網的協議兼容；另外，在EPON中激活ONU數目較少時，會造成浪 費。當EPON中激活ONU數目較多時，為減少輪詢時間可用多個授權幀來進行授權；為減少ONU的請求時間， 可將ONU的請求分類，通過同一請求幀傳輸多類請求信息。這種分類包括，一個ONU可以有多個緩存器以及 在一個緩存中將請求分為帶寬請求（當系統中請求ONU數較多時）和總的緩存幀數請求（當系統中請求ONU 數較少時），其示意圖如圖5所示。
　　　
　　　
　　OLT將授權信息給各個ONU的動態接入方式的優點是具有統計復用增益，接入損耗小，能夠保 證各種業務的QoS需要，缺點是需要復雜的帶寬分配算法，在和現有的以太網兼容上還需設備改進。另外 ，當一個ONU接有多個用戶或業務時，這種分配方式無法滿足帶寬分配對各個用戶或業務的公平性，所以 有了下一種動態接入方式。
　　
　　3．2．2　授權給每一個邏輯端口的接入控制方式
　　
　　在這種方式中，提出了邏輯端口（logicalport）的概念［4］。邏輯端口獨立于ONU的物理 端口，一個ONU可以有一個或多個邏輯端口。OLT為各個邏輯端口直接發送授權，由高層協議（如802．1p

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