杨旭 北京邮电大学
摘要： 测距（Ranging）技术是无源光网络（PON）中为了避免上行业务的冲突而引入的关键技术。本文针对PON接入网对的特点，提出一种带内测距法的实现机制，给出实现原理以及实现流程。并介绍了该实现方案在APON和EPON中的具体实现。
关键词：无源光网络；测距；均衡环路延时；APON；EPON
1 引言
无源光网络（PON，Passive Optical Network）的低成本、高容量、易维护等特点已经使其成为FTTx的理想的宽带接入方式。由于PON采用时分多址接入的无源分支结构，多个用户共享同一设备、同一光缆和同一个光分路器，不同的光网络单元（ONU，Optical Network Unit）距离光线路终端（OLT，Optical Line Termination）的距离各不相同，在OLT将会出现上行业务的冲突。因此需要一个机制来对各ONU的发送数据的时间做出精确的规定。这个引入的机制就是测距（Ranging）。
2 测距的引入
PON的上行方向是一个多点－点网络。PON中光配线网（ODN，Optical Distributed Network）部分为共享光纤媒质，上行通道采用TDMA方式进行多个ONU的上行接入；因为交换局（Central Office）与每个网络单元的距离是各不相同的，如果每个单元将在它自己的时隙发送，由于传输延时的不同，在来自不同网络单元的光纤的连接点就会出现数据冲突。如下图所示。
为保证每一个 ONU的上行信元在 OLT复用时能够插入指定的时隙且彼此不发生碰撞，OLT需要一套功能，测量每一ONU与OLT之间的距离（即延时），并指挥每个ONU调整发送时间，以保证该 ONU的上行信元在OLT规定的时刻到达使之不致相互冲突。如图2所示。通过这个机制可以通过把所有ONU都调整到与OLT相同的逻辑距离处的方法来实现。这种测量ONU的距离，然后把每个ONU都调整到OLT的相同“虚”距离处的过程就称为测距（Ranging）。
3 测距的基本原理及实现机制
3.1 基本原理
要想避免上行数据的冲突，需要保证不同的ONU到OLT的总的逻辑距离相同。这个总的逻辑距离时间就是均衡环路延时Teqd，它是一个常数。
由OLT向ONUi发测距指令， ONUi收到指令后立即发回相应的测距脉冲。OLT从发出测距指令到收到相应测距应答指令的时间差即为OLT与ONUi间的光纤传输延时Tiloop。则ONUi为达到均衡环路延时而需要插入的控制延时Tdi ＝Teqd －Tiloop。OLT把Tdi放入下行信息传给ONUi，ONUi据此调整自己的发送时间。OLT依次对每个ONU进行上述操作，即可避免上行信号的碰撞。
3.2 分类及方法
产生传输时延的根源有两个：一个是物理距离的不同；另一个是环境温度的变化和光电器件的老化因素。测距的程序也相应的分成两步：第一步，静态粗测。在系统初始安装、网络增加新的ONU或由于故障而被停止业务的ONU重新恢复运行时进行，对物理距离差异进行延时补偿；第二步，动态精测。在ONU上有业务运行的情况下实时进行的动态精测，以校正由于环境温度变化和器件老化等因素引起的时延漂移。
测距的方法可以分为以下三种：
1) 低幅伪随机码测距（扩频法测距） 测距时，OLT先向需测距的ONU发出测距指令；ONU收到指令后，向上发出特定的一个幅度很小的伪随机码。由于此信号幅度很小（相对于业务数据幅度而言可忽略），故测距过程中不用中断其他ONU运行中的业务。在OLT接收端，利用相关检测的方法，将信号到达相位提取出来。这种方法的优点是测距过程可以在不中断ONU业务的情况下进行。如此可以减小ONU对信元缓冲器的需求，对业务QoS影响不大。缺点是技术复杂，不易实现，精度不高。
2) 低幅低频正弦波测距（带外法测距） 粗测时OLT向ONU发出一条测距指令，ONU接到指令后将低频小幅的正弦波加到激光器的偏置电流中，正弦波的初始相位固定。OLT通过检测正弦波的相位值计算出环路时延。精测时需要开一个帧大小的窗口。这种方法的优点是采用低幅带外的测距信号，测距过程不中断运行中的ONU的业务，不需要加大的信元缓冲器，对业务QoS影响很小。缺点是采用模拟相位测量技术，实现复杂，成本较高；而且由于静态测距要分两阶段完成，所需完成时间长，不利于切换时的系统恢复。
3) 开窗测距法（带内开窗测距） 当有ONU需要测距时，OLT发出指令使所有运行中的ONU在某段时间内暂停上行业务，相当于在上行时隙内打开一个测距窗口；同时命令需测距的ONU向上发送一个特殊的信元。OLT记录从发出命令到收到ONU的响应信元的延时，即可得到此ONU的环路延时值Tloop。这种方法的优点是利用成熟的数字技术，实现简单、精度高、成本低。缺点是测距占用上行带宽。
综合考虑上面三种测距方法，考虑到精度和实现难易程度，以及接入网最敏感的成本问题，所以，带内开窗测距法是最常用的测距方案。
4 测距实现
4.1 实现流程
这里我们针对带内测距法提出一种可实现的测距方案，本方案采用实时监控上行信号，不需要另外开窗。可以作为无源光网络的测距原理的基本实现流程。具体如下：
a) ONU上电后，OLT初始化测距进程，并广播发送控制消息；所有运行的ONU一接收到这个控制消息，则挂起他们的上行业务。
b) OLT启动与连接的比特速率相对应频率的内部计数器。
c) OLT给需要测距的ONU发送测距（Range）控制消息，设定T0Tx为测距消息的发送时间。
d) 测距消息在Tid＋T0Tx时间到达ONUi，Tid是从OLT到ONUi的传输延时。
e) ONUi一接收到RANGE消息，它将给OLT发送回应（ACK）消息。因为所有的ONU已经挂起它们的上行发送，所以这个消息将不会与其它的上行发送消息冲突。设定TiTx为回应（ACK）消息的发送时间。
f) 回应（ACK）消息在时间TiRT =T0Tx+Tid+TiTx+Tiu到达OLT，Tiu是从ONUi到OLT的传输延时。这个时间由读取第二步启动的计数器得到。
g) 所有的延时根据链路速率的bit表示。T0Tx和TiTx可以分别表示为测距（Range）消息和回应（ACK）消息的长度：
T0Tx ＝ 测距（Range）消息的长度（bits）
TiTx ＝ 回应（ACK）消息的长度（bits）
则OLT到ONUi的光纤传输延时（无发送时间的延时）是：
Tiloop = Tid + Tiu = TiRT －T0Tx －TiTx ＝TiRT －测距消息长度－回应消息长度
为了补偿因环路长短不同等原因使环路延时发生的变化，使得不同ONU的Teqd为一常数，需要给ONUi 插入的补偿延时值为：
Tdi ＝ Teqd－ Tiloop
h) OLT通过延时设置消息（Set_delay Message）发送ONUi的补偿延时值Tdi。延时设置消息是广播式发送的，所以其它的ONU收到这个消息后，将重新开始它们的上行数据发送。ONUi将存储Tdi的值，并如图4所示将它应用到所有的上行传输中。这样，这个被测ONUi的总环路均衡延时就限定在Teqd这个固定值，从而避免了上行的数据冲突。
Tid：从OLT到ONUi的传输延时 （i＝1，2）
Tiu：从ONUi到OLT的传输延时 （i＝1，2）
动态测距
上述静态测距流程完成后每个ONU都得到了一个自己的插入延时值Td。各个ONU都被调整至与OLT处于相同的逻辑距离处，均衡环路延时值均为Teqd，此时系统可以运行起来。但是，在系统的运行过程中，光纤和器件的延时特性会随着环境因素的变化和元器件的老化而发生变化的。这种延时变化将直接影响ONU的环路延时，破坏系统的稳定工作。因此，静态测距完成后，在系统的运行过程中，OLT应动态地调整ONU的延时。OLT发送带有小调整值δ（正或负）的控制信号给ONU，ONU接收后调整它的延时为：Ti ?= Ti ?+ δ。这种延时保障机制是在系统运行中一直要进行的过程，故称之为动态测距。
5 APON中的测距
APON（ATM-PON）是结合ATM多业务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能力的解决方案。根据ITU-T的G.983协议，APON传送的是固定长度的数据。下行一帧含56个时隙，每个时隙发送53字节。上行一帧含53个时隙，每个时隙发送56个字节。下行每28个时隙插入一个物理层维护管理信元（PLOAM，Physical Layer OAM），在PLOAM中携带OLT对ONU的管理控制信息GRANT和MESSAGE，具体如图5所示。每个下行帧携带53个授权信号，分别对应上行帧的53个时隙。APON可采用两种速率结构：即上下行均为155.52Mb/s的对称结构和下行622.080Mb/s的不对称结构。
APON系统通过设置PLOAM中的授权（Grant）来完成对测距的控制。授权（Grant）有Data grant、PLOAM grant、Divided_slot grant、Reserved grant、Ranging grant、Unassigned grant和Idle grant七种类型。其中Unassigned grant用来打开测距窗口，将Ranging grant和PLOAM grant作为测距的控制消息广播式发送给所有ONU，被测ONUi收到自己的测距授权（Ranging grant或PLOAM grant），在测距窗口(Unassigned grant)指定的时隙发送ONUi的测距信元；OLT在测距窗口所开的时隙内捕捉测距信元，由计数器计算出延时Tiloop，从而根据Tdi ＝ Teqd－ Tiloop 计算出ONUi的补偿延时Tdi。然后通过PLOAM中MESSAGE域的Ranging_time message将Tdi发送给被测ONU i，从而完成测距过程。
6 EPON中的测距
EPON（Ethernet PON）是在点对多点（PTMP，Point to MultiPoint ）无源光网络上以千兆速率、全双工的模式传输802.3MAC帧。在传送数据的过程中，要求802.3帧格式不变，不进行包的分割和重组，这是与APON最大的不同。根据IEEE 802.3以太网协议，EPON传送的是可变长度的数据包，最长可为1518个字节。IP要求将待传数据分割成可变长度的数据包，最长可为65 535个字节。EPON在MAC控制子层中采用MPCP（Multipoint Control Protocol，多点控制协议），它规定了OLT/ONU之间的控制机制以便有效地传输数据，主要功能是轮流检测用户端的带宽和控制网络启动过程。这里引入五个控制消息：GATE和REPORT用来请求和分配带宽；REGISTER_REQ、REGISTER和REGISTER_ACK用来控制启动过程。它们都是MAC控制帧，其帧格式如图6。
EPON对测距的控制采用GATE/REPORT机制。在GATE/REPORT机制中，ONU端等待OLT发出的GATE，然后通过REPORT向OLT报告自己的状态，并请求自己所需要的带宽。OLT端则先产生时间标记（Time Stamp），并给每个ONU分配一个初始带宽，通过GATE发给ONU，然后通过ONU的REPORT完成测距，并根据ONU的状态再发出授权（Grant），从而成功建立连接。
EPON中各个ONU到OLT的同步是通过GATE/REPORT控制帧中的时间标记（timestamp）来实现的。在OLT中有一个总的计时器，OLT根据这个总的计时器来设置各个ONU的计时器。首先要测出往返时间（Rloop），然后由OLT在绝对时间T1发送一个GATE，其中包括一个时间标记T1；当ONU在T2时间收到GATE帧，将本地的计时器重新设置为T1；然后在T3时刻发送REPORT帧，这时的时间标记为T4（T1开始计时）；最后在T5时刻OLT收到该REPORT帧，这时候的时间标记是T4。这样，Rloop=T2-T1+T5-T3=T5-T4，即将收到的绝对时间T5减去时间标记T4就可以得到Rloop的值了。
7 结束语
测距技术是无源光网络（PON）中的关键技术之一，测距系统的精确度直接影响着上行业务的同步。本文针对接入网对成本敏感的特点，介绍了一种带内开窗测距法的实现流程。由于IEEE 802.3 EFM研究组对EPON的协议还在讨论中，所以EPON中测距中有关冲突避免算法还有待进一步的研究，需要继续跟踪研究动态。
参考文献
[1] Glen Kramer, “The problem of upstream traffic synchronization in Passive Optical Networks”, 2000
[2] G.983：“High Speed optical access systems based on Passive Optical Network(PON) techniques”. ITU-T, 1998
[3] 潘明，季晓飞，范戈，EPON－新一代宽带光接入网，光通信技术，2002年4月，pp26-29
摘自 光纤新闻网
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