唐海峰，张瑞峰，李迎春，沈阳，林如俭
（上海大学通信与信息工程学院，上海 200072）
摘 要：文章简要介绍了基于以太网的无源光网络（EPON）这种新型的接入网技术，将其与基于ATM技术的无源光网络（APON）的优缺点进行了比较，并对其媒体接入控制（MAC）的关键技术测距及上行接入进行了讨论，初步提出了光网络单元（ONU）的软、硬件实现方案．
关键词：接入网；无源光网络；测距；媒体接入控制；带宽分配
随着因特网的普及，骨干网正在高速向前发展，而接入网已经成为信息高速公路的瓶颈．目前无源光网络（PON）因为成本低、对业务透明、易于升级和易于维护管理而深受用户欢迎．
典型的PON系统有窄带无源光网络（NPON）和基于ATM技术的无源光网络（APON）．2000年11月美国IEEE802局域网／城域网标准委员会成立了802．3 EFM（Ethernet in the First Mile）工作组，试图引入一种新的宽带接入技术—以太网PON（EPON），并致力于EPON体系规约的标准化［1～2］．
本文对EPON的技术优势、基本结构进行了简要介绍，讨论了EPON媒体接入控制（MAC）层的关键问题：上行带宽分配与测距，并提出了ONU的软、硬件实现方案．
1 EPON介绍
1．1 系统结构
EPON的总体结构如图1所示．它由光线路终端（OLT）、光合／分路器和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构．OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能．ONU放置在用户侧，OLT与ONU之间通过无源光合／分路器连接．EPON使用波分复用（WDM）技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送．EPON只在IEEE802．3的以太数据帧格式上做必要的改动，如在以太帧中加入时戳（Time Stamp）、PON－ID等内容．下行采用纯广播的方式，注册后，OLT为已注册的ONU分配PON－ID，由各个ONU监测到达帧的PON－ID，以决定是否接收该帧，如果该帧所含的PON－ID和自己的PON－ID相同，则接收该帧；反之则丢弃．上行采用时分多址接入（TDMA）技术．此外EPON还需通过已定义的接口与电信管理网相连，进行配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及计费管理，完成操作维护管理（OAM）功能．
1．2 EPON与APON的比较
ITU－T已经制定了APON技术的G．983建议．但是APON有两个问题：一是传输速率不够高，下行为622 Mbit／s或155 Mbit／s，上行为155 Mbit／s，带宽被16～32个ONU所分享，每个ONU只能得到5～20 Mbit／s．另一个更主要的问题是，与以太网设备相比，ATM交换机和ATM终端设备相当昂贵．而且，现在因特网工作于TCP／IP规约，用户终端设备都是IP设备，采用ATM技术必须将IP包拆分重新封装为ATM信元，这就大大增加了网络的开销，造成网络资源的浪费．
而EPON融合了PON和以太数据产品的优点，形成了许多独有的优势．EPON系统能够提供高达1 Gbit／s的上下行带宽，这一带宽能够适应现在及将来10年内用户对带宽的需求．由于EPON采用复用技术，支持更多的用户，每个用户可以享受到更大的带宽．EPON系统不采用昂贵的ATM设备和SONET设备，能与现有的以太网相兼容，大大简化了系统结构，成本低，易于升级．由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维护费用大为减少．标准的以太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网络设备．而PON结构本身就决定了网络的可升级性比较强，只要更换终端设备，就可以使网络升级到10 Gbit／s或者更高速率．EPON不仅能综合现有的有线电视、数据和话音业务，还能兼容未来业务如数字电视、VoIP、电视会议和VOD等等，实现综合业务接入．
虽然APON对实时业务的支持性能优越，但随着多协议标签交换（MPLS）等新的IP服务质量（QoS）技术的采用，高层协议与EPON MAC协议相配合，EPON已完全可能以相对较低的成本提供足够的QoS保证．加之EPON的价格优势明显，因而被认为是解决“第一英里”电信接入瓶颈，最终实现光纤到家的优秀过渡方案．
2 EPONMAC的关键技术
2．1 测距技术讨论［3］
由于各个ONU信号到达OLT的时间不确定，并且到达OLT的时延也不同，各个ONU的上行帧会发生碰撞，因此必须采用测距技术进行补偿．各个ONU到OLT的物理距离的不同、环境温度的变化和光电器件的老化等因素都可能产生传输时延．测距的程序可以分为粗测和精测．在ONU的注册阶段，进行静态粗测补偿由物理距离差异造成的时延，而在通信过程中实时进行动态精测，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．测距方法有扩频法、带外法和带内开窗法等几种．本文提出了一个综合粗测与精测的简单测距方法，易实现且成本较低，适合应用于EPON系统中．对于粗测过程中可能会发生的冲突，则可以用随机重发的简单算法解决，具体流程如图2所示．粗测时由一个计数器进行冲突检测，如计数器超时，则说明注册过程中发生了冲突，ONU需再次发送测距帧．因为在传输过程中不会发生冲突，因此在精测中计数器不会超时．为了验证这种测距算法，建立简单的测距的仿真结构如图3所示，图中Delay1～Delay4模块表示ONU传输时延．定义了一个能被ONU和OLT识别的简化帧格式．如图4所示．
开头1字节用于同步；接着的2比特指示帧起始；ONU－ID指示收发帧的ONU；ONU运行时间指ONU从收到请求到应答所需的时间．以下是采用VHDL语言在Cadence LDV下对该测距过程的实验结果，系统运行速率为1 Gbit／s．典型值如下：ONU1收到OLT测距帧等待6 ns后应答，Delay1模块时延置为31．5 ns，则环路时延为63 ns（3 Fh）．结果如图5所示，OLT收到应答后正确计算出传输时延63 ns（3 Fh），实现了测距功能．
2．2 上行接入算法研究
在EPON中各ONU共享上行信道，由于上行数据的突发性，如果给每个ONU分配固定的时隙或随机竞争接入，带宽利用率会很低．而制定中的EPON协议一般只会涉及MAC及物理层，不会提出具体的带宽分配算法，它由产品制造商自行规定．本文采用了基于轮询的一种简单带宽分配算法，由OLT对已注册的ONU进行轮询，ONU通过上行信道向OLT提出发送带宽申请．由OLT进行调度决定ONU帧的发送，并将调度信息通过下行信道发送给ONU．带宽请求／准许消息可以通过扩展千兆以太网中的MAC控制帧（目前只定义了Pause帧）来实现，这样便从逻辑上解决了共享信道带宽分配的问题，这里就不加赘述．我们建立了一个简化的仿真模型来分析这种基于轮询的上行接入机制的性能，并与固定时隙的TDMA接入进行了比较．该模型包括1个OLT和16个ONU，为简单起见，每个ONU取相同设置，设定到达每个ONU的数据为100 Mbit／s，缓冲区大小为10 byte，上下行的传输时延在50～100 s随机取值．仿真采用文献［4］中使用的具有自似性的业务源，取值为中等网络负荷下的典型值，Hurst系数约为0．8，取整形系数α＝1．4，分配给每个ONU的窗口WMA＝15 000 Byte．OLT采取的调度策略是批准所有小于WMA的请求（即Fixed Service策略）．而固定时隙的TDMA相当于给每一个ONU固定分配最大窗口（即Limited Service策略）．仿真结果如图6、图7所示，图6描述了ONU端平均队列长度与ONU负荷的关系，图7描述了平均包时延与ONU负荷的关系．基于轮询机制的带宽分配算法的ONU端平均队列长度和平均包时延都小于固定时隙的TDMA．本文只是初步讨论了使用基于轮询机制的带宽分配算法的可行性与基本性能，关于WMA值的优化，ONU端缓冲区大小的选定，OLT调度策略的选取，以及将轮询机制与随机争用机制的优点相结合，如何把业务优先级思想引入EPON协议等等，还有很多工作要做．
3 EPONONU实现方案初步讨论
OLT既可以采用独立结构，也可以采用标准机框结构，将每个OLT做成标准线路接口板，加上控制交换板和网管板，则可以利用背板交换能力和整机网管开发出一种EPON交换机，利于升级和功能扩展．ONU可以采用独立式结构，也可以开发成一种小型用户板，插入现有的用户接入箱中或单独成为一个用户终端．OLT的结构与ONU相似，但为降低成本，EPON大部分功能置于OLT，加之为与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软、硬件实现要复杂一些．ONU主要在OLT的控制下，完成相应的功能，结构相对简单，下面就对ONU的软硬件实现加以讨论．
EPON ONU的框图如图8所示，很多地方可以借鉴千兆位以太网的成熟技术，但是突发光模块的功能实现及突发同步检测芯片的设计是EPON物理层的技术难点．实现MAC协议的关键芯片是MPC850微处理器和MAC控制器．MPC850微处理器内部集成了嵌入式Power PC核、一个为通信专用的AISC的通信处理器模块（CPM）和常用外围组件，并提供通用串行总线（USB）的支持，功能强大，具有较高信价比，在通信方面广泛应用．由于E－PONMAC协议尚未制定完成，国际上还没有成品MAC芯片，故MAC芯片可以考虑用FPGA来实现．Xilinx公司的Vertex II是采用SRAM工艺的新一代大规模FPGA，它提供了丰富的IP核心，方便快速开发．Xilinx已经推出用于其Virtex II系列器件的千兆位以太网媒体访问控制器（GMAC）的IP核心．因而用Virtex II系列FPGA从速率上及复杂度上完成EPON MAC功能是可行的．但需要设计针对EPON MAC的IP核心，实现EPONMAC功能并能提供GMII标准接口．
ONU软件核心是实时操作系统和实现MAC层和物理层的功能程序和网络层程序．操作系统应具有高可靠的实时多任务内核，并能提供一种及时响应、高效协调用户实时应用系统的协调机制，目前常用的有VxWorks、pSOS、QNX等等．ONU程序必须有以下软件模块：测距和注册模块、MAC初始化模块、时间同步模块、启动模块等等．OLT是系统的核心，结构相当复杂，也应有操作系统作核心，软件功能有：启动和初始化、上行信道设置、带宽分配、测距和注册、OAM、缓冲器管理、中断处理及各接口管理．OLT和ONU相互协调，根据EPON协议，控制MAC芯片实现带宽分配、碰撞解决、初始化、测距和功率调整等机制．
4 结束语
本文讨论了EPONMAC中的测距技术、上行带宽分配算法及ONU的软、硬件实现方案．由于E－PON的MAC协议还在讨论之中，所以EPONMAC中的其他问题还有待于进一步研究探讨，软硬件实现还有待专用芯片的推出和IP核心的研制，EPON真正走上市场，还需广大科研人员付出艰苦的努力．
参考文献
［1］ 张继东，陶志勇．EPON的发展状况与关键技术［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 北极星电技术网
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