第9章 动态带宽分配
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《宽带光接入技术》 原荣 编著 20
图9.2.2 1类T-CONT多个连接复用后产生信 元传输延迟（CTD）和信元延迟变化（CDV）
1-1 1-2 1-3
连接1
2-1
t t
3-1 连 接 3信 元 周 期 （ 1/PCR） （ 1/PCR） 连 接3 信 元 周 期 3-2
《宽带光接入技术》 原荣 编著 6
动态带宽分配技术的必要性
• 然而，G.983.1系统企图提供宽带广播业务（如IP 业务）给用户，因为IP业务连接到许多突发业务 源，所以这类业务是非恒定比特率业务，对信元 传输延迟（CTD）和信元延迟变化（CDV）的要 求并不严格。然而，映射这些非实时业务到固定 的带宽信道中，不能使PON中的ONU动态分享 PON的上行带宽。 • 这种静态授权方式使上行带宽使用效率不高，所 以希望使用动态带宽分配技术。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 2
静态带宽分配和动态带宽
• 对QoS要求较高的CBR业务固定接入，对 其他业务由OLT控制预约接入。 • 预约过程也不采用竞争方式，而采用轮询 方式，ONU使用可分割时隙轮流预约。对 ABR连接需要的带宽只要保证它们的最小 信元速率（MCR）即可，因此可使用保证 CBR和VBR之后的剩余带宽，而UBR连接 将不被分配任何带宽。
上行用 户信元
T-CONT 缓冲器
图9.1.3 1个上行数据流分装 在2个T-CONT 缓冲器中
这2个缓冲器在同一个ONU中。一 些T-CONT缓冲器可以被一个 内部调度程序使用，或被某个 上层（如ATM层）使用。
图9.1.4 对分类缓冲业务进行 优先级别控制
上边的T-CONT缓冲器没有被内部调 度程序使用，而下边的T-CONT 缓冲器却含有多个业务分类缓冲 器，被内部调度程序使用，因为 在一些应用中，需要使用优先级 别控制。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 19
动态分配带宽
• 动态分配带宽只对额外带宽进行分配。按TCONT的确保带宽比例，从剩余带宽中分配非确 保带宽给要求额外带宽的每个T-CONT。假如确 保带宽是零，要公平地分配非确保带宽和尽力而 为带宽给每个T-CONT。例如一个T-CONT没有 确保带宽，当它要求额外带宽时，它就可以平分 剩余的带宽。另外，也要保证把确保带宽分配给 任意的T-CONT。 • 可分配的带宽具有如图9.1.5的优先级。在带宽分 配中，首先分配固定带宽，包括时隙位置，以便 减少延迟和延迟变化。然后，分配确保带宽。最 后，把仍然没有被预约的带宽放到剩余带宽库中， 作为非确保带宽和尽力而为带宽。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 10
OLT ONU ODN VC VC IP VC 视频 VC 电话 VC
T-CONT T-CONT
VP T-CONT
T-CONT
ONU1
VP
物理层路径
IP
T-CONT
视频 电话
ONU2
T-CONT
ONU3
图9.1.2 传输容 器（TCONT） 和宽带 PON系 统的层 结构
《宽带光接入技术》 原荣 编著 3
业务带宽分配规则
• 对业务带宽分配规则已有一些建议，如对 实时业务的带宽分配可采用传送带 （Transfer belt）分配算法，对非实时业务 的带宽分配可采用顶移（Moving ceiling） 分配算法等。 • 对流量调度也有多种方案，如加权公平排 队（WFQ）、轮询调度（round robin）和 加权轮询调度（WRR）等。 • G.983.7建议使用WRR。
T-CONT
• 动态带宽分配性能应允许在一个ONU里使用几种传输容器(T-CONT)。 T-CONT携带ATM 虚通道连接(VPC)和虚信道连接(VCC)，单个TCONT可以携带不同种类业务的ATM流量，并且把它们的缓冲器使用 情况报告给与此相连接的OLT。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 11
ONU/ONT ONU/ONT ODN OLT T-CONT 缓冲器 T-CONT 缓冲器 UNI 优先 级别 控制 分类缓冲 上行用 户信元 ODN OLT T-CONT 缓冲器
《宽带光接入技术》 原荣 编著 15
9.2.1 动态带宽分配（DBA）协议
动态带宽分配协议有三种方式： • 即ONU不报告带宽需求（NSR，Non Status Reporting）方式， NSR从OLT中的流量监测开 始； • ONU报告带宽需求（SR，Status Reporting）方 式， SR从ONU向OLT报告其带宽需求开始； • 这两种方式的综合（NSR+SR），而综合方式从 OLT中的流量监测和OLT受理ONU向OLT的带宽 需求报告开始。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 8
图9.1.1 静态带宽分配和动态带宽分配 的比较
ONU 需 要 (a) 发送的业务 ONU3 ONU2 ONU3: 突发业务， 并对延迟敏感 ONU1 :恒 定 比特率业务 ONU2: 突发业务
ONU2 丢 失 的 业 务 ONU1
( b ) 静态带宽 分配传输 ONU3 延迟
12
《宽带光接入技术》 原荣 编著
高优先级带宽 固定带宽 确保带宽 非确保带宽 低优先级带宽 尽力而为带宽 保证带宽
额外增加带宽
图9.1.5 用于授 权分配 的带宽 优先级 别
• 固定带宽是一种周期性分配完全预约的带宽，使用它可以实现小的信元 传输延迟。 • 确保带宽是假如T-CONT缓冲器想发送信元时，ONU总是可以使用的带 宽。 • 非确保带宽是分配给具有确保带宽的T-CONT的额外带宽，在额外带宽 中它具有较高的优先级别。非确保带宽能够参与动态带宽分配。 • 尽力而为带宽是指当没有高优先权业务使用该带宽时，T-CONT才可以 使用的带宽，所以它是不能确保使用的带宽，只能参与动态带宽分配， 只由DBA-OLT支持。
ONU2
ONU2 ONU3
ONU3 延 迟 的 业 务 ONU1 ( c ) 动态带宽 分配传输 ONU3 ONU2
《宽带光接入技术》 原荣 编著
9
2. 动态带宽分配方法
• 通常有两种动态带宽分配方法。一种是空闲信元 调整，另一种是缓冲器使用情况报告。 • 在空闲信元调整方式中，OLT监视每个ONU使用 的带宽，假如一个ONU使用的带宽超过了预先分 配的值，如果还有富余的带宽可用，OLT就分配 额外的带宽给该ONU。这种方式不需要ONU报告 带宽需求信息，其缺点是OLT的反应总是落后于 ONU对带宽的需求。 • 在缓冲器使用情况报告方式中，ONU使用微时隙 向OLT报告它们的缓冲器被使用的状态，OLT根 据该报告重新分配ONU下次可以使用的带宽。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 13
9.2 MAC协议
• • • • • 9.2.1 动态带宽分配（DBA）协议 9.2.2 传输容器（T-CONT） 9.2.3 信元传输延迟及其变化 9.2.4 DBA和 OLT/ONU的不同组合 9.2.5 等待/过渡时间
《宽带光接入技术》 原荣 编著
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
14
媒质接入控制（MAC）
《宽带光接入技术》 原荣 编著 5
9.1.1
静态带宽分配
• ITU-T G.983.1系统的带宽分配是通过授权控制实 现的，它属于静态带宽分配。 • 上行带宽被与PON相连接的所有ONU共享。OLT 控制每个ONU的上行接入时隙，这是靠OLT在下 行PLOAM信元中规定的ONU发送数据授权实现 的，即OLT决定ONU上行接入的带宽。 • OLT发送PLOAM数据授权信元给所有的ONU， 给ONU的数据授权包括上行数据授权和上行接入 占用时隙的数量。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 7
9.1.2
动态带宽分配
• 动态带宽分配（DBA）方式根据ONU突发 业务量的需求，动态地调整它们的上行接 入带宽，因此提高了PON上行带宽使用的 效率。 • 这可以从两方面说明这个问题，首先，由 于更有效的带宽使用，网络操作者可以增 加更多的用户到PON上；其次，用户可以 要求得到超过固定带宽分配的最大带宽， 享受更好的服务。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 4
动态带宽分配系统的性能
• 性能指标，如带宽分配延迟和最大等待时间； • 应用能力，用于突发信号动态带宽分配和用于汇 集不同业务ONU的动态带宽分配； • 标准和协议的公平性，不管是基于ONU带宽需求 报告的动态带宽分配，还是基于OLT监控的动态 带宽分配，或者是基于ONU带宽需求报告和OLT 监控的动态带宽分配，都应该能够适用； • 后向兼容性和互连互通性，即按照G.983.1制造出 的OLT和ONU也可以使用在具有动态带宽分配功 能的系统中。
• OLT TC子层中的媒质接入控制（MAC）功能要实现在 PON上的ONU之间公平的分配带宽。如果OLT支持上行 方向带宽的动态分配，MAC协议就是DBA协议。该协议 是在PON传输媒质层中的TC子层实现的。ATM信元应该 以完全透明的方式通过PON传输，而对ATM传输能力 （ATC）和QoS没有影响。 • 当DBA-OLT支持具有带宽需求报告能力的ONU时，该需 求信息被映射到ONU的微时隙的净荷域中。当ONU接收 到微时隙授权（Divided_slot_grant）后，它就可以发送载 有带宽需求信息的微时隙给OLT。 • MAC协议也包括基于常规的静态授权分配带宽功能，这 种功能是根据上行接入流量协议完成的。
minislot_offset 3 字节 开销 微时隙净荷 1 字节 CRC
T-CONT 15
微时隙 ： 净荷域偏置 （ field_offset）
......
T-CONT 1 T-CONT 2 1 字节报告 1 字节报告
1 字节 CRC
T-CONT 14 1 字节报告 T-CONT 16 1 字节报告
《宽带光接入技术》 原荣 编著 16
图9.2.1 可分割时隙和微时隙的构成
1 个 上 行 可 分 割 时 隙( 56 个 字 节 ) ONU x 微时隙 ONU y 微时隙 ...... ONU k 微时隙 ...... ONU n 微时隙 ONU x 微时隙
微时隙偏置 （ minislot_offset ）
第 9 章 动态带宽分配
• 概述 • MAC协议 • 交接过程 • T-CONT的建立和拆除 • 业务流量控制和调度
《宽带光接入技术》 原荣 编著 1
9.1 概述
• 由于PON系统在上行方向多个ONU共享传输媒质， 所以必须进行上行接入控制（MAC），以便为用 户提供多种高质量业务的同时，提高上行信道的 利用率。 • MAC协议可以分为固定分配、随机接入、中央控 制按需分配、分布式控制按需分配和自适应分配 等多种。 • 对以上几种协议比较后发现，PON系统的上行接 入只有采用固定分配和中央控制按需分配相结合 的方式比较合适，这就是ITU-T G.983.4规范的静 态带宽分配和动态带宽分配两种方式。
《宽带光接入技术》 原荣 编著
18
T-CONT分类
• 1类T-CONT对时延敏感，所以采用预约方式只使用固定带 宽，不采用动态带宽分配，适用于任意级别的ATC/QoS。 • 2类T-CONT对时延不敏感，只由DBA-OLT支持，采用预 约方式只能分配到确保带宽。 • 3类T-CONT对时延不敏感，可以得到确保带宽和非确保带 宽，采用预约方式分配确保带宽，而采用动态方式分配非 确保带宽，两项之和不能超过预约的最大带宽。 • 4类T-CONT对时延不敏感，采用动态方式分配尽力而为带 宽。 • 5类T-CONT支持所有类型的T-CONT，适用于表9.2.1给出 的所有级别业务的ATC/QoS，采用预约方式分配固定带宽 和确保带宽，采用动态方式分配非确保带宽和尽力而为带 宽，采用预约方式分配最大带宽。
用微时隙偏置（Minislot_offset）区分每个可分割时隙所处 的位置。当1个ONU含有2个或多个（最多可为49个）TCONT时，用域偏置（Field_offset）区分在一个微时隙净 荷中T-CONT所处的位置。
《宽带光接入技术》 原荣 编著
17
9.2.2 传输容器（T-CONT）
• T-CONT是携带ATM VP或VC的管道。我 们可以把具有不同ATC/QoS的VP和VC以 可编程的方式复用到一个T-CONT中。 • 本质上说，T-CONT的类型与应用无关。然 而，为了获得最大的DBA能力，每种类型 都有自己的典型应用。
图9.2.2 1类T-CONT多个连接复用后产生信 元传输延迟（CTD）和信元延迟变化（CDV）
1-1 1-2 1-3
连接1
2-1
t t
3-1 连 接 3信 元 周 期 （ 1/PCR） （ 1/PCR） 连 接3 信 元 周 期 3-2
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动态带宽分配技术的必要性
• 然而，G.983.1系统企图提供宽带广播业务（如IP 业务）给用户，因为IP业务连接到许多突发业务 源，所以这类业务是非恒定比特率业务，对信元 传输延迟（CTD）和信元延迟变化（CDV）的要 求并不严格。然而，映射这些非实时业务到固定 的带宽信道中，不能使PON中的ONU动态分享 PON的上行带宽。 • 这种静态授权方式使上行带宽使用效率不高，所 以希望使用动态带宽分配技术。
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静态带宽分配和动态带宽
• 对QoS要求较高的CBR业务固定接入，对 其他业务由OLT控制预约接入。 • 预约过程也不采用竞争方式，而采用轮询 方式，ONU使用可分割时隙轮流预约。对 ABR连接需要的带宽只要保证它们的最小 信元速率（MCR）即可，因此可使用保证 CBR和VBR之后的剩余带宽，而UBR连接 将不被分配任何带宽。
上行用 户信元
T-CONT 缓冲器
图9.1.3 1个上行数据流分装 在2个T-CONT 缓冲器中
这2个缓冲器在同一个ONU中。一 些T-CONT缓冲器可以被一个 内部调度程序使用，或被某个 上层（如ATM层）使用。
图9.1.4 对分类缓冲业务进行 优先级别控制
上边的T-CONT缓冲器没有被内部调 度程序使用，而下边的T-CONT 缓冲器却含有多个业务分类缓冲 器，被内部调度程序使用，因为 在一些应用中，需要使用优先级 别控制。
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动态分配带宽
• 动态分配带宽只对额外带宽进行分配。按TCONT的确保带宽比例，从剩余带宽中分配非确 保带宽给要求额外带宽的每个T-CONT。假如确 保带宽是零，要公平地分配非确保带宽和尽力而 为带宽给每个T-CONT。例如一个T-CONT没有 确保带宽，当它要求额外带宽时，它就可以平分 剩余的带宽。另外，也要保证把确保带宽分配给 任意的T-CONT。 • 可分配的带宽具有如图9.1.5的优先级。在带宽分 配中，首先分配固定带宽，包括时隙位置，以便 减少延迟和延迟变化。然后，分配确保带宽。最 后，把仍然没有被预约的带宽放到剩余带宽库中， 作为非确保带宽和尽力而为带宽。
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OLT ONU ODN VC VC IP VC 视频 VC 电话 VC
T-CONT T-CONT
VP T-CONT
T-CONT
ONU1
VP
物理层路径
IP
T-CONT
视频 电话
ONU2
T-CONT
ONU3
图9.1.2 传输容 器（TCONT） 和宽带 PON系 统的层 结构
《宽带光接入技术》 原荣 编著 3
业务带宽分配规则
• 对业务带宽分配规则已有一些建议，如对 实时业务的带宽分配可采用传送带 （Transfer belt）分配算法，对非实时业务 的带宽分配可采用顶移（Moving ceiling） 分配算法等。 • 对流量调度也有多种方案，如加权公平排 队（WFQ）、轮询调度（round robin）和 加权轮询调度（WRR）等。 • G.983.7建议使用WRR。
T-CONT
• 动态带宽分配性能应允许在一个ONU里使用几种传输容器(T-CONT)。 T-CONT携带ATM 虚通道连接(VPC)和虚信道连接(VCC)，单个TCONT可以携带不同种类业务的ATM流量，并且把它们的缓冲器使用 情况报告给与此相连接的OLT。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 11
ONU/ONT ONU/ONT ODN OLT T-CONT 缓冲器 T-CONT 缓冲器 UNI 优先 级别 控制 分类缓冲 上行用 户信元 ODN OLT T-CONT 缓冲器
《宽带光接入技术》 原荣 编著 15
9.2.1 动态带宽分配（DBA）协议
动态带宽分配协议有三种方式： • 即ONU不报告带宽需求（NSR，Non Status Reporting）方式， NSR从OLT中的流量监测开 始； • ONU报告带宽需求（SR，Status Reporting）方 式， SR从ONU向OLT报告其带宽需求开始； • 这两种方式的综合（NSR+SR），而综合方式从 OLT中的流量监测和OLT受理ONU向OLT的带宽 需求报告开始。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 8
图9.1.1 静态带宽分配和动态带宽分配 的比较
ONU 需 要 (a) 发送的业务 ONU3 ONU2 ONU3: 突发业务， 并对延迟敏感 ONU1 :恒 定 比特率业务 ONU2: 突发业务
ONU2 丢 失 的 业 务 ONU1
( b ) 静态带宽 分配传输 ONU3 延迟
12
《宽带光接入技术》 原荣 编著
高优先级带宽 固定带宽 确保带宽 非确保带宽 低优先级带宽 尽力而为带宽 保证带宽
额外增加带宽
图9.1.5 用于授 权分配 的带宽 优先级 别
• 固定带宽是一种周期性分配完全预约的带宽，使用它可以实现小的信元 传输延迟。 • 确保带宽是假如T-CONT缓冲器想发送信元时，ONU总是可以使用的带 宽。 • 非确保带宽是分配给具有确保带宽的T-CONT的额外带宽，在额外带宽 中它具有较高的优先级别。非确保带宽能够参与动态带宽分配。 • 尽力而为带宽是指当没有高优先权业务使用该带宽时，T-CONT才可以 使用的带宽，所以它是不能确保使用的带宽，只能参与动态带宽分配， 只由DBA-OLT支持。
ONU2
ONU2 ONU3
ONU3 延 迟 的 业 务 ONU1 ( c ) 动态带宽 分配传输 ONU3 ONU2
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2. 动态带宽分配方法
• 通常有两种动态带宽分配方法。一种是空闲信元 调整，另一种是缓冲器使用情况报告。 • 在空闲信元调整方式中，OLT监视每个ONU使用 的带宽，假如一个ONU使用的带宽超过了预先分 配的值，如果还有富余的带宽可用，OLT就分配 额外的带宽给该ONU。这种方式不需要ONU报告 带宽需求信息，其缺点是OLT的反应总是落后于 ONU对带宽的需求。 • 在缓冲器使用情况报告方式中，ONU使用微时隙 向OLT报告它们的缓冲器被使用的状态，OLT根 据该报告重新分配ONU下次可以使用的带宽。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 13
9.2 MAC协议
• • • • • 9.2.1 动态带宽分配（DBA）协议 9.2.2 传输容器（T-CONT） 9.2.3 信元传输延迟及其变化 9.2.4 DBA和 OLT/ONU的不同组合 9.2.5 等待/过渡时间
《宽带光接入技术》 原荣 编著
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14
媒质接入控制（MAC）
《宽带光接入技术》 原荣 编著 5
9.1.1
静态带宽分配
• ITU-T G.983.1系统的带宽分配是通过授权控制实 现的，它属于静态带宽分配。 • 上行带宽被与PON相连接的所有ONU共享。OLT 控制每个ONU的上行接入时隙，这是靠OLT在下 行PLOAM信元中规定的ONU发送数据授权实现 的，即OLT决定ONU上行接入的带宽。 • OLT发送PLOAM数据授权信元给所有的ONU， 给ONU的数据授权包括上行数据授权和上行接入 占用时隙的数量。
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9.1.2
动态带宽分配
• 动态带宽分配（DBA）方式根据ONU突发 业务量的需求，动态地调整它们的上行接 入带宽，因此提高了PON上行带宽使用的 效率。 • 这可以从两方面说明这个问题，首先，由 于更有效的带宽使用，网络操作者可以增 加更多的用户到PON上；其次，用户可以 要求得到超过固定带宽分配的最大带宽， 享受更好的服务。
《宽带光接入技术》 原荣 编著 4
动态带宽分配系统的性能
• 性能指标，如带宽分配延迟和最大等待时间； • 应用能力，用于突发信号动态带宽分配和用于汇 集不同业务ONU的动态带宽分配； • 标准和协议的公平性，不管是基于ONU带宽需求 报告的动态带宽分配，还是基于OLT监控的动态 带宽分配，或者是基于ONU带宽需求报告和OLT 监控的动态带宽分配，都应该能够适用； • 后向兼容性和互连互通性，即按照G.983.1制造出 的OLT和ONU也可以使用在具有动态带宽分配功 能的系统中。
• OLT TC子层中的媒质接入控制（MAC）功能要实现在 PON上的ONU之间公平的分配带宽。如果OLT支持上行 方向带宽的动态分配，MAC协议就是DBA协议。该协议 是在PON传输媒质层中的TC子层实现的。ATM信元应该 以完全透明的方式通过PON传输，而对ATM传输能力 （ATC）和QoS没有影响。 • 当DBA-OLT支持具有带宽需求报告能力的ONU时，该需 求信息被映射到ONU的微时隙的净荷域中。当ONU接收 到微时隙授权（Divided_slot_grant）后，它就可以发送载 有带宽需求信息的微时隙给OLT。 • MAC协议也包括基于常规的静态授权分配带宽功能，这 种功能是根据上行接入流量协议完成的。
minislot_offset 3 字节 开销 微时隙净荷 1 字节 CRC
T-CONT 15
微时隙 ： 净荷域偏置 （ field_offset）
......
T-CONT 1 T-CONT 2 1 字节报告 1 字节报告
1 字节 CRC
T-CONT 14 1 字节报告 T-CONT 16 1 字节报告
《宽带光接入技术》 原荣 编著 16
图9.2.1 可分割时隙和微时隙的构成
1 个 上 行 可 分 割 时 隙( 56 个 字 节 ) ONU x 微时隙 ONU y 微时隙 ...... ONU k 微时隙 ...... ONU n 微时隙 ONU x 微时隙
微时隙偏置 （ minislot_offset ）
第 9 章 动态带宽分配
• 概述 • MAC协议 • 交接过程 • T-CONT的建立和拆除 • 业务流量控制和调度
《宽带光接入技术》 原荣 编著 1
9.1 概述
• 由于PON系统在上行方向多个ONU共享传输媒质， 所以必须进行上行接入控制（MAC），以便为用 户提供多种高质量业务的同时，提高上行信道的 利用率。 • MAC协议可以分为固定分配、随机接入、中央控 制按需分配、分布式控制按需分配和自适应分配 等多种。 • 对以上几种协议比较后发现，PON系统的上行接 入只有采用固定分配和中央控制按需分配相结合 的方式比较合适，这就是ITU-T G.983.4规范的静 态带宽分配和动态带宽分配两种方式。
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18
T-CONT分类
• 1类T-CONT对时延敏感，所以采用预约方式只使用固定带 宽，不采用动态带宽分配，适用于任意级别的ATC/QoS。 • 2类T-CONT对时延不敏感，只由DBA-OLT支持，采用预 约方式只能分配到确保带宽。 • 3类T-CONT对时延不敏感，可以得到确保带宽和非确保带 宽，采用预约方式分配确保带宽，而采用动态方式分配非 确保带宽，两项之和不能超过预约的最大带宽。 • 4类T-CONT对时延不敏感，采用动态方式分配尽力而为带 宽。 • 5类T-CONT支持所有类型的T-CONT，适用于表9.2.1给出 的所有级别业务的ATC/QoS，采用预约方式分配固定带宽 和确保带宽，采用动态方式分配非确保带宽和尽力而为带 宽，采用预约方式分配最大带宽。
用微时隙偏置（Minislot_offset）区分每个可分割时隙所处 的位置。当1个ONU含有2个或多个（最多可为49个）TCONT时，用域偏置（Field_offset）区分在一个微时隙净 荷中T-CONT所处的位置。
《宽带光接入技术》 原荣 编著
17
9.2.2 传输容器（T-CONT）
• T-CONT是携带ATM VP或VC的管道。我 们可以把具有不同ATC/QoS的VP和VC以 可编程的方式复用到一个T-CONT中。 • 本质上说，T-CONT的类型与应用无关。然 而，为了获得最大的DBA能力，每种类型 都有自己的典型应用。