EPON关键技术及轮询带宽分配算法初探

数据通信技术

EPON 关键技术及轮询带宽分配算法初探

何　兴　范　红

(南京邮电学院光信息技术系　南京　210003)

【摘要】以E thernet 为基础的无源光网络(E thernet 2PON )是未来实现宽带、多业务综合接入的重要技术手

段。本文分析了EPON 系统的基础结构和各个组成部分,实现系统所需要解决的关键技术及实现方法,同时对上行带宽分配的轮询算法进行了探讨。

关键词:E thernet PON 轮询算法

1　引言

近年来,通信的主干部分发生了巨大的变化,而在接入部分却变化很少。In ternet 数据流的激增加剧了接入部分的容量限制,接入网中传统的铜缆接入方式显然已无法满足通信业务增长的要求。因此,迫切需要接入网的建设实现数字化、宽带化和智能化。由于光纤具有传输频带宽、容量大、损耗低、抗干扰能力强等优点,非常适合作为高速、宽带业务的传输媒体。在光纤接入网中,无源光网络(PON )由于不采用有源节点、敷设和运行维护成本低、对业务透明和易于升级等优点而备受关注。

近几年,由于IP 的迅速崛起,以太网取代A TM 成了最理想的链路层协议,而PON 作为接入网的物理层仍然是比较理想的,将链路层的以太网和物理层的PON 技术结合在一起有助于开发出新一代的无源光网络,基本做法是在与A PON 类似的结构和G 1983的基础上,保留物理层PON ,而以以太网代替A TM 作为数据链路层协议,构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体EPON ,同时省去了IP 到A TM 的映射的复杂性。

2000年11月,在IEEE 80213的旗帜下,通过成

收稿日期:2002-04-19

立“第一英里以太网”

(EFM )研究组的方式开始了EPON 的标准化工作,69个公司计划介入这一领域的工作,其工作重点将放在EPON 的M A C 协议上,其余将主要参照FSAN 和ITU 2T G 1983建议。结合IP 网发展的现状和PON 透明宽带传送能力,EPON 将成为实现未来宽带接入乃至最终实现FT TH 的主要手段。

本文主要对EPON 系统的结构和组成部分,实现系统所需要解决的关键问题,系统设计所需考虑的重要问题等进行了分析,同时对上行带宽分配的轮询算法进行了探讨。

2　EPON 系统结构和传输方式

EPON 系统通常采用总线形(B u s PON )、

树形(T ree PON )或环形(R ing PON )拓扑结构,如图1所示

。

图1　PON 的拓扑结构

2002年6月第2期 现　代　有　线　传　输

EPON 主要由下面几部分构成:光线路终端(OL T ),无源光分路 复用器(PO S C )和光网络单

元(ONU ),其基本的构成框图如图2所示

。

图2　PON 基本构成框图

IEEE 80213标准为以太网定义了两种形式的

结构,一种是在共享媒质上的冲突检测 避免(CS M A CD ),另一种情况就是通过交换来实现全双工连接。EPON 的特性不能说仅仅是共享媒质或仅仅是点到点网络,而是两者兼而有之。

在下行方向,E thernet 帧由OL T 通过1∶N 的无源分路器到达各个ONU ,分路比大约在1∶4到1∶64之间,这很像共享媒质网络。由于以太网本来就是通过广播方式传递信息的,在下行方向上,EPON 的结构非常适合这种传播方式:数据包是以广播方式传播的,而且由各个ONU 的媒质访问控制(M A C )地址提取出特定的数据包,如图3所示

。

图3　EPON 下行数据流示意图

在上行方向上,各个ONU 通过TDM A 的方式将数据帧传至OL T ,由于无源合路器(光分路器)定向性能,各个ONU 的数据帧只能到达OL T ,而不是其它的ONU ,从这种意义上说,EPON 在上行方向的传输方式类似于点到点的传输,从各个ONU 到达OL T 的数据包仍有可能发生碰撞,因此,在上

行方向上,ONU 仍需要共享光纤的容量和资源,如图4所示

。

图4　EPON 上行数据流示意图　

3　EPON 中的关键技术分析

311　EPON 中采用TDM A 方式的关键技术

EPON 采用TDM A 方式时的关键技术有动态

带宽分配、上行信道复用实现技术、以太网在PON 上的成帧技术与实现技术、测距与延时补偿、光器件、突发信号的快速同步技术等等。31111　动态带宽分配

动态带宽分配算法就是实时地(m s Λs 量级)改变EPON 的各ONU 上行带宽的机制。EPON 中如果用带宽静态分配,对数据通信这样的变速率业务很不适合,如按峰值速率静态分配带宽,则整个系统带宽很快就被耗尽,带宽利用率很低,而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。通过DBA ,我们可以根据ONU 突发业务的要求,通过在ONU 之间动态调节带宽来提高PON 上行带宽效率。由于能更有效地利用带宽,网络管理员可以在一个已有的PON 上增加更多用户,终端用户也可以享有更好的服务,如用户可以用到的带宽峰值可以超过传统的固定分配方式的带宽。

根据EPON 的特点及ITU 2T G 1983建议,可以得出对动态带宽分配设计的具体要求有:业务透明;高带宽利用率;低时延和低时延抖动;公平分配带宽,健壮性好,实时性强。动态带宽分配采用集中控制方式:所有的ONU 的上行信息发送,都要向OL T 申请带宽,OL T 根据ONU 的请求按照一定的算法给予带宽(时隙)占用授权,ONU 根据分配的

现　代　有　线　传　输 2002年

时隙发送信息。其分配准许算法的基本思想是:各ONU利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分布并请求带宽,OL T根据各ONU的请求公平合理地分配带宽,并同时考虑处理超载、信道有误码、有信元丢失等情况的处理。

ONU可能经常要断开(特别是在FT TH情况下),已经断开的ONU不应再占用网络带宽。解决这个问题的方法有:使新的请求在许可信号后的R T T+D t时间内到达;如果请求(k个)丢失了就意味着ONU已经断开;下次询问此ONU前先等待1分钟。这样可使断开ONU只占用大约010005%的PON带宽。

在PON中,在传输会聚层上用流量容器来存储管理上行带宽分配的业务流,使PON段带宽利用率得到提高。分析表明,采用DBA,最大的带宽利用率可达80%,而没有DBA时只有40%。平均传输时延无DBA时为100m s,而用DBA时为<10m s。31112　EPON上行实现技术

时分多址复用方式又可以采用固定时隙的时分多址复用、统计时分多址复用、随机接入等方式。固定时隙时分多址复用方式不足之处有:当其中有的时隙未用时,还是占用一样的带宽;对高突发率业务适应力不强;ONU需要同步。随机接入没有确定的接入时间;由于采用CS M A CD,故有传输距离的限制。而统计时分多址复用可以克服前两者的不足,所以一般都选择采用统计时分多址复用。上行信号传输在ONU被分配到的时隙里发送以太网帧,统计复用通过提供的数据量的大小来改变时隙大小的方法来实现。

TDM A的实现方法是重点,即如何使用TDM A的方法使上行信道的带宽利用率、时延和时延抖动等指标达到要求。其中,上行带宽的分配方法、ONU发送窗口固定还是可变、最大的ONU发送窗口应为多大、ONU发送窗口的间隔、以太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定。

由于数据 视频业务流是自相似的,不存在最佳大小的固定时隙,故流量聚合也不能起多大作用。突发包大小分布为长相关性(大的拖尾),即大多数突发包都比较小,但绝大多数都是有大量的突发包同时出现。实现统计时分复用要考虑的问题有:・突发时间与业务流大小都难以预料,所以要有反馈;

・采用Ro ll2call轮询方式是比较好,但需要ONU之间相互侦听,也就是PON只能用作广播星形或无源环(这太严格了)。也可以采用H ub轮询方式,但是工作时间非常长。解决方法为采用间插轮询路由方式。

上行信号应该采用灵活的请求 许可方式。例如可以通过“逻辑端口”,可以灵活地为一个ONU中的每个用户、每个服务提供许可信号,可以实现灵活操作,或采用“多请求方式”缩短许可周期,并使TCP流量高。

312　EPON中采用TDM A方式的关键技术EPON采用W DM A方式、TDM A方式时的许多技术,如动态带宽分配、上行信道复用实现技术、以太网在PON上的成帧技术与实现技术、突发信号的快速同步技术等等都不再需要,因此简化了整个系统的设计。采用W DM A时的关键技术主要有:低成本波长稳定的光发射模块、低成本光接收模块、低成本DW DM、测距等等。而对于低成本波长稳定的光发射模块、低成本光接收模块华中科技大学光纤教研室都已基本开发出来。

313　其他关键技术

其他一些关键技术有:以太网在PON上的成帧技术与实现技术;测距和时延补偿技术;支持高速率突发信号的光器件;突发信号的快速同步等等。

除此之外,下行信道安全性、如何实现Q oS、如何实现VLAN和网管等也是影响EPON应用前景的问题,必须加以考虑。

4　轮询算法的简单介绍

在这里我们考虑通过一种轮询机制来实现不同ONU之间的带宽分配,为了简便起见,我们假设这个系统中有三个ONU。

假设在某个时刻t0,OL T知道每个ONU的缓存中数据大小和往返时间(round2tri p ti m e)。OL T 将这些信息存放在一张轮询表中,在时刻t0,OL T 发送一个控制信息到ONU1,准许其发送6000比特的数据,如图5所示。我们称这个消息为授权(Gran t)。因为在下行方向上是采用广播形式发送数

第2期 何兴范红:EPON关键技术及轮询带宽分配算法初探