EPON中的接入控制技术

2019-11-03 18:24:05

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供稿：网友

　　徐　辉，李凤堂，刘媛媛

　　（西安通信学院　信息理论教研室　陕西　西安　710106）

　　摘　要：接入控制技术是PON（无源光网络）中的关键技术之一，直接关系到PON系统性能的好坏，EPON是一种刚刚兴起而又具有很好发展前景的接入网技术。本文对EPON中现有的几种接入控制方式进行了介绍和讨论，并对他们的性能进行了比较。

　　关键词：EPON；同步；测距；请求；授权；MAC控制

　　接入网是整个电信网最具有技术挑战性的区域之一。为了满足用户对带宽日益增长的要求，实现接入网的高速化、宽带化和智能化，各种接入技术层出不穷，然而被认为最有前途的是光接入技术。无源光网络（PON）由于其易维护、高带宽、低成本等优点成为光接入中的佼佼者，被认为是通过单一平台综合接入语音、数据、视频等多种业务的理想物理平台。以前人们认为将ATM（异步转移模式）技术和PON技术相结合的APON技术是实现综合接入的理想模式。然而，由于数据业务的爆炸式增长，ATM技术暴露出效率不高、协议复杂等弱点，而ip技术则日渐兴起。由于以太网在传输IP业务时具有效率高、协议简单等优点，所以越来越多的人认为将千兆以太网技术和PON技术相结合的EPON（Ethernet Passive OpticalNetwork）技术是取代APON，实现高速、宽带、综合接入的理想途径。由于PON从本质上是共享媒质的网络，所以必须有接入控制机制使各个终端有序接入系统。本文将对EPON中的接入控制机制进行讨论和分析。

　　1　EPON的技术基础

　　在讨论EPON的接入控制机制之前，我们有必要对EPON的基本工作原理做简单介绍：EPON是由IEEE赞助的EFM（Ethernetin FirstMile，以太网在最初一公里）工作小组最早提出的。他在很大程度上继承了ITU-T和FSAN（全业务接入组）对APON的建议［1］，采用符合IEEE802．3协议的以太帧承载业务信息。EPON是由OLT（光线路终端）、ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）等单元构成的点到多点系统。其系统拓扑多为星型或树型分支结构，下行方向（由OLT到ONU）采用广播方式，每一个ONU将接收到所有下行信息，根据其MAC地址提取有用信号；上行方向（由ONU到OLT）采用时分方式共享系统，通过接入控制机制将各个ONU有序接入。EPON的上、下行信息速率均为1 Gb／s（由于其物理层编码方式为8 B／10 B码，所以其线路码速率为1．25 Gb／s），由一根光纤采用波分复用实现全双工通信。其结构示意图如图1所示。

　　2　EPON中的同步技术［2］

　　在讨论EPON的接入控制技术之前还有必要讨论一下他的同步技术。因为EPON中的各ONU接入系统是采用时分方式，所以OLT和ONU在开始通信之前必须达到同步，才会保证信息正确传输。要使整个系统达到同步，必须有一个共同的参考时钟，在EPON中以OLT时钟为参考时钟，各个ONU时钟和OLT时钟同步。OLT周期性的广播发送同步信息（sync）给各个ONU，使其调整自己的时钟。EPON同步的要求是在某一ONU的时刻T（ONU时钟）发送的信息比特，OLT必须在时刻T（OLT时钟）接收他。在EPON中由于各个ONU到OLT的距离不同，所以传输时延各不相同，所以要达到系统同步，ONU的时钟必须比OLT的时钟提前UD（上行传输时延），也就是如果OLT在时刻0发送1 b，ONU必须在他的时刻RTT（往返传输时延）接收。RTT＝DD（下行传输时延）＋UD，必须知道并传递给ONU。获得RTT的过程即为测距（ranging），测距的过程在后面会进行详细讨论。EPON的同步示意图如图2所示。

　　在图2中，当EPON系统达到同步时，ONUi和ONUj发送的信息才不会发生碰撞（图中t1-t2为ONUi发送时间，t2-t3为ONUj发送时间）。

　　3　EPON中的接入控制技术讨论

　　在EFM工作小组提出的EPON系统中，要求对千兆以太网的MAC（媒质接入控制）子层不做或做尽量少的改动，对EPON的接入实现通过扩充MAC控制子层和／或物理层功能来实现，这样有利于EPON系统和千兆以太网的兼容性，便于现有的以太网设备用于EPON中，缩短EPON推向市场的时间。本文只讨论通过MAC控制层的扩充来实现的接入控制机制。在EPON中的接入控制大体有2种：基于静态分配时隙的接入控制和基于动态分配时隙的接入控制方式。

　　3．1　基于静态分配时隙的接入控制方式［3］

　　

　　在这种方式下，OLT不管ONU的请求信息，将系统时隙分配给各个ONU，这种接入方式从复用的角度看属于TDM（时分复用）。分配给ONU的时隙可以是定长的，也可以是变长的，在EPON中由于以太协议分组是变长的，所以分配时隙也应该是变长的。OLT分配给某一ONU的发送带宽是：

　　在千兆以太网的MAC控制帧有一个用于流量控制的pause（暂停）帧，该帧可被EPON用来进行接入控制。通过pause帧OLT周期性的轮询各个ONU，实现各ONU有序接入。这种接入方式的优点是协议简单，便于将以太网设备直接引用到EPON中。然而该方式具有很多缺点：

　　（1）对一个ONU的授权间隔时延太大，对一个具有32个ONU、最大距离在20 km的EPON系统该时延可达7．2 ms；

　　（2）缺少统计复用增益，系统接入损耗大，带宽利用率低；

　　（3）这种接入方式对各个等级业务同样对待，无法满足某些业务的QoS（服务质量）保证。所以，在EPON中我们不建议采用这种接入方式。

　　3．2　基于动态带宽分配的接入机制

　　在这种接入方式中，OLT根据ONU的请求情况动态的将系统带宽分配给各个ONU。这种分配由MAC控制层的2个管理信息来完成：授权（grant）信息，OLT发送授权信息来分配一个时隙给某个ONU，该信息不需要ONU发回确认；请求（request）信息，ONN通过该信息来报告其状态的改变，请求信息不需要OLT来进行确认。通过动态带宽分配可以以较小的代价共享系统带宽，实现宽带综合业务的接入。在EPON中动态带宽分配的目标是将系统带宽公平、高效的分配给各个ONU和各种业务。在EPON动态带宽分配中，有关文献提出了2种方式：一种是OLT将授权给各个ONU；另一种是单个ONU可以支持多个用户和业务，OLT授权给予每一个用户或业务。在此，对这两种授权方式加以介绍，对他们的优缺点进行对比，提出我们自己的观点。

　　3．2．1　授权给各个ONU的接入控制方式［4］

　　

　　在这种机制中，OLT根据各个ONU的请求情况来分配带宽，带宽分配算法由高层来完成，各个厂商可以有自己独特的算法，没必要标准化。而在MAC控制子层以下则应该具有标准，这也是EFM正致力的一项工作。需要标准化的MAC控制帧信息应该有：ONU的初始化注册信息（允许新的ONU接入系统，将其MAC地址、设备容量等参数通知OLT）；OLT的测距授权信息和ONU的测距响应信息（完成OLT-ONU 间周期性的定时调整，测量RTT）；ONU的带宽请求信息（通过该信息携带上行ONU基于其负载的改变而请求带宽授权的改变）；OLT的带宽授权信息（该信息携带给各个ONU的带宽分配信息，同时还要决定发送机会是给数据还是给控制信息）。一个ONU接入EPON系统必须经过初始化和带宽动态分配2步：初始化过程分为注册和测距2步。注册是指在一个ONU新接入系统或关闭后重新开启时将给ONU的一些参数（如MAC地址等）通知给OLT的过程。注册过程首先由OLT广播发送注册授权信息，所有未注册ONU都可响应该授权，如果发送冲突则采用退避算法（如二进制指数退避算法）等待一段时间重新响应；测距是EPON同步的重要一步，其主要目的是计算各ONU的补偿时间。其过程为：OLT向ONU发送测距授权（由于OLT-ONU间的RTT未知，所以测距授权间的保护时间应该足够长）；ONU响应测距授权发送测距响应帧给OLT；OLT收到ONU的测距响应帧后，根据授权给ONU的时隙开始时间和实际ONU到达的时隙开始时间之间的差值，计算出OLT到该ONU的RTT，并将该值通知ONU，同时OLT不断的监视RTT值的变化，当其漂移超过一定程度时，重新发送RTT值给ONU。

　　动态带宽分配过程是：ONU根据自己的上行缓存器情况组织自己的上行请求帧，并发送给OLT；OLT在收到ONU的请求帧后，交给高层根据带宽分配算法决定是否响应请求，如果响应，则根据系统带宽利用情况给ONU分配时隙。基于请求／授权的动态带宽分配过程示意图如图3所示。OLT发送的授权帧是这种接入方式的关键，授权帧结构如图4所示，在图4中给一个ONU的授权域包括16 b的ONU地址（不使用ONU的MAC地址是因为其太长），2 b的授权类型（是控制授权还是数据授权），14 b的保护时间说明和32 b的授权信息（包括16 b的开始时间，16 b的停止时间）。由于在IEEE802．3建议中MAC控制帧净负荷长度为44 B，所以在OLT的一个授权帧中可以携带多个ONU的授权信息。有些文献提出为了使一个OLT授权帧多携带ONU的授权信息，建议将其授权域扩展到128 B，但我们认为这样做不利于EPON系统和以太网的协议兼容；另外，在EPON中激活ONU数目较少时，会造成浪费。当EPON中激活ONU数目较多时，为减少轮询时间可用多个授权帧来进行授权；为减少ONU的请求时间，可将ONU的请求分类，通过同一请求帧传输多类请求信息。这种分类包括，一个ONU可以有多个缓存器以及在一个缓存中将请求分为带宽请求（当系统中请求ONU数较多时）和总的缓存帧数请求（当系统中请求ONU数较少时），其示意图如图5所示。

　　OLT将授权信息给各个ONU的动态接入方式的优点是具有统计复用增益，接入损耗小，能够保证各种业务的QoS需要，缺点是需要复杂的带宽分配算法，在和现有的以太网兼容上还需设备改进。另外，当一个ONU接有多个用户或业务时，这种分配方式无法满足带宽分配对各个用户或业务的公平性，所以有了下一种动态接入方式。

　　3．2．2　授权给每一个逻辑端口的接入控制方式

　　在这种方式中，提出了逻辑端口（logicalport）的概念［4］。逻辑端口独立于ONU的物理端口，一个ONU可以有一个或多个逻辑端口。OLT为各个逻辑端口直接发送授权，由高层协议（如802．1p等）来完成对逻辑端口的认证和业务选择。这种接入控制方式和上一种十分相似，一个ONU在接入系统时也要经过初始化和动态带宽分配2步，只是在高层的带宽分配算法，端口确认等方面以及MAC控制子层的授权信息结构不同。在这种方式中，被授权地址为ONU地址加逻辑端口的地址，每个ONU地址由8 b信息表示（可表示16～128个ONU的EPON系统），每个逻辑端口地址由4比特信息组成。其授权帧结构如图6所示，在ONU的请求中同样可以采用在上一种讨论过的将请求分类方式来缩短请求时延，提高系统效率。

　　这种方式的最大优点是对各个用户或业务可以保证公平性，有利于保证业务的QoS（服务质量），尤其对时延敏感性业务，可以降低接入时延；其缺点是高层的分配算法比较复杂。

　　3．3　各种接入控制方式的比较

　　在前面我们讨论了EPON中不同的接入控制方式，现在对各种接入方式进行对比，如表1所示。

　　通过以上比较，我们觉得采用基于动态带宽分配的接入控制方式在性能方面比较适合在EPON中使用，而在动态带宽分配接入方式中，我们认为第二种方式更适合当前EPON的需要。这是因为首先，在IP／Ethernet网中对用户业务的QoS保证相比于ATM网一直是其弱势，在EPON中如何得到和APON相媲美的业务QoS保证，是EPON设计中的一大技术挑战，采用OLT直接授权给逻辑端口的方式结合IP技术在QoS方面的发展（如在IPv4中通过ToS（业务类型）域将业务分等级等）在保证业务QoS方面进了一大步；其次，其选择8 b的ONU地址也是合理的，因为在不加光放大器的情况下，在功率预算允许的情况下即使加上纠错编码，EPON系统的最大ONU数也仅为128；第三，这种方式比较灵活，可以由高层灵活改变逻辑端口的业务选择。当然，对EPON的接入控制方式研究还很不成熟，如何选择最佳方式还有待于进一步研究。

　　4　结　语

　　接入控制技术是PON研究的关键技术，直接关系到PON性能的好坏，ITU-T和FSAN对APON的接入技术进行了多年研究，而EPON由于刚刚兴起，对其接入控制技术研究还很不成熟。本文对现有用于EPON的接入控制技术进行了介绍和讨论，希望能给EPON的研究起到抛砖引玉的作用。

　　参考文献

　　［1］ITU TRecommendation G．983．1（1998）．HighSpeed optical access systems based on Passive　OpticalNetwork（PON）techniques［S］．

　　［2］http：／／grouper．ieee．org／groups／802／3／efm／public／sep01／kramer＿1＿0901．pdf．

　　［3］http：／／www．ieee802．org／3／efm／public／jul01／PResentations／ayyagari＿1＿0701．pdf．

　　［4］http：／／grouper．ieee．org／groups／802／3／efm／public／sep01／yoshihara＿1＿0901．pdf．

　　［5］Jayant K，etal．千兆以太网教程［M］．段晓译．北京：清华大学出版社，1999．

摘自现代电子技术

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