（電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制協(xié)議研究與設(shè)計.pdf

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 3 針對s u p e r p o n 系統(tǒng)多用戶、大時延的特點，完整地提出了套s u p e r p o n 的m a c 協(xié)議分優(yōu)先級自適應(yīng)m a c 協(xié)議，不同優(yōu)先級滿足不同的業(yè)務(wù) 需求，對于實時業(yè)務(wù)采用無須預(yù)約的半靜態(tài)帶寬分配法，而非實時業(yè)務(wù)的 申請微時隙接入自適應(yīng)于系統(tǒng)的負載狀況，在固定分配和隨機接入間動態(tài) 切換，兼顧了系統(tǒng)吞吐量和時延特性的要求。計算機仿真結(jié)果表明，當(dāng)系 統(tǒng)負載為0 6 時，實時、l k 務(wù)的接入時延和時延抖動幾乎可以忽略( o 1 而非實時業(yè)務(wù)的時延和抖動亦基本上被控制在2 8 m s 和1 4 m s 以內(nèi)。 關(guān)鍵詞：接入網(wǎng)、光接入、無源光網(wǎng)絡(luò)、 態(tài)帶寬粵超級跫炯絡(luò)、互聯(lián)脅 、 異步轉(zhuǎn)爹模式、介質(zhì)訪盧聲制協(xié)議、動 議、計算機仿真、排隊理論、波分復(fù)用。 摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n t s e v e r a la h e m a t i v e sa r ec o n s i d e r e df o rt h e p r o v i s i o no fb r o a d b a n d s e r v i c e si nt h e1 0 c a ll o o p ，f r o mx d s lt oh f c h o w e v e r , t h e ya r ea 1 1e x p e d i e n c i e s 、t o s o m ed e g r e e ，f r o mal o n g t e r m v i e w p o i n t i nt h e f i e l do fw i r e ds o l u t i o n s 、p a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k s ( y o n ) l o o kv e r yp r o m i s i n g d u et ot h e i rb a n d w i d t h c a p a c i t y e s p e c i a l l y , a t mb a s e dp o n ( a t m - p o n o ra p o n ) h a sb e e ns oc a l l e dt h eb r o a d b a n d a c c e s ss o l u t i o no ft h e2 1 s tc e n t u r y i ti n t e g r a t e st h ea d v a n t a g e so fm u l t i s e r v i c ea n d m u l t i b i tr a t ec a p a b i l i t i e so fa t ma n dh i g hb a n d w i d t ha n dl o wc o s to fp o n 珈sd i s s e r t a t i o nf o c u s c so ns t u d ya n dd e s i g no fm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ( m a c 、 p r o t o c o l f o r p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，p r o t o c o lp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，a n do t h e r a s p e c t sc l o s e l yc o r r e l a t e dt om a cp r o t o c 0 1 f i r s t l yt h ea u t h o rd i s c u s s e dt h ec o m p e t i t i o nb e t w e e ni pa n da t m a n dp o s s i b l e m o d e sf o ri pp a c k e to v e ra p o n a sm e d i a s h a r e dn e t w o r k ，a p o nn e e d ss o m ef o r mo f m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lt oa r b i t r a t et h e u p s t r e a m c h a r m e l a m o n g t e r m i n a t i o n s ，a n da v o i dc o l l i s i o n s t h em a cp r o t o c o lp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ej nt h e w h o l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，a n d a f f e c t s p e r f o m l a n c eo ft h es y s t e mw i t l lg r e a t s i g n i f i c a n c e s oi t st h ek e m e l i na p o na c c e s ss y s t e mi t u tg 9 8 3r e c o m m e n d a t i o n a c c e l e r a t e st h ep r o c c s so fs t a n d a r d i z a t i o no fa p o n b u ti td o e sn o td e t e r m i n em a c p r o t o c o la n dd e c l a r e st h a ti t n e e d sf u r t h e rs t u d i e s i t ss t i l la no p e np r o b l e m s oo u r w o r kh a sp r a c t i c a lm e a n i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rm e d i a - s h a r e dn e t w o r k ，a p o n l st r e e l i k et o p o l o g yh a sj t s o w nc h a r a c t e r i s t i c st h a ti m p o s ep a r t i t m l a rr e q u i r e m e n t so nm a c p r o t o c 0 1 t h em e t h o d o fr a n d o ma c c e s si sr a t h e rs i m p l ea n de a s yt oe x p a n d b u ti tc a n n o ts a t i s f yt h er i g o r o u s d e l a ya n dt h r o u g h p u tr e q u i r e m e n t so f t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s oi ti sn o ta v a i l a b l e f o ra p o n c e n t r a l l yc o n t r o l l e dr e s e r v a t i o n b a s e db a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mi st h e f i r s tc h o i c ef o ra p o n b e c a u s ei te n s u r e sb e u e rd e l a ya n dt h r o u g h p u t a sap a r to f w h o l ea t mn e t w o r k ，a p o ns h o u l db ei nc o n c e r tw i t ht h et r a m cc o n t r 0 1p o l i c i e so f a t m f o rt h i s ，t h em a c p r o t o c o ls h o u l dm i n i m i z et h ec e l li i t t e ro v e rp a s s e ds t r e a m 塒t he f f o r ti nt h ea c c e s sp h u s e a 1 1m a c p r o t o c o l sc h a r a c t e r i z et h e m s e l v e sb 、，t h e m e t h o do fd 、，n a m i cb a n d w i d t hd i s t r i b u t i o na n dc e l l d e l a yv a r i a t i o nc o n t r o l i no u r p r o t o c o l ，u n i f o r ms p a c i n ga n ds e g m e n t a t i o np o l i c e sm a k ea l g o r i t h ma d j u s tw i t ht h e c h a n g eo fl o a d ! n gs i t u a t i o nd y n a m i c a l l y , w h i c hs u p p r e s s e sc e l lj i t t e rp r e t t yw e l la n d a l s oi m p r o v e st h eb a n d w i d t he f f i c i e n c y q u e u i n gt h e o r ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o na r e d n oi m p o r t a n tt o o l st oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e d o nt h e mt h ea u t h o ra n a l y z e ds o m e t y p i c a lp r o t o c o l ss u c c e s s f u l l y ，a n da l s oa p p r o v e dt h e s e g m e n t e d u 1 1 i f o r ms p a c i n gm a c p r o t o c o lb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n sa sw e 1 s u p e r p o ni s an a t u r a l u p g r a d eo fa p o n ，w h i c h c a ns u p p o r tm o r eu s e r s c o v e r s 、r i d e rr a n g ea n dp r o v i d e sh i g h e rb i tr a t ed u et oi t sh i g h - s p l i t t i n ga n dh i g h d e l a y m a c p r o t o c o l sf o ra p o n a r en o ta v a i l a b l ef o rs u p e r p o n t h e p r o t o c o lt h ea u t h o rd e s i g i l e d f o r s u p e r p o n ，p r o v i d e s h a l f - s t a t i ca n dd e m a n d d y n a m i ca c c e s sc o n t r o lm e t h o d a c c o r d i n g t od i f f e r e n t d e l a yr e q u i r e m e n t s r e s e r v a l i o nb a s e d d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o ns c h e m es t i l la d o p t st h ec o n c e p to fu n i f o r l ns p a c i n g ，a n dt h ea c c e s so f r e q u e s t 浙江大學(xué)博七學(xué)位論文 s l o ta d a p t st ol o a d i n gs i t u a t i o n ，w h i c hi m p r o v e st h en o n r e a ll i m es e r v i c e s c o m p u t e r s i m u l a t i o n s j u s t i f yt h ep r o t o c o lw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s l a s t b ，t h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n so fp o na r ed i s c u s s e d ，a sw e l la st w op o s s i b l es c h e m e st o i n c o r p o r a t ew d mt e c h n o l o g i e si n t op o n 1 2 3 t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o nc a nb eb r i e f l ys u m m a r i z e da sf o l l o w s ： d i f f e r e n tt y p eo fm a c p r o t o c o l sa n dt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ed e t e r m i n e db ym a cp r o t o c o l s w e r es t u d i e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o m p u t e r s i m u l a t i o ni nas y s t e m a t i c a lw a y ； an o v e lm a cp r o t o c o l - - s e g m e n t e du n i f o r ms p a c i n gm a c p r o t o c o l ，w h i c hc o m p l i e sw i t h i t u - tr e c o m m e n d a t i o n ，w a sf i r s t l y d e s i g n e df o ra p o ns y s t e mb a s e do nt h ea n a l y s i so f d i f f e r e n t t y p e o fb a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h m s i t su n i f o r m s p a c i n g a n d s e g m e n t e d b a n d w i d t ha l l o c a t i o nc o n t r o it h ee e l l i i r e rw i t hs a t i s f a c t o r ya n di m p r o v et h es y s t e mb a n d w i d t h e f f i c i e n c ya ts a m et i m e i t sp e r f o r m a n c ew a se v a l u a t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w t h a t a tt h ei o t a l l o a do f0 8 ，t h ed e l a ya n di i n e ro fc b rs t r e a mw e r ec o n t r o l l e dw i t h i n1 m sa n d o3 6 m s r e s p e c t i v e l y ( a tt h eq u a n t i l eo f l0 ) ； t h ep r i o r i t i z e da n da d a p t i v em a c p r o t o c o l f o rs u p e r p o nw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt o i t s m u l t i u s e ra n dl a r g ed e l a yn a t u r e h a l f - s t a t i cb a n d w i d t hd i s t r i b u t i o nw a su s e df o rr e a lt i m e s e r v i c e ，w i t h o u tt h eh e l po f r e s e r v a t i o n t h ea c c e s so f r e q u e s tm i n i s l o to f n o n r e a it i m es e r v i c e w a sa d a p t i v et ot h es y s t e ml o a d i n gc o n d i t i o n s ，s w i t c h i n gb e t w e e nt h ef i x e da l l o c a t i o na n d r a n d o ma c c e s sd y n a m i c a l l y , w h i c hs m i s f l e st h ed e m a n do fb o t ht h es y s t e mt h r o u g h p u ta n dt h e t i m ed e l a yp e r f o r m a n c e c o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w st h a ta tt h el o a do f0 6 ，t h ea c c e s sd e l a y a n dd e l a y j i n e ro fr e a lt i m ec e i la l m o s tc a nb ei g n o r e d ( ( 0 1 m s ) ，a n dt h o s eo f n o n r e a lt i m e s e r v i c ew e r ec o n t r o l l e dw i t h i n2 8 m sa n d l 4 m s r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：a c c e s sn e t w o r k ，o p t i c a la c c e s s ，p a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ( p o n ) ，a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a t m ) ，m e d i aa c c e s sc o n t r o ( m a c ) p r o t o c o l ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，s u p e r p o n ，i n t e r n e tp r o t o c o l ( i p ) ， c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，q u e u i n gt h e o r y ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) v 第一章緒論 h 商要 首先綜合分析了當(dāng)前寬帶接入技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，然后討論了無源光 網(wǎng)絡(luò)的基本原理、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，各類m a c 協(xié)議的基本原理及其在a p o n 系統(tǒng)的 潛在應(yīng)用，還討論了i p 和a t m 之爭，并研究了i po v e ra p o n 的實現(xiàn)方式，最后給 出了本文的主要工作、創(chuàng)新內(nèi)容以及章節(jié)安排。 1 1 接入網(wǎng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 目前，電信技術(shù)和以i n t e r n e t 為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展日新月異，新技術(shù)新 產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。電信業(yè)務(wù)開始由傳統(tǒng)的電話、電報業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)、圖像、視頻、 多媒體等非話音業(yè)務(wù)。原來單單提供電話業(yè)務(wù)的用戶線己不能滿足要求，交換機 到用戶終端之間的“最后一公里”已成為制約電信發(fā)展的瓶頸問題。因此，如何 解決各種業(yè)務(wù)的快速接入的問題成為當(dāng)今最熱門的研究課題n “。當(dāng)今，光技術(shù)領(lǐng) 域的發(fā)展突飛猛，光纖由于其本身傳輸頻帶寬，距離遠，容量大，使其得到廣泛 應(yīng)用。目前各國光傳輸干線都已實現(xiàn)光化和數(shù)字化，而接入網(wǎng)的寬帶化進展要滯 后得多。究其原因，因為電信網(wǎng)絡(luò)的骨干部分的利用率高，帶寬提高的成本可以 由眾多用戶分攤，而對于接入網(wǎng)來說，共享程度低得多，導(dǎo)致用戶相對成本也較 高，因此，如何以經(jīng)濟的手段解決各種業(yè)務(wù)的快速接入的問題成為當(dāng)今熱門的研 究課題。國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化組織( i t u t ) 在1 9 9 4 、1 9 9 5 年連續(xù)發(fā)表了 g 9 6 4 ( v 5 1 ) 0 1 、g 9 6 5 ( v 5 2 ) “3 兩個接入網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)，使得接入網(wǎng)與交換機 之間有了接口標(biāo)準(zhǔn)，從而保證了各廠家的設(shè)備接口統(tǒng)一，以實現(xiàn)互連互通，消除 壟斷，促進了接入網(wǎng)的健康發(fā)展。 i t u 提出接入網(wǎng)的概念并在g 9 0 2 中對接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、功能、接入類型、管理 進行了規(guī)范”1 。按照i t u tg 9 0 2 定義，接入網(wǎng)由業(yè)務(wù)節(jié)點接口( s n i ) 和用戶網(wǎng) 絡(luò)接口( u n i ) 之間一系列傳送實體提供所需傳送能力的實施系統(tǒng)，可經(jīng)由管理接 口( q 3 ) 配置和管理，接入網(wǎng)的邊界如圖1 1 1 所示。它是本地局與用戶設(shè)備間的 信息傳送實施系統(tǒng)，可以部分或全部替代傳統(tǒng)的用戶本地線路，含復(fù)用、交叉連 續(xù)和傳輸?shù)裙δ?。原則上，接入網(wǎng)可實現(xiàn)的s n i 和洲i 的類型，數(shù)目沒有限制。 大致來說，當(dāng)前寬帶接入解決方案有如下幾種：改造傳統(tǒng)的電話用戶線，數(shù)字 t m n ：電信管理網(wǎng) a n ：接入網(wǎng) s n ：服務(wù)節(jié)點 u n i ：用戶網(wǎng)絡(luò)接口 s n i ：業(yè)務(wù)節(jié)點接口 s n i 圖1 1 1 接入網(wǎng)的邊界 化并提高帶寬，稱之為數(shù)字用戶線( x d s l ) 技術(shù)：改造有線電視網(wǎng)，部分光纖化 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 使之具備雙向傳輸能力，稱之為光纖同軸電纜混合網(wǎng)( h f c ) ：直接敷設(shè)光纖，為 用戶提供高帶寬的光接入，這是光接入網(wǎng)( o a n ) 技術(shù)：還有一類是無線接入，可 作為有線接入的補充。 1 1 1 基于銅纜的x d s l 接入技術(shù) x d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e tl i l l e s ，數(shù)字用戶線) 是一種旨在通過現(xiàn)有的普通電 話線路傳輸速率高達幾兆比特的數(shù)據(jù)、話音及視頻信號的技術(shù)。所有的d s l 技術(shù) 均基于現(xiàn)有的普通銅芯電話線路，采用信號調(diào)制提高傳輸速率。不同的d s l ( a d s l 、 h d s l 和v d s l ) 適用場合也不周。其關(guān)鍵是傳輸距離、速率及上下行數(shù)據(jù)帶寬的分 配。 韭致整數(shù)主旦寶縫! 業(yè)h 。a d s l 是目前最廣為報道的d s l 技術(shù)。所謂非對 稱是指下行帶寬大于上行帶寬。a d s l 支持1 5 8 m b s 的下行帶寬，1 6 6 4 0 k b s 的上行帶寬，最大傳輸距離4 6 k m 。a d s l 采用離散多音頻調(diào)制技術(shù)，把全頻道分 為2 5 6 個子信道，根據(jù)子信道瞬時衰減特性、群時延特性和噪聲特性，把輸入數(shù) 據(jù)動態(tài)分配給它們，同時，將不能傳送數(shù)據(jù)的子信道關(guān)閉。對可以載送數(shù)據(jù)的子信 道，則按其瞬時特性，在i 個碼元包絡(luò)載送l l i b i t 信息，并使用數(shù)字信號處理 器在必要時間調(diào)整參數(shù)。這種動態(tài)分配數(shù)據(jù)的技術(shù)使頻帶利用率大提高，將誤碼 和噪聲減至最小，提高了系統(tǒng)傳輸容量。a d s l 被廣泛用于i n t e r n e t 接入，遠端 l a n 接入和視頻點播( v o d ) 等業(yè)務(wù)。 直出掛奎數(shù)主旦莊綾l 業(yè)盟。h d s l 是d s l 中最為成熟的技術(shù)。h d s l 采用2 至3 對雙絞線，具有相同的上下行帶寬。當(dāng)采用2 對雙絞線時h d s l 具有t l 速率 ( i 5 4 4 m b s ) ，當(dāng)采用3 對雙絞線時具有e l 速率( 2 0 4 8 m b s ) 。電信公司通常采用 h d s l 作為t 1 e l 的替代連接方式。盡管h d s l 的有效傳輸距離只有4 5 公里，但電 信公司可以通過安裝信號轉(zhuǎn)發(fā)器來擴展它的傳輸距離。h d s l 有若干編碼，如基帶 編碼方式、正交幅度調(diào)制、無載波調(diào)幅調(diào)相等“。 此外還有非對稱的甚高數(shù)據(jù)速率數(shù)字用戶線( v d s l ) 、單線路數(shù)字用戶線( s d s l ) 等x d s l 技術(shù)。x d s l 都是通過一對m o d e m 來實現(xiàn)，一個m o d e m 放在電信局，另一個 放在用戶端。以上d s l 技術(shù)都不占用雙絞銅線的全部帶寬，還為話音通道留有空 間。 1 1 2 無線接入網(wǎng) 無線接入技術(shù)大體分為移動式接入和固定式接入兩大類”“”。 整動式接厶：移動式接入指用尸端可在較大范圍內(nèi)移動的接入技術(shù)，包括集群 和蜂窩兩種。集群接入是專用調(diào)度指揮無線電通信系統(tǒng)，現(xiàn)己發(fā)展為多信道自動 撥號系統(tǒng)，可與市話相連。集群系統(tǒng)各基站之間可用微波電路，光纜或電纜連接， 已形成統(tǒng)一調(diào)度指揮能力。蜂窩接入主要包括采用f d m a 的模擬蜂窩技術(shù)，采用 t d m a 、c d m a 的數(shù)字蜂窩技術(shù)，和微蜂窩技術(shù)等三類。 固定式撞厶( e 叢2 ：f w a 能把有線方式傳輸?shù)男畔⒂脽o線方式傳輸?shù)焦潭ㄓ脩?端或相反傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，即無線本地環(huán)路( w l l ) 技術(shù)。與有線本地環(huán)路相比， 第一章緒論 它具有建設(shè)速度快，方便靈活，造價低廉等優(yōu)點，因而成為當(dāng)前無線接入的發(fā)展 重點。由于f w a 用戶是固定的，它的用戶端的功率控制問題比移動接入簡單得多。 此外，f m 不存在越區(qū)切換問題，所以較之有接入困難少，優(yōu)點多，具有廣闊前景 2 4 1 1 1 3 光纖同軸混合網(wǎng)( f i f c ) h f c 改造原有的c a t v 同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，使之部分光纖化并具備雙向傳輸能力， 在中心點到光電轉(zhuǎn)換節(jié)點之間采用有源光纖接入，而光電轉(zhuǎn)換節(jié)點到用戶用同軸 電纜接入。這樣使光纖接近用戶，減少同軸電纜的級連放大器，提高系統(tǒng)可靠性。 h f c 同時利用同軸電纜的寬帶( 1 g h z ) ，用為寬帶業(yè)務(wù)的接入平臺。h f c 采用正交 幅度調(diào)制、殘留邊帶調(diào)制以及乎交相移鍵控等技術(shù)，可以在較窄的頻帶傳送較多 的數(shù)字視頻節(jié)目。上行通道占據(jù)的頻段較窄( 5 4 0 m h z ) ，這已能滿足用戶業(yè)務(wù) 量的要求。上行通道主要用卜傳輸?shù)退儆脩艨刂菩畔?、交互式低速?shù)據(jù)業(yè)務(wù)和電 話業(yè)務(wù)。下行通道所占的頻段較寬( 4 5 7 5 0 m h z ) ，它又分成兩段，4 5 4 4 0 m h z 段 用于傳輸模擬c a t v 業(yè)務(wù)。每路電視占8 l h z 帶寬。5 5 0 7 5 0 k f f l z 用于傳輸高速 數(shù)據(jù)，如v o d 等業(yè)務(wù)，最高速率可達l o m b s 。h f c 可提供c a t v 、v 0 1 ) 、交互式數(shù) 據(jù)業(yè)務(wù)和電話業(yè)務(wù)。h f c 建立模擬頻分復(fù)用基礎(chǔ)上，從技術(shù)發(fā)展趨勢看，會對未來 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展產(chǎn)生不利影響，h f c 是在c a t v 上構(gòu)思發(fā)展起來的，要想使傳輸電信業(yè)務(wù) 由原來的單向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向雙向網(wǎng)絡(luò)，同時使網(wǎng)絡(luò)在接口的可靠性、抗腐蝕性等方面 真正達到電信網(wǎng)的要求，具有一定的難度”。 1 1 4 光接入網(wǎng) x d s l 和h f c 技術(shù)分別對傳統(tǒng)的電信網(wǎng)和有線電視網(wǎng)的用戶接入部分進行改造， 從近期看，具有一定的性價比優(yōu)勢，但從長遠來看，它們只是過渡性的解決方案。 雖然無線接入也有一定的優(yōu)勢，但限于帶寬，只能作為有線接入的有益補充。由于 光纖的帶寬優(yōu)勢，光接入方式必然成為寬帶接入網(wǎng)的最終解決方案。 由于光纖的高帶寬特性，光纖接入技術(shù)的研究一直得到重視。以光纖傳輸?shù)降?地理位置劃分，就有光纖到戶( f t t h ) ，光纖到路邊( f t t c ) ，光纖到大樓( f t t b ) 等。f t t h 是一種全光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用戶與節(jié)點間實現(xiàn)完全光纜傳輸，它是接入網(wǎng)的 最終解決方案。f t t h 的帶寬，傳輸質(zhì)量和運行維護，都十分理想。由于整個用戶 接入網(wǎng)完全透明，因而對傳輸制式、比特率、波長和傳輸技術(shù)沒嚴(yán)格限制，適合 于各種交互寬帶業(yè)務(wù)。f t t c 用光纖代替主干銅纜和局部本線銅纜，將光網(wǎng)絡(luò)單元 ( o n u ) 設(shè)置在路邊，然后通過雙絞銅線或電纜接入用戶。f t t c 適合于居住密度較 高的住宅區(qū)。f t t b 用光纖將o n u 接到大樓內(nèi)，再用電纜延伸到各用戶。f t t b 適用 于為些智能化辦公大樓提供高速數(shù)據(jù)，電子商務(wù)和視頻會議等業(yè)務(wù)。將f t t b 與 目前已在許多辦公大樓使用以5 類線為基礎(chǔ)的大樓綜合布線系統(tǒng)結(jié)合起來，能夠 較好地提供多媒體交互式寬帶業(yè)務(wù)。f t t c f t t b 成本比f t t h 低，容易過渡到f t t h ， 可提供較寬的對稱帶寬，省掉了大部分銅纜n 。 從系統(tǒng)配置上，光接入網(wǎng)可分為無源光網(wǎng)絡(luò)( p o n ) 和有源光網(wǎng)絡(luò)( a o n ) ( 參 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 考配置參見圖1 1 2 ) 。無源光網(wǎng)絡(luò)由于在o l t 和o n u 之間沒有任何有源電子設(shè)備， 對各種業(yè)務(wù)呈透明狀態(tài)，易于升級擴容，便于維護管理。i t u - t 根據(jù)技術(shù)推動和市 場導(dǎo)向的方針，分別制定g 9 8 2 “支持 s d n 基群速率或等效速率的光接入網(wǎng)”和 g 9 8 3 1 “基于無源光網(wǎng)絡(luò)的寬帶光接入系統(tǒng)”等兩個建議。該系統(tǒng)由于其低的接 入成本，受到很多電信主管部門和運營部門的重視。本論文就是研究寬帶無源光 網(wǎng)絡(luò)中的介質(zhì)訪問控制協(xié)議“。實際上，窄帶的無源光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品已經(jīng)成熟，國 內(nèi)公司已有基于$ d h 的p o n 產(chǎn)品推出“。 有源光網(wǎng)絡(luò)中，用有源設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)( 如s d h 環(huán)網(wǎng)) 的o d t 代替無源光網(wǎng)絡(luò) 中的o d n ，傳輸距離和容量得以增加，易于擴展帶寬，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運行的靈活性較 大。但是不足之處是有源設(shè)備需要機房、供電、維護等，增加了安裝成本和運營 成本。 用 圖1 1 2 光接入網(wǎng)的參考配置 o d n ：光分配網(wǎng)絡(luò)o l t ：光線路終端o n o ：光網(wǎng)絡(luò)單元o d t ：光遠程終端a f ： 適配功能u n i ：用戶網(wǎng)絡(luò)接口s n i ：業(yè)務(wù)節(jié)點接口s n ：業(yè)務(wù)節(jié)點s ：光 發(fā)送參考點r ：光接收參考點v ：與業(yè)務(wù)節(jié)點問的參考點t ：與用 戶終端間的參考點a ：a f 與o n i j 間的參考點 1 2 基于a t m 的無源光網(wǎng)絡(luò)( a p o n ) a t m 是實現(xiàn)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)( b - i s d n ) 的核心技術(shù)，它是以分組傳遞模式 為基礎(chǔ)，并融合了電路傳遞模式高速化的優(yōu)點發(fā)展而成的。a t m 克服了電路模式中 不能適應(yīng)任意速率的業(yè)務(wù)，難以導(dǎo)入未知新業(yè)務(wù)的缺點。它簡化了分組通信中的 協(xié)議，在交換節(jié)點上不在對信息進行差錯控制，從而大大提高了通信的處理能力。 a t m 可以看成是一種特殊分組傳遞模式，它建立在異步時分復(fù)用基礎(chǔ)上，并且使用 固定長度的信元。a t m 交換是以信元為單位的存儲交換方式，它依靠信元標(biāo)記( 信 頭) 來識別通道，故又稱為標(biāo)記復(fù)用或統(tǒng)計復(fù)用。a t m 信元有固定長度，定時出現(xiàn)， 有利于用硬件高速地對信頭進行識別和交換。a t m 是一種較為理想的傳遞模式。 近年來，a t m 在國內(nèi)外電信網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)中得到了大量的應(yīng)用臨j 。 無源光網(wǎng)絡(luò)是不含有源電子設(shè)備和光電器件的光網(wǎng)絡(luò)，它由光纖、光纖連接器、 光分支器件、無源光衰減器、光接頭等無源光器件構(gòu)成。p o n 按其拓撲結(jié)構(gòu)可分為 4 第一章緒論 總線形、環(huán)形、星形和樹形，本文論述的p o n 是樹形無源光網(wǎng)絡(luò)。無源光網(wǎng)絡(luò)比 起有源光網(wǎng)絡(luò)有許多優(yōu)越性：無須供電：抗電磁干擾；由于無源器件的穩(wěn)定性好， p o n 具有很高的可靠性，幾乎無須維護，因而降低了運營成本；由于p o n 的介質(zhì)共 享特性，各用戶可分擔(dān)開銷，因而可降低一次性的安裝成本。鑒于上述優(yōu)點，無 源光接入成為研究熱點，各大公司競相開發(fā)無源光接入產(chǎn)品，國內(nèi)外都有產(chǎn)品推 出“”。 由于無源光網(wǎng)絡(luò)( p o n ) 能以合適的價格為用戶提供充分的帶寬，p o n 正成為接 入網(wǎng)的發(fā)展方向。而電信網(wǎng)的核心部分正a t m 化，為了使用戶接入網(wǎng)部分的p o n 與核心網(wǎng)的a t m 化趨勢相兼容，合乎邏輯的做法是使p o n 攜帶的信息a t m 化，這 種基于a t m 的p o n 稱為a t m p o n 或a p o n “。 一個a t m 化的接入網(wǎng)，可以通過利用a t m 的集中和統(tǒng)計復(fù)用，再結(jié)合無源分支 器件對光纖和光線路終端的共享作用，為用戶提供個經(jīng)濟高效的多媒體接入平 臺，a p o n 可能是一種結(jié)合a t m 多業(yè)務(wù)多比特率支持能力和無源光網(wǎng)絡(luò)透明寬帶傳 送能力的比較理想的長遠解決方案，它代表了面向2 l 世紀(jì)的寬帶接入技術(shù)的的最 新發(fā)展方向，也是目前最具競爭力的一個光纖到戶的解決方案。正因為如此，i t u 對其顯示了很大的興趣，以很短的時間就完成了相關(guān)建議，設(shè)備廠家則在加緊研 發(fā)，預(yù)期短期內(nèi)推出符合標(biāo)準(zhǔn)的a p o n 系統(tǒng)。 近年來i p 技術(shù)異軍突起，面對a t m 、i p 和光通信等新技術(shù)的日新月異，人們 難免會感到手足無措。究竟應(yīng)該如何選擇和利用網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)呢? 寬帶無源光網(wǎng)絡(luò) 為何選用a t m 技術(shù)? i p 和a t m 各自的特點如何，它們分別該處于一個什么位置? 首先探討對這些問題。 1 2 1a t m 和i p 的技術(shù)特點 a t m 技術(shù)是在八十年代末由電信界提出，a t m 最初的思想就希望造就未來通信 的統(tǒng)一平臺，但無論技術(shù)還是用戶的需求都在不斷地發(fā)生著變化，制定a t m 規(guī)范 的a t m 論壇一直在通過各種手段向a t m 中容納進新的內(nèi)容以保證a t m 最初的目標(biāo)， 但這樣造成a t 技術(shù)異常復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化過程變慢。 i p 網(wǎng)絡(luò)不同于電信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計思想。電信網(wǎng)絡(luò)力圖由網(wǎng)絡(luò)來提供所有業(yè)務(wù)， 用戶終端盡可能是廉價、易用的設(shè)備；而i p 協(xié)議信奉的是“端到端”思想，并認 為網(wǎng)絡(luò)所需提供的只是端到端的連接，所有增值功能都在網(wǎng)絡(luò)之外由終端完成。 a t m 與i p 各自的技術(shù)特點反映出了電信界和計算機界各自的特點。人們對a t m 技術(shù)一直期望很高，近幾年來，隨著i n t e r n e t 的廣泛延伸和應(yīng)用的不斷增多，還 由于i n t e r n e t 終端計算機功能的進步增強，i p 在逐步統(tǒng)2 局域網(wǎng)和桌面系 統(tǒng)之后又開始向a t m 的地位發(fā)起挑戰(zhàn)。i p 協(xié)議所具有的最大優(yōu)勢在于，它可以運 行在任何介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)上，可以保證異種網(wǎng)絡(luò)的互通，即“i po v e re v e r y t h i n g ”。 并且，i p 技術(shù)順應(yīng)了計算機不斷普及，功能越來越強這一趨勢，隨著p c 應(yīng)用的擴 展而逐步擴大。最近幾年，p o s ( p a c k e to v e rs d h ) 技術(shù)發(fā)展很快，更使得i p 技術(shù) 如虎添翼。采用i po v e rs d h 和d w d m ( 密集波分復(fù)用) 技術(shù)可以大大提高i p 鏈路的 帶寬，具有極高的性價比，為i p 進入更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域鋪平了道路“”。 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 1 2 2 i p 與a t m 技術(shù)的融合 傳統(tǒng)的i p 網(wǎng)絡(luò)采用的是純路由器方式，通過路由器進行i p 包的拆裝和轉(zhuǎn)發(fā)。 這種方式造成中間轉(zhuǎn)接次數(shù)多，時延大并且速率不夠高。另外，a t m 交換機的開發(fā) 和使用已有一段過程，已有不少專門用于a t m 接口和交換的硬件。i p 需要利用a t m 技術(shù)來提高傳輸速度，a t m 也要具有承載i p 的能力以拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。a t m 論壇 和制定i p 標(biāo)準(zhǔn)的i e t f 組織較早就開始了這方面的工作。 i p 與a t m 的融合有兩種方式：一種是疊加方式，種是集成方式“。疊加方式 主要是指i e t f 定義的c l a s s i c a l i po v e ra t m ( c i p ) 和a t m 論壇在定義的 m u l t i p r o t o c o lo v e ra t m ( m p o a ) 標(biāo)準(zhǔn)，由于它們固有的缺陷，難以得到廣泛應(yīng)用。 集成方式包括i p 交換和多協(xié)議標(biāo)記交換( m p l s ) 。i p 交換是i p s i i o n 公司提出的 專門用于在a t m 網(wǎng)上傳送i p 數(shù)據(jù)包的技術(shù)。i p 交換通過直接交換或存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方 式實現(xiàn)高速i p 分組傳輸。i p 交換機保留了a t m 交換機硬件，但不需要a t m 復(fù)雜的 信令。后來c i s c o 公司又提出了同樣是將i p 與a t m 以集成方式結(jié)合的標(biāo)記交換。 主要區(qū)別在于i p 交換基于i p 流量建立直通路由，而標(biāo)記交換基于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 建立直通路徑。在m p l s 模型中，每一個路由器也是一個交換機，即交換式路由器。 考慮到將i p 技術(shù)和a t m 交換機集成結(jié)合的優(yōu)越性能，i e t f 開始定義一個統(tǒng)一的 m p l s 標(biāo)準(zhǔn)。 1 2 3 i p 和a t m 各自的位置 如今，人們已基本上對i p 技術(shù)的前景達成共識，即認為i p 協(xié)議將一統(tǒng)應(yīng)用平 。 臺。至于底層傳送技術(shù)是采用a t m 還是i p ，還在討論。當(dāng)使用p o s ，路由器由基于 s d h 的快速點到點鏈路連接，然而使用i po v e ra t m ，路由器由傳送復(fù)用多個虛 電路連接的鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)連接，并可以為所復(fù)用的每個連接保證靈活的帶寬和 服務(wù)質(zhì)量。歸根到底，兩種技術(shù)最為顯著的區(qū)別在于速度和靈活性。在什么場合 哪種因素更重要，哪種技術(shù)就更好。 在網(wǎng)絡(luò)速度最重要的情況下，p o s 技術(shù)更有吸引力。在帶寬管理的網(wǎng)絡(luò)靈活性 重要的情況下，i po v e ra t m 是更好的解決方案。對于提供多種業(yè)務(wù)的大運營商來 說，尤其是傳統(tǒng)的電信運營商，他們大多已在骨干網(wǎng)絡(luò)上采用了s d h 技術(shù)，他們 更愿意采用a t mo v e rs d h 并采用i po v e ra t m 來提供i p 業(yè)務(wù)，因為他們需要靈 活的帶寬管理，并保證用戶的服務(wù)質(zhì)量。不過a t m 技術(shù)比較復(fù)雜，將會需要更高 的設(shè)備費用和運行維護費用。技術(shù)發(fā)展會使i po v e ra t m 更有前景。m p l s 協(xié)議采 用集成模式緊密地將將i p 和a t m 的優(yōu)勢相結(jié)合，拋棄了重疊模式和由此所帶來的 復(fù)雜性和帶寬的低效率。 對于用戶來說，有時會需要a t m ，而有時卻是i p 。每一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都具有自己 的成本、性能和業(yè)務(wù)特點。對于電信運營商來說，未來成功的多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò)將 。 會是集成多種存在多年的網(wǎng)絡(luò)：a t m 位于核心，作為底層傳輸技術(shù)，幀中繼和i p 作為較低速的接入，i p 來集成網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用功能o “。由此可見，作為電信級的網(wǎng)絡(luò)， p o n 上采用a t m 傳輸技術(shù)是合適的，并不會妨礙對i p 的支持。 6 第一章緒論 1 2 4a p o n 網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu) 圖1 2 1 給出了a p o n 的通用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以適用于f t t h 、f t t b 、f t t c 等各種 應(yīng)用情況，一個o l t 通過無源星形耦合器可以支持多達數(shù)十個o n u ，o n u 和n t ( 網(wǎng) 絡(luò)終端) 可以為用戶提供寬帶接口t 。或窄帶接口t 、。系統(tǒng)下行( 從o l t 到o n u ) 采 用廣播方式，o n u 根據(jù)時隙或特定的碼字來提取給自己的信號，而上行則采用時分 復(fù)用多路接入( t d m a ) 方式，時隙分配可以是固定的或是動態(tài)分配的，由介質(zhì)訪 問控制( m a c ) 協(xié)議確定，這正是本文的主要研究內(nèi)容。 1 2 5 業(yè)務(wù) 圖1 2 1a t m p o n 的整體結(jié)構(gòu) a p o n 系統(tǒng)具有業(yè)務(wù)的透明性，可以為居民用戶和商業(yè)用戶提供所有已知的業(yè) 務(wù)，并且能針對不斷出現(xiàn)的新業(yè)務(wù)，能夠很方便地進行拓展。系統(tǒng)能夠滿足其業(yè) 務(wù)所覆蓋的很寬范圍的網(wǎng)絡(luò)要求( 如比特率、對稱非對稱、時延要求等) 。這是 未來多媒體時代接入網(wǎng)的一個重要特點。 系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)包括：語音、n - i s d n 和提供專用線服務(wù)等各類現(xiàn)存的窄帶業(yè) 務(wù)、非對稱的寬帶業(yè)務(wù)( 如v o d 、 i n t e r n e t 、數(shù)字電視廣播、遠程教育、遠程醫(yī) 療等) 、對稱的寬帶業(yè)務(wù)( 如為小型商業(yè)用戶提供的永久的v p v c 連接業(yè)務(wù)、l a n 互連、遠程會議談判等)