CN100414904C

CN100414904C - 一种以太无源光网络上行接入方法

Info

Publication number: CN100414904C
Application number: CNB2004100815117A
Authority: CN
Inventors: 邱昆; 王利村
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: CN1791039A

Abstract

本发明提供了一种以太无源光网络上行接入方法，它是采用光线路终端和光网络单元共同参与上行接入的方式，利用一种新型的下行授权帧结构将各个光网络单元的授权集中于一个授权帧中发送，实现各光网络单元的无冲突接入。与现有的基于光线路终端的间插轮训算法相比，具有较高的下行带宽利用率和较小的以太帧的接入延迟。本发明在用于区分不同网络业务时，可以保证高优先级业务(如实时语音业务)的服务质量。

Description

一种以太无源光网络上行接入方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，它特别涉及以太无源光网络(简称EPON)技术。

背景技术

近几年，骨干网发生了翻天覆地的变化，而连接骨干网和用户端的接入网却发展滞后，传统的以同轴电缆、双绞线为媒介的接入网如DSL(digital subscriber line)、ISDN(Integrated Services Digital Network)已不能满足用户对带宽的要求。APON(ATMPassive Optical Network)虽然具有支持多业务、多速率的优点，但是有本身特有的缺点。EPON的发展满足了接入网发展的要求，有更高的带宽，更适于传输IP业务，减小了开销，大大降低了成本，成为解决最后一公里的最好方案(见文献：Kramer G，PesaventoG.Ethernet passive optical network(EPON)：building a next-generation optical accessnetwork[J].Communications Magazine，IEEE，2002，40(2)：66-73)。

EPON一般采用典型的树型拓扑结构，下行为点到多点(PTMP)的结构，上行为点到点(P2P)的结构。由于光网络单元到光线路终端的距离不同，上行数据可能产生冲突。因此需要有一种调度方法来避免冲突。传统的基于以太网的CSMA/CD协议，国内也有文章给以研究(见文献：沈晓群季晓飞范戈.CSMA/CD用作EPON上行接入控制方案的研究.光纤与电缆及其应用技术.2003.000(3).-29-32)，但是这种接入方案要求各站点必须限制在500米之内，并且当负载增加时，吞吐率明显降低，CSMA/CD协议不适合EPON的拓扑结构。

目前EPON研究中比较经典的避免上行信道冲突的方法是间插轮询方法IPACT(见文献：Kramer G.，Mukherjee B，Pesavento G.IPACT a dynamic protocol for an ethernet PON[J]，Communications Magazine，IEEE，2002，40(2)：74-80.)。IPACT方法是一种基于TDMA的上行信道动态带宽分配方案。本方法主要是基于光线路终端的方法，由光线路终端集中统一分配授权。光线路终端轮询表中存储了已经注册光网络单元的信息，比如各光网络单元的带宽请求，往返时间等。光线路终端根据此信息来轮询调度光网络单元，决定各光网络单元的发送顺序和发送时间。光网络单元在相应的时隙发送请求，请求为当前待发送的字节数。这种方法避免了复杂的上行同步问题，但是有以下缺点：1)可变的轮询周期，不适合传输对时延和时延抖动敏感的语音业务；2)由于对系统中光网络单元都采取逐个授权的方法，这种方法浪费了下行带宽的利用率；3)为了避免下行授权帧的冲突，采取了加大保护时间的方法，从而增加了时延和降低了上行带宽利用率。

发明内容

为了克服上述技术方案的不足，解决上下行信道的利用率问题，本发明提供了一种以太无源光网络上行接入方法，采用本发明的方法用于区分不同网络业务，可以保证高优先级业务(如实时语音业务)的服务质量。

为了方便的描述本发明的内容，首先对一些专业术语进行定义：

队列：用于光网络单元处缓存用户发送的数据；

保护时隙：由于测距精度有限，为了避免上行数据的冲突，在各数据包之间需加一个时隙；

Wd：最大授权窗口值；

Ri：第i个光网络单元请求带宽；

OLT：光线路终端；

ONU：光网络单元。

本发明提供的一种无源光网络的上行接入方法，它包括下面的步骤：

步骤1：首先对光线路终端和光网络单元系统进行初始化，光线路终端已经知道各光网络单元队列大小及光网络单元到光线路终端的往返距离。光线路终端处建立并保存一个授权表，授权表的内容为各光网络单元的往返距离以及队列大小。

步骤2：以距离光线路终端最远的光网络单元为标准，光线路终端计算最远光网络单元距离和各光网络单元往返距离之差，得到各光网络单元的均衡时延。

步骤3：光线路终端将步骤2得到的均衡时延告诉各光网络单元，各光网络单元根据其均衡时延调整发送时间，使各光网络单元到光线路终端的逻辑距离相等。

步骤4：光线路终端产生下行授权帧(其帧结构及其组成如附图1，附图2)，并且读取授权表。光线路终端将授权按光网络单元标识(ID)依次填充授权域中，为了分配的公平性，采取先进先出的原则：先到的将授权写入授权(Grant)域，并且Seq域的值置0，后到的写入授权值，并依次写入Seq域。根据各光网络单元到达光线路终端的顺序，依次递增其对应的顺序域。为了防止某个光网络单元用尽整个上行带宽，光线路终端为所有光网络单元设定一个授权最大窗口，请求带宽在不大于此窗口的前提下满足各光网络单元的请求。选择窗口如果太大，授权周期加大，增加了数据延时。如果窗口太小，这显然将降低上行带宽利用率，因此最大授权窗口值应该综合考虑各种因素。

步骤5：光线路终端媒质接入控制层将步骤4得到的授权帧交给物理层广播发送到各光网络单元。

步骤6：各光网络单元收到步骤5的授权帧时，将按照自己光网络单元标识(ID)读取授权，并且计算发送时刻，一旦自己的发送时隙到达，光网络单元在自己时隙之内将数据发送出去，并且将新到达队列的数据以请求的方式报告给光线路终端。则各光网络单元收到授权后的上行发送时间为：以每一授权周期的第一个光网络单元发送授权的时间计算，则第n周期光网络单元i发送数据的时刻为

T_{n}^{i} = L^{i} + {Req}_{n}^{i} + Σ_{j = 0}^{seq [i] - 1} (W_{n}^{j} + C) / R + Seq [i] * G,

i＝1，2，...，N；

T_{n}^{i} = L^{i} + {Req}_{n}^{i},

i＝0.(其中，Lⁱ为光网络单元i到光线路终端的时延，Req_n ⁱ为均衡时延，W_n ^j为光线路终端给光网络单元j的带宽授权大小，C，R，G固定分别是光网络单元的请求帧大小，上下行链路速率和保护时隙，i是各光网络单元的序号，i＝0，1，2，...，N)。当某光网络单元的剩余发送时隙不能满足一个以太帧时，不能发送此帧，将在一下授权周期发送。如果光网络单元的队列为空，光网络单元将请求0byte带宽。

步骤7：光线路终端收到各光网络单元的请求，立即更新它的授权表中的信息，授权表中的信息包括往返距离和授权表中各光网络单元的上行请求带宽的大小；这样光线路终端就得到各光网络单元新一轮授权带宽大小及其往返距离。

通过上述步骤，就可以实现各光网络单元的无冲突接入。

本发明采用光线路终端和光网络单元共同参与上行接入的方式，利用一种新型的下行授权帧结构将各个光网络单元的授权集中于一个授权帧中发送，实现各光网络单元的无冲突接入。

本发明与现有的基于光线路终端的间插轮训算法相比，具有较高的下行带宽利用率和较小的以太帧的接入延迟。采用本发明的方法用于区分不同网络业务，可以保证高优先级业务(如实时语音业务)的服务质量。

附图说明：

图1是下行控制帧格式

其中授权域中光网络单元0、光网络单元1、光网络单元2......，光网络单元N固定的标示所有的光网络单元。

图2是时延随负载变化曲线图

其中，曲线1表示本发明方法的延迟大小，曲线2表示传统方法的延迟大小，横坐标表示负载大小，纵坐标表示延迟大小，单位为秒。

图3是光网络单元队列大小随负载变化曲线图

其中，曲线1表示是本发明方法的队列尺寸，曲线2表示传统方法的延迟大小，横坐标为负载大小，纵坐标表示队列大小，单位为字节。

图4是本发明的程序步骤流程图

具体实施方式

本发明具体实施方式如下：

T_{n}^{i} = L^{i} + {Req}_{n}^{i} + Σ_{j = 0}^{seq [i] - 1} (W_{n}^{j} + C) / R + Seq [i] * G,

i＝1，2，...，N；

T_{n}^{i} = L^{i} + {Req}_{n}^{i},

i＝0.

(其中，Lⁱ为光网络单元i到光线路终端的时延，Req_n ⁱ为均衡时延，W_n ^j为光线路终端给光网络单元j的带宽授权大小，C，R，G固定分别是光网络单元的请求帧大小，上下行链路速率和保护时隙，i是各光网络单元的序号，i＝0，1，2，...，N)。当某光网络单元的剩余发送时隙不能满足一个以太帧时，不能发送此帧，将在一下授权周期发送。如果光网络单元的队列为空，光网络单元将请求0byte带宽。

根据本发明的方法对于以太无源光网络进行建模仿真。

下行控制帧格式中中Preamble表示前导码，SFD表示定界符，DA表示目的地址，SA表示源地址，Type表示以太网类型，Time-Stamp用于测距功能，Grant num表示授权光网络单元的个数，大小固定，Op-Code表示不同的控制功能(带宽请求、带宽授权等)，Seq表示光网络单元i的上行发送顺序，Grant为下行授权大小，CRC为校验码。

仿真结果如图2和3所示，从图2和3可以看出：本发明与目前传统的基于光线路终端的间插轮询算法相比，具有很有的延迟特性，并且有更高的上下行带宽利用率。

Claims

1. 一种无源光网络的上行接入方法，其特征是它包括下面的步骤：

步骤1：首先对光线路终端和光网络单元系统进行初始化

光线路终端已经知道各光网络单元队列大小及光网络单元到光线路终端的往返距离；光线路终端处建立并保存一个授权表，授权表的内容为各光网络单元的往返距离以及队列大小；

步骤2：以距离光线路终端最远的光网络单元为标准，光线路终端计算最远光网络单元距离和各光网络单元往返距离之差，得到各光网络单元的均衡时延；

步骤3：光线路终端将步骤2得到的均衡时延告诉各光网络单元，各光网络单元根据其均衡时延调整发送时间，使各光网络单元到光线路终端的逻辑距离相等；

步骤4：光线路终端产生下行授权帧，并且读取授权表；光线路终端将授权按光网络单元标识依次填充授权域中，采取先进先出的原则：先到的将授权写入授权域，并且其对应的顺序域的值置0，后到的根据各光网络单元到达光线路终端的顺序，依次递增其对应的顺序域；光线路终端为所有光网络单元设定一个授权最大窗口，请求带宽在不大于此窗口的前提下满足各光网络单元的请求；最大授权窗口值的大小取决于授权周期、数据延时、上行带宽利用率因素；

步骤5：光线路终端媒质接入控制层将步骤4得到的授权帧交给物理层广播发送到各光网络单元；

步骤6：各光网络单元收到步骤5的授权帧时，将按照自己光网络单元标识读取授权，并且计算发送时刻，一旦自己的发送时隙到达，光网络单元在自己时隙之内将数据发送出去，并且将新到达队列的数据以请求的方式报告给光线路终端；则各光网络单元收到授权后的上行发送时间为：以每一授权周期的第一个光网络单元发送授权的时间计算，则第n周期光网络单元i发送数据的时刻为：

T_{n}^{i} = L^{i} + {Req}_{n}^{i} + Σ_{j = 0}^{seq [i] - 1} (W_{n}^{j} + C) / R + Seq [i] * G,

i＝1，2，...，N；

T_{n}^{i} {= L}^{i} + {Req}_{n}^{i},

i＝0.

其中，Lⁱ为光网络单元i到光线路终端的时延，Req_n ⁱ为均衡时延，W_n ^j为光线路终端给光网络单元j的带宽授权大小，C，R，G固定分别是光网络单元的请求帧大小，上下行链路速率和保护时隙，i是各光网络单元的序号，i＝0，1，2，...，N；

当某光网络单元的剩余发送时隙不能满足一个以太帧时，不能发送此帧，将在一下授权周期发送；如果光网络单元的队列为空，光网络单元将请求0字节带宽；

步骤7：光线路终端收到各光网络单元的请求，立即更新它的授权表中的信息，授权表中的信息包括往返距离和授权表中各光网络单元的上行请求带宽的大小；这样光线路终端就得到各光网络单元新一轮授权带宽大小及其往返距离；

通过上述步骤，就可以实现各光网络单元的无冲突接入。