CN1855778A

CN1855778A - 一种无源光网络级联系统及其光线路终端

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Publication number: CN1855778A
Application number: CNA2005100256165A
Authority: CN
Inventors: 刘儿兀; 金珊; 张凯宾; 桂洛宁
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2025-04-29
Also published as: CN100571081C

Abstract

本发明公开了一种无源光网络级联系统及其光线路终端，网络级联系统包括第一光线路终端、以及通过第一光分配网络连接的若干光网络单元，第一光分配网络进一步连接若干级联无源光网络，级联无源光网络包括第二光线路终端、以及通过第二光分配网络与第二光线路终端相连接的若干光网络单元；第二光线路终端的其级联接口单元经第一光分配网络与第一光线路终端相连接，本发明能够改善大规模无源光网络的时延特性，具有更好的可扩展性，并能够有效地减轻接入网的带宽压力。

Description

一种无源光网络级联系统及其光线路终端

技术领域

本发明涉及一种无源光网络系统，尤其涉及一种可扩展的多级结构无源光网络级联系统及其光线路终端。

背景技术

无源光接入网(PON)是一种利用光纤和光分路器等无源光器件构成的光分配网络进行宽带接入的技术方案。它通常是由光线路终端(OLT)，光网络单元(ONU)和光分配网络(ODN)构成。现有的PON技术包括基于异步传输模式(ATM)的APON/BPON，基于以太网的EPON和具有吉比特(Gigabit)速率的GPON。

以EPON为例，EPON将数据流以802.3以太网帧格式进行封装的一种无源光网络。EPON使用标准的8b/10b线路编码并具有标准的以太网速率(10/100/1000/10000Mbps即兆比特每秒)。如图1，传统的EPON系统由位于局端的OLT和位于用户端的若干个ONU组成。OLT通过ODN同各ONU相连。在下行方向，OLT发送以太网帧，以太网帧通过无源光分路器到达每个ONU，ONU基于接收到的以太网帧的MAC地址有选择地接收属于自己的以太网帧；在上行方向，由于各ONU共享同一个光通道，PON使用时分复接技术(TDMA)来避免发送时的帧冲突，OLT为各ONU发送数据分配相应的时隙，在所分配的时隙内，各ONU可以线速率发送其缓冲区中的以太网帧，如果其缓冲区中的以太网帧全部发送完毕后所分配的时隙还没用完，那么ONU发送空的10比特字符。目前IEEE(美国电气电子工程师学会)802.3ah任务组定义了多点控制协议(MPCP)来为各ONU分配时隙。MPCP协议依赖两种以太网消息：门(GATE)消息以及报告(REPORT)消息。OLT向ONU发送GATE消息以为之分配允许发送的时隙，ONU发送REPORT消息向OLT报告其本地当前状态(例如ONU当前的缓冲区长度等)，OLT将根据接收到的REPORT消息来决定分配给各ONU的带宽。带宽分配方法主要有两大类：静态带宽分配和动态带宽分配。其中，动态带宽分配方案具有更大的灵活性，特别是在突发流量情况下，能更有效地提高上行链路利用率。

从上面的描述可知，传统EPON网络中，OLT和ONU有着严格的功能划分：ONU利用OLT为其分配的带宽来传输用户数据，而OLT根据ONU发送的带宽请求或者OLT根据其主动监测到的ONU的带宽需求、通过动态带宽分配算法(DBA)为各ONU分配合适的上行带宽。显然在传统EPON网络中，OLT并不发送带宽请求，OLT和ONU之间是一级网络结构。

随着Internet的发展，越来越多的用户具备宽带Internet接入。从运营商角度而言，希望单个OLT能够支持尽可能多的ONU以获取更大利润。从技术角度而言，目前可通过级联光分路器来支持更多的ONU，如图2是一个利用两级光分路器组成的EPON网络，图中，第一级光分路器为1∶3，第二级光分路器为1∶32，这样，图中OLT可以连接96个ONU。但通过光分路器级联来支持更多的ONU会带来其他问题，例如：管理可能多达几千个ONU的带宽分配将会给OLT带来很大负担；同时，支持过多的ONU将使得DBA算法的循环(Cycle)周期过长。如图3是EPON网络动态带宽分配示意图，详细描述可以参考美国专利US6546014，公开日2003年4月8日，发明创造名称为“光接入网络中的动态带宽分配方法及系统”(Method and system for dynamic bandwidth allocation in an opticalaccess network)。假设保护时间为5us(微秒)，根据EPON的DBA算法，由于分配给每个ONU的时隙≥一帧时间+保护时间，这里一帧时间的要求是因为即使ONU没有数据传输，也需要向OLT发送报告帧表示其缓冲区当前没有数据需要上行传输。假设EPON网络中，OLT通过级连光分路器可支持4000个ONU，报告帧为1000bit(比特)，上行链路速率为1000,000,000bps(比特/秒)，那么即使所有ONU均没有数据要上行传输，循环周期≥4000×(5+1000×1000,000/1000,000,000)＝4000×6us＝24ms(毫秒)，如果再加上各ONU的数据传输时间，假设平均每个ONU在一个循环周期内可获得1个1500字节的数据传输机会，那么循环周期将达24+48＝72ms，这么长的循环周期对一些应用业务是绝不允许的，例如时分复用(TDM)业务，TDM Over Packet/Ethernet业应用等。

基于以上的分析，为克服大规模无源光网络中DBA算法的循环周期过大的缺点，同时为增加PON系统可扩展性并加强OLT对ONU的有效带宽管理，本发明提出一种无源光网络级联系统及其级联方法。

发明内容

本发明旨在提供一种可用于无源光网络的大规模的组网系统；

本发明还提供了一种可用于级联上一级光线路终端的无源光网络系统；

本发明进一步通过对传统无源光网络中的光线路终端进行功能扩展，从而可以使本无源光网络具有级联功能、以方便地用来组建大规模的无源光网络级联系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种无源光网络级联系统，包括第一光线路终端、以及通过第一光分配网络连接的若干光网络单元，其特征在于所述第一光分配网络进一步连接若干级联无源光网络，所述级联无源光网络包括第二光线路终端、以及通过第二光分配网络与第二光线路终端相连接的若干光网络单元；第二光线路终端通过第一光分配网络与第一光线路终端相连接。

上述的无源光网络级联系统中，第一光线路终端在上行方向上，接收来自各光网络单元、所述级联无源光网络的第二光线路终端的上行数据、报告消息，并根据报告消息进行带宽分配；所述的第一光线路终端在下行方向上，向各光网络单元、所述级联无源光网络的第二光线路终端传输下行数据、授权消息。

上述的无源光网络级联系统中，级联无源光网络的第二光线路终端接收来自本无源光网络的各光网络单元的上行数据和报告消息，并根据报告消息进行带宽分配，以及下行数据、授权消息传输；以及接收来自第一光线路终端的下行数据、授权消息，并根据该授权消息传输上行数据和报告消息。

一种无源光网络系统，包括光线路终端、以及通过光分配网络连接的若干光网络单元，所述光线路终端接收来自各光网络单元的上行数据和报告消息，并根据报告消息进行带宽分配，以及下行数据、授权消息传输，其特征在于所述的光线路终端进一步包括级联光接口单元，用于连接上一级光线路终端，接收来自上一级光线路终端的下行数据、授权消息，并根据该授权消息传输上行数据和报告消息。

一种用于无源光网络系统的光线路终端，通过光分配网络与若干光网络单元相连，光线路终端通过线路终端单元与所述光网络单元进行通信，其特征在于所述光线路终端进一步包括级联光接口单元，用于连接上一级光线路终端，接收来自上一级光线路终端的下行数据、授权消息，并根据该授权消息向上一级光线路终端传输上行数据和报告消息。

上述的光线路终端，所述的级联光接口单元包括用于向上一级光线路终端传输上行数据和报告消息的级联发送单元，以及用于接收来自上一级光线路终端的下行数据、授权消息级联接收单元。

上述的光线路终端，所述级联发送单元根据其数据缓冲区的当前队列长度和该光线路终端所连接的光网络单元的带宽请求报告消息，并以此生成报告消息帧。

本发明提供的无源光网络级联系统及其方法，可用于大规模的、灵活地应用组网，能够将多个规模较小的PON网络连接起来组成一个规模更大的无源光网络。在该级联系统下，被级联的无源光网络中的第二光线路终端，一方面，它为本级无源光网络系统下的各ONU进行动态带宽分配，另一方面，做为级联无源光网络系统中的第一光线路终端的网络节点，它接受第一光线路终端为之动态分配的带宽。通过这种级联机制，避免了因一个OLT上管理过多ONU而带来的动态带宽分配算法性能下降。另外，本发明不同于利用多级光分路器的级联机制，当采用多级光分路器级联，任何两个ONU之间的通信由于都必须经过PON系统中唯一的OLT，时延特性受该OLT的DBA算法的循环周期直接影响(从前面的分析知道，在多级光分路器机制下，当有几千个ONU节点时，DBA算法的循环周期比较大，例如4000个节点情况下循环周期可能有几十个毫秒)，而在本发明无源光网络级联系统中，两个ONU之间的通信，其时延特性得到大大改善，要比在多级光分路器机制下要好。

附图说明

图1、一种典型的以太网无源光网络(EPON)系统；

图2、利用多级光分路器构成的EPON网络；

图3、EPON网络动态带宽分配示意图；

图4、本发明无源光网络级联系统实施图例之一；

图5、为本发明级联无源光网络系统中OLT结构示意图；

图6、为本发明级联无源光网络系统中OLT带宽请求流程图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。

本发明不同于传统的只有一级结构PON网络，本发明的无源光网络级联系统可以具有多级结构，为方便说明，我们称处于顶层的OLT节点为0级OLT，0级OLT通过光分配网络(ODN0)和N₁个级联无源光网络和若干ONU连接，我们称这N₁个无源光网络中的OLT节点为1级OLT(中间级OLT)，0级OLT利用动态带宽分配控制这N₁个1级OLT、若干ONU到0级OLT之间的上、下行带宽分配；每个1级OLT可以再通过光分配网络和N₂个无源光网络和若干ONU连接，我们称这N₂个无源光网络中的OLT为2级OLT(中间级OLT)，1级OLT利用动态带宽分配控制这N₂个2级OLT到1级OLT之间的上、下行带宽。依此类推，整个无源光网络级联系统可以级联多级。

本发明的无源光网络级联系统中，上一级OLT和级联的无源光网络中的OLT可独立应用不同的动态带宽分配算法GA；级联的无源光网络中的OLT和各ONU也可独立应用不同的带宽请求算法RA。

本发明的无源光网络级联系统中，级联的无源光网络中的OLT可根据上行级联缓冲队列的状况、其下一级ONU或OLT发送的带宽请求、以及上一级OLT为其分配的当前带宽等信息，对级联的无源光网络中下一级ONU或OLT进行动态带宽分配，以及向上一级OLT请求相应的带宽。

不失一般性，图4所示意的本发明无源光网络级联系统实施图例仅仅给出了两级无源光网络级联系统。

对于0级OLT而言，OLT(0)初始化时，通过测距过程获得到各个1级OLT(i)(i＝1，2，3)的响应时间t_1，Res[i]，同时OLT(0)为各1级OLT分配初始的Grant时间片G₁[i][0]；OLT(0)在其第j个Grant周期(其中j≥0)，根据一定的调度规则，依次将Grant消息在相应的时刻t_1，G[i](i＝1，2，3)分发给其连接的各1级OLT(i)，而各1级OLT(i)根据Grant消息中所指定的允许其上行发送的数据帧G₁[i][j](其实是时间片长度，可和帧数、字节数或者比特数直接对应)和开始发送的时间，各1级OLT(i)将其上行缓冲队列中的数据帧发送给OLT(0)，同时其Report消息在上行发送的最后一个数据帧的末尾发送给OLT(0)；OLT(0)根据接收到的Report消息，对各1级OLT(i)第j+1周期内的带宽进行分配，并通过Grant消息发送给各1级OLT(i)。

如前所述，各1级OLT(i)发送的数据流在时刻t_1，R[i]到达OLT(0)时，OLT(0)可计算并更新到各1级OLT(i)的响应时间t_1，Res[i]＝t_1，R[i]-t_1，G[i]；这里，由于OLT(0)保存着到各个1级OLT(i)的响应时间t_1，Res[i]，因此OLT(0)能够通过合适的调度，使得OLT(2)所发送数据的第一个比特到达OLT(0)的时间紧跟在OLT(1)所发送数据的最后一个比特到达OLT(0)的时间之后，两者之间相差一个保护带时间G_1，I；同样，OLT(0)通过合适调度，使得OLT(3)所发送数据的第一个比特到达OLT(0)的时间紧跟在OLT(2)所发送数据的最后一个比特到达OLT(0)的时间之后，两者之间相差一个保护带时间G_1，I；OLT(0)通过调度再次向1级OLT(1)发出Grant消息，使得OLT(1)所发送数据的第一个比特到达OLT(0)的时间紧跟在OLT(3)所发送数据的最后一个比特到达OLT(0)的时间之后，两者之间相差一个保护带时间G_I；这时OLT(0)进入其第j+1个Grant周期。

对于1级OLT的报告机制，可以通过带宽请求算法RA₁，在其第j个Grant周期(其中j≥0)，根据其上行缓冲队列的当前队列长度Q₁[i][j+1]和所连接的下一级ONU发送的Report消息R₂生成一个Report消息，表示向OLT(0)请求其在第j+1个Grant周期能够发送R₁[i][j+1]个数据帧，其中R₁[i][j+1]＝RA₁(Q₁[i][j+1]，R₂)，如前所述，Report消息捎带在该1级OLT(i)上行发送的最后一个数据帧的末尾；

对于0级OLT的带宽分配机制，OLT(0)接收到各1级OLT(i)发送的Report消息时，通过带宽分配算法GA₁，生成相应的Grant消息，该Grant消息指定允许1级OLT(i)发送G₁[i][j+1]个数据帧，其中G₁[i][j+1]＝GA₁(R₁[i][j+1])；

图5为本发明级联无源光网络系统中OLT结构示意图，在一个级联无源光网络系统中，光线路终端包括以太网桥50、光线路终端单元51，OLT通过其光线路终端单元51接收来自该无源光网络系统各光网络单元的上行数据和报告消息，并根据报告消息进行带宽分配，以及输出下行数据、授权消息；为便于上一级OLT进行级联，该光线路终端进一步包括级联光接口单元52，用于连接上一级光线路终端，接收来自上一级光线路终端的下行数据、授权消息，并根据该授权消息传输上行数据和报告消息。该联接口单元52包括级联接收单元52A，来自上一级OLT的下行数据、授权消息，经光/电转换、解码电路处理、串/并行转换后输出至下行接收控制单元的下行级联接收缓冲队列，在去PON标签、根据MAC地址去逻辑链路标识LLID后送以太网桥50端口。同样，该联接口单元52包括级联发送单元52B，其上行传输控制单元对自以太网桥50端口的上行数据帧加上PON标签、根据MAC地址添加逻辑链路标识LLID，放入上行级联发送缓冲队列中，并根据上一级OLT授权消息，其发送缓冲队列中的数据帧在授权消息指定的时隙位置(时钟电路控制下)，经并/串行转换、编码电路处理、电/光转换后送往上一级OLT；上行传输控制单元还运行带宽请求算法RA，根据上行级联发送缓冲区的当前队列长度Q和光线路终端单元51所连接的下一级光网络单元的带宽请求报告R消息，并以此生成REPORT消息帧，附加在最后一个数据帧末尾送往上一级OLT。

图6为本发明级联无源光网络系统中OLT带宽请求流程图，它包括如下具体步骤：步骤60)，中间级OLT初始化，初始化过程包括向所连接的上一级OLT注册该中间级OLT、对所连接的上一级OLT发起的测距过程做出响应；步骤61)，中间级OLT等待接收到所连接的上一级OLT发来的GATE消息帧；以及步骤62)中、中间级OLT对接收到的GATE消息帧进行解释，根据该消息帧指定的发送时间和Grant时隙，设置定时器T和发送窗口W，同时等待定时器T时间到(步骤63)；定时器T时间到表明中间级OLT现在可以开始发送其上行发送缓冲区中的业务帧，步骤64)中，该中间级OLT记录下发送缓冲区的当前队列长度Q、其所连接的下一级OLT/ONU的带宽请求R；之后，在步骤65)，中间级OLT以线速率发送上行发送缓冲区中的Min(Q，W-1)个帧；步骤66)中间级OLT通过带宽请求算法RA，根据上行发送缓冲区的当前队列长度Q和所连接的下一级OLT/ONU的带宽请求R，并以此生成REPORT消息帧，在所发送的Min(Q，W-1)个帧的最后一帧之后，将该帧发送给所连接的上一级OLT。之后，中间级OLT进入下一个GATE消息等待周期；在下一个GATE消息等待周期，重复上述步骤61)至步骤66)。

对于本发明级联无源光网络系统中OLT带宽分配流程图，该流程和常规的OLT带宽分配流程图基本一致。需要注意的是，常规的OLT利用所连接的下一级ONU所发的REPORT帧的信息来为所连接的下一级ONU分配Grant时间片，而本发明提供的中间级OLT可同时利用所连接的下一级OLT或ONU所发的REPORT帧的信息、其自身上行缓冲队列的信息、以及上一级OLT为其分配的当前Grant时间片等，来为所连接的下一级OLT或ONU分配Grant时间片。这里不再累述。

作为本发明的进一步改进，系统可以对带宽请求算法RA、带宽分配算法GA等根据系统需要进行调整。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims

1、一种无源光网络级联系统，包括第一光线路终端、以及通过第一光分配网络连接的若干光网络单元，其特征在于所述第一光分配网络进一步连接若干级联无源光网络，所述级联无源光网络包括第二光线路终端、以及通过第二光分配网络与第二光线路终端相连接的若干光网络单元；第二光线路终端通过第一光分配网络与第一光线路终端相连接。

2、如权利要求1所述的无源光网络级联系统，其特征在于所述的第一光线路终端在上行方向上，接收来自各光网络单元、所述级联无源光网络的第二光线路终端的上行数据、报告消息，并根据报告消息进行带宽分配；所述的第一光线路终端在下行方向上，向各光网络单元、所述级联无源光网络的第二光线路终端传输下行数据、授权消息。

3、如权利要求1或2所述的无源光网络级联系统，其特征在于所述的级联无源光网络的第二光线路终端接收来自本无源光网络的各光网络单元的上行数据和报告消息，并根据报告消息进行带宽分配，以及下行数据、授权消息传输；以及接收来自第一光线路终端的下行数据、授权消息，并根据该授权消息传输上行数据和报告消息。

4、一种无源光网络系统，包括光线路终端、以及通过光分配网络连接的若干光网络单元，所述光线路终端接收来自各光网络单元的上行数据和报告消息，并根据报告消息进行带宽分配，以及下行数据、授权消息传输，其特征在于所述的光线路终端进一步包括级联光接口单元，用于连接上一级光线路终端，接收来自上一级光线路终端的下行数据、授权消息，并根据该授权消息传输上行数据和报告消息。

5、一种用于无源光网络系统的光线路终端，通过光分配网络与若干光网络单元相连，光线路终端通过线路终端单元与所述光网络单元进行通信，其特征在于所述光线路终端进一步包括级联光接口单元，用于连接上一级光线路终端，接收来自上一级光线路终端的下行数据、授权消息，并根据该授权消息向上一级光线路终端传输上行数据和报告消息。

6、如权利要求5所述的光线路终端，其特征在于所述的级联光接口单元包括用于向上一级光线路终端传输上行数据和报告消息的级联发送单元，以及用于接收来自上一级光线路终端的下行数据、授权消息级联接收单元。

7、如权利要求6所述的光线路终端，其特征在于所述级联发送单元根据其数据缓冲区的当前队列长度和该光线路终端所连接的光网络单元的带宽请求报告消息，并以此生成报告消息帧。