以太网是在20世纪80年代发展的一种局域网技术,其带宽为10Mbit/s,最初是共享媒体型,需要防碰侦听,这就限制了其使用效率和传输距离。90年代发展了交换型以太网,解决了上述问题,并先后推出了快速以太网FE(100Mbit/s)和吉位以太网GbE(1000Mbit/s)。以太网由于具有使用简单方便、价格低、速度高等优点,很快成为局域网的主流。以太网的帧格式与IP是一致的,特别适合于传输IP数据。随着因特网的快速发展,以太网被大量使用。随着吉位以太网的成熟和万兆以太网的出现,以及低成本在光纤上直接架构吉位以太网和万兆以太网技术的成熟,以太网开始进入城域网MAN和广域网WAN领域。目前,万兆以太网已经成为宽带IP城域网的首选方案,也已经开始用于WAN。2002年万兆以太网标准完成后,将被广泛用于MAN和WAN。如果接入网也采用以太网将形成从局域网、接入网、城域网到广域网全部是以太网的结构。采用与IP一致的统一的以太网帧结构,各网之间无缝连接,中间不需要任何格式转换。这将可以提高运行效率、方便管理、降低成本。这种结构可以提供端到端的连接,根据与用户签订的服务协议SLA,保证服务质量QoS。
基于上述原因,以太网接入网得到快速发展和广泛重视。2001年初,IEEE成立了802.3EFM工作组(EFM的意思是"以太网第一里",即以太网接入网),发展制定以太网接入网标准。随着标准的制定完成,将有一批以太网接入网设备出现。
PON的结构采用无源光器件,可以提供高带宽,可靠性、经济性,可升级性都有着非常大的优势。不可避免以太网接入将主要采用PON这种形式。
一、EPON的上行接入技术
EPON上行接入技术可以使用频分多址复用(FDMA)、时分多址复用(TDMA)、波分多址复用(WDMA)、码分多址复用等方式(CDMA)。频分复用的缺点有:OLT中需要多个转发器;初期成本高;信道容量固定;增加/减少用户时比较麻烦。码分复用的缺点有:信道间的干扰由ONU的数量决定;需要高速器件。WDMA主要的问题是:成本比较高,主要是因为光器件成本目前还比较高。但如果开发出便宜的、适用于WDMA方式接入网的光发射和光接收器件,使用WDMA是发展的趋势。时分复用具有N个ONU只需要一个OLT转发器和极少的波长等优点,但时分复用还是需要高速电子器件。综合以上考虑,现在一般我们都是采用时分复用多址接入方式,波分复用多址接入方式也有非常大的竞争力,是发展的方向。
OLT安排好各ONU允许发送上行信号的时隙,发出时隙分配帧。ONU根据时隙分配帧,在OLT分配给它的时隙中发出自己的上行信号。这样,ONU之间就可以共同享有上行信道,即众多的ONU共享有限的上行信道带宽。
各ONU独占一个波长,探测器阵列接收各ONU的信号。根据接收探测器,就可以判断出对应是哪个ONU。由于ONU独占一个波长,所以不需要与其他ONU共享带宽,每个上行信道可以实现与下行信道对称的带宽。也就是说,采用这种方式,每个ONU享有的上行带宽可以得到保证,不用与其它ONU争用有限的带宽。
二、EPON中的关键技术分析
1.EPON中采用TDMA方式的关键技术
EPON采用TDMA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。
(1) 动态带宽分配
动态带宽分配算法就是实时地(ms/μs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-T G.983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OLT申请带宽,OLT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,OLT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FTTH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RTT+Dt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0.0005% 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100ms,而用DBA时为
(2) 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CSMA/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。
TDMA的实现方法是重点,即如何使用TDMA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Roll-call轮询方式是比较好,但需要ONU之间相互侦听,也就是PON只能用作广播星型或无源环(这太严格了)。也可以采用Hub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。
2.EPON中采用TDMA方式的关键技术
EPON采用WDMA方式、TDMA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WDMA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DWDM、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。
3.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QoS、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。
以上讨论了EPON中上行信号的两种接入方式。可以看出,只要需要的光器件的成本降下来,EPON采用WDMA接入方式比TDMA方式有非常大的优势。