GPON網(wǎng)絡(luò)中MAC層相關(guān)技術(shù)的研究及DBA算法的設(shè)計.pdf

1、本論文是作者在參與了北京市科委“點到點的FTTH設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用”(Z0005170041321)項目的科研與開發(fā)工作的背景下，寫作而成的。該項目的目的是實現(xiàn)可實用化的EPON和GPON系統(tǒng)及設(shè)備。本文主要對GPON的媒體接入控制(MAC)層(包括MAC控制子層和RS子層)中的若干關(guān)鍵問題進行了深入的研究。 本文的工作集中于吉比特無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)媒質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議的研究和設(shè)計、協(xié)議性能分析以及其它與MAC協(xié)議相關(guān)內(nèi)容的研究。

2、作為媒質(zhì)共享的樹型網(wǎng)絡(luò)，GPON需要媒質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議協(xié)調(diào)各終端對上行信道的訪問，避免沖突。MAC協(xié)議在整個通信系統(tǒng)中扮演著重要的角色，對系統(tǒng)的性能有著深刻的影響，在GPON系統(tǒng)中居于核心地位。ITU-T建議G984.1，G.984.2、G984.3和G.984.4的形成使GPON的發(fā)展走上了標準化之路，但它們未對MAC協(xié)議作出明確規(guī)定，并未指定具體的帶寬分配算法，并指明尚需要進一步研究，因此本文的工作具有現(xiàn)實意義。 與

3、其他媒質(zhì)共享網(wǎng)絡(luò)相比，PON的樹型結(jié)構(gòu)具有特殊性，這對MAC協(xié)議提出了特殊要求。隨機接入控制方法雖然具有簡單和易于擴展的特點，但是無法滿足電信級的時延和吞吐量要求，因而不適合PON系統(tǒng)。中央控制基于預(yù)約的帶寬分配算法是PON的首選，它具有良好的時延和吞吐量特性。 論文的主要創(chuàng)新點有：①．在吉比特光網(wǎng)絡(luò)(GPON)中，針對OLT提出了一種支持多種DBA算法的上行帶寬分配系統(tǒng)的分層模型。設(shè)計了一個硬件支持層，包括授權(quán)實體隊列狀態(tài)收集

4、模塊、尾部編號帶寬映射表和時隙轉(zhuǎn)換模塊。該分層系統(tǒng)將具體的DBA算法與帶寬的管理和發(fā)放機制相分離，不受具體的帶寬分配算法的限制，能夠支持多種帶寬分配算法，使得系統(tǒng)能夠有效地支持多種不同的應(yīng)用場合或不同的業(yè)務(wù)對帶寬分配的要求；②．針對具有同類用戶的GPON系統(tǒng)提出了一種面向多業(yè)務(wù)等級的動態(tài)帶寬分配算法；③．設(shè)計了一種新的M_AC協(xié)議來解決GPON用戶之間的公平性問題，并基于該MAC協(xié)議對ONU中的隊列調(diào)度系統(tǒng)進行了設(shè)計；④．在③基礎(chǔ)上，針

5、對具有不同類型用戶的GPON系統(tǒng)提出了一種基于認購速率和QoS等級的動態(tài)帶寬分配算法，有效地解決了由于某些用戶惡意產(chǎn)生大量高優(yōu)先級數(shù)據(jù)而影響其他用戶使用網(wǎng)絡(luò)的問題；⑤．提出了組播協(xié)議在GPON系統(tǒng)中的實現(xiàn)方案，包括ONU加入、離開組播組的方法以及OLT對下行數(shù)據(jù)的處理方法。歸納起來，論文主要包括以下三個方面： (1)在有關(guān)上行帶寬分配的控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，本文針對OLT提出了一個支持上行帶寬分配功能的分層模型。將OLT的上行

6、帶寬分配功能劃分為三層：參數(shù)管理層、帶寬分配算法層以及硬件支持層。將具體的DBA算法同上行報告信息的處理以及帶寬的管理和發(fā)放機制相分離，前者由軟件實現(xiàn)，后者全部由硬件完成。采用了這種分層模型的設(shè)計后，OLT可以支持多種帶寬分配算法，并且?guī)挿峙涞捻憫?yīng)速度也不受軟件或CPU性能的限制。從而使得系統(tǒng)可以適應(yīng)多種場合或業(yè)務(wù)的需求； (2)在動態(tài)帶寬分配(DBA)算法方面，本文提出了不同情況下的兩種DBA算法。首先，當GPON系統(tǒng)中的所

7、有用戶屬于同一級別時，提出了一種面向多業(yè)務(wù)等級業(yè)務(wù)的動態(tài)帶寬分配算法。該算法可分為兩步：第一步，OLT最大限度地滿足每個ONU的帶寬請求，即設(shè)一個最大確保帶寬，若ONU的請求帶寬(固定帶寬除外)沒有超過確保帶寬，則按需分配，否則，為該ONU分配的帶寬就是該確保帶寬；第二步，若帶寬還有剩余，則按比例以及業(yè)務(wù)的優(yōu)先級別為未能得到帶寬滿足的ONU中的不同等級的業(yè)務(wù)分配帶寬。理論分析和仿真試驗證明，這種算法可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，滿足各種業(yè)務(wù)的時

8、延要求，并且對不同用戶和不同等級的業(yè)務(wù)都具有很好的公平性。 考慮到不同用戶對于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量可能存在著不同的需求，本文設(shè)計了一種新的ONU端的MAC協(xié)議，即用戶可以預(yù)先申購不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬，ONU會按照用戶的認購速率為其上傳的業(yè)務(wù)選擇適當?shù)年犃?，利用嚴格的隊列調(diào)度機制保證用戶之間的公平性。基于這種MAC協(xié)議，本文提出了一種基于認購速率和QoS等級的動態(tài)帶寬分配算法。該算法在網(wǎng)絡(luò)負載較小時，即總的請求帶寬小于可用帶寬時，按需分配；在

9、網(wǎng)絡(luò)負載較大時，首先按照用戶的認購速率分配帶寬，若帶寬還有剩余，則比例分配給尚需帶寬的ONU。通過OPNET仿真結(jié)果可以看出，這種算法在嚴格控制數(shù)據(jù)傳輸延時的前提下，能夠保證多用戶之間帶寬分配的公平性。 (3)組播協(xié)議在吉比特無源光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用方面，本文提出了組播協(xié)議在GPON中的實現(xiàn)方案，包括ONU加入、離開組播組的方法以及OLT對下行數(shù)據(jù)的處理方法。通過OPNET仿真平臺對組播協(xié)議進行了測試，考察GPON網(wǎng)絡(luò)對IGMPv2的