接入網(wǎng)系統(tǒng)中的PON技術(shù)應(yīng)用

饒 敏，黎成剛，藺紅杰，王 應(yīng)

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

接入網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)、城域網(wǎng)、用戶的連接橋梁，傳統(tǒng)接入技術(shù)已經(jīng)無法滿足光纖網(wǎng)絡(luò)連接需求，無源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）技術(shù)等新型連接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。PON技術(shù)在接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用具備如下優(yōu)勢：不需要應(yīng)用有源設(shè)備，能夠盡量降低電磁干擾等光纖網(wǎng)絡(luò)接入干擾；接入操作流程相對較為簡單，能夠充分帶動寬帶資源，同時保持與傳輸制式、傳輸速度的高度匹配；布線成本較低，避免在初次應(yīng)用時花費(fèi)大量資金；支持商業(yè)用戶和住宅用戶共享接入光纖網(wǎng)絡(luò)，能夠形成安全帶寬共享機(jī)制。

1 接入網(wǎng)系統(tǒng)概念及可行性需求

1.1 接入網(wǎng)系統(tǒng)概念

接入網(wǎng)系統(tǒng)是指用戶客戶端與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將用戶接入到核心網(wǎng)中，連接長度基本為數(shù)百米，屬于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的最后一段運(yùn)行路程。通過接入網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能夠為用戶提供語音服務(wù)、數(shù)字電路服務(wù)，為用戶提供更多的功能選擇，確保視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)傳輸工作能夠高質(zhì)量、高效率完成，從而提高光纖網(wǎng)絡(luò)的推廣和應(yīng)用力度，爭取為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的寬帶服務(wù)，實現(xiàn)對于高清視頻的有效傳輸。接入網(wǎng)系統(tǒng)主要由用戶網(wǎng)絡(luò)接口、節(jié)點接口構(gòu)成，能夠滿足用戶對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，并且完成對?shù)據(jù)傳輸寬帶所需寬帶資源的管理及配置[1]。

1.2 接入網(wǎng)系統(tǒng)可行性需求

接入網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計相同，需要在設(shè)計之初明確設(shè)計目標(biāo)、網(wǎng)路實現(xiàn)方式、主要功能、關(guān)鍵承載業(yè)務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)先進(jìn)性等，現(xiàn)從前瞻性、可靠性、安全性3個方面總結(jié)接入網(wǎng)系統(tǒng)可行性需求。

（1）從前瞻性角度來講，接入網(wǎng)系統(tǒng)需要應(yīng)用IP分層架構(gòu)體系，滿足現(xiàn)代光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求。應(yīng)用多種接入方式，實現(xiàn)對多方網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互通互聯(lián)；應(yīng)用多種傳輸實體，滿足用戶多方傳輸需求；實現(xiàn)業(yè)務(wù)及控制分層設(shè)計，便于快速部署新業(yè)務(wù)；應(yīng)用多種技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)效率；應(yīng)用多點分發(fā)，使得用戶能夠隨時接收或拒絕信息。

（2）從可靠性角度來講，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性需要建立在服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)層和業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)之上，確保接入網(wǎng)系統(tǒng)能夠滿足不同業(yè)務(wù)的連接需求。具體來講，每一種連接方式都存在隨時失效的可能性，因此需要確保網(wǎng)絡(luò)連接方式選擇的適用性和合理性，同時實現(xiàn)對各項連接方式的有效設(shè)計及分配，充分考慮到各項影響因素，最大限度保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）從安全性角度來講，保障安全性是進(jìn)行接入網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵目標(biāo)，也是衡量接入網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的重要指標(biāo)。接入網(wǎng)系統(tǒng)需要承載大量的語音、數(shù)據(jù)、視頻等信息及相應(yīng)業(yè)務(wù)，為了阻止不法分子和計算機(jī)病毒入侵系統(tǒng)，運(yùn)營商在設(shè)計接入網(wǎng)系統(tǒng)時需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)安全性，避免在網(wǎng)絡(luò)接入過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、失竊等問題，一方面確保用戶隱私安全，另一方面確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，降低故障發(fā)生率。傳統(tǒng)接入網(wǎng)系統(tǒng)加密手段為AES加密，秘鑰在應(yīng)用一段時間會自行更換。

2 PON技術(shù)概念及應(yīng)用原理

2.1 PON技術(shù)概念

PON技術(shù)即為無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是從單點到多點的網(wǎng)絡(luò)寬帶技術(shù)的簡稱，主要由光纖路終端、光網(wǎng)絡(luò)單元、相應(yīng)光分配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中無源指的是技術(shù)應(yīng)用及接入過程不需要電源，在不具備電源的情況下便能夠完成對于相關(guān)元件的接入及管理操作[2]。通過PON技術(shù)，光纖網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備接口的應(yīng)用頻率能夠大幅度降低，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠性刺幚?，使得運(yùn)營商能夠以更低的成本完成接入網(wǎng)系統(tǒng)部署，同時簡化接入網(wǎng)系統(tǒng)維護(hù)管理操作，提高各項運(yùn)營管理業(yè)務(wù)的透明化和公開化水平，最終提高寬帶資源配置靈活程度及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化程度。總體來講，相比較其他接入技術(shù)，PON技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢較為顯著。

2.2 PON技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

PON技術(shù)在下行和上行中均能夠?qū)崿F(xiàn)較為良好的支持，使得運(yùn)營商能夠通過較為靈活的方式完成接入網(wǎng)系統(tǒng)各項運(yùn)行原理操作。具體來講，PON技術(shù)支持通過星型、菱形等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成接入網(wǎng)系統(tǒng)搭建，能夠通過無源設(shè)備、電子器件完成接入處理，點對點之間的傳輸網(wǎng)絡(luò)操作較為簡單且成本較低?？梢奝ON技術(shù)一方面具備較快的傳輸速度，另一方面具備較高的應(yīng)用性價比，應(yīng)用優(yōu)勢較為顯著[3]。

3 接入網(wǎng)系統(tǒng)中的PON技術(shù)應(yīng)用綜述

3.1 MPCP技術(shù)

3.1.1 應(yīng)用原理

多點控制協(xié)議（Multi-Point Control Protocol，MPCP）技術(shù)在接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用原理如下：發(fā)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU），對其進(jìn)行認(rèn)證注冊，測量距離；報告處理，報告內(nèi)容主要為實際傳輸過程中出現(xiàn)的擁堵情況，同時監(jiān)測上傳的寬帶，通過周期性處理保持其連接穩(wěn)定性；選通處理，結(jié)合實際需求處理實際傳輸擁堵情況。

3.1.2 應(yīng)用功能

MPCP技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化處理，通過測量使用距離實現(xiàn)實際傳輸，從而保障寬帶應(yīng)用率。強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)管理，實現(xiàn)對于接入網(wǎng)系統(tǒng)的實時監(jiān)控管理，實現(xiàn)對于寬帶資源的靈活分配，結(jié)合具體控制需求制定高效寬帶分配策略，通過靜態(tài)分配方案或動態(tài)分配方案完成對于分配需求的實際處理。

MPCP技術(shù)在接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用功能如下。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，距離測量能夠盡量降低帶寬空余，通過動態(tài)分配方式能夠更為迅速地完成訂閱支持，通過應(yīng)用頻率最高的ONU完成處理，并且進(jìn)行針對性參數(shù)調(diào)整，爭取獲得最佳應(yīng)用效果。解決多址尋址問題，由于授權(quán)時間較短，節(jié)點之間的傳輸距離較短，能夠降低網(wǎng)絡(luò)延時，并且支持語音服務(wù)，實現(xiàn)動態(tài)化授權(quán)，將網(wǎng)絡(luò)延時控制在1 ms之內(nèi)，通過廣播處理方式應(yīng)用質(zhì)量更高的TCP服務(wù)，確保寬帶資源可以得到充分應(yīng)用。增加可擴(kuò)展性功能，通過P2PE實現(xiàn)對于傳輸路線的加密處理，避免后傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真問題，同時實現(xiàn)對于鏈路匯聚的有效支持[4]。擴(kuò)展協(xié)議兼容性，圖1為MPCP協(xié)議基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和分層模型，表示通過網(wǎng)絡(luò)處理能夠順利完成鏈路處理操作，且處理效果較高，同時能夠有效保留以太網(wǎng)幀。

圖1 MPCP協(xié)議基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和分層模型

3.2 ONU自動識別技術(shù)

ONU自動識別技術(shù)在接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對于系統(tǒng)運(yùn)行的自動化處理，不需要人工干預(yù)便能夠完成注冊處理，并且令新生成的ONU順利加入到以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethemet Passive Optical Network，EPON）中，應(yīng)用原理如圖2所示。具體處理方案如下。

圖2 ONU自動識別技術(shù)應(yīng)用原理

（1）接入網(wǎng)系統(tǒng)在注冊時很可能會出現(xiàn)沖突，ONU便會出現(xiàn)授權(quán)問題，從而導(dǎo)致延遲情況，因此需要在既定窗口時間之內(nèi)完成應(yīng)答。由于接入網(wǎng)系統(tǒng)的延遲時間較為隨機(jī)，能夠大幅度提高ONU注冊效率，延長窗口打開時間，有利于提高接入網(wǎng)系統(tǒng)的寬帶應(yīng)用效率[5]。

（2）如果接入網(wǎng)系統(tǒng)在注冊時出現(xiàn)沖突，ONU可以通過較為堆積的方式跳過，并且進(jìn)行相應(yīng)的授權(quán)，從而令接入網(wǎng)系統(tǒng)獲得較為良好的響應(yīng)。通常情況下，既定窗口時間為1 s，在此時間段內(nèi)，ONU可以進(jìn)行干擾授權(quán)，在有效跳過窗口的同時，不會增加多余的注冊內(nèi)容，有利于提高接入網(wǎng)系統(tǒng)的寬帶應(yīng)用質(zhì)量。

在ONU自動識別技術(shù)下，如果發(fā)生了注冊沖突，能夠選擇性地跳過注冊流程，從而實現(xiàn)對于窗口的有效調(diào)整，既不需要增加新的注冊窗口，也不會對接入網(wǎng)系統(tǒng)的正常應(yīng)用造成影響[6]。

3.3 復(fù)用技術(shù)

在接入網(wǎng)系統(tǒng)中，復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用原理如下：在上行過程中應(yīng)用時分復(fù)用技術(shù)，使得各個網(wǎng)絡(luò)單元都能夠共享上行帶寬，網(wǎng)絡(luò)機(jī)制能夠隨之被分配給各個單元的時隙，明確各個網(wǎng)絡(luò)單元需要傳輸?shù)男畔?，無論是否發(fā)生網(wǎng)絡(luò)傳輸沖突，網(wǎng)絡(luò)單元都需要按照協(xié)議規(guī)則順利傳輸信息包；在下行過程中應(yīng)用廣播數(shù)據(jù)傳輸方式，使得信息包能夠被任何一個網(wǎng)絡(luò)單元接收，并且基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能及屬性甄別信息包，通過IP地址確認(rèn)信息包，最終確定是否接收信息包，丟棄不接收的信息包，隨后繼續(xù)進(jìn)行甄別和確認(rèn)，一直到接收到需要的信息包。

復(fù)用技術(shù)主要通過ONU、傳輸容器、GEM（G-PON Encapsulation Mode）端口實現(xiàn)應(yīng)用，傳輸容器與PON處理邏輯相連，能夠在信息包傳輸過程中發(fā)揮作用，并且通過相關(guān)標(biāo)識完成處理和分配工作。一方面能夠順利完成相關(guān)處理操作，提高分配處理效果；另一方面能夠?qū)ふ易罴训奶幚矸绞?，從而通過既定通道完成對于相關(guān)承載信息的處理。

3.4 動態(tài)帶寬分配算法

3.4.1 應(yīng)用原理

動態(tài)帶寬分配算法是十分關(guān)鍵的PON技術(shù)，主要在物理層實現(xiàn)，其應(yīng)用效果直接關(guān)系到了數(shù)據(jù)傳輸是否存在延遲，使得接入網(wǎng)系統(tǒng)在不考慮用戶終端行為的基礎(chǔ)上，便能夠?qū)崿F(xiàn)對于寬帶資源的有效應(yīng)用。通過對于寬帶資源的動態(tài)分配，能夠?qū)崿F(xiàn)對于ONU運(yùn)行狀態(tài)的實際監(jiān)控。需要注意的是，動態(tài)帶寬分配算法與常規(guī)ONU處理方式存在區(qū)別，動態(tài)帶寬分配算法能夠改變ONU的上游帶寬機(jī)制，使得網(wǎng)絡(luò)管理員能夠在PON中增加更多內(nèi)容，例如能夠改變用戶的峰值帶寬分配方案。

3.4.2 應(yīng)用步驟

動態(tài)帶寬分配算法應(yīng)用步驟如下：進(jìn)行擁塞檢測，將檢測結(jié)果和狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果發(fā)送到光纖路線終 端（Optical Line Termination，OLT），按照相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)對于寬帶資源的有效分配，通過T-CONT（Tramsmission Container）實現(xiàn)相關(guān)授權(quán)，通過DBA完成相關(guān)管理。監(jiān)控接收到的信元數(shù)量，并且明確具體監(jiān)控時間。通過狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果計算寬帶利用效率；按照擁塞比例計算實際比值，從而掌握接入網(wǎng)系統(tǒng)擁塞系統(tǒng)。通過動態(tài)方法進(jìn)行寬帶分配，在終端完成接收處理，并且獲得相關(guān)授權(quán)信息，通過一定周期完成對于窗口數(shù)據(jù)的傳輸，確定滿足既定關(guān)系。設(shè)定授權(quán)門限，如果接入網(wǎng)的實際寬帶資源較少，需要完成相應(yīng)的寬帶授權(quán)處理，確保能夠滿足網(wǎng)絡(luò)的實際寬帶需求，并且計算實際關(guān)系。

3.5 測距技術(shù)

光信號通過光纖傳播，存在一定的傳輸延遲，為了順利完成TDMA接入，在完成光纖合并后會在每個ONU上行數(shù)據(jù)上插入指定時隙，以此來確保不存在沖突[7]。通過測距技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對于接入網(wǎng)距離的精準(zhǔn)測量，實現(xiàn)對于鏈路操作處理時間的有效控制，同時按照實際距離操作處理計算延遲時間，在此基礎(chǔ)上選擇合適的延遲參數(shù)。

第一，ONU距離不同會產(chǎn)生一定時延差異，需要對此進(jìn)行補(bǔ)償。通過ONU啟動測量距離，通過RTT調(diào)整授權(quán)操作，在得到授權(quán)后才會開始測距。

第二，通過隨機(jī)延遲時間方法解決ONU注冊沖突問題，通過距離測量方式進(jìn)行具體計算，在此基礎(chǔ)上選擇合適的參數(shù)配置。

4 結(jié) 論

MPCP技術(shù)、ONU自動識別技術(shù)、復(fù)用技術(shù)、動態(tài)帶寬分配算法、測距技術(shù)5項技術(shù)在接入網(wǎng)系統(tǒng)中都能夠?qū)崿F(xiàn)有效應(yīng)用，并且具備各自的應(yīng)用原理和特點。MPCP技術(shù)在接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，需要對ONU進(jìn)行認(rèn)證注冊，處理實際傳輸過程中出現(xiàn)的擁堵情況。ONU自動識別技術(shù)能夠選擇性地跳過注冊流程，從而實現(xiàn)對于窗口的有效調(diào)整。復(fù)用技術(shù)通過相關(guān)標(biāo)識完成處理和分配工作，能夠順利完成相關(guān)處理操作，尋找最佳的處理方式。動態(tài)帶寬分配算法主要在物理層實現(xiàn)，使得接入網(wǎng)系統(tǒng)在不考慮用戶終端行為的基礎(chǔ)上，就能夠?qū)崿F(xiàn)對于寬帶資源的有效應(yīng)用。測距技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對于鏈路操作處理時間的有效控制，同時選擇合適的延遲參數(shù)。