智能化光接入网带宽分配和控制管理技术研究

摘要

目前电信网络的骨干网均已经实现了光纤通信，系统带宽容量大大地增加，与此同时随着视频点播 VOD、网络游戏及 IPTV等高带宽业务的出现，用户对接入网带宽的需求也在逐步地增加，现有的以 ADSL为主的宽带接入方式已很难满足用户对带宽，双向传输以及承载多业务等方面的要求。面对这一困境，各国电信运营商纷纷把目光放在了FTTH，FTTH被视为未来宽带接入技术的典型代表，是未来“最后一公里”的最终形式。
　　 在 FTTH的各种技术中，PON技术成为其主流模式，而在 PON技术中，IEEE提出的802.3ah的基于以太网的 EPON和 FSAN组织指定，ITU-T颁布的 GPON现在开始从试验阶段开始大规模部署。这两种 PON技术可以提供 G比特级别的带宽，10G EPON和 WDM技术也开始在试验当中，PON技术将提供更大的带宽。
　　 随着三网业务的融合以及VoIP，IPTV，VoD等业务的普及，现在的接入网需要支持承载多种业务的能力，并且需要提供给用户更大的带宽。这些业务对网络的时延，时延抖动以及 QoS的要求都不一样，使得接入网需要对不同的业务应用不同的 QoS和给予不同的时延特性，大大加大了网络的管理难度，也需要对网络管理和控制有一些比较明确的定义。随着网络和业务调度及管理的需要，城域汇聚和接入网络层面也将逐步向智能化演进，最终实现全网智能化。目前，已有的智能光网络的研究主要集中在核心网，光接入网的智能化研究在国内外还没有先例。
　　 本课题基于国家自然科学基金项目“智能化光接入网关键技术研究”（60672025），概括了智能化光接入网的概念，并对其中的一些关键技术进行了详细描述；通过搭建 ONU平台，对智能化光接入网的流量控制功能进行了实现；此外，针对长距离 PON中 DBA的单线程机制带来的包时延的增长，采用了一种多线程轮询机制，并对其中的关键性问题进行了详细讨论。其中主要涉及到的工作如下：
　　 1）分析无源光网络的发展现状、工作原理、实现方式，详细描述了智能化接入网的一些主要特性，例如流量可识别，业务可区分；承载多业务，质量可控制；大容量和长距离；设备可管理；流量可控制；ONU的安全认证。
　　 2）结合 WDM技术及接入网的“大容量、少节点”发展方向，针对长距离 PON中由于加大了网络传播时延而增加的包时延，应用了多线程轮询来代替原来的单线程轮询机制，并对多线程的初始化和调整，线程间调度及 ONU之间的公平性等关键问题进行了讨论。
　　 3）搭建 ONU平台，实现 ONU端的 web化远程可管理和控制，实现其用户端口的流量控制和流量显示功能：利用博通的 BCM5338芯片外加 arm9控制板来模拟 ONU功能一使用 BCM5338芯片自带的 VLAN功能来隔离用户在 MAC层的通信及 Trunking功能来实现用户数据的汇聚功能；利用芯片的端口流量控制寄存器实现端口的流量控制功能。
　　 本文是作者结合自己在研究生期间在实验室的理论研究、实际PON网络管理和控制系统的研发及在工信部电信研究院对各家厂商的PON系统测试的总结，分为以下几章：
　　 第一章主要阐述了课题研究的一些背景知识，以及作者在研究生期间一些课题研究内容和成果；
　　 第二章对当今接入网的一些关键技术进行了描述和总结，特别是GPON,EPON及 WDM技术；此外对我们实验室提出的智能化光接入网的概念进行了详细的描述，对其中的一些关键性技术问题进行了分析。
　　 第三章针对 LR-PON中由于传播时延的加大而增加的包时延特性，采用了多线程轮询机制，并对其中的关键性问题进行了详细的讨论。
　　 第四章应用嵌入式技术，在 ONU设备处嵌入控制模块，实现对ONU设备的远程 web化控制，进而通过利用 BCM5338芯片和 ARM9控制板来模拟实现 ONU功能，对 ONU的用户端口实行流量控制和流量显示功能进行了详细的设计说明。
　　 最后，作者对下一步的工作进行了下展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 主要研究内容及成果

1.3 论文结构

第二章 光接入网与智能化概述

2.1 光接入网

2.1.1 光接入网定义

2.1.2 光接入网网络架构

2.1.3 光接入网参考配置

2.2 无源光网络技术

2.2.1 TDM无源光网络

2.2.2 WDM无源光网络

2.3 长距离无源光网络

2.4 智能化接入网

2.4.1 智能化接入网概念的提出

2.4.2 智能化接入网的特性

第三章 长距离PON带宽分配机制研究

3.1 EPON的上行链路DBA机制

3.1.1 静态带宽分配

3.1.2 动态带宽分配

3.1.3 MPCP多点控制协议

3.2 多线程轮询方案

3.2.1 在LR—PON上采用单线程轮询方案

3.2.2 多线程轮询算法思想

3.2.3 多线程轮询算法流程描述

3.3 控制帧的设计

3.4 多线程轮询方案的关键问题

3.4.1 多线程的初始化和调整

3.4.2 线程间调度

3.4.3 ONU之间的公平性

3.4.4 多线程轮询分析

3.5 单线程与多线程仿真结果比较

第四章 智能化光接入网控制管理技术研究

4.1 宽带接入网管理的现状与需求

4.2 B/S分布式体系结构

4.3 接入网网络管理系统方案

4.4 ONU网络管理控制系统的设计和实现

4.4.1 BCM5338芯片功能

4.4.2 arm与BCM5338芯片之间的SPI连接

4.4.3 嵌入式操作系统的选择

4.4.4 网管系统的嵌入式软件开发环境

4.4.5 网络设备的驱动模块

4.4.6 Web Server的移植

4.4.7 web界面和CGI模块

4.4.8 VLAN功能实现和配置

4.4.9 端口速率控制功能的实现

4.4.10 VLAN功能和端口速率控制功能测试和验证

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文情况