EPON与WIMAX融合宽带接入网关键技术研究

摘要

随着IPTV、高清电视（HDTV）、互动视频游戏、视频会议、P2P（peer to peer）、以太网专线等一系列高速率、高质量业务的出现和发展，接入网带宽需求快速增长，宽带接入网成为运营商的建设热点。P2P类应用业务的迅猛发展，使得接入网业务类型从以主从业务为主转变成主从业务与对等业务共存的局面。同时用户对全覆盖、移动性等接入灵活性、便利性的需求，接入环境的复杂性、接入需求的多样性，以及无线接入在传输距离和带宽之间的矛盾，决定了无线接入和光接入共存、互补，无线依托于“光”，光与无线融合的发展趋势。
　　 以太无源光网络（EPON）低成本地实现了高带宽和多业务接入，是目前公认的重要光接入技术之一。但在传输对等业务时，由于ONU间不能直接通信而存在网络吞吐量低、OLT交换负担重等固有缺陷。因此，针对光接入与无线接入融合、主从与对等业务并存的宽带接入网发展趋势，本论文提出了一种新型主从与对等结合EPON与WMIAX融合宽带接入网络结构，并对其媒质接入控制机制、生存性保证机制、融合机制、网络可靠性等进行了相关研究，并完成了实验系统的整体方案设计，以及核心部分-PON主板的设计与实现。在实验系统上实验验证了所提出的网络结构、媒体接入控制机制、保护倒换机制的可行性。等本文的主要创新点和研究工作包括：
　　 1）针对传统EPON网络在支持对等业务上的缺陷，提出了一种“主从+对等”EPON网络结构，及适应新结构的物理层传输机制、媒质接入控制机制、生存性保证机制。所提出的基于分支器环回的新PON网络结构可以支持ONU间直接通信，在主从与对等业务并存的情况，网络吞吐量较传统主从结构最大提高一倍；分支器与ONU间距离2km以内时，传输时延降低90％以上；同时降低了OLT交换处理负担，并具有高生存性。
　　 2）针对PON网络的点对多点结构带来的传统网络可靠性定义的不适用性，提出了一种引入影响因子的适合PON网络结构的网络可靠性定义，全面反映PON网络中不同网元对网络可靠性的不同影响。量化分析了在典型用户分布下，典型PON网络结构与冗余方式的网络整体可靠性。量化分析表明：树形网络较总线形网络具有更高的网络可靠性，为了得到最大网络可靠性，无保护单级树形PON网络中分支器应尽量放置在距离OLT近的地方；主干保护树形PON网络的分支器应尽量放置在距离ONU近的位置。而综合考虑成本和可靠性时，ONU集中分布情况下，分支器应该尽量放置在靠近ONU处，此时单位成本可靠性更高。ONU分散分布情况下，存在分支器放置的最佳点，网络设计时，可以根据不同的具体条件计算出相应的分支器放置最优点。
　　 研究提出了2种在融合网络上WIMAX业务以EPON帧形式封装传输的网络融合方案：数字射频拉远方案和集中MAC层处理的基带拉远方案。分析比较了各个融合方案的优缺点及适用情况。在基带拉远融合方案中，OLT可以对EPON网络和WIMAX网络在全局的角度上进行真正融合的、统一的带宽分配，在带宽分配效率、QoS保证等方面更优，并且实现性很高。同时提出了2种EPON和WIMAX融合网络的带宽调度机制，并对QoS性能进行了仿真分析。仿真结果表明，深度融合方案以统一一致的业务分类提供从终端用户到OLT之间的端到端统一的QoS保证，更公平合理，带宽调度的融合度更高。
　　 基于现有商用FPGA芯片和光收发模块等硬件条件，设计了主从与对等结合EPON网络与WIMAX融合的EPW实验系统方案，完成PON主板的设计与实现并利用其建立了实际实验系统。在EPW实验系统中，分支器环回树形网络结构、新的媒质接入控制机制、保护倒换机制得以实验验证。EPW实验系统支持ONU间直接通信、P2P业务识别与重定向、以及WIMAX业务的融合接入，支持针对单点主干光纤故障、多点分支光纤故障的系统弹性保护倒换。通过系统实验测试验证，EPW实验系统在承载ONU间对等业务时仍维持高系统吞吐量，极限情况下系统吞吐量是传统EPON的2倍，符合理论分析；系统保护倒换时间小于50ms。

目录

文摘

英文文摘

图表目录

第一章 绪论

1.1 光与无线融合宽带接入网发展趋势

1.1.1 宽带光接入网

1.1.2 无线宽带接入网

1.1.3 光与无线融合的宽带接入网发展趋势

1.2 以太网无源光接入网(EPON)

1.2.1 EPON简介

1.2.2 EPON网络在承载对等业务方面的缺陷

1.2.3 EPON的可靠性

1.3 WIMAX技术

1.4 本文主要研究内容和结构

第二章 主从与对等结合EPON网络结构与关键技术研究

2.1 引言

2.2 主从与对等结合的拓扑结构

2.2.1 分支器环回树形EPON拓扑结构

2.2.2 分支器组合环形EPON拓扑结构

2.2.3 两种结构的对比分析

2.3 媒质接入控制机制研究

2.3.1 时分多址接入

2.3.2 逻辑拓扑仿真方案

2.4 保护倒换机制

2.4.1 拓扑结构

2.4.2 链路聚合功能的引入

2.4.3 MP2MPE下的保护倒换机制

2.4.4 带宽分配与保护倒换配合机制

2.4.5 集中的自动故障检测机制

2.4.6 集中的保护倒换控制机制

2.4.7 恢复机制

2.5 系统吞吐量和数据包时延分析

2.5.1 吞吐量分析

2.5.2 时延分析

2.6 小结

第三章 无源光接入网可靠性研究

3.1 引言

3.2 网络整体可靠性定义

3.3 PON网络可靠性仿真分析

3.3.2 与“全端可靠性”量化比较

3.3.3 典型ONU分布的网络可靠性分析

3.3.4 网络可靠性与成本综合分析

3.4 小结

第四章 EPON和WIMAX融合方案研究

4.1 引言

4.2 WIMAX与EPON融合方案研究

4.2.1 BACKHAUL集成方案

4.2.2 RoF方案

4.2.3 数字射频拉远方案

4.2.4 基带拉远方案

4.3 EPON与WIMAX融合网络带宽调度机制研究

4.4 小结

第五章 EPON与WIMAX融合接入实验系统

5.1 引言

5.2 EPW实验系统总体设计

5.2.1 EPW系统结构

5.2.2 EPW系统设备结构

5.2.3 ONU间直接通信功能的实现方案

5.2.4 P2P重定向功能的支持方案

5.2.5 WIMAX接入功能的支持方案

5.3 EPW实验系统PON主板设计

5.3.1 总体功能需求

5.3.2 OLT侧PON主板设计

5.3.3 ONU侧PON主板FPGA设计

5.4 EPW实验系统保护倒换方案设计

5.4.1 自动故障监测

5.4.2 保护倒换

5.4.3 倒换恢复

5.4.4 倒换状态下数据帧转发过程

5.4.5 保护倒换状态下的带宽分配

5.5 OLT侧保护倒换模块设计与实现

5.5.1 功能描述

5.5.2 保护倒换状态机

5.6 EPW系统的实验验证

5.6.1 系统吞吐量

5.6.2 保护倒换

5.7 小结

参考文献

附录 缩略词

致谢

攻读学位期间发表论文及申请专利