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(jì).pdf

1、本論文是作者在參與了北京市科委“點(diǎn)到點(diǎn)的FTTH設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用”(Z0005170041321)項(xiàng)目的科研與開發(fā)工作的背景下，寫作而成的。該項(xiàng)目的目的是實(shí)現(xiàn)可實(shí)用化的EPON和GPON系統(tǒng)及設(shè)備。本文主要對(duì)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(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。 本文的工作集中于吉比特?zé)o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(jì)、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(duì)上行信道的訪問(wèn)，避免沖突。MAC協(xié)議在整個(gè)通信系統(tǒng)中扮演著重要的角色，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化之路，但它們未對(duì)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(jìn)一步研究，因此本文的工作具有現(xiàn)實(shí)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(duì)MAC協(xié)議提出了特殊要求。隨機(jī)接入控制方法雖然具有簡(jiǎn)單和易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，但是無(wú)法滿足電信級(jí)的時(shí)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(shí)延和吞吐量特性。 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：①．在吉比特光網(wǎng)絡(luò)(GPON)中，針對(duì)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(jì)了一個(gè)硬件支持層，包括授權(quán)實(shí)體隊(duì)列狀態(tài)收集

4、模塊、尾部編號(hào)帶寬映射表和時(shí)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(jī)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(chǎng)合或不同的業(yè)務(wù)對(duì)帶寬分配的要求；②．針對(duì)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(jí)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法；③．設(shè)計(jì)了一種新的M_AC協(xié)議來(lái)解決GPON用戶之間的公平性問(wèn)題，并基于該MAC協(xié)議對(duì)ONU中的隊(duì)列調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；④．在③基礎(chǔ)上，針

5、對(duì)具有不同類型用戶的GPON系統(tǒng)提出了一種基于認(rèn)購(gòu)速率和QoS等級(jí)的動(dòng)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(jí)數(shù)據(jù)而影響其他用戶使用網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題；⑤．提出了組播協(xié)議在GPON系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方案，包括ONU加入、離開組播組的方法以及OLT對(duì)下行數(shù)據(jù)的處理方法。歸納起來(lái)，論文主要包括以下三個(gè)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(duì)OLT提出了一個(gè)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(bào)告信息的處理以及帶寬的管理和發(fā)放機(jī)制相分離，前者由軟件實(shí)現(xiàn)，后者全部由硬件完成。采用了這種分層模型的設(shè)計(jì)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(chǎng)合或業(yè)務(wù)的需求； (2)在動(dòng)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(dāng)GPON系統(tǒng)中的所

7、有用戶屬于同一級(jí)別時(shí)，提出了一種面向多業(yè)務(wù)等級(jí)業(yè)務(wù)的動(dòng)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(gè)ONU的帶寬請(qǐng)求，即設(shè)一個(gè)最大確保帶寬，若ONU的請(qǐng)求帶寬(固定帶寬除外)沒(méi)有超過(guò)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(jí)別為未能得到帶寬滿足的ONU中的不同等級(jí)的業(yè)務(wù)分配帶寬。理論分析和仿真試驗(yàn)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(shí)

8、延要求，并且對(duì)不同用戶和不同等級(jí)的業(yè)務(wù)都具有很好的公平性。 考慮到不同用戶對(duì)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(jì)了一種新的ONU端的MAC協(xié)議，即用戶可以預(yù)先申購(gòu)不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬，ONU會(huì)按照用戶的認(rèn)購(gòu)速率為其上傳的業(yè)務(wù)選擇適當(dāng)?shù)年?duì)列，利用嚴(yán)格的隊(duì)列調(diào)度機(jī)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(rèn)購(gòu)速率和QoS等級(jí)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法。該算法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，即總的請(qǐng)求帶寬小于可用帶寬時(shí)，按需分配；在

9、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，首先按照用戶的認(rèn)購(gòu)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(guò)OPNET仿真結(jié)果可以看出，這種算法在嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)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?zé)o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(shí)現(xiàn)方案，包括ONU加入、離開組播組的方法以及OLT對(duì)下行數(shù)據(jù)的處理方法。通過(guò)OPNET仿真平臺(tái)對(duì)組播協(xié)議進(jìn)行了測(cè)試，考察GPON網(wǎng)絡(luò)對(duì)IGMPv2的