ATM-PON及其測距流程分析

2019-11-04 10:05:32

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供稿：網友

一 ATM-PON介紹

目前的用戶接入網主要是以承載話音業務為主的銅纜網，但隨著具有高帶寬要求的高速數據業務的出現，傳統銅纜接入網已經成為全網寬帶化的瓶頸。主干網光纖化帶來的巨大的帶寬資源使人們考慮到接入網也應該實現光纖化、寬帶化。

光纖接入網主要面對小企業用戶以及住宅用戶。它不僅能提供原來銅纜網所提供的2Mb/s以下的窄帶業務，還可以提供圖像、數據等寬帶新業務。并且接入網設備不依靠于交換機的型號，可以在多廠家、多類型交換機環境中工作。

ITU-T在1998年2月的G.983建議中對基于ATM的無源光網絡(ATM-PON)做了規范，建議提出下行業務在1550nm波長采用廣播方式，上行采用1310nm波長的TDMA方式把用戶業務接入到OLT。根據G.983規范，ATM-PON中，一個OLT最多可尋址64個ONU，PON所支持的虛通路(VP)數為4096。

ATM-PON下行速率有155.52Mb/s和622.08Mb/s兩種，上行速率為155.52Mb/s，其幀結構如圖1所示。155Mb/s下行鏈路上每幀56個時隙，含兩個PLOAM信元；而622Mb/s的為每幀224個時隙，有8個PLOAM信元。ATM-PON的上行幀有53個時隙，每個時隙56字節，即一個53字節信元和每個信元之前的3字節開銷。開銷包括3個域：防衛時間域、前置比特圖案和定界比特圖案。防衛時間最少4比特，用于相鄰信元間相位漂移的保護；前置比特圖案用于OLT實現比特同步的獲取；定界部分則可用于確定幀和時隙的邊界。這3個域的長度是可編程的，可以由OLT決定，并通過下行的PLOAM信元中攜帶的消息告知ONU。OLT在下行PLOAM信元中給ONU發送上行授權，ONU只有接到有效上行授權，才能在上行幀中占有一個時隙。并且OLT可根據需要，要求ONU發送PLOAM信元、微時隙信元或者普通的數據信元。

　 ATM-PON及其測距流程分析（圖一）

ATM-PON的工作原理如下：OLT將到達各個ONU的下行業務組裝成幀，以廣播的方式發送到下行信道上，各個ONU收到所有的下行信元后，根據信元頭信息從中取出屬于自己的信元；在上行方向上，由OLT輪詢各個ONU，得到ONU的上行帶寬要求，OLT合理分配帶寬后，以上行授權的形式答應ONU發送上行信元，即只有收到有效上行授權的ONU才有權利在上行幀中占有指定的時隙。

實現ATM-PON的要害技術有多址和接入控制技術(在使用TDMA上行接入時包括測距、帶寬分配等)、突發信號的發送和接收技術、快速比特同步技術以及安全保密等方面的技術。

目前實用的PON系統主要是窄帶PON，由窄帶PON升級到寬帶的ATM-PON，終端設備和控制協議都需要進行大幅度的改動，傳輸速率的提高對物理層設備和媒質訪問控制(MAC)協議都有新的要求。只要寬帶PON的成本可以控制在目前窄帶PON的1.5倍以下，還是可以接受的。雖然寬帶PON的技術細節還需要在其實際的發展和使用中繼續研究和完善，但ITU-T在ATM-PON實用系統出現之前就確定了G.983建議，對ATM-PON進行了規范，它進入實用的步伐將會更加順利。無論從網絡發展的必然趨勢還是從用戶需求角度來看，寬帶的ATM-PON將會是最有競爭實力的接入網方案。

二" ATM-PON的測距

由于PON中光分配網絡(ODN)部分為共享光纖媒質，因此上行方向上，每個用戶的ATM信元是在預先約定的時間插入預先分配好的時隙內，從而組成一定格式的上行幀送給OLT。為了避免與OLT不同距離的ONU所發的上行信號在OLT處發生沖突，OLT需要一套測距功能，測量每一ONU與OLT之間的距離(即延時)，并指揮每個ONU調整發送時間使之不致相互沖突。

根據G.983建議，ATM-PON采用全數字的帶內測距方法來測量OLT到ONU的邏輯距離。這種測距方法適合于0到20km左右范圍的ATM-PON，并能在不中斷業務的情況下實施。測距過程主要由兩個部分組成：一是ONU開機或復位時進行的首次測距，通過打開測距窗口來進行；二是在業務傳送過程中通過不斷測量信元延時動態調整ONU的發送延時，以適應傳輸延時隨環境的變化。

ONU相位參考點表示信元在ONU端的處理、傳輸時延；OLT相位參考點是指OLT處理、傳輸信元的時延。OLT到ONU各段的延時說明以及相位參考點如圖2所示。

ATM-PON及其測距流程分析（圖二）

基本信元發送延時Ts，是指等效延時Td為0的情況下ONU端發送的上行信元相對于所收到的下行信元的延時，它與ONU對PON信號的處理時間有關。

ONU信元發送延時，指延時Ts和Td之和，即ONU端光電轉換之前上行信元相對于下行授權之間的總延時。

接口延時是指由于收發接口上的延時，主要由光電轉換造成，圖2中示出了Tio1、Tio2、Tis1、Tis2。

此外還有信號在光纖中傳播的延時Tpd。

因此ONU的響應時間為各個延時之和，即Tresponse=Tio1+Ts+Td+Tio2；當Td取值為0時，Tresponse=Tio1+ Ts+Tio2；設上行幀的第一時隙中的信元對應下行幀第一個PLOAM信元中的第一個授權，則這個對應的上行信元與該PLOAM信元之間的延時被定義為等效往返延時Teqd，Teqd是在OLT相位參考點定義的，其值為：Teqd=2Tpd+Ts+Td+Tio1+Tio2+Tis1+Tis2 =2Tpd+Tresponse+Td+Tis1+Tis2

ATM-PON正常工作時，各個ONU的Teqd是個確定常數，由此才能保證不同ONU的上行信元準確復用到上行幀中。為了彌補延時變化以及安排上行順序，OLT根據測距結果給各個ONU指定Td值來調整延時。在155.52Mb/s系統中Td的精度為1比特。

ATM-PON中，由OLT主動發起對ONU的測距，其過程簡述如下：

(1)OLT在下行幀中使用未分配授權來打開測距窗口；

(2)OLT向特定ONU發送測距授權，必要時發送PLOAM授權；

(3)OLT收到被測距ONU響應測距授權而發送的上行PLOAM信元；

(4)OLT計算出Td并告知ONU，ONU調整自己的發送延時；

(5)OLT在業務運行過程中不斷測量上行信元的相位偏差，適時調整ONU的發送延時。

對于首次測距，必要時OLT先執行獲取ONU序列號的過程。OLT通過序列號屏蔽字消息確定ONU，ONU響應以攜帶序列號消息的PLOAM信元，OLT得到ONU的序列號后就分配給該ONU一個PON_ID，以后將使用該PON_ID尋址這個ONU。

在OLT發起的首次測距流程中，OLT首先在需要的情況下依次發出上行開銷消息、序列號屏蔽字消息、未分配授權以及測距授權、Assign-PON_ID消息、Grant_Allocation消息，接著進行門限恢復過程，并對該ONU進行光功率設置。在這期間，假如由于沒有檢測到光信號或幅度檢出失敗而造成的重試次數大于規定值時，將向該ONU連續發送3次PON_ID去激活消息并結束測距。光功率設置完成后正式開始延時的測量，發送未分配授權以及一個PLOAM授權后，OLT在打開的測距窗口中等待上行PLOAM信元，收到該ONU的PLOAM信元后計算往返延時，成功重復延時測量過程若干次，并且測得的延時偏差小于規定的最大值，然后計算出Td，在向ONU發送測距時間消息后成功結束首次測距，進入對ONU的動態測距流程。假如因為延時偏差太大，造成重試次數大于規定值時，同樣將向該ONU連續發送3次PON_ID去激活消息并結束測距。

OLT在發送含有測距授權的PLOAM信元時，記錄時刻T1，在測距窗口中收到ONU的上行PLOAM信元，時刻為T2。假設下行幀中第一個PLOAM信元的第一個授權即為測距授權，可以得到：

ΔT = T2-T1

= Tis1+Tpd+Tio1+Ts+Te+Tio2+Tpd+Tis2

= Tis1+Tis2+2Tpd+Tresponse+Te

ATM-PON中為了協調各個ONU的上行業務，以最大的往返延時作為OLT到各個ONU統一的邏輯距離，即Tconst。于是不考慮上行接入的時隙位置時，到各個ONU的往返延時應該是

Teqd=Tconst=Tis1+Tpd+Tio1+Ts+Td+Tio2+Tpd+Tis2

=2Tpd+Tresponse+Td+Tis1+Tis2

所以，可以得到Td=Teqd-(T2-T1)+Te=Tconst-(T2-T1)+Te

這里，Te為預設的延時，其缺省值為0，也可以根據ATM-PON系統的實際大小范圍設定為某個值，這樣就能相應減小測距窗口的尺寸，提高信道利用率。

在ONU工作時，OLT周期地對收到的信元相位進行連續檢查、測量傳輸延時的變化，以保證相鄰信元不發生沖突。時鐘對準手段將消除OLT的時鐘抖動，溫度變化則造成某個ONU的上行信元在相位上向相鄰的信元飄移。OLT在一段時間內對ONU的每個上行信元的延時進行測量，得到與原先Td相位差的均值，假如均值大于1比特，就使用這個均值修正原來的Td，并通過測距時間消息發送給ONU。即OLT在發出給某個ONU的上行授權時記錄時刻T1、收到該ONU的上行信元記錄時刻T2，假設該授權是下行幀中的第一個授權，取d= Teqd-(T2-T1)，記錄d與上次測得Td的偏差p=Td-d。如此記錄一段時間后，求各個偏差p[i](i=0,1,2...)的平均值av，修正Td=Td+av。

在測距過程中，ONU被動地對OLT的授權和消息作出響應，發送相應的上行PLOAM信元，以及對發送延時進行調整。測距完成后，ONU將使用指定的Td作為發送延時。在考慮上行業務的時隙位置時，ONU根據上行數據授權在下行PLOAM信元中的位置確定使用哪個上行時隙，于是在上面分析的基礎上應該再延時(grant-1)×56×8(bits)(上行幀中時隙為56字節長，3字節開銷加上53字節信元)。比如，ONU收到的數據授權是下行幀中第一個PLOAM信元中的第五個授權，則ONU總的發送延時T=Td+(5-1)×56×8=Td+4×56×8(bits)；假如是第2個PLOAM信元中的第二個授權，即總的第29個授權，那么T=Td+28×56×8(bits)。這樣，就可以把上行信元準確插入到上行幀的第grant個時隙中。

接入網數字化、寬帶化是必然的發展趨勢，而ATM-PON因其具有光纖傳輸距離遠、誤碼率低、帶寬大的優點，并結合了ATM適應寬帶數據業務需要的特點，成為諸多寬帶接入網方案中最具前途的一種。測距是ATM-PON實現上行接入的要害技術之一，非凡是在寬帶高速的ATM-PON系統中，延時變化對上行接入的影響非常大，測距更顯得重要。在實現MAC協議的時候，必須考慮到測距的實現以及測距流程對MAC協議的影響。

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