ATM-PON及其测距流程分析

　　一 ATM-PON介绍

　　目前的用户接入网主要是以承载话音业务为主的铜缆网，但随着具有高带宽要求的高速数据业务的出现，传统铜缆接入网已经成为全网宽带化的瓶颈。主干网光纤化带来的巨大的带宽资源使人们考虑到接入网也应该实现光纤化、宽带化。

　　光纤接入网主要面对小企业用户以及住宅用户。它不仅能提供原来铜缆网所提供的2Mb/s以下的窄带业务，还可以提供图像、数据等宽带新业务。并且接入网设备不依赖于交换机的型号，可以在多厂家、多类型交换机环境中工作。

　　ITU-T在1998年2月的G.983建议中对基于ATM的无源光网络(ATM-PON)做了规范，建议提出下行业务在1550nm波长采用广播方式，上行采用1310nm波长的TDMA方式把用户业务接入到OLT。根据G.983规范，ATM-PON中，一个OLT最多可寻址64个ONU，PON所支持的虚通路(VP)数为4096。

　　ATM-PON下行速率有155.52Mb/s和622.08Mb/s两种，上行速率为155.52Mb/s，其帧结构如图1所示。155Mb/s下行链路上每帧56个时隙，含两个PLOAM信元；而622Mb/s的为每帧224个时隙，有8个PLOAM信元。ATM-PON的上行帧有53个时隙，每个时隙56字节，即一个53字节信元和每个信元之前的3字节开销。开销包括3个域：防卫时间域、前置比特图案和定界比特图案。防卫时间最少4比特，用于相邻信元间相位漂移的保护；前置比特图案用于OLT实现比特同步的获取；定界部分则可用于确定帧和时隙的边界。这3个域的长度是可编程的，可以由OLT决定，并通过下行的PLOAM信元中携带的消息告知ONU。OLT在下行PLOAM信元中给ONU发送上行授权，ONU只有接到有效上行授权，才能在上行帧中占有一个时隙。并且OLT可根据需要，要求ONU发送PLOAM信元、微时隙信元或者普通的数据信元。

　　ATM-PON的工作原理如下：OLT将到达各个ONU的下行业务组装成帧，以广播的方式发送到下行信道上，各个ONU收到所有的下行信元后，根据信元头信息从中取出属于自己的信元；在上行方向上，由OLT轮询各个ONU，得到ONU的上行带宽要求，OLT合理分配带宽后，以上行授权的形式允许ONU发送上行信元，即只有收到有效上行授权的ONU才有权利在上行帧中占有指定的时隙。

　　实现ATM-PON的关键技术有多址和接入控制技术(在使用TDMA上行接入时包括测距、带宽分配等)、突发信号的发送和接收技术、快速比特同步技术以及安全保密等方面的技术。

　　目前实用的PON系统主要是窄带PON，由窄带PON升级到宽带的ATM-PON，终端设备和控制协议都需要进行大幅度的改动，传输速率的提高对物理层设备和媒质访问控制(MAC)协议都有新的要求。只要宽带PON的成本可以控制在目前窄带PON的1.5倍以下，还是可以接受的。虽然宽带PON的技术细节还需要在其实际的发展和使用中继续研究和完善，但ITU-T在ATM-PON实用系统出现之前就确定了G.983建议，对ATM-PON进行了规范，它进入实用的步伐将会更加顺利。无论从网络发展的必然趋势还是从用户需求角度来看，宽带的ATM-PON将会是最有竞争实力的接入网方案。

　　二 ATM-PON的测距

　　由于PON中光分配网络(ODN)部分为共享光纤媒质，因此上行方向上，每个用户的ATM信元是在预先约定的时间插入预先分配好的时隙内，从而组成一定格式的上行帧送给OLT。为了避免与OLT不同距离的ONU所发的上行信号在OLT处发生冲突，OLT需要一套测距功能，测量每一ONU与OLT之间的距离(即延时)，并指挥每个ONU调整发送时间使之不致相互冲突。

　　根据G.983建议，ATM-PON采用全数字的带内测距方法来测量OLT到ONU的逻辑距离。这种测距方法适合于0到20km左右范围的ATM-PON，并能在不中断业务的情况下实施。测距过程主要由两个部分组成：一是ONU开机或复位时进行的首次测距，通过打开测距窗口来进行；二是在业务传送过程中通过不断测量信元延时动态调整ONU的发送延时，以适应传输延时随环境的变化。

　　ONU相位参考点表示信元在ONU端的处理、传输时延；OLT相位参考点是指OLT处理、传输信元的时延。OLT到ONU各段的延时说明以及相位参考点如图2所示。

　　基本信元发送延时Ts，是指等效延时Td为0的情况下ONU端发送的上行信元相对于所收到的下行信元的延时，它与ONU对PON信号的处理时间有关。

　　ONU信元发送延时，指延时Ts和Td之和，即ONU端光电转换之前上行信元相对于下行授权之间的总延时。

　　接口延时是指由于收发接口上的延时，主要由光电转换造成，图2中示出了Tio1、Tio2、Tis1、Tis2。

　　此外还有信号在光纤中传播的延时Tpd。

　　因此ONU的响应时间为各个延时之和，即Tresponse=Tio1+Ts+Td+Tio2；当Td取值为0时，Tresponse=Tio1+ Ts+Tio2；设上行帧的第一时隙中的信元对应下行帧第一个PLOAM信元中的第一个授权，则这个对应的上行信元与该PLOAM信元之间的延时被定义为等效往返延时Teqd，Teqd是在OLT相位参考点定义的，其值为：Teqd=2Tpd+Ts+Td+Tio1+Tio2+Tis1+Tis2 =2Tpd+Tresponse+Td+Tis1+Tis2

　　ATM-PON正常工作时，各个ONU的Teqd是个确定常数，由此才能保证不同ONU的上行信元准确复用到上行帧中。为了弥补延时变化以及安排上行顺序，OLT根据测距结果给各个ONU指定Td值来调整延时。在155.52Mb/s系统中Td的精度为1比特。

　　ATM-PON中，由OLT主动发起对ONU的测距，其过程简述如下：

　　(1)OLT在下行帧中使用未分配授权来打开测距窗口；

　　(2)OLT向特定ONU发送测距授权，必要时发送PLOAM授权；

　　(3)OLT收到被测距ONU响应测距授权而发送的上行PLOAM信元；

　　(4)OLT计算出Td并告知ONU，ONU调整自己的发送延时；

　　(5)OLT在业务运行过程中不断测量上行信元的相位偏差，适时调整ONU的发送延时。

　　对于首次测距，必要时OLT先执行获取ONU序列号的过程。OLT通过序列号屏蔽字消息确定ONU，ONU响应以携带序列号消息的PLOAM信元，OLT得到ONU的序列号后就分配给该ONU一个PON_ID，以后将使用该PON_ID寻址这个ONU。

　　在OLT发起的首次测距流程中，OLT首先在需要的情况下依次发出上行开销消息、序列号屏蔽字消息、未分配授权以及测距授权、Assign-PON_ID消息、Grant_Allocation消息，接着进行门限恢复过程，并对该ONU进行光功率设置。在这期间，如果由于没有检测到光信号或幅度检出失败而造成的重试次数大于规定值时，将向该ONU连续发送3次PON_ID去激活消息并结束测距。光功率设置完成后正式开始延时的测量，发送未分配授权以及一个PLOAM授权后，OLT在打开的测距窗口中等待上行PLOAM信元，收到该ONU的PLOAM信元后计算往返延时，成功重复延时测量过程若干次，并且测得的延时偏差小于规定的最大值，然后计算出Td，在向ONU发送测距时间消息后成功结束首次测距，进入对ONU的动态测距流程。如果因为延时偏差太大，造成重试次数大于规定值时，同样将向该ONU连续发送3次PON_ID去激活消息并结束测距。

　　OLT在发送含有测距授权的PLOAM信元时，记录时刻T1，在测距窗口中收到ONU的上行PLOAM信元，时刻为T2。假设下行帧中第一个PLOAM信元的第一个授权即为测距授权，可以得到：

　　ΔT = T2-T1

　　= Tis1+Tpd+Tio1+Ts+Te+Tio2+Tpd+Tis2

　　= Tis1+Tis2+2Tpd+Tresponse+Te

　　ATM-PON中为了协调各个ONU的上行业务，以最大的往返延时作为OLT到各个ONU统一的逻辑距离，即Tconst。于是不考虑上行接入的时隙位置时，到各个ONU的往返延时应该是

　　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

　　这里，Te为预设的延时，其缺省值为0，也可以根据ATM-PON系统的实际大小范围设定为某个值，这样就能相应减小测距窗口的尺寸，提高信道利用率。

　　在ONU工作时，OLT周期地对收到的信元相位进行连续检查、测量传输延时的变化，以保证相邻信元不发生冲突。时钟对准手段将消除OLT的时钟抖动，温度变化则造成某个ONU的上行信元在相位上向相邻的信元飘移。OLT在一段时间内对ONU的每个上行信元的延时进行测量，得到与原先Td相位差的均值，如果均值大于1比特，就使用这个均值修正原来的Td，并通过测距时间消息发送给ONU。即OLT在发出给某个ONU的上行授权时记录时刻T1、收到该ONU的上行信元记录时刻T2，假设该授权是下行帧中的第一个授权，取d= Teqd-(T2-T1)，记录d与上次测得Td的偏差p=Td-d。如此记录一段时间后，求各个偏差p[i](i=0,1,2...)的平均值av，修正Td=Td+av。

　　在测距过程中，ONU被动地对OLT的授权和消息作出响应，发送相应的上行PLOAM信元，以及对发送延时进行调整。测距完成后，ONU将使用指定的Td作为发送延时。在考虑上行业务的时隙位置时，ONU根据上行数据授权在下行PLOAM信元中的位置确定使用哪个上行时隙，于是在上面分析的基础上应该再延时(grant-1)×56×8(bits)(上行帧中时隙为56字节长，3字节开销加上53字节信元)。比如，ONU收到的数据授权是下行帧中第一个PLOAM信元中的第五个授权，则ONU总的发送延时T=Td+(5-1)×56×8=Td+4×56×8(bits)；如果是第2个PLOAM信元中的第二个授权，即总的第29个授权，那么T=Td+28×56×8(bits)。这样，就可以把上行信元准确插入到上行帧的第grant个时隙中。

　　接入网数字化、宽带化是必然的发展趋势，而ATM-PON因其具有光纤传输距离远、误码率低、带宽大的优点，并结合了ATM适应宽带数据业务需要的特点，成为诸多宽带接入网方案中最具前途的一种。测距是ATM-PON实现上行接入的关键技术之一，特别是在宽带高速的ATM-PON系统中，延时变化对上行接入的影响非常大，测距更显得重要。在实现MAC协议的时候，必须考虑到测距的实现以及测距流程对MAC协议的影响。