摘 要

互联网的功能越来越强大，而信息传递的速度是全世界关注的重点。一直以来，光网络技术有了巨大的发展，但是接入网技术的关键问题在于如何高效地分配带宽，本文就基于PON网络中对动态带宽分配做了深入学习研究。首先，在绪论部分介绍了接入网的概念，引出了接入网中重要的问题。

此外，本文重点选取了无源光网络(PON)中的EPON，学习了EPON技术的结构和功能。EPON技术作为下一代宽带接入技术的最佳方案，值得我们深入探究。除了详细阐述EPON系统的基本结构、帧结构、功能、基本工作原理外，本文还讨论的EPON中的一些关键技术。其中，对多点MAC控制和多点控制(MPCP)协议两个方面的内容进行了深入的介绍和学习。之后，本文通过比较了EPON的两种带宽分配方式，静态带宽分配和动态带宽分配，介绍了DBA算法在EPON中的优点。并学习研究了现有的各种动态带宽分配算法，并重点选取了IPACT算法分别从轮询机制和最大传输窗口设计进行了算法分析和仿真，然后提出了个算法依然存在的问题且提出了相应的解决方案。最后，介绍了matlab仿真软件，对IPACT算法进行了仿真，结果表明IPACT算法能够极大的提高系统上行带宽的利用率，最后本文总结了该算法的研究设计，提出了自己对EPON系统中DBA算法的看法。

关键词：无源光网络，EPON，动态带宽分配（DBA），仿真

ABSTRACT

The Internet is becoming more and more powerful, and the speed of information transmission is the focus of the world's attention. Optical network technology has been developing tremendously all the time. However, the key issue of access network technology is how to allocate bandwidth efficiently. This paper does an in-depth study on dynamic bandwidth allocation in PON networks. First of all, in the introduction part, the concept of access network is introduced, leading to important issues in the access network.

In addition, this article focuses on the EPON in Passive Optical Networks (PONs) and learns the structure and functions of EPON technology. EPON technology as the best solution for next-generation broadband access technology deserves further exploration. In addition to the detailed description of the basic structure, frame structure, functions, and basic working principles of the EPON system, this article also discusses some key technologies in the EPON. Among them, the two aspects of multi-point MAC control and multi-point control (MPCP) protocol are introduced and studied in depth. Afterwards, this paper compares two bandwidth allocation methods, static bandwidth allocation and dynamic bandwidth allocation of EPON, and introduces the advantages of DBA algorithm in EPON. And studied and studied various existing dynamic bandwidth allocation algorithms, and selected the IPACT algorithm from the polling mechanism and the maximum transmission window design, performed the algorithm analysis and simulation, and then proposed the remaining problems of the algorithm and proposed corresponding s solution. Finally, the Matlab simulation software is introduced and the IPACT algorithm is simulated. The results show that the IPACT algorithm can greatly improve the utilization of the system's uplink bandwidth. Finally, this paper summarizes the research design of the algorithm, and proposes my own opinion of DBA algorithm in the EPON system

Keywords: EPON, DBA(dynamic bandwidth allocation),Simulation Modeling

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1绪论 1

1.1引言 1

1.2研究背景 1

1.3本文的主要工作 2

1.4论文组织架构 2

2EPON技术的简介与关键技术的探究 3

2.1EPON的基本结构 3

2.2 EPON的基本工作原理 3

2.3 EPON的关键技术 4

2.3.1 EPON的多点MAC控制概述 4

2.3.2多点控制协议(MPCP协议) 5

3EPON动态带宽分配算法 9

3.1EPON中使用动态带宽分配算法（DBA）的原因 9

3.2现有的动态带宽分配算法(DBA) 9

3.3小结 11

4IPACT算法原理与实现 12

4.1轮询机制 12

4.2轮询机制的实例分析 14

4.3动态最大传输窗口算法的优化设计 15

4.4系统仿真 17

4.4.1节点建模 17

4.4.2进程建模 18

4.4.3链路建模 18

4.4.4网络建模 18

4.5改进后IPACT算法流程图 20

4.6仿真结果 20

4.7IPACT算法依然存在的问题 22

4.7.1IPACT算法没有固定轮询周期 22

4.7.2IPACT算法的轮询顺序问题 22

4.8小结 22

5总结 23

6致谢 24

7参考文献 25

1绪论

1.1引言

一直以来，由于种种限制，接入网技术相对与骨干网技术来说发展缓慢。但是用户数据量需求的快速增长，接入网技术的发展面临的巨大的问题。二十一世纪以来，随着光信号放大、波分复用(WDM)等光通信技术的快速发展，数字化、光纤化和宽带化在电信网的核心网中基本实现。但是，骨干网、企业网和家庭网的发展，互联网流量的迅速增加使接入网的带宽接入技术的问题越来越大。骨干网和局域网之间出现了信息高速公路“最后一公里”的重大瓶颈问题，所以，如何提高骨干网的可靠性和提高骨干网的容量成为了接解决该问题的重中之重。   无源光网络(PON)的出现有效地解决了该瓶颈问题，它为用户提供千兆甚至万兆的带宽，而PON接入光网络的有效带宽分配得到了实现。因此，第一英里以太网联盟EFMA (Ethernet in the First Mile Alliance )总结提出了以太无源光网络(Ethernet Passive optical Network, EPON) 的概念。以太网技术和无源光网络融合而成的EPON技术继承了两种技术的优点，有着高带宽、低成本、易兼容的优点。因此，电信网研究者一致认为EPON 技术是新一代宽带接入技术的最佳解决方案。

1.2研究背景

因为业务量和用户量的迅速增长，EPON技术的关键在于如何有效地分配上行带宽，它关系到了整个接入网的性能。带宽分配主要有两种方式，一种是静态带宽分配(SBA)，另外一种是动态带宽分配(DBA)。因为在系统中上行带宽的总带宽是有限的，动态带宽分配相比较静态带宽分配而言，具有更高的上行带宽利用率，可以更加好的保证用户的服务质量(QoS)。一直以来，在EPON系统中，对如何实现高效的动态带宽分配和组网、加密、测距、安全性、时延补偿、突发信号的快速同步技术等方面，国内外的研究者已经做了大量的工作。因此，研究动态带宽分配算法迫在眉睫。

EPON技术发展以来，我们研究出了各种不同的EPON动态分配算法，不同的算法有着不同优点和缺点，所以我们对不同算法都应该要有深入地学习研究。为了降低了因传输时延而引起的带宽资源浪费的问题，有效地提高了上行信道的带宽利用率，研究者提出了IPACT算法，这是一种基于自适应周期间插轮询的算法。另一种CBR (constant-bit-ratc)算法，它支持服务等级协议(SLA)的，可以为时延敏感的业务提供可靠的QoS服务。在具有固定轮询周期的系统中，通过上述算法进行上行带宽分配后会出现剩余带宽，BGP算法是基于对剩余带宽的合理运用而提出，它可以提高上行带宽的利用率。

1.3本文的主要工作

本文首先介绍了EPON技术的背景和其瓶颈问题的提出，然后对EPON的基本结构、功能、工作原理进行了学习，深入研究了EPON中MAC层核心协议，具体介绍了MPCP等EPON中的关键技术。本文比较了静态分配算法和动态分配算法，阐述了DBA在EPON中的优点，接着提出了EPON中现有的各种DBA算法，并重点选取了IPACT算法分别从轮询机制和最大传输窗口设计进行了算法分析和仿真，然后提出了个算法依然存在的问题且提出了相应的解决方案。最后，介绍了matlab仿真软件，对IPACT算法进行了仿真。

1.4论文组织架构

第一章，绪论。首先介绍了PON网络的前身和作用。并提出PON网络中上行带宽的分配是一个重要研究方向。其次介绍了EPON网络中现有的各种DBA算法。最后，介绍了本论文主要工作、论文结构和安排。

第二章，EPON技术的简介与关键技术的探究。本章主要学习学习了EPON技术的结构和功能，并深入探究了其关键技术，包括了多点MAC控制，MPCP协议和EPON系统测距。为EPON中DBA算法的学习打下了理论基础。

第三章，EPON动态带宽分配算法。本章首先从静态带宽分配（SBA）出发，阐述了动态带宽分配（DBA）在EPON上行带宽分配中的优点，并详细介绍了现有的DBA算法，包括了IPACT算法，BGP算法，CBR算法，并在其中挑选了IPACT算法在第四章进行了深入学习与仿真。

第四章，IPACT算法原理与实现，本章主要在深度研究了IPACT后，用实例写出了其算法原理，并写出了其算法流程图，在matlab中用仿真语言将其仿真。并深刻分析了IPACT算法依然存在的问题和其解决方案。

第五章，总结。本章主要阐述了本论文中我所做的工作，并对EPON技术的发展提出了自己的想法。

第六章，致谢。本章表达了在本科四年和本次论文中，我对那些关心过我，帮助过我的人最诚挚的谢意。

2EPON技术的简介与关键技术的探究

2.1EPON的基本结构

EPON存在于业务网络接口和用户网络接口之间，主要由光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)和许多光网络单元(ONU)三个部分组成，EPON中OLT位于中心局端，起交换路由的作用，ONU位于用户端，用于存储上行数据和下行数据，并在合适的时候进行转发。在PON结构的基础上，结合以太网而形成一点对多点的拓扑结构，就是EPON的基本结构，如图2.1所示:

图2.1 EPON的基本结构

2.2 EPON的基本工作原理

根据IEEE802.3ha协议标准使用的以太网协议，EPON所传输的可变长数据包最小为64bytes，最大为l518bytes.。在一根光纤上，EPON技术可以实现信号的双向传输，它有一条1550nm的下行信道和一条1310nm上行信道，因为上下行传输方式的不同，所以它的工作方式也不同，所使用的工作原理也是不同的。EPON运行基本工作原理如图所示。

在下行传输方向上，数据帧由OLT向各个ONU广播，如图所示，每个信息帧都有一个报头，作用为确定接受的ONU。每个ONU通过检测报头（数据帧的逻辑地址）来提取属于自己的信息。

在上行传输方向上，多个ONU一同发送数据，经过一条光纤最终到达OLT。这其中就存在着同步问题。所以，研究者提出了时分复用技术，即在不同的时隙，OLT向ONU发送接收数据请求，在本时隙，只有单个ONU向OLT发送数据。因为各个ONU到OLT的时延不同，所以我们需要对不同OLT和ONU间进行测距，并使用合理的算法提高其带宽利用率。

图2.2 EPON的工作原理图

2.3 EPON的关键技术

在数据链路层上，上行信道MAC子层控制遵循的多址控制协议(MPCP)是EPON技术的关键之一，ONU端存在着即插即用问题、OLT端则存在着测距和延时补偿兼容性等问题。EPON中OLT端应采用突发模式的光接收机，且快比特同步技术也是EPON中的关键技术。由于上行信道采用了TDMA技术，因此会产生0. lms左右的时延。EPON的另一个关键技术是测距和时延补偿技术，该技术能够实现OLT处的网络时隙同步，也就是说，相位同步和字节同步是在几个比特时间上实现的，从而避免了由数据传输引起的冲突。

2.3.1 EPON的多点MAC控制概述

EPON使用扩展的多点MAC控制（MPMC）子层来执行上行链路多输入和上行链路ONU带宽分配。多点MAC控制定义了点到点光网络的MAC控制方式。，为了支持多个用户，它替代了原IEE802. 3ah中的MAC控制子层，用来增强了MAC控制的功能。多点MAC控制采用IEE802. 3ah以太网控制子层的机制，具有实时控制和操作MAC的管理功能。基于EPON中一点对多点的结构，多点MAC控制子层技术很好的完成了该功能。图2.3为多点MAC控制子层间的关系示意图。

图2.3 多点MAC控制在EPON层次结构中的位置

2.3.2多点控制协议(MPCP协议)

1. MPCP协议的涵义

因为EPON在上行链路中使用了时分复用技术，为了支持一点对多点的EPON 结构，研究者提出了多点控制协议(Multi-Point Control. Protocol , MPCP)。该协议是OLT和ONU之间一个高效的控制机制，它可以发现新的ONU，并对其进行注册，分配地址，且记录下相关信息。

2.MPCP的功能及基本工作原理

多点控制协议的功能包括ONU的自动发现和加入，ONJ发送的时隙的分配以及将建筑物的情况报告给高层以进行动态带宽分配。图3.6为MPCP协议工作原理示意图，其具体基本工作原理如下:

1)采用TDMA方式在共享信道上某段时间只允许一个MAC客户发送以太网帧，OLT可以向每个ONU发送帧，而ONU只有在OLT的授权下才能发送帧。该功能由OLT中的“授权处理过程”控制。

2)EPON网络发现新的ONU后，先注册该ONU，然后统一由OLT来授权其是否能够发送帧。该功能由OLT中的“发现处理过程”负责。

3)反馈机制，即ONU向OLT反馈信息，包括所传数据大小，信息传输RTT，该机制能够提高带宽利用率。该功能由“报告处理过程“负责完成。

4)MAC控制帧由控制子层产生，用来进行“授权、发现、报告”。

图2.4 MPCP协议工作原理示意图

2. MPCP帧

基于EPON的一点对多点的结构中，多个ONU由一个OLT控制，并且多个ONU中没有信息的交流。为了OLT能够高效地控制每个ONU，IEE802. 3ah制定了一个多点控制协议。该协议定义OLT和ONU之间信息交流的规范，它定义了5种控制帧: 分别为GATE(授权)帧、 REPORT(报告)帧、REGISTER REQ (注册请求)帧、REGISTER (注册)帧和REGISTER ACK (注册确认)帧，MPCP协议定义了两种工作模式。第一种为初始化工作模式，它通过REGISTER、REGISTER REGQUEST 和REGISTER ACK三个控制帧来新加入ONU,具体的操作方式为对新ONU进行注册，并为其分配地址，并通过接收ONU的REPORT帧后对其进行测距和时隙同步。而在正常工作模式下，OLT通过GATE和REPORT两种控制帧来对ONU进行带宽分配。具体操作过程为ONU先向OLT发送REPORT报告帧，该帧包含了本ONU中的数据情况以及需要OLT分配的带宽大小，OLT在接收到ONU的REPORT帧后，判断是否授权，并使用GATE帧来对ONU进行授权带宽。MAC控制帧的长度都为64字节，其通用结构示意于表1。

表1 MPCM帧的通用帧结构

2.3.3EPON系统的测距

  为了使OLT和ONU进行同步，我们需要对EPON系统进行测距，测距采用时间标签法。EPON系统所说的测距为一个OLT和一个ONU之间传输数据的往返时间，其缩写为RTT。RTT不仅仅与OLT和ONU的实际距离有关，还和传输线路等环境因素有关。测距通过GATE/REPORT帧来实现。时间标签法测距的基本工作原理是:

1. 时刻OLT向ONU发送GATE帧，并将时间写入GATE帧
2. 时刻ONU接收到了GATE帧，并分析GATE帧数据将本地时钟改为
3. 时刻ONU向OLT发送REPORT帧，并将时间写入REPORT帧
4. 时刻OLT接收到了REPORT帧，并分析REPORT帧数据得到了

原理示意图如图2.5所示，传输时延RTT公式如下:

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