一种以太网无源光纤网络的实现方法 技术领域
本发明属于光纤网络传输类，尤其涉及宽带无源光网络传输系统的控制方法。
背景技术
目前，由于Internet业务的快速发展，全球各地的网络供应商为迎接IP时代的到来，正在全力着手进行网络扩容，随着大容量交换机、路由器和密集波分复用(DWDM)光纤传输系统应运而生，困扰多年的核心网的容量问题得以解决，核心网在整个网络中所占成本比例也大幅度下降。但是，容量和成本的瓶颈问题再一次推到接入网传输部分。今日困扰电信运营商的问题主要是如何应对因特网宽带接入需求的飞速发展以及竞争对手咄咄逼人的竞争。他们因此需要成倍地提升通信容量，降低成本，迅速提供业务，接入网连接千家万户。用户对业务的需求也是千差万别，各地的传输距离、用户密度、应用环境也有很大不同，各种接入技术力图巩固已有阵地并扩展新的应用空间，宽带化是当前摆在每一种接入技术面前的难题，是接入技术在新世纪生存能力的考验。光纤因其带宽潜力不仅在传输网中称霸，在接入网中理所当然地也会占有传输媒介的主导位置，特别是当带宽成为业务瓶颈的时候。
在传统地全光网接入系统中，各地的运营商提出了许多不同的传输方式，主要利用光纤组成的光纤到用户(FTTH)、光纤到局(FTTExch)、光纤到配线盒/路边(FTTCab/c)及光纤到大楼/办公室(FTTB/O)，这些网络都可以提供真正无限的带宽。但是它敷设从中心局(CO)到每个客户场所的全部通路光纤(点到点)，在每个光纤的两端安装价格昂贵的有源电子设备，在CO端管理所有的光纤连接。但是，接入网由于距离短，光电终端器件的成本高使得这种接入系统难以在实际系统中得到广泛应用；而且随着各大城市的美化、亮化、现代化的建设，复杂的光纤布线也越来越受到各种主客观条件的限制。
基于以太网技术的无源光纤网络EPON是一种采用一点到多点的拓扑逻辑代替原有点对点的传输系统，它消除了有源电子设备(例如再生器、放大器和激光器)，采用无源光耦合器和时分复用(TDMA)的传输技术将来自中心局(CO)的以太网数据传到多个用户端，减少了CO内所需的激光器的数量，从而克服了传统光纤网络中点对点光纤分布方案的缺点，为在中心交换局和客户现场之间配置光接入线路提供了一种低成本的传输方法，也简化了网络的结构和配置，减轻了未来建成网的维护工作量。
但是，EPON在结构上分成3个部分，用于接入局端的光纤线路终端(OLT)、连接用户端的光纤网络单元(ONU)及将前两者连接起来的光纤分布网络(ODN)，下行通道采用广播方式，OLT发送的数据为所有ONU接收。上行通道则采用时分复用(TDMA)方式，将来自各ONU的时隙安固定顺序组成上行帧。在目前的PON系统中，APON已有标准，是建立在信元传输的基础上。EPON目前还没有成形统一标准，在Ethernet PON(EPON)TDMA Interface in PHY Layer and other considerations(IEEE 802.3 EFM StudyGroup，Portland，OR，July 10-12，2001)建议及其它相关文档中都将TDMA分配放在ONU的物理层实现。但在这种结构方式中，EPON系统的TDMA实现被限制在专用的物理层芯片内，EPON用户只能采用专用的EPON物理层芯片才能组网，因而限制了EPON系统的应用。由于TDMA在物理层实现，不能对来自用户的以太网数据包重新进行分割、重组等处理。在Ethernet PON(EPON)TDMA Interface in PHY Layer and other considerations建议中也没有对测距所用的时隙进行细化。
发明内容
本发明的目的是提供一种以太网无源光纤网络的实现方法，解决上述难题，以实现EPON系统中如话音、数据、图象等多媒体业务在网络上传输时的多方面需要。
本发明的目的是这样实现的：一种以太网无源光纤网络的实现方法，包括利用现有的以太网MAC、微控制器、普通接收光模块和脉冲发送光模块构成ONU端设备，采用OLT、ONU及上行通道的时隙分配的步骤。本发明在于还包括下列步骤：
1，由微处理器通过软件在上行通道的MAC层完成以太网数据包的TDMA处理，包括数据包大小的改变，在对应的数据发送和接收时间段内，控制器使能或关闭脉冲光模块，以便发送或接收各ONU用户的数据。
2，由OLT在下行通道的数据帧中发送同步标志，各ONU利用该同步标志同步OLT时钟。
3，将上下行数据帧中各同步标志后的第1个时隙固定为测距时隙。
4，由OLT和各ONU通过该时隙相互配合以完成节点的测距过程。
由于本发明采用了以上的技术方案，将时分复用TDMA的分配方式从物理层提到了数据链路层，摆脱了EPON系统对专用EPON物理层芯片的束缚，使用成熟的以太网技术的芯片，降低成本，有利于用户根据各自的需要，在数据链路层灵活地分配时隙、定义帧结构及重组数据帧，用户也可以根据需要灵活地插入所需要的传输协议，降低运营商的建网成本和初设资，推动了EPON在宽带接入网系统中的应用。
附图说明
图1是本发明的一种EPON的结构层次示意图；
图2是本发明的一种ONU节点设备电路模块示意图；
图3是本发明的一种OLT端硬件框图的示意图；
图4是本发明的一种下行帧结构图的示意图；
图5是本发明的一种上行帧结构图的示意图。
图中主要标记：
1，用户端以太网接口 2，ONU控制器 3，突发发送光模块 4，普通接收光模块
5，普通收发光模块 6，OTL控制器 7，普通发送光模块 8，突发接收光模块
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施作如下详述：
在图1中，(a)是IEEE 802.3 EFM Study Group在Ethernet PON(EPON)TDMA Interface inPHY Layer and other considerations建议中提到的EPON分层结构，(b)是本发明中提出的EPON分层结构。其中(A)、(B)和(D)是物理层，(E)和(F)是数据链路层，(C)是集成在物理层内的TDMA，(E)是建立在数据链路层上的TDMA时隙分配，该层可完成时隙的分配、数据帧的分时发送和相关数据链路层通信。PCS是物理编码子层，PMD是物理介质独立子层，PMA是物理介质附加子层。
在图2中，A、B为用户端以太网接口1到ONU控制器2的收、发数据线，其速率一般为10M或100M，C为由ONU控制器2去突发发送(脉冲)光模块3的发送数据线。D为由普通接收光模块4到ONU控制器2的接收数据线。E为普通接收光模块4提取供突发发送光模块3使用的时钟信号。ONU控制器是2一种以太网桥接器，可由微处理器+MAC或其它ASIC芯片构成，主要对两端的光模块实行控制、管理及数据包的读写、处理和转发等工作。
在图3中，C、D是普通收发光模块5与OLT控制器6相连的信号，E是OLT控制器6到普通发送光模块7的发送数据线，是所有下行用户数据的发送端。F是突发接收光模块8到OLT控制器6的接收数据线，所有上行通道用户数据在这里分时接收。普通收发光模块5与局端路由器等其它城域网设备相连。OLT控制器6也是一种以太网接口桥接器。其功能及实现同于ONU端控制器2。
在图4中，下行帧为一超帧，是由不同ONU子帧构成、和同步标志以及包间间隔组成。每一子帧由帧头、净荷及校验字组成。每一超帧时长为2ms，各超帧中所包含的子帧数量不定且无时间顺序。在图中，同步标志后的第1时隙被定为EPON系统的测距时隙，用于EPON系统的测距过程。
在图5中，上行超帧是由各ONU的子帧、同步标志及包间安全间带组成，每一超帧时长为2ms。每一激活ONU用户均分配一固定时隙，在该固定时隙有效时长内可发送多个数据包。每一子帧结构同下行子帧。在图中，同步标志后的第1时隙定为测距时隙，用于EPON系统的测距过程。
综上所述，在实际控制过程中，本发明的控制方法结合以上所述，其具体控制有以下内容和步骤：
首先，通过EPON实现将TDMA处理从物理层提升到数据链路层，其下仍为普通的以太网物理层芯片，(如图1(b)所示)。这种数据链路层TDMA结构的实现可通过微处理器+MAC和光模块构成，在OLT端形成OLT端控制器，(如图2所示)。
其次，在ONU端形成ONU控制器，(如图3所示)。其微处理器+MAC的功能可集成在ASIC，或采用其它技术来实现。OLT端设备由OLT控制器+普通发送光模块7和突发(脉冲)接收光模块8构成；ONU端设备由ONU控制器2+普通接收光模块4和突发(脉冲)发送光模块3构成。
再其次，通过微处理器将来自高层的用户数据在数据链路层进行TDMA处理，并可根据用户数据包及工作状况在作TDMA处理的同时将用户数据进行合并和分解，即长包拆分成短包和短包合并成长包。
再者，经过TDMA处理的数据利用现有的以太网物理层芯片和脉冲光模块，在处理器的控制下周期性地使能和关闭OLT和ONU脉冲光模块，完成用户数据的接收和发送，实现EPON系统的功能。
然后，OLT在下行每一数据帧起始均含有同步标志，各ONU利用此同步标志调整本设备的时钟。
最后，为进一步完善EPON的测距过程，本发明中对测距用时隙还作了一安排，固定为同步标志后的第1个时隙用作测距时隙，(见图4下行帧结构和图5上行帧结构)，所有的ONU和OLT在测距过程中均通过此时隙进行测距包的收发。在上行通道的TDMA时隙分配时，最远离同步标志的时隙最先分配，只有当所有的时隙均被使用时，第1时隙才被分配给最后一个节点设备。当帧中有设备离线或空余时隙时，如第1时隙被用户占用，则将第1时隙用户迁移到该空余时隙，以腾出第1时隙供后继设备接入时测距使用，本发明中第1时隙作为测距时隙可推广到其它EPON系统的测距过程。
在控制过程中，OLT和ONU的测距的过程简述如下：
1，对于所有的ONU均是冷启动时：
①每个ONU启动后，当检测到帧同步信息后，清除RTT值置为0，并立即(保证在上行第一个时隙内)向OLT发一个测距申请，该申请信息中包含本ONU的节点号；
②OLT在上行第一个时隙收到此申请后，在下行帧同步头后紧接着发送测距包，其中包含申请测距的ONU的节点号；
③此ONU在收到测距包后立即向OLT发一个确认信息，OLT收到此回传确认消息后，下发时隙授权信息给此ONU，包含分配的时隙、本站点的RTT值和延时补偿值。ONU据此信息更新自己的时隙值和RTT补偿值；
④如果出现以下情况，ONU或OLT将等待随机的几帧后再重新发起申请和测距：
多个ONU同时发起测试申请出现冲突时、
或ONU发出测距申请后的特定的时间没有收到测距包、
或ONU发出测距包后在TIMEOUT时间内没有收到回传确认信息、
或ONU发出回传信息后特定时间间隔内没有收到时隙分配信息。
⑤时隙分配的原则是最后一个时隙最先分配，第一个时隙最后分配；
⑥当每个ONU都分配到时隙后，OLT将定期检测每个时隙起始的Start of time slot标志，若某个时隙没有检测到该标志，则OLT认定为空时隙，表示该ONU已经关闭或离线，OLT发出网管命令，将排在最前面的有效时隙的ONU时隙搬移至此时隙，保证空时隙为第一时隙。
⑦OLT检测每个ONU发送的start of timeslot的到达时间，动态调整RTT的值，然后通过下行的命令发给ONU进行时隙微调。
2，当分配了时隙的ONU断电重启时，仍然是在上行第一个时隙发起测距申请，重复完成测距后，每个ONU根据本站点的RTT值和分配的时隙数启动内部定时器，在对应自己的上行时隙之前的保护带内打开上行光模块发送电平，发送数据，时隙结束后关闭发送电平，避免对其它ONU造成干扰。