柳林鋒， 朱 娜

（江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

FTTH是有線寬帶用戶接入網(wǎng)最具吸引力和前途的解決方案之一。其中作為解決“最后一公里”接入的EPON網(wǎng)絡(luò)不但在歐洲等國家地區(qū)開始廣泛的部署，而且在美國、日本、韓國、中國等國家實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署后已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用。雖然WLAN等無線接入能提供終端用戶自由靈活的連接卻無法提供足夠的長距離帶寬。因此基于EPONTPF FPT的MAC層協(xié)議無線接入混合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬帶無線接入具有重要的實(shí)際意義。

WLAN、3G、WiMAX三種無線技術(shù)各自具有不同的應(yīng)用范圍：WLAN網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)局部熱點(diǎn)地區(qū)的寬帶無線接入，3G網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信的無縫漫游要求，并且在文獻(xiàn)[1]中提到基于PON的3G分布系統(tǒng)，但沒有涉及到PON MAC層實(shí)現(xiàn)無線接入的協(xié)議內(nèi)容。而WiMAX網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)的帶寬無線化，滿足熱點(diǎn)地區(qū)調(diào)整數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，并且在文獻(xiàn)[2]中也提出 EPON與 WiMAX 的組網(wǎng)方案，但由于WiMAX網(wǎng)絡(luò)的頻譜限制與建網(wǎng)成本預(yù)算，因此WLAN在熱點(diǎn)區(qū)域的無線更具競爭優(yōu)勢。另外，由In-Stat公司的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2007年全球有2.94億部消費(fèi)H電子H產(chǎn)品內(nèi)置WiFiH芯片H，預(yù)計(jì)到2012年可達(dá)10億部。在EPON大規(guī)模部署的趨勢背景下，采用EPON與WLAN中的WiFi技術(shù)組成混合網(wǎng)絡(luò)更具有成本競爭優(yōu)勢，是過渡實(shí)現(xiàn)寬帶無線接入的發(fā)展趨勢，因此本文展開的實(shí)現(xiàn)EPON與WiFi MAC層協(xié)議融合實(shí)現(xiàn)無線接入具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 EPON MAC層的無線接入

1.1 無線接入物理模型

EPON技術(shù)[3-4]用于無線接入網(wǎng)可將多個(gè)分散的基站（BS）數(shù)據(jù)通過光纖向上由光線路終端（OLT）鏈接到骨干網(wǎng)絡(luò)，向下由遠(yuǎn)端光網(wǎng)絡(luò)終端-基站模塊（ONU-BS）完成無線接入，在下行鏈路上，POS將骨干段光纖的信號復(fù)制到各支路，以廣播方式將下行信息發(fā)送至每個(gè)ONU后經(jīng)BS發(fā)送到用戶終端，在上行鏈路采用時(shí)分復(fù)用多址接入技術(shù)，在OLT的集中控制下，每個(gè)ONU獨(dú)占一個(gè)時(shí)隙，防止各ONU的數(shù)據(jù)在POS匯聚時(shí)產(chǎn)生沖突，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)上下行鏈路雙工通信。EPON無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 EPON無線接入結(jié)構(gòu)示意

圖1中EPON MAC層無線接入系統(tǒng)的ONU-BS是EPON中的ONU與WIFI中發(fā)射射頻信號的BS集成模塊，需要實(shí)現(xiàn)ONU的光/電和電/光轉(zhuǎn)換功能，完成對語聲信號的數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換、復(fù)用、信令處理和維護(hù)管理功能的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)基站收發(fā)射頻信號的功能。因此為了實(shí)現(xiàn)EPON的無線接入，需要對EPON的MAC層做相應(yīng)的修改，到達(dá)EPON的寬帶無線接入。

1.2 EPON無線接入MAC層分析

對比分析EPON的層次模型[5]與參考文獻(xiàn)[6]中的IEEE 802.11b層次參考模型，可以發(fā)現(xiàn)兩者最大的區(qū)別就在于物理層（PHY），在EPON PHY中，通過GMII接口與RS層相連，擔(dān)負(fù)著為MAC層傳送可靠數(shù)據(jù)的責(zé)任。最主要的功能是將數(shù)據(jù)編成合適的線路碼，完成數(shù)據(jù)的前向糾錯(cuò)，以及將數(shù)據(jù)通過光電、電光轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。在802.11 PHY中，要實(shí)現(xiàn)物理層收斂功能使物理媒介依賴（PMD）系統(tǒng)的能力自適應(yīng)于PHY服務(wù)以及定義兩個(gè)或者多個(gè)STA（站點(diǎn)）之間通過無線媒介（WM）發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的方法與特性。而PHY是構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)基于EPON的無線接入，需要對EPON中ONU的物理層進(jìn)行調(diào)整:在EPON參考模型中的物理層增加無線接口實(shí)現(xiàn)802.11收斂子層、物理層管理、DSSS物理層收斂協(xié)議子層（PLCP）、DSSS物理媒介依賴子層(PMD)和站點(diǎn)管理的PHY層功能。

1.3 EPON 無線接入的MAC協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層控制著物理傳輸媒質(zhì)的訪問，EPON數(shù)據(jù)鏈路層包括LLC、OAM（可選）、MAC控制（可選）和MAC四個(gè)子層；而802.11數(shù)據(jù)鏈路層包含LLC與MAC兩個(gè)子層。實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的傳輸是MAC的主要功能，在EPON中MAC子層將上層通信發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝到以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)里，并決定數(shù)據(jù)的安排、發(fā)送與接收發(fā)送，由于擴(kuò)展了MAC控制子層的功能，因此在MAC子層中新增加了5種控制幀。MAC控制幀子層（可選）主要是負(fù)責(zé)ONU的接入控制，通過MAC幀完成對ONU的初始化、測距和動(dòng)態(tài)帶寬分配，采取申請/授權(quán)機(jī)制，執(zhí)行一整套多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）。而在802.11b協(xié)議中的3種類MAC子幀中控制幀的功能主要是在數(shù)據(jù)幀交換過程中完成握手處理和定時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)媒介訪問控制方法是基于二進(jìn)制指數(shù)退避策略的CSMA/CA機(jī)制，即在MAC協(xié)議中的RTS/CTS幀。因此在EPON的MAC層中新增與無線接入功能控制子幀：RTS、CTS、ACK、PS+Poll、CF+End和CF+End+ACK，實(shí)現(xiàn)EPON的無線接入功能。為了保證無線媒介中傳輸數(shù)據(jù)的安全接入，將 802.11MAC子層控制幀的有線等效加密（WEP）域也添加到EPON協(xié)議MAC中。進(jìn)一步對比分析EPON與802.11MAC層的具體子幀內(nèi)容后，還需要將802.11MAC子層中的多段標(biāo)志子幀、功率管理子幀、持續(xù)時(shí)間子幀、BBBID子幀以及順序控制子幀添加到EPON協(xié)議的MAC幀，我們這里把EPON中的MAC幀與新增的協(xié)議版本、子類型與WEP標(biāo)記等子幀封裝而成的，向上能與 EPON高層協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，向下能與PHY層實(shí)現(xiàn)無線通信的 MAC幀記為 EMAC。即通過圖 2[5]和圖3的前后對比，就可以發(fā)現(xiàn)增加無線接入功能后EPON下行幀結(jié)構(gòu)的變化。

圖2 EPON修改前的下行幀結(jié)構(gòu)

圖3 EPON修改后的下行幀結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果與分析

在 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下按照實(shí)驗(yàn)框圖模型配置，POS分路比率為1：16，并采用EPON系統(tǒng)最大的傳輸距離20 km作為測試長度，每個(gè)ONU的緩存隊(duì)列長度為5 Mbits，為了模擬實(shí)際 EPON中的數(shù)據(jù)源，仿真中采用了服從固定長度及時(shí)間間隔分布的數(shù)據(jù)源和具有長相關(guān)性的突發(fā)數(shù)據(jù)源。

圖4和下頁圖5測定的是高優(yōu)先級業(yè)務(wù)在采用固定長度及時(shí)間間隔分布的數(shù)據(jù)源和具有長相關(guān)性的突發(fā)數(shù)據(jù)源在EPON系統(tǒng)與EPON無線系統(tǒng)下時(shí)端到端的時(shí)延情況。

圖4 服從固定長度及時(shí)間間隔分布的數(shù)據(jù)源

通過比較， EPON無線接入系統(tǒng)較直接接入系統(tǒng)時(shí)延大，并在下頁圖5的 0.3到1階段間，具有長相關(guān)性的突發(fā)數(shù)據(jù)源具有更好的時(shí)延平穩(wěn)性，與實(shí)際情況相符，說明實(shí)現(xiàn)了基于EPON的無線接入。

圖5 具有長相關(guān)性的突發(fā)數(shù)據(jù)源

3 結(jié)語

本文通過分析 EPON MAC層的有關(guān)媒介接入控制協(xié)議幀內(nèi)容，將 802.11 MAC中的控制子幀、功率管理、持續(xù)時(shí)間以及 BBBID等有關(guān)無線接入控制的子幀添加進(jìn)來封裝成新MAC的協(xié)議幀以實(shí)現(xiàn)基于EPON MAC的無線接入。實(shí)驗(yàn)仿真表明：EPON MAC層通過增加無線接入控制協(xié)議幀的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶端的自由無線接入，并能繼承EPON接入的優(yōu)點(diǎn)。下一步的工作是如何降低EOPN無線接入時(shí)延。

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