基于EPON MAC層協(xié)議的無(wú)線接入研究

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(guó)家地區(qū)開(kāi)始廣泛的部署，而且在美國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)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(wú)線接入能提供終端用戶自由靈活的連接卻無(wú)法提供足夠的長(zhǎng)距離帶寬。因此基于EPONTPF FPT的MAC層協(xié)議無(wú)線接入混合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬帶無(wú)線接入具有重要的實(shí)際意義。

WLAN、3G、WiMAX三種無(wú)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(wú)線接入，3G網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信的無(wú)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(méi)有涉及到PON MAC層實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wú)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(wú)線更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(shì)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是過(guò)渡實(shí)現(xiàn)寬帶無(wú)線接入的發(fā)展趨勢(shì)，因此本文展開(kāi)的實(shí)現(xiàn)EPON與WiFi MAC層協(xié)議融合實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 EPON MAC層的無(wú)線接入

1.1 無(wú)線接入物理模型

EPON技術(shù)[3-4]用于無(wú)線接入網(wǎng)可將多個(gè)分散的基站（BS）數(shù)據(jù)通過(guò)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(wú)線接入，在下行鏈路上，POS將骨干段光纖的信號(hào)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(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 EPON無(wú)線接入結(jié)構(gòu)示意

圖1中EPON MAC層無(wú)線接入系統(tǒng)的ONU-BS是EPON中的ONU與WIFI中發(fā)射射頻信號(hào)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(duì)語(yǔ)聲信號(hào)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(hào)的功能。因此為了實(shí)現(xiàn)EPON的無(wú)線接入，需要對(duì)EPON的MAC層做相應(yīng)的修改，到達(dá)EPON的寬帶無(wú)線接入。

1.2 EPON無(wú)線接入MAC層分析

對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)無(wú)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(wú)線接入，需要對(duì)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(wú)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(wú)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(wèn)，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(guò)MAC幀完成對(duì)ONU的初始化、測(cè)距和動(dòng)態(tài)帶寬分配，采取申請(qǐng)/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(guò)程中完成握手處理和定時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)媒介訪問(wèn)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(wú)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(wú)線接入功能。為了保證無(wú)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(duì)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(wú)線通信的 MAC幀記為 EMAC。即通過(guò)圖 2[5]和圖3的前后對(duì)比，就可以發(fā)現(xiàn)增加無(wú)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(cè)試長(zhǎng)度，每個(gè)ONU的緩存隊(duì)列長(zhǎng)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(zhǎng)度及時(shí)間間隔分布的數(shù)據(jù)源和具有長(zhǎng)相關(guān)性的突發(fā)數(shù)據(jù)源。

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

圖4 服從固定長(zhǎng)度及時(shí)間間隔分布的數(shù)據(jù)源

通過(guò)比較， EPON無(wú)線接入系統(tǒng)較直接接入系統(tǒng)時(shí)延大，并在下頁(yè)圖5的 0.3到1階段間，具有長(zhǎng)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(shuō)明實(shí)現(xiàn)了基于EPON的無(wú)線接入。

圖5 具有長(zhǎng)相關(guān)性的突發(fā)數(shù)據(jù)源

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)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(wú)線接入控制的子幀添加進(jìn)來(lái)封裝成新MAC的協(xié)議幀以實(shí)現(xiàn)基于EPON MAC的無(wú)線接入。實(shí)驗(yàn)仿真表明：EPON MAC層通過(guò)增加無(wú)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(wú)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(wú)線接入時(shí)延。

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