基于GPON的光纖光柵傳感信號(hào)接入節(jié)點(diǎn)研究*

王玉寶，劉春苗

(1.燕山大學(xué)信息科學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004;2.燕山大學(xué)河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004)

0 引言

光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)具有抗電磁干擾、復(fù)用能力強(qiáng)、無(wú)源器件等優(yōu)點(diǎn)，它已成功應(yīng)用于醫(yī)療、煤礦，以及建筑工程等領(lǐng)域。近年來(lái)，人們對(duì)大規(guī)模復(fù)用光纖光柵傳感器的要求也越來(lái)越迫切。由基本單一復(fù)用技術(shù)現(xiàn)已逐步趨于采用波/時(shí)分復(fù)用［1］、碼/波分復(fù)用，以及空分/波分/時(shí)分混合復(fù)用技術(shù)。本文利用GPON接入網(wǎng)傳輸光纖傳感信號(hào)，GPON在光寬帶接入應(yīng)用中有著靈活的GEM封裝格式，不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換便可接入各種類型的信號(hào)［2］。光纖光柵傳感子網(wǎng)信號(hào)在本地經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后，形成數(shù)據(jù)幀，為減少GEM幀負(fù)載部分的控制開銷比特?cái)?shù)，接入節(jié)點(diǎn)采用固定時(shí)分多址接入技術(shù)對(duì)多路子網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行復(fù)接，然后，將其封裝成定長(zhǎng)時(shí)分復(fù)用幀，經(jīng)ONU統(tǒng)一按照GEM格式封裝，最后，通過(guò)接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)到達(dá)遠(yuǎn)程傳感監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)幀信息進(jìn)行分析，如有異常立即向傳感現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出預(yù)警［3］。此設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了光纖傳感網(wǎng)和通信網(wǎng)的融合，避免了單獨(dú)鋪設(shè)傳感網(wǎng)絡(luò)的巨額代價(jià)。本文設(shè)計(jì)了傳感復(fù)用幀結(jié)構(gòu)，并分析了保護(hù)間隔和保護(hù)時(shí)間取不同值時(shí)，幀開銷比隨著負(fù)載變化的變化過(guò)程，對(duì)實(shí)現(xiàn)未來(lái)光纖光柵傳感信息數(shù)字化遠(yuǎn)程傳輸有一定的指導(dǎo)意義。

1 傳感信號(hào)接入節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與傳感復(fù)用幀的設(shè)計(jì)

如圖1所示，接入節(jié)點(diǎn)主要完成傳感子網(wǎng)信號(hào)的碼速率調(diào)整、固定時(shí)分多址接入、傳感復(fù)用幀的組裝及發(fā)送等工作。碼速調(diào)整和時(shí)分多址接入由同一外部時(shí)鐘提供定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)，傳感復(fù)用幀的組裝和發(fā)送是在系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度控制中心的控制下有序進(jìn)行的。

圖1 接入節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of access node

1.1 傳感信號(hào)接入節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)與功能

傳感子網(wǎng)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)分配的時(shí)隙到來(lái)時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，子網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)都插入了幀同步碼，以便使接收端能準(zhǔn)確區(qū)分子幀的首尾，但插入幀同步碼會(huì)導(dǎo)致時(shí)分復(fù)接時(shí)產(chǎn)生碼重疊或定位錯(cuò)誤現(xiàn)象。為防止接收端解碼錯(cuò)誤，各路傳感信號(hào)必須經(jīng)碼速調(diào)整后才能進(jìn)行時(shí)分復(fù)接。定時(shí)單元為設(shè)備提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，可以由內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘推動(dòng)，本文采用的是外部時(shí)鐘。碼速率調(diào)整單元對(duì)各輸入支路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行必要的頻率或相位調(diào)整，形成與定時(shí)信號(hào)完全同步的數(shù)字信號(hào)。時(shí)分復(fù)接單元主要完成時(shí)分復(fù)接功能，對(duì)已同步的各子網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)分復(fù)接形成串行數(shù)字序列，排隊(duì)等待調(diào)度控制中心調(diào)度成幀。調(diào)度控制中心以協(xié)議幀結(jié)構(gòu)為參考，按照固定時(shí)隙成幀算法，事先設(shè)定好固定時(shí)隙長(zhǎng)度，每隔一段時(shí)間依次調(diào)度各模塊數(shù)據(jù)，完成組裝過(guò)程，傳感復(fù)用幀暫存放于數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，等待ONU分配的時(shí)隙到來(lái)時(shí)將數(shù)據(jù)上行輸出到ONU端口。在時(shí)分復(fù)接時(shí)，系統(tǒng)采用輪詢的方法讀入各傳感子網(wǎng)數(shù)據(jù)，每隔一個(gè)輪詢周期T讀入一次子網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀，每個(gè)傳感子網(wǎng)占用一個(gè)固定的時(shí)隙長(zhǎng)度Tw，Tw的大小要綜合考慮各個(gè)子網(wǎng)接入的傳感器個(gè)數(shù)和接入子網(wǎng)總數(shù)，本文為了分析簡(jiǎn)便，假設(shè)各個(gè)子網(wǎng)的規(guī)模大小相同。

1.2 傳感復(fù)用幀的設(shè)計(jì)

傳感復(fù)用幀長(zhǎng)度固定不變，其長(zhǎng)度主要由復(fù)用的傳感子網(wǎng)數(shù)和傳感器總數(shù)決定。而GEM幀長(zhǎng)度可變，PLI(payload length indicator)字段用12bit二進(jìn)制數(shù)表示GEM幀負(fù)載的長(zhǎng)度，允許填充的最大負(fù)載長(zhǎng)度為212=4095 bytes，當(dāng)傳感復(fù)用幀的長(zhǎng)度大于4 095 bytes，GPON網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)其進(jìn)行分片處理［4］，傳感復(fù)用幀無(wú)需進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，便可直接填充到GEM幀的負(fù)載部分。本文設(shè)計(jì)的傳感復(fù)用幀結(jié)構(gòu)，可包含M個(gè)子網(wǎng)的N個(gè)數(shù)據(jù)幀，如圖2所示。

圖2 傳感復(fù)用幀結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of sensing multiplexed frame

幀同步碼(Sync)用來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方同步，以便接收端判斷數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。本文采用幀標(biāo)識(shí)位F(01111110)。保護(hù)間隔(Guard interval)是為系統(tǒng)處理幀頭信息預(yù)留時(shí)間。標(biāo)簽(Label)字段一般包括目的地址(DA)、源地址(SA)、凈荷生存時(shí)間(TTL)和凈荷業(yè)務(wù)類型(TOP)這些字段。源地址和目的地址各占4byte。目的地址為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的地址，源地址為傳感接入節(jié)點(diǎn)的地址。凈荷生存時(shí)間占8 bit。目的是防止數(shù)據(jù)幀無(wú)限制地在網(wǎng)絡(luò)中兜圈子，保證數(shù)據(jù)按時(shí)交付到傳感監(jiān)控中心。若傳感業(yè)務(wù)類型不同，實(shí)時(shí)性要求不同，TTL值也不盡相同。凈荷業(yè)務(wù)類型，占1 byte。由于光纖光柵傳感業(yè)務(wù)具有嚴(yán)格時(shí)延要求，故在ONU端口封裝時(shí)要優(yōu)先處理。在接入網(wǎng)中為了保證不同業(yè)務(wù)QoS的需求［5］，把ONU端接收到的業(yè)務(wù)分為3個(gè)等級(jí):1)加速轉(zhuǎn)發(fā)型，比如:某些增值業(yè)務(wù)(本文的光纖光柵傳感業(yè)務(wù));2)確定轉(zhuǎn)發(fā)型;3)盡力而為型，理論上該字段占2 bit，本文用8bit表示，多余的預(yù)留給ONU端新增業(yè)務(wù)類型備用。故標(biāo)簽字段最多占10 byte。保護(hù)時(shí)間(Guard time)為接收端提取分析標(biāo)簽內(nèi)容預(yù)留時(shí)間。分隔符(Separator)的使用便于區(qū)分各子網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)幀，這里采用將10111111經(jīng)過(guò)8B/10B冗余編碼后的10 bit字符。幀尾的FCS字段占2 byte，使用CRC的幀校驗(yàn)序列。便于傳感監(jiān)控中心判斷接收幀是否有效，無(wú)效丟棄;有效，則繼續(xù)對(duì)其解封裝。子網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)幀來(lái)源于各光纖光柵傳感子網(wǎng)發(fā)送模塊，是接入節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀的凈荷部分。

2 幀開銷比分析與仿真

為了確定分隔符的個(gè)數(shù)，仿真時(shí)假設(shè)每個(gè)子網(wǎng)最多可復(fù)用100只光纖光柵傳感器，每個(gè)光纖光柵數(shù)據(jù)包編碼大約占4byte，其中，數(shù)據(jù)凈荷占2byte，傳感信息類型占1 byte，傳感器源地址占1 byte。由此可推出:每個(gè)子網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度大約占400bytes。同時(shí)假設(shè)傳感接入節(jié)點(diǎn)可復(fù)用2～30個(gè)子網(wǎng)。所以，傳感復(fù)用幀的凈荷長(zhǎng)度在800～12000 bytes范圍內(nèi)變化。凈荷和各控制字段的速率都統(tǒng)一設(shè)為100 Mbps。這里以時(shí)間為單位計(jì)算開銷比

式中 tpocket為傳感復(fù)用幀的時(shí)延，由凈荷時(shí)延、標(biāo)簽時(shí)延、幀頭幀尾時(shí)延、保護(hù)間隔和保護(hù)時(shí)間及分隔符的時(shí)延;tassemble為傳感數(shù)據(jù)在輸入接口緩存中的排隊(duì)等待時(shí)延、發(fā)送時(shí)延及傳播時(shí)延，傳播時(shí)延為傳感接入系統(tǒng)內(nèi)部的延時(shí)，可忽略。故tassemble=tqueue+tsend。tassemble主要由傳感接入節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)的性能決定，性能越優(yōu)良該值越小，在不更換設(shè)備的前提下，一般該值是固定的。此處設(shè)a=tassemble/tpacket，分別取0.03，0.04

將式(2)代入式(1)得

如前所述，分隔符的長(zhǎng)度為10 bit，幀頭幀尾共占3 bytes，標(biāo)簽長(zhǎng)度為 10 bytes，tguardtime和 tguardinterval是人為設(shè)定的，二者之和為Tg，合適的保護(hù)時(shí)間對(duì)幀傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)性能的影響不容忽視，仿真時(shí)分別取Tg為1，50，100 ns

其中，L1=400 B是一個(gè)傳感子幀度。

將式(4)代入式(3)整理得

根據(jù)式(5)分析可知，影響開銷比的主要因素是負(fù)載長(zhǎng)度、保護(hù)時(shí)間與保護(hù)間隔、tassemble/tpacket的選取，這三項(xiàng)因素直接影響了數(shù)據(jù)幀開銷比的大小。仿真圖如圖3。

圖3 開銷比率在不同a下的變化Fig 3 Variation of overhead rate under different a

從圖3(a)和圖3(b)兩圖可以看出:當(dāng)負(fù)載長(zhǎng)度一定時(shí)，設(shè)定的保護(hù)間隔和保護(hù)時(shí)間的值越大，開銷比也變得越大。因此，在設(shè)計(jì)傳感復(fù)幀結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要綜合考慮各種因素，盡量選擇較小的保護(hù)時(shí)間。當(dāng)Tg取某一定值時(shí)，隨著負(fù)載在傳感復(fù)用幀中所占比例增大。開銷比率會(huì)隨著凈荷的增大而減小。因?yàn)楸疚脑诜抡鏁r(shí)已設(shè)定每個(gè)傳感子網(wǎng)幀的長(zhǎng)度為400 byte，負(fù)載增大即接入的子網(wǎng)數(shù)增多。通過(guò)對(duì)比以上兩圖不難發(fā)現(xiàn)，二者有著相似之處，當(dāng)負(fù)載長(zhǎng)度在8000～12000 byte范圍內(nèi)變化時(shí)，開銷比會(huì)逐漸趨于某個(gè)固定的值而保持不變，而這個(gè)固定的值與tassemble/tpacket非常相近，圖3(a)中趨近于0.035，圖2(b)中趨近于0.045。結(jié)合公式(1)，這個(gè)結(jié)果不難得出，隨著 Lpayload的增大，tpayload在tpacket中所占的比例變大，ηoverhead≈atpacket/tpayload，由于其他管理控制開銷的存在，開銷比會(huì)比a稍大一些。這就需要不斷地提高傳感接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備的匯聚速率，縮短匯聚時(shí)間在封裝幀時(shí)所占的比例，從而降低開銷比率。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號(hào)通過(guò)GPON遠(yuǎn)程傳輸，本文設(shè)計(jì)了接入節(jié)點(diǎn)和傳感復(fù)用幀結(jié)構(gòu)，傳感子網(wǎng)數(shù)據(jù)幀在接入節(jié)點(diǎn)經(jīng)時(shí)分復(fù)用組裝成幀。在傳感子網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)入GPON前，這些預(yù)處理作用非常重要，減少了控制開銷比特?cái)?shù)，為監(jiān)控中心提取有用傳感信息節(jié)省了時(shí)間。本文通過(guò)Matlab仿真分析了影響幀開銷比的因素，發(fā)現(xiàn)增加接入子網(wǎng)數(shù)，盡量減小保護(hù)時(shí)間間隔，提高接入節(jié)點(diǎn)匯聚速率都能有效減小幀開銷比率。

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