千兆比特以太网无源光网络系统及其媒体访问控制方法

专利名称：千兆比特以太网无源光网络系统及其媒体访问控制方法
技术领域：
本发明涉及无源光网络(PON)系统，特别涉及GE-PON(千兆比特以太网帧无源光网络)系统及其媒体访问控制(MAC)方法。
在1999年11月2日授权的，题为“经点对多点无源光网络进行数据通信的协议(PROTOCOL FOR DATA COMMUNICATION OVER APOINT-TO-MULTIPOINT PASSIVE OPTICAL NETWORK)”的美国专利No.5,978,374和1999年9月15日公开的，题为“实施异步无源光网络媒体访问控制协议的方法(METHOD FOR IMPLEMENTINGASYNCHRONOUS PASSIVE OPTICAL NETWORK MEDIA ACCESSCONTROL PROTOCOL)”的韩国专利公开No.1999-70901中描述了常规ATM PON系统中使用的MAC协议，以下将结合它们作为参考。下面将简要描述ATM-PON系统的MAC。


图1a～1b解释了ITU-TG.983推荐的ATM-PON系统的方框图。图1a或1b中所示的ATM-PON系统位于树结构路由上并且含有一个OLT(Optical Line Termination(光线路终端))10，它在向每个与接入网络有关的用户提供信息时起着重要作用。OLT 10有一个树拓扑结构并且与ODN(Optical Distribution Network(光分布网络))12相连。ODN 12分配从图1a所示的OLT 10接收的下行数据帧，或者多路复用上行数据帧，然后将它们发送到图1b所示的OLT 10。ODN 12与至少两个ONU(OpticalNetwork Unit(光网络单元))14i(其中i＝a，b和c；并且a，b和c代表自然数)相连。如图1a所示，ONU 14i的配置能够接收来自ODN 12的下行数据帧并且将它们发送给多个用户16i(其中i＝a，b和c；并且a，b和c代表自然数)。如图1b所示，ONU 14I使用来自用户16i的输出数据作为上行数据帧并且将上行数据帧发送到ODN 12。应注意，在图1a～1b中，数字16i(即，16a到16c)表示用户，还可以表示NT(Network Termination(网络终端))或可在PON中使用的各种接入网络终端单元。
图1a～1b所示的常规ATM-PON系统以数据帧的形式执行上行传输或下行传输，其中每个数据帧具有预定数量的相互变化的ATM信元。每个ATM信元的大小为53字节。在图1a～1b所示的树型PON结构中，OLT 10正确地将要分配给每个ONU 14i的下行信元插入到下行帧中。在上行传输的情况下，根据TDM(时分复用)协议，OLT 10获得对从ONU 14i发送的数据的访问。在这种情况下，连接在OLT 10和ONU 14I之间的ODN12作为无源器件。OLT 10利用测距算法(ranging algorithm)通过虚拟距离连接来防止ODN 12中的数据彼此冲突。另外，在OLT 10向ONU 14i发送下行数据的情况下，加密密钥和OAM(Operation，Administration和Maintenance(运行、管理和维护))消息以可保证OLT 10和ONU 14i之间的数据保密性的方式在OLT 10和ONU 14i之间互换。为此，上行/下行帧具有用于在预定时间间隔内用于消息互换的专用ATM信元或者在通用ATM信元中具有对应的数据字段。
如上所述，ATM-PON系统根据预定义大小的ATM信元配置上行/下行帧，并且因点到多点的树结构而在上行传输中使用TDMA执行MAC协议。因此，ONU的频带分配算法变得复杂。
同时，随着当前因特网技术快速的增长趋势，增加了对更高带宽的需求。因此，为了适应端到端的传输，许多制造商已经利用千兆比特以太网来替代ATM技术来开发PON系统。千兆比特以太网具有相对较低的生产成本和较宽的带宽，而ATM技术具有非常高的生产成本和有限的带宽，并且需要因特网协议分组分段。
Alloptics公司在接入网络的PON结构中利用以太网帧替代ATM而实现的GE-PON系统是一个代表性实例。Alloptics制造的GE-PON系统向每个ONU分配大小固定的2ms时隙。这样，由于分配给每个ONU的时隙是大小固定的预定值，因此Alloptics的GE-PON系统简化了频带分配算法。但是，在没有上行/下行数据时，GE-PON系统具有浪费带宽的不利方面。
因此，有必要对GE-PON系统进行改进以克服现有技术中的缺陷。
根据本发明的一个方面，提供了一种MAC协议方法，用于更有效地在PON结构中采用千兆比特以太网帧，以及提供用于保证QoS(服务质量)，OAM和加密的字段。
根据本发明实施例，提供一种PON系统中的GE-PON系统，具有作为分光器的ODN，它包括OLT，用于(1)向ODN发送包含具有与至少两个ONU关联的时隙位置和大小信息的控制帧和以太网帧二者的下行窗口，用于(2)分析根据TDMA方法从ONU发送和从ODN接收的上行窗口中的RAU(Request Access Unit(请求访问单元))的内容，以及用于(3)确定与每个ONU对应的时隙位置和大小。有多个连接到ODN的ONU，用于响应下行窗口的控制帧中包含的它们自身的信息来分配它们自身的时隙位置和大小，并用来向/从所分配时隙发送/接收具有它们自身队列信息的RAU帧和以太网帧。
在一个优选实施例中，以太网帧具有千兆比特以太网帧，并且下行窗口和上行窗口分别具有2ms的大小。
在另一个优选实施例中，下行窗口的控制帧包括用来确定与连接到ODN的多个ONU有关的ID(标识)和时隙位置/大小的允许信息。
在另一个优选的实施例中，下行窗口包括多个以规则间隔插入的OAM帧。该多个OAM帧包含与OAM有关的信息和与连接ODN的ONU有关的测距控制信息。这样，在将OAM帧分为许多段然后被插入，并且将所有ONU分成预定数量的组以允许ONU共享一个OAM帧的情况下，可使操作时延最小。
图1a和1b是解释采用ITU-T推荐G.983的ATM-PON系统的方框图；图2a和2b是解释根据本发明的优选实施例的GE-PON系统的方框图；图3是解释根据本发明的千兆比特以太网帧结构的示意图；图4是解释根据本发明的优选实施例的GE-PON系统中下行窗口格式的示意图；图5是解释根据本发明的优选实施例的GE-PON系统中上行窗口格式的示意图；图6是解释根据本发明的优选实施例的上行/下行信道传输结构的示意图；以及图7是解释根据本发明的优选实施例由镜像计数器和请求计数器执行的频带分配的示意图。
图2a和2b是解释根据本发明的优选实施例的GE-PON系统的方框图。参考图2a和2b，OLT 100，由作为无源部件的分光器构成的ODN 102，多个ONU 104i(其中，i＝a，b和c；并且a，b和c代表自然数)，以及它们之间的连接结构与图1a和1b中所示的对应元件相似。图2a或2b中所示的GE-PON系统包括一个作为长途电话中心局的OLT，多个用户106i(其中，i＝a，b和c；并且a，b和c代表自然数)，以及多个ONU 104i。应该理解，ONU的数量可以通过考虑恰当的频带分配和预定的光功率预算来确定。如果有必要，ONU 104i可以安装在建筑物或公寓的配电箱中，或者在居民区的入口处来提供诸如ADSL之类的各种服务。OLT 100从主干网(未示出)接收数据，通过ODN 102向每个ONU 104i分配数据，或者根据TDM方法从ONU 104i获得对数据的访问。为此目的，OLT 100至少对第2层的MAC地址执行切换功能，并且应设计ONU 104i执行第2层和第3层的IP(网际协议)交换/路由器功能。
下面描述图2a和2b所示的GE-PON系统的各种功能和操作。GE-PON系统的一个功能是将每个ONU 104i的频带分配维护在预定水平，以保证PON结构中上行/下行数据的QoS。GE-PON系统的另一个功能是提供用于执行各种附加功能，如加密，OAM功能和测距功能的MAC结构。加密能防止相邻的ONU 104j(其中，j＝a，b和c；a，b和c＝自然数；并且iγj)读取与邻近的ONU 104j相邻的预定ONU 104I的广播下行数据。当在通信中接收到物理错误时，OAM功能允许物理错误与OLT 100和ONU 104I互换。因为OLT 100和每个ONU 104i之间的虚拟距离可以在数据通过ODN 12之后是可变的，所以测距功能不断地确定/维护OLT 100和ONU 104i之间的虚拟距离，以防止在上行传输的情况下ODN 104I间的数据冲突。需要以预定窗口形式结合以太网帧的格式来提供给这种利用以太网帧的MAC结构，下面详细描述根据这种格式的MAC协议结构。
图3是解释根据本发明的标准千兆比特以太网帧结构的示意图。参考图3，千兆比特以太网帧包括通过在帧起始部分前面起特定比特流的作用用于帧同步或物理稳定的7字节的前置码，通过起特定格式比特流的作用来表示帧起始部分的1字节的SFD(起始帧定界符)，分别具有6字节的目标硬件地址和源硬件地址，表示数据字段长度的2字节的LDF/TYP(数据字段的长度)，在0到1500字节范围内可变的数据字段(表示为LLC DATA)，用于当数据字段的数据大小小于最小帧大小时使用的填充字段(PAD)，以及4字节的CRC(循环冗余检验)字段。IEEE 802.3z中详细描述了上述千兆比特以太网帧。
图4是说明根据本发明优选实施例在GE-PON系统中从OLT 100发送到ONU 104i的下行窗口格式的示意图。参考图4，从OLT 100发送的下行窗口的长度固定为2ms。由可变千兆比特以太网帧组成2ms的下行窗口的原因是下行窗口长度越小，与下行窗口长度相比的额外开销的占用率就越高。相反，下行窗口长度越长，访问每个ONU 104i的时间间隔就越长，这样就不可能执行QoS和OAM功能。因此，2ms的下行窗口被称为折衷长度。
如图4所示，在下行窗口中插入允许控制帧，以便向允许控制帧分配来自每个ONU 104i的上行TDMA传输的时隙和时隙大小。由于以太网帧具有可变长度，因此分配给每个ONU 104i的时隙的总长在8字节单元中是可变地分配的。在ONU 104i需要的业务量负载彼此不同的情况下，固定的时隙分配导致频带浪费，因此上述可变时隙分配提供了最有效的频带管理。另外，各包含最小以太网帧(即，64字节)的四个OAM帧(图4中OAM#1到OAM#4)以预定时间间隔被插入到下行窗口。每个OAM帧包括一个用来表示ONU 104i的ONU ID，用于数据加密的加密密钥，ONU 104i的即插即用功能，各种告警信号，以及用于测距功能的消息字段。
图5是解释根据本发明优选实施例的GE-PON系统中的上行窗口格式的示意图。特别地，图5描绘了当根据TDMA方法数据从ONU 104I向分配给以太网帧的时隙和RAU(请求访问单元)发送数据时的上行窗口结构。参考图5，每个ONU 104i插入到上行窗口中由最小以太网帧(即，64字节)组成的RAU，然后将它们发送到OLT 100。每个RAU包括标题，ONU 104i的队列信息QL，用于频带分配的业务信息，用来响应下行OAM帧的内容，以及用于插入发送所需的信息的消息字段。
图6是解释根据本发明优选实施例的上行/下行发送结构的示意图。更详细地说，图6解释了OLT 100和三个ONU 104i之间数据的发送/接收状态。参见图6，参考符号“G”代表包括与一个ONU 104i相关的ID，时隙和时隙大小的授权消息。参考符号“R”代表包括ONU 104i的队列长度信息和业务优先级信息的RAU。参考符号“DATA”代表由OAM帧和用户数据组成的用户数据。
图7是解释根据本发明优选实施例通过镜像计数器和请求计数器的频带分配示意图。更详细地说，图7解释了假如每个ONU 104i在一个周期内只能发送一个千兆比特以太网帧，如何通过采用从OLT 100广播的下行窗口上的允许信息和RAU上的ONU 104i的队列信息来分配时隙和如何发送数据。
以下将参考图2a到7描述本发明优选实施例的所需操作。
在操作中，图2a或2b中所示的GE-PON系统的OLT 100通过ODN 102每2ms向ONU 104i广播图4中的下行窗口。如图4所示，允许控制帧位于下行窗口的开始。允许控制帧包括标题，在树结构中与ODN 102相连的每个ONU 104i(即，32个ONU)的ID信息，以及被允许在上行窗口发送的每个以太网帧的时隙和时隙大小的信息。“允许”一个ONU所需的信息对应时隙的位置和大小。这个信息需要5个字节。因此，为管理32个ONU，允许控制信息的大小可以按照“标题+(32*5字节)+额外开销”来计算。这样得到允许控制帧的大小为178字节。
在图4所示的下行窗口中，与OAM相关的消息(描述为“OAMMESSAGE FIELD(OAM消息字段))和OLT 100的与测距相关的消息(描述为RANGING FIELD(测距字段))加载到由最小以太网帧(即，64字节)组成的OAM帧上(即OAM#4)。OAM帧被发送到多个ONU104i。OAM帧被分为4个OAM帧段(以下称为4个OAM帧，以OAM#1到#4表示)，然后将4个OAM帧插入到2ms的下行窗口中以防止OAM帧之间的时间间隔变得太长。换句话说，OLT 100的当前OAM帧中的优先级消息被加载到4个OAM帧中与当前OAM帧相邻的下一个OAM帧，这样减小了消息发送时的时延长度。信息与下行窗口消息中4个OAM帧的每一个有关并且执行与8个ONU 104i(即，总共32个ONU 104i)有关的即插即用功能和测距功能。在下行窗口的最后段插入PAD的原因是以太网帧的可变性或发送空业务会引起2ms窗口长度的填充不足的情况。图4所示的下行窗口结构可以包括IFG(帧间间隙)，前置码，以及每个为1518字节的160个千兆比特以太网帧。在语音数据的情况下，除了上行/下行窗口的固定大小引起的最大2ms的可允许时延外，将语音数据发送到ONU 104i没有其它问题。
因此，图4中所示的下行窗口发送将千兆比特以太网帧数据发送到树结构中与ODN 102连接的32个ONU 104i的每一个，同时允许关于每个ONU 104i的时隙位置和时隙长度。
下面参考图5中所示的上行窗口结构。根据从OLT 100接收的允许控制帧，每个ONU 104i的上行千兆比特以太网帧被插入到它们自身允许的时隙。与下行发送方式相同，在所有上行发送允许信息在一个ONU 104i的情况下，各具有1518字节的160个以太网帧可以包括在上行窗口结构中。
在常规的上行窗口情况中，将每个与常规PON系统相连的ONU 104i设计成即使在上行窗口中没有用于ONU 104i上行发送的帧，也将至少一个RAU帧插入上行窗口中的方式从下行窗口内部的允许控制帧分配时隙。对ONU 104i进行上述设计的原因是通过连续通知OLT 100关于ONU104i的发送队列信息和有关OAM的消息来准备下一个上行发送，并且通知OLT 100关于ONU 104i的状态。
应指出，根据本发明的优选实施例，图2a或2b所示的GE-PON系统中省略了发送ONU 104i队列状态所需的允许过程，从而改进了ITU-TG.983.1推荐的ATM-PON产生的频带浪费的问题，ITU-T G.983.1推荐的ATM-PON中，ATM-PON询问/检查ONU 104i的队列状态信息，然后发送用于上行发送的允许信息。
按照前面所述的过程，一个ONU 104i的上行/下行最大发送容量为960Kbps，并且32个ONU 104i的同时上行/下行可发送的容量保证在30Mbps。位于2ms的上行/下行窗口中的额外开销比例大约为4％。假如控制16个ONU 104i，那么16个ONU 104i可以允许大约60Mbps的发送容量。下面将参考图6描述这个操作。
参考图6，每个ONU 104i根据从OLT 100广播的下行窗口中允许控制帧的分配内容G等待它自己的时隙。然后每个ONU 104i在上行窗口中插入发送消息R和数据。
时隙的频带分配可按照图4和5中所示的下行/上行窗口的发送/接收改变。下面参考图7详细描述频带分配。
图7解释了通过采用从OLT 100广播到ONU 104i的下行窗口上的允许信息和RAU上的ONU 104I的队列信息如何分配时隙和如何发送数据。为了达到这个目的，OLT 100包括与每个ONU 104i有关的MC 107(镜像计数器)和RC 108(请求计数器)(两个都显示在图2a和2b中)。OLT 100在每个ONU 104i的上行发送中分配时隙大小的分配操作无条件地取决于与每个ONU 104i对应的MC和RC。当千兆比特以太网帧实际上上行发送时，OLT 100中的MC对千兆比特以太网帧的数量和它们的长度计数。OLT 100中的RC对上行发送的RAU中记录的允许请求状态的数量计数。结果是，在接收MC和RC两个计数器的输出信号时，OLT 100正确地执行关于允许请求的上行发送允许状态的处理。下面将进行详细描述。
参考图7，每当千兆比特以太网帧到达ONU 104I时，ONU 104i中的队列值QL都增加，但是每当以太网帧为上行发送时则减小。当在ONU104i中的发送队列值QL设置为“2”的条件下OLT 100广播具有上述允许控制帧的下行窗口的情况下，当RAU帧在分配的时隙位置中加载发送队列信息“2+”和OAM信息时，ONU 104i向OLT 100上行发送RAU帧。在这种情况下，因为队列长度和上行发送的RAU帧中包括的允许请求状态分别被设置为“2+”，所以对应于OLT 100中的ONU 104i的MC和RC分别设置为“2”。
在OLT 100允许上述通过以太网帧数据的上行发送(通过下行窗口发送到对应的ONU 104i)和该允许控制帧的情况下，RC的值降为“1”。在下一个周期中再次允许上行发送的情况下，RC的值降为“0”。在ONU104i向ONU 104I的分配的时隙位置上行发送对应于允许时隙长度的千兆比特以太网帧和ONU 104i的发送队列值QL的情况下，减小OLT 100中的MC值和ONU 104i中的队列长度QL。
通过采用图7所示的方法在OLT 100和ONU 104i之间发送以太网帧，PON系统中的MAC协议可以更简单。换句话说，即使当ONU发送RAU时，典型的系统也需要OLT的允许，但是本发明有效地降低了这种许可步骤以提高系统效率。下面将详细描述。
在ONU 104i的队列存储器中累加要上行发送到OLT 100的多个数据。ONU 104I需要向OLT 100通知在队列存储器中累加的数据量和紧迫性。因此，ONU 104i除了通用数据帧外还有RAU帧，并且通过RAU帧，将队列存储器中的信息加载到OLT 100。根据这个信息，OLT 100将具有允许信息的允许控制帧下行广播到ONU 104i。允许控制帧表示上行数据发送的优先级和分配量(即，时隙位置和大小(或频带))。
在ONU 104i中的请求与实际的上行发送数据相比太大的情况下，OLT100考虑所有条件。如果相应的ONU 104i需要更多频带分配或频带分配条件降低引起另一个ONU 104I的频带占有，那么考虑到业务的优先级信息可以放弃与具有低优先级的业务有关的上行允许。ONU 104i的频带分配将极大地取决于未来PON系统，如ISP的实现计划，因此根据接入网络的特点应该考虑各种特定情况。
根据上述提出的实施例的本发明提供以提供高于ATM-PON的带宽方式在用于接入网络的PON结构中有效地发送千兆比特以太网传输的MAC结构。另外，本发明将一个IP分组分为ATM信元并且降低了重组IP分组所需的额外开销量，这样形成更有效的接入网络。
正如上述描述所显现的，本发明包括下行广播的允许控制帧，OAM和RAU等，由于它们拥有标准的千兆比特以太网的MAC帧属性，因此用这种方法，它能与当前以商业规模生产的典型的千兆比特以太网控制器和一些物理层控制芯片兼容。总之，本发明降低了开发新版本芯片所需的生产成本和时间周期，并且能作为昂贵的ATM设备的替代品。
虽然所揭示的本发明提出的实施例是为解释的目的，但是在不脱离本发明所附权利要求的范围和精神的情况下，可以进行各种修改，增加和替换。
权利要求
1.一种无源光网络(PON)系统中的千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统，包括光线路终端(OLT)，用于向ODN发送包含具有与至少两个光网络单元(ONU)关联的时隙位置和大小信息的控制帧和以太网帧二者的下行窗口，分析根据时分多址(TDMA)方法从光网络单元(ONU)发送并且从ODN接收的上行窗口中的请求访问单元(RAU)的内容，以及允许对应每个ONU的时隙位置和大小；以及与ODN连接的至少两个ONU，能够响应下行窗口的控制帧中包含的它们相应的信息来分配它们相应的时隙位置和大小，并且向/从分配的时隙发送/接收具有它们相应的队列信息和以太网帧的RAU帧。
2.根据权利要求1所述的GE-PON系统，其特征在于下行窗口包括至少两个千兆比特以太网帧。
3.根据权利要求2所述的GE-PON系统，其特征在于下行窗口的控制帧包括用来确定与ODN连接的ONU有关的标识(ID)和时隙位置/大小的允许信息。
4.根据权利要求3所述的GE-PON系统，其特征在于下行窗口包括多个以规则间隔插入的运营、管理和维护(OAM)帧，该多个OAM帧包含与OAM有关的信息和与连接ODN的ONU有关的测距控制信息。
5.根据权利要求3所述的GE-PON系统，其特征在于下行窗口的控制帧在5个字节中包括与每个ONU有关的时隙大小和上行窗口中的时隙位置信息，然后被以允许与32个ONU有关的上行发送的方式插入。
6.根据权利要求2所述的GE-PON系统，其特征在于上行窗口中的RAU帧由最小千兆比特以太网帧组成，并且每个ONU通过下行窗口中的允许控制帧将RAU插入到上行窗口。
7.根据权利要求3所述的GE-PON系统，其特征在于下行窗口包括至少4个按预定间隔插入的OAM帧，并且所有ONU分组成预定数量的组，以使OUN可以共享一个OAM帧，每个OAM帧包括与OAM相关的信息和测距信息。
8.根据权利要求1到7所述的GE-PON，其特征在于OLT包括镜像计数器，用于对响应多个ONU中的每一个而上行发送的千兆比特以太网帧的数量和它们大小计数；以及请求计数器，用于对经上行发送的RAU帧发送的ONU发送队列的以太网帧状态计数，其中把与每个ONU有关的时隙位置和时隙大小分配给与相应的ONU对应的镜像计数器值和请求计数器值。
9.一种用来在包括起长途电话中心作用的OLT，至少一个ONU和连接在OLT和ONU之间的ODN的GE-PON系统中控制MAC的方法，包括步骤a)通过OLT广播下行窗口，下行窗口包括用来将信息加载到与多个要在上行窗口中发送的ONU有关的以太网帧的时隙位置和大小的允许控制帧，和多个要广播到该多个ONU的千兆比特以太网帧；以及b)通过分析广播下行窗口的允许控制帧的信息将上行窗口中的时隙位置和大小分配给ONU，并且根据所分配的时隙大小，使多个ONU能够用TDMA方法向上行窗口内的时隙位置发送具有它们自己相应的发送队列状态的RAU帧。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于下行窗口的允许控制帧在5个字节中包括与每个ONU的上行发送有关的时隙大小和上行窗口内部的时隙位置信息，然后将它插入到下行窗口。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于下行窗口包括至少4个按预定间隔插入的OAM帧，所有ONU分组成预定数量的组，使ONU可以共享一个OAM帧，每个OAM帧包括用于在ONU间加密的信息，用于运行/管理/维护ONU的OAM信息，和测距信息。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于从每个ONU上行发送的RAU帧由最小千兆比特以太网帧组成，并必需插入到上行窗口，然后发送。
全文摘要
公开一种千兆比特以太网无源光网络(GE－PON)系统及其媒体访问控制方法。在GE－PON系统中，通过实施千兆比特以太网帧的MAC属性，光线路终端(OLT)向光分配网络(ODN)发送包含具有与至少两个ONU关联的时隙位置和大小信息的控制帧以及以太网帧的下行窗口。OLT分析以TDMA方法从光网络单元(ONU)发送并且从ODN接收的上行窗口中的请求访问单元(RAU)的内容，以及允许与每个ONU对应的时隙位置和大小。与连接到ODN的多个ONU具有响应下行数据的控制帧中包含的它们相应的信息所分配的时隙位置和大小。发送具有与所分配的时隙相关的队列信息和以太网帧的RAU帧。因此，通过GE－PON系统上面的MAC结构，OLT可以迅速地与多个ONU通信。
文档编号H04J3/00GK1417982SQ0215036
公开日2003年5月14日 申请日期2002年11月11日 优先权日2001年11月10日
发明者崔道仁, 吴润济, 李民孝, 张顺镐, 成焕珍, 朴泰诚 申请人:三星电子株式会社