专利名称：千兆位以太网无源光纤网络中传输数据的方法
技术领域：
本发明涉及一种千兆位以太网-无源光纤网络(此后，称为“GE-PON)，更特别地，涉及一种在GE-PON结构中使用的数据传输方法。
无源光纤网络(PON)由分布式树型结构拓扑组成，其中一个光纤线路终端(此后称为“OLT”)使用1xN无源光纤分配器与多个光纤网络单元(此后称为“ONU”)连接。最近，在ITU-T(国际电信同盟-电信部分)的领域中，已经在ITU-T G.982，ITU-T G.983.1和ITU-T G.983.3中提出对标准化异步传输模式-无源光纤网络(此后称为“ATM-PON”)系统的内容的建议。此外，在IEEE(电气和电子工程师学会)的领域IEEE802.3ah中，基于PON的千兆位以太网(此后称为“GE-PON”)的标准化工作正在进行中。
已经完成了对点对点类型的千兆位以太网和MAC(介质访问控制)技术的标准化，以及因此在IEEE 802.3z和ITU-T G.983.1中描述了其内容。而且，1999年11月2日发布、专利号为5,973,374的Gigad Ghaib等人的名称为“Protocol for data communication over a point-to-multipointpassive optical network(用于通过点对多点无源光纤网络进行数据通信的协议)”的美国专利中详细公开了ATM-PON的MAC技术。
图1描述了常规点对点类型千兆位以太网标准帧结构。在已经完成标准化的点对点类型千兆位以太网中，仍未规定点对多点PON系统所需要的功能。
图2描述了常规ATM-PON系统的示意性结构。如图所示，该ATM-PON系统包括光纤线路终端(OLT)10，用于执行向被访问的网络的各个用户提供信息的中心任务。光纤分配网络(ODN)16与OLT10连接，并具有树型拓扑结构。在操作过程中，ODN16用于分配由OLT10传输的下行数据帧以及多路复用传输到OLT10的上行数据帧。多个光纤网络单元(ONU)12a、12b和12c接收下行数据帧并向终端用户14a、14b和14c提供该下行数据帧，以及向ODN16传输终端用户输出的数据，作为上行数据帧。需要注意，终端用户14a、14b和14c表示可以在包括网络终端(NT)的PON中使用的各种类型的网络终端。
如图2所示，常规ATM-PON系统执行固定数据帧的上行和下行传输，其中在该系统中一起分组具有53字节大小的ATM信元。配置OLT10，以插入到被分配给下行信元中的各个ONU 12i的下行数据中。对于上行传输，OLT10以时分多路复用(TDM)方式访问由多个ONU 12a、12b和12c传输的数据。由于连接在OLT10和多个ONU12a、12b和12c之间的ODN16是无源元件，所以OLT10根据以测距算法而为众所知的虚拟距离校正算法来协作防止数据在无源元件中的冲突。此外，在将下行数据从OLT10传输到多个ONU12a、12b和12c的情况下，OLT10从ONU12a、12b和12c中接收用于安全和OAM(操作、管理和维护)的通报应用程序的加密密钥，并向ONU12a、12b和12c发送用于安全和OAM(操作、管理和维护)的通报应用程序的加密密钥。在此方面，在指定的ATM信元或普通的ATM信元中准备相应的数据字段，以在上行/下行帧中以预定的间隔来接收并发送消息。
随着因特网技术的发展，用户需要越来越多的带宽，由此产生对千兆位以太网技术中的端对端传输的需求，当与传统的ATM技术相比时，以太网技术具有相对廉价并能够确保较高的带宽(大约是1千兆位/秒)传输的特点。ATM技术需要相对昂贵的设备，以及具有带宽限制(最大为622兆位/秒)，而且必须执行IP(因特网协议)分组的分段。因此，在网络的PON结构中，以太网系统比ATM系统更受欢迎。
ATM-PON系统，正如上述，根据具有固定大小的ATM信元构建上行和下行帧，并根据点对多点连接的树型结构来针对上行传输使用时分多路复用(TDM)方法。
在千兆位以太网的领域中，对GE-PON结构的标准化正在进行中。目前，通过PON传输以太网帧的以太网PON的功能与实施进行到GE-PON标准。对于上述的树型PON结构中的上行传输，在TDM方案中访问各个ONU 12i的数据，以及需要调度算法，以避免在无源元件ODN16中传输信号产生的冲突。
在ATM-PON中的155.52兆位/秒的下行传输的情况下，56个ATM信元组成一个帧，以及这些信元中的两个信元用做控制物理层的下行PLOAM信元。PLOAM信元使用预定义的消息向OLT传输信息，以控制OLT。如果以ONU12I的小时隙传输信息形式存在的上行消息与存储到各个寄存的ONU12i中的队列的信元的形式相同，则OLT10根据该信息通过应用带宽分配算术来向用于下一个上行传输的ONU传输带宽分配传输允许信号。即，在上述的ATM-PON中，根据具有固定大小的ATM信元来构建上行帧和下行帧。然而，在例如GE-PON的网络中，IP是很重要的传输协议，根据固定大小的信元的允许/请求传输或消息传输是没有效率的。
因此，在使用适用IP的以太网帧的传输工作中需要基于可变分组大小的新系统。
本发明的一方面是提供一种用于在具有一个OLT和多个ONU的点对多点类型的网络中提供带宽分配的方法，以及提供帧交换方案的有效使用，以避免消息传输过程中产生冲突。
根据本发明的一个实施例，提供一种在千兆位以太网-无源光纤网络系统中将数据从多个光纤网络单元传输到光纤线路终端的方法，其中所述的千兆位以太网-无源光纤网络系统包括具有调度程序的光纤线路终端和连接至光纤线路终端的光纤网络单元。该方法包括步骤在开始第一周期时，通过光纤线路终端，从多个光纤网络单元接收带宽分配请求信号；根据带宽分配请求信号，向多个光纤网络单元分配传输带宽；以及在开始第一周期随后的第二周期之前，通过光纤线路终端向各个光纤网络单元传输分配的传输带宽。
图1是描述典型的千兆位以太网的标准帧结构的视图。
图2是典型的ATM-PON系统。
图3是根据本发明实施例的GE-PON系统的框图。
图4是描述根据本发明实施例的信令协议的视图。
本发明提供一种有效使用GE-PON系统中的数据传输的帧交换方案的方法。简要地来说，本发明包括步骤由OLT通过控制帧向ONU发送信号；ONU响应该信号，根据TDM方案向OLT发送回带宽请求信号；由OLT执行调度处理并通过许可信号向ONU通知该调度结果；及响应该调度结果，由ONU发送帧。
为帮助理解本发明，使用了下面的定义“调度结果”是确定与各个ONU相对应的时隙和时隙的大小的具体处理，其中，各个ONU确定数据传输时间及周期。给予ONU传输数据的机会的特定信号被称为“许可信号”，其中该特定信号包含在下行帧的控制帧中并被传输到ONU。包含关于上行帧中各个ONU请求的带宽分配的信息的特定信号被称为“带宽(BW)分配请求信号”。
图3是根据本发明实施例的GE-PON系统的框图。如图所示，发明的GE-PON系统可以包括一个树结构，树结构包含了一个OLT20和最多的32个ONU22a，22b和22c。需要注意，这一结构取决于所给的功率预算和OLT20与各个ONU22a，22b和22c之间的距离。ONU22a，22b和22c安装于复杂的大楼或公寓的分配盒中，并用于提供各种服务，例如ADSL。
OLT20从中枢网络中接收数据，并将数据分配给各个ONU22a，22b和22c，或以TDM方式访问来自ONU22a，22b和22c的数据。在这一方面，配置OLT20，以执行层2的MAC地址的切换功能，以及配置ONU22a，22b和22c，以执行层2和层3的因特网协议(IP)切换/路由功能。GE-PON系统执行初始的ONU寄存(registration)、周期的ONU寄存、广泛搜索、带宽分配等等。然而，应该注意本发明的教导特别地涉及带宽分配。
在本发明实施例的PON结构中，系统进行操作，以合适地维持针对各个ONU22a，22b和22c的带宽分配，因此可以保护上行/下行数据的QoS的安全。该系统还执行针对广播源传输的下行数据的加密操作，所以可以阻止其它的相邻ONU读取特定的ONU22a，22b和22c的数据。此外，该系统执行OAM功能当通信中出现错误时，使OLT20和ONU22a，22b和22c可以互相地传输物理错误。
此外，本发明的系统执行了设置与虚拟保持OLT20和ONU22a，22b和22c之间的相同距离的测距功能，以防止由于在数据通过ODN26之后，从OLT20到各个ONU22a，22b和22c的距离彼此不同而在上行传输过程中在ODN26中产生数据冲突。该测距(即，距离校正)过程提供除在各个ONU22a，22b和22c的寄存期间产生的对上行/下行时间延迟的同步校正之外的错误校正，该错误可能由于温度之类的其它的外部变化而产生。
在操作过程中，OLT20传输用于许可ONU22a，22b和22c进行数据传输的信号。ONU22a，22b和22c依次向OLT20传输带宽(BW)分配请求。BW请求信号是ONU22a，22b和22c向OLT20请求用于传输数据的带宽分配的信号。因此，OLT20根据各个ONU22a，22b和22c的请求执行“调度处理”，并通过许可信号向ONU22a，22b和22c通知调度结果。所以，从OLT20接收到调度结果的ONU传输允许的带宽所容许的数据。在每周期重复该调度程序。
图4是描述根据本发明的帧交换方案的视图。如图所示，ONU22i至22l的各个位置表示ONU22i至22l距离OLT20的实际物理距离的相对位置。
T2，T6和T9表示新的时隙开始或各个调度处理开始的时刻。T3和T7表示OLT的调度程序开始调度处理的时刻，该调度处理代表了各个ONU的分配的时隙和时隙的大小。因此，(T3-T4)和(T8-T7)表示根据本发明实施例配置调度程序以执行操作的最大时间周期。(T6-T4)表示帧从OLT前进到最远ONU的最大往返时间(RTT)。平均RTT一般是200μs。注意在(T9-T6)期间，调度程序根据接收的BW请求信号执行的带宽分配产生，其中调度程序在(T4-T3)期间操作。即，正如下面所解释的，在下一周期内反映出在给定周期由OLT20的调度程序执行的调度处理的结果。
如图4所示，当由ONU22i至22l传输的信号403至409到达OLT20时，在T2时刻开始周期1。然后，在周期1内的T3-T4内调度程序进行操作。该调度程序仅针对T0至T3内到达OLT20的BW请求信号执行该调度处理。所以，在下一周期即第二周期的T6至T9的周期内分配在T3至T4的周期内处理的调度结果。
当调度处理在T4结束时，OLT20包括许可信号411中的调度结果并向ONU22i，22j，22l传输该结果。许可信号411向先前传输BW请求信号403到407的ONU22i，22j，22l传输该调度结果。此后根据包含在接收的许可信号411中的调度结果，ONU22i，22j，22l同时并在分配给它们的一段时间周期内向OLT20传输缓冲器中的数据，其中所述的时间周期是从T6到T9的周期。然后通过ODN26从ONU22i，22j，22l向OLT20传输数据。
同时，在(T4-T3)周期到达OLT20的BW请求信号409在周期1的调度程序完成之后到达，由此在周期1内的调度处理中对其不予考虑。所以，针对在完成相应周期的调度程序之后到达OLT20的BW请求信号409和419，在下一周期的调度过程中分配带宽。因而，在周期2的(T8-T7)内，和在同一周期内到达OLT20的BW请求信号413到417一起来调度在(T4-T3)周期内到达OLT20的BW请求信号409；所以，在下一周期3分配响应BW请求信号409和413-417的带宽指定。
要注意在OLT20的调度处理期间，可以从一个周期结束时起至减去最大RTT获得的时间为止来执行该调度处理，正如图4所示。所以，在分别表示周期1(T6-T2)和周期2(T9-T6)的调度处理的结束时间的T4和T8，OLT20向ONU22i至22 l传输包括带宽分配信息的允许信号。因此，在更短数量的周期内执行带宽分配。
要注意图4中近似为200μs的最大RTT的计算方式如下。由于光线中信号传输的速度是2/3×c(这里，c是光速，即，大约3×108m)，如果假设GE-PON中OLT20和ONU(1)之间的最大距离是20公里，则到达OLT20或ONU(本实施例中的ONU(1))的时间变成100μs。因此，最大往返时间(RTT)变成200μs，即是100μs的两倍。
因此，由OLT向ONU传输的、包括调度结果的许可信号到达所需要的时间与由分配有第一带宽的ONU向OLT传输的数据到达所需要的时间之总和所设置的时间必须至少是最大RTT(例如，图4中从T4到T6的时间周期)。所以，由于ONU(1)距离OLT20最远，当ONU(1)从OLT20接收允许信号并传输该数据时，用于该数据到达OLT20所需要的时间等于最大RTT。因此，ONU(1)传输的数据可以到达OLT20，即使距离OLT20最远的ONU(1)此时也首先分配有带宽。结果是，比ONU(1)距离OLT20近的ONU(i，j，k)在(T6-T4)周期以前可以接收到允许信号。
另外，对于在(T4-T3)或(T8-T7)周期内在已经驱动调度程序之后到达的BW请求信号409和419，同一周期内的调度程序不能处理BW请求信号，因此，BW请求信号被调度程序传输到另一周期。在下一周期传输BW请求信号的情况下，BW请求信号409和419被分配给具有优先权的带宽。
如上所述，在本发明的千兆位以太网-无源光网络数据传输协议中，发出许可信号和BW请求信号的过程被快速地处理，因此可以在较短的周期内执行针对各个ONU的带宽分配和数据传输。因此，在GE-PON系统中可以有效地执行从ONU向OLT传输具有可变分组长度的数据。
虽然参考特定优选实施例示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该明白，本发明会有各种形式和细节上的各种更改，而不偏离所附权利要求规定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种在千兆位以太网-无源光纤网络系统中从多个光纤网络单元向光纤线路终端传输数据的方法，该方法包括步骤在开始第一周期时，通过光纤线路终端，从多个光纤网络单元接收一个或多个带宽分配请求信号；响应带宽分配请求信号，向多个光纤网络单元分配带宽；以及在开始第一周期随后的第二周期之前，向多个光纤网络单元传输分配的带宽结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括根据各自分配的带宽，通过多个光纤网络单元向光纤线路终端传输数据的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于在第二周期内执行多个光纤网络单元的数据传输。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于在第二周期内，执行针对带宽分配请求信号的带宽分配，其中所述的请求信号在第一周期内向多个光纤网络单元分配传输带宽开始后，到达光纤线路终端。
全文摘要
公开一种在千兆位以太网－无源光纤网络(GE－PON)系统中传输上行数据的方法。在该GE－PON系统中，包括具有调度程序的光纤线路终端和与光纤线路终端连接的光纤网络单元，该光纤线路终端在第一周期开始时，从光纤网络单元接收带宽分配请求信号，根据该带宽分配请求信号向各个光纤网络单元分配传输带宽，并在第一周期随后的第二周期开始之前，向各个光纤网络单元传输分配的传输带宽。
文档编号H04L12/44GK1445940SQ0312017
公开日2003年10月1日 申请日期2003年3月11日 优先权日2002年3月11日
发明者宋在涓, 吴润济, 朴泰诚, 金娥正, 元信喜, 李民孝, 金洙亨 申请人:三星电子株式会社