基于EPON MAC層協議的無線接入研究

柳林鋒， 朱 娜

（江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引言

FTTH是有線寬帶用戶接入網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網絡不但在歐洲等國家地區開始廣泛的部署，而且在美國、日本、韓國、中國等國家實現大規模部署后已經實現商用。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層協議無線接入混合網絡實現寬帶無線接入具有重要的實際意義。

WLAN、3G、WiMAX三種無線技術各自具有不同的應用范圍：WLAN網絡重點實現局部熱點地區的寬帶無線接入，3G網絡重點是實現移動通信的無縫漫游要求，并且在文獻[1]中提到基于PON的3G分布系統，但沒有涉及到PON MAC層實現無線接入的協議內容。而WiMAX網絡的重點是實現城域網的帶寬無線化，滿足熱點地區調整數據業務的需求，并且在文獻[2]中也提出 EPON與 WiMAX 的組網方案，但由于WiMAX網絡的頻譜限制與建網成本預算，因此WLAN在熱點區域的無線更具競爭優勢。另外，由In-Stat公司的調查數據顯示，2007年全球有2.94億部消費H電子H產品內置WiFiH芯片H，預計到2012年可達10億部。在EPON大規模部署的趨勢背景下，采用EPON與WLAN中的WiFi技術組成混合網絡更具有成本競爭優勢，是過渡實現寬帶無線接入的發展趨勢，因此本文展開的實現EPON與WiFi MAC層協議融合實現無線接入具有重要的現實意義。

1 EPON MAC層的無線接入

1.1 無線接入物理模型

EPON技術[3-4]用于無線接入網可將多個分散的基站（BS）數據通過光纖向上由光線路終端（OLT）鏈接到骨干網絡，向下由遠端光網絡終端-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制到各支路，以廣播方式將下行信息發送至每個ONU后經BS發送到用戶終端，在上行鏈路采用時分復用多址接入技術，在OLT的集中控制下，每個ONU獨占一個時隙，防止各ONU的數據在POS匯聚時產生沖突，實現實現上下行鏈路雙工通信。EPON無線接入網絡結構示意圖如圖1所示。

圖1 EPON無線接入結構示意

圖1中EPON MAC層無線接入系統的ONU-BS是EPON中的ONU與WIFI中發射射頻信號的BS集成模塊，需要實現ONU的光/電和電/光轉換功能，完成對語聲信號的數/模和模/數轉換、復用、信令處理和維護管理功能的同時還要實現基站收發射頻信號的功能。因此為了實現EPON的無線接入，需要對EPON的MAC層做相應的修改，到達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[6]中的IEEE 802.11b層次參考模型，可以發現兩者最大的區別就在于物理層（PHY），在EPON PHY中，通過GMII接口與RS層相連，擔負著為MAC層傳送可靠數據的責任。最主要的功能是將數據編成合適的線路碼，完成數據的前向糾錯，以及將數據通過光電、電光轉換完成數據的收發。在802.11 PHY中，要實現物理層收斂功能使物理媒介依賴（PMD）系統的能力自適應于PHY服務以及定義兩個或者多個STA（站點）之間通過無線媒介（WM）發送、接收數據的方法與特性。而PHY是構成整個網絡數據傳輸基礎，為了實現基于EPON的無線接入，需要對EPON中ONU的物理層進行調整:在EPON參考模型中的物理層增加無線接口實現802.11收斂子層、物理層管理、DSSS物理層收斂協議子層（PLCP）、DSSS物理媒介依賴子層(PMD)和站點管理的PHY層功能。

1.3 EPON 無線接入的MAC協議

數據鏈路層控制著物理傳輸媒質的訪問，EPON數據鏈路層包括LLC、OAM（可選）、MAC控制（可選）和MAC四個子層；而802.11數據鏈路層包含LLC與MAC兩個子層。實現用戶數據的傳輸是MAC的主要功能，在EPON中MAC子層將上層通信發送的數據封裝到以太網的幀結構里，并決定數據的安排、發送與接收發送，由于擴展了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）主要是負責ONU的接入控制，通過MAC幀完成對ONU的初始化、測距和動態帶寬分配，采取申請/授權機制，執行一整套多點控制協議（MPCP）。而在802.11b協議中的3種類MAC子幀中控制幀的功能主要是在數據幀交換過程中完成握手處理和定時處理，實現媒介訪問控制方法是基于二進制指數退避策略的CSMA/CA機制，即在MAC協議中的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，實現EPON的無線接入功能。為了保證無線媒介中傳輸數據的安全接入，將 802.11MAC子層控制幀的有線等效加密（WEP）域也添加到EPON協議MAC中。進一步對比分析EPON與802.11MAC層的具體子幀內容后，還需要將802.11MAC子層中的多段標志子幀、功率管理子幀、持續時間子幀、BBBID子幀以及順序控制子幀添加到EPON協議的MAC幀，我們這里把EPON中的MAC幀與新增的協議版本、子類型與WEP標記等子幀封裝而成的，向上能與 EPON高層協議實現數據傳輸，向下能與PHY層實現無線通信的 MAC幀記為 EMAC。即通過圖 2[5]和圖3的前后對比，就可以發現增加無線接入功能后EPON下行幀結構的變化。

圖2 EPON修改前的下行幀結構

圖3 EPON修改后的下行幀結構

2 仿真結果與分析

在 OPNET網絡仿真環境下按照實驗框圖模型配置，POS分路比率為1：16，并采用EPON系統最大的傳輸距離20 km作為測試長度，每個ONU的緩存隊列長度為5 Mbits，為了模擬實際 EPON中的數據源，仿真中采用了服從固定長度及時間間隔分布的數據源和具有長相關性的突發數據源。

圖4和下頁圖5測定的是高優先級業務在采用固定長度及時間間隔分布的數據源和具有長相關性的突發數據源在EPON系統與EPON無線系統下時端到端的時延情況。

圖4 服從固定長度及時間間隔分布的數據源

通過比較， EPON無線接入系統較直接接入系統時延大，并在下頁圖5的 0.3到1階段間，具有長相關性的突發數據源具有更好的時延平穩性，與實際情況相符，說明實現了基于EPON的無線接入。

圖5 具有長相關性的突發數據源

3 結語

本文通過分析 EPON MAC層的有關媒介接入控制協議幀內容，將 802.11 MAC中的控制子幀、功率管理、持續時間以及 BBBID等有關無線接入控制的子幀添加進來封裝成新MAC的協議幀以實現基于EPON MAC的無線接入。實驗仿真表明：EPON MAC層通過增加無線接入控制協議幀的系統能夠實現用戶端的自由無線接入，并能繼承EPON接入的優點。下一步的工作是如何降低EOPN無線接入時延。

[1] Le B H, Moignard M. Distribution of 3G Base Stations on Passive Optical Network Architecture[C]//2006 InternationalTopical Meeting on Microwave Photonics.Grenoble, France:IEEE, 2006:1-4.

[2] Shen G X, Tucker R S, Chae C J. Fixed Mobile Convergence Architectures for Broadband Access: Integration of EPON and WiMAX[J].Communications Magazine,IEEE,2007,45(08):44-50.

[3] 李昭,陳前斌.一種EPON 上行接入帶寬動態帶寬分配算法[J].通信技術,2008,41(05):72-74.

[4] 張曉敏,李維民.EPON 和GPON 的幾種動態帶寬分配算法比較[J].通信技術,2009,42(11):127-129.

[5] 閻德升,邊恩炯,王旭,等.EPON―新一帶寬帶光接入技術與應用[M].北京:機械工業出版社,2007: 80;124.

[6] 金純,陳林星,楊吉云.IEEE 802.11無TP線局域網[M].北京:電子工業出版社,2004:50.