基于EPON MAC层协议的无线接入研究

柳林锋， 朱 娜

（江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引言

FTTH是有线宽带用户接入网最具吸引力和前途的解决方案之一。其中作为解决“最后一公里”接入的EPON网络不但在欧洲等国家地区开始广泛的部署，而且在美国、日本、韩国、中国等国家实现大规模部署后已经实现商用。虽然WLAN等无线接入能提供终端用户自由灵活的连接却无法提供足够的长距离带宽。因此基于EPONTPF FPT的MAC层协议无线接入混合网络实现宽带无线接入具有重要的实际意义。

WLAN、3G、WiMAX三种无线技术各自具有不同的应用范围：WLAN网络重点实现局部热点地区的宽带无线接入，3G网络重点是实现移动通信的无缝漫游要求，并且在文献[1]中提到基于PON的3G分布系统，但没有涉及到PON MAC层实现无线接入的协议内容。而WiMAX网络的重点是实现城域网的带宽无线化，满足热点地区调整数据业务的需求，并且在文献[2]中也提出 EPON与 WiMAX 的组网方案，但由于WiMAX网络的频谱限制与建网成本预算，因此WLAN在热点区域的无线更具竞争优势。另外，由In-Stat公司的调查数据显示，2007年全球有2.94亿部消费H电子H产品内置WiFiH芯片H，预计到2012年可达10亿部。在EPON大规模部署的趋势背景下，采用EPON与WLAN中的WiFi技术组成混合网络更具有成本竞争优势，是过渡实现宽带无线接入的发展趋势，因此本文展开的实现EPON与WiFi MAC层协议融合实现无线接入具有重要的现实意义。

1 EPON MAC层的无线接入

1.1 无线接入物理模型

EPON技术[3-4]用于无线接入网可将多个分散的基站（BS）数据通过光纤向上由光线路终端（OLT）链接到骨干网络，向下由远端光网络终端-基站模块（ONU-BS）完成无线接入，在下行链路上，POS将骨干段光纤的信号复制到各支路，以广播方式将下行信息发送至每个ONU后经BS发送到用户终端，在上行链路采用时分复用多址接入技术，在OLT的集中控制下，每个ONU独占一个时隙，防止各ONU的数据在POS汇聚时产生冲突，实现实现上下行链路双工通信。EPON无线接入网络结构示意图如图1所示。

图1 EPON无线接入结构示意

图1中EPON MAC层无线接入系统的ONU-BS是EPON中的ONU与WIFI中发射射频信号的BS集成模块，需要实现ONU的光/电和电/光转换功能，完成对语声信号的数/模和模/数转换、复用、信令处理和维护管理功能的同时还要实现基站收发射频信号的功能。因此为了实现EPON的无线接入，需要对EPON的MAC层做相应的修改，到达EPON的宽带无线接入。

1.2 EPON无线接入MAC层分析

对比分析EPON的层次模型[5]与参考文献[6]中的IEEE 802.11b层次参考模型，可以发现两者最大的区别就在于物理层（PHY），在EPON PHY中，通过GMII接口与RS层相连，担负着为MAC层传送可靠数据的责任。最主要的功能是将数据编成合适的线路码，完成数据的前向纠错，以及将数据通过光电、电光转换完成数据的收发。在802.11 PHY中，要实现物理层收敛功能使物理媒介依赖（PMD）系统的能力自适应于PHY服务以及定义两个或者多个STA（站点）之间通过无线媒介（WM）发送、接收数据的方法与特性。而PHY是构成整个网络数据传输基础，为了实现基于EPON的无线接入，需要对EPON中ONU的物理层进行调整:在EPON参考模型中的物理层增加无线接口实现802.11收敛子层、物理层管理、DSSS物理层收敛协议子层（PLCP）、DSSS物理媒介依赖子层(PMD)和站点管理的PHY层功能。

1.3 EPON 无线接入的MAC协议

数据链路层控制着物理传输媒质的访问，EPON数据链路层包括LLC、OAM（可选）、MAC控制（可选）和MAC四个子层；而802.11数据链路层包含LLC与MAC两个子层。实现用户数据的传输是MAC的主要功能，在EPON中MAC子层将上层通信发送的数据封装到以太网的帧结构里，并决定数据的安排、发送与接收发送，由于扩展了MAC控制子层的功能，因此在MAC子层中新增加了5种控制帧。MAC控制帧子层（可选）主要是负责ONU的接入控制，通过MAC帧完成对ONU的初始化、测距和动态带宽分配，采取申请/授权机制，执行一整套多点控制协议（MPCP）。而在802.11b协议中的3种类MAC子帧中控制帧的功能主要是在数据帧交换过程中完成握手处理和定时处理，实现媒介访问控制方法是基于二进制指数退避策略的CSMA/CA机制，即在MAC协议中的RTS/CTS帧。因此在EPON的MAC层中新增与无线接入功能控制子帧：RTS、CTS、ACK、PS+Poll、CF+End和CF+End+ACK，实现EPON的无线接入功能。为了保证无线媒介中传输数据的安全接入，将 802.11MAC子层控制帧的有线等效加密（WEP）域也添加到EPON协议MAC中。进一步对比分析EPON与802.11MAC层的具体子帧内容后，还需要将802.11MAC子层中的多段标志子帧、功率管理子帧、持续时间子帧、BBBID子帧以及顺序控制子帧添加到EPON协议的MAC帧，我们这里把EPON中的MAC帧与新增的协议版本、子类型与WEP标记等子帧封装而成的，向上能与 EPON高层协议实现数据传输，向下能与PHY层实现无线通信的 MAC帧记为 EMAC。即通过图 2[5]和图3的前后对比，就可以发现增加无线接入功能后EPON下行帧结构的变化。

图2 EPON修改前的下行帧结构

图3 EPON修改后的下行帧结构

2 仿真结果与分析

在 OPNET网络仿真环境下按照实验框图模型配置，POS分路比率为1：16，并采用EPON系统最大的传输距离20 km作为测试长度，每个ONU的缓存队列长度为5 Mbits，为了模拟实际 EPON中的数据源，仿真中采用了服从固定长度及时间间隔分布的数据源和具有长相关性的突发数据源。

图4和下页图5测定的是高优先级业务在采用固定长度及时间间隔分布的数据源和具有长相关性的突发数据源在EPON系统与EPON无线系统下时端到端的时延情况。

图4 服从固定长度及时间间隔分布的数据源

通过比较， EPON无线接入系统较直接接入系统时延大，并在下页图5的 0.3到1阶段间，具有长相关性的突发数据源具有更好的时延平稳性，与实际情况相符，说明实现了基于EPON的无线接入。

图5 具有长相关性的突发数据源

3 结语

本文通过分析 EPON MAC层的有关媒介接入控制协议帧内容，将 802.11 MAC中的控制子帧、功率管理、持续时间以及 BBBID等有关无线接入控制的子帧添加进来封装成新MAC的协议帧以实现基于EPON MAC的无线接入。实验仿真表明：EPON MAC层通过增加无线接入控制协议帧的系统能够实现用户端的自由无线接入，并能继承EPON接入的优点。下一步的工作是如何降低EOPN无线接入时延。

[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,陈前斌.一种EPON 上行接入带宽动态带宽分配算法[J].通信技术,2008,41(05):72-74.

[4] 张晓敏,李维民.EPON 和GPON 的几种动态带宽分配算法比较[J].通信技术,2009,42(11):127-129.

[5] 阎德升,边恩炯,王旭,等.EPON―新一带宽带光接入技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2007: 80;124.

[6] 金纯,陈林星,杨吉云.IEEE 802.11无TP线局域网[M].北京:电子工业出版社,2004:50.