摘  要： 分析了航空電子系統(tǒng)1553B總線的工作原理,提出一種新的基于以太網無源光網絡(EPON)的1553B設備互聯(lián)方案并且設計了相應的1553B網關。設計了基于BU-61580和MPC860的1553B網關，1553B網關用于實現(xiàn)1553B協(xié)議與EPON協(xié)議之間的數(shù)據轉換,討論了這種1553B設備互連方案中發(fā)現(xiàn)時隙分配和分組傳輸時延特性。
關鍵詞： 光纖網絡； 1553B總線； 以太網無源光網絡； 多點接入控制； 帶寬分配

　　MIL-STD-1553B（簡稱1553B）總線是美國軍用航空電子系統(tǒng)的標準總線，用于實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)設備之間的數(shù)據和信息交換，以其優(yōu)異的性能在美軍航空、航天和航海等武器裝備上得到廣泛應用，并逐漸被民用航空系統(tǒng)采用作為民用航空電子設備的標準總線[1]。但是1553B總線存在明顯的缺點：數(shù)據傳輸速率較低，最大速率只有1 Mb/s；總線工作模式為半雙工模式；最大傳輸距離短,僅為6 m?，F(xiàn)代航空電子的綜合數(shù)據鏈系統(tǒng)需要實時處理包括雷達、光電探測、導航、座艙顯示等在內的綜合信息，1553B的1 Mb/s數(shù)據傳輸速率和半雙工工作模式嚴重制約了綜合數(shù)據鏈系統(tǒng)信息傳輸和處理的效率，因此需要采用新的數(shù)據傳輸模式實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)綜合數(shù)據鏈的信息傳輸。
　　以太網無源光網絡EPON(Ethernet Passive Optical Network)是一種融合以太網和無源光纖傳輸?shù)膶拵Ы尤刖W技術[2]。EPON采用以太網數(shù)據封裝格式，可以實現(xiàn)與現(xiàn)行的以太網設備無縫互通，并且支持靜態(tài)和動態(tài)的帶寬分配策略，可以根據用戶的需求動態(tài)地調整傳輸速率?；诠饫w傳輸?shù)腅PON的最大傳輸速率為1 000 Mb/s，傳輸距離最大可達20 km，每個光線路終端OLT(Optical Line Terminal)可以連接32個光網絡單元ONU(Optical Network Unit)設備，OLT和ONU采用點到多點通信方式。EPON是光纖接入網的重要候選方案。
　　本文根據1553B總線的工作原理，提出一種新的利用EPON實現(xiàn)1553B設備互聯(lián)的解決方案。在這種互聯(lián)方案中，1553B設備通過1553B協(xié)議網關和EPON網絡互聯(lián)，同時利用EPON的帶寬分配機制為1553B設備傳輸速率提供保證。相對于傳統(tǒng)的1553B 總線互聯(lián)，這種新方案不但具有數(shù)據吞吐量高和覆蓋半徑大的優(yōu)點，而且可以為1553B設備提供包括時延、速率在內的服務質量QoS(Quality of Service)保證機制。
1 1553B總線協(xié)議簡介
　　1553B總線的拓撲結構是多冗余的總線結構,如圖1所示，支持半雙工的傳輸模式，最大傳輸速率為1 Mb/s，采用曼徹斯特二型碼，總線具有直接耦合和變壓器耦合兩種耦合方式，通常情況下采用變壓器耦合方式。1553B總線支持總線控制器BC(Bus Controller)、總線監(jiān)視器BM(Bus Monitor)和遠程終端RT(Remote Terminal)三種設備，總線上的所有消息都由總線控制器發(fā)出指令進行控制，非常適合集中控制的分布式處理系統(tǒng)。而總線監(jiān)視器只接收而不發(fā)送消息，總線監(jiān)視器對1553B總線的工作狀態(tài)進行監(jiān)視。
1553B總線有10種消息格式，每個消息最少包含2個字，最大為32個字，每字為16 bit信息位、3  bit同步頭和1 bit校驗位。1553B總線采用指令/響應的異步方式進行工作，在強調整個系統(tǒng)數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性的同時，采用反饋重傳機制來保證數(shù)據傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴?/p>

2 EPON簡介
　　EPON是基于以太網的無源光纖接入網。在EPON中，其設備通過一根單模光纖相連，下行光信號傳輸波長為1 550 nm，上行光信號傳輸波長為1 310 nm。OLT通過1:N的光分離/復用器與多個ONU相連，每個ONU通過以太網接口與用戶終端UE(User Equipment)相連，通常N≤32,N的具體值與OLT的發(fā)射的光信號功率有關[3]。EPON的下行傳輸采用廣播發(fā)送選擇接收方式，OLT將封裝的以太網數(shù)據幀以廣播的方式向每個ONU發(fā)送，每個ONU利用設備地址對下行的廣播數(shù)據進行選擇性接收，下行傳輸模式和以太網非常相似，EPON的最大傳輸速率可達1 Gb/s。
　　在上行傳輸中，每個ONU采用時分復用多址TDMA(Time Division Multiople Access)的方式與OLT通信。每個ONU通過上行的光復用器和OLT通信。為了克服ONU上行數(shù)據之間的碰撞,每個ONU只能在OLT分配的固定時隙內進行數(shù)據發(fā)送。OLT對ONU的時隙分配可采用靜態(tài)時隙分配和動態(tài)時隙分配兩種策略。在EPON的工作過程中，OLT對ONU具有自動發(fā)現(xiàn)和同步功能。
　　在EPON中，ONU之間不能直接進行通信，所有ONU之間的通信都必須經過OLT的媒體接入控制MAC(Media Access Control)層進行轉發(fā)[4]。OLT的MAC層中提供一個邏輯拓撲仿真功能實體，該功能實體實現(xiàn)不同ONU之間的數(shù)據轉發(fā)。OLT的邏輯拓撲仿真功能支持ONU之間點到點和點到多點的數(shù)據傳輸。
3 基于EPON的1553B設備的互聯(lián)
　　1553B是典型的集中控制的分布式處理系統(tǒng)，而EPON也是基于OLT集中控制的分布式接入系統(tǒng)，本文提出利用EPON實現(xiàn)1553B設備互聯(lián)的方案如圖2所示。在這種互聯(lián)方案中，多個ONU與一個OLT構成一個EPON系統(tǒng)，OLT和ONU由無源光纖連接。OLT通過1553B網關與1553B總線控制器相連，ONU通過1553B網關和各種遠程終端相連，遠程終端還可連接1553B子系統(tǒng)。1553B網關采用10M/100M以太網和OLT、ONU相連，通過1553B總線和總線控制器、遠程終端互聯(lián)。

　　在圖2的互聯(lián)方案中，1553B遠程終端(包括嵌入遠程終端的子系統(tǒng)和總線監(jiān)視器)通過1553B網關和EPON中的ONU相連，總線控制器通過1553B網關和EPON中的OLT相連。1553B總線控制器向遠程終端發(fā)送的消息通過OLT到ONU的下行廣播實現(xiàn)，遠程終端和總線控制器之間的通信通過ONU到OLT的時分復用方式接入，而遠程終端之間的消息由位于OLT第二層的邏輯仿真功能進行轉發(fā)。
　　利用EPON實現(xiàn)1553B設備的互連的關鍵技術是1553B網關的設計。1553B網關實現(xiàn)1553B協(xié)議到以太網協(xié)議的轉換。本系統(tǒng)設計中采用數(shù)據設備公司的1553B 總線控制器BU-61580和Fresscale公司通信協(xié)議處理器MPC860實現(xiàn)1553B網關。1553B網關的結構如圖3所示。BU-61580通過變壓器耦合和1553B總線控制器、總線監(jiān)視器以及遠程終端連接[5]； MPC860通信協(xié)議處理器通過以太網接口RTL8019提供標準的10Base-T或100Base-T自適應的以太網接口[6]。10M/100M以太網接口可以和EPON中的OLT或ONU相連。1553B網關實現(xiàn)1553B信令和以太網信令之間的轉換。

4 發(fā)現(xiàn)時隙和傳輸帶寬的分配
　　在EPON接入網中，發(fā)現(xiàn)時隙和傳輸帶寬的分配將影響接入網的性能。同樣，在1553B設備通過EPON互聯(lián)的系統(tǒng)中，EPON的發(fā)現(xiàn)時隙和帶寬分配對系統(tǒng)性能也具有影響。考慮到通常情況下1553B設備和OLT的距離遠小于接入網的覆蓋范圍，而且1553B設備的1 Mb/s信息傳輸速率遠小于EPON的數(shù)據吞吐量，可以認為1553B設備數(shù)據吞吐量為1 Mb/s。本方案中采用靜態(tài)帶寬分配策略。
4.1 EPON中發(fā)現(xiàn)時隙分配
　　EPON中的發(fā)現(xiàn)時隙用于實現(xiàn)ONU的注冊，發(fā)現(xiàn)時隙的分配方法和EPON的性能密切相關。發(fā)現(xiàn)時隙的窗口大小與ONU的數(shù)量、傳播時延密切相關。下面利用參考文獻[4]的方法分析發(fā)現(xiàn)時隙窗口大小與ONU數(shù)量的關系。
　　假設n個ONU需要向OLT注冊,每個ONU成功注冊的概率為:

　　假設ONU和OLT的最大距離為500 m，EPON中光傳輸速率為2×108 m/s，OLT至ONU最大往返時延為5 μs,即E=5 μs，M的值取為2.528 μs,這是EPON中的典型值[4]。式(5)計算的結果如圖4所示。從圖中可以看出，最佳發(fā)現(xiàn)時隙的寬度隨著ONU的數(shù)量增加的變化規(guī)律,當n較大時，這種關系幾乎為線性關系。為了實現(xiàn)注冊成功概率和線路利用率的折衷，應根據式(5)的結果分配發(fā)現(xiàn)時隙的窗口大小。

4.2 EPON中靜態(tài)帶寬分配
　　由于EPON的數(shù)據傳輸速率為1 Gb/s，該速率遠大于1553B總線的1 Mb/s傳輸速率，同時考慮到1553B設備的距離遠小于EPON支持的最大20 km的傳輸距離，不同ONU到OLT之間的距離差異可以忽略不計，因此在基于EPON的1553B設備互聯(lián)系統(tǒng)中采用靜態(tài)帶寬分配方案，為每個1553B設備分配1 Mb/s的傳輸帶寬，使得每個設備全速率傳輸。采用靜態(tài)帶寬分配方案不但可以降低時隙分配調度算法的復雜性，而且可以減小附加的傳輸開銷。
4.3 EPON的業(yè)務特征
　　傳統(tǒng)EPON中傳輸?shù)臉I(yè)務主要是Internet業(yè)務，Internet業(yè)務是一種長時相關LRD(Long Range Dependent)的統(tǒng)計業(yè)務，LRD業(yè)務不同于傳統(tǒng)的Possion到達業(yè)務[7]。而在連接1553B設備的EPON系統(tǒng)中，不存在Internet業(yè)務。1553B設備產生的數(shù)據幀最長為32 bit×20=640 bit，經過1553B網關的協(xié)議轉換，EPON中傳輸?shù)臄?shù)據分組可以認為是傳統(tǒng)的Possion到達的短時相關SRD(Short Range Dependent)的突發(fā)數(shù)據業(yè)務或業(yè)務速率固定的固定速率CBR(Constant Bit Rate)業(yè)務。為了實現(xiàn)EPON中CBR業(yè)務分組的傳輸，OLT為每個ONU分配相同的傳輸帶寬。
4．4 EPON中的上行傳輸時延
　　EPON中的分組傳輸時延主要來源于同步時延和突發(fā)時延。當每個數(shù)據分組到達ONU時，必須等待OLT的選通信號的到達，這種等待時延稱為同步時延（Synchronization Delay）。另一種時延是由于上行數(shù)據分組的長度超過ONU的發(fā)送時隙所能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據量,上行分組必須等待下一個分組的到來，這種時延稱為突發(fā)時延（Burst Delay）。EPON為每個ONU分配發(fā)送時隙保證每個上行數(shù)據分組的完整傳輸，因此數(shù)據分組的傳輸時延只依賴同步時延[8]。
　　為了定量研究EPON中分組傳輸時延特性,下面給出EPON在LRD、SRD和CBR業(yè)務中的分組時延仿真結果。系統(tǒng)仿真參數(shù)選擇如下：ONU數(shù)目N=32，ONU和1553B網關的線路速率RU=100 Mb/s，EPON線路傳輸速率RN=1 000 Mb/s，ONU緩沖區(qū)大小Q=20 KB,保護間隔G=1 μs，循環(huán)周期T=1  ms,時隙寬度W=RN(T/N-G)=3 781 B。LRD、SRD和CBR業(yè)務在EPON中的平均傳輸時延如圖5所示。

　　圖5中給出的結果表明,當ONU的負載達到60 ％時，三種業(yè)務的平均分組時延接近飽和狀態(tài)。而對CBR業(yè)務在非飽和狀態(tài)下平均分組時延幾乎為恒定不變，SRD業(yè)務在接近飽和狀態(tài)時平均分組時延迅速增加到飽和狀態(tài)，而LRD業(yè)務的平均時延和ONU的負載幾乎線性增加。在基于EPON的1553B設備互聯(lián)方案中，每個1553B設備向ONU提供的業(yè)務是CBR業(yè)務，從圖中可以看出非飽和狀態(tài)下平均時延為21 μs。而1553B設備的最大數(shù)據速率為1 Mb/s，遠小于假設的100 Mb/s的傳輸速率，因此系統(tǒng)不會達到飽和狀態(tài)。
　　本文提出一種基于EPON的1553B設備的互聯(lián)方案，在這種互聯(lián)方案中，多個1553B總線設備通過1553B網關連接到EPON中。EPON中的OLT起到1553B總線控制器的作用，EPON為每個1553B設備提供全速工作模式，可以作為傳統(tǒng)1553B設備互聯(lián)的替代方案。本文還給出了一種基于BU-61580和MPC860的1553B網關的設計方案，這種網關可以實現(xiàn)1553B總線協(xié)議與EPON協(xié)議的轉換。
參考文獻
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