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(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)的1553B設(shè)備互聯(lián)方案并且設(shè)計了相應(yīng)的1553B網(wǎng)關(guān)。設(shè)計了基于BU-61580和MPC860的1553B網(wǎng)關(guān)，1553B網(wǎng)關(guān)用于實現(xiàn)1553B協(xié)議與EPON協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,討論了這種1553B設(shè)備互連方案中發(fā)現(xiàn)時隙分配和分組傳輸時延特性。
關(guān)鍵詞： 光纖網(wǎng)絡(luò)； 1553B總線； 以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)； 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(biāo)準(zhǔn)總線，用于實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)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(yīng)用，并逐漸被民用航空系統(tǒng)采用作為民用航空電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)總線[1]。但是1553B總線存在明顯的缺點：數(shù)據(jù)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。現(xiàn)代航空電子的綜合數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)需要實時處理包括雷達(dá)、光電探測、導(dǎo)航、座艙顯示等在內(nèi)的綜合信息，1553B的1 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率和半雙工工作模式嚴(yán)重制約了綜合數(shù)據(jù)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(jù)傳輸模式實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸。
　　以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)EPON(Ethernet Passive Optical Network)是一種融合以太網(wǎng)和無源光纖傳輸?shù)膶拵Ы尤刖W(wǎng)技術(shù)[2]。EPON采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝格式，可以實現(xiàn)與現(xiàn)行的以太網(wǎng)設(shè)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(jù)用戶的需求動態(tài)地調(diào)整傳輸速率。基于光纖傳輸?shù)腅PON的最大傳輸速率為1 000 Mb/s，傳輸距離最大可達(dá)20 km，每個光線路終端OLT(Optical Line Terminal)可以連接32個光網(wǎng)絡(luò)單元ONU(Optical Network Unit)設(shè)備，OLT和ONU采用點到多點通信方式。EPON是光纖接入網(wǎng)的重要候選方案。
　　本文根據(jù)1553B總線的工作原理，提出一種新的利用EPON實現(xiàn)1553B設(shè)備互聯(lián)的解決方案。在這種互聯(lián)方案中，1553B設(shè)備通過1553B協(xié)議網(wǎng)關(guān)和EPON網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，同時利用EPON的帶寬分配機(jī)制為1553B設(shè)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(jù)吞吐量高和覆蓋半徑大的優(yōu)點，而且可以為1553B設(shè)備提供包括時延、速率在內(nèi)的服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)保證機(jī)制。
1 1553B總線協(xié)議簡介
　　1553B總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多冗余的總線結(jié)構(gòu),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(yuǎn)程終端RT(Remote Terminal)三種設(shè)備，總線上的所有消息都由總線控制器發(fā)出指令進(jìn)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(jìn)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(yīng)的異步方式進(jìn)行工作，在強(qiáng)調(diào)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性的同時，采用反饋重傳機(jī)制來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴?/p>

2 EPON簡介
　　EPON是基于以太網(wǎng)的無源光纖接入網(wǎng)。在EPON中，其設(shè)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(fù)用器與多個ONU相連，每個ONU通過以太網(wǎng)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(guān)[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(wǎng)數(shù)據(jù)幀以廣播的方式向每個ONU發(fā)送，每個ONU利用設(shè)備地址對下行的廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性接收，下行傳輸模式和以太網(wǎng)非常相似，EPON的最大傳輸速率可達(dá)1 Gb/s。
　　在上行傳輸中，每個ONU采用時分復(fù)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(fù)用器和OLT通信。為了克服ONU上行數(shù)據(jù)之間的碰撞,每個ONU只能在OLT分配的固定時隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jìn)行通信，所有ONU之間的通信都必須經(jīng)過OLT的媒體接入控制MAC(Media Access Control)層進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[4]。OLT的MAC層中提供一個邏輯拓?fù)浞抡婀δ軐嶓w，該功能實體實現(xiàn)不同ONU之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。OLT的邏輯拓?fù)浞抡婀δ苤С諳NU之間點到點和點到多點的數(shù)據(jù)傳輸。
3 基于EPON的1553B設(shè)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(shè)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(gòu)成一個EPON系統(tǒng)，OLT和ONU由無源光纖連接。OLT通過1553B網(wǎng)關(guān)與1553B總線控制器相連，ONU通過1553B網(wǎng)關(guān)和各種遠(yuǎn)程終端相連，遠(yuǎn)程終端還可連接1553B子系統(tǒng)。1553B網(wǎng)關(guān)采用10M/100M以太網(wǎng)和OLT、ONU相連，通過1553B總線和總線控制器、遠(yuǎn)程終端互聯(lián)。

　　在圖2的互聯(lián)方案中，1553B遠(yuǎn)程終端(包括嵌入遠(yuǎn)程終端的子系統(tǒng)和總線監(jiān)視器)通過1553B網(wǎng)關(guān)和EPON中的ONU相連，總線控制器通過1553B網(wǎng)關(guān)和EPON中的OLT相連。1553B總線控制器向遠(yuǎn)程終端發(fā)送的消息通過OLT到ONU的下行廣播實現(xiàn)，遠(yuǎn)程終端和總線控制器之間的通信通過ONU到OLT的時分復(fù)用方式接入，而遠(yuǎn)程終端之間的消息由位于OLT第二層的邏輯仿真功能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
　　利用EPON實現(xiàn)1553B設(shè)備的互連的關(guān)鍵技術(shù)是1553B網(wǎng)關(guān)的設(shè)計。1553B網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)1553B協(xié)議到以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)設(shè)計中采用數(shù)據(jù)設(shè)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(wǎng)關(guān)。1553B網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)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(yuǎn)程終端連接[5]； MPC860通信協(xié)議處理器通過以太網(wǎng)接口RTL8019提供標(biāo)準(zhǔn)的10Base-T或100Base-T自適應(yīng)的以太網(wǎng)接口[6]。10M/100M以太網(wǎng)接口可以和EPON中的OLT或ONU相連。1553B網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)1553B信令和以太網(wǎng)信令之間的轉(zhuǎn)換。

4 發(fā)現(xiàn)時隙和傳輸帶寬的分配
　　在EPON接入網(wǎng)中，發(fā)現(xiàn)時隙和傳輸帶寬的分配將影響接入網(wǎng)的性能。同樣，在1553B設(shè)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(shè)備和OLT的距離遠(yuǎn)小于接入網(wǎng)的覆蓋范圍，而且1553B設(shè)備的1 Mb/s信息傳輸速率遠(yuǎn)小于EPON的數(shù)據(jù)吞吐量，可以認(rèn)為1553B設(shè)備數(shù)據(jù)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(guān)。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(guān)。下面利用參考文獻(xiàn)[4]的方法分析發(fā)現(xiàn)時隙窗口大小與ONU數(shù)量的關(guān)系。
　　假設(shè)n個ONU需要向OLT注冊,每個ONU成功注冊的概率為:

　　假設(shè)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(jié)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(dāng)n較大時，這種關(guān)系幾乎為線性關(guān)系。為了實現(xiàn)注冊成功概率和線路利用率的折衷，應(yīng)根據(jù)式(5)的結(jié)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(jù)傳輸速率為1 Gb/s，該速率遠(yuǎn)大于1553B總線的1 Mb/s傳輸速率，同時考慮到1553B設(shè)備的距離遠(yuǎn)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(shè)備互聯(lián)系統(tǒng)中采用靜態(tài)帶寬分配方案，為每個1553B設(shè)備分配1 Mb/s的傳輸帶寬，使得每個設(shè)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(diào)度算法的復(fù)雜性，而且可以減小附加的傳輸開銷。
4.3 EPON的業(yè)務(wù)特征
　　傳統(tǒng)EPON中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)主要是Internet業(yè)務(wù)，Internet業(yè)務(wù)是一種長時相關(guān)LRD(Long Range Dependent)的統(tǒng)計業(yè)務(wù)，LRD業(yè)務(wù)不同于傳統(tǒng)的Possion到達(dá)業(yè)務(wù)[7]。而在連接1553B設(shè)備的EPON系統(tǒng)中，不存在Internet業(yè)務(wù)。1553B設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀最長為32 bit×20=640 bit，經(jīng)過1553B網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，EPON中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組可以認(rèn)為是傳統(tǒng)的Possion到達(dá)的短時相關(guān)SRD(Short Range Dependent)的突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)速率固定的固定速率CBR(Constant Bit Rate)業(yè)務(wù)。為了實現(xiàn)EPON中CBR業(yè)務(wù)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(dāng)每個數(shù)據(jù)分組到達(dá)ONU時，必須等待OLT的選通信號的到達(dá)，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(jù)分組的長度超過ONU的發(fā)送時隙所能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)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(jù)分組的完整傳輸，因此數(shù)據(jù)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(wù)中的分組時延仿真結(jié)果。系統(tǒng)仿真參數(shù)選擇如下：ONU數(shù)目N=32，ONU和1553B網(wǎng)關(guān)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(hù)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(wù)在EPON中的平均傳輸時延如圖5所示。

　　圖5中給出的結(jié)果表明,當(dāng)ONU的負(fù)載達(dá)到60 ％時，三種業(yè)務(wù)的平均分組時延接近飽和狀態(tài)。而對CBR業(yè)務(wù)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(wù)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(wù)的平均時延和ONU的負(fù)載幾乎線性增加。在基于EPON的1553B設(shè)備互聯(lián)方案中，每個1553B設(shè)備向ONU提供的業(yè)務(wù)是CBR業(yè)務(wù)，從圖中可以看出非飽和狀態(tài)下平均時延為21 μs。而1553B設(shè)備的最大數(shù)據(jù)速率為1 Mb/s，遠(yuǎn)小于假設(shè)的100 Mb/s的傳輸速率，因此系統(tǒng)不會達(dá)到飽和狀態(tài)。
　　本文提出一種基于EPON的1553B設(shè)備的互聯(lián)方案，在這種互聯(lián)方案中，多個1553B總線設(shè)備通過1553B網(wǎng)關(guān)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(shè)備提供全速工作模式，可以作為傳統(tǒng)1553B設(shè)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(wǎng)關(guān)的設(shè)計方案，這種網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)1553B總線協(xié)議與EPON協(xié)議的轉(zhuǎn)換。
參考文獻(xiàn)
[1]  MIL-STD-1553B.Aircraft internal time division command/response multiplex data bus[S].Department of Defense, United States, 1978.
[2]  IEEE 802.3ah. Carrier sense multiple access with collision  detection(CSMA/CD) access method and physical layer  specifications. Amendment: Media Access  Control Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for Subscriber Access Networks [S]. IEEE, 2004.
[3]  LAM C. Passive optical networks: principles and practice [M]. San Diego, CA: Elsevier Inc., 2007
[4]  KRAMER G. Ethernet passive optical networks [M].New York, NY: McGraw-Hill, 2005.
[5]  Data Devices Inc.BU-61580 datasheets.www.ddc-web.com
[6]  Freescale Inc. MPC860 Power QUICC User’s Manual.  http://www.freescale.com
[7]  SHELUHIN O I, SMOLSKIY S M. Self-similar processes in telecommunications[M].Chichester,England: John Wiley  & Sons, 2007.
[8]  LUO Y, ANSARI N. Bandwidth allocation for multiservice  access on EPONs[J]. IEEE Communications Magazine,  2005,43(2):516-521.