摘 要： 分析了航空電子系統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1553B協議與EPON協議之間的數據轉換,討論了這種1553B設備互連方案中發現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的標準總線，用于實現航空電子系統設備之間的數據和信息交換，以其優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。現代航空電子的綜合數據鏈系統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數據傳輸速率和半雙工工作模式嚴重制約了綜合數據鏈系統信息傳輸和處理的效率，因此需要采用新的數據傳輸模式實現航空電子系統綜合數據鏈的信息傳輸。
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的寬帶接入網技術[2]。EPON采用以太網數據封裝格式，可以實現與現行的以太網設備無縫互通，并且支持靜態和動態的帶寬分配策略，可以根據用戶的需求動態地調整傳輸速率。基于光纖傳輸的EPON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1553B設備互聯的解決方案。在這種互聯方案中，1553B設備通過1553B協議網關和EPON網絡互聯，同時利用EPON的帶寬分配機制為1553B設備傳輸速率提供保證。相對于傳統的1553B 總線互聯，這種新方案不但具有數據吞吐量高和覆蓋半徑大的優點，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出指令進行控制，非常適合集中控制的分布式處理系統。而總線監視器只接收而不發送消息，總線監視器對1553B總線的工作狀態進行監視。
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，在強調整個系統數據傳輸的實時性的同時，采用反饋重傳機制來保證數據傳輸的可靠性和完整性。
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的發射的光信號功率有關[3]。EPON的下行傳輸采用廣播發送選擇接收方式，OLT將封裝的以太網數據幀以廣播的方式向每個ONU發送，每個ONU利用設備地址對下行的廣播數據進行選擇性接收，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上行數據之間的碰撞,每個ONU只能在OLT分配的固定時隙內進行數據發送。OLT對ONU的時隙分配可采用靜態時隙分配和動態時隙分配兩種策略。在EPON的工作過程中，OLT對ONU具有自動發現和同步功能。
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[4]。OLT的MAC層中提供一個邏輯拓撲仿真功能實體，該功能實體實現不同ONU之間的數據轉發。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據傳輸。
3 基于EPON的1553B設備的互聯
1553B是典型的集中控制的分布式處理系統，而EPON也是基于OLT集中控制的分布式接入系統，本文提出利用EPON實現1553B設備互聯的方案如圖2所示。在這種互聯方案中，多個ONU與一個OLT構成一個EPON系統，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。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。
在圖2的互聯方案中，1553B遠程終端(包括嵌入遠程終端的子系統和總線監視器)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送的消息通過OLT到ONU的下行廣播實現，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。
利用EPON實現1553B設備的互連的關鍵技術是1553B網關的設計。1553B網關實現1553B協議到以太網協議的轉換。本系統設計中采用數據設備公司的1553B 總線控制器BU-61580和Fresscale公司通信協議處理器MPC860實現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、總線監視器以及遠程終端連接[5]； MPC860通信協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1553B信令和以太網信令之間的轉換。
4 發現時隙和傳輸帶寬的分配
在EPON接入網中，發現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互聯的系統中，EPON的發現時隙和帶寬分配對系統性能也具有影響。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的數據吞吐量，可以認為1553B設備數據吞吐量為1 Mb/s。本方案中采用靜態帶寬分配策略。
4.1 EPON中發現時隙分配
EPON中的發現時隙用于實現ONU的注冊，發現時隙的分配方法和EPON的性能密切相關。發現時隙的窗口大小與ONU的數量、傳播時延密切相關。下面利用參考文獻[4]的方法分析發現時隙窗口大小與ONU數量的關系。
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，最佳發現時隙的寬度隨著ONU的數量增加的變化規律,當n較大時，這種關系幾乎為線性關系。為了實現注冊成功概率和線路利用率的折衷，應根據式(5)的結果分配發現時隙的窗口大小。
4.2 EPON中靜態帶寬分配
由于EPON的數據傳輸速率為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設備互聯系統中采用靜態帶寬分配方案，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的業務特征
傳統EPON中傳輸的業務主要是Internet業務，Internet業務是一種長時相關LRD(Long Range Dependent)的統計業務，LRD業務不同于傳統的Possion到達業務[7]。而在連接1553B設備的EPON系統中，不存在Internet業務。1553B設備產生的數據幀最長為32 bit×20=640 bit，經過1553B網關的協議轉換，EPON中傳輸的數據分組可以認為是傳統的Possion到達的短時相關SRD(Short Range Dependent)的突發數據業務或業務速率固定的固定速率CBR(Constant Bit Rate)業務。為了實現EPON中CBR業務分組的傳輸，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時延。當每個數據分組到達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據分組的長度超過ONU的發送時隙所能傳輸的最大數據量,上行分組必須等待下一個分組的到來，這種時延稱為突發時延（Burst Delay）。EPON為每個ONU分配發送時隙保證每個上行數據分組的完整傳輸，因此數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業務中的分組時延仿真結果。系統仿真參數選擇如下：ONU數目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緩沖區大小Q=20 KB,保護間隔G=1 μs，循環周期T=1 ms,時隙寬度W=RN(T/N-G)=3 781 B。LRD、SRD和CBR業務在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，三種業務的平均分組時延接近飽和狀態。而對CBR業務在非飽和狀態下平均分組時延幾乎為恒定不變，SRD業務在接近飽和狀態時平均分組時延迅速增加到飽和狀態，而LRD業務的平均時延和ONU的負載幾乎線性增加。在基于EPON的1553B設備互聯方案中，每個1553B設備向ONU提供的業務是CBR業務，從圖中可以看出非飽和狀態下平均時延為21 μs。而1553B設備的最大數據速率為1 Mb/s，遠小于假設的100 Mb/s的傳輸速率，因此系統不會達到飽和狀態。
本文提出一種基于EPON的1553B設備的互聯方案，在這種互聯方案中，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1553B設備互聯的替代方案。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1553B總線協議與EPON協議的轉換。
參考文獻
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[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
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