摘 要： 分析了航空电子系统1553B总线的工作原理,提出一种新的基于以太网无源光网络(EPON)的1553B设备互联方案并且设计了相应的1553B网关。设计了基于BU-61580和MPC860的1553B网关，1553B网关用于实现1553B协议与EPON协议之间的数据转换,讨论了这种1553B设备互连方案中发现时隙分配和分组传输时延特性。
关键词： 光纤网络； 1553B总线； 以太网无源光网络； 多点接入控制； 带宽分配
MIL-STD-1553B（简称1553B）总线是美国军用航空电子系统的标准总线，用于实现航空电子系统设备之间的数据和信息交换，以其优异的性能在美军航空、航天和航海等武器装备上得到广泛应用，并逐渐被民用航空系统采用作为民用航空电子设备的标准总线[1]。但是1553B总线存在明显的缺点：数据传输速率较低，最大速率只有1 Mb/s；总线工作模式为半双工模式；最大传输距离短,仅为6 m。现代航空电子的综合数据链系统需要实时处理包括雷达、光电探测、导航、座舱显示等在内的综合信息，1553B的1 Mb/s数据传输速率和半双工工作模式严重制约了综合数据链系统信息传输和处理的效率，因此需要采用新的数据传输模式实现航空电子系统综合数据链的信息传输。
以太网无源光网络EPON(Ethernet Passive Optical Network)是一种融合以太网和无源光纤传输的宽带接入网技术[2]。EPON采用以太网数据封装格式，可以实现与现行的以太网设备无缝互通，并且支持静态和动态的带宽分配策略，可以根据用户的需求动态地调整传输速率。基于光纤传输的EPON的最大传输速率为1 000 Mb/s，传输距离最大可达20 km，每个光线路终端OLT(Optical Line Terminal)可以连接32个光网络单元ONU(Optical Network Unit)设备，OLT和ONU采用点到多点通信方式。EPON是光纤接入网的重要候选方案。
本文根据1553B总线的工作原理，提出一种新的利用EPON实现1553B设备互联的解决方案。在这种互联方案中，1553B设备通过1553B协议网关和EPON网络互联，同时利用EPON的带宽分配机制为1553B设备传输速率提供保证。相对于传统的1553B 总线互联，这种新方案不但具有数据吞吐量高和覆盖半径大的优点，而且可以为1553B设备提供包括时延、速率在内的服务质量QoS(Quality of Service)保证机制。
1 1553B总线协议简介
1553B总线的拓扑结构是多冗余的总线结构,如图1所示，支持半双工的传输模式，最大传输速率为1 Mb/s，采用曼彻斯特二型码，总线具有直接耦合和变压器耦合两种耦合方式，通常情况下采用变压器耦合方式。1553B总线支持总线控制器BC(Bus Controller)、总线监视器BM(Bus Monitor)和远程终端RT(Remote Terminal)三种设备，总线上的所有消息都由总线控制器发出指令进行控制，非常适合集中控制的分布式处理系统。而总线监视器只接收而不发送消息，总线监视器对1553B总线的工作状态进行监视。
1553B总线有10种消息格式，每个消息最少包含2个字，最大为32个字，每字为16 bit信息位、3 bit同步头和1 bit校验位。1553B总线采用指令/响应的异步方式进行工作，在强调整个系统数据传输的实时性的同时，采用反馈重传机制来保证数据传输的可靠性和完整性。
2 EPON简介
EPON是基于以太网的无源光纤接入网。在EPON中，其设备通过一根单模光纤相连，下行光信号传输波长为1 550 nm，上行光信号传输波长为1 310 nm。OLT通过1:N的光分离/复用器与多个ONU相连，每个ONU通过以太网接口与用户终端UE(User Equipment)相连，通常N≤32,N的具体值与OLT的发射的光信号功率有关[3]。EPON的下行传输采用广播发送选择接收方式，OLT将封装的以太网数据帧以广播的方式向每个ONU发送，每个ONU利用设备地址对下行的广播数据进行选择性接收，下行传输模式和以太网非常相似，EPON的最大传输速率可达1 Gb/s。
在上行传输中，每个ONU采用时分复用多址TDMA(Time Division Multiople Access)的方式与OLT通信。每个ONU通过上行的光复用器和OLT通信。为了克服ONU上行数据之间的碰撞,每个ONU只能在OLT分配的固定时隙内进行数据发送。OLT对ONU的时隙分配可采用静态时隙分配和动态时隙分配两种策略。在EPON的工作过程中，OLT对ONU具有自动发现和同步功能。
在EPON中，ONU之间不能直接进行通信，所有ONU之间的通信都必须经过OLT的媒体接入控制MAC(Media Access Control)层进行转发[4]。OLT的MAC层中提供一个逻辑拓扑仿真功能实体，该功能实体实现不同ONU之间的数据转发。OLT的逻辑拓扑仿真功能支持ONU之间点到点和点到多点的数据传输。
3 基于EPON的1553B设备的互联
1553B是典型的集中控制的分布式处理系统，而EPON也是基于OLT集中控制的分布式接入系统，本文提出利用EPON实现1553B设备互联的方案如图2所示。在这种互联方案中，多个ONU与一个OLT构成一个EPON系统，OLT和ONU由无源光纤连接。OLT通过1553B网关与1553B总线控制器相连，ONU通过1553B网关和各种远程终端相连，远程终端还可连接1553B子系统。1553B网关采用10M/100M以太网和OLT、ONU相连，通过1553B总线和总线控制器、远程终端互联。
在图2的互联方案中，1553B远程终端(包括嵌入远程终端的子系统和总线监视器)通过1553B网关和EPON中的ONU相连，总线控制器通过1553B网关和EPON中的OLT相连。1553B总线控制器向远程终端发送的消息通过OLT到ONU的下行广播实现，远程终端和总线控制器之间的通信通过ONU到OLT的时分复用方式接入，而远程终端之间的消息由位于OLT第二层的逻辑仿真功能进行转发。
利用EPON实现1553B设备的互连的关键技术是1553B网关的设计。1553B网关实现1553B协议到以太网协议的转换。本系统设计中采用数据设备公司的1553B 总线控制器BU-61580和Fresscale公司通信协议处理器MPC860实现1553B网关。1553B网关的结构如图3所示。BU-61580通过变压器耦合和1553B总线控制器、总线监视器以及远程终端连接[5]； MPC860通信协议处理器通过以太网接口RTL8019提供标准的10Base-T或100Base-T自适应的以太网接口[6]。10M/100M以太网接口可以和EPON中的OLT或ONU相连。1553B网关实现1553B信令和以太网信令之间的转换。
4 发现时隙和传输带宽的分配
在EPON接入网中，发现时隙和传输带宽的分配将影响接入网的性能。同样，在1553B设备通过EPON互联的系统中，EPON的发现时隙和带宽分配对系统性能也具有影响。考虑到通常情况下1553B设备和OLT的距离远小于接入网的覆盖范围，而且1553B设备的1 Mb/s信息传输速率远小于EPON的数据吞吐量，可以认为1553B设备数据吞吐量为1 Mb/s。本方案中采用静态带宽分配策略。
4.1 EPON中发现时隙分配
EPON中的发现时隙用于实现ONU的注册，发现时隙的分配方法和EPON的性能密切相关。发现时隙的窗口大小与ONU的数量、传播时延密切相关。下面利用参考文献[4]的方法分析发现时隙窗口大小与ONU数量的关系。
假设n个ONU需要向OLT注册,每个ONU成功注册的概率为:
假设ONU和OLT的最大距离为500 m，EPON中光传输速率为2×108 m/s，OLT至ONU最大往返时延为5 μs,即E=5 μs，M的值取为2.528 μs,这是EPON中的典型值[4]。式(5)计算的结果如图4所示。从图中可以看出，最佳发现时隙的宽度随着ONU的数量增加的变化规律,当n较大时，这种关系几乎为线性关系。为了实现注册成功概率和线路利用率的折衷，应根据式(5)的结果分配发现时隙的窗口大小。
4.2 EPON中静态带宽分配
由于EPON的数据传输速率为1 Gb/s，该速率远大于1553B总线的1 Mb/s传输速率，同时考虑到1553B设备的距离远小于EPON支持的最大20 km的传输距离，不同ONU到OLT之间的距离差异可以忽略不计，因此在基于EPON的1553B设备互联系统中采用静态带宽分配方案，为每个1553B设备分配1 Mb/s的传输带宽，使得每个设备全速率传输。采用静态带宽分配方案不但可以降低时隙分配调度算法的复杂性，而且可以减小附加的传输开销。
4.3 EPON的业务特征
传统EPON中传输的业务主要是Internet业务，Internet业务是一种长时相关LRD(Long Range Dependent)的统计业务，LRD业务不同于传统的Possion到达业务[7]。而在连接1553B设备的EPON系统中，不存在Internet业务。1553B设备产生的数据帧最长为32 bit×20=640 bit，经过1553B网关的协议转换，EPON中传输的数据分组可以认为是传统的Possion到达的短时相关SRD(Short Range Dependent)的突发数据业务或业务速率固定的固定速率CBR(Constant Bit Rate)业务。为了实现EPON中CBR业务分组的传输，OLT为每个ONU分配相同的传输带宽。
4．4 EPON中的上行传输时延
EPON中的分组传输时延主要来源于同步时延和突发时延。当每个数据分组到达ONU时，必须等待OLT的选通信号的到达，这种等待时延称为同步时延（Synchronization Delay）。另一种时延是由于上行数据分组的长度超过ONU的发送时隙所能传输的最大数据量,上行分组必须等待下一个分组的到来，这种时延称为突发时延（Burst Delay）。EPON为每个ONU分配发送时隙保证每个上行数据分组的完整传输，因此数据分组的传输时延只依赖同步时延[8]。
为了定量研究EPON中分组传输时延特性,下面给出EPON在LRD、SRD和CBR业务中的分组时延仿真结果。系统仿真参数选择如下：ONU数目N=32，ONU和1553B网关的线路速率RU=100 Mb/s，EPON线路传输速率RN=1 000 Mb/s，ONU缓冲区大小Q=20 KB,保护间隔G=1 μs，循环周期T=1 ms,时隙宽度W=RN(T/N-G)=3 781 B。LRD、SRD和CBR业务在EPON中的平均传输时延如图5所示。
图5中给出的结果表明,当ONU的负载达到60 ％时，三种业务的平均分组时延接近饱和状态。而对CBR业务在非饱和状态下平均分组时延几乎为恒定不变，SRD业务在接近饱和状态时平均分组时延迅速增加到饱和状态，而LRD业务的平均时延和ONU的负载几乎线性增加。在基于EPON的1553B设备互联方案中，每个1553B设备向ONU提供的业务是CBR业务，从图中可以看出非饱和状态下平均时延为21 μs。而1553B设备的最大数据速率为1 Mb/s，远小于假设的100 Mb/s的传输速率，因此系统不会达到饱和状态。
本文提出一种基于EPON的1553B设备的互联方案，在这种互联方案中，多个1553B总线设备通过1553B网关连接到EPON中。EPON中的OLT起到1553B总线控制器的作用，EPON为每个1553B设备提供全速工作模式，可以作为传统1553B设备互联的替代方案。本文还给出了一种基于BU-61580和MPC860的1553B网关的设计方案，这种网关可以实现1553B总线协议与EPON协议的转换。
参考文献
[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.