第6章GPON接入技術(shù)

第6章GPON接入技術(shù)第一頁，共36頁。APON、EPON、GPONAPON標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，成本高，在傳輸以太網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)效率低，以及在ATM層上適配和提供業(yè)務(wù)復(fù)雜。EPON帶寬利用率低和難以支持以太網(wǎng)之外的業(yè)務(wù)。因此，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（FSAN）組織開始考慮制定一種融合APON和EPON的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)的新的PON，那就是GPON。GPON具有吉比特高速率，92%的帶寬利用率和支持多業(yè)務(wù)透明傳輸?shù)哪芰Γ瑫r(shí)能夠保證服務(wù)質(zhì)量和級(jí)別，提供電信級(jí)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)管理。2第二頁，共36頁。6.1GPON概述6.1.1GPON標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和參考結(jié)構(gòu)6.1.2GPON系統(tǒng)協(xié)議分層模型和各層功能6.1.3GPON與EPON的比較及其優(yōu)勢(shì)3第三頁，共36頁。6.1.1GPON標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和參考結(jié)構(gòu)2001年在IEEE制定EPON標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（FSAN）組織開始發(fā)起制定速率超過1Gb/s的PON網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，即GPON（GigabitCapablePON）。隨后，ITU-T也介入了這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并于2003年1月通過了兩個(gè)有關(guān)GPON的新標(biāo)準(zhǔn)，即G.984.1（總體特性）、G.984.2（物理媒質(zhì)相關(guān)層）。2004年3月和6月發(fā)布了G.984.3（傳輸匯聚TC層）標(biāo)準(zhǔn)。2005年又制定了G.984.4（ONU管理控制接口規(guī)范）標(biāo)準(zhǔn)。為了使GPON實(shí)現(xiàn)與下一代PON（NG-PON）兼容，ITU-T又發(fā)布了G.984.5標(biāo)準(zhǔn)，其中包括了對(duì)ONU上行波長(zhǎng)范圍進(jìn)行收窄。4第四頁，共36頁。圖6.1.1GPON系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)ODN是一個(gè)連接OLT和ONU的無源設(shè)備，它的主要功能是完成光信號(hào)和功率的分配任務(wù)。GPON上下行數(shù)據(jù)流可以采用波分復(fù)用技術(shù)，在一根光纖上傳送上下行數(shù)據(jù)。下行使用1480~1500nm波段，上行使用1260~1360nm波段。同時(shí)，GPON的ODN光分路器的性能也大大提高，可支持1:128分路比。5第五頁，共36頁。6.1.2GPON系統(tǒng)協(xié)議分層模型和各層功能GTC成幀子層完成GTC幀的封裝、傳輸、測(cè)距和帶寬分配等。GTC適配子層提供協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）與高層實(shí)體的接口。ATM和GEM（GPON）信息在各自的適配子層完成服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）與PDU的轉(zhuǎn)換。ONT操作管理通信接口OMCI適配子層高于ATM和GEM適配子層，它識(shí)別VPI/VCI和Port-ID，并完成OMCI通道數(shù)據(jù)與高層實(shí)體的交換。6第六頁，共36頁。圖6.1.3C/U平面協(xié)議棧7第七頁，共36頁。圖6.1.4U平面協(xié)議棧GPON有兩種傳輸模式：一種是ATM模式，另一種是GEM模式。GPON在傳輸過程中，可以用ATM模式，也可以用GEM模式，也可以共同使用這兩種模式。究竟使用哪種模式，要在GPON初始化的時(shí)候進(jìn)行選擇。8第八頁，共36頁。6.1.3GPON與EPON的比較及其優(yōu)勢(shì)（1）帶寬利用率

EPON使用8B/10B編碼，本身就引入了20%的帶寬損失。GPON使用擾碼作線路碼，只改變碼，不增加碼，所以沒有帶寬損失；另一方面，EPON封裝的總開銷約為調(diào)度開銷總和的34.4%，而GPON在同樣的包長(zhǎng)分布模型下，得到GPON的封裝開銷約為13.7%。（2）成本 從單比特成本來講，GPON的成本要低于EPON。（3）多業(yè)務(wù)支持

EPON對(duì)于傳輸傳統(tǒng)的TDM支持能力相對(duì)比較差，容易引起QoS的問題。而GPON特有的封裝形式，使其能很好地支持ATM業(yè)務(wù)和IP業(yè)務(wù)。（4）OAM功能

EPON在OAM標(biāo)準(zhǔn)方面定義了遠(yuǎn)端故障指示、遠(yuǎn)端環(huán)回控制和鏈路監(jiān)視等基本功能，對(duì)于其它高級(jí)的OAM功能，則定義了豐富的廠商擴(kuò)展機(jī)制，讓廠商在具體的設(shè)備中自主增加各種OAM功能。GPON的OAM包括帶寬授權(quán)分配、DBA、鏈路監(jiān)視、保護(hù)倒換、密鑰交換以及各種告警功能。從標(biāo)準(zhǔn)上看，GPON標(biāo)準(zhǔn)定義的OAM信息比EPON的豐富。9第九頁，共36頁。GPON具有以下優(yōu)勢(shì)（1）靈活配置上/下行速率

GPON技術(shù)支持的速率配置有7種方式，如表6.2.1所示。（2）高效承載IP業(yè)務(wù)

GEM幀的凈荷區(qū)范圍為0~4095字節(jié)，解決了APON中ATM信元帶來的承載IP業(yè)務(wù)效率低的弊?。欢蕴W(wǎng)MAC幀中凈負(fù)荷區(qū)的范圍僅為46~1500字節(jié)。（3）支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)能力

GPON所采用的125s周期的幀結(jié)構(gòu)能對(duì)TDM語音業(yè)務(wù)提供直接支持，無論是低速的E1，還是高速的STM1，都能以它們的原有格式傳輸，這極大地減少了執(zhí)行語音業(yè)務(wù)的時(shí)延及抖動(dòng)。（4）支持的接入距離更遠(yuǎn) 針對(duì)FTTB開發(fā)的GPON系統(tǒng)，其OLT到ONU的最遠(yuǎn)邏輯接入距離可以達(dá)到60km以上，而EPON則只有20km。（5）帶寬有效性

EPON的帶寬有效性為70%；而GPON則高達(dá)92%。（6）分路比數(shù)量

EPON的支持的分路比為32；而GPON則高達(dá)64或128。（7）運(yùn)行、管理、維護(hù)和指配（OAM&P）功能強(qiáng)大

GPON借鑒APON中PLOAM信元的概念，實(shí)現(xiàn)全面的運(yùn)行維護(hù)管理功能。表6.1.2列出APON、EPON、GPON三種PON的技術(shù)比較。10第十頁，共36頁。圖6.1.5APON、EPON、GPON

承載業(yè)務(wù)能力的比較11第十一頁，共36頁。6.2GPON物理媒質(zhì)相關(guān)層（PMD）6.2.1線路比特速率6.2.2物理媒質(zhì)與波長(zhǎng)分配6.2.3傳輸距離和分支比6.2.4光端機(jī)6.2.5通過前向糾錯(cuò)（FEC）獲得光增益6.2.6ONU功率電平調(diào)整機(jī)制12第十二頁，共36頁。6.2.1線路比特速率線路傳輸速率應(yīng)為8kHz的整數(shù)倍。G.984.2規(guī)范了7種系統(tǒng)的線路速率可供選擇，如表6.2.1所示。由此可見，GPON線路速率比APON有了明顯的提高。而且GPON可以接受的速率中，上行和下行速率最大差距可以是2488.32Mbps/155.52Mbps，這一規(guī)定充分考慮到了現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用情況。如果對(duì)上行速率要求不高，可以選擇很低的上行速率，這樣對(duì)上行光突發(fā)發(fā)射和接收的要求就可降低，從而可節(jié)約成本13第十三頁，共36頁。6.2.2物理媒質(zhì)與波長(zhǎng)分配1.傳輸媒質(zhì)由于PON的傳輸距離較短，最長(zhǎng)為20km，因此，與APON一樣均采用比較便宜的ITU-TG.652光纖。光分配網(wǎng)（ODN）物理媒質(zhì)層的參數(shù)見表4.2.2。PON系統(tǒng)上/下行方向均采用擾碼的NRZ編碼，這與APON一樣。2.波長(zhǎng)分配與雙向傳輸?shù)谝环N是單纖WDM雙向傳輸，上/下行采用不同的波長(zhǎng)，上行1480~1500nm，下行1260~1360nm。第二種是雙纖系統(tǒng)，雙向傳輸采用雙纖空分復(fù)用，上/下行均采用同一個(gè)波長(zhǎng)，上/下行方向的工作波長(zhǎng)范圍均為1260~1360nm。這與目前APON對(duì)波長(zhǎng)的分配完全相同。14第十四頁，共36頁。6.2.3GPON傳輸距離和分支比和APON一樣，系統(tǒng)目標(biāo)傳輸距離是20km，但支持的分光比除1:16和1:32兩種外，還支持1:64和1:128。高分支比更適合作為住宅寬帶業(yè)務(wù)引入方案，可見GPON有著很好的應(yīng)用前景。最大邏輯距離為獨(dú)立于光預(yù)算的特定傳輸系統(tǒng)能達(dá)到的最大長(zhǎng)度（km）。它不受PMD參數(shù)限制，而是受到TC層和執(zhí)行情況的影響。APON的最大邏輯距離為20km，而GPON為60km。15第十五頁，共36頁。6.2.4光端機(jī)G.984.2給出了GPON系統(tǒng)不同上下行速率時(shí)的4個(gè)光接口的要求。在S/R參考點(diǎn)對(duì)發(fā)射機(jī)的要求和在R/S參考點(diǎn)對(duì)接收機(jī)的要求,GPON和APON的標(biāo)準(zhǔn)基本一致。表6.2.3和表6.2.4給出其中兩個(gè)典型的接口要求。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)衰減/色散特性的要求，可以選擇多縱模（MLM）激光器或單縱模（SLM）激光器。應(yīng)該指出，并不要求都用SLM激光器，只要能夠滿足系統(tǒng)性能的要求，就可以用MLM器件取代SLM器件。消光比（EX）、接收機(jī)靈敏度定義、接收機(jī)最小過載定義、反射功率容限和抗長(zhǎng)連“0”和長(zhǎng)連“1”（CIDI）的性能測(cè)試方法等與APON的相同（見4.2.3節(jié)）。16第十六頁，共36頁。6.2.5通過前向糾錯(cuò)（FEC）獲得光增益FEC技術(shù)在光通信中的應(yīng)用主要是為了獲得額外的增益，即凈編碼增益（NCG，NetCodingGain）。選擇一種好的編碼制式，甚至可以獲得10dB的編碼增益。在PON系統(tǒng)中，也可以采用FEC獲得額外的編碼增益。這樣就可以降低發(fā)射機(jī)功率，提高接收機(jī)靈敏度，增大傳輸距離或擴(kuò)大分支比。采用ITU-TG.975建議的RS(255,239)循環(huán)碼。有關(guān)FEC的進(jìn)一步介紹見原榮編著的《光纖通信》（第3版）7.7.2節(jié)。17第十七頁，共36頁。6.2.6ONU功率電平調(diào)整機(jī)制當(dāng)工作速率為1244.16Mb/s以上時(shí)，GPONOLT接收機(jī)一般要采用APD光電探測(cè)器(見8.3.4節(jié))。此時(shí)存在高靈敏度和突發(fā)接收大動(dòng)態(tài)范圍兩者之間的矛盾。為了減輕對(duì)OLT接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求，在ODN損耗不大時(shí)為避免OLT接收機(jī)過載，可采用適當(dāng)?shù)腛NU功率電平調(diào)整機(jī)制。這樣，使ONU在低損耗ODN中可以采用低發(fā)射功率，從而降低功率消耗，增加激光器壽命。功率調(diào)整機(jī)制要求TC層配合，ONU根據(jù)OLT發(fā)送的下行信息增加或減少發(fā)送功率。G.984規(guī)定ONU發(fā)射機(jī)有3種輸出功率模式：正常模式、比正常模式低3dB模式和低6dB模式。要求OLT接收端必須能測(cè)量比接收靈敏度低5dB的突發(fā)功率。18第十八頁，共36頁。6.3GPON幀結(jié)構(gòu)與封裝6.3.1GEM幀結(jié)構(gòu)6.3.2GEM幀同步6.3.3GEM幀的分段機(jī)制6.3.4GEM對(duì)TDM數(shù)據(jù)的封裝6.3.5GEM對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的封裝6.3.6GPON上/下行幀結(jié)構(gòu)19第十九頁，共36頁。6.3.1GEM幀結(jié)構(gòu)由5字節(jié)的幀頭和L字節(jié)的凈荷組成。GEM幀頭由4部分組成，它們是凈荷長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)（PLI），端口標(biāo)識(shí)（Port-ID），凈荷類似標(biāo)識(shí)（PTI）和幀頭錯(cuò)誤校驗(yàn)（HEC）。20第二十頁，共36頁。6.3.2GEM幀同步

圖6.3.2GEM幀獲得同步狀態(tài)的過程 幀同步可分為預(yù)同步狀態(tài)、同步狀態(tài)和搜索狀態(tài)。搜索狀態(tài)為鏈路初始化或GEM接收機(jī)接受失敗的基本狀態(tài)。捕獲GEM幀頭和實(shí)現(xiàn)幀的同步是通過HEC來實(shí)現(xiàn)的。21第二十一頁，共36頁。6.3.3GEM幀的分段機(jī)制圖6.3.3GEM幀的分段機(jī)制對(duì)用戶數(shù)據(jù)幀的分段過程由于用戶數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度是隨機(jī)的，如果用戶數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度超過GEM協(xié)議規(guī)定的凈荷最大長(zhǎng)度，就要采用GEM的分段機(jī)制。GEM的分段機(jī)制把超過凈荷最大長(zhǎng)度的用戶數(shù)據(jù)幀分割成若干段，每一段的長(zhǎng)度與GEM凈荷最大長(zhǎng)度相等，并且在每段的前面都加上一個(gè)GEM幀頭

22第二十二頁，共36頁。圖6.3.4時(shí)間比較敏感業(yè)務(wù)的分段過程

在GTC系統(tǒng)中使用分段機(jī)制有兩個(gè)目的：一個(gè)是在每個(gè)分段前面都加上一個(gè)幀頭，另一個(gè)是對(duì)于一些時(shí)間比較敏感的業(yè)務(wù)，如語音業(yè)務(wù)，必須以高優(yōu)先級(jí)進(jìn)行傳輸，而分段機(jī)制能保證這一點(diǎn)。因?yàn)樗颜Z音業(yè)務(wù)總是放在凈荷區(qū)的前端發(fā)送，如圖6.3.4所示。GTC幀的幀長(zhǎng)是125s，延時(shí)比較小，從而能保證語音業(yè)務(wù)的QoS。23第二十三頁，共36頁。6.3.4GEM對(duì)TDM數(shù)據(jù)的封裝GEM對(duì)TDM數(shù)據(jù)的封裝是將TDM業(yè)務(wù)直接映射到可變長(zhǎng)的GEM幀中，即TDMoverGEM。這種方式是是ITU-TG.984.3的附錄中提出的專門為GPON系統(tǒng)承載TDM業(yè)務(wù)所設(shè)計(jì)的一種封裝技術(shù)。具有相同PortID的TDM數(shù)據(jù)分組匯聚到TC層。GEM使用不定長(zhǎng)的GEM幀對(duì)TDM業(yè)務(wù)字節(jié)進(jìn)行分裝。凈荷的長(zhǎng)度根據(jù)TDM用戶數(shù)據(jù)的傳輸頻率確定。TDMoverGEM方式的優(yōu)點(diǎn)在于使用了與SDH相同的125s的GEM幀，使得GPON可以直接承載TDM業(yè)務(wù)，將TDM數(shù)據(jù)直接映射到GEM幀中，使得分裝效率提高。24第二十四頁，共36頁。6.3.5GEM對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的封裝（a）GEM對(duì)TDM數(shù)據(jù)的封裝（b）GEM對(duì)Ethernet數(shù)據(jù)的封裝圖6.3.5GEM對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的封裝25第二十五頁，共36頁。6.3.6GPON上/下行幀結(jié)構(gòu)為了傳輸TDM業(yè)務(wù)和ATM業(yè)務(wù)，GPON與APON一樣，仍采用固定周期的上/下行幀來傳輸數(shù)據(jù)。即GPON將ATM信元和GEM字段封裝到125s的上/下行幀的凈荷中傳輸26第二十六頁，共36頁。6.4GPON媒質(zhì)接入控制和

動(dòng)態(tài)帶寬分配6.4.1GPON媒質(zhì)接入控制（MAC）6.4.2動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBR）6.4.3GPON測(cè)距和延時(shí)補(bǔ)償6.4.4ONU與OLT的同步過程6.4.5GPONONT管理控制接口（OMCI）6.4.6用戶信息保護(hù)與安全27第二十七頁，共36頁。6.4.1GPON媒質(zhì)接入控制（MAC）媒質(zhì)接入控制(MAC)的目的是確保在上行方向任何時(shí)間內(nèi)只有1個(gè)ONU能夠訪問共享媒質(zhì)，從而確保正常工作時(shí)沒有數(shù)據(jù)重疊和沖突。PON將信道分為上行和下行兩個(gè)方向，只有上行方向需要接入控制。MAC的主機(jī)位于OLT處，ONU是從機(jī)。按照ITU-T的定義，MAC協(xié)議包括三個(gè)機(jī)制：位于OLT的MAC算法，從ONU發(fā)到OLT的業(yè)務(wù)信息以及由OLT通知ONU允許它發(fā)送業(yè)務(wù)的授權(quán)許可。當(dāng)前主要有兩種不同的MAC協(xié)議：靜態(tài)帶寬分配和動(dòng)態(tài)帶寬分配。28第二十八頁，共36頁。6.4.2動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBR）動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBR）技術(shù)，根據(jù)GPON系統(tǒng)各ONU提供的不同業(yè)務(wù)量需求，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整其使用的上行帶寬，以適應(yīng)用戶速率的各種變化，從而提高系統(tǒng)的帶寬利用率。PON系統(tǒng)的上行接入一般采用固定分配和中央控制按需分配相結(jié)合的方式，也就是ITU-TG.983.4規(guī)范的靜態(tài)帶寬分配和動(dòng)態(tài)帶寬分配兩種方式。有關(guān)動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBR）的內(nèi)容，我們將在第9章中進(jìn)行詳細(xì)的介紹。本節(jié)只是將有關(guān)GPON動(dòng)態(tài)帶寬分配的內(nèi)容作簡(jiǎn)要的概述。29第二十九頁，共36頁。

圖6.4.1用戶數(shù)據(jù)分裝在2個(gè)T-CONT緩沖器中 圖6.4.2對(duì)分類緩沖業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別控制圖6.4.1表示用戶數(shù)據(jù)流分裝入2個(gè)T-CONT緩沖器的情況，這2個(gè)緩沖器在同一個(gè)ONU中。一些T-CONT緩沖器可以被一個(gè)內(nèi)部?jī)?yōu)先調(diào)度程序使用，或被某個(gè)上層使用。圖6.4.2表示上邊的T-CONT緩沖器沒有被內(nèi)部調(diào)度程序使用，而下邊的T-CONT緩沖器卻含有3個(gè)業(yè)務(wù)分類緩沖器，被內(nèi)部調(diào)度程序使用，因?yàn)樵谝恍?yīng)用中，需要使用優(yōu)先級(jí)別控制。30第三十頁，共36頁。6.4.3GPON測(cè)距和延時(shí)補(bǔ)償由于ONU與OLT的距離不同，環(huán)境溫度變化或光器件老化，會(huì)使ONU的數(shù)據(jù)流經(jīng)過不同長(zhǎng)度的光纖傳輸后，產(chǎn)生不同的時(shí)延。如果不加控制，就有可能發(fā)生碰撞和重疊，引起大量比特誤碼，甚至使數(shù)據(jù)幀丟失，導(dǎo)致媒質(zhì)接入控制失敗。測(cè)距的最終目的就是由OLT為每個(gè)ONU(i)提供一個(gè)合適的均衡時(shí)延Td(i)值。并通過GTCPLOAM下行信息將此值告知被測(cè)距的ONU。GPON測(cè)距可分為動(dòng)態(tài)測(cè)距和靜態(tài)測(cè)距兩類。動(dòng)態(tài)測(cè)距是針對(duì)各ONU在運(yùn)行過程中隨環(huán)境和時(shí)間變化而發(fā)生的時(shí)延漂移，OLT實(shí)時(shí)微調(diào)各ONU的Td值。動(dòng)態(tài)測(cè)距是在系統(tǒng)運(yùn)行中一直要進(jìn)行的，無需專門打開測(cè)距窗口；靜態(tài)測(cè)距一般在系統(tǒng)初裝或有新ONU加入的情況下進(jìn)行，需要進(jìn)行開窗測(cè)距。31第三十一頁，共36頁。6.4.4ONU與OLT的同步過程ONU以搜索狀態(tài)開始工作，它在所有可能的序列中搜索Psync域。一旦找到一個(gè)正確的Psync域，ONU就轉(zhuǎn)變成預(yù)同步狀態(tài)。在預(yù)同步狀態(tài)，如果ONU再收到M1－1個(gè)正確的Psync域，就向前達(dá)到同步狀態(tài)。32第三十二頁，共36頁。6.4.5GPONONT管理控制接口（OMCI）G.984.4對(duì)GPON系統(tǒng)的ONT管理控制接口（OMCI）進(jìn)行了規(guī)范，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多廠家OLT和ONU設(shè)備之間的互通。G.984.4繼承了APON標(biāo)準(zhǔn)G.983的很多內(nèi)容。OLT使用OMCI協(xié)議控制ONU，該協(xié)議允許OLT建立和拆除與ONU的連接，管理ONU的用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI），獲取信息配置和性能統(tǒng)計(jì)，將一些事件如線路故障信息自動(dòng)通知系統(tǒng)操作者等。OMCI協(xié)議管理OLT