FTTx 光纖接入網(wǎng)絡(luò)工程課件：PON技術(shù)

5.1PON技術(shù)介紹5.2EPON技術(shù)介紹5.3GPON技術(shù)介紹5.4EPON和GPON的對比5.5PON技術(shù)未來的發(fā)展

本章內(nèi)容●?PON技術(shù)介紹●?EPON技術(shù)介紹●?GPON技術(shù)介紹●?EPON與GPON的對比●?PON技術(shù)未來的發(fā)展本章重點、難點●?PON技術(shù)介紹●?EPON技術(shù)介紹●?GPON技術(shù)介紹●?EPON與GPON的對比本章學(xué)習(xí)目的和要求●了解PON技術(shù)的基本概念●了解和熟悉EPON技術(shù)的基本理論知識●了解和熟悉GPON技術(shù)的基本理論知識●了解EPON技術(shù)與GPON技術(shù)的不同之處5.1PON技術(shù)介紹5.1.1PON技術(shù)概述隨著以太網(wǎng)技術(shù)在城域網(wǎng)中的普及以及寬帶接入技術(shù)的發(fā)展，人們提出了速率高達(dá)1?Gb/s以上的寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)(PassiveOpticalNetwork，PON)技術(shù)，主要包括EPON和GPON技術(shù)，其中E是指Ethernet(以太網(wǎng))，G是指Gigabit-Capable(吉比特級)。1987年，英國電信公司的研究人員最早提出了PON的概念。1995年，全業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟FSAN(FullServiceAccessNetwork)成立，旨在共同定義一個通用的PON標(biāo)準(zhǔn)。1998年，國際電信聯(lián)盟ITU-T工作組以155Mb/s的ATM技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)布了G.983系列APON(ATMPON)標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)目前在北美、日本和歐洲應(yīng)用較多，在這些地區(qū)都有APON產(chǎn)品的實際應(yīng)用。但在中國，ATM本身的推廣并不順利，所以APON在我國幾乎沒有什么應(yīng)用。2000年年底，一些設(shè)備制造商成立了第一英里以太網(wǎng)聯(lián)盟(EFMA)，提出基于以太網(wǎng)的PON概念——?EPON(EthernetPassiveOpticalNetwork)。EFMA還促成電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)在2001年成立第一英里以太網(wǎng)(EFM)小組，開始正式研究包括1.25?Gb/s的EPON在內(nèi)的EFM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。EPON標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ah在2004年6月正式頒布。2001年年底，F(xiàn)SAN更新網(wǎng)頁把APON更名為BPON(BroadbandPON)。實際上，2001年1月左右在EFMA提出EPON概念的同時，F(xiàn)SAN也已經(jīng)開始了帶寬在1?Gb/s以上的PON的研究，也就是GigabitPON標(biāo)準(zhǔn)的研究。FSAN/ITU推出GPON技術(shù)的最大原因是網(wǎng)絡(luò)IP化進(jìn)程加速和ATM技術(shù)的逐步萎縮導(dǎo)致之前基于ATM技術(shù)的APON/BPON技術(shù)在商用化和實用化方面嚴(yán)重受阻，迫切需要一種高傳輸速率、適宜IP業(yè)務(wù)承載同時具有綜合業(yè)務(wù)接入能力的光接入技術(shù)出現(xiàn)。在這樣的背景下，F(xiàn)SAN/ITU以APON標(biāo)準(zhǔn)為基本框架，重新設(shè)計了新的物理層傳輸速率和TC層，推出了新的GPON技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。2003年3月，ITU-T頒布了描述GPON總體特性的G.984.1和ODN物理媒質(zhì)相關(guān)(PMD)子層的G.984.2GPON標(biāo)準(zhǔn)。2004年3月和6月，ITU-T分別發(fā)布了規(guī)范傳輸匯聚(TC)層的G.984.3和運行管理通信接口的G.984.4標(biāo)準(zhǔn)。5.1.2PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，PON由光線路終端(OLT)、光分路器(Spliter)和光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)組成，采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的連接，并有實時監(jiān)控、管理及維護(hù)功能。ONU放置在用戶側(cè)，OLT與ONU之間通過無源光合/分路器連接。PON使用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，同時處理雙向信號傳輸，上、下行信號分別用不同的波長，但在同一根光纖中傳送。OLT到ONU/ONT的方向為下行方向，反之為上行方向。下行方向采用1490nm，上行方向采用1310nm，如圖5-2所示。FTTH常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5-3所示。5.1.3PON保護(hù)PON的保護(hù)根據(jù)其保護(hù)部分的不同，主要有三種類型：光纖部分保護(hù)、OLT保護(hù)和全保護(hù)。這三種配置分別如圖5-4、圖5-5和圖5-6所示。5.1.4PON的優(yōu)勢PON具有成本低、維護(hù)簡單、容易擴(kuò)展、易于升級等優(yōu)點。PON結(jié)構(gòu)在傳輸途中不需要電源，沒有電子部件，因此容易鋪設(shè)，基本不用維護(hù)，長期運營成本和管理成本節(jié)省了很多。無源光網(wǎng)絡(luò)是純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，徹底避免了電磁干擾和雷電影響，極適合在自然條件惡劣的地區(qū)使用。PON系統(tǒng)對局端資源占用很少，系統(tǒng)初期投入低，擴(kuò)展容易，投資回報率高。PON提供非常高的帶寬。EPON目前可以提供上/下行對稱的1.25?Gb/s的帶寬，并且隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展可以升級到10?Gb/s。GPON則是高達(dá)2.5Gb/s的帶寬。PON服務(wù)范圍大。PON作為一種點對多點網(wǎng)絡(luò)，以一種扇形的結(jié)構(gòu)來節(jié)省成本(CO)的資源，服務(wù)大量用戶。用戶共享局端設(shè)備和光纖的方式更是節(jié)省了用戶投資。PON帶寬分配靈活，服務(wù)有保證。G/EPON系統(tǒng)對帶寬的分配和保證都有一套完整的體系，可以實現(xiàn)用戶級的SLA(服務(wù)等級協(xié)議)。5.2EPON技術(shù)介紹5.2.1EPON基本介紹EPON在現(xiàn)有IEEE802.3協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過較小的修改實現(xiàn)在用戶接入網(wǎng)絡(luò)中傳輸以太網(wǎng)幀，是一種采用點對多點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸方式，基于高速以太網(wǎng)平臺和TDM(TimeDivisionMultiplexing，時分復(fù)用)、MAC(MediaAccessControl，媒體訪問控制)方式，提供多種綜合業(yè)務(wù)的寬帶接入技術(shù)。EPON相對于現(xiàn)有類似技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面。(1)與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性：以太網(wǎng)技術(shù)是迄今為止最成功和成熟的局域網(wǎng)技術(shù)。EPON只是對現(xiàn)有IEEE802.3協(xié)議做一定的補充，基本上是與其兼容的?？紤]到以太網(wǎng)的市場優(yōu)勢，EPON與以太網(wǎng)的兼容性是其最大的優(yōu)勢之一。(2)高帶寬：根據(jù)目前的討論，EPON的下行信道為百兆/千兆的廣播方式，而上行信道為用戶共享的百兆/千兆信道。(3)低成本：①由于采用PON的結(jié)構(gòu)，EPON網(wǎng)絡(luò)中減少了大量的光纖和光器件以及維護(hù)的成本；②以太網(wǎng)本身的價格優(yōu)勢，如廉價的器件和安裝維護(hù)使EPON具有ATMPON所無法比擬的低成本。5.2.2EPON的協(xié)議結(jié)構(gòu)1.?EPON協(xié)議棧EPON協(xié)議棧如圖5-7所示。1)?EPON層次模型(1)?EPON數(shù)據(jù)鏈路層：包括MACClient、OAM、多點MAC控制和MAC，共四個子層。(2)?EPON物理層(PHY)：包括PCS、PMA、PMD和一個可選的FEC層。(3)各層之間的接口：PCS層與MAC層的接口定義為千兆比媒質(zhì)無關(guān)接口(GMII)，它是字節(jié)寬度的數(shù)據(jù)通道。PMA層與PCS層的接口定義為10位數(shù)接口(TBI)，它是10位寬度的數(shù)據(jù)通道。PMD層與物理層介質(zhì)的接口為介質(zhì)相關(guān)接口(MDI)，它是串行比特物理接口。2)?EPON數(shù)據(jù)鏈路層MPCP為了避免不同ONT/ONU之間的數(shù)據(jù)沖突，需要一個特殊的操作過程來發(fā)送上行數(shù)據(jù)，控制上行數(shù)據(jù)的發(fā)送遵循多點控制協(xié)議(Multi-PointControlProtocol，MPCP)。MPCP是EPON的核心控制協(xié)議，其主要功能是通過OLT為ONT/ONU動態(tài)地分配上行帶寬。EPON的MPCP是依靠多點MAC控制層產(chǎn)生的MAC控制幀來實現(xiàn)的，實現(xiàn)過程結(jié)構(gòu)如圖5-8所示，基本工作原理由授權(quán)處理過程、發(fā)現(xiàn)處理過程和報告處理過程三個部分組成。2.?EPON幀結(jié)構(gòu)如圖5-9所示，EPON只在IEEE802.3的以太數(shù)據(jù)幀格式上做必要的改動，如在以太幀中加入時戳(TimeStamp)、LLID等內(nèi)容，可使P2MP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵τ诟邔觼碚f表現(xiàn)為多個點對點鏈路的集合，其中LLID用于標(biāo)識ONU。5.3GPON技術(shù)介紹吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)系統(tǒng)通常由局側(cè)的OLT、用戶側(cè)的ONU和ODN組成，通常采用點到多點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ODN由單模光纖、光分路器、光連接器等無源光器件組成，為OLT和ONU之間的物理連接提供光傳輸媒介。當(dāng)采用三波長提供CATV等業(yè)務(wù)時，ODN中也包括分波、合波的WDM器件。5.3.1GPON基本介紹和標(biāo)準(zhǔn)ODN中兩個光傳輸方向定義為：下行方向定義為光信號從OLT傳輸至ONU；上行方向定義為光信號從ODN傳輸至OLT。GPON系統(tǒng)采用單纖雙向傳輸方式時，上/下行應(yīng)分別使用不同的波長，其中：上行使用1290～1330?nm波長(標(biāo)稱1310nm)；下行使用1489～1500?nm波長(標(biāo)稱1490nm)。當(dāng)使用第三波長提供CATV業(yè)務(wù)時，應(yīng)使用1540～1560nm波長(標(biāo)稱1550nm)。GPON標(biāo)稱速率等級由ITU-TG.984.2定義，傳輸線路的速率定義為8?kHz的倍數(shù)，GPON的標(biāo)稱線路速率(下行/上行)有多種。雖然GPON標(biāo)稱速率定義了多個等級，但是實際目前主流芯片廠商和設(shè)備廠商的GPON產(chǎn)品均只支持下行2488.32?Mb/s、上行1244.16?Mb/s的標(biāo)稱速率。因此下行2488.32Mb/s，上行1244.16?Mb/s的標(biāo)稱速率實際成為GPON唯一的標(biāo)稱速率。GPON支持的最大邏輯距離為60?km；GPON支持的最大物理距離為20?km；GPON支持的最大距離差為20km。最大距離差是指兩個ONU到達(dá)OLT的最大距離差值，即最遠(yuǎn)的ONU到達(dá)OLT的距離減去最近的ONU到達(dá)OLT的距離差值，這個值是協(xié)議中規(guī)定的，距離差大于20?km有可能造成一些協(xié)議報文產(chǎn)生干擾，實際上距離超過20?km會造成ONU無法激活，在組網(wǎng)時應(yīng)該注意。1.?GPON光功率預(yù)算GPON光功率預(yù)算決定了GPON系統(tǒng)的最大傳輸距離和最大分路比。G.984.2根據(jù)允許衰減范圍的不同定義了A、B、C三大類，后續(xù)結(jié)合實際應(yīng)用需求和光收發(fā)模塊的實際能力增補了B+?和C+?類，目前B+類是主流，C+類有少量應(yīng)用。B+?類光模塊和C+?類光模塊在GPON設(shè)備上，可以支持最長20?km的傳輸距離，且最大支持1∶64的分路比。GPON系統(tǒng)的最大差分距離為20?km。GPON還可以通過上/下行FEC功能增加部分增益。2.?GPON的加密方式目前GPON系統(tǒng)支持AES加密方式，支持128b嚴(yán)格的加密機(jī)制，提供更加嚴(yán)格的安全和保護(hù)機(jī)制，確保運營商網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的安全可靠運行。但是下行加密僅僅對通過單播GEMPort通道傳送的業(yè)務(wù)進(jìn)行加密，對于組播GEMPort通道傳送的業(yè)務(wù)，由于需要由若干個ONU接收，因此密鑰的協(xié)商交換機(jī)制比較復(fù)雜，目前不支持加密。5.3.2GPON的工作原理GPON下行的復(fù)用關(guān)系如圖5-12所示?？梢钥闯鲆粋€OLTPON口由若干個邏輯Port組成，我們稱之為GEMPort(虛擬接口)，ONU同樣具有若干個GEMPort，OLT的GEMPort與ONU的GEMPort通過某種方式一一對應(yīng)。ONU的同步狀態(tài)機(jī)制如圖5-13所示。OLT下行業(yè)務(wù)采用廣播方式，OLT將業(yè)務(wù)封裝入GEM幀中，然后若干個GEM幀組成GTC幀，下行傳送。ONU根據(jù)GEM幀中封裝的GEMPortID進(jìn)行過濾。OLT下行具有兩種類型的通道，即單播GEMPort通道和組播GEMPort通道。單播GEMPort通道表示OLT發(fā)送的數(shù)據(jù)只是傳送給某個特定的ONU，只有一個配置了這個單播GEMPort的ONU會接收這個數(shù)據(jù)，如圖5-14所示。組播GEMPort通道表示OLT發(fā)送的數(shù)據(jù)是傳送給一組ONU，存在若干個ONU配置了這個組播GEMPort，這些ONU都會接收這個數(shù)據(jù)。由于ONU往往具有若干個UNI接口，因此一般對于組播GEMPort通道，我們會結(jié)合組播GEMPortID與組播MAC地址一起進(jìn)行過濾操作，如圖5-15所示。OLT上行業(yè)務(wù)采用TDMA方式，ONU將業(yè)務(wù)封裝入GEM幀中，然后若干個GEM幀組成一個T-CONT，在分配的時間片內(nèi)傳送。GPON上行的復(fù)用關(guān)系如圖5-16所示。OLT上行只有一種類型通道，如圖5-17所示。5.3.3GPON的GTC協(xié)議GPON系統(tǒng)的協(xié)議棧如圖5-18所示。GPONGTC的TC幀結(jié)構(gòu)分成下行幀結(jié)構(gòu)和上行幀結(jié)構(gòu)，兩者不對稱，如圖5-19所示。1.?GPON下行幀結(jié)構(gòu)GPON的下行幀格式由PCBd頭和凈荷兩個部分組成。PCBd組成如圖5-20所示。PCBd中的USBWMap用于指示OLT分配給ONU的時間片，如圖5-21所示。2.?GPON上行幀結(jié)構(gòu)GPON的上行幀是按照125?s劃分的虛擬幀結(jié)構(gòu)，實際是由若干個突發(fā)時間片構(gòu)成的，時間片的長度由下行幀中USBWMap域確定，圖5-22給出了GPON的上行幀結(jié)構(gòu)中的某個突發(fā)時間片。3.?GEM幀格式GPON的業(yè)務(wù)封裝采用了GEM(GPONEncapsulationMethod)幀，這種封裝方式能完成對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、NativeTDM業(yè)務(wù)的適配，圖5-23給出了GEM的幀結(jié)構(gòu)。5.4EPON和GPON的對比1.可用帶寬EPON提供固定上/下行1.25?Gb/s的傳輸效率，采用8b/10b線路編碼，實際速率為1?Gb/s。GPON支持多種速率等級，可以支持上/下行不對稱速率，下行2.5?Gb/s或1.25?Gb/s，上行1.25?Gb/s、622?Mb/s等多種速率，根據(jù)實際需求來決定上/下行速率，選擇對應(yīng)的光模塊，提高光器件速率價格比。2.多業(yè)務(wù)能力和安全性EPON沿用了簡單的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式，只是在以太網(wǎng)包頭增加了64字節(jié)的MPCP點到多點控制協(xié)議來實現(xiàn)EPON系統(tǒng)中的帶寬分配、帶寬輪詢、自動發(fā)現(xiàn)、測距等工作。GPON基于完全新的傳輸融合(TC)層，該子層能夠完成對高層多樣性業(yè)務(wù)的適配，定義了ATM封裝和GFP封裝(通用成幀協(xié)議)，可以選擇二者之一進(jìn)行業(yè)務(wù)封裝。鑒于目前ATM應(yīng)用并不普及，于是一種只支持GFP封裝的GPON.lite設(shè)備應(yīng)運而生，它把ATM從協(xié)議棧中去除以降低成本。GFP是一種通用的適用于多種業(yè)務(wù)的鏈路層規(guī)程，ITU-T定義為G.7041。GPON中對GFP做了少量的修改，在GFP幀的頭部引入了PortID，用于支持多端口復(fù)用，還引入了Frag(Fragment)分段指示以提高系統(tǒng)的有效帶寬，并且只支持面向變長數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理模式，而不支持面向數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)透明處理模式。因此，GPON多業(yè)務(wù)承載能力強于EPON。GPON的TC層本質(zhì)上是同步的，使用了標(biāo)準(zhǔn)的8?kHz(125?μm)定長幀，這使GPON可以支持端到端的定時和其他準(zhǔn)同步業(yè)務(wù)，特別是可以直接支持TDM業(yè)務(wù)，就是所謂的NativeTDM。GPON對TDM業(yè)務(wù)具備“天然”的支持。3.?QoS和OAMEPON在MAC層Ethernet包頭增加了MPCP。MPCP通過消息、狀態(tài)機(jī)和定時器來控制訪問P2MP點對多點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配(DBA)。MPCP涉及的內(nèi)容包括ONU發(fā)送時隙的分配，ONU的自動發(fā)現(xiàn)和加入，向高層報告擁塞情況以便動態(tài)分配帶寬。MPCP提供了對P2MP拓?fù)浼軜?gòu)的基本支持，但是協(xié)議中并沒有對業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行分類處理，所有的業(yè)務(wù)隨機(jī)地競爭帶寬。GPON則擁有更加完善的DBA，具有更加穩(wěn)定的QoS。GPON將業(yè)務(wù)帶寬分配方式分成四種類型，優(yōu)先級從高到低分別是：固定帶寬(Fixed)、保證帶寬(Assured)、非保證帶寬(Non-Assured)和盡力而為帶寬(BestEffort)。DBA又定義了業(yè)務(wù)容器(Trafficcontainer，T-CONT)作為上行流量調(diào)度單位，每個T-CONT由Alloc-ID標(biāo)識。每個T-CONT可包含一個或多個GEMPortID。T-CONT分為五種業(yè)務(wù)類型，不同類型的T-CONT具有不同的帶寬分配方式，可以滿足不同業(yè)務(wù)流對時延、抖動、丟包率等不同的QoS要求。T-CONT類型1的特點是固定帶寬、固定時隙，對應(yīng)固定帶寬分配，適合對時延敏感的業(yè)務(wù)，如話音業(yè)務(wù)；類型2的特點是固定帶寬，但時隙不確定，對應(yīng)保證帶寬分配，適合對抖動要求不高的固定帶寬業(yè)務(wù)，如視頻點播業(yè)務(wù)；類型3的特點是有最小帶寬保證又能夠動態(tài)共享富余帶寬，并有最大帶寬的約束，對應(yīng)非保證帶寬分配，適合有服務(wù)保證要求而又突發(fā)流量較大的業(yè)務(wù)，如下載業(yè)務(wù)；類型4的特點是盡力而為，無帶寬保證，適合對時延和抖動要求不高的業(yè)務(wù)，如Web瀏覽業(yè)務(wù)；類型5是組合類型，在分配完保證和非保證帶寬后，額外的帶寬需求盡力而為進(jìn)行分配。EPON沒有對OAM進(jìn)行過多的考慮，只是簡單地定義了對ONT遠(yuǎn)端故障指示、環(huán)回和鏈路監(jiān)測，并且是可選支持的。GPON在物理層定義了PLOAM(PhysicalLayerOperations，AdminstrationandMaintenance，物理層運行維護(hù)和管理)，在高層定義了OMCI(ONTManagementandControlInterface，光網(wǎng)絡(luò)單元管理控制接口)，在多個層面進(jìn)行OAM管理。PLOAM用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)