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硕上论文 吉比特无源光网络( g p o n ) 终端高层业务的研究与实现 摘要 随着社会信息化建设的迅猛发展，数据业务急剧增长，人们迫切需要一种经济， 简单，易升级，能够综合传输语音、数字和视频业务的新的接入网络技术，基于无 源光网络( p o n ) 的接入技术就是在这种情况下诞生的。在现有p o n 系统中吉比特的 无源光网络( g p o n ) 可达到的总效率最高，等效系统成本最低，并具有全业务支持 能力，因此g p o n 的前景被普遍看好并成为了目前研究的热点。本文主要对g p o n 技术进行分析，对光网络终端( o n t ) 相关技术和高层的设计方案进行探讨，论文的 主要内容如下： 论文首先研究了p o n 网络技术的发展现状，将g p o n 与其他各种p o n 技术相 比较，分析g p o n 的优势所在。密切结合国际电信联盟电信标准化部f q ( i t u t ) 的 g 9 8 4 系列协议标准，对g p o n 系统的特性工作原理以及关键技术进行了分析，并 结合o n t 网络分层结构给出了o n t 总体设计。 其次，分析了o n t 支持的业务类型，给出了g p o n 系统中实现时分复用( t d m ) 业务和以太网业务的接入方案。在分析了高层功能要求的基础上，重点研究了基于 建立通用硬件平台的高层设计方案和硬件电路的设计，根据设计要求探讨了核心处 理器及高层业务的选择和具体技术实现途径，提出了设计方案。 最后，对g p o n 高层业务实现关键技术进行了研究。在研究已有时钟恢复方法 基础上，给出了适用于g p o n 系统的时钟恢复方法。对g p o n 高层业务的管理控 制和带宽的分配方法进行了研究，并给出了相应的方案。 关键词：吉比特无源光网络，光网络终端，高层 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y , d a t as e r v i c e sh a v e m a d eg r e a ts t r i d e s t e c h n o l o g yo fa c c e s sn e t w o r k si sr e q u i r e d ，w h i c hi sn e e dt ob e e c o n o m i c ，s i m p l e ，s c a l a b l e ，a n dc a p a b l eo fd e l i v e r i n gi n t e g r a t e dv o i c e ，d a t a , a n dv i d e o s e r v i c e st oa ne n d - u s e rs u b s c r i b e ro v e rs i g n a ln e t w o r k ，s ot h ep o nt e c h n o l o g yw a sb o r n t h a n k st oe f f i c i e n c y ，l o we q u i v a l e n tc o s ta n dt h ea b i l i t yt os u p p o r ta l lk i n d so fa c c e s s s e r v i c e s ，t h ep r o s p e c t so ft h eg p o ns y s t e ma r eb r i g h t n o w a d a y s ，t h es t u d yo fg p o n s y s t e mi so n eo ft h eh o t t e s tt o p i c si nt h ea c c e s sn e t w o r k st e c h n o l o g y t h i sp a p e rm a i n l y d e a l sw i t ht h eg p o nk e yt e c h n o l o g i e s ，r e l a t e dt e c h n i q u eo fg p o no p t i c a ln e t w o r k t e r m i n a t i o n ( o n t ) ，a n dt h ed e s i g ns c h e m e ，t h em a j o rc o n t e n t so ft h ep a p e ra r e a s f o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fp o n ，c o m p a r e sg p o nw i t h d i f f e r e n tt y p e so fp o n ，a n da n a l y s e st h ea d v a n t a g e so fg p o n t h e n ，a c c o r d i n gt ot h e g p o ng 9 8 4r e c o m m e n d a t i o n ，i ta n a l y s e st h eo n t s y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c ，a n dd e s i g n e s t h eo n t s y s t e m s e c o n d l y , t h es e r v i c et y p e so n ts u p p o r t sw a sa n a ly s e d ，a n dt h es c h e m ef o rt h e t m ds e r v i c e sa n dt h ee t h e m e ts e r v i c e sw a sd i s c u s s e d i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s t h eg e n e r a lh a r d w a r ep l a t f o r ma n dd e s i g n e st h eh a r d w a r ec i r c u i ta c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o ft h eh i g h e rl a y e rs e r v i c e s t h e nt h ec h o i c eo ft h ec o r ep r o c e s s o ra n dt h er e a l i z a t i o no f t h eh i d e rl a y e rs e r v i c e sw a sd i s c u s s e d ，a n dah i 曲p e r f o r m a n c ed e s i g na c c o r d i n gt o p a r t i c u l a rc o n d i t i o n sw a sp r o v i d e d l a s t l y , t h ek e yt e c h n i q u e so ft h eh i g h e rl a y e rs e r v i c e sw a sa n a l y s e d t h ec l o c k r e c o v e r ym e t h o d ss u i t a b l ef o rt h eg p o ns y s t e mb a s e do nt h ec l o c kr e c o v e r ym e t h o d s e x i s t e dw a sp r o v i d e d i na d d i t i o n ，t h ed y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n tm a cp r o t o c o lf o r d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e so v e rg p o nw a sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：g p o n ，o n t , h i 曲l a y e rs e r v i c e s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 硕士论文吉比特无源光网络( g p o n ) 终端高层业务的研究与实现 1 绪论 1 1 课题概述 随着网络信息化建设的发展，网络数据流量急剧增长，电信业务的种类也由单 一的电话电报业务扩展到多种业务。通信网的主干部分发生了巨大的变化，而“最 后二公里”的接入部分却仍然是高速局域网和主干网之间的瓶颈，网络的发展需求 一种经济，简单，易升级，能够综合传输语音、数字和视频业务的新的接入网技术， 光接入技术在网络发展的需求下逐渐的发展成熟。本课题致力于无源光接入中吉比 特的无源光网络光网络终端的研究，重点研究g p o n 高层业务如t d m 、语音、数 字和视频业务以及e t h e m e t 业务在无源光网络光网络终端上的实现方法。 1 2 课题的背景和目的 1 2 1 光接入网 电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及复用设备、 交换设备以及各种线路设施等。整个电信网按功能可分为三个部分：传送网、交换 网和接入网【1 1 。它们的关系如图1 2 1 1 所示。 用户端设备 躯 交换网 用户端设备 图1 2 1 1 接入网在整个电信网中的位置 由图1 2 1 1 可见，接入网处于核心网与最终用户之间，是大量用户驻地网进入 核心网的桥梁。接入网虽然不长，其规模约占电信网的1 3 ，但其业务量却是长途 干线和局间中继业务量的l o 倍，投资约占市话总投资的5 0 ，因此用户接入网在 电信网中占有相当重要的地位【2 1 。 根据国际电信联盟第1 3 组于1 9 9 5 年7 月通过的关于接入网框架结构方面的新 建议( g 9 0 2 ) ，接入网定义为由业务节点接d ( s n d 和用户网络接口( u n i ) 之间的一系 列传送实体( 如：线路设施和传输设施) 组成，原则上对接入网可以实现的u m 和s n i 的类型和数目没有限制。接入网提供诸如传输、复用、交叉连接等承载电信业务的 一一一一捌 一一一恻一 l 绪论硕十论文 功能，对于所接入的业务提供承载能力。接入网对用户信令是透明的，除了一些用 户信令格式转换外，信令和业务处理的功能依然在业务节点中。通过接入网，用户 能灵活地接入到不同的电信业务节点上。随着数字传输技术和光纤技术的发展普 及，保持了近一个世纪而没有重大改变的双绞线对接入形式开始出现新的面貌，光 纤光缆的巨大带宽潜力，耐腐蚀、易维护的特性都指明了光接入是接入网的发展方 向。 光接悯( o a n ) 为共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所能支持的接入链 路群，一般称为光纤环路系统。由定义可知，光接入网在一般情况下是一个点对多 点的光传输系统。图1 2 2 2 为光接入网的典型结构。 ： 钠3 ： ： o d n ：光分配网络；o l t 光线路终端；o n u ：光网络单元； o d t ：光远程终端；u n h 用户网络接口：s n i ：业务：常点接口；a f ：适配功能； s r ：光发送接收参考点；v ：与业务节点间的参考点；a ：a f 与o n u 间的参考点； 图1 2 2 2 光接入网的典型结构 光接入网系统中主要有局端和远端两种设备。局端设备称作光线路终端( o l t ) 。 远端设备依据其在网络中位置的不同，功能和规模也并不相同。一般将安装到用户 驻地的叫做光网络终端设备，它既是用户的终端设备又是网络设备；另一种远端设 备叫做光网络单元( o n u ) 设备，这种o n u 设备没有到用户，必须要使用金属线( 或 同轴电缆) ，通过各种x d s l 技术将各种业务引入到用户。 从系统配置上可分为无源光网络和有源光网络( a o n ) ，无源光网络由于在o l t 和o n u 之间没有任何有源电子设备，对各种业务呈透明状态，易于升级扩容，因 而便于维护管理【3 】。该系统以其低的接入成本，受到很多电信主管部门和运营部门 2 硕士论文 吉比特无源光网络( g p o n ) 终端高层业务的研究与实现 重视。不足之处是o l t 、o n u 之间的距离和容量受到一定的限制。有源光网络中， 用有源设备或网络系统( 如s d h 环网) 的光远程终端( o d t ) 代替无源光网络中的光分 配网络( o d n ) ，传输距离和容量大大增加、易于扩展带宽，网络规划和运行的灵活 性大。不足的地方是有源设备需要机房、供电、维护等。 光接入网具有业务量密度低、缺乏规模经济、成本高、成本差异大且与业务量 无关、运行环境恶劣、技术变化慢等特点。其投资若占整个电信网投资的5 0 ，具 有巨大的市场前景。作为整个电信网的瓶颈部分，接入网势必要向着更高带宽、s d h 兼容和增加双向通信能力的方向发展，f t t h 是其最终目标【4 】。但由于成本的限制， 当前不可能实现大规模的f t t h ，中间必须有一个过渡的时期。当前接入网中两种 主要的技术方案为f t t c ( 光纤n d , 区) 和h f c ( 混合光纤同轴网) 。前者将光纤引入小 区，再通过其它技术到用户( 如a d s l 、v d s l 、无线接入等) ，后者将传统的c a t v 网改造成双向的网络。两者其实都可以看成为光纤接入，只不过前者采用数字的传 输方法，后者采用模拟的传输方法【5 】。本论文将对光纤接入中的p o n 的相关问题进 行分析。 1 2 2p o n 技术的介绍与比较 基于p o n 的接入技术以其高带宽，高可靠性，和几乎无需维护费用的突出优 点成为宽带接入技术的首选方案。与有源光接入技术相比，p o n 由于消除了局端与 用户端之间的有源设备，从而使得维护简单、可靠性高、成本低，而且能节约光纤 资源，是未来f t t h 的主要解决方案。随着p o n 成本的逐步降低，不但在f t t b f t t c 场合p o n 有了一定的应用市场，而且利用p o n 来实现f t t h 在日本等发达国家也 取得了很大的进展【6 】。目前p o n 技术主要有a p o n 、e p o n 和g p o n 等几种，其主 要差异在于采用了不同的二层技术。 a p o n 是上世纪9 0 年代中期就被i t u 和全业务接入网论坛( f s a n ) 标准化的 p o n 技术，f s a n 在2 0 0 1 年底又将a p o n 更名为b p o n 。a t m 化的无源光网络 宽带无源光网络( a p o n b p o n ) 可以利用a t m 的集中和统计复用功能，再结合无源 分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使性能价格比有很大改进，目前在美国和 日本等国已经开始商用，在日本已经敷设了约5 0 万线【7 】。然而，目前实际 a p o n b p o n 的业务适配提供却很复杂，业务提供能力有限，数据传送速率和效率 不高，成本较高，其市场前景由于a t m 的衰落而变得很不确定。从长远的业务发 展趋势看，a p o n 的可用带宽仍然不够【引。 近几年随着i p 的崛起和发展，在与a p o n 和b p o n 类似的结构和g 9 8 3 的基 础上，有人提出了以太网无源光网络( e p o n ) 的概念，即设法保留其精华部分物 理层p o n ，而以以太网代替a t m 作为链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、 l 绪论硕十论文 更低成本和更宽业务能力的新的结合体e p o n 【9 】。这一思想在以太网界得到了 积极响应，在i e e e8 0 2 3 的旗帜下已经形成了初步标准千兆以太网无源光网络 ( g e p o n ) 。在实际中，e p o n 和g e p o n 的基本差别就是标准化，前者往往指非标 设备，后者指符合i e e e8 0 2 3 规范的设备。另外，g e p o n 的传输距离和分路比均 比e p o n 有所减小。e p o n 虽然有其独特的优势，但也有一些缺点，主要是效率低 和难以支持以太网以外的业务。当遇到话音t d m 业务时，就会引起q o s 问题。e p o n 由于采用8 b 1 0 b 的线路编码，引入的带宽损失为2 0 ，再加上其他开销，可用负 荷仅5 0 左右。再加上承载层效率、传输汇聚层效率和业务适配效率等原因，使e p o n 总的传输效率很低【l 叫2 | 。 2 0 0 1 年，在i e e e 积极制订e p o n 标准的同时，全业务接入网络( f s a n ) 组织开始发 起制订速率超过1 g b i t s 的p o n 网络标准g p o n 。随后，i t u t 也介入到这一新标 准的制订工作中来，并于2 0 0 3 年1 月通过两个有关g p o n 的新标准g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 ( 速 率提高到2 5 g b i t s ) 。g p o n 技术基于i t ug 9 8 4 x 系列标准，该标准明确规定需要支持 的业务类型包括数据业务( e t h e m e t 业务，包括i p 业务和m p e g 业务视频流) 、p s t n 业 务( p o t s ，i s d n 业务) 、专用线( t 1 ，e 1 ，d s 3 ，e 3 和a t m 业务) 和视频业务( 数字视 频) 【1 3 小】。对于下一代网络洲g n ) 中最重要的业务i p t v ，g p o n 也能很好的支持 1 5 1 。 g p o n 能够提供1 2 4 4 和2 4 8 8 g b i t s 的下行速率和所有标准的上行速率，具有高速宽带 及高效率传输的特性。g p o n 的物理层传输距离可以为1 0 k i n 或2 0 k m ，逻辑距离可达 6 0 k m ；支持最高为1 ：6 4 的分路比，传输汇聚( t c ，t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ) 层支持 的分路比达l ：1 2 8 。g p o n 采用g 9 8 3 4 规定的动态带宽分配( d b a ，d y n a m i cb a n d a l l o c a t i o n ) 机制进行动态带宽分配。同时，标准中明确定义了4 种服务质量等级：固定 带宽、保证带宽、非保证带宽和尽力而为带宽，因此，提供q o s 的能力更强。g p o n 具有完备的运行维护管理( o a m ) 功能( 包括嵌入o a m 矛d p l o a m ) ，规定了下行加密算 法和密钥交换机制，规定了以g 9 8 3 5 为基础的保护功能【l 扣1 7 j 。 除了以上所介绍的这些g p o n 特征之外，需要值得关注的一点是g p o n 定义 了新的t c 子层，规定t c 子层可采用g e m ( g p o ne n c a p s u l a t i o nm e t h o d ，g p o n 封 装模式) 和a t m 两种封装方式。g p o n 采用g e m 封装方式来作业务映射，适配来 自传送网上高层客户信令的业务。g e m 的思想源于i t u t 建议g 7 0 4 1 中的通用成 帧程序，能够以高效简单的方式在同步传送网上传送不同业务，满足任何现有业务 和未来新业务的适配要求，故它用作g p o nt c 层的基础是十分理想的【博j 。此外， 使用g e m 时，g p o nt c 层本质上是同步的，并使用标准的s o n e t8 k h z ( 1 2 5 9 s ) 帧，这使g p o n 能够直接支持t d m 业务【l9 。2 0 j 。a t m 封装方式主要是考虑对a t m 业务的承载，不过由于a t m 技术的复杂性和实际网络i p 化趋势，基本上不采用这 种方式。 4 硕士论文吉比特无源光网络( g p o n ) 终端高层业务的研究与实现 通过对三种p o n 的介绍之后，为了对它们有一个更全面、更深刻的了解，现 将它们的主要技术参数性能对比列于表1 2 2 1 【2 1 。2 3 1 。 表1 2 2 1a p o n 、e p o n 和g p o n 的技术参数性能比较 a p o ne p o ng p o n 相大标准 i t u tg 9 8 3i e e e8 0 2 3 a hi t u - tg 9 8 4 下行线路速率 1 5 5 5 2 或6 2 2 0 8 1 2 5 0 1 2 4 4 1 6 或2 4 8 8 3 2 ( m b i t s ) 上行线路速率 1 5 5 5 21 2 5 0 1 5 5 5 2 或6 2 2 0 8 或1 2 4 4 1 6 或2 4 8 8 3 2 ( m b i t s ) 单纤：1 4 8 0 1 5 0 0 n m 下行波长 1 4 8 15 0 0 n m1 5 0 0 h m 双纤：1 2 6 0 1 3 6 0 n m 上行波长1 2 6 肛1 3 6 0 n m 1 3 1 0 n m1 2 6 0 - 1 3 6 0 n m 线路编码 n r z ( + s c r a m b l i n g ) 8 b 1 0 b n r z ( + s c r a m b l i n g ) 最小分路比 3 21 66 4 ( 在传输汇聚层) 最大分路比 6 4n a1 2 8 ( 在传输汇聚层) 5 3 字一肖( 4 8 字节净从5 3 字节到 数据包大小1 5 1 8 字节 负荷，5 字节开销)1 5 1 8 字节的可变长度 传输层使用的协议 a t mi p e t h e r n e ta r m g e m t c 层支持的最大 2 0 1 0 或2 0 6 0 逻辑传送距离( k m ) 基丁：a t m基于分组承载的原始的t d m 和或基于a t m 承载的 t d m 支持能力 承载的t d m t d m t d m 和或分组承载的t d m 支持的o d n 类型a 类、b 类和c 类a 类和b 类a 类、b 类和c 类 提供的语音业务a a l 5 、v b i p 、a a l 2 v o 口v b i p 提供的视频业务 w d m 、i p t v a a i5w d m 、i p t vw d m 、i p t v 取决于每个 p o n 支持的 2 5 6 o n t 支持的 4 0 9 6 最大业务流( 个) l l i d 数 q o s 可靠不可靠可靠 e t o a m ( 咖 运行维护管理 p l o a m + o m c ip l o a m + o m c i 可选) 下行数据流加密 扰码或a e s无定义 a e s ( 计数器模式) 升级容易程度i i j 难一般 一般 用户侧成本高低较高 网络侧成本高低较高 技术成熟度成熟成熟不成熟 总体效率( 1 0 7 1 4 9 9 3 t d m ，9 0 d a t a ) 进一步的将g p o n 标准与b p o n 和e p o n 的标准相比较，可以发现g p o n 具 1 绪论硕士论文 有如下优秀的特性 2 4 2 6 】： ( 1 ) 更高的可用带宽。按照标准规定，g p o n 的上行速率和下行速率最高可达 2 4 4 8 g b i t s ，能提供足够大的带宽以满足未来网络应用日益增长的对高带宽的需求。 除开物理层开销、g e m 帧的封装开销、p l o a m 协议开销和额外的封装开销( 当有 帧需要进行分段重组时按照g p o n 协议必须引入的额外封装丌销) 以外，实际得到 的能够用于传输业务的带宽仍然比e p o n 的极限理论带宽1 g b i t s 高。而且e p o n 由于本身的m a c 层协议特点，实际用于传输业务的带宽仅为8 0 0 m b i t s 左右。而 b p o n 的上下行带宽的理论峰值从表1 ；2 2 1 中可以看出远远低于g p o n 2 7 2 8 】。 ( 2 ) 可支持对称和不对称的多种线路速率。支持的各种速率组合情况如表 1 2 2 2 所示： 表1 2 2 2 各种速率组合情况 上行速率下行速率 1 2 4 4 g b s 1 2 4 4 g b s 对称情况 2 4 8 8 g b s2 4 8 8 g b s 15 5 5 2 m b s2 4 8 8 g b s 1 5 5 5 2 m b s1 2 4 4 g b s 上下速率不对称情况6 2 2 0 8 m b s2 4 8 8 g b s 6 2 2 0 8 m b s1 2 4 4 g b s 1 2 4 4 g b s2 4 8 8 g b s 由表1 2 2 可见，g p o n 灵活配置上下行速率。g p o n 技术支持的速率配置有 1 2 g b i t s 下行，1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、1 2 g b i t s 上行；2 4 g b i t s 下行，1 5 5 m b i t s 、 6 2 2 m b i t s 、1 2 g b i t s 、2 4 g b i t s 上行共7 种方式。对于f t t h ，f t t c 应用，可采用 非对称配置；对于f t t b 应用，可采用对称配置。由于高速光突发发射、突发接收 器件价格昂贵，且随速率上升显著增加，因此这种灵活的配置可使运营商有效控制 光接入网的建设成本。 ( 3 ) 网络覆盖范围，o n u 间差分距离最远可达2 0 k m ，逻辑距离覆盖可达6 0 k m 。 g p o n 的这一特性可以满足绝大多数情况下的接入需求。 ( 4 ) 简单高效兼容的t c 层成帧方式，对i p 业务承载能力相当耐29 1 。g p o n 的 t c 层传输协议有两种可供选择一一g e m 或者a t m 。其中a t m 模式下g p o nt c 层的p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ，协议数据单元) 就是a t m 信元；i t u t 在g p o n 的标 准中引入a t m 模式主要是出于对早期a t m 设备的兼容，这样就可以使用a t m 信 元不用经过转换而直接在g p o n 上传输，省去了原始数据的封装和解封步骤。而 g e m 模式是g p o n 最大的特点，它允许在必要情况下对原始数据帧直接进行分段 6 硕士论文吉比特无源光网络( g p o n ) 终端高层业务的研究与实现 重组，并在m a c 层上采用可变长封装的方式进行打包传输，其间引入的带宽开销 远远小于a t m 模式。具体的说，g e m 帧中的荷载长度范围为0 4 0 9 5 字节，解决 了b p o n 中a t m 过高的信元税带来的承载i p 业务效率低的弊病；而以太网m a c 帧中的荷载长度范围仅为4 6 - - 1 5 0 0 字节，因此g p o n 对于口业务的承载能力是相 当强的【3 0 1 。 ( 5 ) 能够支持不同q o s 要求的业务。在这一点上，g p o n 和b p o n 由于都采用 了对带宽进行分类管理的策略，能够传输各种q o s 要求的业纠3 1 弓2 1 。而e p o n 由 于本身源于以太网技术，这就先天决定了e p o n 对q o s 的支持相对较弱。尽管后 来有种种补充协议希望弥补e p o n 在这方面的不足，单就q o s 支持方面，e p o n 可 提供的选择远不如g p o n 的丰富是不争的事实。同时，还应该认识到，在e t h e r n e t 上承载t d m 业务的技术并不成熟，为了能够承载t d m 业务和话音业务必须设计 新的m a c 机制并增加新的软硬件，这必然会带来e p o n 成本的上升，降低其对 g p o n 的竞争力。而g p o n 由于其设计的t c 子层结构和a t m 封装方式，并采用 了1 2 5 9 s 的帧长及定时机制，能够比较容易的支持t d m 业务和话音业务，例如 e 1 t i ，都能以它们的原有格式传输，这极大地减少了传输语音业务的时延及抖动 【3 3 】 o ( 6 ) 强大的o a m 能力和健壮性。g p o n 从满足消费者需求和便于电信运营商 运行维护管理的角度，通过三种方式来进行维护，管理和控制：嵌入式o a m 、 p l o a m 和o m c i ( o n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e r f a c e ，o n t 管理控制接口) 。它 们分别承担不同的o a m 任务，从不同的层次对整个g p o n 网络进行管理。g p o n 还提供了多种保护结构，并且能够通过故障检测来触发自动倒换和由管理事件来激 活强制倒换，这为g p o n 网络提供了必要的健壮性保训3 4 】。 从技术指标上看，g p o n 无疑是目前最先进的光接入网技术【3 5 1 。从商业角度， 运营商也倾向于采用能够提供更加丰富业务支持、带宽更大的g p o n ，但是设备商 出于对技术成本的考虑希望采用e p o n ， 制约g p o n 发展的主要因素是成本问题， 以复用以前的以太网研究成果。所以目前 一旦成本问题解决，g p o n 的种种优点势 必将使其得到大规模的推广。因此i 加强g p o n 的技术优势，同时尽力降低g p o n 的成本，是g p o n 得以普及的关键。我国的发展趋势将可能跨越a p o n 、b p o n 和 e p o n 阶段，从宽带点到点以太网光纤系统和g e p o n 开始，乃至很快过渡到g p o n 阶段3 6 - 3 7 1 。 1 2 3 课题研究目的及意义 未来将是一个宽带无处不在的世界：用户需要能够在任意屏幕上( 包括电脑、电 视、手机等多种终端) 随时随地享受到各种融合的宽带多媒体服务。全业务宽带不仅 1 绪论 硕士论文 可以满足终端消费者对于便利性的追求，更有助于运营商提升消费者忠诚度，吸引 新用户，创造新的收入流。随着全业务融合时代的到来，包括高清晰i p t v 等在内 的多种增值多媒体服务，将成为运营商收入的重要来源，同时，也必将对运营商构 建全业务宽带网络提出新的要求【3 8 1 。 g p o n 技术是基于i t u tg 9 8 4 x 标准的最新一代宽带无源光网络接入技术， 具有高带宽、高效率、多业务统一支持、良好的互通性和可管理性等众多优点，正 在被越来越多的主流运营商视为构建全业务宽带网络的理想技术。g p o n 在单根光 纤上支持2 4 g b i t s 下行速率及1 2 g b i t s 上行速率。约9 2 的利用率使单纤能够提 供的有效带宽大大高于x d s l 以及其它光纤接入技术，可以更好的支持如高清晰 i p t v 、视频点播等高带宽应用g p o n 明确了需要支持的业务类型，包括数据业务、 p s t n 业务、专用线和数字视频业务等，并提供全面的q o s 保证不同业务的质量和 服务水平要求。如g p o n 可以将t d m 业务直接映射到g e m 帧中，使用标准的 8 k h z ( 1 2 5 9 s ) ，确保高质量的t d m 支持。g p o n 定义了完整的o m c i 。通过o m c i ， 运营商可以实现对o n t 的远程管理，提高业务开通和故障排除的效率，并大大降 低运维的成本。g p o n 支持a e s ( 先进加密算法) 的1 2 8 b i t 严格加密机制，确保运营 商网络和业务的安全可靠运行。简言之，g p o n 是为了满足运营商在统一网络上支 持多业务融合的需求而量身定制的。它能够提供电信级的大容量、高带宽、高可靠、 互通性以及可管理性等诸多运营商级特性，为全业务宽带网络的构建以及多媒体增 值应用的部署提供最佳平台p 9 | 。 光网络终端设备是g p o n 系统中置于用户家中的多媒体终端，在家庭的各个终 端与外界进行交互通信的过程中起着桥梁作用。基于g p o n 接入系统的迅速发展， 可以预见随着人们对信息需求量的不断增加以及所要求的业务种类的不断增多， o n t 必将会像电视机、计算机和电话一样走进千家万户。因此，加速研究开发无源 光网络终端，对加速我国信息产业的发展具有重要意义。 1 3 本论文的主要研究内容及完成工作 本文首先介绍了光接入技术的发展，阐述了g p o n 系统的特性、系统结构和工 作原理及相关核心技术：其次对g p o n 需要实现的业务类型及实现方法进行了分析 与研究，重点研究了以太网接入业务和t d m 接入业务，并给出了相关的实现方案； 在对g p o no n t 的高层进行分析并综合高速数字电路p c b 设计技巧和规则的基础 上，对g p o no n t 的高层进行了硬件电路设计；最后对实现g p o n 高层业务接入 的关键技术进行了研究，并给出了相应的解决方案。 硕士论文吉比特无源光网络( g p o n ) 终端i 商层业务的研究与实现 2 g p o n 系统总体介绍 i t u - t 提出了g p o n 的系列协议，g 9 8 4 1 ( 吉比特无源光网络的总体特征) 、 g 9 8 4 2 ( g p o n 的物理媒介相关层规范) 、g 9 8 4 3 ( g p o n 的传输汇聚层规范) 、 g 9 8 4 4 ( g p o n 的o n t 管理和控制接口规范) ，在认真分析和研究这些协议的基础 上，本章首先介绍g p o n 的系统结构，并分析g p o n 关键术，最后对g p o n 总体 结构实现了划分，给出了总体实现方案。 2 1g p o n 相关协议 g p o n 的概念最早是由f s a n 在2 0 0 1 年提出的，之后在不同组织和厂商的推 动下，i t u 在2 0 0 3 和2 0 0 4 年先后正式通过并颁布了g p o n 标准系列中的四个标准： g 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 、g 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 。由于g p o n 标准是i t u 在a p o n 标准之后 推出的，因此g 9 8 4 标准系列不可避免的沿用了g 9 8 3 标准的很多思路 4 0 1 。 ( 1 ) g 9 8 4 1 ：该标准主要规范了吉比特无源光网络系统的总体特性，具体包括光 接入网的体系结构、业务类型、s n i 和u n i 、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性 能目树4 1 1 。 ( 2 ) g 9 8 4 2 ：该标准2 0 0 3 年定稿，主要规范了g p o n 系统的物理媒质相关p m d 层 要求。g 9 8 4 2 除了要求系统下行速率为1 2 4 4 g b i t s 或2 4 8 8 g b i t s 、上行速率为 1 5 5 m b w s 、6 2 2 m i t s 、1 2 4 4 g b i t s 或2 4 8 8 g b i t s 以外，还规定了在各种速率等级下光 线路终端和光网络单元光接口的物理特性，提出了1 2 4 4 g b i t s 及其以下各速率等级的 0 l t 和o n u 光接口参数。但是，对于2 4 8 8 g b i t s 速率等级并没有定义光接口参数。原 因在于：此速率等级的物理层速率较高，对光器件特性提出了更高要求，在p o n 中实 现2 4 8 8 g b i t s 速率等级是比较难的【4 2 j 。 ( 3 ) g 9 8 4 3 ：该规范2 0 0 3 年完成，规定了g p o n 的传输汇聚子层、帧格式、测距、 安全、动态带宽分配、操作维护管理功能等。g 9 8 4 3 通过引入一种新的传输汇聚子 层，实现了承载g p o n 封装模式g e m 业务流和a t m 业务流的承载。g e m 是一种新的 封装结构，主要用于封装那些长度可变的数据信号和t d m 业务【4 3 1 。 ( 4 ) g 9 8 4 4 ：2 0 0 4 年6 月正式完成的g 9 8 4 4 规范提出了对o n t 管理控制接口o m c i 的要求，目标是实现多厂家o l t 和o n t 设备的互通性。该建议指定了协议无关的m i b 管理实体，模拟了o l t 矛i ：i o n t 之间信息交换的过程。其中，o n t 是指用于f t t h 并具 有用户端口功能的o n u t 4 4 1 。 g p o n 的技术特征主要体现在传输汇聚层。传输汇聚层又分为无源光网络成帧 9 2g p o n 系统总体介绍 硕上论文 子层和适配子层。g p o n 传输汇聚( g t c ) 的成帧子层完成g t c 帧的封装，完成所要 求的光分配网络的传输功能，光分配网络的特定功能( 如测距、带宽分配等) 也在光 分配网络的成帧子层完成。t c 的适配子层提供协议数据单元与高层实体的接口。 a t m 和g f p 信息在各自的适配子层完成服务数据单元( s d u ) 与p d u 的转换。操作 管理通信接口适配子层高于a t m 和g f p 适配子层，它识别v p i v c i 和p o r t i d ，并 完成o m c i 通道数据与高层实体的交换。 总之，g p o n 有支持全业务服务、各种比特率以及q o s 保证等优点，因此更受 各运营商的青睐，它是一个全面体现业务提供商需要的方案，但由于g p o n 标准复 杂且开发较晚，技术尚不成熟，因此目前g p o n 产品处于商品化的初始阶段。 2 2g p o n 系统结构和工作原理 2 2 1g p o n 系统结构 g p o n 采用与a p o n ，e p o n 相同的一点到多点，无源光纤传输方式的网络拓 扑结构，主要由o l t 、o d n 和o n u 三部分组成( 见图2 2 1 1 ) ，由无源光分路器件 将o l t 的光信号分到各个o n u 4 5 1 。 o l t 位于中心机房( c o ：c e n t r a lo f f i c e ) ，并连接到一个或多个o d n 向上提供广 域网接口，包括g b e ，o c 3 s t m 1 ，d s 一3 等，向下对o d n 可提供2 2 4 4 g b s 或 2 4 8 8 g b s ，的光接口，具有集中带宽分配，控制光分配网络，实时监控，运行维护 管理无源光网络系统的功能。 局端 用户端 图2 2 1 1无源光纤传输方式的网络拓扑结构 o d n 为o l t 和o n u 提供光传输手段，由无源光分路器和无源光合路器构成， 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备，它的功能是分发下行数据和集中上行数据。 o n u 为接入网提供用户侧的接口，提供话音、数据、视频等多业务流与o d n 的接入，其对o d n 的光接口速率有1 5 5 m b s ，6 2 2 m b s ，1 2 4 4 g b s 和2 4 8 s g b s 等 4 种选择，受o l t 的集中控制。 g p o n 系统可支持的分支比为1 ：1 6 ，1 ：3 2 或1 ：6 4 ，还可能达到l ：1 2 8 。 l o 硕：l 论文吉比特无源光网络( g p o n ) 终端高层业务的研究与实现 在同一根光纤上，g p o n 可通过波分复用( c w d m ，c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 覆盖实现数据流的全双工传输。在需要提供业务保护和通道保护的情 况下，可加上保护环，对某些o n u 提供保护功能，通常可采用总线型( b u sp o n ) 、 树型( t r e ep o n ) 或环型( r i n gp o n ) 拓扑结构。 从层结构来说，g p o n 分为物理位置相关( p m d ，p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n t ) 层 和传输汇聚层。对于p m d 层而言，g p o n 的传输网络可以是任何类型，如 s d h s o n e t 和i t u t 的g 7 0 9 ；g p o n 的用户信号也可以有多种类型，可以是基 于分组的如i p p p p 或e t h e m e t 的m a c 帧，也可以是持续的比特数据。由于g p o n 的线路速率是8 k h z 的倍数，故可以在上面传送t d m 业务，因此g p o n 对数据业 务和语音业务( o l jt d m ) 都有很好的支持。g p o n 传输网络支持对称和非对称的线路 速率。 g p o n 下行采取广播式发送，上行采用t d m a 方式。上行数据的传输都由o l t 统一控制。各o n u 按照o l t 所分配的时隙传输用户数据，不同的o n u 所用的时 隙不同，所以各o n u 所产生的上行