（光学工程专业论文）吉比特无源光网络（gpon）光网络终端tc层设计与研究.pdf

硕士论文 吉比 特无源光网络 ( o p o n) 光网络终端tc 层设计与研究 abs tract o p t 1 cal t r a n s m i s s i o ni sg e tt i ng mo re p 0 p u l ar in theacc e s sn e t w o r kd u eto the m c r e as hi g d e m and fo r b an d 嫩d th . the m o sta d v erti s e d tran s ports o l utio nsfot the opti cal ac ce s s are p as s i ve 0 pt i c aln e t w o rk ( p o n )g i g ab i t c a p ab l ep as s i v e0 p t i cal n e 。 刀 o rk ( g p o n ) i s the mo sta d v e rt i s ed o ne i n the p 0 nte c hoo 1 o gy. t 五 i s p aperi s a s u n 刀 ” 州幻 n g of our st u d yon it sn 1 u 1 t 1 m 比iat e n 刀 1 耐-o ptic aln e 。 刀 o rk termi l l a l . t 七 ec o n l e n t of this p 解 犯 r i s asfo ll o ws : f l r s t l y，l n t r o d u c e t h e1 t u 一 tg 984specified g p 0 n o p t 1 c ala c c e ss n e t w o rk sys t e m ， 出 坦 l y 邓 the st ru c t u r e ，仰t i cal n e 幻 刃 o rk requi r e m e n t s ，ke yte c 俪 q ue s助 dn e t w o r k m ana g e m ent 奴hnique ofth e sy stem . alsom ak e a suinmary ofthe a c t ua1 i tyofgp 0 n . seco n di y，an al y zethe t r ans n 1 1 s si oncon v e r g e n ce，l ayerof0 n t p axti cul arly，p r o to co 1 s ta c k o f g p 0 ns y s t e mi s b r o u ght fo rward and th e m ai n fu n ctio n o f g t ci s 1 n t r 0 d u c e d . b e s i d e s s t u d y i n g up o nth e s t ruc tu r e o f the ups tr e am and d o 认 叭 s t r e 田 的丘 a m e ， t h e me anin g 阴d丘 田 c t l o nofv ario u s fi e l d s c o n tain ed i n丘别 的 e i s dis c uss ed 丁 七 i rdlr，ana l y zethe n e t w o rkinte r fa c e s a n d usern e 宝 w o rkin te r fo c e s ofth e 0 n tund er fi b retoth e h o m e e n v i ro nm e nt . acc o m p l i shthe s t ru c tu r e d e s i gnfo r 0 n tan d se t fo rth the s o ft w 别 弋an d h ax d w ar e imp l eme n t a r y m e t h o d to如p l ement the 九 n c t i o nso f e a c b . l a y ero f ont. f i nall 又fo c us on fr aj 的 i n g s u b 一 l a y e r，whi chi s th e m ain p art o f g p 0 ntr a n s m i s s i on l ay 眠 asthe m a i npoi nio f o urre se ar chand dsve l o p m e nt . i m p l eme ntth e 加 n c t i o ns o f g p 0 nt r an smi s s i o nl ayerb yf i e l dp ro gr a m m b l eg at e内 阳y . e a c hmod ul ean dth e corres pon d i n g m e th o d o f d e s i gni n g i m p l e m e n ta t 1 o n are d e s c ri b e d i n d e ta i 1 m ai n l y ana l y ze the 斤 aj n es y n c h r o n i zat i o nm o d ule ，mes s a g em ana g e m e nt m o d ul eandr a n g in gs ta t e s mo dul e and v al l d a t e t h e co成c t n e s s o f t h e d e s i gn acc o rdi llg tot h e s 加u l atio n c h 盯 ts . k 盯wo r d s : g p o n ， o n 工t c l ayer，f p g a 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， 不包含其他人己 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己 在论文 中作了明确的说明。 研 。名 二 一 鱼 址; ，。 年 7 月 。 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 :性 和， 川 年 二么 日 硕士论文 吉比特无源光网络 ( cp o n)光网络终端 t c层设计与研究 1 绪论 l l 课题研究的背景 一个国家的信息基础构造由 骨干网、 城域网和 接入网 三大部分 组成. 骨干网是连 接各个城市的信息交换中心的长途干线网， 又包括国际千线、省际千线和省内 千线. 城域网 是连接一 个城市的信息交换中心和各 个信息交换分中心的网络， 现在 泛指由 各 个电 话分 局的 程控交换机和局间中继线组成的 窄带电路交换网: 由 路由 器、 以太交换 机或a t m 交换 机组成的数据分组交换网。 联接有线电 视前端、 分前端的超千线也可 以 被纳入 城域网的范畴。 接入网 是连接信息交换分中 心与用户的网 络， 被称为信息高 速 公 路 的“ 最 后 一 英 里 ” 或“ 最 初 一 英 里 ” 11 一 。 在 itu.t 第 13 研究 组 的 最 新 建 议 g. % 3 中 ， 接 入 网 被定 义 为 本 地 交 换 机 ( l e ) 与 用 户 端 设 备 (花) 之 间 的 实 施 系 统， 其目 的 是 综 合 考 虑 本 地 交 换 局 、 用 户 环 路 和 终 端 设 备 。 它直 接面向 用 户和 业务节点 ， 通过有限 的 标准 化接口 将 各种 用户 所需求 的业务 接入 节点. 接入网 给 通信网 带 来了 新的变 革， 使整个 通信网 络结 构发生了 根本的 变化。 然而， 接入 网 却一 直 是通信网中 耗资最大、 技术 变化最 慢、 成本 最敏感和 运行环 境最恶劣的 领域。 近年 来， 随 着社会经济和科技的飞 速发展， 通信网 络正 在发 生深刻的 变化， 电 信 业务正在 逐渐从传统的以电话业务为主的窄 带业务向 集语音、 高 速数据和图 像为一 体 的多媒体宽带 业务发展， 用户 对带宽的 需求也是不断 地提高。 为了 适应这一变化， 众 多的运营 商都在着手改 造承载网。密 集波分复用 ( d w d m)技 术在传送网 上的应用 以 及g. 6 55光纤的大量敷设， 使得骨干网 的带宽己 从先前的10 o m b p s 级上升到10 g b p s 级 甚 至 达 到 仆p s 级. 同 时 ， 计 算 机 用 户网( 驻 地 网 ) 的 速 率 也 从 1 0 m b p s 级 提高 到 了 100 n b p s 级， 并向 g b p s 级发展。 然而， 处于骨干网 与用户网 之间的接入网技术还停留 在铜线阶 段， 其带宽瓶颈使各种新业务上不去， 严重制约了 通信网络的整体发展。 如 果 只 有 仆p s 级的 骨 干网 和 np s 级的 城 域网 而 没 有 g b p s 级 的 接 入 网 ， 信 息 高 速 公 路 将 只 能是一 场空谈， 故实现接入网的 宽带化变得日 益迫切 起来。 由 于光纤具有传输频带宽 、 容量大、 损耗低、 抗干 扰能力强 等优点， 非常适合作 为高 速、 宽带 业务的 传输媒体， 所以 光纤接 入技术成为了未 来接入网的主 要实现技术。 光 纤 接 入 网 从 系 统 分 配 上 可以 分 为 有 源 光 网 络 (a on ， a cti veopt ic al n e tw o rk ) 和 无 源 光 网 络 (p o n ， p as s ive o p ti caln e tw o rk)。 前 者 采 用 准同 步 数字 体 系 (p d h ) 或同 步 数 字体 系 ( s d h ) 的 有源电复用设 备作为 分 ( 合) 路设备; 后者采用简单的无源光 分路 器作为分 ( 合)路设备。 a o n 系统的主要特点是: 存在有 源电 复用设备 造成的 传输 “ 瓶颈效应” ， 且成本 与 维护费 用高: 而 p o n 是一种纯介质网 络， 主要有体 积小、 设 备简单、 安装维护费用 l 硕士论文 吉比特无源光网络 ( c p o n)先网绍终端 tc 层设计与研究 低、 设备组网灵活、 扩容比 较简单、 避免了电 磁干扰和雷电 影响 等优点， 为 光纤入户 奠定了基础。由于具有这些优点，所以相对于a o n ，p o n 的发展更为迅速，己由早 期的 窄带接入 p o n 发展到目 前的宽带 接入p o n ， 并被普遍认为 是宽带 接入网的 最终解 决方案。 1 987 年英国电 信公司的 研究人员最早提出了 p o n 的概 念。 i t u 一 制定了 一些p o n 标准，其中最重要的两个标准是q p o n a 和qp o n b 。q p o n a 支持的业务速率不超过 is d n 基群速率 ( g 9 62， q 9 6 3) 或其等效速率，即 模拟话 音业务 ( p o ts ) 和基群或 其等效 速率及其以 下速率的数字业务。 q p o n b 支持大于 is d n 基群速率的业务， 如数 字 视频 ( 交互式或分配式) 。 19 95年， f s a n 联盟成 立， 其目 的 是要共同 定义一个通用的 p o n 设 备标准，以 使 设 备商 和运营商 一起 进入p on设备 市场， 开展竞争。 f s a n 努 力的 第一个结果 是巧s m b 讨 5 p o n 系统的 技术规范， 因它是 用产 t m 作传 输协议， 所以 名为 妙o n ( a t mpas s i v e opt l 因 n e two rk ) ， 其最高 速率为 622 m b i 确.1 9 98年10 月， i t u 一 通过了 q 9 83. 1 建议，即 “ 基 于 无源光网 络的 宽带光接入网” ， 主要规定了标称线路 速率、光网络要求、网络分层 结 构、 物理媒介层要求、 传输汇聚层要求、 测距方法和传输性能 要求 等。 1 9 99年又出 台了 q 9 8 3 .2 建议，即 “ ap o n 的 o n t 管 理和控 制接口 规范” ， 主要从网络管理和信息 模型上对 a p o n 系 统进行了定 义，以 确保不同厂商的设备 可实现互操作。 随后， 又批 准了q9 83.3 建议，针对三网融合的趋势，对p o n 系统物理层光波段进行了重新分配。 很多设备厂商为 迎合市 场推广的需 要， 将其apo n 产品改 称宽 带无源光网 旧p o n ) 系 统，以表明这种 系统能 提供以 太网 接入、视频分配、高速租 用线等宽带业务。 不过， 对这一代 f s a n 系统最常用的称呼 还是 apo n 。随 着标准的完善， 各电信 设备制 造商 也研发出了 a p o n 产品，目 前在北美、日 本和欧洲都有 a p o n 产品的实际应用。 随 着ip 业务的 迅速增长， a p o n 系统中， a t m 设备昂 贵、 信元开销大及信令操作 复杂， 为了 提供适合多种环境下的 ip业务， o n u 需要进 行复 杂的协议转换， 且难以 提 供高带宽 来满足突发性的光传输和接入需求的缺陷日 益明 显。 相比较以太网具有性价 比 高、 可扩展性强、易安 装以及高 可靠性等优点， 从而大大 超越了 a t m 。 2 0 co年 底， 一 些 设 备 制 造 商 成 立 了 第 一 英 里 以 太网 联 盟 正 f m 峨 ) ， 提 出 基 于 以 太网 的 p o n 概 念 epo n ( e t h e m e t p as si veo p t i 喇 n e t w o rk ) 。e f m a 还促成电 气电子 工程师协会( ie e e ) 在 2 001 年成立第一英里以 太网 ( e f 间小组， 开始正式研究 包括1 . 25gbi 珑的 e p o n 在内的 e f m 相关标准。 epo n 标准i e e e 8 02.3 ah在2 0 04年6 月正式颁布。 epo n 就是将信息封 装成以 太网帧进行 传输的 p o n 。 由于以 太网 相关 器件价格相对 低廉， 并且对于在通信 业务量中所占比 例越来越大的以 太网 承载的数据业务而言， epo n 免去了ip 数据传输 的 协议和格式转 化， 效率高， 传输速率 达1 .25gbi 山， 且有进一步 升级的 空间，因 此 e p o n 一推出 就受到了 普遍关注151 。 硕士论文 吉比特无涯光网络 ( 6p o n)光网络终端t c层设计与研究 约在 2 0 01年1 月 e f m a 提出 e p o n 概念的同时 ， 考虑到a p o n 的 低效率和epo n 无 法对传送实时 业务提供高 质量保证、缺乏电信 级的网 络监测和业务管理 等方面的不 足， fsa n 集团也开始 进行i g b / 5 以 上的 p o n 标准的 研究， 努力寻求一 种支持更高比 特 速率、 支持全方位业务的、 效率更高的 解决方案。 2 o 02年9 月f s a n 联盟推出了 gpo n ( g l g abi t p asslv e o p t i cal n e 幻 邢 o rks) 解决方案。 在2 0 03年的 i t u 曰 t 会议上， 通过了 0.9 8 4. 1 和g 夕 84.2 的 gpo n 系列标准，并 对新提出的 g. 周 扣 n .gtc ( 即 g.9 8 4. 3) 草案进行了 讨论 研究。 其中， a984 . 1 主要对gpon接入系 统的 总体特性进行了 规定; g.9 8 4 .2 主 要对 c p o n 的 o d n 物理媒质相 关子层进行了 规定， 定 义了 各种速率等级的 o l t 和o n u 光 接口 性 能 参 数 ( 但 2 4 8 8 n 山 1侧 s 0 l t 和 。 n u 光 接 口 参 数 还需 进 一 步 研 究 确 定 ) : g. gl 沁 n 一gtc 主要对传 输汇聚( tc) 层的相关要 求进行了 规定。 i t u 一g.9 84建议在 g.9 83. 1 系统上重 新考虑了 对业务的 支持、 安全策略、比 特速率 等方面的问 题，它尽 可能 地保持i t u -t g . 9 82 和g.9 83建议的特性，并后向 兼容 现有的 o d n 。 ， 自g. 983. l 协议一问 世， 课题组就对此进行了前期的 跟踪研究， 1 9 99年课题组在 国内率先翻译了g.9 8 3. 1 协议， 开始了接入网方面的调研工作。 2000 年在消化和分析 g.9 83. 1 协议的基础上提出 了apo n系统中的光网络终端o n t原理 样机的 功能 要求 与 总体方案架构。 2 0 01 年以 “ 基于异步 传输模式的无源光网 络系统中 光网 络终端的 研制” 为题目申报并获得了江苏省高技术研究项 目的支持。 根据合同要求， 课题组需 要完成的工 作是 按照国际 标准i t u 一 t g.9 83. 1 及相关建议对a t m 一 o n系统的 规范， 研究解决光网络终端 o n t的各主要关键技术，重点开发具有 自主知识产权且符合国 际 标准的o n t 的t c 层内 核， 最终 研制出 光网络终 端 o n t的 原理实 验样机。 为解决 实现光纤到 楼 ( o n u到用户 之间 采用xds l 技术) ，利用a p o n实 现多终端单元， 解决中长期普遍用户的宽带接入问题，提供关键设备。 经过前 几届博士和硕士的 共同努力， 已 经成功地设计出了整个0 n t(包括物理层、 通道层、 a a l 及高 层) 以及 o lt测试板， 完成了 所有的软件设计， 并进行了 系统联调。 调试结果 表明， 物理层核心部分 tc层能 够正 确完成:比 特同步功能、 信元定界功能、 下行d ss解 扰功能 、 帧同 步功能 、 授权处 理功能、 消息处理与测距状态 机功能、 上行 发送、 上 行数 据加扰功能、 tc层从u t o p ia接口 功能， 整个系统完全符合 g.9 83协议 所定义的 规范， o n t 原理 样机各部分连通正确， 语音传输业务和数据 传输 业务正 常。 l z p o n技术介绍及其对比 p o n 一直被认为是光接入网中 颇具应用前景的技 术， 它打破了传统的点到点 解决 方法， 在 解决宽带接入问 题上是 一种经济的， 面向 未来多 业务的用户接入 技术。 迄今 为止， 业界提出 的三种无 源光网 络解决方案是 a p o n 、 e p o n 和g p o n 。 下面将对这三 种技术分 别作一个简单的介绍， 并从各个方面 进行分析比 较。 硕士论文吉比特无潭光网络 ( g p o n)光网络终端 t ( : 层设计与研究 a p o n技术 a p o n是结 合声 了 m多 业务 多比 特率支持能力 和无源光网 络透明 宽带传送能 力的 解决 方案。 它是基于信元的 传输系统， 为点到多点的传 输系统的 复用和多路 接入方 式 提 供了良 好的基 础， 这种传输结构为多用户 共享整个带宽提供了基础。 a p o n传送的 是固定 长度的数 据，可采用两 种速率结构:即上下 行均为巧 5 .5 2 加 lb / 5 的对称结构和 下 行6 2 2. 08n 几 招 、上行1 55.5 z m b 怡 的不对称结构。 下行传输的是连续的a i ， m流， 对 于 1 5 5. 5 2 n 肠 儿的下行速率，下 行帧含有56个八 t m信元 ( 每个信元53字节) : 对 于622. o 8 k lb 八的下行速率， 下行帧含有2 24 个户 j m信元。下行帧每隔27个时隙 插 入 一 个 物 理 层 维 护 管 理 ( p l o a m ， ph ys ic ai l a y er o a m ) 信 元 。 p l o a m信 元 携 带 用 来指示上行信元时隙的 授权 ( g r a n t ) 信息 ( 53个授权对应上行的53个时隙) ， 以 及o a m 提供非常完备的 运行维护管理 ( o a m) ， 包括误码率 ( b e r ) 监测、 告鳌和 检测、 自 动发现和自 动测距和下行加密的 搅动机制等。 但是，a 卫 o n的缺点也是比较明显的，主要表现在数据传送效率低下，a l ，m层 面 上适配 和提供 服务较复杂，网络 升级困 难等方面。 e p o n技术 epo n 是 在与 a p o n 和b p o n 类似的结构和 g.9 83的基础上，设法保留 其精华部分 一 - 一 物理层p o n ， 而以以太网 代替a 卫 m 作为 链路层协议， 构成一个可以 提供更大带 宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体。 e p o n 技 术基于i e e e 8 023 曲标准， 采用8 b/1 0 b 线 路编码，支持1 0 加 m 、 20k l n 两种 最大传输距离和双向 对称1 . 25gb讨 5 以 太网 速率，最大 分光比 可达犯路， 采用波分复 用技术实现单纤双向 传输。 e p o n 的 帧长 是可变的，其帧结构与点 对点的吉比 特以 太 网 帧相似. 为了 解决p o n 网 络中多个 o n t 对同一 个o lt的 上行传输控制问 题， ie ee 8 0 2. 3 曲 在传统以 太网体系架构 基础上定义了一 种扩展的8 02.3m a c m p c p ( 多点控制 协议) 作为 epo n 数据链路 层协议。 epo n 系统利用以 太网 控制帧传送多点 控制信息: 利用 o a m ( 运营、维护、管 理) 帧传递o a m 信息，具有 较强的 o a m 利用p o n 系统 具有的广播功能实 现单拷贝 广播 ( s c b ) ， 适 合视 频组播 业务的开展。 与b p o n 、g p o n 技术相比， e p o n 协议 简单， 对光收发模 块的技术指标要求低， 所以 系统成本相对较低。 由于 成本较低、 速率高、 扩展性好、 对数据业务的适配效率 高， 能够以 较低成本高效 率地传送 ip 业务， 所以 epo n 成为了目 前光纤接入的主要实 硕士论文吉比特无源光网络 ( 6 p o n)光网络终端t c层设计与研究 现技术之一。 epo 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 遇到话音汀 d m 业务时， 就会引 起qos 问 题。 epo n由 于采用s bll o 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50%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 epo n 总的 传输效率 很低阅 。 g p o n技术 gpo n技术基于 n 1 j g.9 84.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 th e m et 业务，包括ip 业务和 m p e g 业务视频流)、 p s 下 n 业务 ( p o t s ， is d n 业 务)、 专用线 ( ti， el， d s3， e3和a 丁 m 业务) 和视频业务 ( 数字视频)。 gpo n 能 够提供1 . 2 44和 2. 4 88 gb眺的下行速率和 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 m 或 2 0 如 . ，逻辑距离可达 6 0 拓 叮 ; 支持最高为卜 64的 分路比， 而tc层支持的分 路比 达l u s 。 gpo n 采用g.9 83.4 规定 的d b a 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 5 的 能 力 更 强。 gpo n 具有完备的 。 a m 功能 ( 包括嵌入o a m 和p loa 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。 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tc ( 传输汇聚) 子层，规定t c 子层可采用g e m和a t m两种封装方式。c 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 itu一t 建 议 g. 7 041 中 的 通 用 成 帧 程 序 ( c f p ) ， 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。 此外， 使用c e m时， gpo ntc 层本质上是同 步的， 并使用 标 准 的 s o n e t 8 k h z ( 1 25 us)帧 ， 这 使 gpo n 能 够直 接 支 持 t d m 业 务 【101 . a 们 m 封 装 方 式 主要是 考虑对a 下 m 业务的承载，不过由于 a t m 技术的复 杂性和实际网 络正化趋势， 基本上不采用这种方式。 由于 gpo n 为运营商驱动的标准， 在功能、 性能方面规定比 较完善， 多业务承载 能力强， 所以尽管目 前在芯片 和设 备上还不够成熟， 但从长远看会有很好的发展前景. 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 . 1 。 表l 2. i a p 0 n 、epo n和g p o n的技术参数性能比 较 ap on e p o ni g p o n 相 关 标 准例一 t q g s 3 i e e e s o z .3 曲 i t u一 tg9 8 4 下行线路速率( mb i 比)1 5 5 . 5 2或6 2 2 0 8 1 2 5 011 1 州 . 1 6 或2 4 5 5 .3 2 上 行线路速率( mbi 比) 1 5 5 .5 2 1 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 硕士论文 吉比特无源光网络 ( c p o n)光网络终端 t c层设计与研究 下行波长 1 4 8 0 1 5 加刊 m1 5 0 0 n m 单纤:1 480-1 5 00们 m 双纤:1 2 6 卜1 3 6 0 nm 上行波长 1 2 6 卜1 3 6 0 nju一1 3 1 o n m 1 2 6 卜 1 3 6 0 刊 m 线路编码 n rz(+sc r 创 m b l i ng) s b/ 1 0 b n rz(+ 义r 即 m bli 们 9 ) 最小分路比 ( 在传输汇聚层) 3 21 664 最大分路比 ( 在传输汇聚层) 64n i a1 2 8 数据包大小 5 3 字节 ( 4 8 字节净 负荷，5 字节开销) 1 5 1 8 字节 从 5 3字节到 1518字节的可变长 度 传输层使用的协议人 t m一护 尼 t h e m et 八 tm /g e m tc 层支 持的最大 逻辑传送距离 ( km ) 2 0 10或 20 6 0 t d m支持能力 基于八 t m 承载的t d m 基于分组承载的t d m 原始的 t d m和域 基 于八 t m承载的t d m 和域 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类人类、 b 类和c 类 提供的语音业务aals 、m ip、aal z 从) ipm 护 提供的视频业务w d m 、 i p t v /a a l s 一w d m 、 . p t v wdm、1 训刃 p o n支持的 最大 业务流 ( 个) 2 5 6 取决于每个 o n t支持的 l l id 数 40 9 6 q o s可 靠1不 可 靠 可靠 运行维护管理p l 以m 幻m c l 助 。 人 m ( s n n ? 可 选 ) p l oam+ omc i 下行数据流加密 扰 码 或a es一无定 义a e s( 计数器模式) 升级容易程度困 难1一 般 一般 用户侧成本 高一低 较高 网络侧成本 1高 低较高 技术成熟度成熟成熟不成熟 总体效率 ( 10% tdm，90%da】 该) 7 1 %4 9 %93 % 针对这三种技术的 不同 特点， 我们可以 从二层技术、 传输效率、 传输功能、 处理 多 业务、 q o s 、产品和成 本等方 面进行综合比 较. 采用的二层技术 apo n采用的是a t m封装和 传送技术， 因此存在带宽不足、 技术复杂、 价格高、 承 载11，业务效率低等问 题。 e p o n为了 更好地适应ip业务， 二层用以太网取代人 t m， 将以 太网技术与p o n 技 术完美结合， ， 成为非常适合ip业务的宽带接入技术. g p o n的技术特点是在二层采用 g e m格式对 e th e rnet 、 t d m、 八 t m 等多种业务 进 行封装映射， 具有强大的o a m功能。 传输效率 由 于a p o n需要进 行传 输协议的 转换， 在t d m业务占10%， 数据业务占90% 的 情况下， ap o n的总效 率只有71%。 硕士论文 吉比特无源光网络 ( o p o n)光网络终端 t c层设计与研究 epo n因为 使用s b/1 0 b 编码作为线 路码， 其本身 就引 入了20%的 带宽损失， 1 . 25gb叻 的 线路速率在处 理协议本身 之前实际 就只有 i gbi 此 了 。 除此以 外， 帧间 隙 较大，零 碎时隙 浪费等等这些因 素使得e p o n的总 体效 率很低。 c p o n采用了不归零 ( n r z)编码，没有引入带宽损失，同时，g p o n是基于 g f 卫 的， 只是协议的透明传送，不 进行任何协议转换， 所以 相对于ap o n和epo n ， g p o n的总效率是最高的。 传输功能 apo n标准不适合本地环， 缺少视 频传输功能， 带宽 有限， 结构复杂， 造价昂贵。 epo n比apo n具有更宽的带宽， 更 低的费 用和更宽的 业务功能， 实现数据、 视 频和语 音在单一平台f l l ，h上传输， e p o n的 特点适合应用于长距离高带宽 ( 2 0 知 m ， 1 . 25g) 、光纤的接入和传输、光纤化的 o n u / o n t ，非常适合于们叮b和曰叮0模式 ( 非常 有利于光纤在大楼内 的布线和 用户扩容) 。 gpon 可 在 接 入 网 络 上 提 供l o n 比 p s 、 10 o m b p s 及i g b p s 的 服 务 ， 同 样 还 可以 提 供v l a n的 服务，同时 支持语音的 服务 包括voip及t d m。在当前众多 解决接 入网 络瓶颈的 技术中，g p o n也是 唯一可在单一波 长下提供2. 5 g的 带宽，同 时可传送多 个波长在一条光纤上的唯一技术。 处理多业务 a p o n技术的核心部分采用 人 t m 技术。由于综合了八 t m和无源光网络技术， a p o n技 术通过利用六 j m的 集中 和统 计复用特性， 再结合无源分路器对光纤和光线 路终端的共享作用， 提供了从窄带到宽带等各种业务， 具有支持多业务多比特率的能力。 e p o n能够很好的 承载i p t v ， voip等ip/以 太网基 础上的多业务， 但是对于传输 传统的切 m其支持能力就相对比较 差了 ，容易引起q os 的问 题. gpo n采用源格式传输的方式，即 对业务 本身是 透明的，可以 很好地 支持t d m 服务 ( 低速率el， ti 和高速率s t m i /oc 3 ) ， 并且可以 快速提供对未 来新业务 ( 如 s a n)的支持。 qo s apo n 和gp o n均能 提供可靠的q os， 而epo n仅在数据传输方 面有好的 性能， 在 处理语音、 视频业务等实时业务时 先天不足， 为实现综合业务， epo n标准必须附 加复 杂的q o 5 保证机制。 产品 人 卫 o n的 协议和标准出 来得最早， 电 信设备制造商也早就研发出了a p o n产品， 目 前在北美、日 本和欧洲都有apo n产品的实际 应用。 但在 我国由于价 格较高， 又 受到八 t m推广受阻 的影响，所以apo n 在我国 几乎没有什么应用。 自 从2 0 04年ie ee8 023 比定 稿后， epo n技术获得了 快速发 展， 获得了 业界的 硕士论文吉比特无源光网络 ( o p o n)光网络终端t c层设计与研究 广泛支持。 epo n系统的光发脚收模块比 较成熟， 市场上 有多款 核心商 用芯片可供 选择， 如p m c 一 si erya 、 t e kno vus 、 c o n e x a n t 、 玩 助e 拙 公 吐 等， 中兴、 烽火、 格林 威尔、 u t s 切 盯 幻 田等厂商能够提供相对成熟的 e p o n 产品。 gpo n由于 技术实 现复杂， 成熟的 商 业产品还很少， 目 前还没有规模的 商用系统 应用。 成本 从单比 特成本来讲， g p o n 的成本 要低于 a p o n 和epo n 。 但如果从目 前的整体成 本来讲， 则反 之。 影响成 本的因素在于 技术复杂 度， 规模产量以 及市场应用规模等各 个 方 面 ， 特别 是 产量 ，基 本 决 定 了 产 品 的 成 本 n el. apo n 由 于技术比 较复杂， 并且应用不是 很多， 所以 成本相对较高。 epo n 协议比 较简单， 如今已 经成为了 应用最多的 p o n 技术。 随着epo n部署规 模的增大， e p o n 的 成本也是越来 越低。 目 前 gp o n 的 部署规模相对来说 还很小， 成熟的商 用产品 也不是 很多， 所以 成本 相对于 a p o n 和e p o n 都要高 很多。 1 3 g p o n产品芯片的研究现状 gpo n作为i t u 一 t 提出的 新一代千兆p o n技术标准，在标 准制定的时候就考虑 了 运 营商的运营需 求， 对各方面均有明 确定义， 尤其是在多业务 承载、 d b a和o m cl 进 行了 详细的 定义， 并且g p o n支持更高的 分 光比 和更长的 传输距离， 这使得gpo n 在支 持密集用户接入和远覆盖上更有优势. 一 不过，gpo n要实现真正的大规模的 商业部署，还面临不少挑战，首先，由 于 复杂度较高， 市场上的g p o n商用芯片 选择面较低; 而在系统方面， g p o n也面临 着成熟度的问题。 g p o n系统还需要一定的时期才能成熟， 从而适合大规模部署。 从部 署a d s l 、c abl e 、m o d em 、 v d s l 、b p o n和epo n的经验来看，gpo n系统 还需 要一 到两年时间 才能完全成熟。在这之 前， 成本仍会相对较高。 20 04年， gpon 的 主 体 标 准q 9 84 3 推 出 后 ， 只 有fi 喇1咖 和吻tic aiso lutio ns 两 家 新 兴 公 司 提 供了gpon 设 备 ， fl ex li 咖 公 司 是 最 早 推出gpo n产 品 的 厂 商， 其 产 品 通 过fpg a 方 式 实 现了 核 心 功能 ， o p tic al s ol uti ons 公司 推出 的 是 基 于a i m封 装 的gpo n产品。 2 0 05年q 9 84.4标准定稿 后， g p o n标准完整体系形成， 更多 设备商 开 始介入 gp o n领域。目 前， 全球支持gpo n的设备 厂商 超过 3 7 个，如阿尔卡特 朗 讯 、 北电 、 c ali x 、 摩 托 罗 拉 、 te ll ab s 、 日 立 、 fl ex l igh t 、 nec 等 . 同 时 已 有 多 个 芯 片 厂 商 推出 了 正 式 商 业的gpon 芯 片 ， 包 括f r ee sc al e 、 c one 侧 、 b ro ad li ght、 p m c 、 入 m c c等。 b ro 司i ght 公司宣布了针对 gpo n标准的 系统单芯片(s o c)策略， 并最先推出了 硕士论文 吉比特无源光网络 ( 6p on )光网络终端t c层设计与研究 一 款c p o nsoc 芯片b lzo 00。 b l 2 0 00 是把 过去的 几个芯片完全整合在一 个芯片中， 包括采用g e m机 制提供封包 和t d m服务的gpo nf nl 一 t q 9 84m a c :支持与低 成 本gpo nz 和3 波长收发器的无缝接口 的1 .25和2 .5 g b p s 解串 器( s er d es) ， 以 及c d r 电 路; 用于线速率级数据路径分类和过滤的高性能封包处理 器， 其带宽 和处理能力 满 足正 t v 应用的 要求; 10 / 100/ 10 00以 太网 络m a c ; 针对配套tdmg e mf p g a的i d m g e m接口 ;嵌入式m ipsc p u ， 提供了 一个通用高效的信号传输和控 制平面:以 及 p o n处理器。 p m c 一 si e n . 公司日 前宣布正式推出pas 6 5 3 ngpo no n t 参考设计。 该方 案采用 了p m c 一 si erta 锐g a pas s 架构， 整套方案包括一个全功能i t u . t g 9 84gpo nm a c 、 一个分 类引 擎、 qos 队 列、 v l a n分流与控制，以 及ip tv 滤波功能等， 能在任何大 小数 据包以 线速率进行处 理。 gig a p a s s 架构 集成了多 个基于 硬件的 封包处理引擎子 系统， 可对任意大小数据包按线速进行封包处理，同时还结合了控制处理器， 可支持 l inux和v x 认 /o rks 操作系统以 及可扩展的中间 件平台。 p m c 一 si e n 滋 该项新参考设计包 括队5 62 01 go p o nontso c ， 以 及p m c 一s ie n .高 性 能伍 9 赶 叭 5 5 门 叮 h架 构。 pas 6201. g o 是p m c 一 si e n a pas 6 2 0lepo ns o c的gpo n版本， 后者是一个应用超过 百万的p o ns oc， 它和p m c 一 si erla 的pas62ll gpo n成 帧器( f ram e r 丫 串 行器/ 解串 器 组 合在一起可提供低成本高 性能g p o no n t 方案。 另外， 飞思卡尔半导体也开始瞄准了 g p o n市场， 并选择了 与阿尔卡特合作。 阿 尔 卡 特 为 飞 思 卡 尔 提 供 媒 体 存 取 控制 层 ( m 叭 c ) 数 字ip ， 以 作 为 飞 思 卡 尔 商 用 市 场 解 决 方案的一部份。飞思卡尔将把 此 ip与d s p 模块整合在一起，用于vo正 及其它功 能: 把此ip与混合信号处理 模块整合在一起用于时钟和数据恢复，以 及 g 9 84加密 核心。两大 厂商联 合开发并于近日 推出了m s c 7120g p o nsoc 芯片， 业界第一 款支 持语音的gp o n新篇。 该芯片 采用p o wer 架构c p u ， s t 越 c 眼 d s p ， 数据路径引 擎， 在单一器件 上实 现 p o n子系 统的 全部功能， 专门 适应于三网合一 业务 需求的高 速数 据转发业务。ms c 7 1 2 o将飞思卡尔 m s c 7ll xds p设备的高信道话音密度与 p o we阅ui c cnpro 平台 的 高 速 联网 功能 相 结 合。 p o w e rq u i c cnpro 平台 采 用了 p o ， lera z c h i te c to 茂技术， 是一种gpo n媒体 访问 控制器 ( m a c ) 和飞思卡尔分组引 擎， 可 实现千兆位线速分组前转。 该设备支持g 9 84gpo ng e m协议， 并且符合i t u . t 标准。 通过以 上对g p o n市场的 调研可以 发现，几大主 要厂商 所推出的 商用g p o n芯 片 无一例外都是采用了 5 o c设计， 这是基于以 下几个方面考虑的: 第一， 使电 子系 统 尺寸更小， 性能更高和成本更低; 第二，实 现高 效运作， 缩短 产品的上市时间: 第 三， 降低功耗 和减少 所占 的p c b空间， 提高 系统的 可靠性。 虽然采 用 5 o c有很多优点， 但是 其实 现也 是有很多困 难的.比 如，实 现 s o c 所 ， 硕士论文吉比特无源光网络 ( c p o n)光网络终端t c层设计与研究 需深 亚微米工艺 带来的 挑战， 测 试与 封装及散热技术的困难， 单个芯片 要处 理的 信息 量和 信息 复杂 度要求芯片必须具备强大的数 据处理能力等等。 所以 开发 一个 soc不 仅需要克 服众多的 技术难题， 而且开发成本 也将越来越高。 其实正因为 考虑到这些因 素， 包括以上 介绍的已 经推出 商用 g p o n芯片厂商在 内的 所有设备商 一开始进入p o