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浙江工业大学硕士学位论文 g p o n 物理层研究与终端的设计 摘要 p o n 自从在2 0 世纪8 0 年代被采用至今已经历几个发展阶段，电 信运营商和设备制造商开发了多种协议和技术以便使p o n 解决方案 能更好的满足接入网市场的要求。由于g p o n 系统在现有p o n 系统 中可达到的总效率最高，等效系统成本最低，加之具有全业务支持能 力，g p o n 的前景被普遍看好并成为了目前研究的热点。国内对g p o n 的研究现在正处在起步阶段，技术相对不够成熟，建设成本较高，而 g p o n 系统的主要成本来自系统终端设备，因此，对g p o n 终端进行 研究有着重要的现实意义。 本文首先介绍了目前流行的各种接入网技术以及p o n 的发展和 分类，阐述了g p o n 系统的特性、工作原理、优势以及关键技术，重 点是对g p o n 物理层和功能模块的研究，以及终端整体方案和各部分 的设计。根据g 9 8 4 协议，g p o n 终端的设计实际上包括物理层和c p u 两个部分，本文着重对物理层进行研究和设计。通过分析g p o n 系统 的物理层协议和关键技术，提出了物理层各个功能模块的设计方案， 包括单纤三向光学模块、光电收发模块、时钟数据恢复模块。选择了 合适的芯片和进行外围电路的设计，并制作了p c b 和提出了测试方案。 关键词：p o n ，g p o n ，物理层，突发发送，时钟数据恢复 塑坚三些查堂堡主堂垡堡茎 一一一一 t h eg p o n sp h s y i c sl a y e r r e s e a r c h a n dt h et e m i n a l d e s i g n a b s t r a c t p o nt e c h n o l o g yh a sc o m et h r o u g ha p o n ，e p o n a n dg p o ns e v e r a l p h a s e s s i n c ee i 曲t yy e a r st w e n t i e t hc e n t u r y t e l e c o mm a n a g e r s a n d e q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r sh a v eb e e nm a n a g i n g t oe x p l o i tp r o t o c o la n d t e c h n o l o g yf o rp o n t h a n k s t ot h eh i g he f f i c i e n c y ，t h el o we q u i v a l e n t o o s t a r l dt h ea b i l i t yt os u p p o r ta l lk i n d so f a c c e s ss e r v i c e s ，t h ep r o s p e c t so f t h e g p o ns y s t e ma r eb r i g h t e n i n g n o w a d a y s ，t h es t u d yo f g p o ns y s t e mi s o n eo f 胁t 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 i nc h i n a ，r e s e a r c h e 8 o nt h eg p o ns y s t e ma r es t i l lu n d e r w a y ，a n d 1 1 0m a t u r et e c h n o l o g i e sh a v e c o m eo u t d u et ot h ee x p e n s i v et e r m i n a le q u i p m e n t s ， r e c e n t l y ，t h e a _ p p l i c a t i o nd ft h eg p o ns y s t e m i s c o s t l y t h u s ，s t u d y t h et e r t i l i n a l i n t e r f a c e si so fm 萄o ri m m e d i a t es i g n i f i c a n c et op r o m o t ed e v e l o p m e n to f g p o n i i ln l i s 也e s i s ，w ed i s c u s si nd e t a i lt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em e d i a a c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ，t h ed e v e l o p m e n ta n d s o r to fp o n e l a b o r a t e dt h e g p o ns y s t e m ，sc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep r i n c i p l eo f w o r k ，t h e m e r i ta sw e l l 舔 吐地c s s e n t i a lt e c h n o l o 醪t h i st h e s i s k e yp o i n ti st ot h eg p o n sp h y s i c s l a v e r 卸df u n c t i o nm o d u l er e s e a r c h ，a sw e l la st h eo v e r a l ls c h e m ea n d a l l p a r to ft e r m i n a ld e s i g n a c c o r d i n gt o g 9 8 4a g r e e m e n t ，t h e g p o n ： 浙江工业大学硕士学位论文 t e r m i n a ld e s i g ni n c l u d e sp h y s i c a ll a y e ra n dt h ec p ut w o p a r t si nf a c t ，t h i s a r t i c l ee m p h a t i c a l l yc o n d u c t st h er e s e a r c ha n dt h ed e s i g nt ot h ep h y s i c a l l a y e r t h r o u g ha n a l y z et h eg p o ns y s t e m sp h y s i c a ll a y e ra g r e e m e n ta n d t h ek e yt e c h n o l o g i e s ，w ea d v a n c et h ed e s i g np r o p o s a lo fp h y s i c a ll a y e r s e a c hf u n c t i o nm o d u l e ，i n c l u d et r i p l e x e r ，c o n t i n u o u sr e c e i v ea n db u r s t t r a n s m i tm o d u l e ，c l o c kd g 【ar e c o v e r yc i r c u i t t h i st h e s i sh a sc h o s e n a p p r o p r i a t ec h i p a n dc a r r i e so nt h e p e r i p h e r y e l e c t r i cc i r c u i t , h a s m a n u f a c t u r e dp c ba n dp r o p o s e dt h et e s tp l a n k e yw o r d s ：p o n ，g p o n ，p h y s i c a ll a y e r ，b u r s tt r a n s m i t ，c l o c k d a t a 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 接入网术语 u l m ( u s e r - n e t w o r ki n t e r f a c e ) ：用户网络接口 s n i ( s e r v i c c - n c t w o e ki n t e r f a c e ) ：业务节点接口 v p ( v i r t u a lp a t h ) ：虚通道 e f m ( e t h e m e to f t h ef i r s tm i l e ) ：第一英里以太网 m a c ( m e d i aa c 嘲sc o n t r 0 1 ) ：媒体接入控制 p 2 p ( p o i n tt op o i n t ) ：点到点 o a m ( o p e r a t i o n s ，a d m i n i s t r a t i o n ，a n dm a i n t e n a c e ) ：运行、管理和维护 m s t p ( m u l t i s e r v i c et r a n s p o r tp l a t f o r m ) ：多业务传送平台 组织和机构的名称 b t ( b r i t i s ht e l e c o m m u n i c a t i o n ) ：英国电讯 u i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m t m i c a t i o nu n i o n - t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r ds e c t o r ) ： 国际电信联盟电信标准委员会 f s a n ( f u l ls e r v i c e sa t c c e s sn e t w o r k ) ：全业务接入网络 d d w g ( d i g i t a ld i s p h yw o r k i n gg r o u p ) ：数字显示工作组 e n ( e l e e t r o n i ei n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) ：电子工业协会 e f m a ( e t h e m e t i n t h e f i r s t m i l e a l l i a n c e ) ：第一英里以太网联盟 l e e e ( i n s t i t u t e o f e l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) ：美国电气及电子工程师学会 c c i t t ( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo fi n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e ) ：国际电报 电话咨询委员会 光网络术语 f t l h ( f i b r et ot h eh o m e ) ：光纤到户 f t t o ( f i b r et ot h eo f f i c e ) ：光纤到办公室 f i t b ( f i b r et ot h eb u i l d i n g ) ：光纤到大楼 o d n ( o p t i e a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) ：光配线网 q a n ( o p 6 c a ia c c e s sn e t w o r k ) ：光接入网 o n u ( o p t i e a ln e t w o r ku n i t ) o n t ( o p t i e a ln e t w o r kt e r m i n a l ) ：光网络单元光网络终 端 o l t ( o p t c a ll i n et e r m i n a l ) ：光线路终端 p m d ( p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n t ) ：物理媒体层 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：传输汇聚层 g s r ( g p o n s e 】r v i c cr e q u i r e m e n t ) ：g p o n 服务要求 g p m ( g p o np h y s i c a lm e d i a ) ：g p o n 物理媒体层 浙江工业大学硕士学位论文 g t c ( g p o nt r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c c ) ：g p o n 传输汇聚层 g e m ( g p o ne n c a p s u l a t e dm e t h o d ) ：g p o n 封装方法 s m s r ( s i d em o d es u p p r e s s i o nr a t i o ) ：边模抑制比 e x r ( e x f m c l i o nr a f t o ) ：消光比 o s n g ( o p t i c a ls i g n a l - t o - n o i s er a t i o ) ：光信噪比 b i d i ( b i - d i r e e t i o n ) ：单纤双向l d p i n - t i a 组件 s d h ( s y n c h r o n o sd i g i t a lh i e r a r c h y ) ：同步数字传输体制 t d m a ( t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ：时分多址 b e r ( b i te t l o rr a t i o ) ：误码率 w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ：波分复用 p l l ( p h a s c 1 0 c k e dl o o p ) ：锁相环 v c o ( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) ：压控振荡器 n r z c n o n r e t u r nt oz e r o ) ：t l ；归零码 a g c ( a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) ：自动增益控制 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 ) ：光网络终端管理与控制接口 其他 c a t v ( c a b l ea n t e n n at e l e v i s i o n ) ：有线电视 u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) ：通用异步接收器发送器 d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t ha r i t h m e t i c ) ：动态带宽分配算法 a t c ( a u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 ) ：自动温度控制 浙江工业大学硕士学位论文 图列 图2 1g p o n 下行数据流示意图 图2 - 2g p o n 上行数据流示意图 图2 - 3g p o n 系统结构 图2 _ 4g p o n 三层结构规范 图2 - 5 g p o n 协议栈 图2 - 6g e m 帧结构 。8 8 。9 l o l o l l 图2 7g p o n 的g t c 层的协议分层模型1 2 图2 - 8g p o n 下行帧格式1 2 图2 - 9p c b d 模块的组成1 2 图2 1 0g p o n 上行帧结构 图3 1 传输汇聚层媒体接入控制原理图一 图3 - 2a p o no d n 物理配置和光接口 图3 - 3p o n 系统图， 图3 _ 4 突发式光发射模块框图 1 3 图3 5 传统的突发模式功率控制电路 图3 6 低功耗的突发模式功率控制电路 图3 7 带延时补偿的光驱动级 1 9 2 2 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 图3 - 8 无需外部调节的光脉宽控制电路框图 图3 - 9p l l 原理图 图3 1 0p d 传递函数 图3 - 1 1v c o 传递函数 图3 1 2 数字锁相环原理 图3 1 3 非归零码码型 图3 1 4 归零码码型。 图3 1 5 归零码时钟恢复工作原理 图3 1 6 n r z 码同步 图3 - 1 7 波分复用系统 图4 1g p o n 终端整体框图 图4 - 2 t c 层系统框图 3 2 3 3 3 4 3 5 图4 3 嵌入式硬件平台。 图4 4 嵌入式体系结构图 3 6 3 8 3 9 图4 - 5 单纤三向光学组件详图 图4 石m a x 3 6 5 4 的典型电路 图4 _ 7 m a x 3 6 5 4 功能框图 图4 8 单纤三向光学组件电路 图4 - 9m a x 3 7 4 7 典型应用电路 图4 - 1 0 c m l 输入阶段 4 2 4 5 4 7 4 8 4 9 5 0 5 1 5 1 5 1 5 3 5 4 5 9 6 0 图4 1i c m l 输出缓冲器 图4 - 1 2m a x 3 7 4 7l o sf 1 限电路 图4 - 1 3m a x 3 7 4 7l o s 输出电路 图4 - 1 4m a x 3 6 5 6 的典型应用电路 图4 - 1 5 突发模式光发送模块电路 图4 - 1 6m a x 3 8 7 2 功能框图 图4 - 1 7 时钟数据恢复电路 浙江工业大学硕士学位论文 图4 - 1 85 v 转为v p l n 电路 图4 1 95 v 转为+ 3 3 v ，v c c r ，v c c t 电路 图5 1 理想电源模型 图5 - 2 实际电源模型 图5 3l r 补偿网络 图5 - 4 g p o n 物理层p c b 图 图5 - 5g p o n 物理层实物图 图5 - 6 下行测试框图 6 4 图5 - 7 上行测试框图 6 4 6 5 6 6 6 6 6 7 6 7 浙江工业大学硕士学位论文 表列 表3 1 典型下行速率时o d no m 光发射机o , a 接收机的参数要求 表3 - 2 典型上行速率时o d no 坩光发射机o h 接收机的参数要求 表3 - 3o d n 物理层参数。 表4 - l 单纤三向组件的光学性能( 2 5 ) 表4 - 2 单纤三向组件的发射特性( 2 5 ) 2 3 2 3 表4 - 3 单纤三向组件的模拟接收特性( 2 5 ) 表4 - 4 单纤三向组件的数字接收特性( 2 5 ) 表4 5m a x 3 6 5 4 引脚功能 表4 _ 6m a x 3 6 5 6 芯片管脚说明 表4 7m a x 3 8 7 2 芯片管脚说明。 表4 - 8 数据速率设置 表4 - 9 频率延迟设置 2 4 4 3 4 4 4 4 4 4 4 6 5 2 5 6 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法 律责任。 作者签名：易很镎日期：洌年，p 月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打叶) 作者签名：踢很铸日期：枷6 年，月够日 导师獬以纹m 醐：街棚“日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着信息时代的到来，i n t e m e t 不再仅仅作为人们获取信息的一种手段，它己 经深入到人们生活的方方面面。人们通过i n t e m e t 可以在线看节目，可以和远方的 朋友视频聊天、下载音乐，可以进行网络游戏。网络影响着人们的生活，同时也 改交了经济的运行模式。越来越多的商家也开始围绕着网络做文章，几乎任何一 个稍具规模的企业都有自己的主页，网络游戏公司更是完全依靠网络生存的新兴 企业。 随着应用的层出不穷，i n t e r n e t 上的信息量迅猛增长。据统计，世界i n t c m o t 业务量每6 个月翻一番。现在，每天全球有数以亿记的人和网络以各种各样的方 式发生着联系。随着i n t c m e t 服务内容的增多，用户对数据传输速率的需求日益增 加，对网络带宽的要求日益提高。特别是接入部分，逐渐成为i n t e r n e t 接入的瓶颈。 为了解决带宽的要求，国内外运营商开始采用宽带接入网技术。 1 1 1 接入网的发展 1 9 世纪9 0 年代局用主配线架、双绞线和供电电源的发明，标志着用户接入 网的基本形成。 1 9 7 5 年英国电讯( b t ) 在苏格兰格拉斯哥举行的一次研讨会上首次提出了接 入网的概念个降低接入线路投资的组网概念。 8 0 年代初期，c c i t t 相关工作组先后提出了v 1 、v 2 、v 3 、v 4 共四种数字 接口的一般性建议。 1 9 9 4 9 5 年，国际电信联盟( i t u ) 通过v 5 接口规范：v 5 1 ( g 9 6 4 ) 、v 5 2 ( g 9 6 5 ) 。 1 9 9 8 年i t u t 通过v b 5 1 接口规范( t & 9 6 7 1 1 ，1 9 9 9 年r r u - t 又通过v b 5 1 接口规范( g 9 6 7 。 现在，对接入网的要求越来越高，不仅是速率要求的增长，更要求能够满足 多业务的需要。中国宽带接入网近年发展十分迅速，据统计，截至2 0 0 5 年1 2 月 3 1 日，我国宽带上网网民人数为6 4 3 0 万人，比2 0 0 4 年增加了2 1 5 0 万人，增长 率为5 0 2 0 6 。说明中国宽带用户的发展已经进入高速增长期。 接入网的快速增长离不开光纤网络的迅猛发展，正是干路光纤网络的广泛应 用，使得接入网的重要性不断的体现”j 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 2 光纤接入技术 宽帝网络的飞速发展以及各种高带宽业务和应用的不断出现使宽带光纤接入 网技术的引入摆上了议事日程，目前北美和日本光纤到户( f t l h ) 的建设已具规 模，而国内f 硼的实验已经在一些地方开始实施，业内对这方面的讨论也不绝 于耳。目前应用于宽带光纤接入网的技术主要有三种，它们分别是基于s d h 的多 业务传送技术( m s t p ) 、多业务的无源光网络技术( p o n ) 和多业务点对点光端 机( p 2 p 或称m c ) ，它们具有以下特点： ( i ) m s t p 有很高的服务质量，但成本较高，适合对业务质量和安全性等要求非常 高的大用户，不适合普通家庭用户。 多业务点对点网络光端机的星状网络拓扑与环形骨干网络配合非常有利，成本 优势突出，但需要占用大量光纤，适合大多数用户的普遍接入。在某些应用情况 下比p o n 成本更低，应该结合具体情况因地制宜采用。 p o n 的树状网络拓扑与环形骨干网络配合非常有利，是光纤进入用户驻地 ( f t t p ) 最有效的网络解决方案，由于节省大量骨干光纤资源，长远看是光纤化 接入的理想选择之一，适合大多数用户的普遍按入，未来潜在市场很大【2 】。 其中，前两种技术在国内得到普遍应用，而p o n ( 无源光网络) 技术因为箕 高带宽、高可靠性和极低的维护费用等特点，从一提出便被认为是极佳的 f r r p f 兀h 解决方案，具有非常大的发展潜力。 无源光网络( p o n ) 技术是一种点到多点的光纤接入技术，它由局侧的o l t ( 光线路终端) 、用户侧的o n u ( 光网络单元) 以及o d n ( 光分配网络) 组成。 一般其下行采用t d m 广播方式、上行采用t d m a ( 时分多址接入) 方式，而且 可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构( 典型结构为树形结构) 。所谓“无 源”，是指o d n 中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光分路( s p l i t t e r ) 等无源器件组成，因此其管理维护的成本较低【3 】。 1 1 3p o n 的发展 在光纤用户网的研究中，为了满足用户对于网络灵活性的要求，1 9 8 7 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 t 制定了一些p o n 标准，其 中最重要的两个标准是g p o n a 和g p o n b 。g p o n a 支持的业务速率不超过i s d n 基群速率( g 9 6 2 ，g 9 6 3 ) 或其等效速率，即模拟话音业务( p o t s ) 和基群或其 等效速率及其以下速率的数字业务。g p o n b 支持大于i s d n 基群速率的业务，如 数字视频( 交互式或分配式) 。1 9 9 5 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。f s a n 努力的第一个结果是1 5 5 m b i f f s p o n 系统的技术 规范，从1 9 9 8 年开始已提出了i t u - tg 9 8 3 系列标准，因它是用a t m 作为传输 协议，所以名为a p o n ，其最高速率为6 2 2 m b i f f s 。1 9 9 8 年1 0 月，m m 通过了 g 9 8 3 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、 浙江工业大学硕士学位论文 光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求、会聚层要求、测距方法和传输性 能要求等。1 9 9 9 年又出台了g 9 8 3 2 建议，即“a p 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g 9 8 3 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【4 】。同时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。但由于价格较高， 又受到a t m 推广受阻的影响，所以a p o n 在市场中也受到很大限制。 2 0 0 0 年底另一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟( e f m a ) ，提出基于 以太网的p o n 的概念，e p o n 。并促成i e e e 在2 0 0 1 年成立第一英里以太网 ( e f m ) 小组，开始正式研究包括1 2 5 g b i t s 的e p o n 在内的e f m 相关标准。 e p o n 标准草案计划完成时间是2 0 0 3 年4 月或8 月嘲。我国在“十五”8 6 3 计划 中也设立了吉比特e p o n 的相应课题。 2 0 0 1 年底，f s a n 更新网页把a p o n 改名为b p o n ，即“宽带p o n 。实际上， 在2 0 0 1 年1 月左右e f m a 提出e p o n 概念的同时，f s a n 集团也开始进行g b i t s 以上的p o n 标准的研究。除了需要支持更高的比特速率外，f s a n 提出“对全部 协议开放地进行完全彻底地重新考虑”的正确决定，努力寻求一种最佳的、支持全 业务的、效率最高的解决方案【6 】。大多数先进国家运营商的代表，提出一整套“吉 比特业务需求”( g s r ) 文档，作为提交i t u t 的标准之一；反过来又成为提议 和开发g p o n 解决方案的基础。这说明g p o n 是一种按照消费者的准确需求设 计、由运营商驱动的解决方案，是值得产品用户信赖的。 1 2 国内外发展现状及趋势 光纤接入网，特别是光纤到驻地( f t l p ) 或光纤到家( f 珊) 而言，全球 已经开始进入启动阶段，仅美国就有2 7 0 个f r r p 项目，多半是地方政府、公共 公司、房地产开发商和非主导电信运营商的项目。主导运营商也开始进入该领域， 其中v e f i z o n 计划2 0 0 5 年完成3 0 0 万f 1 研；s b c 在其庞大的”光速”计划中计划 2 0 0 7 年达1 8 0 0 万f t r h ，每户具备速率2 0 3 9 m b s ，提供端到端的三重业务捆绑 ( t r i p l e p l a y ) 业务。f c c 允许传统本地运营商的f t l h 网络可以不向其竞争对手 开放，从而鼓励各运营商进行大规模的f 唧建设：日本是世界上推进f 1 m 最 激进的国家，其主要驱动力是日本政府的e j a p a n 计划的带动。2 0 0 4 年其光纤就 已经通达1 8 0 0 万多户家庭，但是用户发展滞后，大约为2 0 0 万，2 0 0 5 年计划发 展1 0 0 0 万。欧洲比较稳健保守，到2 0 0 4 年f 咖总共敷设了5 0 万，有1 6 7 个小 项目或试验项目在进行。挪威、丹麦和荷兰等国正在评估和计划进行f n h 敷设， 英国电信和德国电信也在考虑f t l h 的实旌策略。随着技术的进步，国家政策的 驱动以及监管政策的变化，可以说国外f t l 甲删进入了良好的发展机遇。 3 浙江工业大学硕士学位论文 我国宽带接入网主导技术是a d s l ，大约占7 0 左右，其次是以太网技术， 还有少量宽带无线接入和电缆调制解调器接入，因此，接入网的速率相对较低。 对于f 硎技术还处在跟踪阶段，少数发达城市也已经在开始考虑和试验各种 f t l h 技术。e p o n 和g p o n 技术都是各运营商关注的重点。据业内人士分析， 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，乃至较快地过渡到g p o n 阶段【n 。 1 3 课题研究的目的和意义 p o n 自从在2 0 世纪8 0 年代被采用至今已经历几个发展阶段，电信运营商和 设备制造商开发了多种协议和技术以便使p o n 解决方案能更好的满足接入网市 场的要求。e p o n 和g p o n 是当前最为重要的两种光接入网技术，前者是由制造 商推动发展的，而后者是按照消费者准确需求设计，由运营商驱动的解决方案， 因而在发展之初，g p o n 就比e p o n 更能接近用户的需求。g p o n 较e p o n 存在 以下的技术优势： 前所未有的高速率 g p o n 提供比其竞争技术更宽的数据速率范围，高达2 4 8 8 g b p s 下行数据流 和1 2 4 4 g b p s 上行数据流，足以满足未来网络应用日益增长的对高带宽的需求， 同时其非对称性更能适应宽带数据业务市场。 无可比拟的高效率 宽带是运营商的一种有限资源，因此必须实现最大的网络利用效率，在有限 的宽带条件下获得最大收益，g p o n 在扰码效率，传输汇聚层效率，承载协议效 率和业务适配效率等方面都是最高的，因此其总效率最高，等效系统成本最低。 例如，据f l e x l i g h t 专家分析，在传送1 0 t d m 业务和9 0 0 , 6 数据业务的情况下， e p o n 的传输效率只有4 9 0 , 6 ，而g p o n 可达到9 3 嘲。 简单、高效的适配 g p o n 采用g f p 对多业务流实现简单、高效的通用适配封装，支持定长和不 定长帧的封装，不需要进行协议转换，封装效率高达9 7 。而e p o n 仅考虑其 8 b 1 0 b 的线路编码就已经有2 0 的带宽浪费，在加上对以太网的封装和开销，其 效率远远低于g p o n ，同时在传输t d m 业务时需通过协议转化将其映射到以太网 中。 可扩缩性 接入层采用什么解决方案还必须考虑的关键问题是如何承载日益增多的多种 协议和技术，我们当前必须支持很多t d m 和数据业务，同时还必须支持存储区 域网络( s a n ) 和数据视频等新兴应用。g p o n 通过g f p 的自适应方法，提供一 个清晰的变换路径来向p o n 添加这些业务，而且不会破坏现有设备或改变传输 4 浙江工业大学硕士学位论文 层。这与e p o n 技术形成鲜明对比，后种技术均要求对各个业务采用特定的调整 方法，尤其是在处理新兴业务的时候【9 】。 g p o n 不仅仅提供以太网和千兆以太网业务，还全面支持语音、视频和数据 业务。对于那些离开城域网5 、1 0 、2 0 或3 0 公里的用户，g p o n 提供了消费得起 的宽带接入，这是x d s l 或其他p o n 技术所不能满足的，应用前景非常看好。 g p o n 以前所未有的经济性以原有格式支持传统通信业务，也支持未来向全分组， 全口网络的演进，具有明显的经济和社会效益。如果能做好g 9 8 4 4 标准，产业 化前景将非常看好。 由于g p o n 在我国起步比较晚，技术不够成熟和建设成本高是它目前的主要 问题。本课题研究的是g p o n 的物理层和终端，正是g p o n 成本最敏感的设备。 本文在研究并消化了g 9 8 4 协议的基础上，对g p o n 物理层和功能模块进行分析， 设计出符合协议要求的g p o n 终端。通过本课题的研究，为实现更高速率 2 4 8 8 g b p s 的g p o n 提供了理论和技术基础，也对降低g p o n 建设成本和在我国 的普及有现实意义。 1 4 论文内容安排 本文首先介绍了研究g p o n 物理层与终端的背景和意义，然后通过和其他 p o n 的比较，阐述了g p o n 的特性、原理、关键技术和优势，重点是对物理层的 研究和终端的设计。文章内容具体安排如下： 第一章为绪论，给出课题研究的背景、发展现状和目的意义； 第二章对g p o n 技术进行了介绍，包括系统结构和工作原理，以及比较了 g p o n 相对与e p o n 的优势： 第三章主要是g p o n 的关键技术和物理层的研究； 第四章是对g p o n 终端进行设计，包括整体方案和各个模块的设计； 第五章是物理层p c b 设计和测试方案； 第六章对此次的毕业设计的过程做了总结，提出了可以深入的研究方向并展 望g p o n 系统的应用前景等。 s 浙江工业大学硕士学位论文 2 1p o n 技术分类 第二章g p o n 技术分析 目前用于宽带接入的无源光网络p o n 技术主要有a p o n ( 删p o n ) 、b p o n 、 e p o n ( e t l l e m 战- p o n ) 和g p o n 等几种。 2 1 1 基于a t i v l 的无源光网络( a p o n ) a p o n 技术将a t m 和p o n 的优势互相结合，使其显示出优越性能。根据g 9 8 3 建议，a p o n 上、下行传输速率采用两种方案，即下行为6 2 2 0 8 0 m b s ，上行为 1 5 5 5 2 m b s 或者是上下行均采用1 5 5 5 2 m b s 的传输速率。一个a p o n 可以通过利 用a t m 的分组方式，再结合无源光分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使接 入网成本比目前常用的以电路交换为基础的s d h 接入系统降低了将近一半。在 a p o n 系统的下行方向上，采用广播方式传送信号，o n u 通过信元头中的v p i v c i 来识别数据信元，从而接收属于自己的信号，并丢弃其他信号。在上行方向上采 用的是t d m a 方式进行接入，各个o n u 通过下行帧中的接入控制信息来确定是 否接入与何时接入，下行帧中的接入控制信息由o l t 根据各个o n u 上报的情况 来进行设置。 a p o n 作为一种新兴的接入网技术，可以为用户提供一系列操作、管理和维 护( o a m ) ，其中包括误码率( b e l l ) 监视、警告和纠错、自动识别、自动测距，以及 作为一种安全机制而对下行通信量进行搅拌加密等等。然而，a p o n 系统具有两 个实质性的缺陷：数据传输的整体低效率和在a t m 层提供和匹配业务的复杂性， 这将严重影响其发展和应用。 2 1 2 宽带无源光网络( b p o n ) i t u - t ( 2 9 8 3 系列标准中列出了1 5 5 m b p s 的p o n 系统，这个系统被称作宽带 无源光网络( b p o n ) 系统，它使用a t m 作为其载体协议( 前述的a p o n 协议) 。b p o n 的名称被引入是因为a p o n 这个名称使得人们认为只有a t m 业务能够被提供给 终端使用者。把名称改为b p o n 表明这样一个事实：b p o n 系统提供宽带业务， 包括以太网接入、视频分布和高速租赁线业务。但是第一代f s a n 系统最普遍和 知名的名称仍然是a r o n 【。 2 1 3 基于以太网的无源光网络( e p o n ) 用于用户接入网的以太网，也被称作“第一公里以太网域e f m ，最大限度地 6 浙江工业大学硕士学位论文 结合了物理层( p h y ) 家族中i e e e8 0 2 3 媒介接入控制层( m a c ) 及媒介接入控制子 层的外延。这些物理层包括光纤、非屏蔽双绞( l r r p ) 铜芯电缆和物理媒体相关子层 ( p m d ) ，实现在用户接入网中点对点的连接。 e p o n 是一种基于多点控制协议( m p c p ) 机制，作为一项功能在媒体接入控制 子层被定义。多点控制协议使用消息、状态机和计时器控制接入点到多点拓扑结 构。每一个点到多点拓扑结构中的光网络单元( o n t o 包含一例m p c p 协议，与光 线路终端( o l t ) 中对应的m p c p 进行通讯。e p o n m p c p 协议的基础来自于点对点 仿真子层，它令一个基本的点到多点网络成为一个连接到更高协议层的点对点链 接的集合( 在m a c 或其上) ”“。它是通过在每个数据包的起始端预留一个逻辑链路 认i 正( l l i d ) 来取代两个八字节的报头来实现的。 e p o n 作为一种协议仍然在i e e ee f m 工作组的研究议程中，它还存在着许 多问题，包括关于协议本身、o a m 功能性和物理层规范都缺乏细节定义。目前， e p o n 具有两个实质性缺陷：超低效率和缺乏支持p o n 中除以太网外的其他业务， 因此在处理语音或t d m 业务时引入了服务质量( q o s ) 的问题。需要指出的是， e p o n 使用8 b 1 0 b 码作为线路编码( 8 b 1 0 b 码可确保比特流中0 ，l 代码的充分平 衡，这对任何通信链接的高性能运作都是至关重要的) 。8 b 1 0 b 线路编码本身会引 入2 0 的带宽损失，这使得在处理协议本身之前，1 2 5 g b p s 的线速率的起点实际 上就只有1 g b p s 。而a p o n 和g p o n 系统是使用扰频作为线路编码的，它与任何 同步光纤网络( s o n e t ) 或同步数字系列( s d h ) 网络所使用的线路编码机制相同。由 于扰频过程中只改变了比特的顺序而并没有增加任何比特，所以该方法不会造成 带宽损失。 2 1 4 千兆速率无源光网络( g p o n ) 用于千兆速率p o n ( g p o b 0 的另一项代替规范，正在由u 完成，新的规范 将使p o n 能够比许多基于a t m 的p o n ( a p o n ) - r 作更快。投放g p o n 这种技术 的是f l e x l i g h tn e t w o r k s ，该公司宣称这种方法能提供超过以太网p o n ( e p o n ) 的 优点。 在p o n 中传输多业务时，g p o n 具有更高比特率和更高效率的双倍承诺。自 建立初，g p o n 就是根据p o n 的应用和需求自底而上重新考虑的结果，是新的解 决方案的基础，而不是基于先前的a p o n 标准。 有许多与p o n 不是直接相关的功能性，如o a m 信息、动态带宽分e ( d b a