（通信与信息系统专业论文）gpon+olt光收发一体模块的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代通信网的快速发展，人们对接入网带宽提出了更高的要求，利用 光纤丰富带宽资源的g p o n ( 千兆比特无源光网络) 凭借其高速率、高效率、灵 活性强等关键优势，成为解决最后一公里带宽瓶颈的最佳方案。但由于起步晚、 技术实现不成熟、成本偏高等诸多因素，g p o n 系统目前仍未能完全普及。本论 文正是针对这一问题，研究了g p o n 系统的核心器件g p o no l t 光收发一 体模块及相关技术，提出了g p o no l t 模块的完整设计方案( 包括其发射与接 收两部分) ，并根据提出的方案采用集成芯片对其进行硬件设计与实现。 论文主要工作如下： ( 1 ) 研究了i t u tg 9 8 4 协议标准，重点分析了g p o n 系统数据包结构和 码型特点，概括出g p o no l t 模块的设计难点以及存在的问题。 ( 2 ) 在分析现有的突发接收关键技术的基础上，综合考虑接收灵敏度、误 码率、带宽和动态范围等性能指标以及设计成本，提出了a c 耦合和d c 耦合两 种突发接收方案。a c 耦合方案对一般的接收机进行了改进，将t i a 中的a g c 固定，选定合适的交流耦合电容，并引入高速s w i t c h ，帮助耦合电容在防护时 间段内快速放电，以满足快速响应的需求；d c 耦合方案采用前馈式自动门限控 制回路，利用网络上层提供外部r e s e t 信号将a t c 电路快速复位，以满足突发 接收要求。 ( 3 ) 结合p h i l i p s 公司的t z a 3 0 4 6 、m i c r e l 公司的s y 8 8 9 0 3 、v i t e s s e 公 司的v s c 7 7 1 8 与v s c 7 7 2 8 、m a x i m 公司的m a x 5 0 2 6 和m a x 3 7 3 5 等不同芯片 的性能参数与功能，完成了模块接收与发射部分的原理图设计，p c b 布板以及 模块样品的硬件电路实现，并对模块样品进行了软硬件调试。 ( 4 ) 在突发接收与连续发射的测试系统平台中，对设计的模块样品进行了 全温度全参数测试。测试结果表明，本文设计的g p o no l t 光收发一体模块符 合g 9 8 4 2 协议的要求，a c 耦合方案降低了设计成本，而d c 耦合方案实现了 更高的性能指标。模块样品已在客户公司的g p o n 系统中测试通过，并用于实 际的g p o n 组网。 关键词：g p o n ；光收发模块；突发接收；a c 耦合；d c 耦合 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 血t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , h i g h e r b a n d w i d t ho fa c c e s sn e t w o r ki sr e q u i r e d b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha s 崦出d a t a r a t e s , h i 曲e f f i c i e n c ya n df l e x i b i l i t y , g p o n ( o i g a b i t - e a p a b l ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ， w h i c hu s e st h er i c hb a n d w i d t ho fo p t i c a lf i b e r , i sr e g a r d e da sa no p t i m a ls o l u t i o nf o r t h e l a s tm i l e ”b o t t l e n e c ko fa c c e s sb a n d w i d t h h o w e v e r ，b yr e s s o no fi m m a t u r e t e c h n o l o g y , h i 曲c o s ta n dm a n yo t h e rd i s a d v a n t a g e o u sf a c t o r s ，g p o ns y s t e mi ss t i l l n o ta b l et ob ea p p l i e d 丽d e i y t os o l v et h i sp r o b l e m ，ag p o no l tt r a n s c e i v e r m o d u l ea n di t sr e l a t e dt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d , w h i c hi st h ek e yd e v i c eo fg p o n s y s t e m a n dt h es o l u t i o no ft h i sg p o no l tm o d u l ei sp r o p o s e d , i n c l u d i n gt h e t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gs e g m e n t a c c o r d i n gt ot h es o l u t i o n , i n t e g r a t e di c s a r eu s e d t or e a l i z et h eh a r d w a r ed e s i g n m a i nr e s e a r e h so f t h e s i si sa sf o u o w s ： ( 1 ) t h et h e s i sr e s e a r c h so nt h en u - t g 9 8 4p r o t o c o ls t a n d a r d s ，a n da n a l y z e st h e d a t ap a c k e ts t r u c t u r ea n dc o d e - m o d e lf e a t u r e so fg p o ns y s t e m , s u m m a r i z e s d i f f i c u l t i e sa n dt h ee x i s t e n tp r o b l e m si ng p o no l tm o d u l ed e s i g n ( 2 ) b a s eo na na n a l y s i so fb u r s t - m o d er e c e i v i n gt e c h n o l o g y ，a n dc o n s i d e rt h e p e r f o r m a n c eo fr e c e i v e rs e n s i t i v i t y ，b i te l t o rr a t e ，b a n d w i d t h , d y n a m i cr a n g ea n d d e s i g nc o s t s , a c - c o u p l i n gb u r s t - m o d er e c e i v i n g a n dd c - c o u p l i n gb u r s t - m o d e r e c e i v i n gs o l u t i o n a r ep r o p o s e d t h ea c - c o u p l i n gs o l u t i o ni m p r o v e st r a d i t i o n a l r e c e i v e r s ，f i x e st h ea g co f1 1 c h o o s e st h es u i t a b l ea c - c o u p l i n gc a p a c i t a n c e ， i m p o r t sh i g h - s p e e ds w i t c ht oh e l pc o u p l i n gc a p a c i t a n c ed i s c h a r g el a s t l yd u r i n gg u a r d t i m e ；t h ed e - c o u p l i n gs o l u t i o na d o p t sf e e d - f o r w a r da u t o m a t i ct h r e s h o l dc o n t r o ll o o p ， u s e st h eo u t s i d er e s e ts i g n a lp r o v i d e db ym a ct or e s e ta t cc i r c u i tf a s t l ya n dt o m e e tt h er e q u i r e m e n to f b u r s t - m o d e ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n df u n c t i o no fi c ss u c h 鹳p h i l i p s st z a 3 0 4 6 ，m i c r e l ss y 8 8 9 0 3 ，v i t e s s e sv s c 7 7 18 v s c 7 7 2 8 ，a n d m a x i m 。sm a x 3 7 3 5 m a x 5 0 2 6 ，t h es c h e m a t i cd i a g r a ma n dp c bl a y o u to ft h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gs e g m e n to fm o d u l ea r eb o t hr e a l i z e d ，a sw e l la ss a m p l e so f t h em o d u l e sh a r d w a r ea n ds o i t w a r ed e b u g g i n g ( 4 ) t h es a m p l e so fm o d u l e sd e s i g n e db yt h i s t h e s i sh a v e b e e nt e s t e da l l p a r a m e t e r sd u r i n ga l lt e m p e r a t u r er a n g e ，i nt e s ts y s t e mp l a t f o r mo fb u r s t - m o d e r e x c e i v i n ga n dc o n t i n u e - m o d et r a n s m i t t i n g t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h eg p o no l t o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l er e a l i z e db yt h i st h e s i sm e e tt h en u - tg 9 8 4 2p r o t o c 0 1 t h ea c - c o u p l i n gs o l u t i o nr e d u c e dd e s i g nc o s t s ，a n dt h ed c - c o u p l i n gs o l u t i o nr e a l i z e d m u c hb e t t e rp e r f o r m a n c e t h es a m p l e so fm o d u l eh a v ep a s s e dt h et e s t i n gi n c u s t o m e r sg p o n t e s t i n gs y s t e m ，a n da r cu s e di na c t u a lg p o nn e t w o r k k e yw o r d s ：g p o n ；o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e ；b u r s t - m o d er e c e i v e r ；d c - e o u p l i n g ； a c - c o u p l i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：忽鱼日期：丝2 ：三：堡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨丝导师签名：日期：塑丑：5 ， 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着现代通信网的持续快速发展，各类增值业务不断涌现，如视频会议、 实时游戏和口电视等应用，使得人们对网络接入带宽提出了更高的要求。按照 服务范围、网络拓扑和接入逻辑，可把现代通信网划分为：核心网与接入网。 接入网是连接电信业务提供商和最终用户的第一桥梁，它既是电信网络的起点， 也是电信网络的终点。因其处于网络的末端，业界通常将接入网形象地称为“最 后一公里“1 1 。随着光通信技术的飞速发展和国内电信运营商的增多，国内的核 心网己基本实现光纤化、数字化、宽带化，但处于网络边缘的接入网一直发展 缓慢、技术落后，仍然基本维持着原始的模拟技术和窄带接入技术为主的局面。 因此利用光纤丰富带宽资源的无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 技术 一经提出就吸引了人们的注意，被认为是解决最后一公里带宽瓶颈的最佳方案， 同时也是实现三网融合”( 即电信网、计算机网、广播电视网高层业务应用的融 合) 的首选【2 】。随着2 0 0 8 年奥运会和2 0 1 0 年世界博览会的临近，无源光网络必 将得到进一步的推动和发展。 无源光网络的具体实现大致可以分为：基于a t m 传输协议的a p o n ( a 加 p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，a t m 无源光网络) 、基于以太网的e p o n ( e t h e m e t p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，以太网无源光网络) 以及gb i t 以上速率的g p o n ( g i g a b i t - c a p a b l ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，千兆比特无源光网络) 三种解决方案。 虽然a p o n 和e p o n 已经可以满足当前网络的需求，但基于m 协议的互动电 视和高清晰度电视以及中国电信向综合信息服务转型后对网络带宽提出了更高 要求，g p o n 由于能够提供更高的速率、较高的接入性能和网络效率、较强的灵 活性和可伸缩性3 个关键优势更能满足需要。具体如下： ( 1 ) 速率高：g p o n 提供比其他无源光网络技术更宽的数据速率范围，可 支持对称和不对称的多种线路速率，最大支持速率可达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) ，能够满足现有及未来可能出现的各种业务对带 宽的需要。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 效率高：g p o n 在1 2 5g b p s 速率下提供1 0 0 效率显然比e p o n 效 率仅为5 0 的网络更具吸引力。g p o n 的解决方案可以使用户拥有更高带宽， 它可以在接入网络上提供单个光波长高达2 5 g b p s 的速率，在单一光纤中提供高 达2 0 g b p s 的多波长速率，提供经济的t 1 e 1 和以太网连接。 ( 3 ) 可伸缩性强：g p o n 通过a t m 和g f p 两种协议承载不同类型的用 户数据。它的上、下行帧长均为1 2 5 9 s 。下行采用广播方式，上行采用时分多址 ( t d m a ) 接入技术。上行帧由复用的突发传输时隙组成，每帧包括一个或多个 o n u 的传输时隙，通过下行帧的上行带宽映射域指示相应o n l 0 的上行数据发 送，这使g p o n 能够承载日益增多的各种协议和技术，包括支持很多t d m 和 数据业务，以及支持存储区域网络和数据视频等新型应用。 g p o n 系统组成与其他p o n 系统一致，也是由o l t ( o p t i c a ll i n e t e r m i n a t i o n ，光线路终端) 、o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，光分配网络) 和o n u o n t ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a t i o n ，光网络单元 光网络终端) 组成。要实现g p o n 网络，对g p o no l t 模块的设计成为关键技 术之一 g p o n 系统中上行传输突发数据包，对0 l t 模块而言，如何准确快速地接 收突发数据至关重要。由于g p o n 协议所制定的标准较严，延缓了g p o no l t 模块的设计进程。迄今为止还没有一家厂商推出成熟的l 2 5g b p s 突发接收 g p o n0 l t 光模块产品。正是由于成本和技术成熟度的原因，目前e p o n 走到 了g p o n 的前面。但是从长远来看，g p o n 技术的研究对国家的光通信产业发 展具有深远意义。所以加快g p o no l t 模块的开发为减小在光通信器件领域我 国与国际水平的差距，对我们民族光通信产业的发展有非常重要的意义。 1 2 国内外发展及研究动态 进入2 1 世纪以来，全球宽带接入网进入了大发展阶段嘲，其中亚太地区， 特别是韩国和日本是发展最迅猛的国家，这与其政府的大力推动政策密不可分。 韩国经过了三年的大发展，宽带用户总数突破1 0 0 0 万，宽带普及率达世界第一， 占据家庭的7 0 ，互联网的9 0 ，市场规模达4 0 亿美元。日本政府也通过各种 措施( 包括e j a p a n ，u j a p a n 等一系列国家项目) 大力推进宽带发展，目前宽带 用户总数约3 0 0 0 万，其中f 刑达到1 0 0 0 万。我国宽带接入网在近两年发展 2 武汉理工大学硕士学位论文 也十分迅速，2 0 0 4 年后我国宽带用户已超过2 5 0 0 万，成为仅次于美国的第二大 宽带接入市场。目前，宽带接入对固网运营商的业务发展已起着举足轻重的作 用，成为固网运营商主要的投资方向和业务收入来源之一。 当前的宽带接入技术主要分为以下几种：用户数字线( x d s l ) 接入技术、 同步数字体系( s d h ) 接入技术、混合光纤电缆接入技术( m c ) 、无线接入技 术和无源光网络( p o n ) 技术。本文所要介绍的p o n 技术是在1 9 8 2 年，由英 国电信实验室发明；1 9 8 7 年在英国进行了早期试验；1 9 9 3 年，德国电信首次在 东德安装了p o n 系统；1 9 9 8 年日本n 盯开始安装p o n ：1 9 9 8 年国际电信联盟 ( r r u ) 公布a p o n 标准：i t u - tg 9 8 3 ；1 9 9 9 年美国b e l l s o u t h 完成4 0 0 户p o n 试验设备的安装测试；2 0 0 0 年i e e e 成立e f m 研究组( e t h e r n e ti n f i r s tm i l es t u d y g r o u p ) 专门研究e p o n 标准；2 0 0 4 年i e e e 公布e p o n 标准：i e e es t d 8 0 2 3 a h - 2 0 0 4 ：2 0 0 3 年1 月3 1 日，在全业务接入网联盟( f s a n ，f l l l ls e r v i c e a c c e s s n e t w o r k ) 的努力下，国际电信联盟( i t u t ) 批准了g p o n 标准g 9 8 4 1 和 g 9 8 4 2 ：2 0 0 4 年，又相继批准了g 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 ，形成了g 9 8 4 x 系列标准。 目前，g p o n 协议已经基本成熟。 在f t t x 领域，已经基本经过由a p o n ，到b p o n ，到e p o n ，再到g p o n 的发展过程，虽然上诉几种方式的接入网都在并行使用，但e p o n 和g p o n 是 必然的发展方向。 我国从1 9 9 8 年开始开展p o n 模块的研发工作，目前，国内外领先的光模 块供应商：飞博刨，飞通，w t d ，f i n i s a r ，j d s u ，a g i l e n t ，海信，奥雷等都加 强了在x p o n 模块方面的设计研究。w t d 新研制的g e p o n 器件，已经包括应 用到o l t 和o n u 当中的s f f 收发器，以及单纤双向模块、三向模块( 打i p l e x e r ) 和视频接收模块。飞博创最近也研制了基于t r i p l e x e r 的o n u 设备，以及支持2 0 公里传输距离、用在o l t 中的e p o n 收发器。而海信公司则声称其设计出的产 品已经涵盖范围包括了b p o n e p o n g p o n c w d m 收发器。 但由于满足g p o n 协议规定条件的芯片技术还不成熟，事实上，还没有一 家光模块供应商正式推出成熟的1 2 5g b p sg p o no l t 光模块产品。在0 5 年下 半年，仅有v i t e s s e 提出已经有针对g p o n 系统o n u 和o l t 端的光模块应用解 决方案。到2 0 0 7 年上半年，一些处在p o n 模块技术前沿的厂商才开始推出g p o n 0 l t 光模块。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文研究主要工作 本论文主要需要完成g p o no l t 光收发一体模块设计方案及具体硬件实 现，主要工作有： ( 1 ) g p o no l t 光收发一体模块总体结构设计。 ( 2 ) 各组成部分的方案设计，电路原理图以及p c b 的设计 ( 3 ) 完成硬件电路的调试，对其参数指标测试并分析结果。 各章节内容安排如下： 第l 章介绍宽带接入网的发展背景，指出g p o n 系统关键技术之一的g p o n o l t 模块研究与设计的重要意义，总结了国内外g p o no l t 模块的研究现状。 第2 章分析三种光接入技术的区别，阐述了g p o n 系统的组成和工作原理；根 据g p o n 标准的要求，分析了g p o n 系统中o l t 模块设计的难点；最后介绍了 g p o no l t 光收发一体模块设计需要满足的特性参数。第3 章提出了收发一体 模块的总体设计方案，然后分析设计难点突发接收关键技术，提出接收和 发射的具体实现方案。第4 章本章依据前一章的设计方案，分别给出组成部分 的硬件设计电路图和p c b 设计的方法，具体实现模块的各部分功能。第5 章对 模块的实际样品进行了全温度全参数测试。分析测试数据，给出结论，并比较 设计方案的优缺点。第6 章总结本论文的工作，指出其中的不足之处，并对未 来发展提出展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍了宽带接入网的发展背景，分析了千兆比特无源光网络g p o n 的关键优势和发展潜力，指出g p o n 系统关键技术之一的g p o no l t 模块研究 与设计的重要意义。再回顾了f 1 r r i i 技术的发展历程及国内外的应用现状，总 结了国内外领先的光模块供应商对g p o no l t 模块的研究现状。最后介绍了本 文研究的主要工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g p o n 接入技术 2 1 无源光网络( p o n ) 技术 2 1 1p o n 技术概念 无源光网络技术为一种点到多点的光接入技术，指的是信号的通道从源头 到目的节点间都是通过无源器件完成的，这些无源的器件包括单模光纤光缆、 无源光分束器耦合器、连接器和接头等等。p o n 系统是由局倒的o l t 、用户侧 的o n u 以及o d n 组成。一般其下行采用广播方式、上行采用t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时分多址接入) 方式，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) 。由于p o n 消除了局端与用户端之 间的有源设备，网络维护简单、可靠性高、成本低，并且节约光纤资源，是未 来f 1 1 h 的主选方案【4 】。 根据o n u 的位置不同可以将光接入网分为光纤到家( f t l h ) ，光纤到楼 路边( f m ，c ) 和光纤到机箱( f 1 a b ) 等。目前成熟和接近成熟的光无源接 入网主要有a p o n b p o n ( a 1 m p o n 宽带p o n ) 、e p o n ( 或g e p o n ) 和g p o n ， 其中g p o n 是最新标准化和产品化的技术。 2 1 2 三种p o n 技术的比较 ( 1 ) a p o n b p o n 技术 a p o n 是f s a n ( 全业务接入网) 组织于2 0 世纪9 0 年代中期开发完成的， 并将其定为i t u 的标准，即g 9 8 3 协议p j 。a p o n 是结合a t 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。a p o n 提 供了非常完备的运行维护管理( o a m ) ，包括误码率监测、告警和检测、自动 发现和自动测距和下行加密的搅动机制等。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1 5 5 5 2 m b s 的对称结构和下行6 2 2 0 8 m b s 、 上行1 5 5 5 2 m b s 的不对称结构。但a p o n 系统有两个缺点，一个是低的数据传 5 武汉理工大学硕士学位论文 输效率；一个是在a t m 层面上提供服务的复杂性。这些原因致使a p o n 虽然发 展多年，但是仍没有真正进入市场。 而后i t u - tg 9 8 3 系列标准中又列出了1 5 5 m b p s 的p o n 系统，这个系统被 称作b p o n ( 宽带无源光网络) 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 p o n 。 ( 2 ) e p o n ( g e p o n ) 技术 2 0 0 0 年i e e e 成立e f m 研究组专门研究e p o n 标准，并于2 0 0 4 年公布 e p o n 标准：瑾髓s t d8 0 2 3 a h _ 2 0 0 4 6 1 。e p o n 采用点到多点结构，无源光纤传 输方式；传输码型是8 b 1 0 b 码；上、下行速率都是1 2 5 g b p s ；上行光波长是 1 3 1 0 r i m ，下行光波长是1 4 9 0 r i m ；1 5 5 0 r i m 波长作为传输视频信号用。e p o n 不 需任何复杂的协议，光信号就能精确地传送到最终用户，来自最终用户的数据 也能被集中传送到中心网络。在物理层，e p o n 使用1 0 0 0 b a s e 的以太p h y ( p h y s i c a li n t e r f a c e ，物理层接口) ，同时在p o n 的传输机制上，通过新增加的 m a c 控制命令来控制和优化各0 n u 与o l t 之间突发性数据通信和实时的t d m 通信。在协议的第二层，e p o n 采用成熟的全双工以太技术。由于o n u 在自己 的时隙内发送数据包，因此没有碰撞，不需c s m d ，从而充分利用带宽。另 外，e p o n 通过在m a c 层中实现8 0 2 1 p 来提供与a p o n 类似的q o s 。 ( 3 ) g p o n 技术 g p o n 标准是由i t u t 公布g 9 8 4 x 系列，支持同一种协议下的多种速率模 式，包括对称6 2 2 m b s ，对称1 2 5 g i b ，s ，以及非对称的下行2 5 g b s ，上行1 2 5 g b s 及更多( 将来可达到同步2 5 g ) ；上行光波长为1 3 1 0 r i m ，下行光波长为1 4 9 0 r i m ， 1 5 5 0 n m 作为传输视频信号用；传输码型为扰码的不归零码，c i d 抗扰度大于 7 2 b i t ；物理覆盖至少2 0 公里，逻辑支持范围6 0 公里；支持全方位服务一包括 话音( t d m 、p d h 和s 0 1 q e 吖s d h ) 、e t h e m e t ( 1 0 1 0 0b a s et ) 、a t m 、专线 等等。 从技术角度看，g p o n 是b p o n 的继承和发展。g p o n 继承了b p o n 的很 多基本特点，例如两者都使用同样的o l t 核心技术，使用同样的物理光纤设施 6 武汉理工大学硕士学位论文 和光功率预算等。另一方面，g p o n 采用了一些最新的技术成果，除了最重要的 g f p 封装外，还包括前向纠错等新技术。 ( 4 ) 三种主要技术比较 关于p o n 的三种主要技术a p o n ，e p o n 和g p o n 的比较结果如下表2 1 ： 表2 1 三种p o n 技术的比较 p o ne p o ng p o n 标准化组织n u t ( f s a n ) e e i t u - ts g l 5 ( f s a n ) 推动标准的主体运营商设备商运营商 速率 1 5 5 6 2 2m b p s 1 2 5 g b p s 可达2 4 8 8g b p s 基本协议 a n 订e t h e r a e ta 耵“ 线路编码 n r z8 b ，1 0 b n i 呓 线路编码效率 1 0 0 8 0 1 0 0 分支比 l ：3 2l ：1 61 ：6 4 给口的协议开销大 小 中 c o m p o n e n t s a t m删e t i l e r n e te p ，e t i l e m e t a 耵“ q o s 可靠不可靠可靠 t o n t c 层的效率 9 6 9 8 9 9 适配 t l9 8 7 2 9 6 业务 f e8 0 6 3 9 4 l o 1 d m 7 1 4 9 9 3 总体9 口d 螬髓 效率2 0 i d m 7 2 4 9 9 4 8 0 d a t a 从提供的业务看，g p o n 不仅可以提供1 0 0 m b i t s 、i g b i t s 的业务，而且可 以提供v l a n 业务和语音业务。总的来看，g p o n 不是制造商驱动的技术标准， 而是一种运营商驱动的标准，因此具有更周到的运营利益考虑。速率可达 2 5 g b i t s ；具有通用的映射格式，可适应任何新老业务；具有丰富的o a m & p 功 能；对各种业务均有很高的传输效率，即便对于t d m 业务也能灵活、高效、低 开销传送嘎可以帮助运营商完成从传统t d m 语音电路向全m 网络的平滑过渡。 其缺点是依然保留有了复杂的a t m 层功能，成本偏高。 武汉理工大学硕士学位论文 和目前应用最广的e p o n 系统相比，g p o n 具有两个较明显的优势：效率 高和支持以太网之外的业务。e p o n 效率较低是因为使用8 b 1 0 b 编码作为线路 码，其本身就引入2 0 的带宽损失，1 2 5 g b p s 的线路速率在处理协议本身之前 实际上已经降为1 g b p s ，再加上其他开销，可用负荷仅5 0 左右。g p o n 系统使 用n r z 扰码作为线路码，其机理与s o n e t 或s d h 一样，由于只改变码，不增 加码，因而没有带宽损失。在支持多业务方面，g p o n 能够同时承载a t m 信元 和g f p 帧，有很好的提供服务等级、支持q o s 保证和全业务接入的能力：而e p o n 目前的标准和一些厂商提供的设备不能很好地支持t d m 业务。 2 2g p o n 标准及协议结构 2 2 1g p o n 标准分析 g p o n 的概念最早是由全业务接入网联盟( f l l l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ， 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，n u - t 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 t 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【s - 1 1 1 g 9 8 4 1 ：吉比特级无源光网络的总体特性。该标准主要规范了g p o n 系统 的总体要求，包括o a n 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标。 g 9 8 4 2 ：吉比特级无源光网络的物理媒质相关( p m d ) 层规范。该标准主 要规范了g p o n 系统的物理层要求。 g 9 8 4 3 ：吉比特级无源光网络的传输汇聚( t c ) 层规范。该标准规定了g p o n 的t c 子层、帧格式、测距、安全、动态带宽分配( d b a ) 、操作维护管理功能等。 g 9 8 4 4 ：吉比特级无源光网络的管理控制接口( 0 m c i ) 规范。该标准规定 了o l t 和o n u 之间的管理和控制消息交换的接口，协议和消息。 2 2 2g p o n 协议结构 g p o n 的协议结构参考模型如表2 2 所示，g p o n 的层次结构主要包括物理 媒介相关层( p m d 层) 和传输汇聚层( t c 层) ，其中传输汇聚层又分为p o n 成帧子层和适配子层1 1 2 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2g p o n 的协议结构参考模型 o m c i 适配子层：识别v p i n c l 和p o r t - i d 提供该 适配通道数据和高层实体的交换 子层 a t m 适配子层：g e m 适配子层： 传输汇聚 a t m s d u 与p d u 的转换g e ms d u 与p d u 的转换 测距 g p o n层( t c 层) 上行时隙分配 协议结成帧 构 子层 带宽分配 保密和安全 保护倒换 e o 适配 物理媒介相关层 波分复用 ( p m d ) 光纤连接 在物理媒介相关层( p m d ) ，g p o n 的光接入网结构配置采用的是g 9 8 3 1 的结构配置，它采用i t u - tg 6 5 2 推荐的光纤作为传输媒质。系统下行速率为 l 2 4 4g b i t s 或者2 4 8 8 g b i t s ，上行速率为1 5 5 m b i t s ，6 2 2 m b i t s ，1 2 4 4 g b i t s 或者 2 4 8 8 g b i t s 。标准规定了在各种速率等级下o l t 和o n u 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o l t 和o n u 光接口参数。o n u 的最大 逻辑距离差可达2 0 k i n ，支持的最大分路比为1 6 ，3 2 或6 4 ，不同的分路比对设备 的要求不同。 在传输汇聚层( t c 层) 中，成帧予层完成帧封装，终结所要求的0 d n 的 传输功能，p o n 的特定功能( 如测距、带宽分配等) 也在p o n 的成帧子层终结。 适配子层提供p d u 与高层实体的接口，包括a t m 适配子层和g e m 适配子层两 种。a t m 适配方式沿用了g 9 8 3 系列建议的规定，以a t m 信元承载数据流， 可支持各种业务。g e m 适配子层可以承载基于包的协议，如1 p ，p p p ，e t h e m e t 或者恒定比特率的业务流。 g e m 适配方式基于g f p 协议，两者在帧结构和对高层的封装上是相似的， 但是g e m 不支持透明传输模式，其头部与g f p 也不相同，并且考虑到p o n 网 络多o n u 、多端口复用的情况，引人了p o r ti d 。此外，g e m 还借鉴了g f p 的 9 武汉理工大学硕士学位论文 帧同步机制，采用自描述方式确定帧边界，因此，g e m 帧的同步与g f p 帧的同 步一样。 本文研究的g p o no l t 光收发一体模块与g p o n 系统的物理媒介相关层 ( p m d ) 联系比较紧密，主要的性能指标亦是参考g 9 8 4 2 ：吉比特级无源光网 络的物理媒质相关( p m d ) 层规范。 2 3g p o n 系统组成及工作原理 g p o n 采用与a p o n ，e p o n 相同的点到多点，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 - 1 ) ，由无源光分路器 件将o l t 的光信号分到各个o n u 。 图2 1g p o n 系统框图 o l t 位于中心局( c o ，c e n t r a lo f f i c e ) 一侧，并连到一个或多个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 3 等，向下对o d n 可提供 1 2 4 4 g b i t s 或2 4 8 8 g b i t 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。 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 i t s 和2 4 8 8 g b i t s 等4 种选择，受o l t 的集中控制。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 g p o n 系统可支持的分支比为1 ：1 6 ，1 ：3 2 或l ：6 4 ，还可能达到1 ：1 2 8 。在同 一根光纤上，g p o n 可通过粗波分复用( 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 s p o n ) 、树型( t r e ep o n ) 或环型( r i n gp o n ) 拓扑结构。 g p o n 系统的工作原理为：在下行方向，o l t 以广播方式将由数据包组成 的帧经由无源光分支器发送到各个o n u 。每个o n u 收到全部的数据流，然后 根据o n u 的媒体访问控制( m a c ) 地址取出特定的数据包。在上行方向，多个 o n u 共享干线信道容量和信道资涮”l 。由于无源光合路器的方向属性，从o n u 来的数据帧只能到达o l t ，而不能到达其它o n u 。从这一点上来说，上行方向 的g p o n 网络就如同一个点到点网络。然而，不同于其它的点到点网络，来自 不同o n u 的数据帧可能会发生数据冲突。因此，在上行方向o n u 需要一些仲 裁机制来避免数据冲突和公平地分配信道资源。一般g p o n 系统的上行接入采 用t d m a 方式，将不同o n u 的数据帧插入不同的时隙发送至o l t 。因此o l t 模块采用的是连续发射、突发接收；而o n u 模块刚好相反，采用突发发射、连 续接收。 2 4g p