（通信与信息系统专业论文）gpon系统中tdm接入技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来，互联网技术飞速发展，社会信息化进程不断加快，数据业务急剧增 长，人们对带宽的需求越来越大。快速发展的主干网提供了巨大的传输容量，但 接入部分的发展成为了主干网与用户之间的瓶颈。 p o n 技术作为一种高效的接入方式，已经经历了a p o n 和e p o n 两个阶段， 但它们并没有掀起接入技术的高潮。f s a n 组织考虑到a p o n 的低效率和e p o n 的无法对传送实时业务提供质量保证、缺乏电信级的网络监测和业务管理等方面 的不足，于2 0 0 2 年9 月提出了具有g b i t s 级的高速率、高效率，支持多业务透明 传输，能够提供明确的服务质量保证和服务级别，具有电信级的网络监测和业务 管理能力的光纤接入网g p o n 。 到目前为止，i t u t 批准确立了g p o n 系列标准g 9 8 4 1 、g 9 8 4 2 、g 9 8 4 3 、 g 9 8 4 4 ，对g p o n 的系统结构、工作原理、管理方法等作了详细的描述。本文首 先研究了这些协议，分析了各种业务在g p o n 中传送的整体流程，建立了g p o n 接入的基本概念。g p o n 能够提供最高达2 4 8 8 g b i t s 的速率，可以满足用户对高 速率的需求。但传统的t d m 业务在网络应用中仍然有很大的市场，所以g p o n 也需要对t d m 业务提供良好的支持。g p o n 系统中实现t d m 接入的研究还处于 初期阶段，本文在借鉴e p o n 系统电路仿真技术的基础上，提出了g p o n 系统中 承载t d m 业务的实现方法，对o l t 和o n u 如何实现g t c 成帧、g t c 解帧、帧 同步等做了详细的研究。 在g p o n 系统t d m 接入技术中，需要重点研究码速调整、同步时钟恢复等 几项关键技术。其中同步时钟恢复是实现t d m 接入的重点和难点，因此本文重 点讨论了同步时钟恢复的方法，在研究a t m 和s d h 时钟恢复方法的基础上，提 出了同步残余时标法和同步时钟统计恢复法。本文对同步残余时标法进行理论分 析，并进行了仿真分析，结果表明同步残余时标法适用于g p o n 系统。然后，本 文对同步时钟统计恢复法进行了分析，推导出了时钟信号低频抖动的时域和频域 特性公式，并利用m a t l a b 对低频特性进行了仿真分析。从仿真结果可以看出，同 步时钟统计恢复法具有很好的抖动性能，可以作为g p o n 系统t d m 接入的一种 高效时钟恢复方案。 关键词：吉比特无源光网络、t d m 、时钟恢复、g e m a b s t r a c t a b s t r a c t b e a c a u s ea p o n se f f i c i e n c yi sl o wa n de p o nc o u l dn o tp r o v i d eq u a l i t y a s s u r a n c ef o rr e a l t i m es e r v i c e s ，n e t w o r ki n s p e c t i o n ，o p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n d n e t w o r kc o n t r o l ，g p o nw a sp r o p o s e db yf s a ni ns e p t e m b e r2 0 0 2 ，w h i c hc a n p r o v i d eg i g a b i ts p e e d ，h i 曲e f f i c i e n c y , t r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o no fm u l t i - s e r v i c e sa n d s p e c i f i cq u a l i t yo f s e r v i c e a tp r e s e n t ，t h eg p o ns t a n d a r d s ，q 9 8 4 1 ，g 9 8 4 2 ，g 9 8 4 3a n d1 3 9 8 4 4 ，h a v e b e e ne s t a b l i s h e db yi t u - 一t h e yd e s c r i b et h ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n so ft h ew h o l e s y s t e m t h et h e s i sf i r s t l ys t u d i e st h e s es t a n d a r d sa n da n a l y s e st h et r a n s m i t t i n gp r o c e s s i ng p o n a st h es y s t e mc a np r o v i d er a t h e rh i 曲s p e e d ，i tc a ns a t i s f yt h ed e m a n do f b r o a d b a n d b u tn o w a d a y s ，t h et d ms e r v i c e sa r ea l s ov e r yp o p u l a r , s og p o nn e e dt o s u p p o r tt d ms e r v i c e s g p o nh a sj l a s tc o m eo nt h em a r k e t ，t h er e s e a r c h e so nt h i s s y s t e ma r eu n d e rw a y s oi ti sv e r yu s e f u lt os t u d yt h i sa c c e s sm e t h o d t h et h e s i sw i l l f o c u so nt d ma c c e s sm e t h o d a f t e ra n a l y z i n gt h es t a n d a r d sa n dr e v i e w i n gt h et h e o r y o fc i r c u i ts i m u l a t i o ni ne p o n ，as c h e m ew i l lb eg i v e nt ot d ma c c e s s a n dt h ed e t a i l s o fo l ta n do n ut ot r a n s m i tt h et d ms e r v i c e sw i l lb ed e s c r i b e d g p o ni sm u l t i p o i n tt op o i n tn e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r ei nu p s t r e a md i r e c t i o n i n o r d e rt ot r a n s m i tt d ms e r v i c e s ，b e s i d e st h ec o m m o nm o d u l e ss u c ha sd b a ，f e e ， a e s ，t h es y s t e ma l s on e e dd a t aa d j u s t m e n t ，c l o c kr e c o v e r y , a n ds oo n c l o c kr e c o v e r y i sa ni m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp a r to ft d m a c c e s s ，s ot h et h e s i sw i l le m p h a s i z eo ni t a n dt w om e t h o d so fc l o c kr e c o v e r ya r ep r o p o s e di nt h et h e s i s i nt h el a s tp a r to ft h i s p a p e r , s i m u l a t i o ni sg i v e nt os h o wt h ep e r f o r m a n c e so ft h ec l o c kr e c o v e r ym e t h o d s t h er e s u l t sp r o v et h eg o o d j i t t e rp e r f o r m a n c e so f t h em e t h o d s k e y w o r d s ：g p o n ，t d m ，c l o c kr e c o v e r y , g e m i i 缩略语表 a l l o c i d a p o n a t m b p o n b w m 印 d b a e f m f s a n f t t b f t t c f 1 t h g e m g f p g p o n g t c i p 1 1 u m a c n g n n r z o a m o a n o n u o n u i d o 【t p c b d p h y p u p l o a m p o n p o r t 口d p o t s p s y n c p n 缩略语表 主要英文缩写及其全称列表 a l l o c a t i o ni d e n t i f i e r a t mo v e rp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b r o a d b a n dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k b a n d w i d t hm a d d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n e t h e m e tf o rt h ef i r s tm i l e f u l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k f i b r et ot h eb u i l d i n g f i b r et ot h ec u r b f i b r e t o t h e h o m e g p o n e n c a p s u l a t i o nm e t h o d g e n e r i cf r a m i n gp r o c e d u r e g i g a b i tp a s s i v eo l o t i c a ln e t w o r k g p o nt r a n s m i s s i o na n dc o n v e r g e n c e i n t e r a c tp r o t o c o l i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l n e x tg e n e r a t i o nn c t w o r k s n o nr e t u r nt oz e r o o p e r a t i o n s ，a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e o p t i c a la c c e s sn e t w o r k o p t i c a ln e t w o r k u 1 1 i t o n ui d e n t i f i e r o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n p l a y s i c a lc o n t r o lb l o c kd o w n s t r e a m p h y s i c a li n t e r f a c e p a y l o a dl e n g t hi n d i c a t o r p h y s i c a ll a y e rc i a m p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k p o r ti d e n t i f i e r p l a i no l d t e l e p h o n es e r v i c e p b y s i c a ls y n c h r o n i z a t i o n p a y l o a dt y p ei n d i c a t o r v 分配标识符 a t m 无源光网络 异步传输模式 宽带无源光网络 带宽映射 动态带宽分配 以太网最后一公里 全业务接入网 光纤到大楼 光纤到路边 光纤到家 g p o n 封装方式 通用成帧过程 吉比特无源光网络 g p o n 传输汇聚 网际协议 国际电信联盟 媒体接入控制 下一代网络 非归零码 操作管理维护 光纤接入网络 光网络单元 0 n u 标识符 光线路终端 下行物理层控制块 物理层接口 负载长度指示符 物理层操作管理维护 无源光网络 端口标识符 简单老式电话业务 物理层同步 负载类型指示符 缩略语表 q o s t c t - c o n t t d m t d m a q u a l i t yo fs e r v i c e t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e t r a n s m i s s i o nc o n t a i n e r t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v i 服务质量 传输会聚 传输容器 时分多路复用 时分多址接入 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盈! 缢日期：一占年易月夕日 ， 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：趣鲅导师签名： 掷同 日期：加年月夕日 第一章绪论 第一章绪论 随着宽带业务的迅猛发展和用户接入竞争的加剧，如何分析和应对网络和业 务的发展要求，加快接入网发展，快速提供业务，降低运营成本，实现向n g n 平滑演进，已经成为电信网络和业务发展的迫切要求。在世界各国中，光纤通信 已成为信息基础建设不可缺少的部分。在我国，近几年的宽带用户数目激增，光 纤接入获得了良好的发展机会。 通信作为人们在信息获取和交流中不可缺少的重要工具，已经在当今信息化 时代扮演着越来越重要的角色。因此，世界各国都在致力于现代通信技术的研究。 在宽带接入技术中，光纤接入作为能够提供高带宽、可靠的接入方式，是当今接 入技术中较为活跃和发展迅速的技术之一。 1 1 论文背景 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、接 入网。核心网还可再细分为骨干层和汇聚层；接入网是指从基础运营商的业务节 点到最终用户的所有网络设施，包括接入段、引入段和馈线段。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。因为接入网处于网络的末端，因此业界通常将接入网形象地称为“最后一 公里”。 不同用户类别需求的多样性决定了在“最后一公里”的接入技术呈现出多样 性，不可能有一种接入技术一统天下，接入技术必然是百花齐放的。从传输媒体 上划分，“最后一公里”接入技术可分为有线接入技术和无线接入技术。当今应用 较好、较成熟的有线接入技术包括o a n ( 光纤接入网，如f t t c 、f t t b 、f t t p 、 f t t h ) 、x d s l 、c a b l e m o d e m 。 光纤接入是2 0 年来人们不断追求的梦想和探索的技术方向，但由于成本、技 术、需求等方面的障碍，一直没有得到大规模推广与发展。然而，这种局面现在 有了很大改观，由于政策上的扶持和技术本身的发展，光纤接入网再次成为热点， 步入快速发展期。用光纤连接用户，主要有两种方式：一种是用光纤直接连接每 个家庭或大楼；另一种是采用无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 技术， 电子科技大学硕士学位论文 用分光器把光信号进行分支，一根光纤为多个用户提供服务。在实际应用中一般 采用p o n 技术。 核心网络 ( w a n ) s n i 网络侧接口 光分配网络 ( o d n ) 光网络 单元 ( o n u ) 一； 远端设备 ： u n i 用户侧接口 图1 - 1p o n 结构图 p o n 技术为一种点到多点的光接入技术，它由局侧的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) 、用户侧的o n u ( o p f i c a ln e t w o r ku n i t ，光网络单元) 以 及o d n ( o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，光分配网络) 组成【”，如图1 1 所示。一般 其下行采用t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，时分多路复用) 广播方式、上行 采用t d m a ( t i m ed 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 唧的主选方案。 p o n 技术始于2 0 世纪8 0 年代初，目前市场上的p o n 产品按照其采用的技 术，主要分为a p o n b p o n ( a r m p o n ，宽带p o n ) 、e p o n ( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ，以太网无源光网络) 和g p o n ( g i g a b i tp a s s i v eo p f i c mn e t w o r k ，千兆 比特无源光网络) ，其中g p o n 是最新标准化和产品化的技术。 a p o n t l l ( a t mo v e rp 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) 是f s a n ( f u l ls e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ，全业务接入网) 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。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，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，一个是低的数据传输效率； 2 匿一 ；iiifli； 第一章绪论 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。 由于以太( e t h e m e t ) 技术的高速发展，把简单经济的以太技术与p o n 的传 输结构结合起来的e t h e m e to v e rp o n 概念开始引起技术界和网络运营商的广泛重 视。2 0 0 0 年1 1 月，1 e e e 组织“以太网最后一公里( e f m ，e t h e r n e t f o r t h e f i r s t m i l e ) ” 研究组，研究和制定e p o n 标准。e p o n 最大的优越性在于允许运营商放弃复杂 昂贵的a t m 和s o n e t 器件，从而使网络大为简化【l 】。 e p o n 采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。 目前，i p e t h e r n e t 应用占到整个局域网通信的9 5 以上，e p o n 由于使用上述经 济而高效的结构，成为连接接入网最终用户的一种有效的通信方法。 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o 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 d m a c 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 。 在2 0 0 1 年，f s a n 组织开始起草超过1 g b s 速率的p o n 网络标准。速率范 围的设定是基于一个认识：不同服务需求对应不同的系统容量。除了需要支持更 高比特率，f s a n 还需重新考虑所有现行的协议，寻找一个最优化最有效的解决 方案以支持多种服务、o a m & p 功能以及可升级能力。 由于f s a n 的努力，使g p o n 成为光接入网一种全新的解决方案一一不但提 供高速的比特率，而且支持各种接入服务，特别是非常有效地支持原有格式的数 据分组和t d m 流。g p o n 提供1 2 4 4 g b s 和2 4 8 8 g b 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【2 】口1 1 4 。而且它的帧结构不基于任何 指定类型的格式，是基于各种用户信号原有格式的封装【5 1 。 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1 1 ： 3 电子科技大学硕士学位论文 表1 1 三种p o n 技术的比较 a p o ne p o ng p o n 标准化组织1 1 u - t f f s a n ) i e 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 s1g b p s 可达2 4 8 8 g b p s 基本协议 a 1 1 e t l l e m e ta t m 线路编码 n r z8 b ，1 0 bn r z 线路编码效率 1 0 0 8 0 1 0 0 分支比 1 ：3 21 ：1 6l ：6 4 给i p 的协议开销大小 由 c o m p o n e n t s a 耵v ii p ，e t i l e m e ti p e t h e m e t a n 订 q o s 可靠不可靠可靠 p o n t c 层的效率9 6 9 8 9 9 适配t 19 8 7 2 9 6 业务f e8 0 6 3 9 4 总体1 0 t d m ，7 1 4 9 9 3 效率 9 0 d a t a 2 0 t 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 1 0 0 m b i t s ，1 g b w s 的业务，而且 可以提供v l a n 业务和语音业务，事实上可以适应任何现有业务和未来新业务的 适配要求。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，速率更高，可达2 4 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 特点；对各种业务均具有很高的传输 效率，即便对于t d m 业务也能高效无开销地传送；提供明确的服务质量保证和 服务级别，具有电信级的网络监测和业务管理能力。 1 2 g p o n 中t d m 接入技术的研究现状 g p o n 是依据一个全新的传输汇聚层( t c ) 的架构一一通用成帧协议( g f p ， g e n e r i cf r a m i n gp r o c e d u r e ) 作为服务承载的通信协议。g f p 提供了一种通用机制 4 第一章绪论 来适应来自传输网络高层的用户信息的传送。传输网络可以是任何类型，如 s o n e t s d h 还有i t u tg 7 0 9 。用户信号可以基于i p p p p 打包或者是基于以太 网媒体接入控制，恒定的比特速率流或其它类型的信号。g f p 已经制定了官方的 标准即g 7 0 4 1 。但最终在g p o n 协议【5 1 6 1 7 l 中没有采用g f p ，而是定义了专门用 于g p o n 网络的数据帧封装方法g e m ( g p o n 封装模式) 。 随着互联网的不断发展，数据业务成为网络带宽的主要占用者，但话音业务 在长时间仍然存在很大的发展空间。在g p o n 中，怎样才能在g e m 上有效承载 t d m 业务并提供电信级的服务质量是当前面临的首要问题。在a p o n 和e p o n 中，常用的方法是使用电路仿真来传送t d m 业务【9 】。在t d m 接入中，业务时钟 的恢复是关键，在a p o n 和e p o n 中，主要采用自适应时钟恢复法和同步剩余时 标法【9 】【10 】【1 1 l 。但g p o n 作为一种新的接入技术，以往的t d m 接入技术和时钟恢 复方法是否适用还有待研究。虽然市面上已经有提供t d m 接入的g p o n 芯片出 现，但这些技术仍然处于保密中，国内还没有研究0 p o n 系统中t d m 接入技术 的文献发表。 目前g p o n 和e p o n 芯片设计成本昂贵，因此在设计一款g p o n 芯片前， 首先要在f p g a 实现g p o n 的各项功能，并尽可能地使各个模块占用最少的资源。 1 3 本文的主要研究内容和贡献 本文研究了g p o n 中如何实现t d m 接入技术，借鉴了a t m 和s d h 中的相 关技术和方法，用于解决g p o n 系统的设计问题，作者的主要贡献为： ( 1 ) 研究了g p o n 的整套协议，对协议进行了详尽的理解和分析，在此基础 上提出了g p o n 系统中实现t d m 接入的完整方案。 ( 2 ) 划分了o l t 和o n u 处理t d m 业务的功能模块，设计了如何实现一些 关键模块，如时钟恢复、码速调整等，这在对g p o n 的研究方面具有一 定的创新。 ( 3 ) 在研究已有的时钟恢复方法基础上，提出了两种适用于g p o n 系统中时 钟恢复的方法，并对其进行了理论分析和仿真，仿真结果满足i t u t 协 议对时钟性能的要求。这为f p g a 设计实现时钟恢复提供了基础。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 论文结构及内容安排 本章首先对论文工作的研究背景进行了简述，回顾了无源光网络以及在无源 光网络中实现t d m 接入技术的研究现状，为后面的研究工作做了铺垫，t d m 业 务种类很多，如t l 、e 1 ，本文主要讨论e 1 在g p o n 系统中的接入实现。 在第二章，本文首先介绍了g p o n 的系统结构和工作原理；其次，提出了 g p o n 系统中t d m 接入技术的实现方案。 在第三章，本文首先提出了o l t 端下行t d m 数据接收与封装的实现流程， o l t 端上行g t c 帧接收与解封的实现流程；然后，提出了o n u 端上行t d m 数 据接收与封装的实现流程，o n u 端下行g t c 帧的接收与解封的实现流程。 在第四章，本文对t d m 接入中的关键技术时钟恢复进行了详细的讨论， 在分析已有的时钟恢复方法的基础上，提出了两种适合在g p o n 系统中恢复t d m 时钟的方法：同步残余时标法和同步时钟统计恢复法；然后，本文分析了同步残 余时标法，讨论了它的实现流程，讨论了时钟性能的分析方法，并对这种时钟恢 复方法进行了性能分析。 在第五章，本文分析了同步时钟统计恢复法，并讨论了静态输出抖动和抖动 转移特性。 最后一章对全文进行了总结，并指出了继续进行的相关研究工作和未来可能 的研究方向。 在全文的研究工作中，低频变化的抖动特性在通信仿真工具软件m a t l a b 7 o 【1 2 】 上完成。 6 第二章g p o n 的系统结构及t d m 接入技术的提出 第二章g p o n 的系统结构及t d m 接入技术的提出 i t u t 提出了吉比特无源光网络( g p o n ) 的系列协议【5 】【6 】【7 】【8 】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，对总体模块 实现了划分，并分析g p o n 实现上下行传输的工作原理，然后提出了t d m 接入技 术的总体实现方案。 2 1 g p o n 系统结构和工作原理 g p o n 采用无源光纤传输方式的网络拓扑结构，主要由o l t 、o d n 、o n u 三部分组成，结构图参考图1 一l 。 o l t 位于中心机房，并连到一个或多个o d n 向上提供的广域网结构，如g e 、 f e 、t 1 e 1 等；向下对o d n 提供1 2 4 4 g b s 或2 4 8 8 g b s 的光接口。 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帧和集中上行数 据帧。 o n u 为接入网提供用户侧的接1 2 1 ，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 、2 4 8 8 g b s ， 在o l t 的统一调度下工作。 g p o n 系统可支持的分支比为1 ：1 6 、1 ：3 2 或1 ：6 4 ，还可以达到1 ：1 2 8 。g p o n 组网灵活，可采用总线型、树型、环型或星型拓扑结构。 g p o n 工作原理如下图2 一l ： 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2g p o n 协议栈 图2 1g p o n 上下行发送 从下图2 2g p o n 系统协议栈可看出，g p o n 的技术特征主要体现在传输汇聚 层。传输汇聚层又分为成帧子层和适配子层。g p o n 传输汇聚的成帧子层完成g t c 帧的封装，完成所要求的光分配网络的传输功能，以及光分配网络的特定功能( 如 测距、带宽分配等) 。g t c 的适配子层提供协议数据单元( p d up r o t o c o ld a t au n i t ) 与高层实体的接口。a t m 和g e m 信息在各自的适配子层完成服务数据单元( s d u s e r v i c e d a t a u n i t ) 与p d u 的转换。操作管理通信接口( 0 m c i ) 适配子层高于a t m 和g e m 适配子层，它识别v p i 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。 8 苎三皇q ! 旦型堕墨竺堕塑墨! 里坚堡垒垫查塑塑堂 叵 匹网 叵( 二二二二二亘堕叵二二二 图2 2g p o n 系统协议栈 2 3g t c 帧结构 2 3 1 下行帧结构 下行帧的结构如图2 - 3 所示，每帧都包括p c b d ( p l a y s i c a lc o n t r o lb l o c k d o w n s t r e a m ) 和载荷部分，其中载荷包括a t m 信元部分和g e m 帧部分，a t m 部分是以信元为单位，所以它的长度是5 3 字节的整数倍，g e m 帧占用了除p c b d 和a t m 部分剩下的字节。 9 电子科技大学硕士学位论文 n + 5 3b y t e s 图2 - 3 下行帧的结构 i 下行帧以1 2 5 p a 为传输长度。传输速度为1 2 4 4 1 6 g b i t s 时，帧长为1 9 4 4 0 字 节，2 4 8 8 3 2 g b i t s 时为3 8 8 8 0 字节。 2 3 2p c b d 每个g p o n 下行帧都包括p c b d 头部，它由多个字段组成，包括帧同步信息 o n u 管理信息，带宽分配信息校验字段等。它的具体结构如下图2 4 所示： p c b d p a y l o a d 、- - ，_ - ，- - - 一 p s y n c i d e n tp l o a m db 口p l e n tp l e n tu s b w m a p 4 字节4 字节1 3 字节1 字节4 字节4 字节n 8 字节 图2 - 4 p c b d 字段的结构 下面将详细介绍每个字段的定义和作用。 2 - 3 2 1p s y n c p s y n c ( p h y s i c a ls y n c h r o i z a t i o n ) 字段为4 个字节，它的值是固定的，为 0 x b 6 a b 3 1 e 0 ，这个字段用于下行帧的同步，为了实现快速同步，这个字段在发 送时不进行扰码处理。 1 0 第二章g p o n 的系统结构及t d m 接入技术的提出 帧同步的过程如下图2 - 5 所示。 图2 5 o n u 同步有限状态机 o n u 最先处于h u n ts t a t e ，当检测到一个正确的p s y n c 字段时立即过渡到 p r e s y n cs t a t e ，以后每隔1 2 5 9 s 检测一次。如果有连续m 1 个正确同步字段，就 从p r e s y n cs t a t e 到s y n cs t a t e ，s y n cs t a t e 表示o n u 已经发现了下行帧的结构， 实现帧同步，可以开始处理p c b d 的信息。 如果有连续m 2 个不正确的同步字段，则从s y n cs t a t e 到h u n ts t a t e 。根据协 议，一般情况下m 1 = 2 ，m 2 = 5 。 2 3 2 2i d e n t i d e n t 字段占用4 个字节，其中低3 0 比特是一个计数器，每发送一帧，这个 计数器值加1 ，超过最大值后清零重新计数。它的作用主要有两个：一个是用于 表明加密的开始时间，o l t 通过发送将要加密的第一个帧的计数器的值给o n u ， o n u 就能知道从哪个帧开始解密；一个是用于同步，o n u 每次在p s y n e 或 p r e p s y n c 状态下通过比较收到的下行帧的计数器的值和本地计数器的值( o l t 发 送的帧的数量和o n u 接收到的帧的数量) ，可以知道是否同步，是否有帧丢失。 2 3 2 _ _ 3b w m a p 字段 b w m a p 字段长度为n + 8 个字节，n 为b w m a p 中的带宽分配单元的个数， 每个带宽分配单元是8 个字节，为一个t - c o n t ( 由a l l o c i d 标识) 分配传输时 1 1 电子科技大学硕士学位论文 间。它的具体结构如图2 - 6 所示 图2 - 6g t c 带宽分配结构 a l l o c i d ：1 2 比特，由于每一个t c o n t ( t r a n s m i s s i o nc o n t a i n e r ) 都对应唯 一一个a l l o c - i d ，所以通过a l l o c i d 就可以为每一个t c o n t 指定带宽。需要注 意的是a l l o c i d 的0 - 2 5 3 分配给o n u 使用；2 5 4 专门用于o n u 的激活过程，2 5 5 主要用于o l t 的广播。 f l a g ：1 2 比特，各个比特的具体含义如下： 比特1 1 ：m s b ，规定该o n u 是否发送p l s u ( p o w e rl e v e l l i n gs e q u e n c e u p s t r e a m ) ； 比特1 0 ：规定该o n u 是否发送p l o a m u ( p h y s i c a ll a y e ro p e r a t i o n ， a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c eu p s t r e a m ) ； 比特9 ：规定在这个带宽分配单元指定的带宽内发送的数据是否使用f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) ； 比特8 和7 ：规定该o n u 是否发送d b r u ( d y n a m i cb a n d w i d t hr e p o r t u p s t r e a m ) ； 比特6 - 0 ：保留。 s t a r t t i m e ：2 个字节，表明了发送数据的开始时间，以字节为单位的。这限 制了上行帧的最大长度为6 5 5 3 5 字节，这已经足够2 4 8 8 g b i t s 的上行速率使用了。 在设计s t a r t t i m e 的时候需要注意，因为这个时间只表明了有效数据的传输开始的 时间，而不包括p l o u ( p h y s i c a l l a y e r o v e r h e a d u p s t r e a m ) 和保护带宽的时间。 s t o p t i m e 2 个字节，表明了分配的带宽的结束时间。 1 2 第二章g p o n 的系统结构及t d m 接入技术的提出 c r c ：1 个字节，循环冗余校验，用于b w m a p 字段的查错。 2 3 2 4 下行载荷 下行帧的载荷包括a t m 载荷或g e m 载荷。a t m 载荷总是位于p c b d 后， 所以信元定界不是很重要。由于下行帧中可能包括了发送给多个o n u 的数据， o n u 是通过g e m 载荷的p o r t i d 或者a t m 信元中的v p i v c i 来判断的，每个 o n u 都能识别哪个p o r t - i d 或者v p i v c i 是属于自己的，从而把属于自己的数据 过滤出来发送给上层。 2 3 3 上行帧结构 上行帧以1 2 5 s 为传输长度，它的具体结构如下图2 7 所示： 圈2 - 7 g t c 上行帧结构 2 3 3 1p l o u 下面介绍p l o u 每个字段的含义： ( 1 ) p r e a m b l e 和d e l i m i t e r 字段：用于上行帧的同步和定界。它的长度由o l t 发送给o n u 的u p s t r e a m _ o v e r h e a d 消息决定。 ( 2 ) b i p 字段：位交织奇偶校验位。 ( 3 ) o n u _ i d 字段：记录了发送上行帧的o n u 的o n u i d 。在o n u 分配i d 之前可以用2 5 5 。o l t 通过收到的这个字段和先前发送的b w m a p ( 中含 a l l o c - i d ) 字段比较，可以确认o n u 的数据帧是否正确传输。 ( 4 ) h l d 字段：将o n u 的实时状态报告给o l t ，各个比特的含义如下： 比特7 ( m s b ) ：这位用于表明u 唱e mp l o a m uw a i t i n g ( 1 = p l o a mw a i f i n 躲0 2 n op l o a m s w a i t i n g ) ，如果有紧急p l o a m u ，0 l t 将分配一个上行带宽分配，使 p l o a m u 信息以一种及时的方式传输，通常相应时间不会超过5 m s 。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 比特6 ：f e c 状态报告( 1 = f e c o n ，0 = f e c o f f ) 。 比特5 ：r d i ( r e m o t ed e f e c ti n