三网融合之接入网技术研究.doc

密级： 保密期限： 工程硕士研究生学位论文 题目： 三网融合之接入网技术研究 学 号： 05G0867 姓 名： 林学技 专 业： 电子与通信工程 申请学位： 工程硕士 导 师： 陈德荣 学 院： 继续教育学院 2010年 2月 18日独创性（或创新性）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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）本学位论文不属于保密范围。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 北京邮电大学工程硕士研究生学位论文 摘要三网融合之接入网技术研究摘 要广播电视网、电信业务网与计算机网是信息产业发展的基础，三网融合则是现代信息技术发展的必然趋势，并且已经日渐成为人们关注的网络领域技术变革的热点。从广义上说，三网融合的目标是语音、数据和视频三类业务的融合，甚至于三个产业链的融合；但是，业务的融合离不开基础网络的支撑，基本网络的融合也将促进业务的融合与发展；而且，通过基础网络融合，实现资源互联与共享，可直接减少不必要的重复建设和资源浪费，产生较大的经济效益。在基础网络的融合中，接入网的融合更是首当其冲，现阶段对于三网融合的接入网技术进行研究，是必要的，也是具有积极意义的。本论文将重点对GPON技术、EPCN技术进行研究，并提出针对三网之接入网融合的行之有效的应用方案。本论文内容主要包括以下几个方面：1、简要介绍GPON的技术原理、系统结构及业务能力；2、简要介绍EPCN的技术原理、系统结构及业务能力；3、提出基于GPON技术的FTTH组网方案作为接入网融合最佳方案，制定基于GPON技术的FTTH网络规划意见及GPON设备选型技术要求；4、提出GPON+EPCN组网方案作为接入网融合的过渡方案，制定GPON+EPCN网络规划意见及EPCN设备选型技术要求；5、通过工程实例，分别对FTTH方式、GPON+EPCN方式的接入网组网方案进行验证。关键词: 三网融合；接入网；GPON；FTTH；EPCN；网络规划。IV北京邮电大学工程硕士研究生学位论文 摘要The study of the access network technologyfor Triple-playABSTRACTBroadcast television network, telecommunications network and computer network operations is the basis for the development of information industry, triple-play is an inevitable trend of the development of modern information technology. Its the focus. From a macro perspective, the triple-play goal is to telephone services, Internet services and television services combined. Further,Its the integration of three industry chain. However, the business integration needs network support, network merger will also facilitate business integration and development, but also, resource sharing can be achieved through network consolidation, it can directly reduce unnecessary duplication and waste of resources, it will have a greater economic benefits. Basic network merger, the combined access network is the most important. This stage, the access network for triple-play technology research is necessary and significant. The paper will focus on GPON technology, EPCN technology research, and made triple-play access network building programs. The paper covers the following aspects: The First, a brief description of GPON technology principles, system structure and operational capacity.The second, a brief description of EPCN technical principles, system structure and operational capacity.The third, I will proposed the best construction program of the access network, Its FTTH based on the GPON technology. I will also proposed FTTH network planning guidance and the technical requirements of GPON equipment.The fourth, I will proposed a Transitional construction program of the access network, Its based on GPON technology and EPCN technology.I will also proposed the planning guidance and the technical requirements of EPCN equipment.The fifth, I will explain two projects to verify the technical program. KEY WORDS: triple play, access network, GPON, FTTH, EPCN, network planning23北京邮电大学工程硕士研究生学位论文 目录目 录摘 要IIIABSTRACTV第一章 引言11.1 课题背景11.2 主要研究工作11.3 论文的组织结构2第二章 GPON技术研究综述42.1 FTTx技术42.1.1 FTTx应用分类42.1.2 FTTx实现技术62.2 PON技术72.2.1 PON的标准发展72.2.2 GPON和EPON技术对比82.3 GPON基本原理与结构92.3.1 GPON基本原理92.3.2 GPON帧结构122.3.3 业务承载能力142.4 GPON的关键技术152.4.1 DBA技术152.4.2 层次化QoS技术152.4.3 TDMoGEM技术172.4.4 GPON安全技术182.5 业务能力22第三章 EPCN技术研究综述243.1 EOC技术243.1.1 有线网双向改造技术简介243.1.2 EOC技术对比243.2 EPCN技术原理及结构253.2.1 EPCN体系结构253.2.2 EPCN传输原理263.3 EPCN技术特色283.3.1 组网能力283.3.2 高带宽和带用户能力293.3.3 业务承载与QOS293.3.4 安全部署293.3.5 设备管理303.3.6 网络运维30第四章 基于GPON技术的FTTH组网方案及网络规划314.1 FTTH组网方案314.2 FTTH网络规划324.2.1网络规划主要内容324.2.2 接入用户容量分析324.2.3 网络规划基本要求324.3 GPON设备技术要求354.3.1 承载业务要求354.3.2 系统接口要求354.3.3 OLT基本功能要求364.3.4 ONU基本功能要求364.3.5 以太网功能要求374.3.6 VLAN功能要求384.3.7 组播功能要求394.3.8 动态带宽分配（DBA）功能404.3.9 QOS功能41第五章 GPON+EPCN组网方案及网络规划435.1 GPON+EPCN组网方案435.2 FTTCab网络规划445.2.1 网络规划的主要内容445.2.2 接入用户容量分析及用户带宽升级方法445.2.3 网络规划基本要求465.3 EPCN网络规划485.3.1 接入用户容量分析485.3.2 HFC网络改造要求485.4 EPCN设备功能要求505.4.1 系统功能要求505.4.2 CC基本功能要求505.4.3 CB基本功能要求50第六章 工程实例526.1 泉州蓉中村FTTH新建工程526.1.1 项目需求526.1.2 建设方案536.1.3 主设备选择556.1.4 工程经济性分析566.1.5 工程实施情况596.1.6 业务性能测试596.2 宁德古田广电合作小区EPCN新建工程636.2.1 项目需求636.2.2 建设方案666.2.3 主设备选择686.2.4 工程经济性分析696.2.5 工程实施情况706.2.6 业务性能测试70第七章 结束语737.1 论文工作总结737.2 进一步的研究工作74参考文献76缩略语77致 谢79北京邮电大学工程硕士研究生学位论文 正文第一章 引言1.1 课题背景广播电视网、电信业务网与计算机网是信息产业发展的基础，三网融合则是现代信息技术发展的必然趋势，并且已经日渐成为人们关注的网络领域技术变革的热点。从广义上说，三网融合的目标是语音、数据和视频三类业务的融合，甚至于三个产业链的融合；但是，业务的融合离不开基础网络的支撑，基本网络的融合也将促进业务的融合与发展；而且，通过基础网络融合，实现资源互联与共享，可以降低总的成本投入，方便人们的使用，提高效率，产生更多的经济效益和社会效益。我们知道，技术进步总是从一个方向、一个领域或一种装置上逐步取得突破的，而人类对技术的需求却是以自我为中心的，而且是全方位的，这就是“三网融合”的原始驱动力。随着宽带业务的发展，人们越来越意识到接入网部分(最后一公里)存在严重的带宽“瓶颈”。接入网的两头目前已跨入吉比特级以上的速率，如用户端广泛使用的PC内部传送的速率早已达到Gbit/s速率；而接入网的另一头，城域网或骨干网的每波长速率也已达到2.510Gbit/s，它们比接入部分高出至少3个数量级。在推行三网融合的过程中，突破接入网瓶颈变得越来越迫切；只有突破接入部分的带宽“瓶颈”，才能使整个网络有效发挥宽带的作用，也才能更快的推进三网融合。从技术上讲，有三种方式突破接入网瓶颈：一是甚高速数字用户线路(VDSL)；二是基于无源光网络(PON)的光纤到户(FTTH)；三是高速无线接入。GPON是基于吉比特的无源光网络技术，具有高带宽、长距离传输、易维护等特点，是一种能真正支持语音、数据和视频的全业务接入技术。随着GPON产业链的日趋成熟，核心元器件价格的不断下降，GPON必然成为接入网建设的主流技术，而GPON技术与其它末端接入技术的相结合，也为接入网的融合提供了多种解决方案。1.2 主要研究工作中国联通与中国网通合并后，新联通一直致力于打造全业务运营商的形象，南方省份固网业务的发展也得到了积极的重视。作为南方省份的一员，福建联通面临着“固定网络基础较薄弱，公众宽带覆盖面不足”的劣势；为大力发展宽带业务，福建联通一直积极关注FTTX等接入网技术的发展，并积极寻求与广电等单位在宽带建设上进行合作。为此，公司专门成立了接入网技术组，由省公司计划管理部牵头，抽调网络建设部、运行维护部、家庭客户部等各个部门的技术骨干参加，专门跟踪接入网新技术的发展，制定省内宽带建设方案模型。本人作为项目组的核心成员，充分利用北邮工程硕士学习和项目组工作的机会，认真跟踪研究FTTX技术的发展方向，制定GPON技术的应用模式，并积极探索实施与福建广电在接入网建设的合作模式，顺利完成了课题研究任务。主要研究工作如下: 学习研究GPON的技术原理、系统结构，分析其业务支撑能力； 学习研究EPCN的技术原理、系统结构，分析其业务支撑能力； 探索未来接入网融合的最佳方案，提出基于GPON技术的FTTH组网方案，制定FTTH网络规划意见及GPON设备选型技术要求； 探索现实情况下接入网融合的过渡方案，提出GPON+EPCN组网方案，制定GPON+EPCN网络规划意见及EPCN设备选型技术要求； 通过工程实例，分别对FTTH组网方案、GPON+EPCN组网方案进行验证。1.3 论文的组织结构全文共分为七章。第一章为引言，主要说明课题研究的背景，主要的研究工作和论文组织结构。第二章为GPON技术研究综述，首先介绍了FTTX应用分类以及目前实现FTTX的主流技术；然后介绍PON的标准发展，并对EPON与GPON技术进行对比，总结了GPON技术优势；最后简要描述了GPON技术的实现原理及系统结构，并对其关键技术及业务能力进行具体说明。第三章为EPCN技术研究综述，首先介绍了目前有线电视双向改造技术现状；然后介绍EOC技术的发展，并分析了EPCN技术相比其它EOC技术的优势；最后简要描述了EPCN技术的实现原理及系统结构，并对其技术特色进行具体说明。第四章为基于GPON的FTTH技术方案与网络规划，首先介绍采用GPON技术进行FTTH组网的技术方案，然后提出了在FTTH组网模型下GPON的网络规划要点，最后说明了GPON OLT/ONU设备技术要求。第五章为GPON+EPCN技术方案与网络规划，首先介绍采用GPON+EPCN组网的技术方案，然后提出了在FTTB组网模型下GPON的网络规划要点以及EPCN技术对于HFC网络的要求，最后说明了EPCN设备技术要求。第六章为工程实例，通过蓉中村FTTH新建工程、古田县广电EOC合作工程分别对基于GPON技术的FTTH组网方案、GPON+EPCN组网方案进行验证。第七章为结束语，对论文的研究内容进行了总结，指出了本论文研究的不足之处和下一步研究的主要内容和方向。北京邮电大学工程硕士学位论文 正 文第二章 GPON技术研究综述2.1 FTTx技术2.1.1 FTTx应用分类光纤接入网（OAN）是采用光纤传输技术的接入网，即本地交换局和用户之间全部或部分采用光纤传输的通信系统。按照ONU在光接入网中所处的具体位置不同，可以将OAN划分为几种基本不同的应用类型：FTTCab，FTTCub，FTTB，FTTH和FTTO。 光纤到交接箱（FTTCab）光纤到交接箱（fiber to the cabinet，FTTCab）是宽带光接入网的典型应用类型之一，其特征是以光纤替换传统馈线电缆，光网络单元（ONU）部署在交接箱（FP）处，ONU下采用其他介质接入到用户。例如采用现有的铜缆或者无线，每个ONU支持数百到1000左右用户数。 国内外与FTTCab概念相当的其他术语有：光纤到节点或光纤到邻里（fiber to the node或neighborhood，FTTN），光纤到小区（fiber to the zone，FTTZ）。 光纤到路边（FTTCub） 在FTTC结构中，ONU设置在路边的入孔或电线杆上的分线盒处，有时也可能设置在交换箱处，但FTTC通常指接入到路边的分线盒处。此时从ONU到各个用户之间的部分仍为双绞线铜缆或者同轴电缆。 FTTC结构主要适用于点到点或点到多点的树形分支拓扑，用户为居民住宅用户和小型化的企事业用户。目前还有一种FTTR的结构的说法，可以称为光纤到远端，从其结构形式看，应该是FTTC的一种变型，唯一不同的，只是将ONU的位置移到远离用户的远端处，具备一定的业务处理能力，可以更多的用户一起使用。 对于FTTC结构的主要特点如下： 在FTTC结构中引入线部分是用户专用的，现有铜缆设施仍能利用，因而可以推迟耗资巨大的光纤投资，具有较好的经济性。 光纤到大楼（FTTB） 从结构上来说，FTTB同样也可以看作是FTTC的一种变形，不同点在于将光网络单元直接放到楼内，再经双绞线或者其他媒质，将业务分送给用户。FTTB是一种点到多点结构，通常不用于点到点结构。FTTB的光纤化程度比FTTC更进一步，光纤已敷设到楼，因而更适于中高密度的用户区，也更接近于长远的发展目标。也会获得越来越广泛的应用，特别是各地的高新技术开发区中的那些工业区或者住宅小区和居民楼以及其他对网络需求较多的场合。 光纤到家（FTTH）和光纤到办公室（FTTO） 和上述不同的是，如果将原来的FTTC结构中设置在路边的ONU换成无源光分路器，然后将ONU移到用户家中，将变成FTTH结构。而如果将ONU放在大企事业用户等终端设备处，并能够提供一定的灵活的通信业务，则构成了所谓的光纤到办公室（FTTO）结构。考虑到FTTO也是一种纯光纤连接网络，因而可以归入与FTTH一类的结构。然而，由于两者的应用场合不同，结构特点也不同。FTTO主要用于大企事业用户，业务量需求大，因而在结构上适于点到点或环形结构。而FTTH用于居民住宅用户，业务量需求很小，因而经济的结构必须是点到多点方式。 表2-1宽带光接入网典型应用类型的主要特征主要特征FTTCabFTTB/CFTTHFTTO接入介质类型 光纤作为主干+铜缆/无线作为末端 光纤作为主干+铜缆/无线作为末端 全程光纤 全程光纤 光纤到达位置 交接箱 楼宇/分线盒 居民家庭 公司/办公室 光节点距离用户设备的参考布线距离 约几百米到1 km 约几百米 约几十米 约几十米 光纤段典型的物理拓扑类型 点对点、星形 星形、环形 星形、树形 点对点、星形 光纤段采用的主要技术 主要采用MSTP和光纤直连，也可以采用xPON、点对点光以太网 主要采用xPON、光纤直连、点对点光以太网，也可以采用MSTP 主要采用xPON、点对点光以太网 主要采用MSTP、光纤直连、xPON，也可以采用点对点光以太网 表2-1宽带光接入网典型应用类型的主要特征（续）主要特征FTTCabFTTB/CFTTHFTTO铜缆/无线段采用的主要技术 主要采用ADSL、ADSL2+、VDSL2，也可以采用WiFi、WiMax 主要采用LAN，也可以采用WiFi、WiMax、 ADSL、ADSL2+ 现有技术条件下典型的用户接入速率 下行最大25 Mbit/s（采用ADSL2+/VDSL2），上行最大1.8 Mbit/s（采用ADSL2+/VDSL2）上下行最大100 Mbit/s（LAN）上下行最大可超过100 Mbit/s 上下行最大可超过100 Mbit/s 2.1.2 FTTx实现技术 FTTxXpon(P2MP)WDM PONAPONONEPONGPON Ethernet(P2P)图2-1 光纤接入技术分类（1）点到点(P2P)以太网点对点直接光纤连接没有复杂的上行同步技术和终端自动识别等优点，上行的全部带宽可被一个终端所用，有利于带宽的扩展，但该方式光学器件和光纤成本相对较高。（2)点到多点(P2MP)的无源光网络(PON）无源光接入网络（PON）是全透明的光网络，它对工作带宽、工作波长和传输技术等都没有任何限制。光配线网(ODN)全部由无源器件组成，不包括任何有源节点，光纤线路终端设备OLT下行的光信号，通过单根光纤，经无源器件Sputter(光分路器)将光信号分路广播给各用户终端设备ONU/T，大幅减少网络机房及设备维护的成本，节省了大量光缆资源等建设成本，因而成为实现FTTX最热门的技术。2.2 PON技术2.2.1 PON的标准发展PON系统在90年代初就出现了，1996年ITU-T完成了对G.982的标准化，主要对2Mbit/s以下接入速率的窄带PON系统进行定义。与此同时，以ATM为基础的PON (APON)发展迅速，1998年ITU-T正式通过了G.983.1建议，即基于PON系统的高速光接入系统，G.983.1对APON系统进行了详尽的规范，主要规定线路速率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求、汇聚层要求、测距方法和传输性能要求等.1999年ITU-T又推出了G.983.2建议即APON的光网络终端(ONT)管理和控制接口规范，该建议主要从网络管理和信息模型上对APON系统进行定义，以确保不同厂家的设备实现互操作。ITU (theInternational Telecommunications Union)和FSAN(Full Service Access Network)联盟采纳了ATM标准，把它作为在PON第二层的帧封装标准，能为商业用户、家庭用户提供包括IP数据、视频、音频等综合业务，形成了APON的标准(文档号ITU-T Rec G.983)。但是APON存在着一系列的问题，比如带宽有限、带宽损失大、数据包开销大、协议转换麻烦、技术复杂、设备昂贵、多厂家互操作性差等。随着以太网技术的异军突起，APON技术一直没有得到大规模应用。随着Internet的高速发展，用户网络带宽的要求不断捉高，各种新的宽带接入技术已经成为研究的热点。在这种背景下，IEEE于2000年底成立了EFM工作组(Ethernet in the First Mile Study Group)，试图引入一种新的接入技术标准Ethernet PON(Ethernet Passive Optical Network，即EPON)。2004年IEEE 802.3EFM工作组发布了EPON标准IEEE 802.3 ah, 2005年并入IEEE 802.3 ah-2005标准。EPON利用PON(无源光网络)的拓扑结构实现以太网的接入，它基于高速以太网平台和TDM时分MAC (Media Access Control)媒体访问控制方式，能够提供多种综合业务的宽带接入，但其承载TDM业务和语音业务的效果不理想，较难满足电信级的QoS要求。除了EPON标准，另外一个主要标准则为ITU-T的GPON标准，GPON(Gigabit-CapablePON)最早由FSAN组织于2002年9月提出，ITU-T在此基础上于2003年3月完成了ITU-TG.984.1和G.984.2的制定，2004年2月和6月完成了G.984.3的标准化，从而最终形成了GPON的标准族。GPON技术是最新一代宽带无源光综合接入标准，其无论编码效率、汇聚层效率、承载协议率和业务适配效率都最高，具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。2.2.2 GPON和EPON技术对比GPON和EPON技术各有特点，表2-2为对这两种技术做出重点对比：表2-2 GPON与EPON标准参数比较项目GPONEPON相关标准组织ITU-T G.984标准组IEEE 802.3ah 工作组(EFM工作组)支持的速率等级下行1.25Gb/s或2.5Gb/s；上行155Mb/s、622Mb/s、1.25Gb/s或2.5Gb/s上下行对称1.25Gb/s支持的ODN等级Class A，Class B，Class CClass A, Class B上下行可用带宽（传输IP业务）1100Mb/s（上行1.25Gb/s情况下）760860Mb/s协议和封装格式ATM或CFP封装格式以802.3协议为基础同步方式第125us下行同步标志时钟标签法测距方式数字开窗法时钟标签法业务能力Ethernet，ATM，TDMEthernet，TDM(较困难)成本略高低QoS保证容易难 (1)GPON支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，上行不一定要达到1.25G/S以上的速率，EPON则只支持对称1.25G/S的单一速率。(2)EPON支持ClassA和B的ODN等级，GPON可支持ClassA、B和C，因此GPON可支持高达128的分路比和长达20km的传输距离。目前日本市场大量使用的分路比为1：32。(3)单从协议上比较，GPON标准是以G984.3体系结构为基础，而EPON则是以IEEE 802.3ah协议为基础。(4)ITU 在制定GPON 标准过程中沿用了APON 标准G.983的很多概念，与EFM制定的GEPON标准相比其标准更完善。但由于其增加了TC子层，因此也相应增加了一定的开销。(5)GPON 标准规定TC子层可以采用ATM和GFP两种封装方式，其中GFP封装方式适于承载IP等基于包的高层协议，对于为了支持ATM 业务而定义的ATM封装方式在以Ethernet为基础的GPON系统中可以省略ATM业务或者单独开发。(6)EPON在Ethernet上承载TDM业务的技术并不成熟，较难满足电信级的QoS要求，因此EPON为了能够承载TDM业务和语音业务必须设计新的MAC机制并增加新的软硬件。而GPON由于其设计的TC子层结构和ATM封装方式，能够比较容易地支持TDM业务和语音业务。(7)相对较低的成本令EPON较早开始大规模商用。(8)GPON在效率及QoS上具有明显优势。综上所述，GPON在上下行带宽、距离/分光比均比EPON有优势，并且能良好地承载TDM业务和语音业务；虽然，目前，GPON设备单价比EPON略高，但随着GPON产业链的日益成熟，这种价格差距将很快消失；因此，本人认为GPON是当前综合接入网建设的最佳技术。2.3 GPON基本原理与结构2.3.1 GPON基本原理GPON采用点到多点的拓扑结构，下行采用广播方式、上行采用TDMA方式实现双向数据传输。一套典型的GPON系统由OLT、ONU/ONT、POS/ODN组成，具体组成结构如图2-2。OLTONU光线路终端光网络单元 分光器PSTNInternetCATVONUONU分光器（ODN）图2-2 GPON系统结构图l OLTOLT放在中心机房(CO， CentralOffice)，它可以是一个L2交换机或者L3路由器。在下行方向，它提供面向无源光纤网络的光纤接口;在上行方向，OLT提供了GE接口、l0/100BaseT、10GBaseX、E1、STM1等接口标准，OLT通过支持El接口来实现传统的TDM话音的接入。GPON数据下行时，OLT将数据包广播传输给PON上所有的ONU，每个包携带一个具有传输到目的地ONU标识符的信头；此外，有些包可能要传输给所有的ONU，或者指定的一组ONU，当数据到达ONU时，它接收属于自己的数据包，丢弃其他的数据包（如图2-3所示）。GPON数据上行时，利用TDMA技术，多个ONU的信号在经过不同长度的光纤传输后，进入光分配器的共用光纤，占据分配给它的指定时隙，以避免发生相互碰撞干扰（如图2-4所示）。图2-3 GPON 下行信息流分布 图2-4 GPON 上行信息流分布OLT作为GPON的核心，主要实现以下功能:(1)向ONU以广播方式发送以太网数据。(2)发起并控制测距过程，并记录测距信息。(3)发起并控制ONU功率。(4)为ONU分配带宽。(5)支持GPON的统一网管，OLT是主要的控制中心，实现网络管理功能。l ONU/ONT ONU/ONT(区别为ONT直接用户网络，ONU与用户之间还有其它的网络连接)放在用户驻地侧CPE(CustompremierEquipment)，GPON中的ONU主要采用以太网协议，实现ONU对用户数据的透明传送。OLT到ONU之间可实现高速的数据转发。ONU/ONT的主要功能:（1）选择接受OLT发送的广播数据。（2）响应OLT发出的测距及功率控制命令，并做出相应的调整。（3）提供多业务接口，对用户的以太网数据进行缓存，并在OLT配备的发送窗口中向上行方向发送。（4）在部分ONU中实现了成本低廉的以太网二层交换甚至是三层路由的功能，这种类型的ONU可以通过堆叠来为多个最终用户提供很高的共享宽带。l POS/ODNPOS/ODN是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备。它的功能是分发下行数据和集中上行数据。无源分光器的部署相当灵活。由于是无源操作，几乎可以适应于所有环境。一般一个POS的分线率为8、16、32或64，并可以进行多级连接。2.3.2 GPON帧结构由于采用GFP映射，GPON的传输汇聚层本质上是同步的，并使用标准SDH的125s帧，因而使得GPON可以直接支持TDM业务。一个物理层帧中可以包含多个ONT的GEM的帧，不论是上行帧还是下行帧；帧中分两部分：帧头和净荷。帧中信息有两种，一是数据信息，二是控制信息；其中控制信息又分为OMCI、EOAM，PLOAM，数据信息都是在净荷中，而控制信息有的在净荷中，有的在帧头中。下行帧的净荷部分只有两种：ATM信元、GEM信元。上行帧的净荷部分有三种：ATM信元、GEM信元、DBA帧。l GPON下行帧图2-5 GPON下行帧结构GTC在上行方向提供业务流的媒体接入控制功能，GTC是通过下行GTC数据帧的控制字节来完成对上行方向每个ONU发送的T-CONT进行控制的。如图2-5所示，GPON下行数据帧的帧头PCBd的US BW Map字段就是用于对ONU发送数据进行授权。该字段指示哪个Alloc ID（一个ONU可以对应一个Alloc ID或多个ID）何时开始发送数据何时停止发送数据。这样，在正常情况下，上行方向的任意时刻都只有一个ONU在发送数据。US BW Map字段的指针指示的数值是以字节为单位，GPON系统可以实现以64kb/s为步长的上行带宽分配。对上行帧的授权是每个帧都要进行的，即使没有下行数据也要发空下行帧来对上行帧进行授权。GPON的下行是同步的，每隔125us为一个下行帧。下行帧的长度为固定125us，38880字节（2.48832 Gbit/s）。每个下行帧以广播的形式发往多个ONT。收到下行帧后，每个ONT先处理帧头PCBd，然后取出净荷部门属于自己的PortID的GEM的帧。l GPON上行帧图2-6 GPON上行帧结构如图2-6所示，上行帧没有一个特有的公共帧头帧尾，一个上行帧可以包含多个ONT的数据。上行帧长125s ，帧格式的组织由下行帧中 US BW Map 域确定。US BW Map不但通过时隙的授权决定了上行帧中各ONT子帧的次序，也决定了每个ONT子帧的格式。每个子帧可以由5个域组成：PLOu：（ Physical Layer Overhead upstream ，上行物理层开销）突发同步，包含前导码、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示，其长度由OLT在初始化ONU时设置，ONU在占据上行信道后首先发送PLOu单元，以使OLT能够快速同步并正确接收ONU的数据；PLSu：为功率测量序列，长度120字节，用于调整光功率；PLOAMu：（PLOAM upstream）用于承载上行 PLOAM 信息，包含ONU ID、Message ID、 Message及CRC，长度13字节；DBRu：包含DBA（动态带宽调整）域及CRC域，用于申请上行带宽，共2字节；Payload域填充ATM信元或者GEM帧。不管是ATM信元还是GEM帧，其中都内含有发送者的PortID。每个子帧中这五个域并不是一定都要有。每个上行帧中各个ONT的子帧都要有自己的PLOu和净荷。但PLSu，PLOAMu，DBRu是否要则是可选的，由OLT通过下行帧进行授权的同时指明每个ONT是否需要发送这三个字段。OLT通过US BW Map中的每个ONT对应的Flag进行指明。总体上来说上行帧长125s没有特定帧的意义，应该仅仅表示了OLT对上行发送数据的授权是已125s为单位的，即每次只授权125s的时隙分配。而且这个125s也仅仅是为了和下行帧时间上对齐。更进一步说根本就没有上行帧实体，只是各ONT的上行子帧实体。2.3.3 业务承载能力在GPON系统中，其业务承载主要分为三层：GTC、GEM、Ethernet/TDM。图2-7 GPON系统业务构架l GTC层主要负责GEM帧的传输，完成GEM帧的成帧和适配处理，以及上行业务的QoS和下行数据安全性保证。其主要传送数据的控制单元是T-CONT。l GEM层通过GEM Port来标识ONU/ONT不同的业务流，每个GEM Port即可以承载单业务，也可以支持承载多业务方式。所有的业务转发和QoS处理均基于GEM Port承载的每个业务流来处理，GEM Port可以仅做为标识用户业务流的逻辑承载管道。在GEM Port支持多业务的方式下，可以解决ONU/ONT不能对用户业务进行精细流分类问题，即使ONU/ONT使用一个GEM Port把所有的用户业务流发送给OLT，OLT也能对用户业务流重新进行分类识别，并进行相应的转发和QoS处理。同时，这种多业务方式可以将OLT和ONU/ONT的业务配置完全分离开，两者之间在配置操作上没有约束关系，极大降低系统处理的复杂度。l Ethernet/TDM层以太网层主要是基于VLAN Tag进行业务转发和QoS处理，TDM层主要是处理E1/T1端口和业务的转发。2.4 GPON的关键技术2.4.1 DBA技术在GPON系统中，OLT通过向ONT发送授权信号来控制上行数据流。PON结构需要一个有效的TDMA机制控制上行流量，这样来自多个ONT的数据包在上行过程中不会发生碰撞。然而，使用基于碰撞的机制需要在PON的无源ODN里管理QoS，这在物理上是不可能实现的，或者需要承受效率的严重损失。鉴于这些问题，管理上行GPON流量的机制一直是GPON流量管理标准化过程中的首要关注焦点。这便促使ITU-T G.983.4推荐标准的发展，该标准定义了用于管理上行PON流量的动态带宽分配(DBA)协议。 DBA的概念简单明了，尽管实施起来有点复杂。在GPON结构中，通过向ONT内部每个流量容器(T-CONT)分配数据授权来控制上行流量。为确定分配给一个T-CONT的授权数目，OLT需要知道该T-CONT的流量状态。2.4.2 层次化QoS技术GPON作为新一代的光接入设备，具有高速率、多业务的特点。GPON在组网方式上主要以树型拓扑结构为主（包括星型和链型），网络业务开通后，数据的转发路径基本固定。接入模型如图2-8所示。图2-8 GPON宽带接入网模型在上行方向，由于是低速线路的流量汇聚到高速线路上，在没有流量收敛的场合，将不会出现拥塞，因此可以不考虑QOS处理的问题；对于有流量收敛的场合，可以通过在每个节点进行简单的优先级或WRR调度，来保证业务的QOS，如在ONU节点，可以通优先级调度，保证IAD的流量优先转发，在OLT节点，可以通过WRR调度，来实现ONU之间“公平地”占用带宽资源。在下行方向，由于是高速线路的流量转发到低速线路上，如果不进行QOS处理，将可能出现拥塞，从而导致承载业务的QOS不能够得到保证。如果BRAS/路由器能够根据报文的转发路径和从BRAS/路由器到终端的所有链路的承载能力，对报文在接入网中的转发过程中是否会出现拥塞进行“预知”，并采取相应的QOS处理，例如：流量整形，将可以避免接入网出现拥塞。由于从BRAS/路由器到终端要经过BRAS/路由器、LAN Switch、GPON OLT、ONU和终端等设备，并且链路速率逐步递减，例如上图中链路速率依次为2.5G POS、10GE/GE、GPON LINK，FE，因此这里需要一个分层的QOS处理过程。在GPON系统中，业务承载层主要分为三层：GTC、GEM、ETH/TDM，针对每一个承载层具备相应的QoS处理机制。如图2-9所示。图2-9 业务承载层和QoSl GTCPON系统架构是下行方向为广播方式，上行方向为TDMA方式，所以只对上行方向的业务流提供QoS处理。QoS处理的最小单元是T-CONT，T-CONT可以看作是ONU业务流的承载容器，调度机制是DBA（动态带宽分配）。DBA的算法是GTC的QoS处理性能的关键。l GEM在GEM层主要是针对每个GEM Port进行业务流分类，类似于DSLAM的单PVC多业务的处理方式。针对流分类后的业务分别进行优先级修改、流量监管和转发处理。l ETH/TDMTDM业务（非电路仿真方式）为面向连接，系统可以通过静态配置带宽严格保证面向连接的QoS。ETH业务（包括电路仿真方式的TDM业务）主要是基于二层VLAN、COS等标识进行业务的QoS处理，QoS主要处理机制分为流分类、监管、队列调度、拥塞处理、整形，它们的实现复杂度是影响QoS处理性能的关键。2.4.3 TDMoGEM技术针对GPON的定长帧传输特点，TDM在GPON线路上承载具有天然优势。TDMoGEM的实现是将TDM帧直接封装到GEM帧中进行传输。在GPON线路上给封装有TDM帧的GEM给与最高的优先级，保证TDM的传输质量。在同步方面，系统采用统一的8K时钟进行全网同步。2.4.4 GPON安全技术l 线路加密技术GPON系统中下行数据采用广播的方式发送到所有的ONU上，这样无疑会给非法的用户提供窃听其他ONU的下行数据的机会，甚至可以窃听到所有用户的数据。同时，对于GPON系统而言，它又具有独特的高数据方向性特点，几乎所有的ONU都不能监听到其他ONU的上行数据，这就允许一些私有的信息（如密钥等）能够在上行方向上安全的传送。GPON系统采用AES128加密机制对线路安全进行控制，有效地防止了数据盗用等安全问题。在AES128加密系统中，OLT支持密钥更换和切换功能。密钥更换由OLT发起密钥更换请求，ONU响应并将生成的新的密钥，由于PLAOM消息的长度有限，密钥分两部分发给OLT，并重复发送三次。如果OLT没有收到三次传送中的任意一次，OLT将重新发送密钥更换请求，直到三次收到相同的密钥为止。当OLT收到了新的密钥后，就要开始进行密钥切换。OLT将使用新的密钥的帧号通过相关的命令通知ONU，这个命令一般会发送三次，只要ONU成功收到一次就在相应的数据帧上切换校验密钥。l 终端SN+PSW注册 ONU在上电进入序列码状态后，OLT会发序列码请求消息，ONU会将唯一的序列码发送给OLT进行认证。这个序列码是唯一的，类似设备的MAC地址。如果序列码合法，OLT将分配一个ONU-ID给ONU并要求进行密码认证，如果ONU反馈的密码正确，这个ONU才会进入下一个测距状态。否则就会停在这个状态，超时后返回原始状态，重新开始注册。SN+PSW过程如图2-10所示：图2-10 ONU 注册流程l 用户安全认证技术GPON系统给用户提供了高带宽接入，在多种业务开展时，需要对用户进行控制，同时又要考虑用户接入的安全。如在在组播业务中，要保证业务的可运营、可管理，就要通过一些必要的策略来达到业务可控的目的。组播的控制策略有很多种，其中对组播用户的