基于GPON的FTTH系统中上行信道复用技术.act.doc

摘要基于GPON的FTTH系统中上行信道复用技术研究摘要吉比特无源光网络（GPON）是一种发展前景良好的接入网技术，具有带宽高，安全性、稳定性好，维护简单等优点。被认为是实现光纤到户（FTTH）最有前途的宽带接入方式。而上行接入技术是GPON中的关键技术。本文根据ITU-T G.984协议，提出了GPON系统上行复用技术的简化思想定时隙信道复用。首先，基于业界标准和实验情况,给出了GPON系统的TDM-WDM上行接入方案工作参数和业务参数。其次，重点讨论了传输帧的结构，对帧的类型和位宽作了详细研究。再次，简化了GPON系统的工作流程，同时介绍了测距和同步的相关方法。最后，在理论的基础上，采用Verilog HDL硬件描述语言，并通过ModelSim实现了光线路终端（OLT）和光网络终端（ONU）功能的简单仿真，为进一步实现基于FPGA的千兆无源光网络MAC子层协议设计奠定了基础。关键词：吉比特无源光网络；上行复用；传输帧；光线路终端；光网络终端；硬件描述语言72AbstractAbstractThe Gigabit Passive Optical Network (GPON) is a kind of promising technology for optical fiber access. It is considered as the best broadband access method for its high bandwidth, strong security, good stability and easiness to maintain, etc. And upstream access is a key technology for GPON.According to the protocol of ITU-T G.984，this paper introduces a simplified idea of the upstream multiplexing technology of GPON: fixed timeslot and channel multiplexing. First, a TDM-WDM upstream access program as well as working and service parameters is presented based on industry standards and experimental situation. Second, the structure of transmission frame is mainly discussed through careful study in its type and bit width. Third, the workflow of GPON is simplified and methods of ranging and synchronization are introduced. And finally, on the basis of previous theories, functions of Optical Line Termination (OLT) and Optical Network Unit (ONU) are simulated by using ModelSim and Verilog Hardware Design Language (HDL), which contributes to the realizing of MAC sublayer protocol of GPON by Field Programmable Gate Array (FPGA).Keywords: gigabit passive optical networks; upstream multiplexing; transmission frame; optical line termination; optical network unit; hardware design language 目录目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1吉比特无源光网络（GPON）简介11.1.1 GPON相关概念11.1.2 GPON优势凸显11.1.3 GPON前景广阔21.1.4 GPON协议简介21.2吉比特无源光网络上行复用技术简介51.2.1 波分复用（WDM）技术51.2.2 时分复用（TDM）技术51.3 光纤到户（FTTH）简介61.4本文研究目的及TDM-WDM研究方案7第二章 定时隙信道复用GPON系统82.1 GPON系统架构与基本考虑82.1.1 GPON系统架构82.1.2 GPON系统工作流程82.1.3 GPON测距方法82.1.4 GPON上行同步技术102.2 GPON系统参数122.2.1工作参数122.2.2 业务参数122.3 GPON帧结构132.3.1 GPON帧结构简介132.3.2 帧结构的重新定义152.3.3 位宽估算162.4 GPON物理层构建16第三章 GPON系统模块化分析183.1发送模块分析183.1.1 成帧183.1.2 编码203.2 接收模块分析21第四章 GPON系统FPGA仿真分析224.1 ModelSim仿真软件224.1.1 ModelSim软件介绍224.1.2 Modelsim仿真的基本步骤224.2 OLT收发功能仿真254.2.1 OLT发送模块的具体实现254.2.2 OLT接收模块的具体实现254.2.3 OLT收发功能仿真结果264.3 ONU收发功能仿真264.3.1 ONU发送模块的具体实现264.3.2 ONU接收模块的具体实现274.3.3 ONU收发功能仿真结果274.4 基于本地OAM的收发功能仿真28结论29谢辞30参考文献（References）31附录32绪论第一章 绪论1.1吉比特无源光网络（GPON）简介1.1.1 GPON相关概念所谓接入网，是指由一些实体（例如电缆，传输设备等）组成的实施系统，在这些实体为业务网络接口（SNI）与相关用户网络接口（UNI）之间业务的实现提供所要求的传送承载能力。接入网可以通过Q3接口进行配置和管理。原则上对接入网UNI和SNI的类型和数量没有限制。接入网不解释（用户）信令。 而GPON则为FSAN(全业务接入网)组织自20世纪90年代后期发展的最新宽带PON标准，在2004年被国际电信联盟(ITU)正式确认为ITU-T G.984标准。GPON系统由位于核心节点或汇聚节点机房的局端光线路终端（OLT）设备和位于用户驻地端的光网络终端（ONT）设备共同组成，一个局端OLT设备控制多个ONT设备。连接两种设备的光纤网络由单模光纤和无源光分路器组成。GPON的主要技术特点是采用最新的“通用成帧协议”(GFP)，实现对各种业务数据流的通用成帧规程封装。GPON的帧结构是在各种用户信号原有格式的基础上进行封装，因此能够高效、通用而又能简单地支持所有各种业务。1.1.2 GPON优势凸显l 带宽能力GPON的线路速率是2.488Gb/s下行，1.244Gb/s上行，而EPON是1.25Gb/s上下行对称速率。GPON不但提供了两倍的下行速率，而且带宽可用效率明显高于EPON。这是因为EPON采用8B/10B的线路编码方式，引入20%的带宽损失，GPON则采用而不归零(NRZ)编码，没有这部分损耗。另外，帧间隙较大，零碎时隙浪费等，也是导致EPON的总效率较低的因素。从而GPON能为宽带运营商实现网络带宽的高效提速追求，更适合部署高带宽需求的宽带业务。l 安全性由于PON在下行方向的数据是广播到所有ONT，每个用户都可以接收到同样的数据包。恶意用户就可以通过改写ONT代码来偷看所有下行数据包，产生安全隐患。在上行方向，数据是由各个ONT分别传送在特定的时间片，故没有被其他ONT偷看的可能。由于GPON技术支持高级的封装标准(AES标准)，即世界上最严密的加密算法，可防止下行方向数据被窃听的问题，网络的安全性更强。l 可管理性GPON的可靠性同样优于EPON。这是因为GPON提供标准的ONT管理控制接口(OMCI)，OMCI信道协议用来管理高层定义的业务，包括ONU的功能集、T-CONT业务种类与数量、QoS参数协商等参数，是实现GPON网络集中业务管理的信令传输通道，处理层次高，并保证了开放性、可扩展的特性。l 成本走低从经济效益角度来看，无论采用何种PON，每用户的主要成本主要取决于ONT和OLT。GPON在作为新技术刚出现时，该标准的ONT和OLT的成本会相对高一些。但是，目前GPON的核心芯片和光器件复杂度和技术指标已经与EPON相近，在相同的设备配置(如业务接口类型等)情况下，设备成本将主要取决于采购数量。根据业内人士预测，从2006年下半年起，随着ONT和OLT器件成本的进一步优化和网络部署的规模化，GPON与的EPON成本将更加接近，而且GPON的成本最终将会比EPON更经济。同样，线路的物理速率、带宽效率和光分离比率也是在提高带宽时影响用户成本的关键因素。1.1.3 GPON前景广阔 从世界各国推广FTTH的经验来看，政府的政策导向对FTTH具有重大影响，这已在FTTH发展最快的日本、韩国和美国得到证实。日本的e-Japan和u-Japan计划，韩国的e-Valley工程，美国FCC的“松绑”等，对它们国家FTTH的推动力都是巨大的。 日本继2004年12月推出“u-Japan政策”、2006年1月制定“IT新改革战略”后，于2006年6月又特别针对宽带网络的建设，提出“新一代宽带战略2010”规划。另外，日本的开放竞争政策也促使更多的运营商加入到光纤接入市场中来。同样，在美国，光纤接入网的发展普及也是与政府的积极扶持分不开的，美国政府出台的免除“非绑定”义务的政策促进了光纤接入网的发展。2004年，美国政府表示将大力推进宽带的进展，呼吁制定更好的国家宽带策略，并将宽带普遍接入列为2007年的目标。韩国政府制定了2005年在所有中心城市建立光纤通信网的计划。该国信息通信部计划到2007年为1000万个家庭提供家庭网络设施和服务。欧盟有15个成员国为了实行国家宽带发展计划，以市场导向为目标，提高使用率并刺激市场需求。2005年出台的“电子欧洲”行动计划意在推动宽带普及。 从区域发展的角度来看，受经济迅猛发展的影响以及日本FTTH的带动，亚太地区将是全球发展最快的地区，同时也将成为全球最大的FTTH市场。据有关部门预计，2013年亚太地区与光纤接入技术有关的资本支出为120亿美元，占全球总投资的52.8%。预计到2011年底，亚洲的FTTH用户数将增长到5900万户，占全球用户数的近70%。目前，我国在FTTH的发展方面还处于启动阶段。不论是主流电信运营商，还是新兴接入提供商，对FTTH还没有进入真正的实施阶段。但事物是有两面性的，正因为现在的相对落后，反而预留出今后更为广阔的发展空间。未来45年，以GPON技术为代表的中国FTTH的发展将迎来崭新的市场机遇。1.1.4 GPON协议简介众所周知，ITU-T一直在努力从事PON标准化方面的工作，曾提出了完整的关于A-PON的G.983系列协议。G.984系列协议是ITU-T最新提出的PON协议，它规范了G-PON的一系列规范，这些规范对设计新型PON系统，建立能够实际应用的模型有着很大的指导意义。下面依次介绍G.984系列协议中的4个协议。1) G.984.1协议G.984.1协议规定了千兆无源光网络的总体特性。该协议说明了GPON系统的总体要求,包括OAN的体系结构、业务类型、SNI和UNI、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能目标。这篇标准尽可能多的包括了G.982和G.983.x系列的特性，兼顾了现存的遵守这些标准的光配线网，从而提高G-PON系统的向后兼容性。在G-PON中，逻辑延伸范围被定义为60km，物理延伸范围有10km、20km两个选择，它要求支持的最大分路比为16、32或64，不同的分路对设备不同。GPON的分路率越大，对经营者的吸引力也越大，但光分路的提高将会使支持物理延伸范围的功率预算也提高。对现有的科技，1：64的分路率是现实可行的，但考虑了光模数的提升，TC层要将其提高到1：128。2) G.984.2协议 G.984.2协议说明了千兆无源光网络的物理媒质相关层规范，给出了G-PON系统的物理层要求。在G-PON系统中，规定传输线路的速率为8kHz的倍数，目标标准系统的比特率为（下行/上行）：1244.16 M比特/s / 155.52 M比特/s,1244.16 M比特/s / 622.08 M比特/s,1244.16 M比特/s / 1244.16 M比特/s,2488.32 M比特/s / 155.52 M比特/s,2488.32 M比特/s / 622.08 M比特/s,2488.32 M比特/s / 1244.16 M比特/s,2488.32 M比特/s / 2488.32 M比特/s.为了防备超出标准条件以及老化，以上所有参数值都是根据最坏的情况规定的。此外，还确定了比特错误率：在光程衰减和散射条件下，不能高于。G.984.2规定，在G-PON系统中，上下行都采用反向不归零制（NRZ）编码，单光纤下行方向上的操作波长在1480-1580nm范围内，在双光纤下行方向的操作波长在1260-1360nm范围内。上行方向上的操作波长为1260-1360nm。协议还规定了在各种速率下OLT和ONU光接口的物理特性，提出了1.244Gb/s及其以下各速率的光接口参数。但对于2.488G比特/s速率等级，并没有定义光接口参数，原因在于此速率等级的物理层速率较高，对光器件的特性提出了更高的要求，有待进一步研究，从实用性角度来看，在PON中实现2.488G比特/s速率等级会比较困难。3) G.984.3协议G.984.3协议说明了千兆无源光网络的传输汇聚层规范。为克服ATM承载IP业务开销大的缺点，该协议规定了GPON采用的新的传输方式GEM。此方式能完成对高层多样性高透明的适配，包括ATM业务、TDM业务及IP/Ethernet业务，并且支持了多路复用，动态带宽分配等OAM机制。协议规定G-PON采用125us长度的帧结构，以更好的适配TDM业务。继续沿用APON中PLOAM信元的概念传送OAM信息，并加以补充。帧的净负荷中分ATM信元段和GEM通用帧段，实现综合业务的接入。此外，该协议还对动态带宽分配、ONU激活、测距、纠错及管理信息的传送做出了规定。4) G.984.4协议G.984.4协议说明了千兆无源光网络的ONT管理与控制接口规范。它规定了不受协议约束的管理实体，模拟了OLT和ONT间的信息交换。该协议介绍了ONT/ONU的功能、GEM帧的封装，规定了OLT使用OMCI信息来管理ONT，从而允许OLT在ONT间建立或释放连接。通过OMCI消息，OLT能够管理OLT控制器和ONT控制器之间的ATM或GEM连接。OMCI协议是不对称的：OLT控制器为主，ONT控制器为从。单一的OLT能控制多个ONT。协议给出的ONT管理控制接口能够管理ONT结构、故障、性能和安全。独立于协议的管理信息库（MIB）用来交换OMCI的信息，并形成由特定协议定义的数据库。OMCI消息的生成比较简单，与连接网络管理者和OLT的MIB相连。根据以上所述，表1-1列出了几种时分复用PON技术：B-PON，E-PON和G-PON的主要特征并经行比较。B-PONG-PONE-PON下行线路速率（M比特/s）155/622/12441244/24881 250上行线路速率（M比特/s）155/622155/622/1244/24881 250线路编码NRZNRZ8B/10B分路比3264-12832-64最大传输距离（km）206020TDM支持能力TDM over ATMTDM over ATM或TDM over PacketTDM over Ethernet上行可用带宽（M比特/s）（传输IP业务）500（在上行622 M比特/s速率情况下）1 100（在上行1.244 G比特/s速率情况下）760-860OAM有有有下行数据加密搅动或AES加密AES加密没有定义表1-1 B-PON、G-PON和E-PON的技术参数1.2吉比特无源光网络上行复用技术简介1.2.1 波分复用（WDM）技术OLTAWGONU_1ONU_2ONU_3123WDM-GPON(P2MP)图1-1 WDM-GPON结构图如图1-1所示，WDM-GPON采用波分复用技术，下行数据传输可以认为是点对点的传输，每一个ONU采用一个单独的波长来进行传输。WDM-GPON中的ODN器件采用AWG等波长路由器件。WDM-GPON解决了共享带宽的问题，使每一个ONU能够以完整的速率进行传输，从而发挥出GPON系统高带宽的优势。目前，研究机构对于WDM-GPON的研究才刚刚起步，各方面的标准尚未制定出来。然而，由于采用波分复用技术，WDM-GPON可以大大提高GPON系统的效率，是GPON系统未来发展的方向。对于WDM-GPON来说，一般单个波长信道可以达到10Gb/s或40Gb/s，同时可以支持8到16个波长信道。这样的高带宽是其他任何接入方式都无法提供的。 WDM-GPON的关键是需要在光配线网中采用波长路由器件，例如阵列波导光栅（AWG）或波长光栅路由器（WGR）。此外WDM技术的实现还依赖于多波长光源的研究。目前，由于WDM器件价格依然较高，所以相关设备的制造还未展开，WDM-GPON还难以被商业应用。不过随着器件工艺的进步和新的技术的开发，未来光接入网必然会逐步向WDM-GPON的方向发展。1.2.2 时分复用（TDM）技术OLTSplitterONU_1ONU_2ONU_3slot time 1TDM-GPON(Broadcast)slot time 2slot time 3图1-2 TDM-GPON结构图如图1-2所示，TDM-GPON采用时分复用技术，从OLT到ONU的下行数据传输是广播式的，ONU通过时间片（slot time）轮转的方式来接收信号。TDM-GPON中的ODN器件只需要用光功分器（splitter）即可。TDM-GPON的缺点是采用的时分复用技术使所有ONU共享整体下行带宽，这大大降低了每一个ONU所分到的下行带宽。例如一个下行速率为1244Mb/s的GPON，包括3个ONU，则每个ONU所分到的带宽仅为414.7Mb /s左右。1.3 光纤到户（FTTH）简介将光纤直接接至用户家（Fiber To The Home, FTTH），其带宽、波长和传输技术种类都没有限制，适于引入各种新业务，是最理想的业务透明网络，是接入网发展的最终方式。虽然现在移动通信发展速度惊人，但因其带宽有限，终端体积不可能太大，显示屏幕受限等因素，人们依然追求性能相对占优的固定终端，也就是希望实现光纤到户。光纤到户的魅力在于它具有极大的带宽，它是解决从互联网主干网到用户桌面的“最后一公里”瓶颈现象的最佳方案。 随着技术的更新换代，光纤到户的成本大大降低，不久可降到与DSL 和HFC 网相当，这使FTTH 的实用化成为可能。在我国，光纤到户也是势在必行，光纤到户的实验网也已经在武汉、成都等城市开展，预计在2012年前后，在我国从沿海到内地，从东到西将兴起光纤到户建设的高潮。可以说光纤到户是光纤通信的一个亮点，伴随着相应技术的成熟与实用化，成本进一步降低到家庭能承受的水平，FTTH 的大趋势是不可阻挡的。FTTH具体而言就是指将光网络单元（ONU）安装在住家用户或企业用户处，光纤连接ONU主要有两种方式，一种是点对点形式拓扑（Point to Point; P2P），从中心局到每个用户都用一根光纤；另外一种是使用点对多点形式拓扑方式（Point to Multi-Point; P2MP）的无源光网络（Passive Optical Network; PON）。l 点到点的FTTH解决方案对于具有N个终端用户的距离为M km的无保护FTTH系统，如果采用点到点的方案，需要2N个光收发器和NM km的光纤。 l 点到多点的FTTH解决方案 若采用点到多点的方案，则需N+1个光收发器、一个或多个（视N的大小）光分路器（OBD）、和大约M km的光纤，在这一点上，点到多点有着明显的成本优势；采用点到多点的方案，大大地降低了光收发器的数量和光纤用量，并降低了中心局所需的机架空间。 虽然点对点直接光纤连接具有容易管理、没有复杂的上行同步技术和终端自动识别等优点。另外上行的全部带宽可被一个终端所用，这非常有利于带宽的扩展。但是这些优点并不能抵消它在器件和光纤成本方面的劣势，而且中心局也不会有足够大的空间来容纳数量庞大的光收发器。因此，对于用户数量较少或用户分布过远时，可考虑采用点到点的FTTH解决方案，而在大量密集的光纤入户时，采用点到多点的光纤接入手段。被认为是实现FTTH的主要技术，具有非常大的发展潜力。1.4本文研究目的及TDM-WDM研究方案随着全球宽带业务需求的迅速增长，宽带接入技术日益受到重视。目前，吉比特无源光网络(GPON) 由于具有带宽传输速率高，扩展性网络安全性好，维护简单等优点，已在国内外业界备受瞩目。此外，作为理想的接入网技术，GPON是构成FTTx系统的重要支撑，也是我国未来实现FTTx美好蓝图的关键。因此，对GPON的研究是很有必要的。GPON的实现重点在于上行信道复用技术。目前大多数方案结合了WDM和TDM的优点，使用WDMTDM的复用方法（如图1-3所示），其中TDMA实现方法是研究焦点。现有的GPON标准已给出并规定TDMA方法，但是从实用化角度出发，这些方法较复杂且缺乏具体实施方案。 因而本文提出一个简化的GPON 传输设计思想，并通过ModelSim软件，采用Verilog HDL硬件描述语言实现光线路终端（OLT），光网络单元（ONU）以及它们基于本地OAM的收发功能仿真。 下图采用两级结构，融合了TDM-GPON与WDM-GPON方案。图1-3 TDM-WDM GPON方案设计图系统的前一级采用类似WDM-PON的结构，后一级采用类似GPON的结构。OLT中，为降低成本，采用16波长的CWDM光源，从1280nm到1600nm每隔20nm取一个波长作为发送信道。ODN中，解复用器（DEMUX）采用波长路由器件AWG，实现1：16的波长路由，光功分器采用功分比为1：32的器件。ONU中没有独立光源。在这个网络结构中，预计每个波长信道的发送速率可达10Gb/s，每个ONU的上行发送速率根据ONU数量的不同而不同。如图所示，在TDM-WDM GPON系统中，可以支持IPTV、电话以及传统的互联网业务。网络中对于不同业务和不同ONU的管理是由OLT集中完成的。根据AWG和光功分器的分路比，可以得到一个OLT管理的ONU数为个。如果在AWG和每级功分器前增加放大器，可以引入多级功分器的结构，这种情况下，每添加一级功分器，OLT可以管理的ONU数将呈指数增长。定时隙信道复用GPON系统第二章 定时隙信道复用GPON系统定时隙信道复用GPON系统是本文提出的一种简化无源光网络系统。它基于ITUT-T G.984协议，下行采用广播发送的数据流传送方式，上行则采用TDM-WDM复用技术，不同位置ONU的信元(Cell)采用间隙的方式汇集在同一根光纤上。2.1 GPON系统架构与基本考虑2.1.1 GPON系统架构OLT光收发机功分器ONU_1ONU_2ONU_N 各类业务流物理层上，该系统利用光功分器(splitter)连接OLT和多个ONU，实现点到多点的树形拓扑结构，如图2-1所示。这里我们重点研究上行复用技术，因此假设各类业务流仅通过单一波长传输。图2-1 GPON系统架构2.1.2 GPON系统工作流程GPON系统的运作并非盲目的，而是有条不紊和复杂的。工作开始时，OLT作为中心节点，须初步了解整个系统，如ONU的个数和距离等；工作期间，为了防止突发事件如时序出错等，各终端又必须得到很好的实时监控。因此，为了简化系统工作，本文设定如下流程：OLT/ONU初始化测距同步时钟传输业务图2-2 简化的GPON系统工作流程OLT/ONU初始化包括计数/计时器清零，存储器自检，ONU激活和注册等；测距是使各个ONU在发送上行信元前，产生适当的时间延迟，从而控制每个ONU的发送时间，以确保各ONU发送的信元在组成上行传输帧时不会发生碰撞（测距由测距帧实现）；同步时钟是为了使OLT和所有ONU都能在统一时钟下工作，避免传输冲突，在上行TDMA里，时钟同步显得尤其重要（时钟同步由同步帧根据测距结果实现）；传输业务则是系统的主要工作。2.1.3 GPON测距方法1) 各种测距方法简介l 扩频法粗测时OLT向ONU发出一条指令，随后ONU发送一个特定低幅值的伪随机码给OLT，利用相关技术检测出从发出指令至接收到伪随机码的时间差。动态精测需要开一个小窗口，通过检测相位变化实时调整时延差。这种方法的技术较为复杂。l 带外法粗测时OLT向ONU发出一条测距指令，ONU接收到指令后将低频小幅的正弦波加到激光器的偏置电流中，正弦波的初始相位固定。OLT通过检测正弦波的相位值计算出环路延时。精测时需要开一个帧大小的窗口。带外法测距技术也较复杂。l 带内法当OLT需要测距时，OLT形成一个测距窗口供被测ONU使用。OLT发送一个测距信号，ONU在接收到这个信号后，在测距窗口发送应答信号。OLT接收到应答信号后计算出均衡时延值。采用实时监测上行信号，不需要另外开窗。这种测距方法实现简单，但测距需占用上行带宽。但是，这种测距方法又存在着明显的一些不足。首先，它需要为测距的ONU 设立一个专门的计数器，在某个ONU进行测距时，计数器处于计数状态，这时其他的ONU就不能再进行测距，除非在OLT设多个测距计数器。其次，ONU在收到OLT的测距指令时需要立即应答来响应测距。这样，ONU实现起来较复杂，增加了成本。2) GPON测距的具体实现因为接入网最敏感的是成本问题，所以综合考虑，GPON的测距应以带内法为基础。本文提出两种具体实现方案。l 突发模式响应法当OLT需要测距时，向ONU发送一个测距信号Gate帧，并启动一个32bit的计数器。当ONU接收到Gate帧时，立刻对其进行响应发送Repor帧。当OLT接收到Repor帧后，计数器中的值为RT*2，于是可以得到环回延迟。 这种方法需要在ONU中建立一个突发模式接收模块，可能成本较高。l 时戳法时戳法测距是在OLT和ONU之间利用时戳同步。时戳是分别位于OLT和ONU中的本地时钟计数器。具体实现方法是根据时戳在MAC控制帧中的传递，通过计算接收的时戳和本地时戳的差值来实现测距。测距的结果是就是要得到环回的传输时延RT（包括线路时延、信号处理及调制时延等）。测距过程：在OLT中建立一个32bit的全局计数器。 OLT在绝对时间Ta发送一测距下行帧，当传输该帧时它把计数器的值Ta写入到时戳域Time_n里。 ONU也有一个32bit的计数器，当ONU在Tb时刻收到该帧时，计数器的值就会根据时戳域中的值改变，将本地的记时器重置为Tb。 当ONU传输测距上行帧时，它把本地计数器的值Tc写入到时戳域。(Tc是从Ta开始记时的)。 最后在Td时刻OLT收到该帧，而此时的时戳值是Tc。这样，RT= (Td-Ta )-(Tc-Tb) = (Td-Ta)-(Tc-Ta) =Td-Tc时戳法测距的优点如下： OLT一个时钟计数器能支持多个ONU测距，因为RT的得到只是在收到ONU时戳的时候测得两个时戳之差，不同ONU的时戳先后到达OLT，OLT实时测得ONU的RTT。 ONU P71 OLT发送带有时戳消息帧的时间点灵活，ONU可以在其上行授权时间段内任何位置发送MAC控制帧，OLT根据控制帧的时戳值能准确得到各ONU的RT值。 ONU只要在向OLT的发送MAC控制帧内插入时戳值，其他部分不需要参与测距控制与处理，测距测量和计算都由OLT完成，满足远端ONU设计尽量简单的原则。2.1.4 GPON上行同步技术同步是数通信的前提。同步有比特（位）同步帧同步和网同步等。在整个网络中，比特同步是其他同步的基础，所以比特同步在数字通信的信息传送和提取中占有十分重要的地位。在PON系统中，因为下行方向信息流是连续的，所以下行比特同步可以使用传统的锁相环实现。但是上行比特同步由于其突发性变得相对困难。对于GPON系统，上行方向发射采用TDMA技术，发射是突发模式。因而必须采用测距程序控制每个ONU的发送时间，以确保各ONU发送的信元在组成上行传输帧时不会发生碰撞。由于上行接入是突发模式，以及测距精度的限制（通常为12比特），间隙不是恒定的，所以不是比特的整数倍，这与通常的同步技术显然不同。在通常的同步技术中，因为信号幅度的变化相当慢，普通的锁相环（PLL）电路完全可以跟随上，所以广泛使用从数据信号中恢复时钟的PLL。然而现有的PLL，相位锁定需要较长的时间，同场需 ms量级，所以获得同步太慢。另外，环路锁定时也存在较大的相位误差。在GPON系统中，因为每个ONU信元的相位是不知道的，OLT又必须利用每个突发信元前导码中的几个比特完成相位锁定，所以更增加了同步的难度。不过，1Gb/s和10Gb/s高速传输系统用信元开始的前导码，完成相位锁定的突发同步技术已有报道。本文介绍几种可能的实现GPON上行同步的主要技术（具体请参阅5）。l 相关同步法在GPON系统中，OLT精确地知道上行信号的速率，它利用预置的关键字对接收到的输入信号中的关键字进行相关运算。从运算结果判定接收信号相位的同步方法称为相关同步。从相关函数的定义知道， 任意两个信号x(t)和r(t)的相关函数为 式中t是时间，是两信号之间的延迟，T是相关时间。当x(t)是r(t)的相移加随机噪声时，即 式中n(t)是随机噪声。于是式(1)可以进一步表示为 显然，当时式（3）有最大值。在GPON系统中，OLT可以使用具有不同相位延迟的时钟信号与已知的同步码进行相关运算，当某种延迟信号与同步码具有相同的相位关系时，相关值取得最大。同步码位于上行帧信元开销中的前导码，前导码完成接收电平幅度恢复和突发同步两项功能。幅度恢复要求前导码中有更多的连“1”，而突发同步则要求前导码中有更丰富的频率分量，即“0 1”。在突发同步中也称同步码为关键字。相关同步电路的性能主要通过同步建立时间和同步保持时间等参数来评估。同步建立时间不能超过同步码（关键字）的传送时间。同步保持时间是从同步建立以后到整个信元传送为止。相关同步法的前提是预先知道接收信号的发送速率。在突发模式系统中，要求时钟频率的精确度和突发信元的长度有密切的关系。信元也长，要求精度越高。l 门控振荡法 门控振荡法里有AB和C三个振荡器。A和B用于同步时钟的输出，外部参考时钟通过鉴相器控制C的振荡频率，再由C完成对AB振荡频率的控制。AB输出的方波由输入信号的上升沿触发控制，只有低电平时才振荡，输入信号迫使振荡器输出的时钟信号频率和输入频率一致。AB同一时间只有一个在工作，AB的输出通过NOR门加在一起，恢复出输入数据的时钟。振荡器随信号变化而开启或关断，从而和输入信号达到同步，如果振荡器输出频率和输入信号频率达到一致，即使信号有长的连“0”和连“1”也可以保持同步。为了使AB振荡器达到一致，采用自动调谐的方法，引入一个主振C，产生连续时钟信号，并用锁相环使它与外部固定参考频率或它的若干分频同步。振荡器C输出的频率控制信号由振荡器AB共享，从而在PLL被相位锁定时，使AB自己的时钟频率，时刻和外部参考时钟的频率保持一致。但是，由于三个时钟间存在微小的不匹配，AB振荡器频率之间将稍微存在一点偏差。这种无记忆系统有一个非常重要的特性，那就是在门控振荡器关闭时，任何由于振荡频率和数据速率不一致而在输出信号上累积的相位差都会被屏蔽掉。事实上，振荡频率和数据速率出现不匹配时，即使输入数据出现有限个连“0”和连“1”，也会无误码传输。门控振荡法可在1比特内锁定相位。l 数字环路振荡法数字环路振荡器(DR-OSC)利用每个输入数据包中含有时钟信息的前导码恢复时钟，然后用提取出的时钟恢复数据净荷。以下为用于10Gb/s光突发数据包时钟提取电路的工作原理。DR-OSC由两个AND/NAND门电路和电子延迟线组成，正反馈环路的谐振频率是 =1，2，3 (4)式中代表信号在正反馈环内传输一周所需的时间。另一方面，信号极性在负反馈环中每传输一周就改变一次，因此负反馈环路的谐振频率是 =1，2，3 (5)式中是AND/NAND门电路正负连接之间的时间差。数字环路振荡器工作在正负环路谐振频率匹配下，即。因此选择和，就可以使振荡频率预置到指定的频率。该电路的同步时间是信号在环路中传输时间的2倍： (6)例如，当=2ns=50ps时，谐振频率是10GHz，在i=20j=39时同步时间是3.9ns。2.2 GPON系统参数2.2.1工作参数结合业界的标准和实验的具体情况，系统工作参数设定如下:GPON系统工作参数上行下行传输比特率1.25Gb/s2.5Gb/s操作波长1260-1360nm1480-1500nm（单纤）1260-1360nm（双纤）最大传输距离20km最大功分比1:32表2-1 GPON系统参数这里，GPON上下行方向传输分别采用1.25Gb/s 和2.5Gb/s的速率。下行使用广播方式，与用户数的关系不大。上行使用TDMA方式，则对N个用户来说，每个用户只能分配到1/N的带宽，因此需要根据整个网络的传输能力和每个用户的需求来实际确定一个系统能容纳的用户个数。2.2.2 业务参数1) 业务种类目前GPON支持的业务主要包括视频、语音、数据和有线电视（CATV）4种，其中CATV为广播业务，在国内仍有很大的需求。据目前的一些报道，高清晰视频一般采用MPEG等编码格式，占用带宽为800Kb/s至1000Kb/s。此外，每路电话语音业务需要64Kb/s的带宽，互联网数据业务按目前广泛采用的ADSL的标准，需要8Mb/s的带宽。至于CATV， 由数字有线电视广播系统标准DVB-C(ETS 300 429)，采用64QAM时，一个PAL通道的传送码率为41.34Mb/s，可供多套节目复用。2) 最大用户数量设想未来每一用户需要2路数据信道、2路语音信道和2路视频信道，则除了CATV所需带宽，每一用户共需1*20.064*24*210.128Mb/s的带宽，那么在不考虑网络管理所占带宽的情况下，1.25Gb/s的总带宽最多可为123个用户提供服务。下表为各类业务的带宽设定。业务种类需求带宽数据（Data）8Mb/s语音(Voice)64Kb/s视频(Vedio)1Mb/s有线电视（CATV）41.34Mb/s表2-2 四类业务的带宽需求本文规定用户数量N为32，采用功分比为1:32的光功分器。2.3 GPON帧结构2.3.1 GPON帧结构简介帧是一种可以用于表示所有通信方式格式的术语。帧结构的定义相当于通信方式的一种约定。而G.984.3协议就说明了这种约定。1) 下行帧，即由OLT到ONU下行传输的帧。图2-3 下行帧结构GPON下行的帧结构如图2-3所示，帧长125s，包含PCBd（PCB downstream）及负荷区，负荷区透明承载ATM信元及GEM帧。ONU根据PCBd获取同步等信息，并依据ATM信元头的VPI/VCI过滤ATM信元，依据GEM帧头的Port ID过滤GEM帧。 PCBd模块组成主要有：l Psync（Physical synchronization，物理层同步）：用作ONU与OLT同步，值为0xF628；l Ident：用作指示超帧，值为0时指示一个超帧的开始；l PLOAMd（PLOAM down-stream）：用于承载下行PLOAM信息；l BIP：比特间插奇偶校验8bit码，用作误码监测； l Plend（Payload Length downstream）：用于说明US BW Map域的长度及载荷中ATM信元的数目，为了防止出错，Plend出现两次，它包含三个域分别是BLEN（说明US BW Map域的长度）、ALEN（说明ATM信元的数目）、CRC（提供校验）； l US BW Map域： Allocation ID：指明授权发送的ID标识，一个Allocation ID对应于一个传输聚合实体T-CONT（Transmission Container），一个ONU可分配多个Allocation ID；Flags：指明上行帧的开销，比特0置位指示特定的T-CONT发送PCBu （PCB upstream），比特1置位指示对应的ONU传输时应采取FEC（Forward Error Correction）措施，比特2置位指示对应的ONU发送PLOAMu信息， 比特3置位指示对应得ONU发送PLSu（Power Levelling Sequence，功率测量序列）； SSTART：指明发送起始的时隙位置；SSTOP：指明发送中止的时隙位置； RESERVED：保留将来使用； CRC：提供整个US BW Map域的校验。 图2-4 上行帧结构2) 上行帧，即由ONU到OLT上行传输的帧。GPON上行的帧结构如图2-4所示，具体内容如下： l PLOu（Physical Layer Overhead upstream，上行物理层开销）：用于突发传输同步，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受ONU的数据； l PLSu：功率测量序列，长度为120字节，用于调整光功率； l PLOAMu（PLOAM upstream）：用于承载上行PLOAM信息，包含ONU ID、Message及CRC，长度为13字节； l PCBu：包含DBA域及CRC域，用于申请上行带宽，共2字节； l Payload域：填充ATM信元或者GFP帧。2.3.2 帧结构的重新定义G.984协议定义的帧结构很复杂。为了简化系统和结合实际，本文对帧结构作了重新定义。按照协议的规定，本文上/下行传输采用125s的固定帧长，那么下行每一帧的比特数为2.5Gb/s*125us=312500 bits，相当于39062 Bytes；而上行每一帧的比特数为 156250 bits，相当于19531 Bytes。根据G.984.3协议，本文定义了四类帧：上行帧下行帧测距帧和同步帧，分别用于上行数据，下行数据和测距信息的传输，以及各ONU时钟的同步。帧的种类通过Frame_ID来识别。详见图2-5至2-8。Framing headCATVCell_1Cell_NONU_ID1 ByteData_NVoice_NVedio_NParity_N1 ByteUS BW MapN*8 BytesPSync4 BytesFrame_ID1BytePLOAMd13 BytesFraming headCell_1Cell_NCell_2TgapPSync4 BytesFrame_ID1BytePLOAMu_N13 BytesData_NVoice_NVedio_NParity_N1 Byte图2-5 下行帧结构图2-6 上行帧结构Frame_ID1 ByteONU_ID1 ByteTime_n4 BytesParity_n1 Byte-PSync4 Bytes图2-7 测距帧结构Frame_ID1Byte-PSync4 BytesUS BW MapN*8 Bytes图2-8 同步帧结构在定义的帧结构里需注意以下几点：l Parity：奇偶校验；l -：冗余部分，是为固定帧长预