GPON原理介绍胶片ISSUE1.1-20110902-C（行业经验）

1、BO000000 GPON原理介绍ISSUE 1.1考虑到未来许多的宽带应用，越来越多的国家认识到必须尽早突破接入“瓶颈”，而光纤是今为止最好的传输媒介。本文主要分析 GPON技术的产生背景、应用、基本概念和特点，以及GPON系统的管理模式和终端的业务发放模式。 前 言参考资料http:/support/知识中心/ 接入网/光接入/光接入公共/GPON QoS专题介绍 http:/support/知识中心/接入网/光接入/光接入公共/FTTx网络配置方案 学习完此课程，您将会：掌握GPON的概念及发展背景理解光网络架构掌握GPON的主要协议掌握GPON的关键技术了解GPON提供的基本业务了解G

2、PON系统的管理模式和终端的业务发放模式目 标第1章光接入网概述第2章 PON基本概念第3章 GPON协议分析第4章 GPON关键技术第5章 GPON承载的基本业务第6章 GPON系统的管理和业务发放模式内容介绍接入网的现状全球电信运营商处在转型过程中： 1、业务竞争力的提升：提供更多业务。 2、增加ARPU值：多种业务捆绑，降维护成本。 3、提升用户忠诚度：提高用户对网络感受满意度，降低用户离网率。要实现转型目标，宽带提速是前提。ServiceAccessCoreX.25ADSLEthernetPSTNIPATMFRGSM/GPRSCDMACablePDHSDHWireless VoiceW

3、ireless DataHigh SpeedInternet VoiceStreamingDial-upVoIPMessageFTTH GPONDSLWirelessEth/IP/MPLSAggregation NetworkLocation &PresenceMessageOnline GamingVoiceDataVideoStorageDirectory接入网的发展趋势All over IP如何解决“距离与带宽”的矛盾ISDNHDSLADSLADSL2+VDSL 2xDSL技术?xDSL技术很难解决距离与带宽的矛盾问：怎么办？答：“光进铜退”！采用光纤接入网是不错的方案！光纤接入网的接入

4、方案(a) 点到点的网络 (b) 路边交换网络 (c) 无源光网络即: PON Curb switchCOCOCON subscribersL kmL kmL kmPassiveopticalsplitterN subscribersADSL2+PONADSL2+VDSL2Centre officeHomeVDSL2ONTADSL2+10/100Base-T1 km2 kmIP DSLAMGECurbBuildingGESplitter1 x NFTTCFTTBFTTBFTTHADSL2+VDSL2GEFTTBDSLBest Suitable is the Best ChoiceFTTX场景分

5、析第1章光接入网概述第2章 PON基本概念第3章 GPON协议分析第4章 GPON关键技术第5章 GPON承载的基本业务第6章 GPON系统的管理和业务发放模式内容介绍Passive Optical Network 无源光网络OLTONUOptical Line Terminal 光线路终端Optical Network Unit 光网络单元 Passive Optical Splitter 无源分光器PSTNInternetCATVONUONU PON是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络； PON由光线路终端OLT（Optical Line Terminal）、光网络单元 ONU（ O

6、ptical Network Unit） 和光分配网络ODN（Optical Distribution Network）组成；Passive Optical Splitter 无源分光器什么是PON?WDMONU/ONTNEWDMOLTNEService node分光器T参考点V参考点R/SS/RODNUNISNIIFponIFponONU Optical Network Unit 光网络单元ONT Optical Network Terminal 光网络终端ODN Optical Distribution Network 光分配网络OLT Optical Line Terminal 光线路终

7、端WDM Wavelength Division Multiplex Module 波分复用模块NE Network Element 网络单元SNI Service Node Interface 业务节点UNI User Network Interface 用户网络接口GPON网络参考模型APON: ATM Passive Optical Networks EPON: Ethernet Passive Optical NetworksGE-PON: Giga-bit Ethernet Passive Optical NetworksGPON: Gigabit-capable Passive O

8、ptical NetworksEPONGEPONGPONATMAPONBPONEthernetEPONGPON几种PON标准GPON（Gigabit-capable Passive Optical Networks）三大优势： 1、更远的传输距离：采用光纤传输，接入层的覆盖半径20KM； 2、更高的带宽：对每用户下行2.5G/上行1.25G（物理层）； 3、分光特性：局端单根光纤经分光后引出多路到户光纤，节省光纤资源。GPON支持Tripleplay业务，可提供全业务竞争方案可以有效解决双绞线接入的带宽瓶颈，满足用户对高带宽业务的需求，如高清电视、实况转播等，GPON是三网合一的上佳方案。GP

9、ON标准完善，综合业务支持好，技术要求高全球大运营商的选择1Mbps3M8M25M100MADSL/ADSL2+Copper BasedVDSL / ADSL2+Copper BasedPONFiber Based2002200320062010时间带宽互联网视频会议远程控制接入技术业务需求VoD标清电视视频会议Game实况TVVoDHDTV3km2km20dB)快速时钟恢复0# ONU1# ONU0# ONT有快速AGC无快速AGC阈值线恢复出来的数据到达OLT的信号及阈值建立ONT/ONU发出的信号PON关键技术-突发光电技术2#OLT通过Ranging测距过程获取ONU的往返延迟RTD（

10、Round Trip Delay），从而指定合适的均衡延时参数EqD（Equalization Delay），保证每个ONU发送数据时不会在分光器上产生冲突。 Ranging的过程需要开窗，即Quiet Zone，暂停其他ONU的上行发送通道。OLT开窗通过将BWmap设置为空，不授权任何时隙来实现。GPON关键技术-测距ONTOLT(in CO)20 km3 km12 kmRanging测距原理图OLTONU 处于距离修正状态Start of D/S FrameReception of D/S FrameTransmission of S/N ResponseActual Reception

11、of S/N ResonseDesired Start ofU/S Frame分配 EqDPre-AssignedEqD零距离 EqDDesired Receptionof SN ResponseSstartU/S BW MapcontainingRanging RequestONUResponseTimePre-AssignedEqDSstartStart of U/S Framefor Pre-ranged ONU时间ONU的注册ONU有三种启动激活进程的触发机制：1）当知道有新的ONU连接时，网络操作者启动激活进程；2）当一个或多个先前工作的ONUs失去联系时，OLT自动启动激活进程，看

12、这些ONUs是否能够返回到业务中。该轮询周期由OpS系统设置。3）OLT周期性的启动激活进程，测试是否有新的ONUs被连接进来。该轮询周期由OpS系统设置。ONU的激活进程激活进程在OLT控制下工作，ONU应答OLT启动的消息。激活进程的大致步骤为：ONU从OLT接收US_OVERHEAD消息，并调整自身参数。OLT发现新连接的ONU的序列号（通过广播+随机时延方法）OLT分配ONU-ID给ONUOLT测量来自于ONU的上行流传输的到达相位（测量RTD）OLT通知ONU均衡时延（EqD)ONU根据通知的EqD值及BW Map计算上行数据发送窗口该过程通过上行/下行流传送的flag和PLOAM消

13、息实现带内数据交换。ONUUpstream-overhead PLOAM Serial Number request Serial Number ONUAssign ONU_ID Ranging Request Serial Number ONURanging time Sync with Downstream trafficO1Pre-sync stateOLTO2Idle B/W map quiet zoneO3Idle B/W map quiet zoneO4O5O6Configure Port IDIdle B/W map quiet zonePasswordPassword Requ

14、est OMCI createdONU注册流程消息名称功能Upstream_Overhead在激活进程开始时发送，指示ONU上行发送的前导码字节数和预先分配的均衡时延值。Serial_number_mask 给ONU提供序列号，同时屏蔽掉该序列号的一部分。Assign_ONU-IDOLT发现该ONU的序列号后，分配ONU_ID与该序列号绑定。Ranging_Time指示ONU需要插入的均衡时延值。Request_password ONU测距后，OLT向ONU请求密码，以证实该ONU。（可选）Configure Port-ID该消息连接OMCI通道的内部进程，绑定GEM的Port_ID，通过寻址

15、机制路由GEM信道上的OMCI。Serial_number_ONU 测距进程中，用于传送ONU的序列号信息。 Password 应答OLT的Request_password消息，通过密码证实该ONU。 PLOAM消息 :什么是DBA? - DBA, Dynamically Bandwidth Assignment(动态带宽分配) - DBA是一种能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽的动态分配的机制为什么需要DBA？ - 可以提高PON端口的上行线路带宽利用率 - 可以在PON口上增加更多的用户 - 用户可以享受到更高带宽的服务，特别是那些对带宽突变比较大的业务DBA概念提高最大带宽利用率

16、无DBA,利用率40%有DBA,利用率达到80%减小平均时延无DBA:100ms有DBA:10msDBA在利用率和延迟指标上带来的优势GPON系统采用SBA+DBA的方式来实现带宽的有效利用，TDM业务通过SBA指配带宽以保证其高QoS，其他一些业务可以通过DBA来动态分配带宽。DBA的实现与QoS的保障机制有密切关系。GPON系统通过状态的上报以及OLT业务监视（非状态上报）支持动态带宽分配。DBA的功能GPON的状态上报DBA存在3种机制：PLOu-State Ind DBA;（状态指示）DBRu-Piggy-back DBA;（我司采用此机制）Mode 0 : 1个字节, 逻辑缓冲区中与

17、该Alloc-ID关联的数据量Mode 1: 2个字节, 第一个字节为缓冲区与该Alloc-ID关联的”黄色”标记的数据量,第二个字节为缓冲区与该Alloc-ID关联的”绿色”标记的数据量Payload DBA;（完整ONU上报)DBA报告类型DBA功能的实现机制主要包括以下几个部分：OLT或ONU进行拥塞检测;向OLT报告拥塞状态;按照指定参数更新OLT分配带宽;OLT按照新分配的带宽和T-CONT类型发送授权;DBA操作的管理。DBA功能的实现机制OLT内部DBA模块不断收集DBA报告信息，进行相关计算，并将计算结果以BW Map的形式下发给各ONU。 各ONU根据BW Map信息在各自的

18、时隙内发送上行突发数据，占用上行带宽。DBA算法逻辑DBA报告BW MapTime slotT-CONTT-CONTT-CONTONU的调度器ONUOLT控制平面数据平面DBA的实现过程SR(Status Reporting )-DBA PayloadUS BWMapDataReportPCBdD/S DirectionU/S DirectionOLTONTOLT根据上次计算的结果在下行帧头中下发BW Map。ONU根据带宽分配信息在规定的时隙上发送目前T-CONT中等待发送的数据状态报告 。OLT收到ONU的状态报告后，经过DBA计算并更新BW Map，在下一帧进行下发。ONU收到OLT下发

19、的BW Map消息后，在指定的时隙上发送数据。DBA的两种实现模式在OLT处监视从TM-ONU/ONT来的信元数据流的算法过程(Procedure)：Step1：在确定的间隔(interval)内监视OLT接收到的信元数目。Step2：通过使用在Step1中的实时监控(real time monitoring)结果来计算利用速率(utilization rate)。Step3：通过比较利用速率和极限值，来认识(recognize)拥塞程度。 DtijDiDjTM(Traffic-Monitoring)-DBA TM(NSR)-DBA实现T-CONTs (Transmission Contain

20、ers)：动态接收OLT下发的授权 ，用于管理PON系统传输汇聚层的上行带宽分配，改善PON系统中的上行带宽。T-CONT的带宽类型分为FB,AB,NAB,BE。 T-CONT的5种类型，Type1,Type2,Type3,Type4,Type5。T-CONT带宽术语根据业务的优先级，系统对每个ONU设置SLA，对业务的带宽进行限制。 最大带宽和最小带宽是对每个ONU的带宽进行极限限制，保证带宽根据业务的优先级不同而不同，一般语音业务的优先级最高，视频业务优先级次之，数据业务的优先级最低。OLT根据业务和SLA及ONU的实际情况进行带宽许可，优先级高的可以得到更高的带宽，满足业务需求。T-CO

21、NT类型和带宽类型之间的关系DBA 1类型的分配为静态分配，保证带宽直接等于配置最大带宽，优先分配DBA 2类型的分配只需要保证用户的保证带宽。DBA 3类型为混合保证和非保证带宽，如果可以保证申请带宽，则直接分配，否则将不能分配的部分带宽打上标记和DBA 5类型的TAG部分带宽采用RR（轮巡）方式分配DBA 4类型为不保证类型，只有保证带宽分配后剩余带宽和DBA 5部分剩余带宽申请一起RR调度；DBA 5类型为混合型，首先确保固定带宽，若不够再判断保证带宽是否能够满足要求，如果可以，则直接分配，如果还不满足，则将剩余部分带宽申请打上标记和DBA 3的TAG部分带宽RR调度分配，如果竟争后还不

22、能满足，则剩余带宽与DBA 4竞争。ONU_ID T-CONT1TAGRRONU_ID T-CONT2ONU_ID T-CONT3ONU_ID T-CONT4ONU_ID T-CONT5RR配置最大带宽保证带宽竞争带宽5-15-23-13-25-35-43-45-55-64-14-21-12-13-35-3A-BA：T-CONT类型B：分配步骤DBA调度算法的实现固定带宽GTC PON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）。

23、 DBA的算法是GTC的QoS处理性能的关键。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。ETH/TDM TDM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GPON中的QoS处理ETH/TDMGEMGTCFlow control

24、/ClassificationGPON 业务承载层GPON QoS处理机制T-CONT/DBAVLAN/COS/PQ/GTS/POLICINGEnd User1End User3ONTEnd User233133211112ONTONT133211133211OLT加密解密解密解密1133211GPON支持下行广播数据进行AES128加密处理。只对GEM帧中的Payload进行加密处理。GPON系统定期的进行AES密钥交换和更新，提高了线路数据的可靠性。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，并分两部分发给OLT，且重复发送三次 ，OLT收到了新的密钥后，就要开始进行密

25、钥切换，将使用新的密钥的帧号通过相关的命令通知ONU（也是三次） ，ONU在相应的数据帧上切换校验密钥。AES: Advanced Encrypt System一种国际通用的加密算法GPON系统的AES加密处理Forward Error Correction, FEC 。 一种基于Reed-Solomon的块编码算法，FEC码字由定长数据块和冗余位构成。GPON在传输层使用FEC算法可以将线路传输的误码率降低到10E-15,可以避免数据重传。GPON系统上、下行均支持FEC处理。对PCBd和Payload一起进行FEC处理，提高了数据传输质量。FEC处理分光器衰减计算分光器的插入损耗( Mul

26、ti-Play业务承载方式： 多Gemport多业务 单Gemport多业务业务流映射： user-vlan、802.1P、Eth PHY单一或 混合的业务流到Gemport映射规则GPON Triple-Play 端到端解决方案Native方式GPBC无扣板，普通以太方式走背板路由到另一块上行板OLT支持Native和CESoP两种TDM处理方式。GPON强大的QoS能力，可确保TDM业务的端到端延时、Jitter和误码率指标。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

27、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。ONTOLTCOLESplitterONTBUSINESSPBXPBXE1/T1ODNE1/T1E1/T1FEPSTNONT应用场景：解决移动基站和商业用户PBX语音接入的TDM业务传输 GPON TDM 业务解决方案xDSL线路改造，有利于原来的铜缆资源的利用 GPON + xDSL 解决方案GPON RF 业务解决方案EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）OpticalCouplers（WDM）OLT(Optical Line Terminal)ONU(Optical Network Terminal)CentralOfficeVideo155