华为PON培训材料：3 GPON 原理介绍 ISSUE3.02（胶片＋注释）

1GPON原理2前

言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”，而光纤是迄今为止最好的传输媒介。本文主要分析

GPON技术的产生背景、基本概念、特点、应用场景，GPON系统的管理模式和终端的业务发放模式以及GPON的组网应用及其组网保护方式。3Page4

培训目标学完本课程后，您应该能：

描述光接入网架构

描述GPON的概念

分析GPON的主要协议

列举GPON的关键技术

学习GPON系统的终端管理和认证方式

列举GPON的组网保护方式

描述NGPON的基本概念Copyright

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reserved.4Page5

目

录1.

接入网概述2.

GPON网络架构3.

GPON协议分析4.

GPON关键技术5.

GPON系统的管理和业务发放模式6.

GPON组网应用和保护7.

NGPON概述Copyright

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reserved.5Page6什么是接入网

ITU-T的定义：

接入网（AN）是业务节点接口

（SNI）与相关用户网络接口

（UNI）之间的一系列传送实体（例如线路设施和传输设施）组

成，为供给电信业务而提供所需承载能力的实施系统。

按传输方式分类：

有线方式

双绞线铜缆接入、同轴电缆、光纤接入

无线方式

固定无线接入、移动无线接入Copyright

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reserved.6Page7接入网趋势－光进铜退

光纤接入多场景，全业务解决方案Copyright

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reserved.7Page8光纤接入网的接入方案

(a)点到点的网络P2PFibre(b)

路边交换网络COFibreLkmCurb

switch(c)

无源光网络COFibreLkmPassiveopticalsplitterNTwisted

pairPONCOLkmNfibreCopyright

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reserved.Page9为什么选择PON?

<1Mbps接入技术

3MADSL/ADSL2+8M

25MVDSL

/

ADSL2+100M

PON带宽需求Copper

BasedCopper

BasedFiber

Based覆盖半径业务需求<3km

互联网

视频会议

远程控制<2km

<1kmVoD标清电视视频会议实况TVVoDHDTV~20km2002200320062010时间PON（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：GPON对称上下行，上行1.25G/下行2.5G；

3、分光特性：局端光纤经分光后引出多路到户光纤，节省光纤

资源。（P2MP）8

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题接入网按照接入方式有哪些类型？铜接入的XDSL技术的主要矛盾是什么？Copyright

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reserved.11Page12PON网络架构

Passive

Optical

NetworkPSTN无源光网络

POS

无源分光器ODN

ONUONTInternet

CATVOLT

POS无源分光器ONTONUPON是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络；GPON：

gigabit-capable

passive

optical

network

千兆比特无源光网络PON网络的组成：光线路终端光分配网络光网络单元/终端

OLT

（

Optical

Line

Terminal）

ODN

（

Optical

Distribution

Network）

由分光器和光线组成ONU/ONT（

Optical

Network

Unit/

Optical

Network

Terminal）Copyright

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reserved.12Page13GPON

FTTx功能实体

FE

POTSSFUSBURF

FE

POTS

RF合波器OLTCATVSFU

（Single

Family

Unit）单家庭单元分光器MDUFEPOTSRFxDSLSBU

（Single

Business

Unit）单商业单元MDU（Multi

Dwelling

Unit）多住户单元MTU（Multi

Tenant

Unit）商用多租户单元CBU

（Cell

Base

Unit）基站单元MTU

CBUFExDSLFEE1Copyright

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reserved.13Page14GPON接入网架构中心机房3.5-5km用户侧xDSLFTTCFTTBFTTHDSLAM

OLT

OLTOLT光线路终端

xDSL

2~20Mbps

ODN2.5Gbps

Down

/1.25Gbps

Up2.5Gbps

Down

/1.25Gbps

Up

路边

MDU多住处单元

ONU

光网络单元2.5Gbps

Down

/1.25Gbps

Up

ONT光网络终端Copyright

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reserved.14Page15GPON网络基本性能参数上行速率下行速率(Gbps)0.155520.622081.244160.155520.62208(Gbps)1.244161.244161.244162.488322.48832

最大逻辑距离最大物理传输距离

最大差分距离

最大分离器比60

km20

km20

km

1:128上行1.24416

Gbit/s

，1.244162.488322.488322.48832下行

2.48832

Gbit/s

是

目前支持的主要速率，

可升级到10G

GPONCopyright

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reserved.15Page16GPON数据复用方式

GPON实现单纤双向传输，系统采用WDM技术

1310nm

ONU/ONTOLTODN

1490nm为了分离同一根光纤上多个用户的信号，采用以下两种复用技术：

下行数据流采用广播技术；

上行数据流采用TDMA技术。Copyright

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reserved.16Page17GPON下行数据

解析出属于该ONU的数据

1

发给各个ONU的数据1231232

3广播方式：GPON的下行帧长为固定的125us，下行为广播方式，所有的ONU都能收到相同的数据，但是通过GEM

PORTID来区分不同的ONU的数据，ONU

通过过滤来接收属于自己的数据。Copyright

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reserved.Page18GPON上行数据

从用户发出的数据

1

各个ONU数据复用12322

3TDMA方式：GPON的上行是通过TDMA（时分复用）的方式传输数据，上行链路被分成不同的时隙，根据下行帧的upstreambandwidth

map字段来给每个ONU分配上行时隙。17

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题GPON的全称是什么？PON网络架构包含几部分，功能分别是什么？GPON上行数据流采用________技术。Copyright

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reserved.Page21GPON标准协议ITU-T

G.984.1•GPON网络参数说明•保护倒换组网要求

ITU-T

G.984.2

•PMD层规格要求

•2.488Gbps下行光接口参数规格要求

•1.244Gbps上行光接口参数规格要求

•物理层开销分配

产品开发简单

产品兼容性强ITU-T

G-984.1/2/3/4/5/6ITU-T

G.984.4•OMCI消息结构介绍•OMCI设备管理框架•OMCI实现原理简述ITU-T

G.984.5•

GPON波长规划ITU-T

G.984.6•

GPON传输距离延长方案ITU-T

G.984.3•GPON

TC层规格要求•GTC复用结构及协议栈介绍•GTC帧结构介绍•ONU注册激活流程•DBA规格要求•告警和性能20

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reserved.21Page22GPON

业务承载模型Copyright

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reserved.Page23GPON业务映射关系－上行复用

图1:

GPON系统中的业务复用原理IdentifiedIdentifiedIdentifiedGEM:GPON

Encapsulation

Modeby

ONU-ID

by

Alloc-IDby

Port-IDT-CONT:Transmission

Container图2

业务与GEM

port、T-CONT的映射关系22

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reserved.23Page24GPON业务映射关系－下行复用

在下行方向，所有的业务在

GPON业务处理单元中被封装

到GEM

port中广播到该GPON

接口下的所有ONU上，

ONU

再根据GEM

port

ID进行数据过

滤，只保留属于该ONU的GEM

port并解封装将业务从ONU的

业务接口送入用户设备中。

共享的GEM

Port为组播GEM

PortCopyright

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reserved.241Page25GPON帧结构Downstream

Framing

Physical

Control

Block125usDownstream

(PCBd)

Upstream

Bandwidth

MapPayloadONU

1AllocIDStartEndAllocIDStartEndAllocIDStartEndOLT1100200x300500y501650x

ONU

2yT-CONT1(ONT

1)T-CONT

x

(ONT

2)T-CONT

y

(ONT

2)Slot100Slot200Slot300Slot

Slot500

501Slot650PLOuPLOAMu

PLSu

DBRu

x

Payload

x

DBRu

Y

Payload

yONU

64Upstream

FramingT-CONT

xT-CONT

yCopyright

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reserved.Page26以太网业务在GPON中的映射方式Ethernet

Packet

Inter

packet

gapGEM

Frame

PLI

12bitsPort

ID

12bits5

bytes

Preamble

SFD

DA

SALength\Type

PTI

3bitsHEC

13bits

GEM

Payload

MAC

client

data

FEC

EOFGPON系统对以太网帧进行解析，将数据部分直接映射到GEM

Payload中去进行传输。GEM帧会自动封装头信息。映射的格式清晰，设备很好实现，兼容性好。25

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reserved.Page27TDM业务在GPON中的映射方式

TDM

BufferIngress

bufferGEM

Frame

PLI

Port

ID

PTI

HECTDMTDM

dataPayload

TDM

fragmentTDM业务先导入缓存中进行排队，并且按照固定的字节数复用到GEM帧中进行传输。这种方式不对具体的TDM业务进行感知，只进行透传处理。GEM帧具有定长的特点，对TDM业务传输非常有利。26

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reserved.27Page28

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题GPON实现了WDM技术，上下行波长各是多少，上下行各采用了什么复用技术？GPON网络中传输数据的最小单元是什么？Copyright

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reserved.29GPON关键技术上动态带Page31为什么要测距

ONU120

kmONU212

kmONTONU3ONU4

OLTOLT

3km

各个ONU和OLT的距离都不一样，光信号在光纤上的传输时间不一样，到达

各ONU的时刻不一样。

OLT给每个ONU分配不同的时隙来发送上行的数据，如何保证各ONU能够精

确定位时隙？

多个ONU的上行数据如何不冲突，实现帧同步？30

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reserved.31Page32测距原理

测距的过程：

OLT通过Ranging测距过程获取ONU的往返延迟RTD（Round

Trip

Delay），计

算出每个ONU的物理距离

ONU1RTD1=10us，计算距离＝1kmRTD2=20us，计算距离＝2kmRTD3=30us，计算距离＝3kmONU2ONU3然后指定合适的均衡延时参数EqD（Equalization

Delay）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。Copyright

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reserved.32Page33测距的结果

通过RTD和EqD，使得各个ONU发送的数据帧同步，保证每个

ONU发送数据时不会在分光器上产生冲突

相当所有ONU都在同一逻辑距离上，在对应的时隙发送数据即可。RTD1＋EqD111冲突

ONU1RTD2

＋EqD222

ONU23RTD3

＋EqD33ONU3Copyright

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reserved.33GPON关键技术上动态带34Page35为什么需要DBA

什么是DBA?

DBA,

Dynamically

Bandwidth

Assignment(动态带宽分配)

DBA能在微秒或毫秒级的时间内完成对上行带宽的动态分配

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

工作机制

SR-DBA:

status

report-DBA

状态报告

NSR-DBA:

non

status

report-DBA

非状态报告Copyright

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reserved.35Page36SR-DBA的实现过程

OLTDBA算法逻辑DBA报告ONU控制平面

BW

Map数据平面

T-CONTTime

slotT-CONT

ONU的调度器

T-CONTOLT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BWMap的形式下发给各ONU。各ONU根据BW

Map信息在各自的时隙内发送上行突发数据，占用上行带宽。Copyright

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reserved.36Page37DBA实现的基础－T-CONT

T-CONTs

(Transmission

Containers)：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。

带宽类型

FB,AB,NAB,BE

T-CONT类型

Type1

Type2

Type3

Type4

Type5Copyright

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reserved.Page38T-CONT类型和带宽类型之间的关系带宽类别Fixed

BWXType1Type2NoT-CONT类型Type3NoType4NoXType5（固定带宽）Assured

BWNoYYNoY（保证带宽）Maximum

BWZ=XZ=YZ>YZZ≥

X

+

Y

（最大带宽）

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。37

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reserved.38GPON关键技术上动态带39Page40为什么要加密？

GPON下行采用广播技术，同一PON口下的主干光线和分光

后的数据都是一样的，每个ONU收到的数据都是一样的。如

何保证ONU的数据不被其他ONU所获取解析？

GPON支持下行广播数据进行AES128加密处理

AES:

Advanced

Encrypt

System

一种国际通用的加密算法

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；Copyright

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reserved.2Page41GPON系统的AES加密处理ONT11用户

1解密OLT1

3

21

3

11

3

21

3

1ONT用户

2加密解密ONT33用户

3

解密

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。40

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reserved.41Page42

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题GPON上行使用TDMA技术，使用哪些技术保证上行数据的帧同步，避免光信号冲突？GPON如何识别同一个PON口下的ONU？Copyright

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reserved.42Page43

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reserved.43Page44GPON终端认证

GPON认证是指OLT基于ONU的SN或Password对ONU合法性进行

认证，拒绝非法ONU的接入。在GPON系统中，只有通过认证的合

法ONU才能接入PON系统，这样可以满足运营商实现灵活的、便于

维护的管理方式。

GPON

ONU的认证方式支持三种：

SN认证（常见认证方式）

SN+Password认证

Password认证

ONU的认证部分主要是针对OLT上已经预配置的ONU而言，对于在

OLT上未预配置ONU的处理参照未预配置ONU注册流程图。Copyright

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reserved.44SN认证•

SN认证是指OLT只对ONU的序列码进行匹配的一种认证方式是否Page46已配置ONU认证流程（SN＋Password）OLT

…SN

request

消息ONU发现SN已经配置SN

response

消息SN上报上报冲突信息检查是否有相同

否分配指定ONU_IDONU进入操作状态SN的ONU在线

Password

request

消息检查password是否正确

是Password

response

消息发送Deactivate_ONU-

ID

PLOAM消息ONU去注册（认证失败）

如果是SN认证，则省略Password步骤上报冲突信息是否分配gemport（承载OMCI消息）

…ONU上线（认证成功）

判断是否有相同SN＋password的

ONU在线45

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reserved.46是否Page47已配置ONU认证（Password认证）

Password认证有两种模式，Always-on和Once-on。首先预添加

Password认证方式的ONU，然后在PON口下接入该ONU，

Password认证之前的处理与未预配置ONU的注册流程相同。Password认证指定时间注册首次认证非首次认证用途运营商为用户分配Password账号后，Once-on模式Password认证SN＋Password认证要求用户在规定时间上线，并且上线后就不允许再更换ONU，如果有更换ONU的需求，需要通知运营商进行处理Always-on模式Password认证SN＋Password认证Password认证运营商为用户分配Password后，用户可以随意更换使用相同Password，不同SN的ONU，在更换ONU后不需要通知运营商Copyright

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reserved.47Page48GPON终端管理模型

GPON系统对ONU的管理通过OLT和ONU之间的OMCI管理

通道实现：

ONU

即插即用、自动业务发放

ONU

远程集中管理OMCISNMPONUOLTiManager

N2000

BMSCopyright

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reserved.48Page49常见GPON终端管理方式

ONT管理方式1

上网业务、组播业务都通过OMCI下发

语音业务配置方式有所区别

全OMCI模式下，语音业务全部通过OMCI下发

OMCI＋配置文件方式，语音业务通过FTP从网管下载XML配置文件FTPConfig

FileOMCISNMPOMCISNMPONTOLTEMSONTOLTEMS全OMCIOMCI+配置文件Copyright

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reserved.49Page50常见GPON终端管理方式

ONT管理方式2

ONT的上网业务、组播业务、TLS业务和语音业务全部由EMS

配置或者Telnet登陆配置

但管理VLAN、管理IP可以通过OMCI下发，所以此类ONT也可

以作到远程配置、调测或者免现场调测。

SNMPOMCISNMPONTEMS

OLTOMCI＋SNMP方式Copyright

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reserved.5023132Page51GPON业务发放与终端零配置1开户CRM业务发放系统计费系统

订单管理系统给用户发放终端下发数据配置

NMS自动完成OLT的数据配置的的利用OMCI通道完成ONT的数据配置Access

Network用户ONTONTSBUMDUSTB启动终端，利用序列号进行

注册GPON支持终端零配置和终端即插即用，节省运营商投入终端业务开通与初始配置的人力。Copyright

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reserved.51Page52

问

题GPON系统中，OLT通过哪些消息管理ONU？在业务发放系统中，OLT通过什么通道下发业务到ONU？Copyright

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reserved.52Page53

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reserved.53Page54GPON组网应用Copyright

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reserved.54Page55Type

B保护

Type

B保护是同一个OLT不同PON端口实现的保护。

ONU1分光器主干光纤保护OLTONU2

主用

备用Copyright

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reserved.55Page56Type

B双归属保护

Type

B双归属保护是两个OLT的PON端口实现的保护。ONU1ONU2分光器主干光纤保护OLT1OLT2主用

备用Copyright

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reserved.Page57Type

C保护

Type

C保护是OLT、ONU、分光器均实现的类似环网的保护。ONU1ONU2分光器1分光器2OLT

主干光纤保护分支光纤保护

主用

备用56

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reserved.58Page59NG-PON标准发展

NGA2WDM-PONStacked40G……

不强制ODN共存NGA1GPONODN共存

10G/2.5GXGPON1

10G/10GXGPON22009201020112012Copyright

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reserved.59Page60XG-PON1标准介绍

XG-PON1:

非对称

10G/2.5G

10G

GPON

G.987x标准是基于GPON

G.984x标准的延续增强，与G.984兼容

G.987x技术上继承了GPON的特点，能够提供相同的高质量全业务承载能力

G.987x管理模式与GPON相同，现有的管理运维系统可升级支持10G

GPON

G.988G.987.3G.987.2OMCI需求

TC层

物理层G.984.4

G.984.3G.984.2G.987.1系统级需求物理层参数业务类型架构G.984.1Copyright

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reserved.60BusinessResidentialPage61XG-PON1标准介绍：应用场景XGPON1以支撑全业务运营为目标：全面支持家庭接入、企业接入以及基站接入等多种业务

XG-PON

FTTCell

CBUFTTBMTUFTTOSBUXG-PON

OLTFTTH

SFU

Aggregation

SwitchFTTBMDUXG-PONFTTCurb/CabONUOLTCopyright

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reserved.Page62XG-PON1标准介绍：关键规格

XGPON1继承GPON的主要技术特点，但带宽、业务支撑能力全面提升，更好支撑

全业务运营项目GPONX

G

-PON1架构

PHY

MACFTTH，FTTB，FTTC，

FTTCab

，FTTO，

FTTCell

10G

DS

/

2.5G

US

1575-1580nm

DS

1260-1280nm

US

≥64

≥

20km

(Logical:

≥

60

km)

N1（14

–

29dB）：Green

Field

N2（16

–

31dB）：Brown

Field

可扩展到33/35dB

NRZ

GEM

家庭用户、商业用户

应用场景

Line

rate

Wavelength

plan

Split

ratio

Max.

Distance

Power

budgetUpstream

Line

code

帧结构

业务

FTTH，FTTB，FTTC，

FTTCab

2.5G

DS

/

1.25G

US

1480-1550nm

DS

1290-1330nm

US

32/64

10/20

km

(Logical:

60

km)ClassA:

5-

20dB

Class

B:

10-25dB

ClassC:

15-30dB

ClassC+:

17-32dB

NRZ

GEM

家庭用户、商业用户61

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reserved.Page63GPON向10G

PON平滑演进②NMS升级GPON

ONTOLTODF①ODN重用GPGP10⑤更换MDUONONGGsplitter

的上行板卡10G

GPON

MDU③插入10G

④插入GPON板卡

WDM模块

⑥新增10G10G

GPON

ONT

GPON

ONT①

ODN重用②

NMS升级③

GPON

OLT中

插入10G

GPON

业务板④

在ODF上插入WDM模块⑤

MDU可更换

10G

GPON上

行板卡⑥

新增10G

GPON

ONT

未来2～3年，GPON仍是FTTx的主要建设模式。

现有GPON

OLT和MDU已具备向10G

GPON平滑演进的能力。

GPON网络向10G

GPON升级时，ODN网络可重用，需要增加WDM部件，将10G

GPON和原来的GPON信号通过合波的方式在同一个ODN上传输62

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总

结铜接入xDSL技术存在距离和带宽的矛盾，接入网趋势是光进铜退，GPON成为主流接入技术。GPON系统分为OLT、ODN和ONU三个组成部分。OLT通过识别SN或者密码来注册激活ONU。OLT和ONU之间通信通过GEM

port传输数据。OLT通过OMCI通道来管理和下发配置到ONU。GPON系统的组网保护方式有type

A/B/C类型。Copyright

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reserved.64谢谢65附录1：PON技术标准化情况

PONTPONAPON/EPONGPONNG

PONBPON

国际标准ITU-T

G.982

国家标准Q1/1998

国际标准ITU-T

G.983.x

国家标准Q3/2000

国际标准IEEE

802.3ah

国家标准Q3/2004

国际标准ITU