第6章GPON接入技术

第6章GPON接入技术第一页，共36页。APON、EPON、GPONAPON标准复杂，成本高，在传输以太网和IP数据业务时效率低，以及在ATM层上适配和提供业务复杂。EPON带宽利用率低和难以支持以太网之外的业务。因此，全业务接入网（FSAN）组织开始考虑制定一种融合APON和EPON的优点，克服其缺点的新的PON，那就是GPON。GPON具有吉比特高速率，92%的带宽利用率和支持多业务透明传输的能力，同时能够保证服务质量和级别，提供电信级的网络监测和业务管理。2第二页，共36页。6.1GPON概述6.1.1GPON标准进展和参考结构6.1.2GPON系统协议分层模型和各层功能6.1.3GPON与EPON的比较及其优势3第三页，共36页。6.1.1GPON标准进展和参考结构2001年在IEEE制定EPON标准的同时，全业务接入网（FSAN）组织开始发起制定速率超过1Gb/s的PON网络标准，即GPON（GigabitCapablePON）。随后，ITU-T也介入了这个新标准的制定工作，并于2003年1月通过了两个有关GPON的新标准，即G.984.1（总体特性）、G.984.2（物理媒质相关层）。2004年3月和6月发布了G.984.3（传输汇聚TC层）标准。2005年又制定了G.984.4（ONU管理控制接口规范）标准。为了使GPON实现与下一代PON（NG-PON）兼容，ITU-T又发布了G.984.5标准，其中包括了对ONU上行波长范围进行收窄。4第四页，共36页。图6.1.1GPON系统参考结构ODN是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的主要功能是完成光信号和功率的分配任务。GPON上下行数据流可以采用波分复用技术，在一根光纤上传送上下行数据。下行使用1480~1500nm波段，上行使用1260~1360nm波段。同时，GPON的ODN光分路器的性能也大大提高，可支持1:128分路比。5第五页，共36页。6.1.2GPON系统协议分层模型和各层功能GTC成帧子层完成GTC帧的封装、传输、测距和带宽分配等。GTC适配子层提供协议数据单元（PDU）与高层实体的接口。ATM和GEM（GPON）信息在各自的适配子层完成服务数据单元（SDU）与PDU的转换。ONT操作管理通信接口OMCI适配子层高于ATM和GEM适配子层，它识别VPI/VCI和Port-ID，并完成OMCI通道数据与高层实体的交换。6第六页，共36页。图6.1.3C/U平面协议栈7第七页，共36页。图6.1.4U平面协议栈GPON有两种传输模式：一种是ATM模式，另一种是GEM模式。GPON在传输过程中，可以用ATM模式，也可以用GEM模式，也可以共同使用这两种模式。究竟使用哪种模式，要在GPON初始化的时候进行选择。8第八页，共36页。6.1.3GPON与EPON的比较及其优势（1）带宽利用率

EPON使用8B/10B编码，本身就引入了20%的带宽损失。GPON使用扰码作线路码，只改变码，不增加码，所以没有带宽损失；另一方面，EPON封装的总开销约为调度开销总和的34.4%，而GPON在同样的包长分布模型下，得到GPON的封装开销约为13.7%。（2）成本 从单比特成本来讲，GPON的成本要低于EPON。（3）多业务支持

EPON对于传输传统的TDM支持能力相对比较差，容易引起QoS的问题。而GPON特有的封装形式，使其能很好地支持ATM业务和IP业务。（4）OAM功能

EPON在OAM标准方面定义了远端故障指示、远端环回控制和链路监视等基本功能，对于其它高级的OAM功能，则定义了丰富的厂商扩展机制，让厂商在具体的设备中自主增加各种OAM功能。GPON的OAM包括带宽授权分配、DBA、链路监视、保护倒换、密钥交换以及各种告警功能。从标准上看，GPON标准定义的OAM信息比EPON的丰富。9第九页，共36页。GPON具有以下优势（1）灵活配置上/下行速率

GPON技术支持的速率配置有7种方式，如表6.2.1所示。（2）高效承载IP业务

GEM帧的净荷区范围为0~4095字节，解决了APON中ATM信元带来的承载IP业务效率低的弊病；而以太网MAC帧中净负荷区的范围仅为46~1500字节。（3）支持实时业务能力

GPON所采用的125s周期的帧结构能对TDM语音业务提供直接支持，无论是低速的E1，还是高速的STM1，都能以它们的原有格式传输，这极大地减少了执行语音业务的时延及抖动。（4）支持的接入距离更远 针对FTTB开发的GPON系统，其OLT到ONU的最远逻辑接入距离可以达到60km以上，而EPON则只有20km。（5）带宽有效性

EPON的带宽有效性为70%；而GPON则高达92%。（6）分路比数量

EPON的支持的分路比为32；而GPON则高达64或128。（7）运行、管理、维护和指配（OAM&P）功能强大

GPON借鉴APON中PLOAM信元的概念，实现全面的运行维护管理功能。表6.1.2列出APON、EPON、GPON三种PON的技术比较。10第十页，共36页。图6.1.5APON、EPON、GPON

承载业务能力的比较11第十一页，共36页。6.2GPON物理媒质相关层（PMD）6.2.1线路比特速率6.2.2物理媒质与波长分配6.2.3传输距离和分支比6.2.4光端机6.2.5通过前向纠错（FEC）获得光增益6.2.6ONU功率电平调整机制12第十二页，共36页。6.2.1线路比特速率线路传输速率应为8kHz的整数倍。G.984.2规范了7种系统的线路速率可供选择，如表6.2.1所示。由此可见，GPON线路速率比APON有了明显的提高。而且GPON可以接受的速率中，上行和下行速率最大差距可以是2488.32Mbps/155.52Mbps，这一规定充分考虑到了现在网络的实际应用情况。如果对上行速率要求不高，可以选择很低的上行速率，这样对上行光突发发射和接收的要求就可降低，从而可节约成本13第十三页，共36页。6.2.2物理媒质与波长分配1.传输媒质由于PON的传输距离较短，最长为20km，因此，与APON一样均采用比较便宜的ITU-TG.652光纤。光分配网（ODN）物理媒质层的参数见表4.2.2。PON系统上/下行方向均采用扰码的NRZ编码，这与APON一样。2.波长分配与双向传输第一种是单纤WDM双向传输，上/下行采用不同的波长，上行1480~1500nm，下行1260~1360nm。第二种是双纤系统，双向传输采用双纤空分复用，上/下行均采用同一个波长，上/下行方向的工作波长范围均为1260~1360nm。这与目前APON对波长的分配完全相同。14第十四页，共36页。6.2.3GPON传输距离和分支比和APON一样，系统目标传输距离是20km，但支持的分光比除1:16和1:32两种外，还支持1:64和1:128。高分支比更适合作为住宅宽带业务引入方案，可见GPON有着很好的应用前景。最大逻辑距离为独立于光预算的特定传输系统能达到的最大长度（km）。它不受PMD参数限制，而是受到TC层和执行情况的影响。APON的最大逻辑距离为20km，而GPON为60km。15第十五页，共36页。6.2.4光端机G.984.2给出了GPON系统不同上下行速率时的4个光接口的要求。在S/R参考点对发射机的要求和在R/S参考点对接收机的要求,GPON和APON的标准基本一致。表6.2.3和表6.2.4给出其中两个典型的接口要求。根据系统对衰减/色散特性的要求，可以选择多纵模（MLM）激光器或单纵模（SLM）激光器。应该指出，并不要求都用SLM激光器，只要能够满足系统性能的要求，就可以用MLM器件取代SLM器件。消光比（EX）、接收机灵敏度定义、接收机最小过载定义、反射功率容限和抗长连“0”和长连“1”（CIDI）的性能测试方法等与APON的相同（见4.2.3节）。16第十六页，共36页。6.2.5通过前向纠错（FEC）获得光增益FEC技术在光通信中的应用主要是为了获得额外的增益，即净编码增益（NCG，NetCodingGain）。选择一种好的编码制式，甚至可以获得10dB的编码增益。在PON系统中，也可以采用FEC获得额外的编码增益。这样就可以降低发射机功率，提高接收机灵敏度，增大传输距离或扩大分支比。采用ITU-TG.975建议的RS(255,239)循环码。有关FEC的进一步介绍见原荣编著的《光纤通信》（第3版）7.7.2节。17第十七页，共36页。6.2.6ONU功率电平调整机制当工作速率为1244.16Mb/s以上时，GPONOLT接收机一般要采用APD光电探测器(见8.3.4节)。此时存在高灵敏度和突发接收大动态范围两者之间的矛盾。为了减轻对OLT接收机动态范围的要求，在ODN损耗不大时为避免OLT接收机过载，可采用适当的ONU功率电平调整机制。这样，使ONU在低损耗ODN中可以采用低发射功率，从而降低功率消耗，增加激光器寿命。功率调整机制要求TC层配合，ONU根据OLT发送的下行信息增加或减少发送功率。G.984规定ONU发射机有3种输出功率模式：正常模式、比正常模式低3dB模式和低6dB模式。要求OLT接收端必须能测量比接收灵敏度低5dB的突发功率。18第十八页，共36页。6.3GPON帧结构与封装6.3.1GEM帧结构6.3.2GEM帧同步6.3.3GEM帧的分段机制6.3.4GEM对TDM数据的封装6.3.5GEM对以太网数据的封装6.3.6GPON上/下行帧结构19第十九页，共36页。6.3.1GEM帧结构由5字节的帧头和L字节的净荷组成。GEM帧头由4部分组成，它们是净荷长度标识（PLI），端口标识（Port-ID），净荷类似标识（PTI）和帧头错误校验（HEC）。20第二十页，共36页。6.3.2GEM帧同步

图6.3.2GEM帧获得同步状态的过程 帧同步可分为预同步状态、同步状态和搜索状态。搜索状态为链路初始化或GEM接收机接受失败的基本状态。捕获GEM帧头和实现帧的同步是通过HEC来实现的。21第二十一页，共36页。6.3.3GEM帧的分段机制图6.3.3GEM帧的分段机制对用户数据帧的分段过程由于用户数据帧的长度是随机的，如果用户数据帧的长度超过GEM协议规定的净荷最大长度，就要采用GEM的分段机制。GEM的分段机制把超过净荷最大长度的用户数据帧分割成若干段，每一段的长度与GEM净荷最大长度相等，并且在每段的前面都加上一个GEM帧头

22第二十二页，共36页。图6.3.4时间比较敏感业务的分段过程

在GTC系统中使用分段机制有两个目的：一个是在每个分段前面都加上一个帧头，另一个是对于一些时间比较敏感的业务，如语音业务，必须以高优先级进行传输，而分段机制能保证这一点。因为它把语音业务总是放在净荷区的前端发送，如图6.3.4所示。GTC帧的帧长是125s，延时比较小，从而能保证语音业务的QoS。23第二十三页，共36页。6.3.4GEM对TDM数据的封装GEM对TDM数据的封装是将TDM业务直接映射到可变长的GEM帧中，即TDMoverGEM。这种方式是是ITU-TG.984.3的附录中提出的专门为GPON系统承载TDM业务所设计的一种封装技术。具有相同PortID的TDM数据分组汇聚到TC层。GEM使用不定长的GEM帧对TDM业务字节进行分装。净荷的长度根据TDM用户数据的传输频率确定。TDMoverGEM方式的优点在于使用了与SDH相同的125s的GEM帧，使得GPON可以直接承载TDM业务，将TDM数据直接映射到GEM帧中，使得分装效率提高。24第二十四页，共36页。6.3.5GEM对以太网数据的封装（a）GEM对TDM数据的封装（b）GEM对Ethernet数据的封装图6.3.5GEM对以太网数据的封装25第二十五页，共36页。6.3.6GPON上/下行帧结构为了传输TDM业务和ATM业务，GPON与APON一样，仍采用固定周期的上/下行帧来传输数据。即GPON将ATM信元和GEM字段封装到125s的上/下行帧的净荷中传输26第二十六页，共36页。6.4GPON媒质接入控制和

动态带宽分配6.4.1GPON媒质接入控制（MAC）6.4.2动态带宽分配（DBR）6.4.3GPON测距和延时补偿6.4.4ONU与OLT的同步过程6.4.5GPONONT管理控制接口（OMCI）6.4.6用户信息保护与安全27第二十七页，共36页。6.4.1GPON媒质接入控制（MAC）媒质接入控制(MAC)的目的是确保在上行方向任何时间内只有1个ONU能够访问共享媒质，从而确保正常工作时没有数据重叠和冲突。PON将信道分为上行和下行两个方向，只有上行方向需要接入控制。MAC的主机位于OLT处，ONU是从机。按照ITU-T的定义，MAC协议包括三个机制：位于OLT的MAC算法，从ONU发到OLT的业务信息以及由OLT通知ONU允许它发送业务的授权许可。当前主要有两种不同的MAC协议：静态带宽分配和动态带宽分配。28第二十八页，共36页。6.4.2动态带宽分配（DBR）动态带宽分配（DBR）技术，根据GPON系统各ONU提供的不同业务量需求，实时动态地调整其使用的上行带宽，以适应用户速率的各种变化，从而提高系统的带宽利用率。PON系统的上行接入一般采用固定分配和中央控制按需分配相结合的方式，也就是ITU-TG.983.4规范的静态带宽分配和动态带宽分配两种方式。有关动态带宽分配（DBR）的内容，我们将在第9章中进行详细的介绍。本节只是将有关GPON动态带宽分配的内容作简要的概述。29第二十九页，共36页。

图6.4.1用户数据分装在2个T-CONT缓冲器中 图6.4.2对分类缓冲业务进行优先级别控制图6.4.1表示用户数据流分装入2个T-CONT缓冲器的情况，这2个缓冲器在同一个ONU中。一些T-CONT缓冲器可以被一个内部优先调度程序使用，或被某个上层使用。图6.4.2表示上边的T-CONT缓冲器没有被内部调度程序使用，而下边的T-CONT缓冲器却含有3个业务分类缓冲器，被内部调度程序使用，因为在一些应用中，需要使用优先级别控制。30第三十页，共36页。6.4.3GPON测距和延时补偿由于ONU与OLT的距离不同，环境温度变化或光器件老化，会使ONU的数据流经过不同长度的光纤传输后，产生不同的时延。如果不加控制，就有可能发生碰撞和重叠，引起大量比特误码，甚至使数据帧丢失，导致媒质接入控制失败。测距的最终目的就是由OLT为每个ONU(i)提供一个合适的均衡时延Td(i)值。并通过GTCPLOAM下行信息将此值告知被测距的ONU。GPON测距可分为动态测距和静态测距两类。动态测距是针对各ONU在运行过程中随环境和时间变化而发生的时延漂移，OLT实时微调各ONU的Td值。动态测距是在系统运行中一直要进行的，无需专门打开测距窗口；静态测距一般在系统初装或有新ONU加入的情况下进行，需要进行开窗测距。31第三十一页，共36页。6.4.4ONU与OLT的同步过程ONU以搜索状态开始工作，它在所有可能的序列中搜索Psync域。一旦找到一个正确的Psync域，ONU就转变成预同步状态。在预同步状态，如果ONU再收到M1－1个正确的Psync域，就向前达到同步状态。32第三十二页，共36页。6.4.5GPONONT管理控制接口（OMCI）G.984.4对GPON系统的ONT管理控制接口（OMCI）进行了规范，目标是实现多厂家OLT和ONU设备之间的互通。G.984.4继承了APON标准G.983的很多内容。OLT使用OMCI协议控制ONU，该协议允许OLT建立和拆除与ONU的连接，管理ONU的用户网络接口（UNI），获取信息配置和性能统计，将一些事件如线路故障信息自动通知系统操作者等。OMCI协议管理OLT