GPON系统的关键技术

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1、浅析GPON系统的关键技术图http:/www.c114。net ( 2012/3/29 11:27 )摘要:本文首先介绍了吉比特无源光网络(GPON)的系统结构，随后就GPON的几个关 键技术：动态带宽分配、GEM封装技术、帧结构作了详细论述，最后肯定了GPON在未来 光纤接入网中的发展前景。1 引言随着Internet的持续快速发展和个人电脑的普及，各种增值的多媒体和IP业务激增， 业已存在 xDSL 接入技术无法满足其巨大的带宽需求，接入网成为整个网络发展的“瓶颈”. 考虑到这个现实，全业务接入网联盟(FSAN： Full Ser vice Access Netwo rk从2001 年1

2、月开始了 lGb/s以上的PON系统的标准研究。FSAN 试图寻求一种分配灵活、可规划、高速率、高效率、低成本以及具有丰富的业务 和带宽管理能力，能有效的支持现有和未来各种业务的全业务接入方案，逐渐形成了 GPON 系列标准规范。2 GPON 的参考配置GPON的网络结构由GPON的局端设备OLT (Optical Line Termination远程接 入设备 ONT (OpticalNetwork Unit)以及 ODN(Optical Distributiont Network 所组 成，其中ODN不含有任何有源电子器件,ODN全部光分支设备都由无源光分支器(Splitte r) 等无源

3、器件组成,不需贵重的有源设备.在GPON网络结构中，一个OLT可以有多个GPON 模块，每一个模块均可引出一个独立的GPON接入网络，并由无源光分支器和光纤连接到 多个不同类型的ONU上，如图1所示】l。功能NENEO甌h 光團皓单元ODN；址分禹网OLlx光犠跡聲靖WDM：緩分复用榛诀如果不艘用砸Mr期不補罢谟功能困耳an和OMV处便用不眉敬E內雋络单元AF：适此功齟有时帳可包會在饷口申】SNI；业务节底機口UNL用户賊络摘口Q1接入風理过味口与电何普理囲（n慨，11过谨揍口前接入网StfEM和管理S： OLT T1t）70NU上抒）光连接点（即囲曙耐锻显 之融魅f点只血 ONU （Ttfi

4、 A5LT上忆 北连抉点（即光圈婀敢熔接影 之费曲光好直IF；參考点RZS郴SZRSt的接口，是P0H特有的捞口.可支持QhT和口NU之肉传输折IS的折有的协溟单元点甩创 如果平ffiJSWDM,膊不Ifjf这两牛玮点U#j；如果AF功BB怪會袒ONU中，鹏不需虽堪6参跨点浊；AF是霄是Q接口綁作討劭职决于业务.图I GPON系统参考配置GPON的局端设备OLT主要负责与广域网或骨干城域网的高速连接，并把高速连接的 数据信息通过ODN传给远程接入设备ONU.作为一个高性能的光网络平台，在GPON构 架上支持IP/SONET/SDH/ATM/CWDM等传输格式的分组数据与TDM应用，并可透明 地

5、传输上述应用业务，满足TDM对实时性、抖动性的严格要求，有完整的服务保障机制和 故障处理能力，下行速率高达1.244Gb/s或2。488Gb/S.远程接入设备 ONU 主要负责与用户端设备的连接，起到汇聚用户端多业务数据流的作 用,能以分组数据、 TDM 业务流原有格式透明地传输，保障了业务性能的完整性与统一性， 并为用户提供丰富的网络接口类型与标准速率,满足用户对多业务的需要.ODN 负责无源光纤接入线路的数据信号传输，它的传输距离比有源光纤接入系统的要 短，覆盖范围在40km以内,组网结构灵活，无需另设机房,维护相对简单。所以，这种接入 网结构可经济地为各类用户提供全业务接入服务。3 GP

6、ON 的关键技术3。1动态带宽分配（DBA）动态带宽分配(DBA)技术是指通过GPON系统中各个ONU的上行使用带宽实时动态 的改变来适应用户速率的各种变化，以提高系统的带宽利用率的技术.PON系统的上行接入 一般采用中央控制按需分配和固定分配相结合的方式，也就是ITUT G983。4规定的静 态带宽分配和动态带宽分配两种方式，按照业务等级进行优先级分配。对于GPON中的数据 通信这种变速率业务,用静态带宽分配是不合适的，需要通过动态带宽分配使系统带宽利用 率大幅度提高，即DBA技术根据ONU的突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带 宽来提高上行带宽利用效率.根据GPON的特点和G983建

7、议,可以知道动态带宽分配的具 体要求是：业务要透明、带宽利用率尽量高、具备低抖动与时延特性、公平分配带宽、信号 健壮、实时性强、保证不同业务的 QoS 等。3。 1。 1 带宽类型GPON标准沿用了 BPON中对QoS支持的规定.ITU-T在BPON标准G.983。4和 GPON标准G984o3中明确提出了四种优先级别的带宽2。它们分别是Fixed、Assured、 Nonassured和Besteffort四种类型的带宽，也就是固定类型、确保类型、非确保类 型和尽力而为类型的带宽。同时， GPON 上行系统中带宽分配基本单元的传输容器 (TCONT)则按照其使用的带宽类型组合一共分为五种类型

8、。基于业务等级的优先级分配 方案能够在实现高效的DBA的同时为业务提供良好的QoS保障，所以，清晰地认识到各 种带宽资源的特性以及理解TCONT的适用范围对DBA有着重要意义。3o 1.2传输容器TCONT前面指出了 GPON有四种类型的带宽，每种类型的带宽都可以支持一定的QoS要求的 业务:而T_CONT通过为业务提供特定类型的带宽间接保证该业务的QoS要求。一种 TCONT能否支持某种QOS要求的业务，完全取决于该TCONT能否提供满足该业务 QoS要求的带宽。如果该TCONT提供满足某业务QoS要求的带宽，就可以承载该业务. 在五种类型的T-CONT中，type l类型TCONT仅提供F

9、ixed类型的带宽；type 2类 型仅提供Assured类型的带宽：type3类型提供Assured类型和Non-assured类型的带 宽;tyPe4类型仅提供Besteffort类型带宽：而type5类型是前四种类型的融合,可以提 供所有类型的带宽，支持所有类型的业务。这五种T-CONT在本文中有时也被分别称为类 型 1、类型 2、类型 3、类型 4 和类型 5 的 T-CONTo3.1.3 GPON实现DBA的过程根据协议,GPON的DBA过程包括以下5个步骤：拥塞状态检测、将拥塞状态汇报给 OLI、OLT根据提供的参数重新进行带宽分配、OLT根据更新的带宽分配信息和TCONT 类型发

10、送授权，在DBA中实现管理信息的协商。DBA过程如图2所示3.图2 GPONDBA过程图根据协议规定，GPON的DBA分为两种模式:一种是ONU向OLT报告自己的状态和 所需的带宽，OLT根据上报的数据对ONU进行DBA，即所谓的基于状态报告的动态带宽 分配(SRDBA，Status Reporting DBA)：另一种是 ONU 不需向 OLT 报告，OLT 由 自己的流量监测功能，实现自动动态的带宽分配，即非基于状态报告的动态带宽分配 (NSR-DBA,Non Status Reporting DBA)。3。2 GEM 封装技术3.2。1 GEM 功能从帧结构封装的角度讲,GEM和其他数据

11、封装方式类似.然而，GEM是嵌入在PON内 部的，与OLT端的SNIs及ONU端的UNIs类型无关(见图3)。也就是说,GEM封装功 能在GPON内部终结,GPON以外的系统无法看到4。图 3 嵌入式 GEM3。2.2 GEM 帧结构GEM帧结构如图4所示，由GEM帧头和净负荷域两部分组成.GEM帧头由PLI （净负 荷长度指示）、Por tID （端口 ID）、PTI （净负荷类型指示）和HEC（头差错校验）组成。 PLI指示的是头部后面的净负荷域的长度为L字节,长度为12bit，最多指示到4095字节， 所以大于这个值的用户数据帧必须要采用分片机制传送。12bit的PortID可以提供40

12、96 个不同的端口，用于支持多端口复用，相当于APON中的VPI 5。TIB：聲V i IH - 5 匚;一 ifLR J图 4 GEM 帧结构PTI用于指示净负荷段的内容类型和相应的处理方式，类似于在ATM用应用。3bit中的 最高位指示是数据帧还是GEM OAM帧，数据帧的最低位比特指示在分片机制中是否是帧 的末端，次低位指示是否发生拥塞.PTI预留了一些编码.HEC为13bit，提供头部的检错和纠错功能.它是BCH （39, 12, 2）码和一个奇偶校验比特的组合.GEM帧头确定后，发送机将该头部和固定的OxOXb6AB31E055进行异或运算，将头部发送出去。接收机使用同样的异或计算回

13、复头部。3.3 GPON 上下行帧结构GPON系统采用固定125us周期的下行帧，以保证整个系统的定时关系。下行帧结构如图 5 所示3。净荷BIP 1字节PCBdPiync4字节Ident 4字节PLOAMd I持节Plend 4字节Head4字节N待字节BIP覆盏区域下一 BIP覆盖区域T 125us净荷卄IPCBdft-2图5下行帧的结构图下行帧是由PCBd和负荷组成.PCBd是下行物理控制块，提供帧同步、定时及动态带宽 分配等OAM功能.PCBd 由以下字段组成:物理同步字段(Physical synchronization field)是固定的32bit样式，ONU逻辑电 路用该字段来

14、发现下行帧的起始位置,用作与OLT的同步。Ide nt字段的低30位包含一个超帧计数器，每个帧的Ide nt将会比前一个大1。当这个 计数器达到它的最大值时,下一个帧计数器将重设置为 0。它主要用于用户数据加密系统， 也可用于提供较低速率的同步参考信号。PLOAMd字段用于传送物理层管理信息。BIP是比特间插奇偶校验8比特码，用作误码 监测。Plend (payload length downstream)字段规定了带宽映射和ATM部分的长度， 该字段被发送两次以保证误差的健壮性。BWmap是一个8字节分配结构的标量数组，该数组的每一项代表一个特殊TCONT 的带宽映射，映射数组中的项数N在P

15、lend字段中已经给出，它主要用于上行带宽分配。如图6所示,GPON系统的上行帧是由许多猝发脉冲组成，每个上行猝发最少应包含PLOUo除了负荷，它还可能包含PLOAMu、PLSu和DBRu字段.OLT通过BWmap中的Flags字段指示是否在每个分配中允许ONU发送PLOAMu、PLSu和DBRu信息。上行帧 的负荷是由ATM负荷、GEM负荷和DBA负荷组成。上疔桢4图 6 为 GTC 的上行帧结构上行物理层开销(PLOu)包含了用于系统同步的前导码和定界符，它允许对上行突发链 路进行适当的操作。PLOAMu字段用于承载上行物理层管理信息。PLSu为功率测量序列，长度120字节， 用于调整光功率。DBRu用于向OLT报告ONU的上行带宽需求，OLT根据报告进行适当 的上行带宽分配.4 结束语与其他接入网技术相比， GPON 能支持现有所有业务类型和满足未来业务的适配要求， 能提供高效率的GEM封装,实现成本较低。业内已公认光纤到家实现三网融合的理想媒介， 而GPON作为现今最先进的接入网技术，是目前实现光纤到家的最佳技术之一。参考文献1 ITU-T G984o 1 General characteristics for Gigabitcable Passive