GPON系統(tǒng)的關鍵技術

1、淺析GPON系統(tǒng)的關鍵技術圖 ( 2012/3/29 11:27 )摘要：本文首先介紹了吉比特無源光網絡(GPON)的系統(tǒng)結構，隨后就GPON的幾個關鍵技術：動態(tài)帶寬分配、GEM封裝技術、幀結構作了詳細論述，最后肯定了GPON在未來光纖接入網中的發(fā)展前景。1  引言隨著Internet的持續(xù)快速發(fā)展和個人電腦的普及，各種增值的多媒體和IP業(yè)務激增，業(yè)已存在xDSL接入技術無法滿足其巨大的帶寬需求，接入網成為整個網絡發(fā)展的“瓶頸”?？紤]到這個現實，全業(yè)務接入網聯(lián)盟(FSAN: Full Service Access Network)從2001年1月開始了lGb/s以上的PON系統(tǒng)的標準

2、研究。FSAN試圖尋求一種分配靈活、可規(guī)劃、高速率、高效率、低成本以及具有豐富的業(yè)務和帶寬管理能力，能有效的支持現有和未來各種業(yè)務的全業(yè)務接入方案，逐漸形成了GPON系列標準規(guī)范。2  GPON的參考配置GPON的網絡結構由GPON的局端設備OLT (Optical Line Termination)、遠程接入設備ONT (OpticalNetwork Unit)以及ODN(Optical Distributiont Network)所組成，其中ODN不含有任何有源電子器件，ODN全部光分支設備都由無源光分支器(Splitter)等無源器件組成，不需貴重的有源設備。在GPON網絡結構

3、中，一個OLT可以有多個GPON模塊，每一個模塊均可引出一個獨立的GPON接入網絡，并由無源光分支器和光纖連接到多個不同類型的ONU上，如圖1所示l。圖l GPON系統(tǒng)參考配置GPON的局端設備OLT主要負責與廣域網或骨干城域網的高速連接，并把高速連接的數據信息通過ODN傳給遠程接入設備ONU。作為一個高性能的光網絡平臺，在GPON構架上支持IP/SONET/SDH/ATM/CWDM等傳輸格式的分組數據與TDM應用，并可透明地傳輸上述應用業(yè)務，滿足TDM對實時性、抖動性的嚴格要求，有完整的服務保障機制和故障處理能力，下行速率高達1.244Gb/s或2.488Gb/S。遠程接入設備ONU主要負責

4、與用戶端設備的連接，起到匯聚用戶端多業(yè)務數據流的作用，能以分組數據、TDM業(yè)務流原有格式透明地傳輸，保障了業(yè)務性能的完整性與統(tǒng)一性，并為用戶提供豐富的網絡接口類型與標準速率，滿足用戶對多業(yè)務的需要。ODN負責無源光纖接入線路的數據信號傳輸，它的傳輸距離比有源光纖接入系統(tǒng)的要短，覆蓋范圍在40km以內，組網結構靈活，無需另設機房，維護相對簡單。所以，這種接入網結構可經濟地為各類用戶提供全業(yè)務接入服務。3  GPON的關鍵技術3.1  動態(tài)帶寬分配(DBA)動態(tài)帶寬分配(DBA)技術是指通過GPON系統(tǒng)中各個ONU的上行使用帶寬實時動態(tài)的改變來適應用戶速率的各種變化，以提高系統(tǒng)

5、的帶寬利用率的技術。PON系統(tǒng)的上行接入一般采用中央控制按需分配和固定分配相結合的方式，也就是ITU-T G983.4規(guī)定的靜態(tài)帶寬分配和動態(tài)帶寬分配兩種方式，按照業(yè)務等級進行優(yōu)先級分配。對于GPON中的數據通信這種變速率業(yè)務，用靜態(tài)帶寬分配是不合適的，需要通過動態(tài)帶寬分配使系統(tǒng)帶寬利用率大幅度提高，即DBA技術根據ONU的突發(fā)業(yè)務的要求，通過在ONU之間動態(tài)調節(jié)帶寬來提高上行帶寬利用效率。根據GPON的特點和G983建議，可以知道動態(tài)帶寬分配的具體要求是：業(yè)務要透明、帶寬利用率盡量高、具備低抖動與時延特性、公平分配帶寬、信號健壯、實時性強、保證不同業(yè)務的QoS等。3.1.1帶寬類型GPON標

6、準沿用了BPON中對QoS支持的規(guī)定。ITU-T在BPON標準G.983.4和GPON標準G984.3中明確提出了四種優(yōu)先級別的帶寬2。它們分別是Fixed、Assured、Non-assured和Best-effort四種類型的帶寬，也就是固定類型、確保類型、非確保類型和盡力而為類型的帶寬。同時，GPON上行系統(tǒng)中帶寬分配基本單元的傳輸容器(T-CONT)則按照其使用的帶寬類型組合一共分為五種類型?；跇I(yè)務等級的優(yōu)先級分配方案能夠在實現高效的DBA的同時為業(yè)務提供良好的QoS保障，所以，清晰地認識到各種帶寬資源的特性以及理解T-CONT的適用范圍對DBA有著重要意義。3.1.2傳輸容器T-C

7、ONT前面指出了GPON有四種類型的帶寬，每種類型的帶寬都可以支持一定的QoS要求的業(yè)務：而T_CONT通過為業(yè)務提供特定類型的帶寬間接保證該業(yè)務的QoS要求。一種T-CONT能否支持某種QOS要求的業(yè)務，完全取決于該T-CONT能否提供滿足該業(yè)務QoS要求的帶寬。如果該T-CONT提供滿足某業(yè)務QoS要求的帶寬，就可以承載該業(yè)務。在五種類型的T-CONT中，type l類型T-CONT僅提供Fixed類型的帶寬；type 2類型僅提供Assured類型的帶寬：type3類型提供Assured類型和Non-assured類型的帶寬；tyPe4類型僅提供Best-effort類型帶寬：而type

8、5類型是前四種類型的融合，可以提供所有類型的帶寬，支持所有類型的業(yè)務。這五種T-CONT在本文中有時也被分別稱為類型1、類型2、類型3、類型4和類型5的T-CONT。3.1.3 GPON實現DBA的過程根據協(xié)議，GPON的DBA過程包括以下5個步驟：擁塞狀態(tài)檢測、將擁塞狀態(tài)匯報給OLI、OLT根據提供的參數重新進行帶寬分配、OLT根據更新的帶寬分配信息和T-CONT類型發(fā)送授權，在DBA中實現管理信息的協(xié)商。DBA過程如圖2所示3。圖2 GPONDBA過程圖根據協(xié)議規(guī)定，GPON的DBA分為兩種模式：一種是ONU向OLT報告自己的狀態(tài)和所需的帶寬，OLT根據上報的數據對ONU進行DBA，即所謂

9、的基于狀態(tài)報告的動態(tài)帶寬分配(SR-DBA，Status Reporting DBA):另一種是ONU不需向OLT報告，OLT由自己的流量監(jiān)測功能，實現自動動態(tài)的帶寬分配，即非基于狀態(tài)報告的動態(tài)帶寬分配(NSR-DBA，Non Status Reporting DBA)。3.2 GEM封裝技術3.2.1  GEM功能從幀結構封裝的角度講，GEM和其他數據封裝方式類似。然而，GEM是嵌入在PON內部的，與OLT端的SNIs及ONU端的UNls類型無關（見圖3）。也就是說，GEM封裝功能在GPON內部終結，GPON以外的系統(tǒng)無法看到4。圖3嵌入式GEM3.2.2 GEM幀結構GEM幀結構

10、如圖4所示，由GEM幀頭和凈負荷域兩部分組成。GEM幀頭由PLI（凈負荷長度指示）、PortID（端口ID）、PTI（凈負荷類型指示）和HEC（頭差錯校驗）組成。PLI指示的是頭部后面的凈負荷域的長度為L字節(jié)，長度為12bit，最多指示到4095字節(jié)，所以大于這個值的用戶數據幀必須要采用分片機制傳送。12bit的PortID可以提供4096個不同的端口，用于支持多端口復用，相當于APON中的VPI5。圖4 GEM幀結構PTI用于指示凈負荷段的內容類型和相應的處理方式，類似于在ATM用應用。3bit中的最高位指示是數據幀還是GEM OAM幀，數據幀的最低位比特指示在分片機制中是否是幀的末端，次低

11、位指示是否發(fā)生擁塞。PTI預留了一些編碼。HEC為13bit，提供頭部的檢錯和糾錯功能。它是BCH (39，12，2)碼和一個奇偶校驗比特的組合。GEM幀頭確定后，發(fā)送機將該頭部和固定的OxOXb6AB31E055進行異或運算，將頭部發(fā)送出去。接收機使用同樣的異或計算回復頭部。3.3  GPON上下行幀結構GPON系統(tǒng)采用固定125us周期的下行幀，以保證整個系統(tǒng)的定時關系。下行幀結構如圖5所示3。圖5下行幀的結構圖下行幀是由PCBd和負荷組成。PCBd是下行物理控制塊，提供幀同步、定時及動態(tài)帶寬分配等OAM功能。PCBd由以下字段組成：物理同步字段(Physical synchro

12、nization field)是固定的32bit樣式，ONU邏輯電路用該字段來發(fā)現下行幀的起始位置，用作與OLT的同步。Ident字段的低30位包含一個超幀計數器，每個幀的Ident將會比前一個大1。當這個計數器達到它的最大值時，下一個幀計數器將重設置為0。它主要用于用戶數據加密系統(tǒng)，也可用于提供較低速率的同步參考信號。PLOAMd字段用于傳送物理層管理信息。BIP是比特間插奇偶校驗8比特碼，用作誤碼監(jiān)測。Plend (payload length downstream)字段規(guī)定了帶寬映射和ATM部分的長度，該字段被發(fā)送兩次以保證誤差的健壯性。BWmap是一個8字節(jié)分配結構的標量數組，該數組的

13、每一項代表一個特殊T-CONT的帶寬映射，映射數組中的項數N在Plend字段中已經給出，它主要用于上行帶寬分配。如圖6所示，GPON系統(tǒng)的上行幀是由許多猝發(fā)脈沖組成，每個上行猝發(fā)最少應包含PLOu。除了負荷，它還可能包含PLOAMu、PLSu和DBRu字段。OLT通過BWmap中的Flags字段指示是否在每個分配中允許ONU發(fā)送PLOAMu、PLSu和DBRu信息。上行幀的負荷是由ATM負荷、GEM負荷和DBA負荷組成。圖6為GTC的上行幀結構上行物理層開銷(PLOu)包含了用于系統(tǒng)同步的前導碼和定界符，它允許對上行突發(fā)鏈路進行適當的操作。PLOAMu字段用于承載上行物理層管理信息。PLSu為

14、功率測量序列，長度120字節(jié)，用于調整光功率。DBRu用于向OLT報告ONU的上行帶寬需求，OLT根據報告進行適當的上行帶寬分配。4 結束語與其他接入網技術相比，GPON能支持現有所有業(yè)務類型和滿足未來業(yè)務的適配要求，能提供高效率的GEM封裝，實現成本較低。業(yè)內已公認光纖到家實現三網融合的理想媒介，而GPON作為現今最先進的接入網技術，是目前實現光纖到家的最佳技術之一。參考文獻l ITU-T G984.1 General characteristics for Gigabit-cable Passive Optical Networks (GPON). Jan. 20032 ITU-T Recommendation G984.3 Gigabit-capable Passive Optical Network:  Transmission Convergence Layer Specification.Feb 2004: 89-943 王欣，郭祈，顧碗儀GPON中面向多等級服務的動