GPON技術(shù)及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

一、GPON技術(shù)的提出

GPON（Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork，吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)是無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）家族中一個重要的技術(shù)分支，其它類似技術(shù)包括APON/BPON和EPON技術(shù)等。GPON是當(dāng)前和未來2到3年內(nèi)最受關(guān)注的光接入技術(shù)之一。

GPON的概念最早由FSAN（FullServiceAccessNetwork，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)聯(lián)盟）在2001年提出，在此之前，F(xiàn)SAN/ITU還提出并標(biāo)準(zhǔn)化了APON/BPON技術(shù)（ITU-T G.983.x系列標(biāo)準(zhǔn)），IEEE也已經(jīng)開始EPON技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作并很快于2003年正式發(fā)布IEEE 802.3ah，這標(biāo)志著EPON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作的完成。FSAN/ITU推出GPON技術(shù)的最大原因是由于網(wǎng)絡(luò)IP化進(jìn)程加速和ATM技術(shù)的逐步萎縮導(dǎo)致之前基于ATM技術(shù)的APON/BPON技術(shù)在商用化和實用化方面嚴(yán)重受阻，迫切需要一種高傳輸速率、適宜IP業(yè)務(wù)承載同時具有綜合業(yè)務(wù)接入能力的光接入技術(shù)出現(xiàn)。在這樣的背景下，F(xiàn)SAN/ITU以APON標(biāo)準(zhǔn)為基本框架，重新設(shè)計了新的物理層傳輸速率和TC層， 
推出了新的GPON技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

二、GPON系統(tǒng)的構(gòu)成

和其它PON技術(shù)類似，GPON也是一種采用點到多點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無源光接入技術(shù)，由局側(cè)的OLT（OpticalLineTerminal，光線路終端）、用戶側(cè)的ONU（OpticalNetwork Unit，光網(wǎng)絡(luò)單元）以及ODN（Optical Distribution Network，光分配網(wǎng)絡(luò)）組成。所謂“無源”，是指ODN中不含有任何有源電子器件及電子電源，全部由光纖和光分/合路器（Splitter）等無源光器件組成，沒有昂貴的有源電子設(shè)備。

GPON在下行方向（OLT到ONU）采用TDM廣播方式、上行方向（ONU到OLT）采用TDMA（時分多址接入）方式，可以靈活地組成樹型、星型、總線型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中典型結(jié)構(gòu)為樹形結(jié)構(gòu)。GPON系統(tǒng)要求OLT和ONU之間的光傳輸系統(tǒng)使用符合ITU-TG.652標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖，上下行一般采用波分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)單纖雙向的上下行傳輸，上行使用1260nm～1360nm波長，下行使用1480nm～1500nm波長。此外，GPON系統(tǒng)還可以采用第三波長方式（1540nm～1560nm波長）實現(xiàn)CATV業(yè)務(wù)的承載。

GPON系統(tǒng)的ONU/ONT（ONT是用于FTTH并具有用戶端口功能的ONU）可放置在交接箱、樓宇/分線盒、公司/辦公室和家庭等不同的位置，形成FTTCab（光纖到交接箱）、FTTB/C（光纖到樓宇/分線盒）、FTTO（光纖到辦公室）和FTTH（光纖到家庭用戶）等不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

總的來說，GPON具有如下主要技術(shù)特點：

1）業(yè)務(wù)支持能力強，具有全業(yè)務(wù)接入能力。GPON系統(tǒng)可以提供包括64kbit/s業(yè)務(wù)、E1電路業(yè)務(wù)、ATM業(yè)務(wù)、IP業(yè)務(wù)和CATV等在內(nèi)的全業(yè)務(wù)接入能力，是提供語音、數(shù)據(jù)和視頻綜合業(yè)務(wù)接入的理想技術(shù)。

2）可提供較高帶寬和較遠(yuǎn)的覆蓋距離。GPON系統(tǒng)可以提供下行2.488Gbit/s，上行1.244Gbit/s的帶寬。此外，GPON系統(tǒng)中一個OLT可以支持64個ONU并支持20km傳輸。

3）帶寬分配靈活，有服務(wù)質(zhì)量保證。GPON系統(tǒng)中采用的DBA算法可以靈活調(diào)用帶寬，能夠保證各種不同類型和等級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

4）ODN的無源特性減少了故障點，便于維護(hù)。GPON系統(tǒng)在光傳輸過程中不需要電源，沒有電子部件，因此容易鋪設(shè)，并避免了電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設(shè)備的故障率，簡化了供電，在很大程度上節(jié)省了運營成本和管理成本。

5）PON可以采用級聯(lián)的ODN結(jié)構(gòu)，即多個光分路器可以進(jìn)行級聯(lián)，大大節(jié)約了主干光纜。

6）系統(tǒng)擴展容易，便于升級。PON系統(tǒng)模塊化程度高，對局端資源占用很少，樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使系統(tǒng)擴展容易。

三、GPON的關(guān)鍵技術(shù)

1.協(xié)議棧

GPON系統(tǒng)的協(xié)議棧主要由物理媒質(zhì)相關(guān)（PMD）層和GPON傳輸匯聚（GTC）層組成。GTC層包括兩個子層：GTC成幀子層和TC適配子層。GTC層可分為兩種封裝模式：ATM模式和GEM模式，目前GPON設(shè)備基本都采用GEM模式。GEM模式的GTC層可為其客戶層提供3種類型的接口：ATM客戶接口、GEM客戶接口和ONT管理和控制接口（OMCI）。

2.PMD層

GPON的PMD層對應(yīng)于OLT和ONU之間的光傳輸接口（也稱為PON接口），其具體參數(shù)值決定了GPON系統(tǒng)的最大傳輸距離和最大分路比。 OLT和ONU的發(fā)送光功率、接收機靈敏度等關(guān)鍵參數(shù)主要根據(jù)系統(tǒng)支持的ODN類型來進(jìn)行劃分。根據(jù)允許衰減范圍的不同，ODN類型主要分為A、B、C三大類，結(jié)合目前實際應(yīng)用需求和光收發(fā)模塊的實際能力工業(yè)界還定義了B+類，擴展了GPON系統(tǒng)支持的最大分路比。ODN分類見表1，目前B+類ODN是主流。

　　表1　ODN分類

ODN類型衰減范圍　光通道損耗差

A類　　　5～20dB　　　　

B類　　　10～25dB

B+類　　13～28dB　　　　15dB

C類　　　15～30dB

GPON的標(biāo)稱線路速率(下行/上行)有多種，具體包括：

●1244.16Mbit/s/155.52Mbit/s；

●1244.16Mbit/s/622.08Mbit/s；

●1244.16Mbit/s/1244.16Mbit/s；

●2488.32Mbit/s/155.52Mbit/s；

●2488.32Mbit/s/622.08Mbit/s；

●2488.32Mbit/s/1244.16Mbit/s；

●2488.32Mbit/s/2488.32Mbit/s。

目前主流廠家的GPON產(chǎn)品均支持2488.32Mbit/s/1244.16Mb  it/s，并且在20km傳輸距離下支持1:64分路比。

3.TC層

TC層（也稱為GTC層）是GPON的核心層，主要完成上行業(yè)務(wù)流的媒質(zhì)接入控制和ONU注冊這兩個關(guān)鍵功能。GTC層包括兩個子層：GTC成幀子層和TC適配子層。

（1）GTC成幀子層

GTC成幀子層包括3個功能：

●復(fù)用和解復(fù)用。PLOAM和GEM部分根據(jù)幀頭指示的邊界信息復(fù)用到下行TC幀中，并可以根據(jù)幀頭指示從上行TC幀中提取出PLOAM和GEM部分。

●幀頭生成和解碼。下行幀的TC幀頭按照格式要求生成，上行幀的幀頭會被解碼。此外還要完成嵌入式OAM。

●基于Alloc-ID的內(nèi)部路由功能�；�于Alloc-ID的內(nèi)部標(biāo)識為來自/送往GEMTC適配器的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由。

（2）GTC適配子層功能

適配子層提供了3個TC適配器，即ATMTC適配器、GEMTC適配器和OMCI適配器。ATM/GEMTC適配器生成來自GTC成幀子層各ATM/GEM塊的PDU，并將這些PDU映射到相應(yīng)的塊。

（3）動態(tài)帶寬分配（DBA）與業(yè)務(wù)QoS管理

GTC系統(tǒng)根據(jù)T-CONT管理業(yè)務(wù)流，每個T-CONT由Alloc-ID標(biāo)識。一個T-CONT可包含一個或多個GEMPort-ID。OLT 監(jiān)控每個T-CONT的流量負(fù)載，并調(diào)整帶寬分配來更好地分配PON帶寬資源。PON帶寬資源的分配分為動態(tài)或靜態(tài)兩種方式，在動態(tài)資源分配方式中， OLT通過檢查來自O(shè)NU的DBA報告和/或通過輸入業(yè)務(wù)流的自監(jiān)測來了解擁塞情況，然后分配足夠的資源。在靜態(tài)資源分配方式中，OLT根據(jù)配置信息為業(yè)務(wù)流預(yù)留固定帶寬。

DBA功能可提供各種不同的QoS。GPONTC層規(guī)定了5種T-CONT（Type1，2，3，4，5），DBA功能在各T-CONT中實現(xiàn)。GEM模式中，GEM連接由GEM-Port標(biāo)識，并根據(jù)QoS要求由一種T-CONT類型承載。DBA功能分為下面幾個部分：

●OLT和/或ONU檢測擁塞狀態(tài)；

●向OLT報告擁塞狀態(tài)；

●OLT根據(jù)提供的參數(shù)更新帶寬分配；

●OLT根據(jù)更新的帶寬分配和T-CONT類型發(fā)送授權(quán)；

●發(fā)送DBA操作管理信息。

4.OMCI

OLT通過OMCI（ONT管理控制接口）來控制ONT。協(xié)議允許OLT進(jìn)行下列動作：

1）建立和釋放與ONT之間的連接；

2）管理ONT上的UNI；

3）請求配置信息和性能統(tǒng)計；

4）向系統(tǒng)管理員自動上報事件，如鏈路故障。

OMCI協(xié)議在OLT控制器和ONT控制器之間的GEM連接上運行，該連接在ONT初始化時建立。OMCI協(xié)議是異步的：OLT上的控制器是“主”，ONT上的控制器是“從”。一個OLT控制器通過在不同的控制信道上使用多個協(xié)議實例來控制多個ONT。

OMCI在下面幾個方面對ONT進(jìn)行管理：

1）配置管理：提供了控制、識別、從ONT收集數(shù)據(jù)和向ONT提供數(shù)據(jù)的功能；

2）故障管理：支持有限的故障管理功能，大多數(shù)操作僅限于進(jìn)行故障指示；

3）性能管理：主要是性能監(jiān)控；

4）安全管理：使能/去使能下行加密功能、全光纖保護(hù)倒換能力管理。

5.ONU激活注冊

在ONU能正常工作前必須完成激活注冊過程。

GPON協(xié)議基于ONU的序列號來識別和配置ONU，有些運營商會通過運維系統(tǒng)根據(jù)ONU的序列號對其進(jìn)行預(yù)配置，這時通常采用直接激活ONU的方式。而在其它情況下，不能提前獲知ONU的序列號，因此OLT需要具有自動發(fā)現(xiàn)ONU的機制。

激活ONU的事件有3個：

a）網(wǎng)絡(luò)運營商在得知新的ONU連接到網(wǎng)絡(luò)后，從運維系統(tǒng)啟動激活過程；

b）當(dāng)有ONU從工作狀態(tài)丟失時，OLT就自動啟動激活過程。查詢頻率可由運維系統(tǒng)設(shè)定；

c）OLT周期發(fā)起激活過程，查詢頻率可由運維系統(tǒng)設(shè)定。

ONU的激活過程包括：OLT和ONU之間協(xié)商工作參數(shù)、測量OLT和ONU之間的邏輯距離、建立上下行通信通道。對OLT和ONU之間邏輯距離的測量即測距。GPON采用帶內(nèi)方式對在線系統(tǒng)中的ONU進(jìn)行測距。對新加入到系統(tǒng)中的ONU進(jìn)行測距時，已工作的ONU應(yīng)暫停發(fā)送信號，以打開一個測距窗口。該窗口的大小與新加入系統(tǒng)的ONU的距離有關(guān)，如果能預(yù)先知道新加入系統(tǒng)的ONU的距離則可以減小測距窗口。ONU的激活過程由OLT控制，其激活過程大致如下：

●ONU通過Upstream_Overhead消息接收工作參數(shù)；

●ONU根據(jù)接收到的工作參數(shù)調(diào)整自己的參數(shù)（如：發(fā)送光功率）；

●OLT通過Serial_NumberAcquisition流程發(fā)現(xiàn)新ONU的序列號；

● OLT給所有新

ONU分配ONU-ID；

●OLT測量新ONU的均衡時延；

●OLT將測量的均衡時延傳送給ONU；

●ONU根據(jù)均衡時延調(diào)整其上行幀的發(fā)送起始點。

以上激活過程是通過交互上下行標(biāo)記（flag）以及PLOAM消息來完成的。在正常工作狀態(tài)下，所有傳輸信號都可以被用來監(jiān)測信號到達(dá)的相位。通過監(jiān)測傳輸信號的相位，可以更新均衡時延。

ONU注冊由自動發(fā)現(xiàn)流程完成。ONU注冊有兩種方式：“配置S/N”方式是通過管理系統(tǒng)（如NMS和/或EMS）在OLT注冊O(shè)NU序列號，“發(fā)現(xiàn)S/N”方式是不通過管理系統(tǒng)（如NMS和/或EMS）在OLT注冊O(shè)NU序列號。

四、TDM業(yè)務(wù)承載

GPON可通過2種方式承載TDM業(yè)務(wù)（如E1），一種是Native方式也被稱為TDMoverGEM方式，另外一種是CESoPover GEM。

1.Native方式

Native方式是利用可變的GEM幀來直接封裝TDM幀。具有相同Port-ID的TDM數(shù)據(jù)分組會匯聚到TC上層。凈荷部分包含L字節(jié)的TDM塊。

TDM業(yè)務(wù)到GEM幀的映射允許GEM幀長根據(jù)TDM業(yè)務(wù)的頻率偏移進(jìn)行變化。TDM段的長度由PLI域指示。

TDM源適配進(jìn)程應(yīng)該在輸入緩存中對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊，每當(dāng)有幀到達(dá)（即每125us），GEM幀復(fù)用實體將記錄當(dāng)前GEM，幀中準(zhǔn)備發(fā)送的字節(jié)數(shù)量。一般情況下，PLI將根據(jù)TDM標(biāo)稱速率指示一個固定字節(jié)數(shù)，但經(jīng)常需要多傳送或少傳送一些字節(jié)，這一點將在PLI域中反映出來。

如果輸出頻率比輸入信號頻率快，則輸入緩存器開始清空，填充最終降到低門限以下。這時，從輸入緩存器少讀取一些字節(jié)，填充將上升至低門限以上。相反的，如果輸出頻率比輸入信號頻率慢，則輸入緩存器開始填滿，填充最終上升到高門限以上。這時，從輸入緩存器多讀取一些字節(jié)，填充將降至高門限以下。

2.CESoPoverGEM方式

CESoP（CircuitEmulationoverPacket Switched Net）技術(shù)是在有管理的分組交換網(wǎng)絡(luò)（PSN）上搭建通道來傳送TDM業(yè)務(wù)。CESoP over GEM方式的基本思路是先采用CESoP技術(shù)將TDM業(yè)務(wù)封裝到以太網(wǎng)/IP幀的凈荷中，再將以太網(wǎng)/IP幀封裝到GEM幀在OLT和ONU之間傳遞。

五、GPON的標(biāo)準(zhǔn)化情況

目前，ITU-T在FSAN的幫助下，已經(jīng)為GPON技術(shù)陸續(xù)制定完成了ITU-TG.984.x系列標(biāo)準(zhǔn)，具體包括：

●ITU-TG.984.1：Gigabit-capablePassiveOptical Networks（GPON）：General characteristics；

●ITU-TG.984.2：Gigabit-capablePassiveOptical Networks（GPON）：Physical Media Dependent（PMD）layer specification；

●ITU-TG.984.3：Gigabit-capablePassiveOptical Networks（GPON）：Transmission convergence layer specification；

●ITU-TG.984.4：Gigabit-capablePassiveOptical Networks（GPON）：ONT management and control interface specification。
 
　　上述4個標(biāo)準(zhǔn)涉及了GPON的總體特性、物理層、TC層和ONU管理等方面。其中物理層和TC層的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容已經(jīng)基本穩(wěn)定，目前的關(guān)注重點在 G.984.4規(guī)范的OMCI上，對OLT如何集中遠(yuǎn)程控制ONU、具體被管對象和內(nèi)容紛紛提出多種方案，相關(guān)的增補文件也在不斷發(fā)布。我國設(shè)備制造商如華為、中興等和其它研究機構(gòu)對該領(lǐng)域也有濃厚的興趣，多篇技術(shù)文稿被陸續(xù)采納。此外，對于業(yè)務(wù)和應(yīng)用層面的管理是通過繼續(xù)擴展OMCI能力還是通過TR069來實現(xiàn)也是目前存在較大爭議的技術(shù)點。

六、結(jié)束語

高帶寬、長距離、全業(yè)務(wù)接入能力、嚴(yán)格的QoS保證機制使電信運營商對GPON技術(shù)寄予了厚望，視其為下一代光接入網(wǎng)的主流實現(xiàn)技術(shù)之一。在底層協(xié)議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如PMD層、TC層標(biāo)準(zhǔn)由國外廠商主導(dǎo)的情況下，OMCI將是比較適合加入我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)色彩的技術(shù)突破點。