寬帶PON標(biāo)準(zhǔn)的分析和比較

陳潔　黨梅梅

信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所

　　摘要 EPON和GPON是兩種嶄新的寬帶無源光纖接入技術(shù)，在技術(shù)上非常類似。本文首先介紹了GPON和EPON的相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，并指出ITU和IEEE制定GPON和EPON標(biāo)準(zhǔn)的主要思路，在對這兩種技術(shù)的物理特性、協(xié)議分層結(jié)構(gòu)以及封裝方式等關(guān)鍵技術(shù)分別進行分析的同時，文章也指出了某些關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)的難點和標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)范部分帶來的問題。最后在前面所做分析的基礎(chǔ)上對這兩個標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)和應(yīng)用上的優(yōu)缺點進行了分析和比較。

　　關(guān)鍵詞 PON EPON GPON 標(biāo)準(zhǔn)

　　1 前言

　　無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)是為了支持點到多點應(yīng)用發(fā)展起來的光接入技術(shù)。無源光網(wǎng)絡(luò)由光線路終端（OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成。PON的本質(zhì)特征就是ODN全部由無源光器件組成，不包含任何有源電子器件。PON技術(shù)從窄帶PON發(fā)展到ATM-PON（APON）已經(jīng)經(jīng)過了近10年的時間，從僅支持傳統(tǒng)的窄帶業(yè)務(wù)發(fā)展到可以支持窄帶、寬帶業(yè)務(wù)，速率可以達到下行622 Mbit/s和上行155 Mbit/s。

　　隨著以太網(wǎng)技術(shù)在城域網(wǎng)中的普及以及寬帶接入技術(shù)的發(fā)展，人們又提出了速率高達1 Gbit/s以上的寬帶PON技術(shù)，主要包括EPON和GPON技術(shù)：“E”是指Ethernet，“G”是指吉比特級。EPON和GPON的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別由不同的標(biāo)準(zhǔn)組織負責(zé)制定，其中EPON由IEEE 802.3ah提出，它將Ethernet技術(shù)與PON技術(shù)結(jié)合起來，其目標(biāo)是用最簡單的方式實現(xiàn)一個點到多點結(jié)構(gòu)的吉比特以太網(wǎng)光纖接入系統(tǒng)；GPON技術(shù)則是由ITU進行標(biāo)準(zhǔn)化工作，主要目標(biāo)是實現(xiàn)Gbit/s速率，并能支持多種業(yè)務(wù)，對所有業(yè)務(wù)最優(yōu)化。EPON和GPON雖然僅有一字之差，且都集成了Ethernet技術(shù)和PON技術(shù)，但系統(tǒng)實現(xiàn)原理卻存在很大差別。本文將對這兩個標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特點進行分析和比較。

　　2ITU關(guān)于GPON技術(shù)的G.984系列標(biāo)準(zhǔn)

　　眾所周知，ITU在PON標(biāo)準(zhǔn)化方面一直處于領(lǐng)先地位，關(guān)于APON的ITU G.983系列標(biāo)準(zhǔn)目前已得到廣泛應(yīng)用。GPON的概念最早是由全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)聯(lián)盟（full service access network，F(xiàn)SAN）在2001年提出的，之后在不同組織和廠商的推動下，ITU于2003年1月正式通過并頒布了GPON標(biāo)準(zhǔn)系列中的兩個標(biāo)準(zhǔn)G.984.1和G.984.2。由于GPON標(biāo)準(zhǔn)是ITU在APON標(biāo)準(zhǔn)之后推出的，因此G.984標(biāo)準(zhǔn)系列不可避免地沿用了G.983標(biāo)準(zhǔn)的很多思路。

　　ITU GPON標(biāo)準(zhǔn)系列包含下列標(biāo)準(zhǔn)：

　　G.984.1（G.gpon.gsr）：吉比特級無源光網(wǎng)絡(luò)的總體特性。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范了GPON系統(tǒng)的總體要求，包括OAN的體系結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)類型、SNI和UNI、物理速率、邏輯傳輸距離以及系統(tǒng)的性能目標(biāo)。

　　G.984.2（G.gpon.pmd）：吉比特級無源光網(wǎng)絡(luò)的物理媒質(zhì)相關(guān)（PMD）層規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范了GPON系統(tǒng)的物理層要求。

　　G.gpon.gtc：吉比特級無源光網(wǎng)絡(luò)的傳輸匯聚（TC）層規(guī)范。該建議正處于討論階段，還沒有正式頒布。該建議規(guī)定了GPON的TC子層、幀格式、測距、安全、動態(tài)帶寬分配（DBA）、操作維護管理功能等。

　　G.984.1對GPON提出了總體目標(biāo)，要求ONU的最大邏輯距離差可達20 km，支持的最大分路比為16、32或64，不同的分路比對設(shè)備的要求不同。從分層結(jié)構(gòu)上看，ITU定義的GPON由PMD層和TC層構(gòu)成，分別由G.984.2和G.gpon.gtc進行規(guī)范。

　　在G.984.2中，對GPON的PMD層進行了規(guī)范。系統(tǒng)下行速率為1.244或2.488 Gbit/s，上行速率為0.155、0.622、1.244或2.488 Gbit/s。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在各種速率等級下OLT和ONU光接口的物理特性，提出了1.244 Gbit/s及其以下各速率等級的OLT和ONU光接口參數(shù)。但是對于2.488 Gbit/s速率等級，并沒有定義光接口參數(shù)，原因在于此速率等級的物理層速率較高，對光器件的特性提出了更高的要求，有待進一步研究，從實用性角度看，在PON中實現(xiàn)2.488 Gbit/s速率等級將會比較難。

圖 1 GTC（GPON TC）系統(tǒng)協(xié)議棧

　　在G.gpon.gtc建議中，ITU將TC層又分成了兩個子層：TC成幀子層和TC適配子層，如圖 1所示。對于TC適配子層，規(guī)定了ATM適配和GFP（通用成幀規(guī)程）適配兩種方式。ATM適配方式沿用了G.983系列建議的規(guī)定，以ATM信元承載數(shù)據(jù)流量，可支持各種業(yè)務(wù)。GFP適配方式是在ITU G.7041中定義的一種數(shù)據(jù)封裝和映射方式，它提供了一種承載高層協(xié)議的機制，可以承載基于包的協(xié)議，如IP、PPP、以太網(wǎng)幀，或者承載恒定比特率的業(yè)務(wù)流。GFP在承載高層協(xié)議時要求低層光傳輸網(wǎng)絡(luò)必須是同步的，如SDH、OTN等。因此若采用GFP封裝方式，GTC子層必須是同步的。為了支持電路業(yè)務(wù)，TC子層必須傳送和恢復(fù)8 kHz參考時鐘。GFP封裝方式靈活，在封裝Ethernet業(yè)務(wù)時，省去了IP over ATM的開銷。GFP與ATM適配方式相比，封裝效率高，提高了系統(tǒng)帶寬利用率，業(yè)務(wù)靈活，因此將會成為GPON中一種主要的適配方式。ITU GPON建議中規(guī)定，ONU支持ATM適配或GFP適配方式的一種即可，而OLT必須兩種方式都支持。從這一點上看，ITU在本質(zhì)上沿用了G.983的很多規(guī)定，但GFP封裝方式的采用又使得G.984標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上拋棄了ATM。從互通性上考慮，G.984標(biāo)準(zhǔn)聲稱GPON系統(tǒng)即使工作在ATM方式上，其OLT和ONU也不能與具有相同速率的APON系統(tǒng)進行互通。

　　G.984規(guī)定了GPON上行采用TDMA方式，所有上行數(shù)據(jù)傳輸均由OLT控制。對于最大達20 km的邏輯距離差，最近ONU到OLT的傳輸時延與最遠ONU到OLT的傳輸時延相差100 µs，為了避免不同ONU上行突發(fā)數(shù)據(jù)的碰撞，OLT必須進行測距，根據(jù)往返傳輸時延測量每個ONU到OLT的相對距離。根據(jù)測距時延，調(diào)整每個ONU上行發(fā)送的時刻，使所有ONU到達OLT的時間一致。GPON測距的原理與G.983是完全一致的。

　　在G.gpon.gtc建議中，動態(tài)帶寬分配和QoS沿用了G.983.4的思路，將業(yè)務(wù)分為5種類型，不同的業(yè)務(wù)設(shè)置不同的參數(shù)，根據(jù)參數(shù)檢測擁塞狀態(tài)，分配帶寬，對ONU進行授權(quán)。除DBA、加密功能外，ITU在TC層還定義了一些新的功能，如FEC（前向糾錯）、功率控制等。

　　3IEEE關(guān)于EPON技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)

　　在1998年發(fā)布了吉比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之后，從2000年開始，IEEE通過成立802.3ah即第一英里以太網(wǎng)（ethernet for the first mile，EFM）工作組的方式開始了EPON的標(biāo)準(zhǔn)化工作。EFM指出了以Ethernet技術(shù)為核心的EPON的許多優(yōu)點，包括協(xié)議成熟，技術(shù)簡單，易于擴展，面向用戶等，并堅信Ethernet PON可以消除WAN/LAN連接中ATM和IP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。為了加速EPON的標(biāo)準(zhǔn)化工作，EFM計劃將其工作重點放在EPON的MAC協(xié)議上，其余將主要參照ITU-T G.983建議，因為G.983并不排除非ATM協(xié)議，并留有較大余地，因此G.983的大部分現(xiàn)有內(nèi)容都可以被有效引用，從而能以最快速度完成有關(guān)EPON的標(biāo)準(zhǔn)并投入商用。

　　EFM制定EPON標(biāo)準(zhǔn)的基本原則是盡量在802.3體系結(jié)構(gòu)內(nèi)進行EPON的標(biāo)準(zhǔn)化工作，最小程度地擴充以太網(wǎng)MAC協(xié)議。為了支持PON這一新應(yīng)用和新介質(zhì)，EFM在研究點到點（point to point，P2P）光纖以太網(wǎng)，速率最低1 000Mbit/s，距離至少10 km的基礎(chǔ)上，定義了新的網(wǎng)絡(luò)拓撲和相應(yīng)的物理層：點到多點（point to multi point，P2MP）光纖以太網(wǎng)，速率最低1 000 Mbit/s，距離至少10 km。

　　在EFM制定的EPON標(biāo)準(zhǔn)中，EPON以MAC控制子層的MPCP（multi point control protocol）機制為基礎(chǔ)，MPCP通過消息、狀態(tài)機和定時器來控制訪問P2MP的拓撲結(jié)構(gòu)。MPCP涉及的內(nèi)容包括ONU發(fā)送時隙的分配、ONU的自動發(fā)現(xiàn)和加入、向高層報告擁塞情況以便動態(tài)分配帶寬。P2MP拓撲中的每個ONU都包含一個MPCP實體，它可以和OLT中的MPCP實體進行消息交互。MPCP在OLT和ONU之間規(guī)定了一種控制機制來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的有效發(fā)送和接收：系統(tǒng)運行過程中上行方向在一個時刻只允許一個ONU發(fā)送，位于OLT的高層負責(zé)處理發(fā)送的定時、不同ONU的擁塞報告從而優(yōu)化PON系統(tǒng)內(nèi)部的帶寬分配。P2P仿真子層是EPON/MPCP協(xié)議中的關(guān)鍵組件，通過給每個分組包增加LLID（logical link identification）從而替代2字節(jié)的前綴，它可使P2MP網(wǎng)絡(luò)拓撲對于高層來說表現(xiàn)為多個點對點鏈路的集合。另外，EP0N通過在MAC層中實現(xiàn)802.1p來提供與APON類似的QoS。

EFM還規(guī)定了系統(tǒng)同步方式、ONU的自動識別方式、以太網(wǎng)的管理和維護以及信息安全等功能的實現(xiàn)方式。

　　為了實現(xiàn)系統(tǒng)同步，EPON系統(tǒng)的時鐘同步采用時間標(biāo)簽方式：在OLT側(cè)有一個全局的計數(shù)器，OLT根據(jù)本地計數(shù)器在下行方向插入時鐘標(biāo)簽，ONU根據(jù)收到的時鐘標(biāo)簽修正本地計數(shù)器，完成系統(tǒng)同步；ONU根據(jù)本地的計數(shù)器在上行方向插入時鐘標(biāo)簽，OLT根據(jù)收到的時鐘標(biāo)簽完成測距。

　　EFM對解決ONU的注冊沖突提出了兩種方案：隨機延遲時間法和隨機跳過開窗法。采用隨機延遲時間的方法可以縮短ONU加入系統(tǒng)的時間，但是需要增大注冊開窗的長度，這樣會降低系統(tǒng)的帶寬利用率。采用隨機跳過開窗的方法比采用隨機延遲時間的方法時延要大，但是不需增大注冊開窗，不會影響系統(tǒng)的帶寬利用率。

　　EFM要求EPON應(yīng)具有完整的電信級的管理能力，OLT應(yīng)可以監(jiān)測業(yè)務(wù)網(wǎng)和用戶駐地網(wǎng)之間的物理鏈路和設(shè)備的一些重要的信息。EFM已經(jīng)決定提供的OAM功能包括：遠端錯誤指示，遠端環(huán)回，鏈路監(jiān)視。

　　目前，EFM在EPON標(biāo)準(zhǔn)制定過程中遇到的一個重大難題是EPON是否應(yīng)支持嚴格定時（tight timing），或只應(yīng)支持寬松定時（loose timing）。由于ONU的上行數(shù)據(jù)發(fā)送是非連續(xù)的突發(fā)模式，因此各ONU的數(shù)據(jù)發(fā)送之間具有保護時間，即ONU用于同步和功率調(diào)整的初始開銷時間。由于采用嚴格定時的系統(tǒng)的開銷時間比采用寬松定時的系統(tǒng)的開銷時間短，但在技術(shù)上要求更高，因此嚴格定時的支持者認為支持嚴格定時的EPON系統(tǒng)可傳送高可靠性的業(yè)務(wù)，并可與ITU定義的GPON兼容。但也有一些設(shè)備制造商認為寬松定時的方案更適合EFM制定的規(guī)范。目前EFM尚未決定采用哪種方案。

　　4GPON和EPON標(biāo)準(zhǔn)的比較

表1對GPON和EPON標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)進行了比較。

表1 GPON和EPON標(biāo)準(zhǔn)主要參數(shù)的比較

　　針對GPON和EPON技術(shù)的不同特點，可以對這兩種技術(shù)做出以下分析：

　　GPON支持多種速率等級，可以支持上下行不對稱速率，上行不一定要支持1 Gbit/s以上的速率，因此與EPON只能支持對稱1 Gbit/s的單一速率相比，GPON對光器件的要求較低，從而可降低成本。

　　EPON只支持Class A和B的ODN等級，而GPON可支持Class A、B和C，因此GPON可支持高達128的分路比和長達20 km的傳輸距離。

　　單從協(xié)議上比較，因為EPON標(biāo)準(zhǔn)是以802.3體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，因此與GPON標(biāo)準(zhǔn)相比其協(xié)議分層更簡單，系統(tǒng)實現(xiàn)更容易。鑒于目前以太網(wǎng)芯片的成熟性，其系統(tǒng)成本更低，對于接入網(wǎng)產(chǎn)品來講這一特點使EPON產(chǎn)品比GPON產(chǎn)品更具有競爭力。

　　ITU在制定GPON標(biāo)準(zhǔn)過程中沿用了APON標(biāo)準(zhǔn)G.983的很多概念，與EFM制定的EPON標(biāo)準(zhǔn)相比其標(biāo)準(zhǔn)更完善。但由于其增加了TC子層，因此也相應(yīng)增加了一定的開銷，這在一定程度上違背了希望能夠借助Ethernet技術(shù)簡單、經(jīng)濟的特點這一初衷。因此如何規(guī)定一個高效率的TC層機制將成為ITU在制定GPON標(biāo)準(zhǔn)中的一個關(guān)鍵。目前ITU各組織成員對關(guān)于TC子層的GPON規(guī)范意見并不統(tǒng)一，完整的標(biāo)準(zhǔn)計劃在2003年10月召開的會議上討論。

　　GPON標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TC子層可以采用ATM和GFP兩種封裝方式，其中GFP封裝方式適于承載IP/PPP等基于包的高層協(xié)議，但對于為了支持ATM業(yè)務(wù)而定義的ATM封裝方式在以Ethernet為基礎(chǔ)的GPON系統(tǒng)中是否合適，還有待商榷。

　　在Ethernet上承載TDM業(yè)務(wù)的技術(shù)并不成熟，很難滿足電信級的QoS要求，因此EPON為了能夠承載TDM業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)必須設(shè)計新的MAC機制并增加新的軟硬件。而GPON由于其設(shè)計的TC子層結(jié)構(gòu)和ATM封裝方式，能夠比較容易地支持TDM業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)。但如果GPON標(biāo)準(zhǔn)中不采用ATM封裝方式，只支持GFP封裝方式，因為傳統(tǒng)的GFP封裝方式并不適合承載TDM業(yè)務(wù)，所以GPON和EPON一樣都會面臨如何承載TDM業(yè)務(wù)的問題，但勿庸置疑的是其承載方式必須與Ethernet技術(shù)充分兼容。如何在Ethernet上承載TDM業(yè)務(wù)并能提供電信級的服務(wù)質(zhì)量保證將成為ITU和EFM這兩個標(biāo)準(zhǔn)組織在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中的一個難題。

　　5結(jié)束語

　　PON技術(shù)是目前最經(jīng)濟和最有發(fā)展?jié)摿Φ某墒旒夹g(shù)之一，只要能制定出一種高效率的媒質(zhì)接入控制協(xié)議再集成了吉比特以太網(wǎng)的優(yōu)點，相信EPON/GPON技術(shù)將會成為一種非常優(yōu)秀的寬帶接入解決方案，為最終實現(xiàn)FTTx打下堅實的基礎(chǔ)。

　　完成EPON和GPON標(biāo)準(zhǔn)的制定還需要很長的時間，但是，鑒于它們在寬帶接入方面的巨大優(yōu)勢，運營商和設(shè)備供應(yīng)商都非常希望有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作能盡快取得進展。

參考文獻

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2 ITU G.984.2.Gigabit-capable passive optical networks (GPON):Physical media dependent (PMD) layer specification,2003

3 ITU G.gpon.gtc.Gigabit-capable passive optical networks (GPON)：transmission convergence layer specification(draft)，2003

4 IEEE Draft P802.3ah TM/D1.3，2003

----《電信科學(xué)》