第一章寬帶接入網(wǎng)&GPON

所謂“寬帶接入”是指用戶需要通過一定的基礎網(wǎng)絡支持,實現(xiàn)用戶和Internet的高速聯(lián)接。用戶實現(xiàn)寬帶接入Internet技術(shù)可以分為兩個步驟：用戶寬帶接入通信網(wǎng)絡和通過通信網(wǎng)絡實現(xiàn)用戶寬帶接入Internet。由于包括歷史原因等在內(nèi)的多種因素，從通信基礎網(wǎng)絡到用戶端“最后一公里”成為寬帶接入的“瓶頸”。

目前，用戶接入Internet可以采用多種方式，包括光纖接入到家庭（FTTH）方式、光纖到大樓＋大樓綜合布線接入（FTTB+LAN）方式、光纖到大樓或小區(qū)＋用戶雙絞銅線接入（FTTB/FTTC+xDSL）方式、光纖混合銅軸接入（HFC）方式以及無線局域網(wǎng)接入（WLAN）方式。寬帶接入網(wǎng)

光接入網(wǎng)包括有源光網(wǎng)絡和無源光網(wǎng)絡（PON），其中無源光網(wǎng)絡在接入網(wǎng)中更具有誘人的前景。PON（PassiveOpticalNetwork：無源光纖網(wǎng)絡）。PON（無源光網(wǎng)絡）是指（光配線網(wǎng)中）不含有任何電子器件及電子電源，ODN全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成，不需要貴重的有源電子設備。一個無源光網(wǎng)絡包括一個安裝于中心控制站的光線路終端（OLT），以及一批配套的安裝于用戶場所的光網(wǎng)絡單元（ONUs）。在OLT與ONU之間的光配線網(wǎng)（ODN）包含了光纖以及無源分光器或者耦合器。

PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由中心局的光線路終端(OLT:OpticalLineTerminal)、包含無源光器件的光分配網(wǎng)(ODN:OpticalDistributionNetwork)、用戶端的光網(wǎng)絡單元/光網(wǎng)絡終端(ONU/ONTOpticalNetworkUnit/OpticalNetworkTerminal)組成，其區(qū)別為ONT直接位于用戶端，而ONU與用戶之間還有其它網(wǎng)絡，如以太網(wǎng))以及網(wǎng)元管理系統(tǒng)(EMS)組成，通常采用點到多點的樹型拓撲結(jié)構(gòu)。寬帶接入網(wǎng)在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上，PON多采用無源雙星或樹型結(jié)構(gòu)，并使用特殊的點對多點多址協(xié)議，使得眾多的光網(wǎng)絡單元共享光纖線路終端、眾多的用戶共享光網(wǎng)絡單元，以降低光接入網(wǎng)的初建成本。在傳輸方案上，PON使用1310nm和1550nm波長區(qū)來傳輸信號，光網(wǎng)絡單元到端局的距離可長達20km。在復用技術(shù)上，下行方向采用時分復用（TDM）技術(shù)，上行方向執(zhí)行TDMA協(xié)議。寬帶接入網(wǎng)GPON（Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork，吉比特無源光網(wǎng)絡）技術(shù)是無源光網(wǎng)絡（PON）家族中一個重要的技術(shù)分支。GPON的概念最早由FSAN（FullServiceAccessNetwork，全業(yè)務接入網(wǎng)聯(lián)盟）在2001年提出。ITU-T根據(jù)FSAN組織關(guān)于G比特業(yè)務需求的研究報告，重新制定了PON網(wǎng)絡所要達到的關(guān)鍵指標，同時借鑒APON技術(shù)的研究成果，開始進行新一代PON技術(shù)標準的研究工作，于2003年討論通過了GPON（GigabitPON）。FSAN/ITU推出GPON技術(shù)的最主要的原因是由于網(wǎng)絡IP化進程加速和ATM技術(shù)的逐步萎縮導致之前基于ATM技術(shù)的APON/BPON技術(shù)在商用化和實用化方面嚴重受阻，迫切需要一種高傳輸速率、適宜IP業(yè)務承載同時具有綜合業(yè)務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標準為基本框架，重新設計了新的物理層傳輸速率和TC層，推出了新的GPON技術(shù)和標準。它通過為用戶提供千兆比特的帶寬，高效的IP、TDM承載模式，提供更為完善的解決方案。GPONGPON標準由ITUG.984.x系列標準規(guī)范，目前已經(jīng)發(fā)展到ITUG.984.1-ITUG.984.6共六個標準。?G.984.1——概述主要規(guī)范了業(yè)務模型、參考配置、基本技術(shù)要求、保護方式。?G.984.2——物理媒介從屬(PMD)層技術(shù)要求主要規(guī)范了光接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、基本要求、用戶網(wǎng)絡接口和業(yè)務節(jié)點接口以及與TC層的相互關(guān)系。?G.984.3——TC層主要規(guī)范了網(wǎng)絡層次模型、復用機制、TC幀結(jié)構(gòu)、激活方式、OAM功能、安全性、FEC等內(nèi)容。?G.984.4——OMCI主要規(guī)范了管理信息庫MIB、ONT管理控制通道、ONT管理控制協(xié)議。?G.984.5——增強帶寬主要規(guī)范了縮窄下行波長的范圍，ONU新增波長過濾模塊，為下一代共存演進進行了預留。?G.984.6——擴展距離主要規(guī)范了如何在ODN網(wǎng)絡中增加有源擴展盒有效擴展GPON的最長距離，給出了幾種類型的擴展盒模型。GPONGPON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。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標準的單模光纖，上下行采用波分復用技術(shù)實現(xiàn)單纖雙向的上下行傳輸，上行使用1260nm～1360nm波長，中心波長為1310nm，下行使用1480nm～1500nm波長，中心波長為1490nm。此外，GPON系統(tǒng)還可以采用第三波長方式（1540nm～1560nm波長，中心波長為1550nm）實現(xiàn)CATV業(yè)務的承載。GPONGPON是一種點到多點拓撲結(jié)構(gòu)的無源光接入技術(shù)，由局側(cè)的OLT（OpticalLineTer-minal，光線路終端）、用戶側(cè)的ONU（OpticalNetworkUnit，光網(wǎng)絡單元）以及ODN（OpticalDistributionNetwork，光分配網(wǎng)絡）組成，其系統(tǒng)參考配置如下圖所示：GPONGPON標準速率等級由ITUG.984.2定義，傳輸線路的速率定義為8kHz的倍數(shù)，GPON的標稱線路速率(下行/上行)有多種，具體包括：?下行1244.16Mbit/s，上行155.52Mbit/s；?下行1244.16Mbit/s，上行622.08Mbit/s；?下行1244.16Mbit/s，上行1244.16Mbit/s；?下行2488.32Mbit/s，上行155.52Mbit/s；?下行2488.32Mbit/s，上行622.08Mbit/s；?下行2488.32Mbit/s，上行1244.16Mbit/s；?下行2488.32Mbit/s，上行2488.32Mbit/s。

雖然GPON標稱速率等級定義了多個等級，但是實際目前主流芯片廠商和設備廠商的GPON產(chǎn)品均只支持下行2488.32Mbit/s，上行1244.16Mbit/s的標稱速率，線路編碼下行和上行均采用NRZ碼。因此下行2488.32Mbit/s，上行1244.16Mbit/s的標稱速率實際成為GPON唯一的標稱速率。大家談到GPON的速率時都知道指的是下行2488.32Mbit/s，上行1244.16Mbit/s。GPONGPON光功率預算決定了GPON系統(tǒng)的最大傳輸距離和最大分路比。G.984.2根據(jù)允許衰減范圍的不同定義了A、B、C三大類，后續(xù)結(jié)合實際應用需求和光收發(fā)模塊的實際能力增補了B+和C+類，目前B+類是主流，C+類有少量應用。在B+類和C+類GPON可以支持最長20km傳輸距離下支持1:64分路比。GPON系統(tǒng)的最大差分距離為20km。GPON還可以通過上下行FEC功能增加部分增益。下表列出了不同類型ODN的衰減范圍。GPON光功率預算GPON同步方式為以OLT為基準，ONU向OLT同步的方式，同步的主要原理是利用了GPON8K幀的機制，即OLT每125us會下行發(fā)送一幀，因此在下行幀的起始位置定義了一個物理同步域-Psync域，其長度固定為32字節(jié)。Psync域的編碼為0xB6AB31E0。ONU利用這個Psync來確定幀起始位置。注意Psync不進行擾碼處理。

ONU實現(xiàn)的同步狀態(tài)機制見下圖。在搜索狀態(tài)，ONU逐比特比較Psync區(qū)域，一旦找到一個正確的Psync，ONU就進入預同步狀態(tài)并設置計數(shù)器N=1。接著ONU每隔125μs搜索下一個Psync。每找到一個正確的Psync，計數(shù)器值加1。在預同步狀態(tài)下，如果計數(shù)器的值達到M1，則認為ONU進入同步狀態(tài)。一旦進入同步狀態(tài)，ONU就可以正確的識別下行幀結(jié)構(gòu)。如果檢測到M2個連續(xù)錯誤的Psync，則ONU聲明丟失了下行幀定界，返回到搜索狀態(tài)。M1的建議值為2，M2的建議值為5。GPON同步方式在GPON系統(tǒng)中，由于下行數(shù)據(jù)采用廣播方式，因此所有ONU都能夠接收到數(shù)據(jù)。如果存在惡意用戶，那么它可以監(jiān)聽到所有用戶的所有下行數(shù)據(jù)。因此GPON系統(tǒng)的下行數(shù)據(jù)必須要支持加密。目前GPON系統(tǒng)支持AES加密方式，支持128bit嚴格的加密機制，提供更加嚴格的安全和保護機制，確保運營商網(wǎng)絡和業(yè)務的安全可靠運行。但是下行加密僅僅對通過單播Gemport通道傳送的業(yè)務進行加密，對于組播Gemport通道傳送的業(yè)務由于是需要有若干個ONU接收，因此密鑰的協(xié)商交換機制比較復雜，目前不支持加密。GPON同步方式GPON下行的復用關(guān)系如下圖所示?？梢钥闯鲆粋€OLTPON口由若干個邏輯Port組成，我們稱之為Gemport，ONU同樣具有若干個Gemport，OLT的Gemport與ONU的Gemort通過某種方式一一對應。GPON工作原理OLT上行業(yè)務采用TDMA方式，ONU將業(yè)務封裝入GEM幀中，然后若干個GEM幀組成一個TCONT，在分配的時間片內(nèi)傳送。GPON上行的復用關(guān)系如下圖所示。GPON工作原理GTC協(xié)議GPON系統(tǒng)的協(xié)議棧如下圖所示，主要由物理媒質(zhì)相關(guān)層（GPM）和GPON傳輸匯聚（GTC）層組成。其中GTC層又包括兩個子層：GTC成幀子層和TC適配子層。GTC層主要實現(xiàn)GEM客戶接口和ONT管理和控制接口（OMCI）的適配和封裝。GTC協(xié)議GPONGTC的TC幀結(jié)構(gòu)分成下行幀結(jié)構(gòu)和上行幀結(jié)構(gòu)，兩者不對稱，如下圖所示。其中下行幀結(jié)構(gòu)采用125μs長度的幀結(jié)構(gòu)。而上行幀結(jié)構(gòu)是按照125μs劃分的虛擬幀結(jié)構(gòu)。GTC協(xié)議GPON的下行幀格式包括PCBd頭和凈荷兩個部分組成。PCBd為下行物理層控制塊（PhysicalControlBlockdownstream），提供幀同步、定時及動態(tài)帶寬分配等OAM功能；凈荷部分透明封裝GEM幀。ONU依據(jù)PCBd獲取同步等信息，依據(jù)GEM幀頭的PortID過濾GEM幀。

GPON下行幀結(jié)構(gòu)PCBd組成如下圖所示。GTC協(xié)議GPON上行幀結(jié)構(gòu)GPON的上行幀是按照125us劃分的虛擬幀結(jié)構(gòu)，實際是由若干個突發(fā)時間片構(gòu)成，時間片的長度由下行幀中USBWMap域確定，下圖給出了GPON的上行幀結(jié)構(gòu)中的某個突發(fā)時間片。GTC協(xié)議GPON的上行幀結(jié)構(gòu)中的突發(fā)時間片包括PLOu、PLAOMu、PLSu、DBRu以及凈荷。?PLOu（PhysicalLayerOverheadupstream，上行物理層開銷）主要用于OLT進行突發(fā)同步，包含前導碼、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示，其長度由OLT在初始化ONU時設置，ONU在占據(jù)上行信道后首先發(fā)送PLOu單元，以使OLT能夠快速同步并正確接收ONU的數(shù)據(jù)。?PLOAMu（PLOAMupstream）用于承載上行PLOAM信息，包含ONUID、Mes-sageID、Message及CRC，長度13字節(jié)。?PLSu為功率測量序列，現(xiàn)在已經(jīng)基本廢除。?DBRu用于上報DBA相關(guān)信息。?Payload凈荷域透明封裝GEM幀。GTC協(xié)議

GPON的業(yè)務封裝采用了GEM幀（GPONEncapsulationMethod），該協(xié)議能完成對以太網(wǎng)業(yè)務、NativeTDM業(yè)務的適配，下圖給出了GEM的幀結(jié)構(gòu)。PLI用于下一個幀頭定界，以及確定當前GEM幀的凈荷長度，PLI以字節(jié)為單位指示幀頭后面的凈荷段長度，由于PLI域只有12比特，所以最多可指示4095字節(jié)。如果用戶數(shù)據(jù)幀大于這個值，則必須要分成小于4095字節(jié)的碎片。?PortID為12比特，PortID用來提供PON中4096個不同的業(yè)務流標識，以實現(xiàn)業(yè)務流復用。每個PortID包含一個用戶傳送流。在一個Alloc-ID或T-CONT中可以有一個或多個PortID傳輸。?PTI用作分段指示。?HEC為頭校驗，用于幀的同步與幀頭保護。?GEM幀的凈荷可以封裝以太網(wǎng)業(yè)務或者NativeTDM業(yè)務，由于GEM幀的凈荷最長只能是4095字節(jié)，而以太網(wǎng)Jumbo幀長可以達到9K，因此封裝以太網(wǎng)業(yè)務時可能會對以太網(wǎng)幀進行分片處理。GEM幀格式GTC協(xié)議上行帶寬分配機制由于GPON上行采用TDMA方式，因此需要給每個ONU分配相應的時間片。分配給ONU的時間片實際也代表了分配給ONU的帶寬。OLT通過靜態(tài)帶寬分配方式或者動態(tài)帶寬分配（DBA）方式向ONU分配上行帶寬。在靜態(tài)資源分配方式中，OLT根據(jù)配置信息為業(yè)務流預留固定帶寬。在動態(tài)資源分配方式中，OLT通過檢查來自ONU的DBA報告和/或通過輸入業(yè)務流的自監(jiān)測來了解擁塞情況，然后分配足夠的資源。GPONDBA功能的分配單位是T-CONT，GPONTC層規(guī)定了5種類型的T-CONT（Type1，2，3，4，5），這5種類型的T-CONT代表了不同類型的QoS能力。其中Type5是一個綜合的T-CONT類型，包含了Type1-Type4四種類型。具體如下表所示。上行帶寬分配機制GPO