-
摘
要
吉比特无源光网络（
Gigabit-Capable
Passive Optical Network
，
GPON
）技术是基于
ITU-T
G
.984.x
标准的新一代宽带无源光网络接入标准，是实现
FTTx
的热门技术之一。相对于现有
的接入网技
术，
GPON
具有高带宽、高效率、高分光比、长距离传输、覆
盖范围广、用户接
口丰富等特点，并且能大量节省运营商在接入层馈线段的光纤资源，为
各种业务类型提供相
应的
QoS
保证。
GPON
还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的
OAM
功能，使光纤自
动倒换时间小于
50ms
。由于这些优点，
GPON
被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化、
综合化改造的理想技术。
本首先从宽带接入技术的发展出发，介绍了目前几种主流的
FTTx
技术以及
PON
技术的
发展和种类，分析了
FTTx
网络的各个组成部分的作用，指出了
GPON
技术的优势。其
次介
绍了
GPON
的结构原理，重点研
究了
GPON
的关键技术、应用模式，组网方式及设备类型，<
/p>
分析了
GPON
的上下行帧结构、
业务承载能力以及
QoS
技术等。
最后以一个小区用户业务需
求为案例，
提出了基于
GPON
的小区
FTTH
解决方案，
通过
FTTH
组
网设计、
小区
GPON FTTH
总体
设计、
ODN
建设方案、光分路比的选取，成本、设备选取、传
输损耗和业务带宽提供等
方面，体现小区
GPON
接入的可行性
,
指出
GPO
N
是目前三网融合、光纤到户的最佳解决方
案。
【关键词】
FTTx
技术
吉比特无源光网络
关键技术
设备
光纤到家解决方案
ABSTRACT
GPON(Gigabit
Passive
Optical
Network)
technology,
which
based
on
the
ITU-T
G
.984.x
standard,
is
a
new
generation
broadband
passive
optical
access
standards.
It
is
one
of
the
hot
technologies
for
FTTx
implementation.
pared
with
the
existing
technology
of
access
network,
GPON offers the
following features: high bandwidth, high
transmission efficiency, high extinction
ratio,
long
transmission
distance,
wide
coverage
and
rich
user
interfaces.
And
GPON
can
save
a
large
amount
of
fiber
resources
in
the
access
layer
feeder
section
for
ISPs,
providing
QoS
guarantees
on
various
business
types.
GPON
also
provides
protection
mechanisms
on
the
access
level and plete OAM
function, which ensures optical fiber automatic
switching time less than 50ms.
According to these advantages, GPON is
considered as an ideal technology to implement
broadband
access network services and
integrated transformation by most ISPs.
This paper starts from the
development of broadband access technology.
Several mainstream
FTTx technology, the
development and categories of PON technology are
introduced. The functions
of
every
part
of
FTTx
network
are
analyzed.
The
advantages
of
GPON
are
presented.
Then,
GPON
’
s structure
principle is introduced, and key technology,
application mode, network way and
device type are detailed studied. The
frame structure of the uplink and downlink of
GPON, business
carrying
and
QoS
technology
are
analyzed.
Finally,
a
FTTH
solutions
based
on
the
GPON
for
a
residential
is proposed. Through the FTTH network design,
residential GPON FTTH general design,
ODN
building
program,
selection,
cost,
equipment
selection
and
business
bandwidth
provision,
reflects the
feasibility of residential GPON is reflected. GPON
is pointed to be the best program for
triple-play and FTTH.
【
Key
words
】
FTTx
GPON
Key
technologies
Equipment
FTTH solutions
目
录
前
言
.
...
..................................................
..................................................
..................................... - 1 -
第一章
宽带接入技术
.
................................................ .................................................. .............. - 3 -
第一节
宽带接入技术的概述
..................
..................................................
................................
-
3
-
一、
xDSL ........
..................................................
..................................................
.................... - 3 -
二、
Cable Modem
.
.........................................
..................................................
....................... - 3 -
三、吉比特以太网
.
..............................................
..................................................
................. - 4 -
四、无线接入
.
................................................ .................................................. ....................... - 4 -
五、光纤接入
.
................................................ .................................................. ....................... - 4 -
第二节
光纤在接入网中的延伸——<
/p>
FTT
X
.<
/p>
........................................
......................................
-
5
-
一、
FTTx
的系统结构
................................
..................................................
.......................... - 5 -
二、
FTTx
技术分类
.............
..................................................
.................................................
- 6 -
三、
FTTx
技术的应用
类型
.....................................
..................................................
............. - 6 -
第三节
无源光网络
——
PON ......
..................................................
............................................
-
8
-
一、无源光网络的概念及结构
<
/p>
.
............................
..................................................
............... - 8 -
二、
PON<
/p>
的种类
.
..
..................................................
..................................................
.............. - 9 -
第二章
下一代宽带光接入网——
GPON
.
.......................................
.......................................... - 11 -
第一节
第二节
第三节
GPON
的简介
.
....................................
..................................................
....................
-
11
-
GPON
的系统结构
.
..................................
..................................................
..............
-
11
-
GPON
的关键技术
.
..................................
..................................................
..............
-
12
-
一
、
GPON
的传输复用方式及帧结构
.
...........................
..................................................
.. - 12 -
二、
GEM
封装
技术
.
.............
..................................................
.............................................. -
17 -
三、动态带宽分配（
DBA
）
.....................................
..................................................
........ - 18 -
四、层次化
QoS
技术
..............................
..................................................
........................... - 18 -
五、
TDMoGEM
技术
.
....................................
..................................................
.................... - 19 -
六、
GPON
安全技术
........
..................................................
............................................... -
19 -
第四节
GPON
在
FTT
X
中的应用模式
.
...................
..................................................
..........
-
21
-
一
、
FTTB
应用模式
.
..................................
..................................................
........................ - 21 -
二、
FTTH
应用模式
.<
/p>
........................................
..................................................
.................. - 21 -
第五节
GPON
组网方案
........
..................................................
...............................................
-
22
-
一、星型方式
< br>.
...................................
..................................................
.................................. - 22 -
二、树型方式
.
................................................ .................................................. ..................... - 22 -
三、总线方式
.
................................................ .................................................. ..................... - 23 -
第六节
GPON
设备类型
........
..................................................
...............................................
-
23
-
一、
OLT .........
..................................................
..................................................
................... - 23 -
二、
ONU
...........
..................................................
..................................................
................ - 23 -
三、
ON
U
的
PoE
功能
................................................
..................................................
....... - 25 -
第三章
小区
GPON
接入设计方案
.
.............................
..................................................
............ - 27 -
第一节
GPON
接入的可行性
......
..................................................
.........................................
-
27
-
第二节
FTTH
建设的可行性
.............................................
..................................................
...
-
28
-
第三节
小
区
GPON
接入方案
.......
..................................................
.......................................
-
29
-
一、小区项目概况
.
.................................
..................................................
............................ - 29 -
二、解决方案
.
................................................ .................................................. ..................... - 29 -
（一）
FTTH
组网方案
.
..........................................
..................................................
............ - 29 -
（二）
GPON
FTTH
建设方案
.
..............................................
.............................................. -
30 -
结
论
.
...
..................................................
..................................................
................................... - 35 -
致
谢
.
...
..................................................
..................................................
................................... - 36 -
参考文献
.
..................................................
..................................................
.................................. - 37 -
缩略语
.
.
..................................................
..................................................
..................................... - 38 -
附
录
.
...
..................................................
..................................................
................................... - 40 -
一、
英文原文
.
..................................................
..................................................
.....................
-
40
-
二、
英文翻译
.
..................................................
..................................................
.....................
-
43
-
前
言
在经济
飞速发展的今天，全球化信息已经成为不可阻挡的趋势
,
宽带接
入的发展已不能仅
仅停留于纸面上，
刚性需求已经摆在眼前。<
/p>
20XX
年
4
月
，
国家发改委等七部委联合出台了
《关
于推进光纤宽带网络建设的意见》
，其中明确指出；
“到
20XX
年，光纤宽带端口超过
8000
万，
城市用户接入能力平均达到
8Mbit
/s
以上，农村用户接入能力平均达到
2Mbit/s
以上，商业楼宇
用户基本实现
100Mbit/
s
以上的接入能力。
”
此项政策为中国
宽带接入市场的发展奠定了良好基
础，
“光进铜退”
、
“百兆光纤入户”已成为现在国内宽带接入市场发展的方向。
自从
1987
年英国电
信公司的研究人员提出了无源光网络
(
Passive
Optical
Network
，<
/p>
PON)
的概念开始，
接入网技术从此进
人了一片新的天地，
尤其是在
1995
年
FSAN
联盟定义一个通用
的标准后
，
不少设备制造商投资开发
PON
相关
产品，
运营商积极关注
PON
的应用。
因此，
PON
得到了极大的发展，业界
公认
PON
代表了未来接入网的发展方向。
PON
先后出现了
ATM
无源
光网络
(
Active Optical
Network
，
APON)
、
以太网无源光网络
(
Ethernet
Passive Optical Network
，
EPON
)
、吉比特无源光网络
(
Gigabi
t Passive Optical Network
，
GP
ON)
三种技术。
APON
技术由
于承载协议复杂、业务效率不高等原因因此在无源接人网的应用前景中并不乐观。基于以太<
/p>
网的
EPON
技术依靠较为成熟的技术、
产品和较低的成本等优势在目前的市场中是个宠儿，
但
是
EPON
采用
8B/
10B
线路编码，其宽带损耗大、效率低，另外它主要支持以太网业务，承载
时延敏感的话音服务时会引起
服务质量
（
Quality
of
Service
，
QoS
）问题。而
GPON
作为新一
代无源光网络接入技术，从一开始就综合考虑
了
PON
的应用和要求，在传送多业务时对提供
高比特率和高效率有明确的保证，
同时能提供可靠的
Q
oS
机制和简便的管理功能。
因此
GP
ON
技术倍受运营商的关注和青睐，被认为是实现语音、数据、视频三网合一的最佳保证
。
本全文分为五部分：第一部分为前言，介绍了课题背景和结
构；第二部分，介绍了宽带
接入的几种方式，目前主流的
FTT
x
技术，
PON
的标准现状；第三部分
，下一代光纤接入网—
GPON
，首先介绍了
< br>GPON
的实现原理，并对关键技术、应用模式、组网方式、设备类型进行
了简单的描述，特别对动态带宽分配、上下行信道复用技术、帧结构、安全性和传输质量等
关键技术进行了介绍；第四部分，以一个小区业务需求为例，设计小区
GPON
接入方案，验
证
GPON<
/p>
应用方案的可行性，确保
GPON
在业务
提供、系统性能等方面能够满足业务应用；第
五部分为结束语，总结在阶段的主要工作和
主要内容。
第一章
宽带接入技术
第一节
宽带接入技术的概述
宽带接入是指用户需要通过一定的通信基础网络支持实现用户和
Intern
et
的高速连接。
由
于种种原因，从通
信基础网络到用户端“最后一公里”成为宽带接入的“瓶颈”
。目前，实现
主要有以下几种方式：
xDSL
、
< br>Cable Modem
、吉比特以太网、无线接入技术和光纤接入技术。
一、
xDSL
xDSL
是
高速数字用户线（
Hi
gh
Digital
Subscriber
Line
，
HDSL
）
、非对称数字用户线路
（
Asymmetr
ic Digital Subscriber Line
，
A
DSL
）
、
超高速数字用户线（
Very high data rate Digital
Subscriber Line
，
V
DSL
）
等技术的统称。
在
xDSL
的这几项技术中，
由于
< br>HDSL
主要支持
2Mbit/s
及以下的速率，
VDSL
提供的速率虽然很高
（可达
25Mbit/s
以上）
，
但线路长度较短
（
25Mbit/
s
时约为
1
㎞）
，已部分技术尚未完全确定，故在实际使用中，
ADSL
使用
最为普遍。
ADSL
是一种在普通电话线上进行宽带通信的技术，它利用现有的电话网络，以市话双
绞铜线为传输介质，实现点到点的宽带传输，为用户提供上、下行非对称的传输速率，上行
（从用户到网络）为低速的传输，可达
1.5Mbit/s
；下行（从网络到用户）为高速传输，可达
8Mbit/s
，非
常符合普通用户联网的实际需要。
ADSL
的传输速率比传统的
模拟调制解调器快
100
多倍，也是传输速率达
128kbit/s
的综合业务数字网（
Integr
ated Services Digital Network
，
ISDN
）所无法比拟的。
AD
SL
最初主要是针对视频点播业务开发的，但随着技术的发展，
ADSL
逐步成为了一
种较方便的宽带接入技术。
ADSL
满足了用户即时接入
Internet
服务的需求。
这一技术极大地
推动了高速数
据传输，如会议电视、视频点播技术（
Video On Demand
，
VOD
）
、高清晰度电
视（
High Definition Television
，
HDTV
）等业务的增长。
二、
Cable
Modem
有线电视网只是传送电视信号，
而
Cable Modem
宽带接入则是利用原来的电缆传输线路，
经过改造来实现上网和通讯。由于有线电视采用同轴电缆，因此其带宽容量相当大，下传速
率可以达到
30Mpbs
。但是
< br>Cable
Modem
的问题也是显而易见的，因为有
线电视的同轴电缆
是按单行道模式
设计，
所以有线电视网必须将单向传输改制为双向传输才能实现因特网功能。
另外，
Cable
M
odem
采用树型结构，在树型节点上简单地将几个节点连在一起。因此，
它实际上是一个总线型网络，这就意味着用户要和邻居共享有限的带宽。所以当同一时间上
网人数多时，有线电视的上网速度就会变慢。不过，由于
Cable Mo
dem
网络的骨干部分是由
光纤组成，而光纤的速度几乎是没有
限制的，因此只要让有线电视网中光纤的部分增加，同
轴电缆的部分减少，
Cable
Modem
的扩充能力仍是极强的，所
以共享式的结构不一定对速度
产生太大影响。
三、吉比特以太网
吉比特以太网是一种新型高速局域网，
它可以提供高达
1Gbit/s
的
通信
带宽，
采用和传统
10Mbps
、
100Mbps
以太网同样的
CSMA/CD
协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速
以大网基础上平滑、连续性的
网络升级，从而能最大限度地保护用户以前的
投资
。由于其利<
/p>
用光纤接入用户局域网，所以用户接入速度只受限于光纤的接入速率。另外，吉比特以太网
总体的开销，包括购置和维护开销都比较低，具备可支持新应用和新数据类型的能力，网
络
设计可以有相当的灵活性，还能够提供内部局域网通信。
四、无线接入
无线接入可分为移动接入与固定接入两种。其中移动接入又可分为高速和低速两种。高
速移动接入一般可用蜂窝系统、卫星移动通信系统、集群系统等。低速接入系统可用
P
GN
的
微小区和毫微小区，如
CDMA
的
WILL
、
PACS
、
PHS
等。固定接入是从交换节点到固定用
户终端采用
无线接入，
它实际上是
公共交换电话网
（
Public Switched Telephone Network
，
PSTN
）
/ISDN
网的无线延伸
,
其目标是为用户提供透
明的
PSTN/ISDN
业务。固定无线接入系统的终
端不含或仅含有限的移动性，其接入方式有微波一点多址、蜂窝区移动接入的固定应用、无
线用户环路及卫星
VSAT
网等。
固定无线接入系统以提供窄带业务为主，
基本上是电话业务。
主要的宽带固定无线接入技术有
3
类，即已经投入使
用的多路多点分配业务、直播卫星系统
以及正在做现场试验的本地多点分配业务。
五、光纤接入
光纤接入技术是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体的接入方式，用户网光纤化<
/p>
有很多方案，有光纤到路边、光纤到小区、光纤到办公室、光纤到大楼、光纤到家庭。但不
管是何种领域的应用，实现光纤到
户都是为了满足高速宽带业务以及双向宽带业务的客观需
要。光纤用户网的主要技术是光
波传输技术，目前光纤传输的复用技术发展相当快，多数已
处于实用化。复用技术用得最
多的有时分复用（
Time Division Multiplexing
，
TDM
）
、波分复
用（
Wavelength Division Multiple
xing
，
WDM
）
< br>、频分复用（
Frequency Division Multiplexin
g
，
FDM
）
、码分复用（
Code Division Multiplexing
，
CDM
）等。
第二节
光纤在接入网中的延伸——
FTTx
一、
FTTx
的系统结构
FTTx
技术主要用于
接入网络的光纤化运作，
范围是从区域内的电信机房中的局端设备到
用户终端设备，局端设备为光线路终端（
Optical Line Termin
al
，
OLT
）
，用户端设备为光网络
单元（
Optical
Network Unit
，
ONU
）
或光网络终端（
Optical Network Terminal
< br>，
ONT
）
。
< br>FTTx
系统的基本组成如图
1.1
所示。
NMI
接入网系统管理功能
ONT
业务节
点功能
OLT
ODN
ONT
SNI
S/R
R/S
JNI
图
1.1
FTTx
系统的基本组成
（一）光线路终端
OLT
光线路终端
OLT
提供与光配线网（
Optical Distribution Network
，
ODN
）之间的光接口，
是用于连接主干光纤的局
端设备，一般放置在服务提供商的中心机房。
OLT
提供必要的
手段
来传递不同的业务给
ONU
，其功
能结构由
3
部分组成：核心部分、业务部分和公共部分。
（二）光分配网
ODN
光分配网络
ODN
位于
ON
U
和
OLT
之间，为
< br>ONU
和
OLT
提供以光纤为传
输媒介的物
理连接，它是由无源光器件组成的无源光分配网。从其功能上分，整个
ODN
网络从局端到
用户端可分为馈线光缆子
系统、配线光缆子系统、入户线光缆子系统和光纤终端子系统
4
个
部分。
（三）光网络单元
ONU/
光网络终端
ONT
ONU
广义的概念是指装有包括光接收机、上行发射机、
多端口桥接器的网络设备，光网
络单元一般放置在用户端。对于狭义的
< br>ONU
概念，
ONU
系局端设备
到用户终端设备之间的
中间设备，通过
ONU
< br>下挂用户终端设备连接最终用户。
ONT
指的是位于用户端的终端设备。
二、
FTTx
技术分类
光纤连接
ONU
主要有两种方式
,
一种是点对点形式拓扑（
Point
to
Point
，
P2P
）
,
另一种
是使用点对多点形式拓扑（
Point
to Multipoint
，
P2MP
）
。
（一）点到点（
P2P
）以太网
点对点光
纤连接没有复杂的上行同步技术和终端自动识别等优点，上行的全部带宽可以
被一个终端
所用，有利于带宽的扩展，但光学器件和光纤等材料的成本相对较高。
（二）点到多点（
P2MP
）的无源光网络
光分配网（
ODN
）由
无源器件组成，并无任何有源节点，光线路终端（
OLT
）下行
的光
信号，是通过一根光纤，由无源光分路器（
Passive
Optical Splitter
，
POS
< br>）将光信号分路广播
给各用户终端设备光网络单元（
ON
U/ONT
）
，大幅减少了设备维护的成本，节省了大量光缆<
/p>
资源等建设成本。
三、
FTTx
技术的应用类型
FTTx
是指光纤在接入网中的推进程度或使用策略，
不是具体的接入技术。
光纤深入用户
的程度不同
，
ONU
放置的位置也不同。
根据
ONU
的具体放置位置，
光接入网
（
Optical Access
Netwo
rk
，
OAN
）可以分为四种基本的应
用类型：
?
光纤到路边
（
Fiber To
The Curb/Cab
，
FTTC
）
?
光纤到大楼
（
Fiber To
The Building
，
FTTB
）
?
光纤到办公室
（
Fiber To
The Office
，
FTTO
）<
/p>
?
光纤到家
（
Fiber To The
Home
，
FTTH
）
?
光纤到节点
（
Fiber To
The Node
，
FTTN
）
如图
1.2
所示<
/p>
OAN
描述了的应用示意图。
FTTH
光纤
FTTO
ONT
光纤
OLT
光纤
ONU
FTTB/C
金属线或无线
FTTN
ONT
NT
光纤
ONU
金属线或无线
NT
SNI
宽带光接入网
UNI
图
1.2
FTTx
接入网
（一）光纤到路边（
FTTC
）
光纤连接到路边，是一种基于优化
xDSL
技术的宽带接入方式，采用光纤到路边、铜线
到用户的方式实现用户的宽带接入，我们称为
FTTC+xDSL
的宽带接入网，这是适合小区缺
乏五类线的情况下的一种最合理、最实用、最
经济有效的宽带接入方法。使用
FTTC
实际用
户仍旧是采用
xDSL
接入，
因此与当前的
xDSL
一样需要拨号，
家里需要配置
xDSL
的
“猫”
。
在
FTTC
中一般
采用小型数字用户线接入复用器（
Digital Subscriber Line
Access Multiplexer
，
DSLAM
）设备作为最终接入，布放在电话分线盒位置上，一般覆盖
24~96<
/p>
用户。
FTTC
通常
为点到点或点到多点结构，一个
ONU
可以为一个或多个用
户提供接入。
FTTC
常和
xDSL<
/p>
或
cable
modem
组合使用，给用户提供窄带或宽带业务。
（二）光纤到大楼（
FTTB
）
光纤到楼，是一种基于优化高速光纤局域网技术的宽带接入方式，采用光纤到
楼、网线
到户的方式实现用户的宽带接入，
我们称为
FTTB+LAN
的宽带接入网，
这是一种最合理
、
最
实用、
最经济有效的宽带接入方法
。
使用
FTTB
不需要拨号，
用户只要开机即可接入
Internet
，
可以认为采用的是专线接入。
FTTB
对硬件要求和普通局域网的要求是一样的，只需要配置
以太网卡，所以对用户来说硬件投资非常少。
FTTB
< br>的
ONU
直接放置在居民住宅公寓或单位
办公楼的某个公共地方，
然后通过铜缆将业务分送到各个用户。
通常是一种点到多点的结构，
即一个
ONU
为多个用户提供接入。
合适的接入技术有：
FTT
B+xDSL
或
FTTB+Ethernet
< br>。
ONU
到用户间可采用
xDS
L
技术或
Ethernet
技术。
（三）光纤到办公室（
FTTO
）
光纤到办公室，
是
光纤延伸到办公室的宽带接入技术。
若将
FTTC
结构中的
ONU
放置在
办公
室，就构成了
FTTO
结构。
FTTO
实现了全程光纤接入，主要用于大型企事业单位，业
务量需求大
，一般采用环型或点到点的结构。但是一般
FTTO
除了提供以
太网接口用于宽带
上网以外，还需要提供少量的
E1
接口。
（四）光纤到家（
FTTH
）
光纤到家，顾名思义就
是一根光纤直接到家庭。它是在光纤上承载的业务，它是无源网
络，从局端到用户，中间
基本上可以做到无源；
FTTH
去掉了整个铜线设施：馈线、配
线和
引入线。
它还去掉了铜线所需要的所有维护工作并大大延长
了网络寿命。
对所有的宽带应用，
这种结构是最健壮和长久的未
来解决方案。
FTTH
的显著技术特点是不但提供更大的带宽，
而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要
求，
简化了维护和安装。适于引入各种新业务，是最理想的业务透明网络，是接入网发展
的最终
方式。
（五）光纤到节点（<
/p>
FTTN
）
光
纤连接到节点，是光纤延伸到电缆交接箱所在处，然后采用技术覆盖到最终用户的宽
带接
入技术，它与
FTTC
比较类似，主要的区别在光纤终节点的位
置，以及覆盖的最终用户
数。对于
FTTN
，光纤在电缆交接箱处终结，因此一般覆盖
200~300
用户。它的主要特点是
不需要重建接入环路和分配网络。因此比较适合用户较分散、较稀
疏的农村。
第三节
无源光网络——
PON
一、无源光网络的概念及结构
无源光网络接入系统
PON
，是指在
OLT
（光线路终端）和
ONU
（光网络单元）之间的
ODN
（光分配网络）没有任何有源电子设备，是一种点对多点的接入技术。在光分支点
不需
要节点设备，只需要安装一个简单的无源光分路器，因此具有节省光缆资源、带宽资
源共享、
节省机房投资、安全性高、综合建网成本低、维护成本低等优点，同时
PON
技术是一种纯光
介质网络，避免了外部设
备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路线路和外部设备的故障率，
提高了系统可靠性。<
/p>
PON
技术的产生，打破了传统光接入点到点的解决方法，在解决
宽带接
入问题上提供了一种经济的、面向未来的、多业务的用户接入技术，是当前
FTTx
接入的主
要技术手段。
二、
PON
的种类
PON
是实现宽
带光接入的一种常用网络形式，从概念的提出到现在已有
20
多
年的时间。
在这期间，人们根据
PON
的独特物理结构，提出了一些标准和规范。按承载的内容来分类，
PON
主要包括基于异步传输模式
(
Asynchronous Transfer Mode
，
ATM
)
的无源光网络
（
APON
）
∕宽带无源光网
络
（
Broadband Passive Optical
Network
，
BPON
）
，
基于
Ethernet
的无源光网络
（
EPON
）
，
基于通用成帧规程
(Generic Framing Procedure
，<
/p>
GFP)
的比特无源光网络
（
GPON
）
等。
他们主要
差异在于采用了不同的二层交换技术，
APON
二层交换采用的
是
ATM
技术，
最
高速率为
622
Mbit/s
；<
/p>
EPON
二层交换采用的是
Ethern
et
技术，可以支持
1.25Gbit/s
速率，将
来速率还能升级到
10Gbit/s
；
GPON
二层交换则采用
GFP
对
Ethernet
、
TDM
和
ATM
等多种
业务进行封装映射技术。如表
1.1
所
示对
EPON
和
GPON
两种千兆比无源光网络技术的主要
参数进行了比较，为更加全面，同时也将<
/p>
BPON
列入其中。
表
1.1
BPON
、
EPON
< br>、
GPON
技术主要参数比较
下行线路速率
（
Mbit/s
）
上行线路速率<
/p>
（
Mbit/s
）
线路编码
分路比
最大传输距离（
km
）
TDM
支持能力
BPON
155/622/1244
155/622
NRZ
32
20
TDM over ATM
EPON
1250
1250
8B/10B
32/64
20
TDM over Ethernet
760~860
（在上行
1250Mbit/s
速率情
况下）
有
没有定义
GPON
1244/2488
155/622/1244/2488
NRZ
64/128
60
TDM over ATM
TDM over Packet
1100
< br>（在上行
1244Mbit/s
速率情
< br>况下）
有
AS
加密
上
行可用带宽
（
Mbit/s
）
500
（在上行
（传
输
IP
业务）
622Mbit/s
速率
情况下）
OAM
下行数据加密
有
搅动或
AS
加密
由表可知，
EPON
简单、高速、成本低、用户面广，技术、产品相对
GPON
成熟，是近期
大力发展的无源接入技术
;
< br>而
GPON
可透明传输，高速高效，具有电信级服务质量
，是无源接
入技术发展的趋势。虽然目前
GPON
的成本相对
EPON
较高，商业化程度低，但是，随
着产业
化的成熟度不断加深，光器件价格的下降、技术的成熟、商用网络规模的扩大，<
/p>
GPON
必将
能成为新一代宽带接入网络
的的主流技术。
第二章
下一代宽带光接入网——
GPON
第一节
GPON
的简介
由于
APON
成本高、
速率低、
系统复杂，
并且在
传输
IP
数据时需要进行协议的转换和格
式的转换，
ITU-T
很快推出了用于代替
< br>APON
的
GPON
系列标准：
G
.984.1
、
G
.984.2
、
G
.984.3
。
由于
GPO
N
是在
APON
的基础上专门针对
APON
的缺点发展起来的，所以
GPON
保留了
APON
的许多优点，与
APON
有很多相同之处。但
GPON
更高效、高速，提供
622.080Mbit/s
到
2.4Gbit/s
的可升级的框架结构，支持上、下行
不对称速率（下行
2.488Gbit/s
，上行
1.244Gbit/s
）
，支持多业务，特别是以
本色模式和极高的效率同时支持数据和
TDM
，提供明
确的服务质量保证和服务级别，具有电信级的网络监测和业务管理能力。因此，
< br>GPON
成为
目前最为理想的宽带光接入网技术。
GPON
的基本技术要求如下：
?
基于
GF
P
帧或
ATM
信元；
< br>
?
支持对称
/
非对称线路速率，包括对称
622Mbit/s
、
1.25Gbit/s
和非对称（上
/
下行）
155/1244Mbit/s<
/p>
、
622/1244Mbit/s
、
155/2488Mbit/s
、
622/
2488Mbit/s
、
1.25/2.5Gbit/s
，具有前所
未有的高比特率；
?
最大逻辑距离和最大物理距离分别
为
6
0
㎞和
2
0
㎞；
?
系统分支比为
1
：
16
、
1
：
32
或
1
：
64
，最大可支持的分支比为
1
：
128
；
?
平均最大传输时延为
1.5ms
；
?
上行工作波长
1260~1360nm
，
下行工作波长
< br>1480~1500nm
（单纤系统）
或
1260~1360nm
（双纤系统）
；
?
利用
G
.983.3
定义的增强波长提供其他业务；
?
线路码型为扰
码的
NRZ
码。
第二节
GPON
的系统结构
如图
2.1
所示是
G
.984.1
建议的
GPON
< br>参考模型。
GPON
由光线路终端
OLT
、
光网络单元
/
光网络终端
(ONU/ONT)
和光纤分配网
ODN
组成。
其中
O
LT
位于中心机房，
向上提供广域网
接口，包括
GE
、
ATM
、
DS-3
等；
ONU/ONT
放在用户侧，为用户提供
10/100BaseT
、
T1/E1
、
DS-3
等应用接口，适配功能
AF
在具体实现中可能集成于
ONU/ONT
中；
ODN
由分支器
/
耦
合器等无源器件构成；上下行数据工作在不同波长，下行
数据采用广播方式发送，上行数据
采用基于统计复用的时分多址（
Time Division Multiple Access
，
< br>TDMA
）方式接入。图中波分
复用器
< br>WDM
和网络单元
NE
为可选项
，用于在
OLT
和
ONU
之间采用另外的工作波长传输
其他业务，如视频信号。
Q
接入网系统管理功能
UNI
AF
ONU
R/S
ODN
光分路器
S/R
OLT
SNI
业务节点
功能
V
参考点
（
a
）参考点
T
参考点
NE
IF
PON
WDM
WDM
IF
PON
A
点
B
点
NE
注：
IF
PON
为
PON
专用接口
图
2.1
GPON
系统参考配置
第三节
GPON
的关键技术
一、
GPON
的传输复用方式及帧结构
与
APO
N
、
EPON
相比，
< br>GPON
最主要的区别表现在传输汇聚帧结构上。
GPO
N
通过
ATM
和
GFP
两种协议承载不同类型的用户数据。它的上、下行帧长均为
125?
s
，下行采用
TDM
方式，上行采用
TDMA
接入技术。上行帧
由复用的突发传输时隙（
slot
）组成，每帧包括一
个或多个光网络单元的传输时隙，通过下行帧的上行带宽映射（
US <
/p>
BWmap
）域指示相应光
网络单元的上
行数据发送。
（一）
GPON
的下行传输方式
OLT
下行业务采用广播方式，
OLT
将业务封装入
GPON
封装方式
（
GPO
N Encapsulation
Method
，
GEM
）帧中，然后
若干个
GEM
帧组成
GPON
传输汇聚（
GPON
Transmission
Convergence
，
GTC
）帧，下行传送。在
< br>ONU
根据
GEM
帧中封装的<
/p>
Gemport
ID
进行过滤。
下行具有两种类型的通道，单播
Gemport
通道和组播
Gemport
通道。
?
单播
Ge
mport
通道
单播
Gemport
通道，表示
OLT
发送的数据只是传送给某个特定的
ONU
，只有一个配置<
/p>
了这个单播
Gempor
的
ONU
会接收这个数据，如图
2.2
所示。
?
组播
Gemport
通道
<
/p>
组播
Gemport
通道，
表示
OLT
发送的数据是传送给一组
ONU
，
存在若干个
ONU<
/p>
配置了
这个组播
Gemport
，这些
ONU
都会接收这个数据，由于
ONU
往往具有若干个
UNI
< br>接口，一
般对于组播
Gemport
通道会结合组播
Gemport
ID
与组播媒介接入控制（
Medium
Access
Control
，
MAC
< br>）地址一起进行过滤操作，如图
2.3
所示。
FCS
payload
T/L
SA
DA
FCS
payload
T/L
SA
DA
payload
HEC
PTI
Port-id=1
PLI
ONU2
Portid=1
根据
PORT-
ID
进行过滤
GEM1
GEM2
GEM3
125?
s
GEM1
PCB
ONU2
Portid=2
OLT
ONU3
Portid=3
图
2.2
单
播通道
FCS
payload
FCS
payload
T/L
SA
DA=Y
T/L
SA
DA=Y
ONU2
payload
HEC
PTI
Portid=x
PLI
Portid=1
Portid=x
Portid=x
构成广播域
MA=Y
GEM1
OLT
GEM2
GEM3
125?
s
GEM1
PCB
ONU2
Portid=2
Portid=x
MA
=
组播地址表项
MA=Y
ONU3
Portid=3
Portid=x
MA
≠
Y
Y
是组播地址
图
2.3
组
播通道
（二）
GPON
的上行传输方式
GPO
N
上行业务采用
TDMA
方式，
ONU
将业务封装入
GEM
< br>帧中，然后若干个
GEM
帧
组成
一个
T-CONT
，在分配的时间片内传送。
< br>OLT
上行只有一种类型，如图
2.4
< br>所示。
FCS
payload
T/L
SA
DA
FCS
payload
T/L
SA
DA
payload
HEC
PTI
Port-id=1
PLI
plo
GEM1
ONU2
Portid=1
plo
GEM1
plo
GEM3
plo
GEM2
上行数据用
PORTID<
/p>
进行隔离复用
125?
s
OLT
plo
GEM2
ONU2
Portid=2
ONU3
plo
GEM3
Portid=3
图
2.4
上行通道
（三）
GPON
的帧结构
GPON
系统的协议主
要有物理媒质相关层和
GPON
传输汇聚层（
< br>GTC
）组成。如图
2.5
所示，其中层又包括两个子层：
GT
C
成帧子层和
TC
适配子层。
GTC
层主要实现
GEM
（传
感器网络）客户接口和管理和控制接口（
OMCI
）的适配和封装。
PLOAM
OMCI
GEM
Client
GPON
传输汇聚（
T
C
）层
OMCI
适配
GEM TC
适配
TC
适配子层
DBA
控制
GTC
成帧子层
GPON
物理媒质相关子层
图
2.5
GPON
系统协议栈
GPON
GTC
< br>的
TC
帧结构分为下行帧结构和上行帧结构，如图
2.6
所示，两者不对称。
其中下行帧结构采
用
125?
s
长度的帧结构。而上行帧
结构是按照
125?
s
划分的虚拟帧结
构。
下行
T
P-Frame
=125?s
PCBd
n
净荷
n
PCBd
n+1
净荷
n+1
1
字节
上行
Slot
Slot
Slot
R
Slot
Slot
Slot
R
0
1
0
1
上行虚拟帧
T
X
时长
图
2.6 GTC
< br>的
TC
帧结构
1
．
GPO
N
下行帧结构
GPON
的下行帧格式包括下行物理层控制块头（
Physical
Control
Block
dow
nstream
，
PCBd
）和净荷两
个部分组成。如图
2.7
所示，
PCB
d
提供帧同步、定时及动态宽带分配等操
作管理维护
（
Operation Administration and Mai
ntenance
，
OAM
）
功能；
净荷部分透明封装
GEM
帧。
ONU
依据
PCBd
获取同步等信息，依据
GEM
帧头的
Port ID
过滤
GEM
帧。
PCBd
中的
US BWmap
用于指示
OLT
分配给
ONU
的时间片，
如图
2.8
所示。
SStart
用于
指示分配时隙的开始时间。该时间以字节为单位，在上行帧中从
0
< br>开始，并限制上行帧的大
小不超过
65536
字节，可满足
2.488Gbit/s
的上行速率
要求。
SStop
用于指示分配时隙的结束
时间。
PCBd
净荷
Psync
4
字节
Ident
4
字节
PLOAMd
13
字节
BIP
4
字节
Plend
4
字节
Plend
4
字节
US
BWmap
N
×
8
< br>字节
BIP
覆盖区域
下一个
BIP
覆盖区域
图
2.7
PCBd
组成
US BWmap
N*8
字节
Access
的数目是变化的
Access1
8
字节
Access1
8
字节
…
AccessN
8
字节
Alloc-ID
12bit
Flags
12bit
SStart
2
字节
SStop
2
字节
CRC
1
字节
CRC
覆盖范围
图
2.8
GTC
带宽映射分配结构
2
．
GPO
N
上行帧结构
GPON
的上行帧是按照
125?
s
划分的虚拟帧结构，实际是由若干个突发时间片构成，时
间片的长度由下行帧中
US BW Map
域确定。
如图
2.9
所示，
GPON
的上
行帧结构中的突发时
间片包括上行物理层开销
（
Physical Layer Overhead upstream
，
PLOu
）
、
物理
层
OAM
（
Physical
Layer Operations, Administration and Ma
intenance
，
PLOAMu
）
、
PLSu
、
DBRu
以及净荷。
PLOu
主要用于
OLT
进行突发同步，包含前导码、定界符、
BIP
、
PLOAMu
指示及
FEC
指示，其长
度由
OLT
在初始化
ONU
时设置，
ONU
在占据上行信道后首先发送
PLOu
单元，以使
OLT
能够快速同步并正确接收
ONU
的数据；
PLOAMu
（
PLOAM upstream
）
用于承载上行
PLOAM
信息，包含
ONU
ID
、
Message ID
及
CRC
，长度
13
字
节；
PLSu
为功率测量序列，现在已经
基本废除；
DBRu
用于上报相关信息净荷域透明封装帧。<
/p>
Start
Time
指示字节边界
PLOu
PLOAMu
PLSu
DBRu
Payload
DBA
ONU-
ID
Preamble
Delirniter
BIP
a bytes
b bytes
1byte
ONU-
ID
1byte
1nd
1byte
1byte
Mag-
ID
1byte
Message
10bytes
C
1byte <
/p>
1
，
2
，
4bytes
CRC
1byte
图
2.9
GPON
上行帧结构的突发时间片构成
二、
GEM
封装技术
为克服
ATM
承载
IP
业务开销大的缺点，
GPON
的业务封装采用了
GEM
帧
，该协议能
完成对以太网业务、
Native TDM
业务的适配，
如图
2.10
所示。
其中
PLI
用于下一个帧头
定界，
以及确定当前
GEM
帧的净荷长
度，
PLI
以字节为单位指示帧头后面的净荷段长度，由于
PLI
域只有
12
比特，所以最多可指示
4095
字节。如果用户数据帧大于这个
值，则必须要分成小
于
4095
字节的
碎片；
Port ID
为
12
比特，
Port ID
用来提供
PON
中
4096
个不同的业
务流标识，
以实现业务流复用。每个
Port-
ID
包含一个用户传送流。在一个
Alloc-ID
或
T-CONT
中可以
有
一个或多个
Port-ID
传输；
PT
I
用作分段指示；
HEC
为头校验，用
于帧的同步与帧头保护。
GEM
帧的净荷可以封装以太网业务或
者
Native
TDM
业务，由于<
/p>
GEM
帧的净荷最长只能是
4095
字节，而以太网
Jumbo
帧长可达到
9K
，因此封装以太网业务时可能会对以太网帧进行
分片处理。
PLI
12bits
净荷长度指示
Port ID
12bits
PTI
3bits
净荷类型指示
HEC
13bits
净荷段
L Bytes
图
2.10
GEM
帧结构
三、动态带宽分配（
DBA
）
动态带宽分配
（
Dynamic
Bandwidth Assignment
，
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
ITU-T G
.983.4
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
O
NU
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
G.983
建议，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、具备地抖动与时延特性、公平<
/p>
分配带宽、信号健壮、实时性强、保证不同业务的
QoS
等。在
GPON
结构中，
OLT
通过向
ONU
内部每个流量容
器
（
T-CONT
）
< br>分配数据授权来控制上行流量。
为确定分配给一个
T-C
ONT
的授权数目，
OLT
需要知道该
T-CONT
的流量状态。
四、层次化
QoS
< br>技术
在
GPON
系统中，业务承载层主要分为三层：
GTC
、
GEM
、
ETH/TDM
，针对每一个承
载层具备相应的
QoS
处理机制。如图
2.11
所示。
GPON
业务承载层
GPON QoS
处理机制
ETH/TDM
VLAN/COS/GTS/POLICING
GEM
Flow control/Classification
GTC
T-CONT/DBA
图
2.11
业务承载层和
QoS
?
GTC
PON
系统构架是下行方向为广播方式，上行方向为
TDMA
方式，所以只对上行方向的
业务流提供<
/p>
QoS
处理。
QoS
处理的最小单元是
T-CONT
，
T-CONT
可以看作是
ONU
业务流
的
承载容器，调度机制是
DBA
（动态
带宽分配）
。
DBA
的算法是
GTC
的
QoS
处理性
能的关键。
?
GEM
在
GEM
层主要是针对每个
GEM P
ort
进行业务流分类，类似于
DSLAM
（数字用户线路
接入复用器）的单
PVC
< br>多业务的处理方式。针对流分类后的业务分别进行优先级修改、流量
监管和转发处
理。
?
ETH/TDM
TDM
业务（非电路
仿真方式）为面向连接，系统可以通过静态配置带宽严格保证面向连
接的
QoS
。
ETH
业务（包括电路仿真方式的业务）主要是基于二层
VLAN
、
COS
等标识进行业务的
Q
oS
处理，
QoS
主要处理机制分为流
分类、监管、队列调度、拥塞处理、整形，它们的实现
复杂度是影响
QoS
处理性能的关键。
五、
TDMoGEM
技术
< br>
针对
GPON
的定长帧传输特
点，
TDM
在
GPON
线路上承载具有天然优势。
TDMoGEM
的实现是将
TDM
帧直接封装到
GEM
帧中进行传输。在
GPON
线路上给封装有
TDM
帧的
GEM
给
与最高的优先级，保证
TDM
的传输质量。在同步方面，系统采
用统一的
8K
时钟进
行全网同步。
六、
GPON
安全技术
（一）线路加密技术
GPON
系统采用
AES128
加密机制对线路安全进
行控制，有效地防止了数据盗用等安全
问题。在
AES128<
/p>
加密系统中，
OLT
支持密钥更换和切换
功能。密钥更换由
OLT
发起密钥更
换
请求，
ONU
响应并将生成的新的密钥，由于
< br>PLAOM
消息的长度有限，密钥分为两部分发
给
OLT
，
并重复发送三次。
< br>如果
OLT
没有收到三次传送中的任意一次，
OLT
将重新发送密钥
更换请求，直到三次收到相
同的密钥为止。当
OLT
收到了新的密钥后，就要开始进行密钥
切
换。
OLT
将使用新的密钥的帧号通
过相关的命令通知
ONU
，
这个命令一
般会发送三次，
只要
ONU
成功收到一
次就在相应的数据帧上切换校验密钥。
（二）终端
SN+PSW
注册
ON
U
在上电进入序列码状态后，
OLT
会
发序列码请求消息，
ONU
会将唯一的序列码发
送给
OLT
进行认证。这个序列码是唯一的，类似设备
的
MAC
地址。如果序列码合法，
OL
T
将分配一个
ONU-ID
给
ONU
并要求进行密码认证，如果
ONU
反馈的密码正确，这个
ONU
才会进入下一个测
距状态。否则就会停在这个状态，超时后返回原始状态，重新开始注册。
（三）用户安全认证技术
在
GPON
系统中，用户通过物理端口实现用户唯一标识、定位和认证主要
有
VBAS
、
PPPoE+
和
DHCP
Option60/82
三种方案。
（四）系统安全防护技术
1.
防
IP
Spoofing
OLT
设备一般会
采用
IP
地址和业务流绑定的方法，
使
得其他用户无法用其他非法获取的
IP
地址在
< br>OLT
上完成业务认证，从而达到了防止
IP
地址欺骗的目的。
2.
防
MAC
Spoofing
防
MAC
Spoofing
的处理是从捕获的上行报文中提取
< br>MAC
出地址、
VLAN
ID
和用户的
流信息进行
MAC
地址的动态绑定，然后再转发出去，作用在于防止非法用户伪造合法用户
的
MAC
截获和监听合法用户的业务信息。
+IP
绑定
OLT
支持
MAC
和
IP
地址绑定的功能，
OLT
在主控板上生成一个
IP
地址和
MA
C
地址的
对应表，
只有
“
IP+MAC
”
地址相对应
的合法用户才能得到更正确的
ARP
应答，
来控制
IP-MAC
不匹配的主机与外界通讯，达到防止<
/p>
IP
地址的盗用。
4.
管理用户的
RADIUS
认证
支持管理用户的
RADIUS
认证，这样就可以保证网络管理的安全，免受非法管理员进入
系统修改
数据。
5.
访问控制（
ACL
）技术
ACL
使用包过滤技术，
在
OLT
上读取第三层及第四层包头中的信息如源地址、
目的地址、
源端口、目的端口等，根据预先定义好的规则对包进行过滤，从而达到访问控制的目的。
（五）网络管理安全技术
SNMP
V3
的安全特性极大的提高
了网络管理的可靠性，
SNMP
V3
需要用户名和密码才
能通过
SNMP
进
行网络管理，
同时这样的过程都是加密进行的，
保证了整个
SNMP
访问过程
的安全性和可靠性。
第四节
GPON
在
FTTx
中的应用模式
一、
FTTB
应用模式
光纤到楼宇是宽带光接入网的典型应用类型之一，
其特征是以光纤替换用户引入点之前
的铜线电缆，
ONU
部署在传统的分线盒（用户引入点）即分配点（
Distributi
on Point
，
DP
）
，
ONU
下采用其他接入用户，如现有的金属线或
无线，每个
ONU
典型支持用户数为十多户到
< br>一百户左右。
在
FTTB
系统中
,
OLT
通常放置在端局
,
作为用户业务的收敛及分发
,
上联网络侧
采用光纤接口
,
通过光
纤网络连接
ONU
设备
,
在
ONU
处终结光信号
,<
/p>
用户侧提供铜线或五类
线接口
,
接口类型包括传统普通电话业务（
Plain
Old
Telephone
Ser
vice
，
POTS
）
、
ISDN
、
ADSL/AD
SL2+
、
VDSL/VDSL2
、以
太网等。
FTTB
网络结构在
ONU<
/p>
点需要解决供电问题
,
可以采用本地供电
,
或者由位于局端的远程供电系统
,<
/p>
也可以区域集中供电
,
目前以本地供电<
/p>
为主。
另外
,
由
于多住宅单元
(
Multiple Dwelling
Unit
,
MDU
)
提供较多
VOIP
语音业务的接入
,
需要考虑备用电源解决方案。业界主流的备用电源解决方案包括
< br>:
交流
UPS
、一次电源
+
蓄电
池、楼道应急电等。
< br>
由于
FTTB
网络中
,
ONU
布设到
DP<
/p>
,
使得
ONU
的
数量较多
,
每个
ONU
接入的用户数量
不多
,
因此选
择光纤传输技术时
,
应着重选择支持较多
ONU
数量的、能够节省光纤资源的传
输技术。
现阶段及以后一段时间内
,
GPON
是比较好的技术选择。
具体的应用模式又有如下几
种<
/p>
:
1
FTTB+xDSL
○
具体实现是将
光纤端接点分布在楼层
(
高层楼宇
)<
/p>
或楼道
(
多层建筑
),
小型
DSLAM
设备
网络侧采用
GPON
上联口
,
用户侧提供
xDSL
接口通过双绞
线入户。
这种方式利用现有的双绞
线资源
,
采用成熟的
ADSL2+
、
VDSL
相关技术
,
可以充分利用现有的线路投资。
提供中小容量的
DSL MDU
,
并且有适合室外恶劣环境的一体化机柜。
2
FTTB+LAN
○
具体实现是将光纤端接点分布在楼层
(
高层楼宇
)
或楼道
(
多层建筑
),
由
O
NU
终结光信
号
,
ONU
提供多个以太网接口。由于以太网五类线具有的距离限制
,
这种实现需要保证
ONU
到最终
用户的走线距离不超过
100
米。
二、
FTTH
应用模式
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