GPON技术及其相关标准化进程

GPON技术及其相关标准化进程
一、GPON技术的提出
    GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network，吉比特无源光网络）技术是无源光网络（PON）家族中一个重要的技术分支，其它类似技术包括APON/BPON和EPON技术等。GPON是当前和未来2到3年内最受关注的光接入技术之一。

    GPON的概念最早由FSAN（FullServiceAccessNetwork，全业务接入网联盟）在2001年提出，在此之前，FSAN/ITU还提出并标准化了APON/BPON技术（ITU-TG.983.x系列标准），IEEE也已经开始EPON技术的标准化工作并很快于2003年正式发布IEEE802.3ah，这标志着EPON技术标准化工作的完成。FSAN/ITU推出GPON技术的最大原因是由于网络IP化进程加速和ATM技术的逐步萎缩导致之前基于ATM技术的APON/BPON技术在商用化和实用化方面严重受阻，迫切需要一种高传输速率、适宜IP业务承载同时具有综合业务接入能力的光接入技术出现。在这样的背景下，FSAN/ITU以APON标准为基本框架，重新设计了新的物理层传输速率和TC层，  推出了新的GPON技术和标准。

    二、GPON系统的构成

    和其它PON技术类似，GPON也是一种采用点到多点拓扑结构的无源光接入技术，由局侧的OLT（OpticalLineTerminal，光线路终端）、用户侧的ONU（OpticalNetworkUnit，光网络单元）以及ODN（OpticalDistributionNetwork，光分配网络）组成。所谓“无源”，是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光纤和光分/合路器（Splitter）等无源光器件组成，没有昂贵的有源电子设备。

    GPON在下行方向（OLT到ONU）采用TDM广播方式、上行方向（ONU到OLT）采用TDMA（时分多址接入）方式，可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构，其中典型结构为树形结构。GPON系统要求OLT和ONU之间的光传输系统使用符合ITU-TG.652标准的单模光纤，上下行一般采用波分复用技术实现单纤双向的上下行传输，上行使用1260nm～1360nm波长，下行使用1480nm～1500nm波长。此外，GPON系统还可以采用第三波长方式（1540nm～1560nm波长）实现CATV业务的承载。

    GPON系统的ONU/ONT（ONT是用于FTTH并具有用户端口功能的ONU）可放置在交接箱、楼宇/分线盒、公司/办公室和家庭等不同的位置，形成FTTCab（光纤到交接箱）、FTTB/C（光纤到楼宇/分线盒）、FTTO（光纤到办公室）和FTTH（光纤到家庭用户）等不同的网络结构。
 1）业务支持能力强，具有全业务接入能力。GPON系统可以提供包括64kbit/s业务、E1电路业务、ATM业务、IP业务和CATV等在内的全业务接入能力，是提供语音、数据和视频综合业务接入的理想技术。

    2）可提供较高带宽和较远的覆盖距离。GPON系统可以提供下行2.488Gbit/s，上行1.244Gbit/s的带宽。此外，GPON系统中一个OLT可以支持64个ONU并支持20km传输。

    3）带宽分配灵活，有服务质量保证。GPON系统中采用的DBA算法可以灵活调用带宽，能够保证各种不同类型和等级业务的服务质量。

    4）ODN的无源特性减少了故障点，便于维护。GPON系统在光传输过程中不需要电源，没有电子部件，因此容易铺设，并避免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，简化了供电，在很大程度上节省了运营成本和管理成本。

    5）PON可以采用级联的ODN结构，即多个光分路器可以进行级联，大大节约了主干光缆。

    6）系统扩展容易，便于升级。PON系统模块化程度高，对局端资源占用很少，树型拓扑结构使系统扩展容易。

    三、GPON的关键技术

    1.协议栈

    GPON系统的协议栈主要由物理媒质相关（PMD）层和GPON传输汇聚（GTC）层组成。GTC层包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。GTC层可分为两种封装模式：ATM模式和GEM模式，目前GPON设备基本都采用GEM模式。GEM模式的GTC层可为其客户层提供3种类型的接口：ATM客户接口、GEM客户接口和ONT管理和控制接口（OMCI）。

    2.PMD层

    GPON的PMD层对应于OLT和ONU之间的光传输接口（也称为PON接口），其具体参数值决定了GPON系统的最大传输距离和最大分路比。OLT和ONU的发送光功率、接收机灵敏度等关键参数主要根据系统支持的ODN类型来进行划分。根据允许衰减范围的不同，ODN类型主要分为A、B、C三大类，结合目前实际应用需求和光收发模块的实际能力工业界还定义了B+类，扩展了GPON系统支持的最大分路比。ODN分类见表1，目前B+类ODN是主流。

    表1 ODN分类

    ODN类型衰减范围光通道损耗差

    A类5～20dB　　　　

    B类10～25dB

    B+类13～28dB　　　15dB

    C类15～30dB

    GPON的标称线路速率(下行/上行)有多种，具体包括：

    ●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。

    目前主流厂家的GPON产品均支持2488.32Mbit/s/1244.16Mbit/s，并且在20km传输距离下支持1:64分路比。

    3.TC层

    TC层（也称为GTC层）是GPON的核心层，主要完成上行业务流的媒质接入控制和ONU注册这两个关键功能。GTC层包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。
    （1）GTC成帧子层

    GTC成帧子层包括3个功能：

    ●复用和解复用。PLOAM和GEM部分根据帧头指示的边界信息复用到下行TC帧中，并可以根据帧头指示从上行TC帧中提取出PLOAM和GEM部分。

    ●帧头生成和解码。下行帧的TC帧头按照格式要求生成，上行帧的帧头会被解码。此外还要完成嵌入式OAM。

    ●基于Alloc-ID的内部路由功能。基于Alloc-ID的内部标识为来自/送往GEMTC适配器的数据进行路由。

    （2）GTC适配子层功能

    适配子层提供了3个TC适配器，即ATMTC适配器、GEMTC适配器和OMCI适配器。ATM/GEMTC适配器生成来自GTC成帧子层各ATM/GEM块的PDU，并将这些PDU映射到相应的块。

    （3）动态带宽分配（DBA）与业务QoS管理

    GTC系统根据T-CONT管理业务流，每个T-CONT由Alloc-ID标识。一个T-CONT可包含一个或多个GEMPort-ID。OLT监控每个T-CONT的流量负载，并调整带宽分配来更好地分配PON带宽资源。PON带宽资源的分配分为动态或静态两种方式，在动态资源分配方式中，OLT通过检查来自ONU的DBA报告和/或通过输入业务流的自监测来了解拥塞情况，然后分配足够的资源。在静态资源分配方式中，OLT根据配置信息为业务流预留固定带宽。

    DBA功能可提供各种不同的QoS。GPONTC层规定了5种T-CONT（Type1，2，3，4，5），DBA功能在各T-CONT中实现。GEM模式中，GEM连接由GEM-Port标识，并根据QoS要求由一种T-CONT类型承载。DBA功能分为下面几个部分：

    ●OLT和/或ONU检测拥塞状态；

    ●向OLT报告拥塞状态；

    ●OLT根据提供的参数更新带宽分配；

    ●OLT根据更新的带宽分配和T-CONT类型发送授权；

    ●发送DBA操作管理信息。