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一、GPON技术的提出
GPON（Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork，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-T G.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IEEE 802.3ah，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（OpticalNetwork Unit，光网络单元）以及ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）组成，其系统参考配置如图1所示。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。
图1 GPON系统参考配置
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，如图2所示。
图2 GPON各种应用方式示意
总的来说，GPON具有如下主要技术特点：
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系统的协议栈见图3，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）。
图3 GPON系统协议栈
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。TC层协议栈见图3。GTC层包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。
图4 GTC系统协议栈
（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。
4.OMCI
OLT通过OMCI（ONT管理控制接口）来控制ONT。协议允许OLT进行下列动作：
1）建立和释放与ONT之间的连接；
2）管理ONT上的UNI；
3）请求配置信息和性能统计；
4）向系统管理员自动上报事件，如链路故障。
OMCI协议在OLT控制器和ONT控制器之间的GEM连接上运行，该连接在ONT初始化时建立。OMCI协议是异步的：OLT上的控制器是“主”，ONT上的控制器是“从”。一个OLT控制器通过在不同的控制信道上使用多个协议实例来控制多个ONT。
OMCI在下面几个方面对ONT进行管理：
1）配置管理：提供了控制、识别、从ONT收集数据和向ONT提供数据的功能；
2）故障管理：支持有限的故障管理功能，大多数操作仅限于进行故障指示；
3）性能管理：主要是性能监控；
4）安全管理：使能/去使能下行加密功能、全光纤保护倒换能力管理。
5.ONU激活注册
在ONU能正常工作前必须完成激活注册过程。
GPON协议基于ONU的序列号来识别和配置ONU，有些运营商会通过运维系统根据ONU的序列号对其进行预配置，这时通常采用直接激活ONU的方式。而在其它情况下，不能提前获知ONU的序列号，因此OLT需要具有自动发现ONU的机制。
激活ONU的事件有3个：
a）网络运营商在得知新的ONU连接到网络后，从运维系统启动激活过程；
b）当有ONU从工作状态丢失时，OLT就自动启动激活过程。查询频率可由运维系统设定；
c）OLT周期发起激活过程，查询频率可由运维系统设定。
ONU的激活过程包括：OLT和ONU之间协商工作参数、测量OLT和ONU之间的逻辑距离、建立上下行通信通道。对OLT和ONU之间逻辑距离的测量即测距。GPON采用带内方式对在线系统中的ONU进行测距。对新加入到系统中的ONU进行测距时，已工作的ONU应暂停发送信号，以打开一个测距窗口。该窗口的大小与新加入系统的ONU的距离有关，如果能预先知道新加入系统的ONU的距离则可以减小测距窗口。ONU的激活过程由OLT控制，其激活过程大致如下：
●ONU通过Upstream_Overhead消息接收工作参数；
●ONU根据接收到的工作参数调整自己的参数（如：发送光功率）；
●OLT通过Serial_NumberAcquisition流程发现新ONU的序列号；
●OLT给所有新ONU分配ONU-ID；
●OLT测量新ONU的均衡时延；
●OLT将测量的均衡时延传送给ONU；
●ONU根据均衡时延调整其上行帧的发送起始点。
以上激活过程是通过交互上下行标记（flag）以及PLOAM消息来完成的。在正常工作状态下，所有传输信号都可以被用来监测信号到达的相位。通过监测传输信号的相位，可以更新均衡时延。
ONU注册由自动发现流程完成。ONU注册有两种方式：“配置S/N”方式是通过管理系统（如NMS和/或EMS）在OLT注册ONU序列号，“发现S/N”方式是不通过管理系统（如NMS和/或EMS）在OLT注册ONU序列号。
四、TDM业务承载
GPON可通过2种方式承载TDM业务（如E1），一种是Native方式也被称为TDMoverGEM方式，另外一种是CESoPover GEM。
1.Native方式
Native方式是利用可变的GEM帧来直接封装TDM帧。TDM数据封装到GEM的方式见图5。具有相同Port-ID的TDM数据分组会汇聚到TC上层。净荷部分包含L字节的TDM块。
图5 GEM帧中的TDM数据帧结构
TDM业务到GEM帧的映射允许GEM帧长根据TDM业务的频率偏移进行变化。TDM段的长度由PLI域指示。
TDM源适配进程应该在输入缓存中对输入数据进行排队，每当有帧到达（即每125us），GEM帧复用实体将记录当前GEM，帧中准备发送的字节数量。一般情况下，PLI将根据TDM标称速率指示一个固定字节数，但经常需要多传送或少传送一些字节，这一点将在PLI域中反映出来。
如果输出频率比输入信号频率快，则输入缓存器开始清空，填充最终降到低门限以下。这时，从输入缓存器少读取一些字节，填充将上升至低门限以上。相反的，如果输出频率比输入信号频率慢，则输入缓存器开始填满，填充最终上升到高门限以上。这时，从输入缓存器多读取一些字节，填充将降至高门限以下。
可变长度的FDM段映射到GEM帧净荷的概念如图6所示。
图6 TDM映射到GEM
2.CESoPoverGEM方式
CESoP（CircuitEmulationoverPacket Switched Net）技术是在有管理的分组交换网络（PSN）上搭建通道来传送TDM业务。CESoP over GEM方式的基本思路是先采用CESoP技术将TDM业务封装到以太网/IP帧的净荷中，再将以太网/IP帧封装到GEM帧在OLT和ONU之间传递。图7是GPON系统承载TDM业务的示意图。
图7 GPON承载TDM业务示意图
五、GPON的标准化情况
目前，ITU-T在FSAN的帮助下，已经为GPON技术陆续制定完成了ITU-TG.984.x系列标准，具体包括：
●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个标准涉及了GPON的总体特性、物理层、TC层和ONU管理等方面。其中物理层和TC层的标准内容已经基本稳定，目前的关注重点在G.984.4规范的OMCI上，对OLT如何集中远程控制ONU、具体被管对象和内容纷纷提出多种方案，相关的增补文件也在不断发布。我国设备制造商如华为、中兴等和其它研究机构对该领域也有浓厚的兴趣，多篇技术文稿被陆续采纳。此外，对于业务和应用层面的管理是通过继续扩展OMCI能力还是通过TR069来实现也是目前存在较大争议的技术点。
六、结束语
高带宽、长距离、全业务接入能力、严格的QoS保证机制使电信运营商对GPON技术寄予了厚望，视其为下一代光接入网的主流实现技术之一。在底层协议相关标准如PMD层、TC层标准由国外厂商主导的情况下，OMCI将是比较适合加入我国技术标准色彩的技术突破点。
