淺談GPON系統的結構及關鍵技術

　　GPON 是ITU-T 提出的一種靈活的每秒吉比特級光纖接入網，它以ATM 信元和GEM 幀承載多業務，支持商業和居民業務的寬帶全業務接入。GEM（GPON EncapsulationMethod）類似于通用成幀規程GFP ，是GPON 特有的封裝方式。它不僅具有名字上反映出的每秒吉比特傳輸能力，而且是一種與已有PON 系統相比有本質區別的新的PON 技術。

　　1 引言

　　隨著Internet的持續快速發展和個人電腦的普及，各種增值的多媒體和IP業務激增，業已存在xDSL接入技術無法滿足其巨大的帶寬需求，接入網成為整個網絡發展的“瓶頸”。考慮到這個現實，全業務接入網聯盟（FSAN： Full Service Access Network）從2001年1月開始了lGb/s以上的PON系統的標準研究。

　　FSAN試圖尋求一種分配靈活、可規劃、高速率、高效率、低成本以及具有豐富的業務和帶寬管理能力，能有效的支持現有和未來各種業務的全業務接入方案，逐漸形成了GPON系列標準規范。

　　2 GPON的參考配置

　　GPON的網絡結構由GPON的局端設備OLT （Optical Line Termination）、遠程接入設備ONT （OpticalNetwork Unit）以及ODN（Optical Distributiont Network）所組成，其中ODN不含有任何有源電子器件，ODN全部光分支設備都由無源光分支器（Splitter）等無源器件組成，不需貴重的有源設備。在GPON網絡結構中，一個OLT可以有多個GPON模塊，每一個模塊均可引出一個獨立的GPON接入網絡，并由無源光分支器和光纖連接到多個不同類型的ONU上，如圖1所示［l］。

　　圖l GPON系統參考配置

　　GPON的局端設備OLT主要負責與廣域網或骨干城域網的高速連接，并把高速連接的數據信息通過ODN傳給遠程接入設備ONU。作為一個高性能的光網絡平臺，在GPON構架上支持IP/SONET/SDH/ATM/CWDM等傳輸格式的分組數據與TDM應用，并可透明地傳輸上述應用業務，滿足TDM對實時性、抖動性的嚴格要求，有完整的服務保障機制和故障處理能力，下行速率高達1.244Gb/s或2.488Gb/S。

　　遠程接入設備ONU主要負責與用戶端設備的連接，起到匯聚用戶端多業務數據流的作用，能以分組數據、TDM業務流原有格式透明地傳輸，保障了業務性能的完整性與統一性，并為用戶提供豐富的網絡接口類型與標準速率，滿足用戶對多業務的需要。

　　ODN負責無源光纖接入線路的數據信號傳輸，它的傳輸距離比有源光纖接入系統的要短，覆蓋范圍在40km以內，組網結構靈活，無需另設機房，維護相對簡單。所以，這種接入網結構可經濟地為各類用戶提供全業務接入服務。

　　3 GPON的關鍵技術

　　3.1 動態帶寬分配（DBA）

　　動態帶寬分配（DBA）技術是指通過GPON系統中各個ONU的上行使用帶寬實時動態的改變來適應用戶速率的各種變化，以提高系統的帶寬利用率的技術。PON系統的上行接入一般采用中央控制按需分配和固定分配相結合的方式，也就是ITU-T G983.4規定的靜態帶寬分配和動態帶寬分配兩種方式，按照業務等級進行優先級分配。對于GPON中的數據通信這種變速率業務，用靜態帶寬分配是不合適的，需要通過動態帶寬分配使系統帶寬利用率大幅度提高，即DBA技術根據ONU的突發業務的要求，通過在ONU之間動態調節帶寬來提高上行帶寬利用效率。根據GPON的特點和G983建議，可以知道動態帶寬分配的具體要求是：業務要透明、帶寬利用率盡量高、具備低抖動與時延特性、公平分配帶寬、信號健壯、實時性強、保證不同業務的QoS等。

　　3.1.1帶寬類型

　　GPON標準沿用了BPON中對QoS支持的規定。ITU-T在BPON標準G.983.4和GPON標準G984.3中明確提出了四種優先級別的帶寬［2］。它們分別是Fixed、Assured、Non-assured和Best-effort四種類型的帶寬，也就是固定類型、確保類型、非確保類型和盡力而為類型的帶寬。同時，GPON上行系統中帶寬分配基本單元的傳輸容器（T-CONT）則按照其使用的帶寬類型組合一共分為五種類型。基于業務等級的優先級分配方案能夠在實現高效的DBA的同時為業務提供良好的QoS保障，所以，清晰地認識到各種帶寬資源的特性以及理解T-CONT的適用范圍對DBA有著重要意義。

　　3.1.2傳輸容器T-CONT

　　前面指出了GPON有四種類型的帶寬，每種類型的帶寬都可以支持一定的QoS要求的業務：而T_CONT通過為業務提供特定類型的帶寬間接保證該業務的QoS要求。一種T-CONT能否支持某種QOS要求的業務，完全取決于該T-CONT能否提供滿足該業務QoS要求的帶寬。如果該T-CONT提供滿足某業務QoS要求的帶寬，就可以承載該業務。在五種類型的T-CONT中，type l類型T-CONT僅提供Fixed類型的帶寬；type 2類型僅提供Assured類型的帶寬：type3類型提供Assured類型和Non-assured類型的帶寬；tyPe4類型僅提供Best-effort類型帶寬：而type5類型是前四種類型的融合，可以提供所有類型的帶寬，支持所有類型的業務。這五種T-CONT在本文中有時也被分別稱為類型1、類型2、類型3、類型4和類型5的T-CONT。

　　3.1.3 GPON實現DBA的過程

　　根據協議，GPON的DBA過程包括以下5個步驟：擁塞狀態檢測、將擁塞狀態匯報給OLI、OLT根據提供的參數重新進行帶寬分配、OLT根據更新的帶寬分配信息和T-CONT類型發送授權，在DBA中實現管理信息的協商。DBA過程如圖2所示［3］。

　　圖2 GPONDBA過程圖

　　根據協議規定，GPON的DBA分為兩種模式：一種是ONU向OLT報告自己的狀態和所需的帶寬，OLT根據上報的數據對ONU進行DBA，即所謂的基于狀態報告的動態帶寬分配（SR-DBA，Status Reporting DBA）：另一種是ONU不需向OLT報告，OLT由自己的流量監測功能，實現自動動態的帶寬分配，即非基于狀態報告的動態帶寬分配（NSR-DBA，Non Status Reporting DBA）。

　　3.2 GEM封裝技術

　　3.2.1 GEM功能

　　從幀結構封裝的角度講，GEM和其他數據封裝方式類似。然而，GEM是嵌入在PON內部的，與OLT端的SNIs及ONU端的UNls類型無關（見圖3）。也就是說，GEM封裝功能在GPON內部終結，GPON以外的系統無法看到［4］。

　　圖3嵌入式GEM

　　3.2.2 GEM幀結構

　　GEM幀結構如圖4所示，由GEM幀頭和凈負荷域兩部分組成。GEM幀頭由PLI（凈負荷長度指示）、PortID（端口ID）、PTI（凈負荷類型指示）和HEC（頭差錯校驗）組成。PLI指示的是頭部后面的凈負荷域的長度為L字節，長度為12bit，最多指示到4095字節，所以大于這個值的用戶數據幀必須要采用分片機制傳送。12bit的PortID可以提供4096個不同的端口，用于支持多端口復用，相當于APON中的VPI［5］。

　　圖4 GEM幀結構

　　PTI用于指示凈負荷段的內容類型和相應的處理方式，類似于在ATM用應用。3bit中的最高位指示是數據幀還是GEM OAM幀，數據幀的最低位比特指示在分片機制中是否是幀的末端，次低位指示是否發生擁塞。

　　PTI預留了一些編碼。HEC為13bit，提供頭部的檢錯和糾錯功能。它是BCH （39，12，2）碼和一個奇偶校驗比特的組合。

　　GEM幀頭確定后，發送機將該頭部和固定的OxOXb6AB31E055進行異或運算，將頭部發送出去。接收機使用同樣的異或計算回復頭部。

　　3.3 GPON上下行幀結構

　　GPON系統采用固定125us周期的下行幀，以保證整個系統的定時關系。下行幀結構如圖5所示［3］。

　　圖5下行幀的結構圖

　　下行幀是由PCBd和負荷組成。PCBd是下行物理控制塊，提供幀同步、定時及動態帶寬分配等OAM功能。

　　PCBd由以下字段組成：

　　物理同步字段（Physical synchronization field）是固定的32bit樣式，ONU邏輯電路用該字段來發現下行幀的起始位置，用作與OLT的同步。

　　Ident字段的低30位包含一個超幀計數器，每個幀的Ident將會比前一個大1。當這個計數器達到它的最大值時，下一個幀計數器將重設置為0。它主要用于用戶數據加密系統，也可用于提供較低速率的同步參考信號。

　　PLOAMd字段用于傳送物理層管理信息。BIP是比特間插奇偶校驗8比特碼，用作誤碼監測。

　　Plend （payload length downstream）字段規定了帶寬映射和ATM部分的長度，該字段被發送兩次以保證誤差的健壯性。

　　BWmap是一個8字節分配結構的標量數組，該數組的每一項代表一個特殊T-CONT的帶寬映射，映射數組中的項數N在Plend字段中已經給出，它主要用于上行帶寬分配。

　　如圖6所示，GPON系統的上行幀是由許多猝發脈沖組成，每個上行猝發最少應包含PLOu。除了負荷，它還可能包含PLOAMu、PLSu和DBRu字段。OLT通過BWmap中的Flags字段指示是否在每個分配中允許ONU發送PLOAMu、PLSu和DBRu信息。上行幀的負荷是由ATM負荷、GEM負荷和DBA負荷組成。