淺談GPON系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

　　GPON 是ITU-T 提出的一種靈活的每秒吉比特級光纖接入網(wǎng)， 它以ATM 信元和GEM 幀承載多業(yè)務(wù)， 支持商業(yè)和居民業(yè)務(wù)的寬帶全業(yè)務(wù)接入。GEM（GPON EncapsulationMethod）類似于通用成幀規(guī)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(tǒng)相比有本質(zhì)區(qū)別的新的PON 技術(shù)。

　　1 引言

　　隨著Internet的持續(xù)快速發(fā)展和個人電腦的普及，各種增值的多媒體和IP業(yè)務(wù)激增，業(yè)已存在xDSL接入技術(shù)無法滿足其巨大的帶寬需求，接入網(wǎng)成為整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的“瓶頸”?？紤]到這個現(xiàn)實，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)聯(lián)盟（FSAN： Full Service Access Network）從2001年1月開始了lGb/s以上的PON系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)研究。

　　FSAN試圖尋求一種分配靈活、可規(guī)劃、高速率、高效率、低成本以及具有豐富的業(yè)務(wù)和帶寬管理能力，能有效的支持現(xiàn)有和未來各種業(yè)務(wù)的全業(yè)務(wù)接入方案，逐漸形成了GPON系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

　　2 GPON的參考配置

　　GPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由GPON的局端設(shè)備OLT （Optical Line Termination）、遠(yuǎn)程接入設(shè)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(shè)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(shè)備。在GPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)，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(tǒng)參考配置

　　GPON的局端設(shè)備OLT主要負(fù)責(zé)與廣域網(wǎng)或骨干城域網(wǎng)的高速連接，并把高速連接的數(shù)據(jù)信息通過ODN傳給遠(yuǎn)程接入設(shè)備ONU。作為一個高性能的光網(wǎng)絡(luò)平臺，在GPON構(gòu)架上支持IP/SONET/SDH/ATM/CWDM等傳輸格式的分組數(shù)據(jù)與TDM應(yīng)用，并可透明地傳輸上述應(yīng)用業(yè)務(wù)，滿足TDM對實時性、抖動性的嚴(yán)格要求，有完整的服務(wù)保障機(jī)制和故障處理能力，下行速率高達(dá)1.244Gb/s或2.488Gb/S。

　　遠(yuǎn)程接入設(shè)備ONU主要負(fù)責(zé)與用戶端設(shè)備的連接，起到匯聚用戶端多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的作用，能以分組數(shù)據(jù)、TDM業(yè)務(wù)流原有格式透明地傳輸，保障了業(yè)務(wù)性能的完整性與統(tǒng)一性，并為用戶提供豐富的網(wǎng)絡(luò)接口類型與標(biāo)準(zhǔn)速率，滿足用戶對多業(yè)務(wù)的需要。

　　ODN負(fù)責(zé)無源光纖接入線路的數(shù)據(jù)信號傳輸，它的傳輸距離比有源光纖接入系統(tǒng)的要短，覆蓋范圍在40km以內(nèi)，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活，無需另設(shè)機(jī)房，維護(hù)相對簡單。所以，這種接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)可經(jīng)濟(jì)地為各類用戶提供全業(yè)務(wù)接入服務(wù)。

　　3 GPON的關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 動態(tài)帶寬分配（DBA）

　　動態(tài)帶寬分配（DBA）技術(shù)是指通過GPON系統(tǒng)中各個ONU的上行使用帶寬實時動態(tài)的改變來適應(yīng)用戶速率的各種變化，以提高系統(tǒng)的帶寬利用率的技術(shù)。PON系統(tǒng)的上行接入一般采用中央控制按需分配和固定分配相結(jié)合的方式，也就是ITU-T G983.4規(guī)定的靜態(tài)帶寬分配和動態(tài)帶寬分配兩種方式，按照業(yè)務(wù)等級進(jìn)行優(yōu)先級分配。對于GPON中的數(shù)據(jù)通信這種變速率業(yè)務(wù)，用靜態(tài)帶寬分配是不合適的，需要通過動態(tài)帶寬分配使系統(tǒng)帶寬利用率大幅度提高，即DBA技術(shù)根據(jù)ONU的突發(fā)業(yè)務(wù)的要求，通過在ONU之間動態(tài)調(diào)節(jié)帶寬來提高上行帶寬利用效率。根據(jù)GPON的特點和G983建議，可以知道動態(tài)帶寬分配的具體要求是：業(yè)務(wù)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(qiáng)、保證不同業(yè)務(wù)的QoS等。

　　3.1.1帶寬類型

　　GPON標(biāo)準(zhǔn)沿用了BPON中對QoS支持的規(guī)定。ITU-T在BPON標(biāo)準(zhǔn)G.983.4和GPON標(biāo)準(zhǔn)G984.3中明確提出了四種優(yōu)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(tǒng)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?；跇I(yè)務(wù)等級的優(yōu)先級分配方案能夠在實現(xiàn)高效的DBA的同時為業(yè)務(wù)提供良好的QoS保障，所以，清晰地認(rèn)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(yè)務(wù)：而T_CONT通過為業(yè)務(wù)提供特定類型的帶寬間接保證該業(yè)務(wù)的QoS要求。一種T-CONT能否支持某種QOS要求的業(yè)務(wù)，完全取決于該T-CONT能否提供滿足該業(yè)務(wù)QoS要求的帶寬。如果該T-CONT提供滿足某業(yè)務(wù)QoS要求的帶寬，就可以承載該業(yè)務(wù)。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(yè)務(wù)。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(xiàn)DBA的過程

　　根據(jù)協(xié)議，GPON的DBA過程包括以下5個步驟：擁塞狀態(tài)檢測、將擁塞狀態(tài)匯報給OLI、OLT根據(jù)提供的參數(shù)重新進(jìn)行帶寬分配、OLT根據(jù)更新的帶寬分配信息和T-CONT類型發(fā)送授權(quán)，在DBA中實現(xiàn)管理信息的協(xié)商。DBA過程如圖2所示［3］。

　　圖2 GPONDBA過程圖

　　根據(jù)協(xié)議規(guī)定，GPON的DBA分為兩種模式：一種是ONU向OLT報告自己的狀態(tài)和所需的帶寬，OLT根據(jù)上報的數(shù)據(jù)對ONU進(jìn)行DBA，即所謂的基于狀態(tài)報告的動態(tài)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(jiān)測功能，實現(xiàn)自動動態(tài)的帶寬分配，即非基于狀態(tài)報告的動態(tài)帶寬分配（NSR-DBA，Non Status Reporting DBA）。

　　3.2 GEM封裝技術(shù)

　　3.2.1 GEM功能

　　從幀結(jié)構(gòu)封裝的角度講，GEM和其他數(shù)據(jù)封裝方式類似。然而，GEM是嵌入在PON內(nèi)部的，與OLT端的SNIs及ONU端的UNls類型無關(guān)（見圖3）。也就是說，GEM封裝功能在GPON內(nèi)部終結(jié)，GPON以外的系統(tǒng)無法看到［4］。

　　圖3嵌入式GEM

　　3.2.2 GEM幀結(jié)構(gòu)

　　GEM幀結(jié)構(gòu)如圖4所示，由GEM幀頭和凈負(fù)荷域兩部分組成。GEM幀頭由PLI（凈負(fù)荷長度指示）、PortID（端口ID）、PTI（凈負(fù)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(fù)荷域的長度為L字節(jié)，長度為12bit，最多指示到4095字節(jié)，所以大于這個值的用戶數(shù)據(jù)幀必須要采用分片機(jī)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(fù)用，相當(dāng)于APON中的VPI［5］。

　　圖4 GEM幀結(jié)構(gòu)

　　PTI用于指示凈負(fù)荷段的內(nèi)容類型和相應(yīng)的處理方式，類似于在ATM用應(yīng)用。3bit中的最高位指示是數(shù)據(jù)幀還是GEM OAM幀，數(shù)據(jù)幀的最低位比特指示在分片機(jī)制中是否是幀的末端，次低位指示是否發(fā)生擁塞。

　　PTI預(yù)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(fā)送機(jī)將該頭部和固定的OxOXb6AB31E055進(jìn)行異或運算，將頭部發(fā)送出去。接收機(jī)使用同樣的異或計算回復(fù)頭部。

　　3.3 GPON上下行幀結(jié)構(gòu)

　　GPON系統(tǒng)采用固定125us周期的下行幀，以保證整個系統(tǒng)的定時關(guān)系。下行幀結(jié)構(gòu)如圖5所示［3］。

　　圖5下行幀的結(jié)構(gòu)圖

　　下行幀是由PCBd和負(fù)荷組成。PCBd是下行物理控制塊，提供幀同步、定時及動態(tài)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(fā)現(xiàn)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(shù)器，每個幀的Ident將會比前一個大1。當(dāng)這個計數(shù)器達(dá)到它的最大值時，下一個幀計數(shù)器將重設(shè)置為0。它主要用于用戶數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)，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(jiān)測。

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

　　BWmap是一個8字節(jié)分配結(jié)構(gòu)的標(biāo)量數(shù)組，該數(shù)組的每一項代表一個特殊T-CONT的帶寬映射，映射數(shù)組中的項數(shù)N在Plend字段中已經(jīng)給出，它主要用于上行帶寬分配。

　　如圖6所示，GPON系統(tǒng)的上行幀是由許多猝發(fā)脈沖組成，每個上行猝發(fā)最少應(yīng)包含PLOu。除了負(fù)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(fā)送PLOAMu、PLSu和DBRu信息。上行幀的負(fù)荷是由ATM負(fù)荷、GEM負(fù)荷和DBA負(fù)荷組成。

　　圖6為GTC的上行幀結(jié)構(gòu)

　　上行物理層開銷（PLOu）包含了用于系統(tǒng)同步的前導(dǎo)碼和定界符，它允許對上行突發(fā)鏈路進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌?/p>

　　PLOAMu字段用于承載上行物理層管理信息。PLSu為功率測量序列，長度120字節(jié)，用于調(diào)整光功率。DBRu用于向OLT報告ONU的上行帶寬需求，OLT根據(jù)報告進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳闲袔挿峙洹?/p>

　　4 結(jié)束語

　　與其他接入網(wǎng)技術(shù)相比，GPON能支持現(xiàn)有所有業(yè)務(wù)類型和滿足未來業(yè)務(wù)的適配要求，能提供高效率的GEM封裝，實現(xiàn)成本較低。業(yè)內(nèi)已公認(rèn)光纖到家實現(xiàn)三網(wǎng)融合的理想媒介，而GPON作為現(xiàn)今最先進(jìn)的接入網(wǎng)技術(shù)，是目前實現(xiàn)光纖到家的最佳技術(shù)之一。