吉比特无源光网络(GPON)技术及其标准化

吉比特无源光网络（GPON）技术及其标准化陈 洁摘要：本文对GPON的主要技术特征进行了描述，并进一步详细解释了协议分层功能、DBA 机制、ONU激活注册、OMCI等关键技术和原理，同时还介绍了GPON承载TDM业务的二种具体方式，以及GPON技术的标准化情况。

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（Full Service Access Network，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（Optical Line Terminal，光线路终端）、用户侧的ONU （Optical Network 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。

1516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-T G.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。

图2 GPON各种应用方式示意OLT视频服务网络E1GEONUONUONTFTTHONTFTTOGPON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。

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）。

17GPON OLT协议分层GPON ONU协议分层图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5～20dBB类 10～25dB15dBB+类 13～28dBC类 15～30dBGPON的标称线路速率（下行/上行）有多种，具体包括：z1244.16 Mbit/s/155.52 Mbit/s；z1244.16 Mbit/s/622.08 Mbit/s；z1244.16 Mbit/s/1244.16 Mbit/s；z2488.32 Mbit/s/155.52 Mbit/s；z2488.32 Mbit/s/622.08 Mbit/s；z2488.32 Mbit/s/1244.16 Mbit/s；18z2488.32 Mbit/s/2488.32 Mbit/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：z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。

z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。

z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GEM TC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ATM TC适配器、GEM TC适配器和OMCI19适配器。

ATM/GEM TC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GEM Port-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。

GPON TC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： z OLT和/或ONU检测拥塞状态；z向OLT报告拥塞状态；z OLT根据提供的参数更新带宽分配；z OLT根据更新的带宽分配和T-CONT类型发送授权；z发送DBA操作管理信息。

4．OMCIOLT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：201) 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： z ONU通过Upstream_Overhead消息接收工作参数；z ONU根据接收到的工作参数调整自己的参数（如：发送光功率）；z OLT通过Serial_Number Acquisition流程发现新ONU的序列号；z OLT给所有新ONU分配ONU-ID；z OLT测量新ONU的均衡时延；z OLT将测量的均衡时延传送给ONU；z ONU根据均衡时延调整其上行帧的发送起始点。