FTTH的新成员——GPON的标准化进展

陶智勇　信息产业部武汉邮电科学研究院

　　摘 要 本文简要介绍正在研究的GPON技术，以及GPON作为一种FTTH宽带接入技术的优势、EPON的基本工作原理和实现EPON关键的技术问题。

　　关键词 GPON PON OLT ONU/ONT GFP

　　近年来，随着互联网的快速发展和个人电脑的普及，Internet数据流的激增加剧了接入部分的容量限制，接入网中传统的铜缆接入方式显然已经无法满足通信业务增长的需求。由于光纤具有传输频带宽、容量大、损耗低、抗干扰能力强等优点，非常适合作为高速、宽带业务的传输媒体。而在各种光接入技术中，PON（无源光网络）由于采用无源节点、敷设和运行维护成本低、对业务透明和易于升级等优点而备受关注。日本总务省于2003年9月4日公布由于用户改用东西NTT的“BFLET'S”和FTTH（Fiber To The Home）服务。2003年7月份的FTTH单月用户增加数为7万3039，与上一个月比增加了1万3082，累计达到53万1332。其xDSL的单月开通数在2003年4月份达到70万8038高峰以后开始趋于减少。2003年7月份开通数为51万1585，与上一个月相比减少了1万233。由此可见，目前全球运营市场的这一发展趋势使然。

1 无源光网络的发展情况

　　在光纤用户网的的研究中，为了满足用户对于网络灵活性的要求，1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。ITU-T制定了一些PON标准，其中最重要的两个标准是G.PONA和G.PONB。G.PONA支持的业务速率不超过ISDN基群速率（G.962，G.963）或其等效速率，即模拟话音业务（POTS）和基群或其等效速率及其以下速率的数字业务。G.PONB支持大于ISDN基群速率的业务，如数字视频（交互式或分配式）。

　　1995年，FSAN联盟成立，其目的是要共同定义一个通用的PON设备标准。FSAN努力的第一个结果是155Mbit/sPON系统的技术规范，从1998年开始已提出了ITU-T G.983系列标准，因它是用ATM作传输协议，所以名为APON，其最高速率为622Mbit/s。1998年10月，ITU-T通过了G.983.1建议，即“基于无源光网络的宽带光接入网”，主要规定了标称线路速率、光网络要求、网络分层结构、物理媒质层要求、会聚层要求、测距方法和传输性能要求等。1999年又出台了G.983.2建议，即“APON的ONT管理和控制接口规范”，主要从网络管理和信息模型上对APON系统进行了定义，以确保不同厂商的设备可实现互操作。随后，又批准了G.983.3建议，针对三网融合的趋势，对PON系统物理层光波段进行了重新分配。同时各电信设备制造商也研发出了APON产品，目前在北美、日本和欧洲都有APON产品的实际应用。但由于价格较高，又受到ATM推广受阻的影响，所以APON在市场中也受到很大限制。

　　2000年底另一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟（EFMA），提出基于以太网的PON的慨念，EPON。并促成IEEE在2001年成立第一英里以太网（EFM）小组，开始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在内的EFM相关标准。EPON标准草案计划完成时间是2003年4月或8月。我国在“十五”863计划中也设立了吉比特EPON的相应课题。

　　2001年底，FSAN更新网页把APON改名为BPON，即“宽带PON”。实际上，在2001年1月左右EFMA提出EPON慨念的同时，FSAN集团也开始进行1Gbit/s以上的PON标准的研究。除了需要支持更高的比特速率外，FSAN提出“对全部协议开放地进行完全彻底地重新考虑”的正确决定，努力寻求一种最佳的、支持全业务的、效率最高的解决方案。大多数先进国家运营商的代表，提出一整套“吉比特业务需求”（GSR）文档，作为提交ITU-T的标准之一；反过来又成为提议和开发GPON解决方案的基础。这说明GPON是一种按照消费者的准确需求设计、由运营商驱动的解决方案，是值得产品用户信赖的。在GSR文档中所列举的要求主要有以下几点：

　　* 支持全方位服务，包括话音（TDM、PDH和SONET/SDH）、Ethernet（10/100 Base-T）、ATM、专线等等。

　　* 物理覆盖至少20km，协定内逻辑支持范围60km。

　　* 支持同一种协定下的多种速率模式，包括同步622Mbit/s，同步1.25Gbit/s，以及不同步的下行2.5Gbit/s，上行1.25Gbit/s及更多（将来可达到同步2.5Gbit/s）。

　　*针对点对点服务管理需提供OAM&P(Operation、Administration、Maintenance、Provisioning)的能力。

　　* 针对PON下行流量是以广播传送之特点，提供协定层的安全保护机制。

2 GPON技术的基本网络结构

　　GPON标准的设置是基于不同服务需求，提供最有效率和理想的传输速率，同时兼顾OAM&P功能以及可扩充的能力。基于这样的设计原则下，GPON的技术得已成为光纤接入网络一种全新的解决方案。不但提供高速带宽，而且支持各种接入服务，特别是在Data及TDM的传输并且支持原有数据的格式无须再次转换。

　　由业务网络接口到用户网络接口间为GPON，而GPON通过SNI与业务节点相连，通过UNI与用户设备相连。GPON主要分成三部分，即OLT（Optical Line Termination）、ODN（Optical Distribution Network）和ONU/ONT（Optical Network Unit/Optical Network Termination）组成。其中OLT位于局端，ONU/ONT位于用户端（其区别为ONT直接位于用户端，而ONU与用户间还有其它的网络如以太网）。OLT到ONU/ONT的方向为下行方向，反之为上行方向。

3 GPON的物理层规范

　　GPON传输网络可以是任何类型，如SONET/SDH和ITU-T G.709（ONT）；用户信号可以是基于分组的（如IP/PPP，或Ethernet MAC），或是持续的比特速率，或者是其它类型的信号；而GFP则对不同业务提供通用、高效、简单的方法进行封装，经由同步的网络传输；对于最靠近用户的接入层来说，GPON具有前所未有的高比特率、高带宽；而其非对称特性更能适应未来的FTTH宽带市场。因为使用标准的8kHz（125μ）帧，从而能够直接支持TDM业务。GPON传输网络支持如下对称和非对称的线路速率选择，包括对称622Mbit/s、对称1.25Gbit/s、2.5Gbit/s下行和1.25Gbit/s上行等。

4 通用成帧协议GFP在GPON中的应用

　　GPON拥有高速宽带及高效率传输的特性。GPON采用全新的传输汇聚层协议“通用成帧协议”（GFP，Generic Framing Protocol），实现多种业务码流的通用成帧规程封装；另一方面又保持了G.983中与PON协议没有直接关系的许多功能特性，如OAM管理、DBA等。

　　GFP基本的帧格式主要由两部分组成：4B的帧头（Core Header）和GFP净负荷（其范围从4～65535B）。Core Header域由2B的帧长度指示（PLI，PDU Length Indicator）和2B的帧头错误检验（HEC，Header Error Check）组成。

　　GFP的净负荷中又分为净负荷的帧头（Payload Header）、净负荷本身及4B的FCS（Frame Check Sequence）可选项。Payload Header用来支持上层协议对数据链路的一些管理功能，由类型（Type）域及其HEC检验字节和可选的GFP扩展帧头（Extension Header）组成。在Type域中提供了GFP帧的格式、在多业务环境中的区分以及Extension Header的类型。目前，GFP定义了三种Extension Header（Null、Linear、Ring）， 分别用于支持点对点和环网逻辑链路上的GFP帧的复用，在相应的Extension Header域中会给出源/目的地址、服务类别、优先权、生存时间、通道号、源/目的MAC端口 地址等。当没有数据包传输时，GFP会插入空闲帧（Idle Frame），Idle Frame是一种特殊的GFP控制帧，只有4B的Core Header（PLI值为0）。

　　GFP简单灵活尤其适合于在字节同步通信信道上传输块编码和面向分组的数据流，它成功吸收了ATM中基于帧描述的差错控制技术来适应固定或可变长度的数据业务。GFP不需要预先处理客户的字节流，不需要象8B/10B或64B/66B那样需要插入数据控制比特，也不需要HDLC帧结构中的标志符，它仅依赖于当前净荷的长度及帧边界的差错控制校验，有效的确认这两类信息并在GFP的帧头中传输是决定数据链路同步及进入下一帧字节数的关键。为了方便的在同一时间里处理到达的随机字节块，GFP充分减少了数据链路的映射解映射的处理。通过使用具有低比特错误率的新型光纤来作为传输介质，GFP进一步减少了收端的逻辑处理。这减少了运行的复杂性，使得GFP特别适合于点到点的SONET/SDH的高速传输链路及OTN的波长信道。

　　GFP允许执行共存于同一传输信道中的多传输模式。一种模式是帧映射GFP，这种模式适合于PPP、IP、MPLS及以太网业务。另一种模式是透明映射GFP，它可用于对延迟敏感的存储域网，也可用于光纤信道、FICON及ESCON业务。

　　总之，GPON继承了G.983的成果，具有丰富的业务管理能力。GPON的核心基础是GFP，它具有覆盖任何可能出现的新业务的适配能力，包括数字视频、存储网络（SAN）、电子商务等。GPON具有面向未来的、可升级的多业务环境，能为将来的业务提供清晰的转移路线，而不需要中断和改变现有的GPON设备，也不需要以任何方式改变其传输层。但奇怪的是，在FTTH发达的日本等国PON在光接入网中所占的比例并不大，倒是点对点的光纤接入成为主流。这是我们在关注GPON的发展是必须进一步思考的问题。

----《电信工程技术与标准化》