EPON/GPON技术发展与应用

　　PON（Passive Optical Network，无源光网络）一直被认为是光接入网中颇具应用前景的技术，它打破了传统的点到点解决方法，在解决宽带接入问题上是一种经济的、面向未来多业务的用户接入技术。作为光纤接入领域最引人注目的技术，PON自出现以来，已经过多年的发展，形成了APON、BPON、EPON、GPON等一系列概念、规范及产品序列。但无论哪种技术都只有适合末端光纤接入的业务和网络发展趋势，才能有机会取得真正的商业成功，因为PON作为一种点对多点的技术方案和产品，只有越接近用户，才能更充分地发挥其独特的优势。而PON大规模市场成功的真正希望无疑在于光纤向用户的不断延伸，在于FTTX、尤其是FTTH的建设高潮的到来。

　　1 PON技术的演变

　　20世纪90年代中期，一些主导网络运营商成立了全业务接入网（FSAN）协会，目的是制订PON设备的统一标准，以使设备商和运营商一起进入PON设备市场，开展竞争。1998年10月，ITU-T通过了FSAN组织所倡导的基于ATM的PON技术标准——G.983。G.983系列建议对155 Mbit/s PON系统进行了规范。由于使用ATM作为承载协议，因此该系统被称为APON系统。但是很多设备厂商为迎合市场推广的需要，将其APON产品改称宽带无源光网（BPON）系统，以表明这种系统能提供以太网接入、视频分配、高速租用线等宽带业务。不过，对这一代FSAN系统最常用的称呼还是APON。后来，APON标准经过增强，可支持622 Mbit/s速率，并且在保护方式、动态带宽分配（DBA）和其它方面增加了新的特点。然而，基于ATM架构的APON系统过于复杂昂贵，虽然能够提供近乎完善的各种功能，但却难以在成本至上的末端接入领域获得大规模市场应用。

　　随着因特网的快速发展和以太网的大量应用，针对APON标准过于复杂、成本过高、在传送以太网和IP数据业务时效率低等问题，EFMA（Ethernet in the First Mile Alliance，第一英里以太网联盟）于2000年底提出了Ethernet-PON（EPON）的概念，并成立了工作组致力开发EPON标准。EPON就是将信息封装成以太网帧进行传输的PON。由于以太网相关器件价格相对低廉，并且对于在通信业务量中所占比例越来越大的以太网承载的数据业务而言，EPON免去了IP数据传输的协议和格式转化，效率高，传输速率达1.25 Gbit/s，且有进一步升级的空间，因此EPON受到了普遍关注。

　　差不多在EFMA提出EPON的同时，FSAN组织也开始进行支持更高比特速率、全业务的、高效率的PON标准的研究。考虑到APON的低效率和EPON无法对传送实时业务提供高质量保证、缺乏电信级的网络监测和业务管理等方面的不足，FASN组织于2002年9月推出了具有Gbit/s高速率、高效率、支持多业务透明传输，能够提供明确的服务质量保证和服务级别，具有电信级的网络监测和业务管理能力的光接入网GPON（Gigabit-Capable PON）解决方案。

　　在2003年的ITU-T会议上，已经通过了G.984.1和G.984.2的GPON系列标准，并对新提出的G.gpon.gtc草案进行了讨论研究。其中，G.984.1主要对GPON接入系统的总体特性进行了规定；G.984.2主要对GPON的ODN物理媒质相关子层进行了规定，定义了各种速率等级的OLT和ONU光接口性能参数（但2488 Mbit/s OLT和ONU光接口参数还需进一步研究确定）；G.gpon.gtc主要对传输汇聚（TC）层的相关要求进行了规定。ITU-T G.984建议在G.983.1系统上重新考虑了对业务的支持、安全策略、比特速率等方面的问题，它尽可能地保持ITU-T G.982和G.983建议的特性，并后向兼容现有的ODN。

　　2 EPON技术进展

　　2.1 EPON技术介绍

　　EPON是几个最佳的技术和网络结构的结合。EPON采用点到多点结构、无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上，EPON因采用了以上经济和高效的结构，而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10 Gbit/s以太主干和城域环的出现也将促使EPON成为未来全光网中最佳的最后一英里的解决方案。

　　对于以太网技术而言，PON是一个新的媒质。802.3工作组定义了新的物理层，而对以太网MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改动，以支持新的应用和媒质。按照2003年1月发布的IEEE 802.3ah Draft 1.3规定。

　　EPON系统通过一条共享光纤将多个DTE连接起来，为不对称的基于无源光分路器的树形型分支结构。而MPCP（Muti-Point Control Protocol，多点控制协议）是使这种结构适用于以太网的一种控制机制。

　　EPON建立在MPCP基础上，该协议是MAC 控制子层的一项功能，其涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入，向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。MPCP使用消息、状态机、定时器来控制访问P2MP（点到多点）的拓扑。在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体，用来和OLT中的MPCP的一个实体相互通信。作为EPON/MPCP的基础，EPON实现了一个P2P仿真子层，该子层使得P2MP网络拓扑对于高层来说就是多个点对点链路的集合。该子层是通过在每个数据报的前面加上一个LLD（Logical Link Identification，逻辑链路标识）来实现的。该LLID将替换前导码中的两个字节。PON将拓扑中的根结点认为是主设备，即OLT；将位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即ONUs。MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收。系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告，以便优化PON系统内部的带宽分配。EPON系统通过MPCPDU来实现OLT与ONU之间的带宽请求、带宽授权、测距等。

　　2.2 EPON技术研发进展

　　在EPON研发方面比较领先的公司，国外有Salira、Alloptic等新兴公司以及Nokia Broadband、Quantum Bridge等老牌公司，国内有格林威尔、华中理工、武汉烽火等。下面以格林威尔的EasyPath为例，介绍EPON技术方面的新突破。

　　如上所述，EPON对多业务的支持是个弱点，在光纤接入领域，多业务主要包括Ethernet业务及TDM业务。目前，格林威尔的EPON系统——EasyPath已经实现对TDM/E1业务的支持。

　　鉴于TDM over IP 不能完全保证TDM业务的QoS要求、新定义多业务EPON传输帧结构以同时承载以太网和TDM违背了IEEE802.3ah的EPON基于以太网从而保持低成本的原则，EasyPath采用在EPON二层传输E1业务（即E1 Over EPON）的方法，即把E1电路业务数据封装成标准的以太网帧，与承载数据业务的以太网帧统一在EPON中传输。

　　E1 Over EPON技术关键在于：E1信号与以太网之间高效合理的适配封装；E1信号的严格同步定时；电路业务QoS的保证。综合考虑适配封装效率和保证TDM业务严格的时延特性要求，确定E1到以太网帧之间的适配封装周期为500 ms。EasyPath采用了格林威尔自主研发的与OLT－ONU之间系统同步独立的E1时钟标签同步方法完成E1信号的同步定时。E1电路业务的QoS保证涉及系统各个层次技术，除上已说明的E1信号与以太网之间的适配封装、E1信号同步定时外，还与EPON系统的动态带宽分配控制密切相关，因为在EPON系统中所有数据都是在OLT的授权下才能介入多ONU共享的信道。

　　3 GPON技术介绍

　　GPON技术特征主要体现在传输汇聚层。GPON协议参考模型如图2所示，其中传输汇聚层又分为PON成帧子层和适配子层。GTC (GPON Transmission Convergence)的成帧子层完成GTC帧的封装，终结所要求的ODN的传输功能，PON的特定功能（如测距、带宽分配等）也在PON的成帧子层终结，在适配子层看不到。GTC的适配子层提供PDU与高层实体的接口。ATM和GFP信息在各自的适配子层完成SDU与PDU的转换。OMCI（Operations Management Communications Interface，操作管理通信接口）适配子层高于ATM和GFP适配子层，它识别VPI/VCI和Port_ID，并完成OMCI通道数据与高层实体的交换。

　　作为一种灵活的吉比特光纤接入网，GPON支持更高的速率和对称/非对称工作方式，同时还有很强的支持多业务和OAM的能力。它以ATM信元和GFP（Generic Framing Procedure，通用成帧规程）承载多业务，对各种业务类型都能提供相应的QoS保证，支持商业和居民业务的宽带全业务接入。

　　4 EPON与GPON技术比较

　　GPON与EPON最主要的区别表现在TC帧结构上。GPON通过ATM和GFP两种协议承载不同类型的用户数据。它的上、下行帧长均为125 μs。下行采用TDM方式，上行采用时分多址（TDMA）接入技术。上行帧由复用的突发传输时隙（slot）组成，每帧包括一个或多个ONU的传输时隙，通过下行帧的US BWmap（上行带宽映射）域指示相应ONU的上行数据发送。而EPON帧格式基本与IEEE 802.3的以太数据帧格式兼容，只在以太帧中加入时标及识别等信息， Ethernet PON数据通过不定长的数据包传输。

　　GPON在用户净荷数据段承载ATM信元和（或）GFP帧。在OLT授权给ONU的上行发送时隙中，OLT尽量使分配给ONU的ATM净荷块为53字节的整数倍长，如果净荷不是信元的整数倍，将进行碎片填充。信元总是被安排在净荷的开头部分。GPON对ATM信元定界没有严格的要求，但必须确保信元头中的HEC字节的校验。在GFP区段，超过上行帧范围的GFP帧可被分片，没有碎片产生，不会带来任何效率损失。在操作完成前，OLT必须要求能够维持多个GFP定界和缓冲分片帧。

　　因此，从标准和理论上说，GPON与EPON相比有两个优势，效率高、支持以太网之外的业务。EPON效率较低是因为使用8B/10B编码作为线路码，其本身就引入20％的带宽损失，1.25 Gbit/s的线路速率在处理协议本身之前实际就只有1 Gbit/s了。GPON系统都使用扰码作为线路码，其机理与SONET或SDH一样，由于只改变码，不增加码，所以没有带宽损失。在支持多业务方面，GPON能够同时承载ATM信元和（或）GFP帧，有很好的提供服务等级、支持QoS保证和全业务接入的能力；而EPON目前的标准和一些厂商提供的设备均支持TDM业务。

　　但是，GPON在功能上的优势很大程度是以技术和设备的复杂性为代价换来的，因此相关设备成本较高。而大量网络末稍的需求与骨干网络显然不同，对于直接对应具体客户业务需求的“第一公里”光纤接入来说，以最佳的成本支持主要业务需求比完美但昂贵的方案更易于成功。

　　5 结束语

　　可以说，FTTH是PON技术真正的春天，但如果只是等待FTTH的到来是远远不够的。PON技术如果一直停留在实验室，将来一定无法适应市场大量的对于成熟产品的需要，而且产品成本的控制也需要一个逐步加大产量、逐步降低的良性循环过程。只有能够在FTTH高潮到来之前，完成在产品成熟、成本控制、应用规模方面的准备工作，才能真正把握FTTH的机遇。因此，无论是EPON还是GPON，能否尽快实现产品的规模化应用，对将来的发展至关重要。如果无法做到这一点，无论技术多么完美，也只能是重复APON的历史。

　　虽然目前ADSL占据家庭宽带接入主流，但在边缘网方面，大量的商业用户对带宽和QoS保证有更高的要求，光纤接入已成为商业楼宇、商业大用户接入的主流，也是各运营商重要的收入来源及竞争重点，而如何节省机房、光纤资源，如何实现网络的快速布署，如何提供各种不同带宽保证的宽带产品已成为运营商关注的焦点。这给EPON或GPON创造了机遇，以商业客户接入（大用户）为主要目标市场的PON系统，完全可以马上获得一定的市场空间，而规模应用必然可以促进技术的完善、产品的成熟以及成本的降低。

----《电信技术》

作者：付晓松　北京格林威尔公司