浅析GPON系统的关键技术

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摘要：本文首先介绍了吉比特无源光网络(GPON)的系统结构，随后就GPON的几个关键技术：动态带宽分配、GEM封装技术、帧结构作了详细论述，最后肯定了GPON在未来光纤接入网中的发展前景。

1 引言

随着Internet的持续快速发展和个人电脑的普及，各种增值的多媒体和IP业务激增，业已存在xDSL接入技术无法满足其巨大的带宽需求，接入网成为整个网络发展的"瓶颈"。考虑到这个现实，全业务接入网联盟(FSAN: Full Service Access Network)从2001年1月开始了lGb/s以上的PON系统的标准研究。

FSAN试图寻求一种分配灵活、可规划、高速率、高效率、低成本以及具有丰富的业务和带宽管理能力，能有效的支持现有和未来各种业务的全业务接入方案，逐渐形成了GPON系列标准规范。

2 GPON的参考配置

GPON的网络结构由GPON的局端设备OLT (Optical Line Termination)、远程接入设备ONT (OpticalNetwork Unit)以及ODN(Optical Distributiont Network)所组成，其中ODN不含有任何有源电子器件，ODN全部光分支设备都由无源光分支器(Splitter)等无源器件组成，不需贵重的有源设备。在GPON网络结构中，一个OLT可以有多个GPON模块，每一个模块均可引出一个独立的GPON接入网络，并由无源光分支器和光纤连接到多个不同类型的ONU上，如图1所示[l]。

图l GPON系统参考配置

GPON的局端设备OLT主要负责与广域网或骨干城域网的高速连接，并把高速连接的数据信息通过ODN传给远程接入设备ONU。作为一个高性能的光网络平台，在GPON构架上支持IP/SONET/SDH/ATM/CWDM等传输格式的分组数据与TDM应用，并可透明地传输上述应用业务，满足TDM对实时性、抖动性的严格要求，有完整的服务保障机制和故障处理能力，下行速率高达1.244Gb/s或2.488Gb/S。

远程接入设备ONU主要负责与用户端设备的连接，起到汇聚用户端多业务数据流的作用，能以分组数据、TDM业务流原有格式透明地传输，保障了业务性能的完整性与统一性，并为用户提供丰富的网络接口类型与标准速率，满足用户对多业务的需要。

ODN负责无源光纤接入线路的数据信号传输，它的传输距离比有源光纤接入系统的要短，覆盖范围在40km以内，组网结构灵活，无需另设机房，维护相对简单。所以，这种接入网结构可经济地为各类用户提供全业务接入服务。

3 GPON的关键技术

3.1 动态带宽分配(DBA)

动态带宽分配(DBA)技术是指通过GPON系统中各个ONU的上行使用带宽实时动态的改变来适应用户速率的各种变化，以提高系统的带宽利用率的技术。PON系统的上行接入一般采用中央控制按需分配和固定分配相结合的方式，也就是ITU-T G983.4规定的静态带宽分配和动态带宽分配两种方式，按照业务等级进行优先级分配。对于GPON中的数据通信这种变速率业务，用静态带宽分配是不合适的，需要通过动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高，即DBA技术根据ONU的突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带宽来提高上行带宽利用效率。根据GPON的特点和G983建议，可以知道动态带宽分配的具体要求是：业务要透明、带宽利用率尽量高、具备低抖动与时延特性、公平分配带宽、信号健壮、实时性强、保证不同业务的QoS等。

3.1.1带宽类型

GPON标准沿用了BPON中对QoS支持的规定。ITU-T在BPON标准G.983.4和GPON标准G984.3中明确提出了四种优先级别的带宽[2]。它们分别是Fixed、Assured、Non-assured和Best-effort四种类型的带宽，也就是固定类型、确保类型、非确保类型和尽力而为类型的带宽。同时，GPON上行系统中带宽分配基本单元的传输容器(T-CONT)则按照其使用的带宽类型组合一共分为五种类型。基于业务等级的优先级分配方案能够在实现高效的DBA的同时为业务提供良好的QoS保障，所以，清晰地认识到各种带宽资源的特性以及理解T-CONT的适用范围对DBA有着重要意义。

3.1.2传输容器T-CONT

前面指出了GPON有四种类型的带宽，每种类型的带宽都可以支持一定的QoS要求的业务：而T_CONT通过为业务提供特定类型的带宽间接保证该业务的QoS要求。一种T-CONT能否支持某种QOS要求的业务，完全取决于该T-CONT能否提供满足该业务QoS要求的带宽。如果该T-CONT提供满足某业务QoS要求的带宽，就可以承载该业务。在五种类型的T-CONT中，type l类型T-CONT仅提供Fixed类型的带宽；type 2类型仅提供Assured类型的带宽：type3类型提供Assured类型和Non-assured类型的带宽；tyPe4类型仅提供Best-effort类型带宽：而type5类型是前四种类型的融合，可以提供所有类型的带宽，支持所有类型的业务。这五种T-CONT在本文中有时也被分别称为类型1、类型2、类型3、类型4和类型5的T-CONT。

3.1.3 GPON实现DBA的过程

根据协议，GPON的DBA过程包括以下5个步骤：拥塞状态检测、将拥塞状态汇报给OLI、OLT根据提供的参数重新进行带宽分配、OLT根据更新的带宽分配信息和T-CONT类型发送授权，在DBA中实现管理信息的协商。DBA过程如图2所示[3]。

图2 GPONDBA过程图

根据协议规定，GPON的DBA分为两种模式：一种是ONU向OLT报告自己的状态和所需的带宽，OLT根据上报的数据对ONU进行DBA，即所谓的基于状态报告的动态带宽分配(SR-DBA，Status Reporting DBA):另一种是ONU不需向OLT报告，OLT由自己的流量监测功能，实现自动动态的带宽分配，即非基于状态报告的动态带宽分配(NSR-DBA，Non Status Reporting DBA)。

3.2 GEM封装技术

3.2.1 GEM功能

从帧结构封装的角度讲，GEM和其他数据封装方式类似。然而，GEM是嵌入在PON内部的，与OLT端的SNIs及ONU端的UNls类型无关（见图3）。也就是说，GEM封装功能在GPON内部终结，GPON以外的系统无法看到[4]。

图3嵌入式GEM

3.2.2 GEM帧结构

GEM帧结构如图4所示，由GEM帧头和净负荷域两部分组成。GEM帧头由PLI（净负荷长度指示）、PortID（端口ID）、PTI（净负荷类型指示）和HEC（头差错校验）组成。PLI指示的是头部后面的净负荷域的长度为L字节，长度为12bit，最多指示到4095字节，所以大于这个值的用户数据帧必须要采用分片机制传送。12bit的PortID可以提供4096个不同的端口，用于支持多端口复用，相当于APON中的VPI[5]。

图4 GEM帧结构

PTI用于指示净负荷段的内容类型和相应的处理方式，类似于在ATM用应用。3bit中的最高位指示是数据帧还是GEM OAM帧，数据帧的最低位比特指示在分片机制中是否是帧的末端，次低位指示是否发生拥塞。

PTI预留了一些编码。HEC为13bit，提供头部的检错和纠错功能。它是BCH (39，12，2)码和一个奇偶校验比特的组合。

GEM帧头确定后，发送机将该头部和固定的OxOXb6AB31E055进行异或运算，将头部发送出去。接收机使用同样的异或计算回复头部。

3.3 GPON上下行帧结构

GPON系统采用固定125us周期的下行帧，以保证整个系统的定时关系。下行帧结构如图5所示[3]。

图5下行帧的结构图

下行帧是由PCBd和负荷组成。PCBd是下行物理控制块，提供帧同步、定时及动态带宽分配等OAM功能。

PCBd由以下字段组成：

物理同步字段(Physical synchronization field)是固定的32bit样式，ONU逻辑电路用该字段来发现下行帧的起始位置，用作与OLT的同步。

Ident字段的低30位包含一个超帧计数器，每个帧的Ident将会比前一个大1。当这个计数器达到它的最大值时，下一个帧计数器将重设置为0。它主要用于用户数据加密系统，也可用于提供较低速率的同步参考信号。

PLOAMd字段用于传送物理层管理信息。BIP是比特间插奇偶校验8比特码，用作误码监测。

Plend (payload length downstream)字段规定了带宽映射和ATM部分的长度，该字段被发送两次以保证误差的健壮性。

BWmap是一个8字节分配结构的标量数组，该数组的每一项代表一个特殊T-CONT的带宽映射，映射数组中的项数N在Plend字段中已经给出，它主要用于上行带宽分配。

如图6所示，GPON系统的上行帧是由许多猝发脉冲组成，每个上行猝发最少应包含PLOu。除了负荷，它还可能包含PLOAMu、PLSu和DBRu字段。OLT通过BWmap中的Flags字段指示是否在每个分配中允许ONU发送PLOAMu、PLSu和DBRu信息。上行帧的负荷是由ATM负荷、GEM负荷和DBA负荷组成。