GPON关键技术及系统构成.docx
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GPON关键技术及系统构成
GPON优势及应用
GPON G.984GPON=GigabitPON,FSAN委员会将其演变为语音与数据源模式传输,2.5G带宽,语音及数据业务效率约为~93%,2003年被国际电联(ITU)采纳为标准
GPON优势:
高下行比特率
上行–1.25Gbit/s
下行–2.5Gbit/s
高效率
GPON=~93%
EPON=~49%
支持源模式TDM,IP数据及视频业务
运营商驱动(FSAN)
保护
动态带宽分配(DBA)
安全
GPON系统特点
容量大,解决接入网瓶颈问题
下行2.5G,上行1.244Gbps速率吉比特级GPON(千兆PON)网络系统.通过内置CWDM模块可扩展到10G.
传输效率高
将所有传送数据采用全新GFP适配协议封装为25us定长帧结构,与APON和EPON技术相比,具有更少开销字节和更高传输效率.在1.25G传输带宽需求情况下GPON传输效率达93%,而APON和EPON传输效率分别是71%和49%.
接入网络结构灵活,便于扩展
GPON系统可以支持环型、树型等多种网络拓扑结构.主干仅需单芯/双芯光纤,通过无源光纤分配网络(ODN)接入各类业务,GPON分支能力达1:
32,这是有源设备所望尘莫及.分支扩容对现有业务无影响.
保护功能完善
内置光交换模块实现双纤保护或环路保护,保护切换时间小于30ms,保障业务稳定可靠.
对业务良好QoS支持
采用标准GFP封装协议,可以为TDM业务分配固定传送帧字节,相比APON和EPON采用E1仿真方式为TDM业务提供了完全QOS保障.
动态带宽分配和流量控制功能
GPON下行数据采用广播方式传送,上行数据采用统计时分多址复用技术,各业务点通过请求/许可方式动态分配带宽,可以实现带宽充分利用,对特殊需求采用流量参数控制.
功能强大、完善网管系统
GPON系统具有完善图形管理界面,所有用户管理、业务调配均可在网管实现.改变目前不同业务分别组网,分别管理和维护局面,减少网络系统设计施工和运营维护成本.同时内置SNMP模块,TDM业务管理可纳入原有
另外:
BPONG.983 基于ATMPON,早期BPON在运营商中只有少量测试及商用,仅支持语音及数据,622M带宽,~70%利用率,1999年被国际电联(ITU)采纳为标准.
EPON,基于以太网接口PON,适用于新起市场,特别适用于IP城域网接入,1G带宽,语音及数据业务效率约为~50%,IEEE标准化约在2004年。
GPON关键技术及系统构成
GPON关键技术及系统构成
一、什么叫GPON?
GPON(Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork,千兆无源光网络)技术是无源光网络(PON)家族中一个重要技术分支,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年内最受关注光接入技术之一。
GPON概念最早由FSAN(FullServiceAccessNetwork,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-TG.983.x系列标准),IEEE也已经开始EPON技术标准化工作并很快于2003年正式发布IEEE802.3ah,这标志着EPON技术标准化工作完成。
FSAN/ITU推出GPON技术最大原因是由于网络IP化进程加速和ATM技术逐步萎缩导致之前基于ATM技术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光接入技术出现。
在这样背景下,FSAN/ITU以APON标准为基本框架,重新设计了新物理层传输速率和TC层,推出了新GPON技术和标准。
二、GPON系统构成
和其它PON技术类似,GPON也是一种采用点到多点拓扑结构无源光接入技术,由局侧OLT(OpticalLineTerminal,光线路终端)、用户侧ONU(OpticalNetworkUnit,光网络单元)以及ODN(OpticalDistributionNetwork,光分配网络)组成。
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,没有昂贵有源电子设备。
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之间光传输系统使用符合ITU-TG.652标准单模光纤,上下行一般采用波分复用技术实现单纤双向上下行传输,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业务承载。
GPON系统ONU/ONT(ONT是用于FTTH并具有用户端口功能ONU)可放置在交接箱、楼宇/分线盒、公司/办公室和家庭等不同位置,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)等不同网络结构。
总来说,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等在内全业务接入能力,是提供语音、数据和视频综合业务接入理想技术。
2)可提供较高带宽和较远覆盖距离。
GPON系统可以提供下行2.488Gbit/s,上行1.244Gbit/s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服务质量。
4)ODN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关键技术
1.协议栈
GPON系统协议栈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GTC层可为其客户层提供3种类型接口:
ATM客户接口、GEM客户接口和ONT管理和控制接口(OMCI)。
2.PMD层
GPONPMD层对应于OLT和ONU之间光传输接口(也称为PON接口),其具体参数值决定了GPON系统最大传输距离和最大分路比。
OLT和ONU发送光功率、接收机灵敏度等关键参数主要根据系统支持ODN类型来进行划分。
根据允许衰减范围不同,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实际能力工业界还定义了B+类,扩展了GPON系统支持最大分路比。
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 5~20dB
B类 10~25dB
B+类 13~28dB 15dB
C类 15~30dB
GPON标称线路速率(下行/上行)有多种,具体包括:
●1244.16Mbit/s/155.52Mbit/s;
●1244.16Mbit/s/622.08Mbit/s;
●1244.16Mbit/s/1244.16Mbit/s;
●2488.32Mbit/s/155.52Mbit/s;
●2488.32Mbit/s/622.08Mbit/s;
●2488.32Mbit/s/1244.16Mbit/s;
●2488.32Mbit/s/2488.32Mbit/s。
目前主流厂家GPON产品均支持2488.32Mbit/s/1244.16Mb it/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核心层,主要完成上行业务流媒质接入控制和ONU注册这两个关键功能。
GTC层包括两个子层:
GTC成帧子层和TC适配子层。
(1)GTC成帧子层
GTC成帧子层包括3个功能:
●复用和解复用。
PLOAM和GEM部分根据帧头指示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。
●帧头生成和解码。
下行帧TC帧头按照格式要求生成,上行帧帧头会被解码。
此外还要完成嵌入式OAM。
●基于Alloc-ID内部路由功能。
基于Alloc-ID内部标识为来自/送往GEMTC适配器数据进行路由。
(2)GTC适配子层功能
适配子层提供了3个TC适配器,即ATMTC适配器、GEMTC适配器和OMCI适配器。
ATM/GEMTC适配器生成来自GTC成帧子层各ATM/GEM块PDU,并将这些PDU映射到相应块。
(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GEMPort-ID。
OLT监控每个T-CONT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ONUDBA报告和/或通过输入业务流自监测来了解拥塞情况,然后分配足够资源。
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QoS。
GPONTC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:
●OLT和/或ONU检测拥塞状态;
●向OLT报告拥塞状态;
●OLT根据提供参数更新带宽分配;
●OLT根据更新带宽分配和T-CONT类型发送授权;
●发送DBA操作管理信息。
4.OMCI
OLT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之间连接;
2)管理ONT上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GEM连接上运行,该连接在ONT初始化时建立。
OMCI协议是异步:
OLT上控制器是“主”,ONT上控制器是“从”。
一个OLT控制器通过在不同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:
1)配置管理:
提供了控制、识别、从ONT收集数据和向ONT提供数据功能;
2)故障管理:
支持有限故障管理功能,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序列号对其进行预配置,这时通常采用直接激活ONU方式。
而在其它情况下,不能提前获知ONU序列号,因此OLT需要具有自动发现ONU机制。
激活ONU事件有3个:
a)网络运营商在得知新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激活过程包括:
OLT和ONU之间协商工作参数、测量OLT和ONU之间逻辑距离、建立上下行通信通道。
对OLT和ONU之间逻辑距离测量即测距。
GPON采用带内方式对在线系统中ONU进行测距。
对新加入到系统中ONU进行测距时,已工作ONU应暂停发送信号,以打开一个测距窗口。
该窗口大小与新加入系统ONU距离有关,如果能预先知道新加入系统ONU距离则可以减小测距窗口。
ONU激活过程由OLT控制,其激活过程大致如下:
●ONU通过Upstream_Overhead消息接收工作参数;
●ONU根据接收到工作参数调整自己参数(如:
发送光功率);
●OLT通过Serial_NumberAcquisition流程发现新ONU序列号;
●OLT给所有新ONU分配ONU-ID;
●OLT测量新ONU均衡时延;
●OLT将测量均衡时延传送给ONU;
●ONU根据均衡时延调整其上行帧发送起始点。
以上激活过程是通过交互上下行标记(flag)以及PLOAM消息来完成。
在正常工作状态下,所有传输信号都可以被用来监测信号到达相位。
通过监测传输信号相位,可以更新均衡时延。
ONU注册由自动发现流程完成。
ONU注册有两种方式:
“配置S/N”方式是通过管理系统(如NMS和/或EMS)在OLT注册ONU序列号,“发现S/N”方式是不通过管理系统(如NMS和/或EMS)在OLT注册ONU序列号。
四、TDM业务承载
GPON可通过2种方式承载TDM业务(如E1),一种是Native方式也被称为TDMoverGEM方式,另外一种是CESoPoverGEM。
1.Native方式
Native方式是利用可变GEM帧来直接封装TDM帧。
具有相同Port-IDTDM数据分组会汇聚到TC上层。
净荷部分包含L字节TDM块。
TDM业务到GEM帧映射允许GEM帧长根据TDM业务频率偏移进行变化。
TDM段长度由PLI域指示。
TDM源适配进程应该在输入缓存中对输入数据进行排队,每当有帧到达(即每125us),GEM帧复用实体将记录当前GEM,帧中准备发送字节数量。
一般情况下,PLI将根据TDM标称速率指示一个固定字节数,但经常需要多传送或少传送一些字节,这一点将在PLI域中反映出来。
如果输出频率比输入信号频率快,则输入缓存器开始清空,填充最终降到低门限以下。
这时,从输入缓存器少读取一些字节,填充将上升至低门限以上。
相反,如果输出频率比输入信号频率慢,则输入缓存器开始填满,填充最终上升到高门限以上。
这时,从输入缓存器多读取一些字节,填充将降至高门限以下。
2.CESoPoverGEM方式
CESoP(CircuitEmulationoverPacketSwitchedNet)技术是在有管理分组交换网络(PSN)上搭建通道来传送TDM业务。
CESoPoverGEM方式基本思路是先采用CESoP技术将TDM业务封装到以太网/IP帧净荷中,再将以太网/IP帧封装到GEM帧在OLT和ONU之间传递。
五、GPON标准化情况
目前,ITU-T在FSAN帮助下,已经为GPON技术陆续制定完成了ITU-TG.984.x系列标准,具体包括:
●ITU-TG.984.1:
Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks(GPON):
Generalcharacteristics;
●ITU-TG.984.2:
Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks(GPON):
PhysicalMediaDependent(PMD)layerspecification;
●ITU-TG.984.3:
Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks(GPON):
Transmissionconvergencelayerspecification;
●ITU-TG.984.4:
Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks(GPON):
ONTmanagementandcontrolinterfacespecification。
上述4个标准涉及了GPON总体特性、物理层、TC层和ONU管理等方面。
其中物理层和TC层标准内容已经基本稳定,目前关注重点在G.984.4规范OMCI上,对OLT如何集中远程控制ONU、具体被管对象和内容纷纷提出多种方案,相关增补文件也在不断发布。
我国设备制造商如华为、中兴等和其它研究机构对该领域也有浓厚兴趣,多篇技术文稿被陆续采纳。
此外,对于业务和应用层面管理是通过继续扩展OMCI能力还是通过TR069来实现也是目前存在较大争议技术点。
六、结束语
高带宽、长距离、全业务接入能力、严格QoS保证机制使电信运营商对GPON技术寄予了厚望,视其为下一代光接入网主流实现技术之一。
在底层协议相关标准如PMD层、TC层标准由国外厂商主导情况下,OMCI将是比较适合加入我国技术标准色彩技术突破点。
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