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指导教师教研室主任
年月日年月日
摘要
本论文首先阐述了接入网的概念及发展历程,介绍了GPON以及它的系统结构,重点研究了GPON的关键技术,通过与EPON的比较,得出了GPON高带宽、高效率、高分光比、长距离传输、覆盖范围广、用户接口丰富等优点。
其次从OLT设备安装设计、ONU设备安装设计、光分路器配置等方面重点分析了GPON的设计接入原则,具体分析了GPON在FTTx中的应用模式。
最后将GPON技术应用到毓秀华庭小区的FTTH建设中,通过对用户高速上网、IP话音、视频通信、网络游戏、VOD等需求分析,设计了基于GPON的FTTH组网方案,进行了详细施工接入设计和工程预算,实现了该小区的多业务融合接入,体现出GPON是目前三网融合、光纤到户的最佳解决方案。
关键词:
GPON;
接入网;
FTTH
Abstract
Thispaperfirstdescribestheconceptanddevelopmentofaccessnetwork,introducestheGPONanditsarchitecture,focusingonthekeytechnologiesofGPON,comparedwithEPON,theGPONhighbandwidth,highefficiency,highlightratio,longdistancetransmission,widecoverage,theadvantagesofrichuserinterface.Secondly,fromtheOLTequipmentinstallationdesign,ONUequipmentinstallationdesign,opticalsplitterconfigurationandotherimportantaspectsofthedesignofaccessprincipleofGPON,analyzedtheapplicationofGPONinFTTxmode.Finally,GPONtechnologywillbeappliedtotheYuxiuVistaareaintheconstructionoftheFTTH,throughtheanalysisoftheuserIPhigh-speedInternetaccess,voice,videocommunication,networkgame,VODrequirements,designtheFTTHnetworkingschemebasedonGPON,hascarriedonthedetaileddesignandimplementationoftheprojectbudget,themultiserviceaccessintheareaofthereflectingfusion,GPONisthebestsolutiontotheintegrationofthreenetworks,fibertothehome.
Keywords:
Accessnetwork;
第一章绪论
1.1选题的背景及其意义
1.2接入网的概念及发展历程
所谓接入网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备。
其长度一般为几百米到几公里,因而被形象地称为“最后一公里”。
由于骨干网一般采用光纤结构,传输速度快,因此,接入网便成为了整个网络系统的瓶颈。
接入网的接入方式包括铜线(普通电话线)接入、光纤接入、光纤同轴电缆(有线电视电缆)混合接入和无线接入等几种方式。
通信网发展至今,发生了天翻地覆的变化,从模拟到数字,从电缆到光缆,从PDH到SDH,从STM到ATM,从ATM到IP/DWDM……,一代又一代新技术、新系统层出不穷。
然而,绝大多数新技术、新系统都是应用于骨干网中,用户接入网仍为模拟双绞线技术所主宰。
由于社会经济和通信技术的发展,单纯的语音业务已难以满足用户和市场的需求,特别是光纤技术的出现,以及用户对新业务,尤其是对宽带图象和数据业务的需求增加,给整个网络的结构带来了影响,同时也为用户接入网的改造和更新带来了转机。
总之,用户对宽带综合业务的需求和通信技术的迅速发展成为接入网技术发展的两大原动力。
随着电信行业垄断市场消失和电信网业务市场的开放,电信业务功能、接入技术的不断提高,接入网也伴随着发展,主要表现在以下几点:
接入网的复杂程度在不断增加。
不同的接入技术间的竞争与综合使用,以及要求对大量电信业务的支持等,使得接入网的复杂程度增加。
接入网的服务范围在扩大。
随着通信技术和通信网的发展,本地交换局的容量不断扩大,交换局的数量在日趋减少,在容量小的地方,改用集线器和复用器等,这使接入网的服务范围不断扩大。
接入网的标准化程度日益提高。
在本地交换局逐步采用基于V5.X标准的开放接口后,电信运营商更加自由地选择接入网技术及系统设备。
接入网应支持更高档次的业务。
市场经济的发展,促使商业和公司客户要求更大容量的接入线路用于数据应用,特别是局域网互连,要求可靠性、短时限的连接。
随着光纤技术向用户网的延伸,CATV的发展给用户环路发展带来了机遇。
支持接入网的技术更加多样化。
尽管目前在接入网中光传输的含量在不断增加,但如何更好地利用现有的双绞线仍受重视,但对要求快速建设的大容量接入线路,则可选用无线链路。
光纤技术将更多的应用于接入网。
随着光纤覆盖扩展,光纤技术也将日益增多地用于接入网,从发展的角度看,SDH、ATM、IP/DWDM目前仅适用于主干光缆段和数字局端机接口,随着业务的发展,光纤接口将进一步扩展到路边,并最终进入家庭,真正实现宽带光纤接入,实现统一的宽带全光网络结构,因此,电信网络将真正成为本世纪信息高速公路的坚实网络基础。
第二章GPON的技术分析
2.1GPON的简介
GPON(Gigabit-Capable
PON)是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准,具有高带宽,高效率,大覆盖范围,用户接口丰富等众多优点,被运营商视为实现接入网业务宽带化,综合化改造的理想技术[1]。
无源光网络是一种采用点到多点(P2MP)结构的单纤双向光接入网,其典型拓扑结构为树型或星型,由网络侧的OLT、光分配网(ODN)、用户侧的ONU和网管系统组成,根据ONU摆放的位置,GPON系统可能的应用包括FTTH、FTTO、FTTB、FTTC等场合[2]。
其他的PON标准而言,GPON标准提供了前所未有的高带宽,GPON下行最大速率为2.5Gbps,上行为1.25Gbps,分光比最大为1:
64,其非对称特性更能适应宽带数据业务市场[3]。
提供QoS的全业务保障,同时承载ATM信元和(或)GEM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。
做为电信级的技术标准,GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能。
在GPON标准中,明确规定需要支持的业务类型包括数据业务(Ethernet业务,包括IP业务和MPEG视频流)、PSTN业务、专用线(T1,E1,DS3,E3和ATM业务)和视频业务(数字视频)。
GPON中的多业务映射到ATM信元或GEM帧中进行传送,对各种业务类型都能提供相应的QoS保证。
2.2GPON的系统结构
GPON系统主要由OLT(光线路终端)、ODN(光分配网络)、ONU(光网络单元)组成,其中ODN由光分路器和光纤线路等组成。
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,没有昂贵的有源电子设备[4]。
OLT放置于业务接入中心节点,为接入网提供网络侧与城域网之间的接口,通过多个GE/FE接口上联不同的业务网络;
ONU放置于小区或楼内机房,为接入网提供用户侧的接口,提供语音、数据、视频等多业务流的接入,通过GE光口经ODN上联至OLT,如图2.1为GPON的系统结构图。
图2.1GPON系统结构图
2.3GPON与EPON的比较
同EPON相比,GPON的主要优势为:
更高的带宽和更大的分光比。
GPON采用上下行不对称宽带分配方式,上行1.25G,下行2.5G,优于EPON采用上下行都是1.25G的对称宽带分配方式;
且GPON光纤利用率高,最大分光比可达1:
128,EPON只有1:
32。
传输距离远,覆盖范围大。
支持最大理论距离为60KM,支持最大物理距离为20KM,支持最大距离差为20KM。
承载业务丰富。
GPON网络可以承载Ethemet业务、TDM业务、iTv业务等,综合业务支持好,是三网融合的最佳方案。
GPON标准完善,对各种业务类型都能提供相应的QoS保证,还规定了在接入网层面上的保护机制,光纤自动倒换时间小于50ms,并具有完整OAM功能[5]。
总结起来,GPON和EPON的区别如表2.1所示。
可以说,尽管EPON从成本和目前的市场状况来看占据了一定的优势,但是GPON具有更远的传输距离,更高的带宽,以及更为优良的分光特性。
如果说EPON代表了目前的主流,那么GPON就是未来的发展趋势[6]。
P2MP
P2P
GPON
EPON
标准
ITU.T
IEEE
IEEE802.3ah
速率
2.488G/1.244G
1.25G/1.25G
100M~1G
分光比
1:
64~1:
128
16~1:
32
1
承载
ATM,Ethernet,TDM
Ethernet
带宽效率
92%
72%
80%
QOS
Verygood,
IncludingEthernet,TDM,ATM
Good,
Onlyathernet
Good,,dedicate
bandwidth
光预算
ClassA/B/C
Px10/Px20
/
测距
EoD逻辑等距
RTT
DBA
标准格式
厂家自定义
TDM支持
TDMoverEthernet
(PWE3,CESoEthernetornativeTDM)
(PWE3,CESoEthernet)
ONT互通
OMCI
无
None
OAM
ITU-TG.984(强)
EthernetOAM
(弱,厂家扩展)
OPEX
低OPEX
中OPEX
表2.1GPON与EPON的对比
2.4GPON的关键技术
2.4.1GPON的传输复用方式及帧结构
与APON、EPON相比,GPON最主要的区别表现在传输汇聚帧结构上。
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125µ
s,下行采用TDM方式,上行采用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光网络单元的传输时隙,通过下行帧的上行带宽映射(USBWmap)域指示相应光网络单元的上行数据发送。
1.GPON的下行传输方式
OLT下行业务采用广播方式,OLT将业务封装入GPON封装方式(GPONEncapsulationMethod,GEM)帧中,然后若干个GEM帧组成GPON传输汇聚(GPONTransmissionConvergence,GTC)帧,下行传送。
在ONU根据GEM帧中封装的GemportID进行过滤。
下行具有两种类型的通道,单播Gemport通道和组播Gemport通道。
(1)单播Gemport通道
单播Gemport通道,表示OLT发送的数据只是传送给某个特定的ONU,只有一个配置了这个单播Gempor的ONU会接收这个数据,如图2.2所示。
(2)组播Gemport通道
组播Gemport通道,表示OLT发送的数据是传送给一组ONU,存在若干个ONU配置了这个组播Gemport,这些ONU都会接收这个数据,由于ONU往往具有若干个UNI接口,一般对于组播Gemport通道会结合组播GemportID与组播媒介接入控制(MediumAccessControl,MAC)地址一起进行过滤操作,如图2.3所示。
图2.2单播通道
图2.3组播通道
2.GPON的上行传输方式
GPON上行业务采用TDMA方式,ONU将业务封装入GEM帧中,然后若干个GEM帧组成一个T-CONT,在分配的时间片内传送。
OLT上行只有一种类型,如图2.4所示。
图2.4上行通道
3.GPON的帧结构
GPON系统的协议主要有物理媒质相关层和GPON传输汇聚层(GTC)组成。
如图2.5所示,其中层又包括两个子层:
GTC成帧子层和TC适配子层。
GTC层主要实现GEM(传感器网络)客户接口和管理和控制接口(OMCI)的适配和封装。
图2.5GPON系统协议栈
GPONGTC的TC帧结构分为下行帧结构和上行帧结构,如图2.6所示,两者不对称。
其中下行帧结构采用125µ
s长度的帧结构。
而上行帧结构是按照125µ
s划分的虚拟帧结构。
图2.6GTC的TC帧结构
(1)GPON下行帧结构
GPON的下行帧格式包括下行物理层控制块头(PhysicalControlBlockdownstream,PCBd)和净荷两个部分组成。
如图2.7所示,PCBd提供帧同步、定时及动态宽带分配等操作管理维护(OperationAdministrationandMaintenance,OAM)功能;
净荷部分透明封装GEM帧。
ONU依据PCBd获取同步等信息,依据GEM帧头的PortID过滤GEM帧。
PCBd中的USBWmap用于指示OLT分配给ONU的时间片,如图2.8所示。
SStart用于指示分配时隙的开始时间。
该时间以字节为单位,在上行帧中从0开始,并限制上行帧的大小不超过65536字节,可满足2.488Gbit/s的上行速率要求。
SStop用于指示分配时隙的结束时间。
图2.7PCBd组成
图2.8GTC带宽映射分配结构
(2)GPON上行帧结构
GPON的上行帧是按照125µ
s划分的虚拟帧结构,实际是由若干个突发时间片构成,时间片的长度由下行帧中USBWMap域确定。
如图2.9所示,GPON的上行帧结构中的突发时间片包括上行物理层开销(PhysicalLayerOverheadupstream,PLOu)、物理层OAM(PhysicalLayerOperations,AdministrationandMaintenance,PLOAMu)、PLSu、DBRu以及净荷。
PLOu主要用于OLT进行突发同步,包含前导码、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示,其长度由OLT在初始化ONU时设置,ONU在占据上行信道后首先发送PLOu单元,以使OLT能够快速同步并正确接收ONU的数据;
PLOAMu(PLOAMupstream)用于承载上行PLOAM信息,包含ONUID、MessageID及CRC,长度13字节;
PLSu为功率测量序列,现在已经基本废除;
DBRu用于上报相关信息净荷域透明封装帧。
图2.9GPON上行帧结构的突发时间片构成
2.4.2GEM封装技术
为克服ATM承载IP业务开销大的缺点,GPON的业务封装采用了GEM帧,该协议能完成对以太网业务、NativeTDM业务的适配,如图2.10所示。
其中PLI用于下一个帧头定界,以及确定当前GEM帧的净荷长度,PLI以字节为单位指示帧头后面的净荷段长度,由于PLI域只有12比特,所以最多可指示4095字节。
如果用户数据帧大于这个值,则必须要分成小于4095字节的碎片;
PortID为12比特,PortID用来提供PON中4096个不同的业务流标识,以实现业务流复用。
每个Port-ID包含一个用户传送流。
在一个Alloc-ID或T-CONT中可以有一个或多个Port-ID传输;
PTI用作分段指示;
HEC为头校验,用于帧的同步与帧头保护。
GEM帧的净荷可以封装以太网业务或者NativeTDM业务,由于GEM帧的净荷最长只能是4095字节,而以太网Jumbo帧长可达到9K,因此封装以太网业务时可能会对以太网帧进行分片处理。
图2.10GEM帧结构
2.4.3动态带宽分配(DBA)
动态带宽分配(DynamicBandwidthAssignment,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-TG.983.4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G.983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、具备地抖动与时延特性、公平分配带宽、信号健壮、实时性强、保证不同业务的QoS等。
在GPON结构中,OLT通过向ONU内部每个流量容器(T-CONT)分配数据授权来控制上行流量。
为确定分配给一个T-CONT的授权数目,OLT需要知道该T-CONT的流量状态。
2.4.4层次化QoS技术
在GPON系统中,业务承载层主要分为三层:
GTC、GEM、ETH/TDM,针对每一个承载层具备相应的QoS处理机制,如图2.11所示。
图2.11业务承载层和QoS
1.GTC
PON系统构架是下行方向为广播方式,上行方向为TDMA方式,所以只对上行方向的业务流提供QoS处理。
QoS处理的最小单元是T-CONT,T-CONT可以看作是ONU业务流的承载容器,调度机制是DBA(动态带宽分配)。
DBA的算法是GTC的QoS处理性能的关键。
2.GEM
在GEM层主要是针对每个GEMPort进行业务流分类,类似于DSLAM(数字用户线路接入复用器)的单PVC多业务的处理方式。
针对流分类后的业务分别进行优先级修改、流量监管和转发处理。
3.ETH/TDM
TDM业务(非电路仿真方式)为面向连接,系统可以通过静态配置带宽严格保证面向连接的QoS。
ETH业务(包括电路仿真方式的业务)主要是基于二层VLAN、COS等标识进行业务的QoS处理,QoS主要处理机制分为流分类、监管、队列调度、拥塞处理、整形,它们的实现复杂度是影响QoS处理性能的关键。
2.4.5TDMoGEM技术
针对GPON的定长帧传输特点,TDM在GPON线路上承载具有天然优势。
TDMoGEM的实现是将TDM帧直接封装到GEM帧中进行传输。
在GPON线路上给封装有TDM帧的GEM给与最高的优先级,保证TDM的传输质量。
在同步方面,系统采用统一的8K时钟进行全网同步。
2.4.6GPON安全技术
1.线路加密技术
GPON系统采用AES128加密机制对线路安全进行控制,有效地防止了数据盗用等安全问题。
在AES128加密系统中,OLT支持密钥更换和切换功能。
密钥更换由OLT发起密钥更换请求,ONU响应并将生成的新的密钥,由于PLAOM消息的长度有限,密钥分为两部分发给OLT,并重复发送三次。
如果OLT没有收到三次传送中的任意一次,OLT将重新发送密钥更换请求,直到三次收到相同的密钥为止。
当OLT收到了新的密钥后,就要开始进行密钥切换。
OLT将使用新的密钥的帧号通过相关的命令通知ONU,这个命令一般会发送三次,只要ONU成功收到一次就在相应的数据帧上切换校验密钥。
2.终端SN+PSW注册
ONU在上电进入序列码状态后,OLT会发序列码请求消息,ONU会将唯一的序列码发送给OLT进行认证。
这个序列码是唯一的,类似设备的MAC地址。
如果序列码合法,OLT将分配一个ONU-ID给ONU并要求进行密码认证,如果ONU反馈的密码正确,这个ONU才会进入下一个测距状态。
否则就会停在这个状态,超时后返回原始状态,重新开始注册。
3.用户安全认证技术
在GPON系统中,用户通过物理端口实现用户唯一标识、定位和认证主要有VBAS、PPPoE+和DHCPOption60/82三种方案。
4.系统安全防护技术
(1)防IPSpoofing
OLT设备一般会采用IP地址和业务流绑定的方法,使得其他用户无法用其他非法获取的IP地址在OLT上完成业务认证,从而达到了防止IP地址欺骗的目的。
(2)防MACSpoofing
防MACSpoofing的处理是从捕获的上行报文中提取MAC出地址、VLANID和用户的流信息进行MAC地址的动态绑定,然后再转发出去,作用在于防止非法用户伪造合法用户的MAC截获和监听合法用户的业务信息。
(3)MAC+IP绑定
OLT支持MAC和IP地址绑定的功能,OLT在主控板上生成一个IP地址和MAC地址的对应表,只有“IP+MAC”地址相对应的合法用户才能得到更正确的ARP应答,来控制IP-MAC不匹配的主机与外界通讯,达到防止IP地址的盗用。
(4)管理用户的RADIUS认证
支持管理用户的RADIUS认证,这样就可以保证网络管理的安全,免受非法管理员进入系统修改数据。
(5)访问控制(ACL)技术
ACL使用包过滤技术,在OLT上读取第三层及第四层包头中的信息如源地址、目的地址、源端口、目的端口等,根据预先定义好的规则对包进行过滤,
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