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GPON技术标准发布啦!!!

高工
2007-09-12 10:29:17     打赏

 

  一、GPON技术的提出

  GPON(Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork,吉比特无源光网络)技术是无源光网络(PON)家族中一个重要的技术分支,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年内最受关注的光接入技术之一。

  GPON的概念最早由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-T G.983.x系列标准),IEEE也已经开始EPON技术的标准化工作并很快于2003年正式发布IEEE 802.3ah,这标志着EPON技术标准化工作的完成。FSAN/ITU推出GPON技术的最大原因是由于网络IP化进程加速和ATM技术的逐步萎缩导致之前基于ATM技术的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的光接入技术出现。在这样的背景下,FSAN/ITU以APON标准为基本框架,重新设计了新的物理层传输速率和TC层, 
推出了新的GPON技术和标准。

  二、GPON系统的构成

  和其它PON技术类似,GPON也是一种采用点到多点拓扑结构的无源光接入技术,由局侧的OLT(OpticalLineTerminal,光线路终端)、用户侧的ONU(OpticalNetwork Unit,光网络单元)以及ODN(Optical Distribution Network,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,没有昂贵的有源电子设备。

  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之间的光传输系统使用符合ITU-TG.652标准的单模光纤,上下行一般采用波分复用技术实现单纤双向的上下行传输,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业务的承载。

  GPON系统的ONU/ONT(ONT是用于FTTH并具有用户端口功能的ONU)可放置在交接箱、楼宇/分线盒、公司/办公室和家庭等不同的位置,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)等不同的网络结构。

  总的来说,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等在内的全业务接入能力,是提供语音、数据和视频综合业务接入的理想技术。

  2)可提供较高带宽和较远的覆盖距离。GPON系统可以提供下行2.488Gbit/s,上行1.244Gbit/s的带宽。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系统中采用的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的服务质量。

  4)ODN的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的故障率,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可以采用级联的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的关键技术

  1.协议栈

  GPON系统的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模式的GTC层可为其客户层提供3种类型的接口:ATM客户接口、GEM客户接口和ONT管理和控制接口(OMCI)。
 2.PMD层

  GPON的PMD层对应于OLT和ONU之间的光传输接口(也称为PON接口),其具体参数值决定了GPON系统的最大传输距离和最大分路比。 OLT和ONU的发送光功率、接收机灵敏度等关键参数主要根据系统支持的ODN类型来进行划分。根据允许衰减范围的不同,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的实际能力工业界还定义了B+类,扩展了GPON系统支持的最大分路比。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的标称线路速率(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。

  目前主流厂家的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的核心层,主要完成上行业务流的媒质接入控制和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部分根据帧头指示的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。下行帧的TC帧头按照格式要求生成,上行帧的帧头会被解码。此外还要完成嵌入式OAM。

  ●基于Alloc-ID的内部路由功能。基于Alloc-ID的内部标识为来自/送往GEMTC适配器的数据进行路由。

  (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块的PDU,并将这些PDU映射到相应的块。

  (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的流量负载,并调整带宽分配来更好地分配PON带宽资源。PON带宽资源的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ONU的DBA报告和/或通过输入业务流的自监测来了解拥塞情况,然后分配足够的资源。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的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根据提供的参数更新带宽分配;

  ●OLT根据更新的带宽分配和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之间的连接;

  2)管理ONT上的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控制器之间的GEM连接上运行,该连接在ONT初始化时建立。OMCI协议是异步的:OLT上的控制器是“主”,ONT上的控制器是“从”。一个OLT控制器通过在不同的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提供数据的功能;

  2)故障管理:支持有限的故障管理功能,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的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的序列号对其进行预配置,这时通常采用直接激活ONU的方式。而在其它情况下,不能提前获知ONU的序列号,因此OLT需要具有自动发现ONU的机制。


  激活ONU的事件有3个:

  a)网络运营商在得知新的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的激活过程包括:OLT和ONU之间协商工作参数、测量OLT和ONU之间的逻辑距离、建立上下行通信通道。对OLT和ONU之间逻辑距离的测量即测距。GPON采用带内方式对在线系统中的ONU进行测距。对新加入到系统中的ONU进行测距时,已工作的ONU应暂停发送信号,以打开一个测距窗口。该窗口的大小与新加入系统的ONU的距离有关,如果能预先知道新加入系统的ONU的距离则可以减小测距窗口。ONU的激活过程由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根据接收到的工作参数调整自己的参数(如:发送光功率);

  ●OLT通过Serial_NumberAcquisition流程发现新ONU的序列号;

  ●OLT给所有新 
ONU分配ONU-ID;

  ●OLT测量新ONU的均衡时延;

  ●OLT将测量的均衡时延传送给ONU;

  ●ONU根据均衡时延调整其上行帧的发送起始点。

  以上激活过程是通过交互上下行标记(flag)以及PLOAM消息来完成的。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的相位。通过监测传输信号的相位,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CESoPover GEM。

  1.Native方式

  Native方式是利用可变的GEM帧来直接封装TDM帧。具有相同Port-ID的TDM数据分组会汇聚到TC上层。净荷部分包含L字节的TDM块。

  TDM业务到GEM帧的映射允许GEM帧长根据TDM业务的频率偏移进行变化。TDM段的长度由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,帧中准备发送的字节数量。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。相反的,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(CircuitEmulationoverPacket Switched Net)技术是在有管理的分组交换网络(PSN)上搭建通道来传送TDM业务。CESoP over GEM方式的基本思路是先采用CESoP技术将TDM业务封装到以太网/IP帧的净荷中,再将以太网/IP帧封装到GEM帧在OLT和ONU之间传递。

五、GPON的标准化情况

  目前,ITU-T在FSAN的帮助下,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-capablePassiveOptical Networks(GPON):General characteristics;

  ●ITU-TG.984.2:Gigabit-capablePassiveOptical Networks(GPON):Physical Media Dependent(PMD)layer specification;

  ●ITU-TG.984.3:Gigabit-capablePassiveOptical Networks(GPON):Transmission convergence layer specification;

  ●ITU-TG.984.4:Gigabit-capablePassiveOptical Networks(GPON):ONT management and control interface specification。

 
  上述4个标准涉及了GPON的总体特性、物理层、TC层和ONU管理等方面。其中物理层和TC层的标准内容已经基本稳定,目前的关注重点在 G.984.4规范的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,相关的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的兴趣,多篇技术文稿被陆续采纳。此外,对于业务和应用层面的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的技术点。


  六、结束语

  高带宽、长距离、全业务接入能力、严格的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的主流实现技术之一。在底层协议相关标准如PMD层、TC层标准由国外厂商主导的情况下,OMCI将是比较适合加入我国技术标准色彩的技术突破点。

 




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