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基于GPON的光接入网技术
基于GPON的光接入网技术
2015学年第1学期
考试科目 光纤通信原理
姓 名 王无耻
年 级 2014级
专 业 电子科学与技术
2015年 1月15日
基于GPON的光接入网技术
摘要:
本论文主要介绍了吉比特无源光网络技术(GPON),从介绍GPON的结构原理开始,介绍了GPON的关键技术,包括GPON的传输复用方式及帧结构,GEM封装技术和动态带宽的分配(DBA)、测距技术、加密技术以及GPON的FTTB和FTTH应用模式,最后介绍了GPON的星型、树型、总线方式的组网方式。
关键词:
GPON技术;封装;带宽分配;应用模式;
BasedontheopticalaccessnetworktechnologyofGPON
ABSTRACT:
Thispapermainlyintroducesthegigabitpassiveopticalnetwork(GPON),sincethisarticleintroducesthestructureprincipleofGPON,introducesthekeytechnologyofGPON,includingGPONtransmissionmultiplexingmethodandframestructure,theGEM packagingtechnologyanddynamicbandwidthallocation(DBA),rangingtechnology,encryptiontechnologyandGPONFTTBandFTTHapplicationmodel,finallyintroducestheGPONstar,tree,thewayof
busnetworkmode.
Keywords:
GPONtechnology;Encapsulation;Bandwidthallocation;Applicationmode;
0 引言
吉比特无源光网络(Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork,GPON)技术是基于ITU-TG.984.x标准的新一代宽带无源光网络接入标准,是实现FTTx的热门技术之一。
相对于现有的接入网技术,GPON具有高带宽、高效率、高分光比、长距离传输、覆盖范围广、用户接口丰富等特点,并且能大量节省运营商在接入层馈线段的光纤资源,为各种业务类型提供相应的QoS保证。
GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能,使光纤自动倒换时间小于50ms。
由于这些优点,GPON被大多数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。
1GPON的系统结构
注:
IFPON为PON专用接口
图1GPON参考模型
如图1所示是G.984.1建议的GPON参考模型。
GPON由光线路终端OLT、光网络单元/光网络终端(ONU/ONT)和光纤分配网ODN组成。
其中OLT位于中心机房,向上提供广域网接口,包括GE、ATM、DS-3等;ONU/ONT放在用户侧,为用户提供10/100BaseT、T1/E1、DS-3等应用接口,适配功能AF在具体实现中可能集成于ONU/ONT中;ODN由分支器/耦合器等无源器件构成;上下行数据工作在不同波长,下行数据采用广播方式发送,上行数据采用基于统计复用的时分多址(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)方式接入。
图中波分复用器WDM和网络单元NE为可选项,用于在OLT和ONU之间采用另外的工作波长传输其他业务,如视频信号。
2GPON的关键技术
2.1GPON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125μs,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。
2.1.1GPON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3所示。
根据PORT-ID进行过滤
图2单播通道
Y是组播地址
图3组播通道
2.1.2 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4所示。
OLT
图4上行通道
2.1.3 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。
GEMClient
图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6所示,两者不对称。
其中下行帧结构采用125μs长度的帧结构。
而上行帧结构是按照125μs划分的虚拟帧结构。
上行
图6GTC的TC帧结构
2.2GPON的GEM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7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;PortID为12比特,用来提供PON中4096个不同的业务流标识,以实现业务流复用;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。
PLI
12bits
图7GEM帧结构
2.3GPON的动态带宽分配(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ITU-TG.983.4规定的静态带宽分配和动态带宽分配两种方式。
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,通过在ONU之间动态调节带宽来提高上行带宽利用效率。
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测距技术
GPON上行方向采用TDMA方式接入,一个OLT可以连接16~64甚至128个ONU。
对于OLT和ONU之间几十米到最长达20km的传输距离中,不同的ONU会产生传输时延差异,其主要原因是:
物理距离不同、温度环境变化和光电器件的老化。
最近ONU到OLT的传输时延与最远ONU到OLT的传输时延可以相差100us,为了避免不同ONU上行突发数据的碰撞,OLT必须进行测距,根据往返传输时延测量每个ONU到OLT的相对距离。
根据测距时延,调整每个ONU上行发送的时刻,使所有ONU到达OLT的时间一致。
从而避免不同ONT上行数据在传送过程中发生碰撞。
每个ONT由于所在的地理位置的不同或者属于不同的厂家,其信号处理的时间也会有所不同,这将带来OLT和ONT间逻辑距离的不同,从而引起不同的ONT在不同时刻发送的数据同时到达OLT,从而发生数据碰撞现象,带来传输错误。
为了避免这种错误的发生,GPON系统需要采用测距技术测量不同ONT的逻辑距离,然后分配相应的均衡化时延给不同的ONT,让所有的ONT到OLT的逻辑距离是相等的。
2.5加密技术
GPON系统下行采用广播方式由OLT向多个ONU发送数据,上行ONU在被分配到的时隙内进行数据通信。
上行方向上每个ONU的消息是安全的,而下行方向一个ONU可能窃取到不属于自身的消息,从而带来安全隐患。
为解决这一安全问题,GPON规范提出了高级加密标准(AES)。
GPON的OLT与其连接的ONT交换ONU端产生的加密密钥,该过程成功后,密钥用于加密及解码下行数据。
AES算法是一个迭代分组密码算法,分组长度和密钥长度可以独立地被指定为128位、192位或256位,GPON推荐使用128位的数据分组和密钥。
AES算法的轮变换由三个称之为层的可逆变换组成。
这三个层分别为:
线性混合层、非线性层和密钥加层。
该算法针对4字节的字(word)进行操作,进行一系列线性和非线性变换,从而达到扩大信息空间的目的,减少破译可能。
3GPON在FTTx中的应用模式
3.1FTTB应用模式
由于FTTB网络中,ONU布设到DP,使得ONU的数量较多,每个ONU接入的用户数量不多,因此选择光纤传输技术时,应着重选择支持较多ONU数量的、能够节省光纤资源的传输技术。
现阶段及以后一段时间内,GPON是比较好的技术选择。
具体的应用模式又有如下几种:
3.1.1FTTB+xDSL
具体实现是将光纤端接点分布在楼层(高层楼宇)或楼道(多层建筑),小型DSLAM设备网络侧采用GPON上联口,用户侧提供xDSL接口通过双绞线入户。
这种方式利用现有的双绞线资源,采用成熟的ADSL2+、VDSL相关技术,可以充分利用现有的线路投资。
提供中小容量的DSLMDU,并且有适合室外恶劣环境的一体化机柜。
3.1.2FTTB+LAN
具体实现是将光纤端接点分布在楼层(高层楼宇)或楼道(多层建筑),由ONU终结光信号,ONU提供多个以太网接口。
由于以太网五类线具有的距离限制,这种实现需要保证ONU到最终用户的走线距离不超过100米。
3.2FTTH应用模式
对于FTTH模式,比较适合社区信息化场合。
GPON光接入平台立足高带宽接入,根据高档小区、别墅小区和普通小区的消费承受能力,分层次提供一步到位的FTTH。
接入业务包括语音、数字家庭、宽带上网(有线和无线方式可选)、IPTV视频、CATV视频业务等,提供系列化ONU/ONT终端,满足家庭用户有线方式、无线方式、广域网和局域网等各种业务接入需求。
4 GPON组网方案
4.1星型方式
当OLT与ONU之间按点到点配置,且每一ONU直接经一专用光链路与OLT相连,中间没有光分路器时就构成星形结构。
由于这种配置不存在光分路引入的损耗,因此传输距离远大于点到多点配置。
但此种应用方式对光纤浪费严重,不能体现GPON的技术优势,实际应用较少。
4.2树型方式
树形拓扑是点到多点配置的基本结构,这种结构利用了一系列级联的分配点(DP)对信号进行分路,传给多个用户,同时也靠这些分配点将上行信号结合在一起送给OLT。
分配点的分路器常为1:
N型,在重要客户接入中,可能采用2:
N分光以实现主干光纤保护。
在本地网应用中,考虑复杂的光纤网络布局,一般使用一级分光,如需多级,建议控制在三级以内。
4.3总线方式
总线结构也是点到多点配置的基本结构。
这种拓扑,实际上是OLT和分配点的拓扑,分配点到ONU仍然是星型结构。
这种结构利用了一系列串联的分配点以便从总线上向ONU分配OLT发送的信号,同时又能将每一ONU发送的信号插入总线送回到OLT。
此种方式一般应用于监控系统,分光器为1:
2不等分分光,分光器有5:
95或10:
90或20:
80多种可选择,建议使用10:
90分光器,实际可使用以光功率计算原则为准,一般不超过7级。
5结束语
本论文着重研究一种较新的接入技术—GPON技术,作为PON技术两大标准之一的GPON技术,是基于ITU-TG.984.x标准的新一代宽带无源光网络接入技术,具有高带宽、高效率、长距离传输、易维护、稳定性高等特点,是一种能真正支持语音、数据和视频的全业务接入技术。
虽然目前GPON技术在国内运用面临着诸多挑战:
如GPON芯片厂商数量少,FTTH工程涉及到的GPON技术的设备实现,光线路器件、光纤光缆、施工布线等多个领域的专业技术门槛较高等),因此,能提供全套解决方案的厂家并不多。
但是,随着GPON技术实际应用经验的积累和研究的深入、产业化的成熟和设备价格的下降,不可否认,GPON技术将是FTTH领域中为用户提供光纤接入的最为经济有效的方式。
随着GPON产业链的日益成熟,核心元器件价格的不断下降,GPON必然成为接入网建设的主流技术。
GPON技术与其它末端接入技术的结合,也为接入网的融合提供了解决方案,而FTTH无疑是未来接入网三网融合的最佳方案。
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