第三章_PON技术

第三章PON技术第一节PON技术原理随着以太网技术在城域网中的普及以及宽带接入技术的发展，人们提出了速率高达1Gbit/s以上的宽带PON技术，主要包括EPON和GPON技术：“E”是指Ethernet，“G”是指吉比特级。1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。1995年，全业务网络联盟FSAN(FullServiceAccessNetwork)成立，旨在共同定义一个通用的PON标准。1998年，国际电信联盟ITU-T工作组，以155Mbps的ATM技术为基础，发布了G.983系列APON(ATMPON)标准。这种标准目前在北美、日本和欧洲应用较多，在这些地区都有APON产品的实际应用。但在中国，ATM本身的推广并不顺利，所以APON在我国几乎没有什么应用。2000年底，一些设备制造商成立了第一英里以太网联盟(EFMA)，提出基于以太网的PON概念——EPON(EthernetPassiveOpticalNetwork)。EFMA还促成电气电子工程师协会(IEEE)在2001年成立第一英里以太网(EFM)小组，开始正式研究包括1.25Gbit/s的EPON在内的EFM相关标准。EPON标准IEEE802.3ah在2004年6月正式颁布。2001年底，FSAN更新网页把APON更名为BPON(BroadbandPON)。实际上，在2001年1月左右EFMA提出EPON概念的同时，FSAN也已经开始了带宽在1Gbps以上的PON，也就是GigabitPON标准的研究。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。2003年3月ITU-T颁布了描述GPON总体特性的G.984.1和ODN物理媒质相关(PMD)子层的G.984.2GPON标准，2004年3月和6月发布了规范传输汇聚(TC)层的G.984.3和运行管理通信接口的G.984.4标准。一、PON组成PON，PassiveOpticalNetwork，无源光网络。如图3-1，PON由光线路终端（OLT）、，光合／分路器（Spliter/ODN）和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构。OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。ONU放置在用户侧，OLT与ONU之间通过无源光合／分路器连接。所谓无源，是指在OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)之间的ODN(光分配网络)没有任何有源电子设备。图3-1PON组成结构PON使用波分复用（WDM）技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送。OLT到ONU/ONT的方向为下行方向，反之为上行方向。下行方向采用1490nm，上行方向采用1310nm。如图3-2。图3-2PON单纤双向传输原理二、PON拓扑PON系统的组网方式如下图3-3。有树型拓扑、环型拓扑、总线型拓扑、树型干冗余拓扑等4种，其中最常见的是树形拓扑。其中最常见的是树形拓扑。图3-3PON拓扑三、PON优势相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。PON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省大。无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。PON系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。GPON则是高达2.5Gb/s的带宽。服务范围大。PON作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省CO的资源，服务大量用户。用户共享局端设备和光纤的方式更是节省了用户投资。带宽分配灵活，服务有保证。G/EPON系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。可以实现用户级的SLA。四、EPON上下行工作原理EPON只在IEEE802．3的以太数据帧格式上做必要的改动，如在以太帧中加入时戳（TimeStamp）、PON－ID等内容。图3-4下行链路如图3-4，下行采用纯广播的方式：（一）OLT为已注册的ONU分配标示号；（二）由各个ONU监测到达帧的标示号，以决定是否接收该帧；（三）如果该帧所含的标示号和自己的标示号相同，则接收该帧；反之则丢弃。图3-5EPON下行工作原理如图3-5，上行采用时分多址接入（TDMA）技术：1、OLT接收数据前比较标示号注册列表；2、每个ONU在由局方设备统一分配的时隙中发送数据帧；3、分配的时隙补偿了各个ONU距离的差距，避免了各个ONU之间的碰撞。图3-6EPON下行工作原理随着EPON技术的规模应用和芯片成本的不断降低，以及光纤铺设规模的不断扩大，EPON技术将很快成为FTTx的主要接入方式之一。五、GPON技术原理GPON传输网络可以是任何类型，如SONET/SDH和ITU-TG.709（ONT）；用户信号可以是基于分组的（如IP/PPP，或EthernetMAC），或是持续的比特速率，或者是其它类型的信号；而GFP则对不同业务提供通用、高效、简单的方法进行封装，经由同步的网络传输；对于最靠近用户的接入层来说，GPON具有前所未有的高比特率、高带宽；而其非对称特性更能适应未来的FTTH宽带市场。因为使用标准的8kHz（125μ）帧，从而能够直接支持TDM业务。PCBdnSlot0Slot1SlotRDownstreamUpstreamPCBdn+1SlotRSlot0USVirtualFrameTXInterval2^nbyteTP-Frame=125uSPayloadnSlot1Payloadn+1图3-7GPON传输结构GPON传输网络支持如下对称和非对称的线路速率选择。上行速率下行速率0.15552Gbit/sup1.24416Gbit/sdown0.62208Gbit/sup1.24416Gbit/sdown1.24416Gbit/sup1.24416Gbit/sdown0.15552Gbit/sup2.48832Gbit/sdown0.62208Gbit/sup2.48832Gbit/sdown1.24416Gbit/sup2.48832Gbit/sdownGPON拥有高速宽带及高效率传输的特性。GPON采用全新的传输汇聚层协议“通用成帧协议”（GFP，GenericFramingProtocol），实现多种业务码流的通用成帧规程封装；另一方面又保持了G.983中与PON协议没有直接关系的许多功能特性，如OAM管理、DBA等。GFP基本的帧格式主要由两部分组成：4B的帧头（CoreHeader）和GFP净负荷（其范围从4～65535B）。CoreHeader域由2B的帧长度指示（PLI，PDULengthIndicator）和2B的帧头错误检验（HEC，HeaderErrorCheck）组成。GFP的净负荷中又分为净负荷的帧头（PayloadHeader）、净负荷本身及4B的FCS（FrameCheckSequence）可选项。PayloadHeader用来支持上层协议对数据链路的一些管理功能，由类型（Type）域及其HEC检验字节和可选的GFP扩展帧头（ExtensionHeader）组成。在Type域中提供了GFP帧的格式、在多业务环境中的区分以及ExtensionHeader的类型。目前，GFP定义了三种ExtensionHeader（Null、Linear、Ring），分别用于支持点对点和环网逻辑链路上的GFP帧的复用，在相应的ExtensionHeader域中会给出源/目的地址、服务类别、优先权、生存时间、通道号、源/目的MAC端口地址等。当没有数据包传输时，GFP会插入空闲帧（IdleFrame），IdleFrame是一种特殊的GFP控制帧，只有4B的CoreHeader（PLI值为0）。GPON的下行帧结构：图3-8GPON下行帧结构GPON的上行帧结构：图3-9GPON下行帧结构GFP简单灵活尤其适合于在字节同步通信信道上传输块编码和面向分组的数据流，它成功吸收了ATM中基于帧描述的差错控制技术来适应固定或可变长度的数据业务。GFP不需要预先处理客户的字节流，不需要象8B/10B或64B/66B那样需要插入数据控制比特，也不需要HDLC帧结构中的标志符，它仅依赖于当前净荷的长度及帧边界的差错控制校验，有效的确认这两类信息并在GFP的帧头中传输是决定数据链路同步及进入下一帧字节数的关键。为了方便的在同一时间里处理到达的随机字节块，GFP充分减少了数据链路的映射解映射的处理。通过使用具有低比特错误率的新型光纤来作为传输介质，GFP进一步减少了收端的逻辑处理。这减少了运行的复杂性，使得GFP特别适合于点到点的SONET/SDH的高速传输链路及OTN的波长信道。GFP允许执行共存于同一传输信道中的多传输模式。一种模式是帧映射GFP，这种模式适合于PPP、IP、MPLS及以太网业务。另一种模式是透明映射GFP，它可用于对延迟敏感的存储域网，也可用于光纤信道、FICON及ESCON业务。总之，GPON继承了G.983的成果，具有丰富的业务管理能力。GPON的核心基础是GFP，它具有覆盖任何可能出现的新业务的适配能力，包括数字视频、存储网络（SAN）、电子商务等。GPON具有面向未来的、可升级的多业务环境，能为将来的业务提供清晰的转移路线，而不需要中断和改变现有的GPON设备，也不需要以任何方式改变其传输层。六、GPON与EPON的区别EPON和GPON作为光网络接入的两个主力成员,各有千秋,互有竞争,互有补充,互有借鉴,下面在各个方面对它们作个比较:（一）速率EPON提供固定上下行1.25Gbps,采用8b/10b线路编码,实际速率为1Gbps，GPON支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，下行2.5Gbps或1.25Gbps，上行1.25Gbps或622Mbps，根据实际需求来决定上下行速率，选择相对应光模块,提高光器件速率价格比。（二）分路比所谓分路比是指一个OLT端口(局端)带多少个ONU(用户端)，EPON标准定义分路比1：32。GPON标准定义分路比下列几种1:32；1:64；1:128。其实，技术上EPON系统也可以做到更高的分路比,如1：64，1:128，EPON的控制协议可以支持更多的ONU。分路比主要是受光模块性能指标的限制,大的分路比会造成光模块成本大幅度上升；另外，PON插入损失15～18dB，大的分路比会降低传输距离;过多的用户分享带宽也是大分路比的代价。（三）QOSQOS(QualityofService)即服务等级，EPON在MAC层Ethernet包头增加了64字节的MPCP多点控制协议（multipointcontrolprotocol），MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP点到多点的拓扑结构,实现DBA动态带宽分配。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。MPCP提供了对P2MP拓扑架构的基本支持,但是协议中并没有对业务的优先级进行分类处理,所有的业务随机的竞争着带宽。GPON则拥有更加完善的DBA,具有优秀QoS服务能力。GPON将业务带宽分配方式分成4种类型，优先级从高到低分别是固定带宽（Fixed）、保证带宽（Assured）、非保证带宽（Non-Assured）和尽力而为带宽（BestEffort）。DBA又定义了业务容器（trafficcontainer,T-CONT）作为上行流量调度单位,每个T-CONT由Alloc-ID标识。每个T-CONT可包含一个