广域网宽带接入技术七GPON技术

四、GPON 标准

1、什么是GPON

GPON为千兆无源光网络或称为吉比特无源光网络，GPON技术是基于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。

GPON技术、设备相对复杂。GPON承载有QoS保障的多业务和强大的OAM能力等优势很大程度上是以技术和设备的复杂性为代价换来的，从而使得相关设备成本较高。

未来10年趋势，伴随着云计算、物联网的爆炸式增长，加上服务器和存储解决方案支持的高吞吐量，数据中心的带宽需要不断增长，以满足当前和未来云端的海量数据流需求。现有的10G/40G 网络已不能满足需求，25G/100G升级方案作为一种高带宽、高密度、低成本、低功耗的解决方案，推动着数据中心网络朝着更高性能和灵活性的方向发展。

2、GPON的标准

GPON技术起源于1995年开始逐渐形成的ATMPON技术标准，PON是英文“无源光网络”的缩写。而GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network） 最早由FSAN组织于2002年9月提出，ITU-T在此基础上于2003年3月完成了ITU-T G.984.1 和G.984.2的制定，2004年2月和6月完成了G.984.3的标准化。从而最终形成了GPON的标准族。

GPON技术的设备是由局端的OLT(光线路终端)，用户端的ONT/ONU(光网络终端或称作光网络单元)，连接前两种设备由单模光纤(SM fiber)和无源分光器(Splitter)组成的ODN(光分配网络)以及网管系统组成。下行采用TDM广播方式，在GPON构架上支持IP/SONET/SDH/ATM/CWDM等传输格式的分组数据与TDM应用，并可透明地传输上述应用业务，满足TDM对实时性、抖动性的严格要求，有完整的服务保障机制和故障处理能力，下行速率高达1.244Gb/s或2.488Gb/S；上行采用TDMA（时分多址接入）方式。ODN(光分配网络)采用点到多点树形拓扑结构。覆盖范围在20km以内。

PON作为光接入技术最大的亮点是“无源”，ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成，管理维护运营成本较低。

GPON标准下行速率高达2.5Gbit/s，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场。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。承载GEM帧时，可以将TDM(时分复用模式)业务映射到GEM帧中，使用标准的8kHz(125μs)帧能够直接支持TDM业务。作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(POTS，ISDN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。

3、GPON的组网方式

目前GPON主要采用的组网方式有FTTH/O、FTTB+LAN和FTTB+DSL三种。

1、FTTH/O为光纤到户/办公室。光纤进过分光器后直连到用户ONU，一个ONU仅供一个用户使用，带宽高，成本也高，一般针对高端用户和商业用户。

2、FTTB+LAN为光纤到楼，然后通过大容量ONU（称为MDU）将不同业务接入多个用户，因此多个用户共享一个ONU的带宽资源，每人占用带宽较低，成本也低，一般针对中低端住宅和中低端商业用户。

3、FTTB+ADSL为光纤到楼，然后以ADSL的方式将业务接入多个用户，也是多用户共享一个ONU，带宽、成本和客户群都与FTTB+LAN类似。

4、GPON的技术特点

GPON协议的参考模型
GPON定义了一个全新的传输汇聚子层GTC，作为通用的传输平台来承载各种客户信号(ATM\GEM)。

GTC系统协议栈分为两个部分：

• C/M平面：a、嵌入式OAM b、PLOAM C、OMCI
  PLOAM(Physical layer OAM)它用于传送其他所有未通过嵌入式OAM通道发送的PMD和GTC管理信息。包含上行burst的配置、ONU激活、ONU注册、加密密钥的更新，交换、ProtectionSwitching Signalling、功率管理。
  OMCI( ONU Management and Control Interface)是GPON标准中定义的一种配置传输通道， 管理高层业务。OMCI是主从式管理协议，OLT是主设备，ONT是从设备，OLT通过OMCI通道控制OLT下面的多个ONT设备。
  嵌入式OAM，通道由GTC帧头中具有特定格式的域信息提供。功能包括：带宽授权、密钥切换和动态带宽分配指示。
• U（用户）平面：a、高层 b、GTC层 C、物理层

4.1、动态带宽分配(DBA)

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。采用ITU-T G983.4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。

4.1.1、带宽类型

ITU-T在BPON标准G.983.4和GPON标准G984.3中明确提出了四种优先级别的带宽:

• Fixed(固定类型) ；
• Assured(确保类型) ；
• Non-assured(非确保类型) ；
• Best-effort(尽力而为类型)。
  每种类型的带宽都可以支持一定的QoS要求的业务。GPON上行系统中带宽分配基本单元的传输容器（T-CONT）则按照其使用的带宽类型组合一共分为五种类型。

4.1.2、传输容器T-CONT

是GPON上行方向承载业务的载体，所有的GEM PORT都要映射到T-CONT中，由OLT通过DBA调度的方式上行。T-CONT是GPON系统中上行业务流最基本的控制单元。每个T-CONT由Alloc-ID来唯一标识。Alloc-ID由OLT进行全局分配，即OLT下的每个ONU不能使用Alloc-ID重复的T-CONT。

每个ONU上可以有多个T-CONT,每个TCONT可以绑多个GEMPORT。每个ONU支持多个T-CONT，并可以配置为不同的业务类型。同类型的T-CONT具有不同的带宽分配方式，可以满足不同业务流对时延、抖动、丢包率等不同的QoS要求。T-CONT上行到OLT侧后解调出GEM Port，然后再解调出GEM Port中的业务净荷后进行相关业务处理。
五种类型的T-CONT：

• type 1类型T-CONT仅提供Fixed类型的带宽；
• type 2类型仅提供Assured类型的带宽：
• type 3类型提供Assured类型和Non-assured类型的带宽；
• tyPe 4类型仅提供Best-effort类型带宽;
• type 5类型是前四种类型的融合,支持所有类型的业务。

在二层借鉴了ITU-T定义的GFP（Generic Framing Procedure，通用成帧规程）技术，扩展支持GEM（General Encapsulation Methods）封装格式，将任何类型和任何速率的业务经过重组后由PON传输，而且GFM帧头包含帧长度指示字节，可用于可变长度数据包的传递，提高了传输效率，因此能更简单、通用、高效地支持全业务。

4.1.3、动态带宽分配过程

动态带宽分配(DBA)分为两种模式：

• SR-DBA(Status Reporting DBA，基于状态报告DBA)ONU向OLT报告自己的状态和所需的带宽，OLT动态分配给ONU；
• NSR-DBAOLT(Non Status Reporting DBA，无状态报告DBA)根据流量监测功能自动动态的带宽分配。

拥塞状态检测—>报告拥塞状态到OLT—>OLT根据参数DBA—>OLT授权—>DBA管理信息的协商

4.2、GTC上、下行帧

4.2.1、下行GTC帧

GPON定义了一个全新的传输汇聚子层GTC，作为通用的传输平台来承载各种客户信号(ATM\GEM)。

GTC成帧子层是指对所有在GPON系统中传输的数据可见，而且OLT GTC成帧子层和ONUGTC成帧子层直接对等。

下行GTC帧由下行物理控制块（PCBd）和GTC 净荷部分组成。上行GTC帧由多个突发（burst）组成。下行物理控制块(PCBd)由多个域组成，OLT以广播方式发送PCBd，每个ONU都接收完整的PCBd信息，并根据其中的信息进行相应操作。下行帧长为125us，即38880字节，上行帧长为125us，即19440字节。

GTC净荷域
GTC净荷域由一系列GEM帧组成。GEM净荷域的长度等于GTC帧长减去PCBd长度。

ONU根据GEM 帧头中携带的12比特Port-ID值过滤下行GEM 帧。ONU 经过配置后可识别出属于自己的Port-ID，只接收属于自己的GEM帧并将其送到GEM客户端处理进程作进一步处理。

PCBd包含Psync物理同步域、Ident域、PLOAMd域、BIP域、Plend下行净荷长度域。

1、Psync物理同步域
固定长度为32字节，编码为0xB6AB31E0，ONU利用Psync来确定下行帧的起始位置。
2、Ident域
用于指示更大的帧结构。最高的1比特用于指示下行FEC状态，低30位比特为复帧计数器。
3、PLOAMd域
携带下行PLOAM消息，用于完成ONU 激活、OMCC 建立、加密配置、密钥管理和告警通知等PON TC 层管理功能。详细的各个PLOAM消息介绍本文不涉及。
4、BIP域
BIP域长8比特，携带的比特间插奇偶校验信息覆盖了所有传输字节，但不包括FEC校验位（如果有）。
5、下行净荷长度（Plend）域
下行净荷长度域指定了带宽映射（Bwmap）的长度。为了保证健壮性，Plend域传送两次。
带宽映射长度（Blen）由Plend 域的前12比特指定，因此在125μs时间周期内最多能够分配4095个带宽授权。BWmap 的长度为8×Blen 字节。

Plend域中紧跟Blen的12比特用于指定ATM块的长度（Alen），本文只介绍GEM模式进行数据传输的方法，ATM模式不涉及，Alen域应置为全0。
6、BWmap域
带宽映射（BWmap）是8字节分配结构的向量数组。数组中的每个条目代表分配给某个特定T-CONT的带宽。映射表中条目的数量由Plend域指定。

• Alloc-ID域：
  用于指示带宽分配的接收者，即特定的T-CONT或ONU的上行OMCC通道。规则：Alloc-ID值0~253用于直接标识ONU。每个Alloc-ID都唯一标识了一个T-CONT。
• Flags域
  Flags域为12比特，包含4个独立的与上行传输功能相关的指示符，用于指示上行突发的部分功能结构。
• StartTime域
  用于指示带宽分配时隙的开始时间。该时间以字节为单位，在上行GTC帧中从0开始，并且限制上行帧的大小不超过65536字节。
• StopTime域
  用于指示带宽分配时隙的结束时间。该时间以字节为单位，在上行GTC帧中从0开始。StopTime域指示了该带宽分配时隙的最后一个有效数据字节。

4.2.2、上行GTC帧

每个上行传输突发由上行物理层开销（PLOu）以及与Alloc-ID对应的一个或多个带宽分配时隙组成。下行帧中的BWmap信息指示了传输突发在帧中的位置范围以及带宽分配时隙在突发中的位置。每个分配时隙由下行帧中BWmap特定的带宽分配结构控制。
1、上行物理层开销（PLOu）
PLOu字节在StartTime指针指示的时间点之前发送。
2、物理层OAM （PLOAM ）
物理层OAM （PLOAM ）消息通道用于OLT 和ONU 之间承载OAM 功能的消息，消息长度固定为13字节，下行方向由OLT 发送至ONU ，上行方向由ONU 发送至OLT 。
3、上行动态带宽报告（DBRu ）
DBRu 用于上报T-CONT 的状态，为了给下一次申请带宽，完成ONU 的动态带宽分配。

T-CONT X

4、GTC 净荷域
GTC每一个帧中都可能包含GEM部分，在GTC帧中数据净荷部分，可以是数据GEM帧，也可以是DBA 状态报告。净荷长度等于分配时隙长度减去开销长度。

4.3、GEM帧结构

在下行方向，GEM帧由GEM块承载并送至所有ONU。ONU成帧子层提取GEM帧，GEM TC适配器根据12bit的Port-ID过滤GEM帧。只有携带正确Port-ID的帧才允许到达GEM客户端块。

在上行方向，GEM流由一个或多个T-CONT承载。OLT接收到与T-CONT关联的流后， 会将帧转发到GEM TC适配器，然后送至GEM客户端。

由GEM帧头和净负荷域两部分组成。GEM帧头由PLI（净负荷长度指示）、PortID（端口ID）、PTI（净负荷类型指示）和HEC（头差错校验）组成。PLI指示的是头部后面的净负荷域的长度为L字节，长度为12bit，最多指示到4095字节，所以大于这个值的用户数据帧必须要采用分片机制传送。12bit的PortID可以提供4096个不同的端口，用于支持多端口复用。

Port-ID 用来标识PON 中4096 个不同的业务流在一个Alloc-ID 或T-CONT 中可以传输1 个或多个Port-ID。

PTI用于指示净负荷段的内容类型和相应的处理方式，类似于在ATM用应用。3bit中的最高位指示是数据帧还是GEM OAM帧，数据帧的最低位比特指示在分片机制中是否是帧的末端，次低位指示是否发生拥塞。
000指用户数据碎片，不是帧尾；001指用户数据碎片，帧尾；100GEM OAM帧，不是帧尾；101GEM OAM帧，帧尾。

HEC为13bit，提供头部的检错和纠错功能。它是BCH （39，12，2）码和一个奇偶校验比特的组合。

1、以太网帧到GEM帧的映射
GPON系统通过GEM通道传输普通用户协议数据，可支持多种业务接入。以太网帧直接封装在GEM帧净荷中进行承载。

以太网帧映射到GEM帧，以太网帧的目的MAC地址、源MAC地址、类型、数据、FCS封装到GEM帧的净负荷里。
2、IP包到GEM帧的映射
IP包封装到GEM帧的净负荷里。
3、TDM帧到GEM帧的映射
根据TDM 业务的频率偏移进行变化可实现TDM 业务到GEM 帧的映射。

5、EPON与GPON比较

EPON的技术特点：
1、以太网维护简单；
2、以太网技术成熟，设备成本低；
3、IP承载所有业务，以太网承载IP业务。

GPON技术与EPON的比较：
1、业务支持全：G.984.X标准严格定义了支持电信级全业务(语音、数据和视频))；
2、速率高
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 622 Mbps。EPON提供固定上下行1.25 Gbps,采用8b/10b线路编码,实际速率为1Gbps。
3、分光比大
GPON标准定义分路比下列几种 1:32； 1:64；1:128；EPON在实际使用中最多1:64。
4、QOS服务品质高
EPON在MAC层Ethernet包头增加了64字节的MPCP多点控制协议（multipointcontrolprotocol），协议中没有没有对业务的优先级进行分类处理。

ITU-T在BPON标准G.983.4和GPON标准G984.3中明确提出了四种优先级别的带宽:

• Fixed(固定类型) ；
• Assured(确保类型) ；
• Non-assured(非确保类型) ；
• Best-effort(尽力而为类型)。
  五种类型的T-CONT：
• type 1类型T-CONT仅提供Fixed类型的带宽；
• type 2类型仅提供Assured类型的带宽：
• type 3类型提供Assured类型和Non-assured类型的带宽；
• tyPe 4类型仅提供Best-effort类型带宽;
• type 5类型是前四种类型的融合,支持所有类型的业务。
  GPON优于EPON

5、管理能力强
GPON在帧结构预留了充分的OAM域，并制定了OMCI标准。