千转军师
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003-gpon

一、概念

  • TDM ：时分复用
  • OPEX ：营运成本
  • FTTX： Fiber-to-the-x ，光纤接入
    FTTB：光纤到楼
    FTTC： Fiber-To-The-Curb，光纤到路边
    FTTH：光纤到家
  • DSLAM： Digital Subscriber Line Access Multiplexer的简称，数字用户线路接入复用器
  • ADSL2：非对称数字用户线路（ADSL，Asymmetric Digital Subscriber Line）是数字用户线路（xDSL，Digital Subscriber Line）服务中最流行的一种。
  • VDSL2：超高速数字用户线路（VDSL，Very-high-bit-rate Digital Subscriber loop）是一种新兴的传输技术，它是由ADSL （非对称数字用户线路）作为基础不断改进而来的，在速度上要远超于ADSL。
  • ONU Optical Network Unit 光网络单元
  • ONT Optical Network Terminal 光网络终端
  • ODN Optical Distribution Network 光分配网络
  • OLT Optical Line Terminal 光线路终端
  • WDM Wavelength Division Multiplex Module 波分复用模块
  • NE Network Element 网络单元
  • SNI Service Node Interface 业务节点
  • UNI User Network Interface 用户网络接口
  • TDMA Time division multiple access 时分多址
  • MDU multi-Dwelling Unit 多用户onu
  • SFU Single Family Unit 单个家庭用的onu
  • HGU Home Gateway Unit 家庭网关型onu
  • PMD Physic Media Dependent 物理媒介依赖

二、标准协议文档

ITU-T G.984.1

  • GPON网络参数说明
  • 保护倒换组网要求

ITU-T G.984.2

  • PMD层规格要求
  • 2.488Gbps下行光接口参数规格要求
  • 1.244Gbps上行光接口参数规格要求
  • 物理层开销分配

ITU-T G.984.3

  • GPON TC层规格要求
  • GTC复用结构及协议栈介绍
  • GTC帧结构介绍
  • ONU注册激活流程
  • DBA规格要求
  • 告警和性能

ITU-T G.984.4

  • OMCI消息结构介绍
  • OMCI设备管理框架
  • OMCI实现原理简述

三、其他

3.1 帧长125us是什么意思？

答：时间单位，也就是发送一帧是125us，与传输距离和光衰有关。

3.2上行帧

GPON的上行是通过TDMA（时分复用）的方式传输数据，上行链路被分成不同的时隙，根据下行帧的upstream bandwidth map字段来给每个ONU分配上行时隙，这样所有的ONU就可以按照一定的秩序发送自己的数据了，不会产生为了争夺时隙而冲突。每帧共有9120个时隙。

3.3 接口结构

gpon口 ==> 多个onu（onu-ID） ==> 多个T-cont（alloc-ID） ==> 多个Gem-port（port-ID）

3.4 协议栈

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四、关键技术

4.1 突发光电技术

4.2 测距

  • RTD（Round Trip Delay）：往返旅程时延
  • EqD（Equalization Delay）：均衡实验参数

OLT获取序列号和Ranging的过程都需要开窗，即Quiet Zone，暂停其他ONU的上行发送通道。

4.3 DBA

Dynamically Bandwith Assignment
即动态带宽分配

  • GPON系统采用SBA+DBA的方式来实现带宽的有效利用；
  • TDM业务通过SBA指配带宽以保证其高QoS；
  • 其他一些业务可以通过DBA来动态分配带宽；
  • DBA的实现与QoS的保障机制有密切关系；
  • GPON系统通过状态的上报以及OLT业务监视（非状态上报）支持动态带宽分配。

4.3.1 GPON的状态上报DBA存在3种机制

  • PLOu-State Ind DBA;
  • DBRu-Piggy-back DBA;
  • Payload DBA;

4.3.2 DBA功能的实现机制主要包括以下几个部分

  • OLT或ONU进行拥塞检测;
  • 向OLT报告拥塞状态;
  • 按照指定参数更新OLT分配带宽;
  • OLT按照新分配的带宽和T-CONT类型发送授权;
  • DBA操作的管理。

4.3.3 效果

  • 带宽利用率
    无DBA利用率40%
    有DBA利用率80%
  • 平均时延
    无DBA时延100ms
    有DBA时延小于10ms

4.3.4 调度算法

包括最大带宽、保证带宽和竞争带宽

  • T-CONT1类型的分配为静态分配，保证带宽直接等于配置最大带宽，优先分配
  • T-CONT2类型的分配只需要保证用户的保证带宽，如果超过最大带宽则按照最大带宽分配
  • T-CONT3类型为混合保证和非保证带宽，如果可以保证申请带宽，则直接分配，否则将不能分配的部分带宽打上标记和T-CONT5类型的TAG部分带宽采用RR（轮巡）方式分配
  • T-CONT4类型为不保证类型，只有保证带宽分配后剩余带宽和T-CONT5部分剩余带宽申请一起RR调度；
  • T-CONT5类型为混合型，首先判断保证带宽是否能够满足要求，如果可以，则直接分配，如果不满足，则将剩余部分带宽申请打上标记和T-CONT3的TAG部分带宽RR调度分配，如果分配后还不能满足，则剩余带宽与T-CONT4竞争

4.3.5 实现过程

  • OLT内部DBA模块不断收集DBA报告信息，进行相关计算，并将计算结果以BW Map的形式下发给各ONU；
  • 各ONU根据BW Map信息在各自的时隙内发送上行突发数据，占用上行带宽。

4.3.6 两种实现模式

  • SR(Status-Report)-DBA
    （1）OLT根据上次计算的结果在下行帧头中下发BW Map。
    （2）ONU根据带宽分配信息在规定的时隙上发送目前T-CONT中等待发送的数据状态报告 。
    （3）OLT收到ONU的状态报告后，经过DBA计算并更新BW Map，在下一帧进行下发。
    （4）ONU收到OLT下发的BW Map消息后，在指定的时隙上发送数据。
  • NSR(Non-Staus-Report)-DBA
    在OLT处监视从NSR-ONU/ONT来的信元数据流的算法
    （1）在确定的间隔(interval)内监视OLT接收到的信元数目。
    （2）通过使用在Step1中的实时监控(real time monitoring)结果来计算利用速率(utilization rate)。
    （3）通过比较利用速率和极限值，来认识(recognize)拥塞程度。

4.4 T-CONT

  • T-CONTs (Transmission Containers)：动态接收OLT下发的授权 ，用于管理PON系统传输汇聚层的上行带宽分配，改善PON系统中的上行带宽。
  • T-CONT的带宽类型分为FB,AB,NAB,BE。
  • T-CONT的5种类型，Type1,Type2,Type3,Type4,Type5。

4.4.1 T-COUNT类型和带宽类型

带宽类型：

  • fixed
  • assured
  • non-assured
  • best-effor
  • max

4.4.2 业务关系

  • 根据业务的优先级，系统对每个ONU设置SLA，对业务的带宽进行限制；
  • 最大带宽和最小带宽是对每个ONU的带宽进行极限限制，保证带宽根据业务的优先级不同而不同，一般语音业务的优先级最高，视频业务优先级次之，数据业务的优先级最低；
  • OLT根据业务和SLA及ONU的实际情况进行带宽许可，优先级高的可以得到更高的带宽，满足业务需求。

4.5 QOS

4.5.1 GTC

  • PON系统架构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。

4.5.2 GEM

  • 在GEM层主要是针对每个GEM Port进行业务流分类，类似于DSLAM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。

4.5.3 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TDM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

4.6 ONU的AES加密

Advanced Encrypt System （先进的加密系统）

  • GPON支持下行广播数据进行AES128加密处理；
  • 只对GEM帧中的Payload进行加密处理；
  • GPON系统定期的进行AES密钥交换和更新，提高了线路数据的可靠性。
  • 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，并分两部分发给OLT，且重复发送三次 ，OLT收到了新的密钥后，就要开始进行密钥切换，将使用新的密钥的帧号通过相关的命令通知ONU（也是三次） ，ONU在相应的数据帧上切换校验密钥。

4.7 FEC

Forward Error Correction（前方错误纠正）

4.8 光衰

4.8.1 公式

光衰（单位：db）= 10 * log(power_in / powerout)

4.8.2 例子

  • 分光器的插入损耗(<1dB)；
  • 1:2 分光器光衰： 即10*log(0.5) =3.01 db；
  • 1:16 光衰为12.04db；
  • 1:64光衰为 18.06db。

4.8.3 光纤衰减和光纤长度

  • 光纤衰减和长度有关，每公里光衰大概增加 0.35db（对于1310、1490nm的光）
  • 光纤熔接点的衰减值一般小于0.2dB
  • 光纤弯曲等也可能造成衰减

G.984.2 – Classes for optical path loss 表（（单位：db））

类型 class A class B class B+ class C
最大丢失 5 10 13 15
最小丢失 20 25 28 30

4.9 GPON网络保护

4.9.1 方式

type A、type B、type C

五、业务方案

5.1 多种业务方案

  • Triple-Play 端对端解决方案
  • TDM业务解决方案
  • GPON + xDLS解决方案
  • GPON RF业务解决方案

六、GPON管理

6.1 基本消息类型

  • 物理层OAM消息有三种类型：嵌入式OAM，PLOAM消息，OMCI消息。
  • 嵌入式OAM和PLOAM通道信息用于对物理层和GTC层进行管理。
  • 嵌入式OAM通道通过GTC帧头中域格式信息来提供(BW Map，DBRu等)。
    （功能包括：带宽授权，动态带宽分配信令等）
  • PLOAM通道涉及ONU注册、加密，Boot OMCI等功能
  • OMCI提供了更高层次的统一的管理系统通道，用于管理在GTC层上层定义的业务

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