宽带PON标准的分析和比较

  陈洁　党梅梅
信息产业部电信研究院通信标准研究所

　　摘要 EPON和GPON是两种崭新的宽带无源光纤接入技术，在技术上非常类似。本文首先介绍了GPON和EPON的相关国际标准，并指出ITU和IEEE制定GPON和EPON标准的主要思路，在对这两种技术的物理特性、协议分层结构以及封装方式等关键技术分别进行分析的同时，文章也指出了某些关键技术实现的难点和标准未规范部分带来的问题。最后在前面所做分析的基础上对这两个标准在技术和应用上的优缺点进行了分析和比较。

　　关键词 PON EPON GPON 标准

　　1 前言

　　无源光网络（PON）技术是为了支持点到多点应用发展起来的光接入技术。无源光网络由光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成。PON的本质特征就是ODN全部由无源光器件组成，不包含任何有源电子器件。PON技术从窄带PON发展到ATM-PON（APON）已经经过了近10年的时间，从仅支持传统的窄带业务发展到可以支持窄带、宽带业务，速率可以达到下行622 Mbit/s和上行155 Mbit/s。

　　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，人们又提出了速率高达1 Gbit/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。EPON和GPON的相关标准分别由不同的标准组织负责制定，其中EPON由IEEE 802.3ah提出，它将Ethernet技术与PON技术结合起来，其目标是用最简单的方式实现一个点到多点结构的吉比特以太网光纤接入系统；GPON技术则是由ITU进行标准化工作，主要目标是实现Gbit/s速率，并能支持多种业务，对所有业务最优化。EPON和GPON虽然仅有一字之差，且都集成了Ethernet技术和PON技术，但系统实现原理却存在很大差别。本文将对这两个标准的主要技术特点进行分析和比较。

　　2 ITU关于GPON技术的G.984系列标准

　　众所周知，ITU在PON标准化方面一直处于领先地位，关于APON的ITU G.983系列标准目前已得到广泛应用。GPON的概念最早是由全业务接入网联盟（full service access network，FSAN）在2001年提出的，之后在不同组织和厂商的推动下，ITU于2003年1月正式通过并颁布了GPON标准系列中的两个标准G.984.1和G.984.2。由于GPON标准是ITU在APON标准之后推出的，因此G.984标准系列不可避免地沿用了G.983标准的很多思路。

　　ITU GPON标准系列包含下列标准：

　　G.984.1（G.gpon.gsr）：吉比特级无源光网络的总体特性。该标准主要规范了GPON系统的总体要求，包括OAN的体系结构、业务类型、SNI和UNI、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能目标。

　　G.984.2（G.gpon.pmd）：吉比特级无源光网络的物理媒质相关（PMD）层规范。该标准主要规范了GPON系统的物理层要求。

　　G.gpon.gtc：吉比特级无源光网络的传输汇聚（TC）层规范。该建议正处于讨论阶段，还没有正式颁布。该建议规定了GPON的TC子层、帧格式、测距、安全、动态带宽分配（DBA）、操作维护管理功能等。

　　G.984.1对GPON提出了总体目标，要求ONU的最大逻辑距离差可达20 km，支持的最大分路比为16、32或64，不同的分路比对设备的要求不同。从分层结构上看，ITU定义的GPON由PMD层和TC层构成，分别由G.984.2和G.gpon.gtc进行规范。

　　在G.984.2中，对GPON的PMD层进行了规范。系统下行速率为1.244或2.488 Gbit/s，上行速率为0.155、0.622、1.244或2.488 Gbit/s。标准规定了在各种速率等级下OLT和ONU光接口的物理特性，提出了1.244 Gbit/s及其以下各速率等级的OLT和ONU光接口参数。但是对于2.488 Gbit/s速率等级，并没有定义光接口参数，原因在于此速率等级的物理层速率较高，对光器件的特性提出了更高的要求，有待进一步研究，从实用性角度看，在PON中实现2.488 Gbit/s速率等级将会比较难。

图 1 GTC（GPON TC）系统协议栈

　　在G.gpon.gtc建议中，ITU将TC层又分成了两个子层：TC成帧子层和TC适配子层，如图 1所示。对于TC适配子层，规定了ATM适配和GFP（通用成帧规程）适配两种方式。ATM适配方式沿用了G.983系列建议的规定，以ATM信元承载数据流量，可支持各种业务。GFP适配方式是在ITU G.7041中定义的一种数据封装和映射方式，它提供了一种承载高层协议的机制，可以承载基于包的协议，如IP、PPP、以太网帧，或者承载恒定比特率的业务流。GFP在承载高层协议时要求低层光传输网络必须是同步的，如SDH、OTN等。因此若采用GFP封装方式，GTC子层必须是同步的。为了支持电路业务，TC子层必须传送和恢复8 kHz参考时钟。GFP封装方式灵活，在封装Ethernet业务时，省去了IP over ATM的开销。GFP与ATM适配方式相比，封装效率高，提高了系统带宽利用率，业务灵活，因此将会成为GPON中一种主要的适配方式。ITU GPON建议中规定，ONU支持ATM适配或GFP适配方式的一种即可，而OLT必须两种方式都支持。从这一点上看，ITU在本质上沿用了G.983的很多规定，但GFP封装方式的采用又使得G.984标准在一定程度上抛弃了ATM。从互通性上考虑，G.984标准声称GPON系统即使工作在ATM方式上，其OLT和ONU也不能与具有相同速率的APON系统进行互通。

　　G.984规定了GPON上行采用TDMA方式，所有上行数据传输均由OLT控制。对于最大达20 km的逻辑距离差，最近ONU到OLT的传输时延与最远ONU到OLT的传输时延相差100 µs，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。GPON测距的原理与G.983是完全一致的。

　　在G.gpon.gtc建议中，动态带宽分配和QoS沿用了G.983.4的思路，将业务分为5种类型，不同的业务设置不同的参数，根据参数检测拥塞状态，分配带宽，对ONU进行授权。除DBA、加密功能外，ITU在TC层还定义了一些新的功能，如FEC（前向纠错）、功率控制等。

　　3 IEEE关于EPON技术的标准

　　在1998年发布了吉比特以太网标准之后，从2000年开始，IEEE通过成立802.3ah即第一英里以太网（ethernet for the first mile，EFM）工作组的方式开始了EPON的标准化工作。EFM指出了以Ethernet技术为核心的EPON的许多优点，包括协议成熟，技术简单，易于扩展，面向用户等，并坚信Ethernet PON可以消除WAN/LAN连接中ATM和IP之间的协议转换。为了加速EPON的标准化工作，EFM计划将其工作重点放在EPON的MAC协议上，其余将主要参照ITU-T G.983建议，因为G.983并不排除非ATM协议，并留有较大余地，因此G.983的大部分现有内容都可以被有效引用，从而能以最快速度完成有关EPON的标准并投入商用。

　　EFM制定EPON标准的基本原则是尽量在802.3体系结构内进行EPON的标准化工作，最小程度地扩充以太网MAC协议。为了支持PON这一新应用和新介质，EFM在研究点到点（point to point，P2P）光纤以太网，速率最低1 000Mbit/s，距离至少10 km的基础上，定义了新的网络拓扑和相应的物理层：点到多点（point to multi point，P2MP）光纤以太网，速率最低1 000 Mbit/s，距离至少10 km。

　　在EFM制定的EPON标准中，EPON以MAC控制子层的MPCP（multi point control protocol）机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构。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。P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP实体，它可以和OLT中的MPCP实体进行消息交互。MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的有效发送和接收：系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告从而优化PON系统内部的带宽分配。P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件，通过给每个分组包增加LLID（logical link identification）从而替代2字节的前缀，它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。另外，EP0N通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON类似的QoS。 EFM还规定了系统同步方式、ONU的自动识别方式、以太网的管理和维护以及信息安全等功能的实现方式。

　　为了实现系统同步，EPON系统的时钟同步采用时间标签方式：在OLT侧有一个全局的计数器，OLT根据本地计数器在下行方向插入时钟标签，ONU根据收到的时钟标签修正本地计数器，完成系统同步；ONU根据本地的计数器在上行方向插入时钟标签，OLT根据收到的时钟标签完成测距。

　　EFM对解决ONU的注册冲突提出了两种方案：随机延迟时间法和随机跳过开窗法。采用随机延迟时间的方法可以缩短ONU加入系统的时间，但是需要增大注册开窗的长度，这样会降低系统的带宽利用率。采用随机跳过开窗的方法比采用随机延迟时间的方法时延要大，但是不需增大注册开窗，不会影响系统的带宽利用率。

　　EFM要求EPON应具有完整的电信级的管理能力，OLT应可以监测业务网和用户驻地网之间的物理链路和设备的一些重要的信息。EFM已经决定提供的OAM功能包括：远端错误指示，远端环回，链路监视。

　　目前，EFM在EPON标准制定过程中遇到的一个重大难题是EPON是否应支持严格定时（tight timing），或只应支持宽松定时（loose timing）。由于ONU的上行数据发送是非连续的突发模式，因此各ONU的数据发送之间具有保护时间，即ONU用于同步和功率调整的初始开销时间。由于采用严格定时的系统的开销时间比采用宽松定时的系统的开销时间短，但在技术上要求更高，因此严格定时的支持者认为支持严格定时的EPON系统可传送高可靠性的业务，并可与ITU定义的GPON兼容。但也有一些设备制造商认为宽松定时的方案更适合EFM制定的规范。目前EFM尚未决定采用哪种方案。

　　4 GPON和EPON标准的比较

表1对GPON和EPON标准的主要参数进行了比较。

表1 GPON和EPON标准主要参数的比较

　　针对GPON和EPON技术的不同特点，可以对这两种技术做出以下分析：

　　GPON支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，上行不一定要支持1 Gbit/s以上的速率，因此与EPON只能支持对称1 Gbit/s的单一速率相比，GPON对光器件的要求较低，从而可降低成本。

　　EPON只支持Class A和B的ODN等级，而GPON可支持Class A、B和C，因此GPON可支持高达128的分路比和长达20 km的传输距离。

　　单从协议上比较，因为EPON标准是以802.3体系结构为基础，因此与GPON标准相比其协议分层更简单，系统实现更容易。鉴于目前以太网芯片的成熟性，其系统成本更低，对于接入网产品来讲这一特点使EPON产品比GPON产品更具有竞争力。

　　ITU在制定GPON标准过程中沿用了APON标准G.983的很多概念，与EFM制定的EPON标准相比其标准更完善。但由于其增加了TC子层，因此也相应增加了一定的开销，这在一定程度上违背了希望能够借助Ethernet技术简单、经济的特点这一初衷。因此如何规定一个高效率的TC层机制将成为ITU在制定GPON标准中的一个关键。目前ITU各组织成员对关于TC子层的GPON规范意见并不统一，完整的标准计划在2003年10月召开的会议上讨论。

　　GPON标准规定TC子层可以采用ATM和GFP两种封装方式，其中GFP封装方式适于承载IP/PPP等基于包的高层协议，但对于为了支持ATM业务而定义的ATM封装方式在以Ethernet为基础的GPON系统中是否合适，还有待商榷。

　　在Ethernet上承载TDM业务的技术并不成熟，很难满足电信级的QoS要求，因此EPON为了能够承载TDM业务和语音业务必须设计新的MAC机制并增加新的软硬件。而GPON由于其设计的TC子层结构和ATM封装方式，能够比较容易地支持TDM业务和语音业务。但如果GPON标准中不采用ATM封装方式，只支持GFP封装方式，因为传统的GFP封装方式并不适合承载TDM业务，所以GPON和EPON一样都会面临如何承载TDM业务的问题，但勿庸置疑的是其承载方式必须与Ethernet技术充分兼容。如何在Ethernet上承载TDM业务并能提供电信级的服务质量保证将成为ITU和EFM这两个标准组织在标准制定过程中的一个难题。

　　5 结束语

　　PON技术是目前最经济和最有发展潜力的成熟技术之一，只要能制定出一种高效率的媒质接入控制协议再集成了吉比特以太网的优点，相信EPON/GPON技术将会成为一种非常优秀的宽带接入解决方案，为最终实现FTTx打下坚实的基础。

　　完成EPON和GPON标准的制定还需要很长的时间，但是，鉴于它们在宽带接入方面的巨大优势，运营商和设备供应商都非常希望有关标准化工作能尽快取得进展。