GPON技术及其相关标准化进程

GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network，吉比特无源光网络）技术是无源光网络（PON）家族中一个重要的技术分支，其它类似技术包括APON/BPON和EPON技术等。GPON是当前和未来2到3年内最受关注的光接入技术之一。

GPON的概念最早由FSAN（FullServiceAccessNetwork，全业务接入网联盟）在2001年提出，在此之前，FSAN/ITU还提出并标准化了APON/BPON技术（ITU-TG.983.x系列标准），IEEE也已经开始EPON技术的标准化工作并很快于2003年正式发布IEEE802.3ah，这标志着EPON技术标准化工作的完成。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。

二、GPON系统的构成

和其它PON技术类似，GPON也是一种采用点到多点拓扑结构的无源光接入技术，由局侧的OLT（OpticalLineTerminal，光线路终端）、用户侧的ONU（OpticalNetworkUnit，光网络单元）以及ODN（OpticalDistributionNetwork，光分配网络）组成。所谓“无源”，是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光纤和光分/合路器（Splitter）等无源光器件组成，没有昂贵的有源电子设备。

GPON在下行方向（OLT到ONU）采用TDM广播方式、上行方向（ONU到OLT）采用TDMA（时分多址接入）方式，可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构，其中典型结构为树形结构。GPON系统要求OLT和ONU之间的光传输系统使用符合ITU-TG.652标准的单模光纤，上下行一般采用波分复用技术实现单纤双向的上下行传输，上行使用1260nm～1360nm波长，下行使用1480nm～1500nm波长。此外，GPON系统还可以采用第三波长方式（1540nm～1560nm波长）实现CATV业务的承载。

GPON系统的ONU/ONT（ONT是用于FTTH并具有用户端口功能的ONU）可放置在交接箱、楼宇/分线盒、公司/办公室和家庭等不同的位置，形成FTTCab（光纤到交接箱）、FTTB/C（光纤到楼宇/分线盒）、FTTO（光纤到办公室）和FTTH（光纤到家庭用户）等不同的网络结构。

总的来说，GPON具有如下主要技术特点：

1）业务支持能力强，具有全业务接入能力。GPON系统可以提供包括64kbit/s业务、E1电路业务、ATM业务、IP业务和CATV等在内的全业务接入能力，是提供语音、数据和视频综合业务接入的理想技术。

2）可提供较高带宽和较远的覆盖距离。GPON系统可以提供下行2.488Gbit/s，上行1.244Gbit/s的带宽。此外，GPON系统中一个OLT可以支持64个ONU并支持20km传输。

3）带宽分配灵活，有服务质量保证。GPON系统中采用的DBA算法可以灵活调用带宽，能够保证各种不同类型和等级业务的服务质量。

4）ODN的无源特性减少了故障点，便于维护。GPON系统在光传输过程中不需要电源，没有电子部件，因此容易铺设，并避免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，简化了供电，在很大程度上节省了运营成本和管理成本。

5）PON可以采用级联的ODN结构，即多个光分路器可以进行级联，大大节约了主干光缆

6）系统扩展容易，便于升级。PON系统模块化程度高，对局端资源占用很少，树型拓扑结构使系统扩展容易。

三、GPON的关键技术

1.协议栈

GPON系统的协议栈主要由物理媒质相关（PMD）层和GPON传输汇聚（GTC）层组成。GTC层包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。GTC层可分为两种封装模式：ATM模式和GEM模式，目前GPON设备基本都采用GEM模式。GEM模式的GTC层可为其客户层提供3种类型的接口：ATM客户接口、GEM客户接口和ONT管理和控制接口（OMCI）。

2.PMD层

GPON的PMD层对应于OLT和ONU之间的光传输接口（也称为PON接口），其具体参数值决定了GPON系统的最大传输距离和最大分路比。OLT和ONU的发送光功率、接收机灵敏度等关键参数主要根据系统支持的ODN类型来进行划分。根据允许衰减范围的不同，ODN类型主要分为A、B、C三大类，结合目前实际应用需求和光收发模块的实际能力工业界还定义了B+类，扩展了GPON系统支持的最大分路比。ODN分类见表1，目前B+类ODN是主流。评论目前主流厂家的GPON产品均支持2488.32Mbit/s/1244.16Mbit/s，并且在20km传输距离下支持1:64分路比。

3.TC层

TC层（也称为GTC层）是GPON的核心层，主要完成上行业务流的媒质接入控制和ONU注册这两个关键功能。GTC层包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。

（1）GTC成帧子层

GTC成帧子层包括3个功能：

●复用和解复用。PLOAM和GEM部分根据帧头指示的边界信息复用到下行TC帧中，并可以根据帧头指示从上行TC帧中提取出PLOAM和GEM部分。

●帧头生成和解码。下行帧的TC帧头按照格式要求生成，上行帧的帧头会被解码。此外还要完成嵌入式OAM。

●基于Alloc-ID的内部路由功能。基于Alloc-ID的内部标识为来自/送往GEMTC适配器的数据进行路由。

（2）GTC适配子层功能

适配子层提供了3个TC适配器，即ATMTC适配器、GEMTC适配器和OMCI适配器。ATM/GEMTC适配器生成来自GTC成帧子层各ATM/GEM块的PDU，并将这些PDU映射到相应的块。

（3）动态带宽分配（DBA）与业务QoS管理

GTC系统根据T-CONT管理业务流，每个T-CONT由Alloc-ID标识。一个T-CONT可包含一个或多个GEMPort-ID。OLT监控每个T-CONT的流量负载，并调整带宽分配来更好地分配PON带宽资源。PON带宽资源的分配分为动态或静态两种方式，在动态资源分配方式中，OLT通过检查来自ONU的DBA报告和/或通过输入业务流的自监测来了解拥塞情况，然后分配足够的资源。在静态资源分配方式中，OLT根据配置信息为业务流预留固定带宽。

DBA功能可提供各种不同的QoS。GPONTC层规定了5种T-CONT（Type1，2，3，4，5），DBA功能在各T-CONT中实现。GEM模式中，GEM连接由GEM-Port标识，并根据QoS要求由一种T-CONT类型承载。DBA功能分为下面几个部分：

●OLT和/或ONU检测拥塞状态；

●向OLT报告拥塞状态；

●OLT根据提供的参数更新带宽分配；

●OLT根据更新的带宽分配和T-CONT类型发送授权；

●发送DBA操作管理信息。

4.OMCI

OLT通过OMCI（ONT管理控制接口）来控制ONT。协议允许OLT进行下列动作：

1）建立和释放与ONT之间的连接；

2）管理ONT上的UNI；

3）请求配置信息和性能统计；

4）向系统管理员自动上报事件，如链路故障。

OMCI协议在OLT控制器和ONT控制器之间的GEM连接上运行，该连接在ONT初始化时建立。OMCI协议是异步的：OLT上的控制器是“主”，ONT上的控制器是“从”。一个OLT控制器通过在不同的控制信道上使用多个协议实例来控制多个ONT。

OMCI在下面几个方面对ONT进行管理：

1）配置管理：提供了控制、识别、从ONT收集数据和向ONT提供数据的功能；

2）故障管理：支持有限的故障管理功能，大多数操作仅限于进行故障指示；

3）性能管理：主要是性能监控；

4）安全管理：使能/去使能下行加密功能、全光纤保护倒换能力管理。

5.ONU激活注册

在ONU能正常工作前必须完成激活注册过程。

GPON协议基于ONU的序列号来识别和配置ONU，有些运营商会通过运维系统根据ONU的序列号对其进行预配置，这时通常采用直接激活ONU的方式。而在其它情况下，不能提前获知ONU的序列号，因此OLT需要具有自动发现ONU的机制。

激活ONU的事件有3个：

a）网络运营商在得知新的ONU连接到网络后，从运维系统启动激活过程；

）当有ONU从工作状态丢失时，OLT就自动启动激活过程。查询频率可由运维系统设定；

c）OLT周期发起激活过程，查询频率可由运维系统设定。

ONU的激活过程包括：OLT和ONU之间协商工作参数、测量OLT和ONU之间的逻辑距离、建立上下行通信通道。对OLT和ONU之间逻辑距离的测量即测距。GPON采用带内方式对在线系统中的ONU进行测距。对新加入到系统中的ONU进行测距时，已工作的ONU应暂停发送信号，以打开一个测距窗口。该窗口的大小与新加入系统的ONU的距离有关，如果能预先知道新加入系统的ONU的距离则可以减小测距窗口。ONU的激活过程由OLT控制，其激活过程大致如下：

●ONU通过Upstream_Overhead消息接收工作参数；

●ONU根据接收到的工作参数调整自己的参数（如：发送光功率）；

●OLT通过Serial_NumberAcquisition流程发现新ONU的序列号；

●OLT给所有新

ONU分配ONU-ID；

●OLT测量新ONU的均衡时延；

●OLT将测量的均衡时延传送给ONU；

●ONU根据均衡时延调整其上行帧的发送起始点。

以上激活过程是通过交互上下行标记（flag）以及PLOAM消息来完成的。在正常工作状态下，所有传输信号都可以被用来监测信号到达的相位。通过监测传输信号的相位，可以更新均衡时延。

ONU注册由自动发现流程完成。ONU注册有两种方式：“配置S/N”方式是通过管理系统（如NMS和/或EMS）在OLT注册ONU序列号，“发现S/N”方式是不通过管理系统（如NMS和/或EMS）在OLT注册ONU序列号。

四、TDM业务承载

GPON可通过2种方式承载TDM业务（如E1），一种是Native方式也被称为TDMoverGEM方式，另外一种是CESoPoverGEM。评论 1.Native方式

Native方式是利用可变的GEM帧来直接封装TDM帧。具有相同Port-ID的TDM数据分组会汇聚到TC上层。净荷部分包含L字节的TDM块。

TDM业务到GEM帧的映射允许GEM帧长根据TDM业务的频率偏移进行变化。TDM段的长度由PLI域指示。

TDM源适配进程应该在输入缓存中对输入数据进行排队，每当有帧到达（即每125us），GEM帧复用实体将记录当前GEM，帧中准备发送的字节数量。一般情况下，PLI将根据TDM标称速率指示一个固定字节数，但经常需要多传送或少传送一些字节，这一点将在PLI域中反映出来。

如果输出频率比输入信号频率快，则输入缓存器开始清空，填充最终降到低门限以下。这时，从输入缓存器少读取一些字节，填充将上升至低门限以上。相反的，如果输出频率比输入信号频率慢，则输入缓存器开始填满，填充最终上升到高门限以上。这时，从输入缓存器多读取一些字节，填充将降至高门限以下。

2.CESoPoverGEM方式

CESoP（CircuitEmulationoverPacketSwitchedNet）技术是在有管理的分组交换网络（PSN）上搭建通道来传送TDM业务。CESoPover GEM方式的基本思路是先采用CESoP技术将TDM业务封装到以太网/IP帧的净荷中，再将以太网/IP帧封装到GEM帧在OLT和ONU之间传递。

五、GPON的标准化情况

目前，ITU-T在FSAN的帮助下，已经为GPON技术陆续制定完成了ITU-TG.984.x系列标准，具体包括：

●ITU-TG.984.1：Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks（GPON）：Generalcharacteristics；

●ITU-TG.984.2：Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks（GPON）：PhysicalMediaDependent（PMD）layer specification；

●ITU-TG.984.3：Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks（GPON）：Transmissionconvergencelayer specification；

●ITU-TG.984.4：Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks（GPON）：ONTmanagementand control interface specification。

上述4个标准涉及了GPON的总体特性、物理层、TC层和ONU管理等方面。其中物理层和TC层的标准内容已经基本稳定，目前的关注重点在G.984.4规范的OMCI上，对OLT如何集中远程控制ONU、具体被管对象和内容纷纷提出多种方案，相关的增补文件也在不断发布。我国设备制造商华为中兴等和其它研究机构对该领域也有浓厚的兴趣，多篇技术文稿被陆续采纳。此外，对于业务和应用层面的管理是通过继续扩展OMCI能力还是通过TR069来实现也是目前存在较大争议的技术点。

六、结束语

高带宽、长距离、全业务接入能力、严格的QoS保证机制使电信运营商对GPON技术寄予了厚望，视其为下一代光接入网的主流实现技术之一。在底层协议相关标准如PMD层、TC层标准由国外厂商主导的情况下，OMCI将是比较适合加入我国技术标准色彩的技术突破点。