GPON宽带接入设备的应用研究论文

1、南京邮电大学通达学院毕 业 设 计（论 文）题 目： gpon宽带接入设备的研究 专 业： 通信工程 学生姓名： 班级学号： 指导教师： 指导单位： 通信与信息工程学院 日期：2009年11月16日 至2010年6月11日摘 要gpon(gigabit-capable pon) 千兆无源光网络，无源光网络技术是基于itu-tg.984.x标准的最新一代宽带无源光网络接入标准，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。本课题通过搭建gpon小型宽带接入网试验，对目前主流的gpon宽带接入技术进行研究，对目前国内主流的gp

2、on产家的设备网络质量，业务提供能力等方面进行分析比较。对gpon的行业形势进行分析，对各个厂家的gpon设备各方面的性能进行分析。经过各个方面的分析，gpon的大宽带、高业务、强功能等优势使之成为将来光纤通信的重要技术。 关键词：宽带接入；无源光网络；以太无源光网络；千兆无源光网络；千兆无源光网络的封装方法abstractgpon (gigabit-capable pon) gigabit passive optical network, passive optical network technology is based on standard itu-tg.984.x the late

3、st generation of broadband passive optical network access standards, with high bandwidth, high efficiency, large covered scope, rich user interface and many other advantages achieved by most operators as a broadband access network business, integrated technology transformation of the ideal. the issu

4、e of broadband by small-scale structures gpon access network test, the current mainstream research gpon broadband access technology, on the domestic mainstream gpon network equipment manufacturers have the quality of service provision capability aspects are analyzed. the situation on the gpon indust

5、ry analysis, on a production home gpon equipment to conduct all aspects of performance, were analyzed. the big broadband, high gpon business, strong function advantage has become an important technology in the future of the optical fiber communication.keywords: big band access; passive optical netwo

6、rk; ethernet passive optical network; gigabit-capable pon; gpon encapsulation method目 录第一章 概述11.1课题背景11.2宽带接入技术21.3中国宽带接入市场的简介6第二章 pon技术的综合比较72.1 p0n技术的发展和技术现状72.2 pon技术的简介92.2.1apon和bpon技术92.2.2epon技术112.2.3gpon技术142.3各种p0n技术的比较15第三章 gpon的关键技术研究173.1 gpon 的产生173.2 gpon 技术简介173.2.1 gpon 系统结构173.2.2

7、gpon 协议栈183.2.3 gpon 封装方法 gem183.2.4 gpon 的传输汇聚子层（ gtc ）193.3 gpon 的 帧结构193.3.1 gpon下行帧结构193.3.2gpon上行帧结构203.4. gpon 的技术优势213.5小结21第四章 gpon与epon若干技术的比较234.1 gpon与epon的比较234.1.1gpon与epon的主要技术244.1.2 gpon与epon的业务协议264.1.3gpon与epon的ftth协议模型264.2 gpon与epon关键技术比较研究的意义28第五章 gpon的未来行业形势的发展295.1 gpon成争夺商务利器

8、295.2 gpon设备介绍295.3各通信厂家gpon的分析31结束语33致 谢34参考文献35南京邮电大学通达学院2010届本科生毕业设计（论文）第一章 概述1.1 课题背景随着internet的迅猛发展，人们对远程教学、远程医疗、视频会议等多媒体应用的需求大幅度增加，电子商务更是网络应用的典型热点。同时，人们对网络带宽及速率也提出了更高的要求，促使网络由低速向高速、由共享到交换、由窄带向宽带方向迅速发展。 计算机网络技术可以说是当前业界最为热门的技术之一，我们可以把网络划分为两个部分：骨干网和接入网。接入网即是终端用户和骨干网络之间的连接部分。随着骨干网速度的快速提升，各种宽带接入技术开

9、始涌现。从发展来看，光纤接入，特别是宽带光接入辅助无线接入手段将占主导地位。目前，对于骨干网来讲，各种宽带组网技术已经或正在迅速发展中日趋成熟和完善，建立全光骨干网络已被提到日程上来，可以说骨干网络已经为承载各种宽带业务作好了准备。但是通信网与用户之间的接入网发展相对滞后，大部分用户还是通过基于电路交换的、窄带的、模拟化的接入网络进行信息传输和交换，接入网技术已成为制约通信发展的瓶颈。为了适应新的形势和需要，出现了多种宽带接入网技术。但从发展来看，光纤接入，特别是宽带光接入辅助无线接入手段将占主导地位。自从1987年英国电信公司的研究人员提出了无源光网络(pon)的概念开始，接入网技术从此进人

10、了一片新的天地，尤其是在1995年fsan联盟定义一个通用的标准后，不少设备制造商投资开发pon相关产品，运营商积极关注pon的应用。因此，pon得到了极大的发展，业界公认pon代表了未来接入网的发展方向。在时间上pon先后出现了atm无源光网络(apon)、以太网无源光网络(epon)、吉比特无源光网络(gigabit pon)三种技术。 最早的代表技术apon由于承载协议复杂、业务效率不高等原因在无源接人网的应用前景中并不乐观;基于以太网的epon依靠较为成熟的技术、产品和较低的成本等优势在目前的市场中是个宠儿，但是epon采用sb/iob线路编码，其宽带损耗大，效率低。另外它主要支持以太

11、网业务，承载时延敏感的话音服务时会引起qos问题。gpon作为新一代无源光网络接入技术，从一开始就综合考虑了pon的应用和要求，在传送多业务时对提供高比特率和高效率有明确的保证，同时提供可靠的qos机制和简便的管理功能。gpon倍受运营商的关注和青睐，很多人认可gpon将会是最后一公里接入技术的佼佼者。1.2 宽带接入技术目前，对于骨干网来讲，各种宽带组网技术已经或正在迅速发展中日臻成熟和完善，建立全光骨干网络已被提到日程上来，可以说骨干网络已经为承载各种宽带业务作好了准备(如图1-1)。但是通信网与用户之间的接入网发展相对滞后，大部分用户还是通过基于电路交换的、窄带的、模拟化的接入网络进行信

12、息传输和交换，接入网技术已成为制约通信发展的瓶颈。 为了适应新的形势和需要，出现了多种宽带接入网技术。但从发展来看，光纤接入，特别是宽带光接入辅以无线接入手段将占主导地位。宽带的定义：指多媒体业务在网络上传送所需要的最小带宽，其多媒体传送效果能被人们所接受。宽带接入：指用户需要通过一定的通信基础网络支持实现用户和internet的高速连接。由于种种原因，从通信基础网络到用户端“最后一公里”成为宽带接入的“瓶颈”。图1-1 全球宽带接入用户数及增长率目前，实现主要有以下几种方式：xdsl、cable modem、吉比特以太网、无线接入技术和光纤接入技术。下面将逐一介绍。1.xdsl xdsl是h

13、dsl、asdl、vdsl等技术的统称。在xdsl的这几项技术中，由于hdsl主要支持2mbits及以下的速率，vdsl提供的速率虽然很高（可达25mbits以上），但线路长度较短（25mbits时约为1km），已部分技术尚未完全确定，故在实际使用中，adsl（asymmetric digital subscriber line）相比最为普遍(如图1-2),我们以adsl为例介绍xdsl技术。 adsl即非对称数字用户线路，是一种在普通电话线上进行宽带通信的技术。adsl是利用现有的电话网络，以市话双绞铜线为传输介质的点到点的宽带传输技术，为用户提供上、下行非对称的传输速率，上行（从用户到网络

14、）为低速的传输，可达1.5mbits；下行（从网络到用户）为高速传输，可达8mbits，非常符合普通用户联网的实际需要。adsl的传输速率比传统的模拟调制解调器快100多倍，也是传输速率达128kbits的isdn（综合业务数字网）所无法比拟的。adsl最初主要是针对视频点播业务开发的，随着技术的发展，逐步成为了一种较方便的宽带接入技术。adsl满足了用户即时接入internet服务的需求。这一技术极大地推动了高速数据传输，如会议电视、vod、hdtv等业务的增长。图1-2 不同技术的用户份额2.cable modem有线电视网只是传送电视信号，而cable modem宽带接入则是利用原来的电

15、缆传输线路，经过改造来实现上网和通讯。由于有线电视采用同轴电缆，因此其带宽容量相当大，下传速率可以达到30mpbs。但它的问题也是显而易见的，因为有线电视的同轴电缆是按单行道模式设计，所以有线电视网必须将单向传输改制为双向传输才能实现因特网功能。另外，cable modem采用树型结构(如图1-3)，在树型节点上简单地将几个节点连在一起。因此，它实际上是一个总线型网络，这就意味着用户要和邻居共享有限的带宽，所以当同一时间上网人数多时，有线电视的上网速度会变慢。不过，由于cable modem网络的骨干部分是由光纤组成，而光纤的速度几乎是没有限制的，因此只要让有线电视网中光纤的部分增加，同轴电缆

16、的部分减少，cable modem的扩充能力是极强的，所以共享式的结构不一定对速度产生太大影响。 图1-3 树型结构3.吉比特以太网 关于以太网模式的高速接入大家都比较熟悉，以太网和快速以太网已经被证明是最广泛和占主导地位的lan技术。吉比特以太网是一种新型高速局域网，它可以提供高达1gbits的通信带宽，采用和传统10兆比特、100兆比特以太网同样的csmacd协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速以大网基础上平滑、连续性的网络升级，从而能最大限度地保护用户以前的投资。利用光纤接入用户局域网，用户接入速度只受限于光纤的接入速率。另外，吉比特以太网总体的开销，包括购置和维护开销都比较低，具

17、备可支持新应用和新数据类型的能力，网络设计可以有相当的灵活性，还能够提供内部局域网通信。 4.无线接入 无线接入可分为移动接入与固定接入两种。其中移动接入又可分为高速和低速两种。高速移动接入一般可用蜂窝系统、卫星移动通信系统、集群系统等。低速接入系统可用pgn的微小区和毫微小区，如 cdma的 will、pacs、phs等。固定接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入，它实际上是pstnisdn网的无线延伸。其目标是为用户提供透明的pstnisdn业务，固定无线接入系统的终端不含或仅含有限的移动性。接入方式有微波一点多址、蜂窝区移动接入的固定应用、无线用户环路及卫星vsat网等。固定无线接入

18、系统以提供窄带业务为主，基本上是电话业务。主要的宽带固定无线接入技术有3类，即已经投入使用的多路多点分配业务（mmds）、直播卫星系统（dbs）以及正在做现场试验的本地多点分配业务（lmds）。前两者已为大家熟知，而lmds则是刚刚兴起，近来才逐渐成为热点的新兴宽带无线接入技术。5.光纤接入 光纤接入技术(图1-4)是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体的接入方式，用户网光纤化有很多方案，有光纤到路边（fttc）、光纤到小区（ftti）、光纤到办公室（ftto）、光纤到大楼（fttf）、光纤到家庭（ftth）。但不管是何种领域的应用，实现光纤到户都是为了满足高速宽带业务以及双向宽带业务的客观

19、需要。光纤用户网的主要技术是光波传输技术，目前光纤传输的复用技术发展相当快，多数已处于实用化。复用技术用得最多的有时分复用（tdm）、波分复用（wdm）、频分复用（fdm）、码分复用（cdm）等。图1-4 光纤接入技术的模型结论：宽带接入网网络规模巨大、需求旺盛、新技术不断涌现，其发展包含了无数的机遇，而且市场之大前所未有，吸引了制造商、运营企业和业务提供者的广泛参与。无论采用何种接入技术，只有最大程度地满足用户的需求，才能有效占领市场。而且毋庸置疑的是，现行的各种技术方案终将过渡到一个理想的阶段光纤到户。表1-1 宽带接入技术的分类1.3 中国宽带接入市场的简介2009 年第二季度，国内宽带

20、接入用户增长势头减缓，宽带接入用户的季度增长率为5.6%，比一季度下降了2.8个百分点。截至2009年二季度末，我国宽带接入用户总数达到5943 万户。dsl 用户继续保持快速增长势头，2009 年上半年新增763.8万用户，其中第二季度新增353.7 万，比2008 年的季度新增用户的平均值高出34.2%。2009 年上半年，电信运营商的宽带业务收入累计达到242亿元，与上年同期相比增长了38%；宽带业务收入在全部电信业务收入中的占比为6.9%，比上年同期提高了1.3个百分点。由于更多用户选择接入速率更高、资费相应也高一些的接入业务，以及宽带增值业务的日益丰富，中国电信和中国网通的宽带用户a

21、rpu 值均出现小幅度上升第二章 pon技术的综合比较随着通信系统的发展，电信业务已由以语音为主的窄带业务向语音、数据和视频等多媒体宽带业务方向发展。为了实现多媒体通信，公用电信网络必须具有宽带的交互接入能力。目前，实现宽带交互接入的技术方案主要有:铜双绞线xdsl、铜缆hfc、有线光纤宽带接入、无线宽带接入等。特别是基于光纤宽带接入的无源光网络 (pon)技术，以其经济有效的特点正在获得广泛的应用。各种pon技术也得到了很好的发展，目前pon无源光网络 (passive optical network)就是一种很有效的技术，具有成本低、兼容性好、技术成熟、可维护性强、可控性好、多业务接入等特

22、点，能很好的解决用户对带宽的要求。用户宽带业务接入技术以实现光纤到家(ftth)为目标，结合无源光网络(pon)的组网技术和atm、副载波复用(scm)、ethernet、密集波分复用(dwdm)等传输技术，开发出经济、高效的宽带业务接入系统。2.1 p0n技术的发展和技术现状无源光网络 (pon)技术是一种点到多点的光纤接入技术，它由局侧的olt(光线路终端)、用户侧的onu(光网络单元)以及odn(光分配网络)组成。一般其下行采用tdm广播方式，上行采用tdma(时分多址接入)方式，pon的拓扑结构主要取决于odn的结构，通常可归纳为单星型、树型、总线型和环型等四种类型，也就是pon的四种

23、基本拓扑结构。所谓“无源”，是指odn中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光分路器(splitter)等无源器件组成，因此其管理维护的成本较低。pon技术的概念是20世纪90年代初提出的，可分为用于窄带tdm业务接入的窄带pon技术和用于宽带接入的基于atm传送的bpon(apon)、基ethernet分组传送的epon技术以及兼顾 atm/ethernet灯tdm综合化的gpon技术。经过10多年的变迁，pon技术的经历了从窄带pon到bpon(atmpon)再到epon及gpon的发展历程，这其中，itu-t在pon技术的标准化工作中发挥了主导作用，相继出台了g982(窄带pon)、

24、g983系列(bpon)以及g984系列(gpon)等一系列标准建议，而ieee在pon标准化上也非常活跃，并于2004年推出了ieee802.3标准。当前无论是中国还是全球，宽带业务的发展正朝宽带化、业务综合化和网络光纤化发展。随着光纤在长途网、城域网乃至接入网的主干段的大量应用，运营商在接入网络建设中要实现经济有效的发展，就应该将光纤继续向接入网的配线段和引入线部分延伸，从而最终实现ftth。经过这些年来的技术演进，点到点的光以太网技术已经成熟，epon和gpon标准也都已经在2005年完成，符合相关标准的设备正逐步成熟;而且光纤接入的成本随着部署规模的不断扩大正在逐渐降低。因此，宽带业务

25、发展趋势和pon接入的一些技术与经济优势将促进运营商在新建网络和传统接入网络的改造。不断增加新业务带宽需求推动下，运营商在建设pon网络时，必须考虑提供更高的带宽与业务能力，以满足不断增长的用户需求和竞争压力，努力架构一张面向未来的网络。在光接入网中若光配线网(odn)全部由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是pon。在电信运营商的中心交换局(co)与用户端之间配置光接入线路提供一种低成本的方法。根据技术体制，则分为pdh光接入技术、sdh光接入技术、atm光接入技术和以太网光接入技术等。图2-1是oan的参考配置。光线路终端(olt)为odn提供网络接口并连至一个或多个odn

26、。odn为olt和光网络单元(onu)提供传输手段。onu为oan提供用户侧接口并和odn相连。pon位于业务网接口 (snd与用户网络接口(und之间，通过sni与业务节点相连，通过uni与用户设备相连。一个典型的epon系统由olt(光线路终端)、odn(光分配网络)、onu/ont(光网络单元/光网络终端)和ems(网元管理系统)组成。其中0lt位于中心交换局的机架上，它既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，提供epon系统与业务提供商的核心数据、视频和电话网络之间的接口。它通过一个ems链接到业务提供商的核心网络上。odn由pos和光纤构成。pos是一个连接olt和onu的无

27、源设备，可以置于全天候的环境中，它分发下行数据并集中上行数据。一般一个pos的分线率为16、32或64，并可以多级连接。图2-1 光接入网的参考结构r:接收节点，s:发送节点，t:用户端，af:适配功能onu/ont位于用户端，放在一个住户、企业处。onu与ont的区别在于ont直接位于用户端，而 onu与用户间还有其他的网络，如以太网。onu放在网络接口单元)附近或与其合为一体。pon技术始于20世纪80年代初，目前市场上的pon产品按照其采用的技术，根据其所传输信息的数据帧成帧格式和媒质访问协议的不同主要分为apon旧 pon(atmpon/宽带pon)、epon(以太网pon)和gpon

28、(千兆比特pon)，其中，gpon是最新标准化和产品化的技术。下面我们对几种具体的pon技术分别进行介绍。2.2 pon技术的简介2.2.1 apon和bpon技术apon和bpon技术采用无源光网络 (pon)可以降低光纤接入成本、提高接入性能、利于宽带业务接入。以atm传输技术为基础的pon简称为atm-pon，它基于时分复用技术，并且被认为是目前能够较好地解决宽带接入的方案之一。图2-2 atm-pon方案原理atm-pon为用户提供的宽带接入较为灵活，其下行速率可以是622mbit/s或155mbt/s，上行速率为155mbit/s。atm-pon方案原理(如图2-2)，一个无源光分路

29、器(olt)能够连接16至犯个onu，一个onlj能够连接几十个用户单元设备(cpe)，通过将atm交叉连接模块配置在olt中、将atm的业务模块配置在各个onu中，为用户提供交互式宽带业务。其下行方向采用基于atm信元的复用技术，上行方向则采用tdma控制协议控制用户入网。上、下行方向的atm信元均被封装成atm-pon分组信元结构，即在每个分组信元的头部附加一个字节的信头，以提供网络同步及与传输相关的功能，如上行， idma协议的onu标识等。网络的运行和维护功能(oam)则通过物理层信元 (ploam)传送。1)为了实现tdma控制技术，需要解决光功率动态调整、测距延时、突发同步等问题光

30、功率的动态调整问题:atm-pon系统组网一般采用树形拓扑结构，各个onu至olt的光纤路经长度不同，光信号受到的传输衰耗不同。要求olt的光接收器具有较大的光功率动态范围，并能够根据接收到的光功率大小，快速设置信号判决门限;而每个onu的激光器应该能够根据与olt之间不同的传输衰耗，动态进行输出光功率的调整，以降低对olt接收动态范围的要求。实际上，atm-pon依据分组信元头部字节的3个hit位传输的信息，进行onu的光发功率调整及olt光收门限设置。2)测距延时问题:各个onu传送分组信元至olt的路经不同，为了避免olt接收端各个onu传送来的分组信元发生碰撞，必须使各个onu至olt

31、的有效连接距离相等。atm-pon技术通过测距软件，自动测试各个onu至olt。的有效连接距离，并依据有效连接距离自动确定各个onu发送分组信元之前的时延量，以保证有效连接距离相等。3)突发同步问题:测距软件的精度是有限的，当某onu需要连续突发传输分组信元时为了避免同其他onu的分组信元发生碰撞，必须在连续突发传输的分组信元之间预留一个保护时间(一般是2bit+lbit)，从而使各个突发分组信元的首hit将落在1bit的保护时间内，也就要求olt接收器在极短时间内迅速恢复突发信号中的正确时钟。atm-pon采用附加抽样技术(利用分组信元头部字节的3bit)进行时钟的相位校准，实现突发同步。2

32、.2.2 epon技术epon是由 ieee802.31作组在2000年11月成立的 efm(ethernet in the first mile)研究小组提出的。主要基于ieee802.3ah标准。epon是几个最佳的技术和网络结构的结合。epon以以太网为载体，采用点到多点结构、无源光纤传输方式，下行速率目前可达到 1.25gbit/s，上行以突发的以太网包方式发送数据流。另外，epon也提供一定的运行维护和管理(oam)功能。和传统的以太网相比，epon主要增加了两部分功能:位于媒体接入控制(mac)层之下的仿真子层和被作为mac层一部分的多点控制协议(mpcp)。仿真子层使得下面的点到

33、多点网络在协议上层看来像是多个点到点链路，这一点是通过在每一个分组的开始加上逻辑链路标识(lld)以取代2个字节的前导来实现的。(一) ep0n的发展现状及特点自efma(ethernet in the first mile alliance)，第一公里以太网联盟)在2004年6月发布epon技术规范ieee8o2.3ah以来，epon技术得到快速发展，目前相关的芯片和设备均已基本成熟并有较大规模的应用。epon是几个最佳的技术和网络结构的结合。epon采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。目前，ip是ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上，epon由于使用

34、以上经济和高效的结构，是连接入网最终用户的一种最有效的通信方法。10g以太主干和城域环的出现也将使epon成为未来全光网中最佳的最后一英里的解决方案。他能够很好的实现语音、视频和数据全业务的接入。epon自诞生之来，其巨大的综合优势使其得到了迅速的推广应用，国内外发展形势一片大好。在日本，相关统计数据表明epon的部署线数已经超过了200万之巨，不论是传统的优势运营商ntt还是新兴运营商的代表 yahoo bb都大量采用epon技术建设ftth网络。而韩国也正在积极部署基于epon的ftth网络。同时epon技术在国内也得到了相当的认可。我国从epon国际标准制定一开始就把epon列入国家的“

35、863”重大项目，支持烽火和格林威尔等国内优秀厂家对epon关键技术进行攻关。目前，epon技术已经成熟，主要体现在以下方面:经过各标准化组织、设备和芯片制造商、运营商的共同努力，epon商用芯片和光模块己经成熟，在中国电信的主导下，己经实现了epon芯片级和系统级的互通测试;在epon方面现在领先的有国际上有sallra，all optic等新兴公司，也有一些老牌公司如nokia等，国内在epon方面研发比较领先有格林威尔公司，华中理工，武汉烽火等。其中格林威尔公司的多业务epon(ms-pon)系统最有特点，其系统支持上下行对称1.25g带宽，支持onu的自动加入，支持tdm业务，提供动态

36、/静态带宽分配、弹性保护倒换等功能。epon产业链也在进一步成熟，形成了良性的市场竞争格局，设备成本进一步下降，已达到规模商用水平。(二) epon的网络结构和工作原理epon是一项采用点到多点网络拓扑结构，利用pon的拓扑结构实现以网的接入，利用光纤和光无源器件进行物理层传输的宽带接入系统，它是在以太协议的基础上开发了新的数据链路层协议来实现多种业务的综合接入。在电信营商的中心交换局(co)与用户端之间配置光接入线路提供一种低成本的方法。pon支持很多efm的应用，如ftth、fttb、fttc和光纤到多住户租户单元(fiber to the mdu/mtu)。epon位于业务网络接口(sn

37、d与用户网络接口uni)之间，通过sni与业务节点相连，通过uni与用户设备相连。epon主要三部分组成，即位于局端的。olt(optical line terminal，光线路终端)、odn(optical distribution network，光分配网络)，和onu/ont(optical line terminal /optical distribution network，光网络单元/光网络终端)或综合接入终端组成。olt设备位于局端，onu(综合接入终端)设备位于用户家，接入用户终端，从而实现光纤到户，odn由光纤和光分路器/祸合器等无源件组成，是一个连接olt和onu的无源设备

38、。olt和onu之间可以灵活组建成树形，环形，总线形，以及混合型。epon的工作原理:olt到onu/ont的方向为下行方向，反之为上行方向。在epon中，olt到onu间的距离最大可达20km。如果使用光纤放大器(有源中继器)，距离还可以扩展。在epon中，从olt到多个onu的下行传输采用广播方式，注册后，olt为已经注册的onu分配llid，数据以可变长度的分组(帧的最大长度为 1518字节)格式从olt下行广播到多个。每个帧带有一个标题，这一点是通过在每一个分组的开始加上逻辑链路标识(llid)以取代2个字节的前导来实现的。此llid能唯一标识该帧是发给某一指定onu的。此外，某些帧可

39、能是发给所有onu的(称此帧为广播帧)或发给某一指定onu组的(称此帧为组播帧)。当数据到达onu时，由各个onu检测到达帧的llid来决定是否接收帧，如果该帧所含llid和自己的llid相同则接收该帧，反之则丢弃掉不属于它的其他帧，传输速率可达1.25gbt/s。从多个onu到olt的上行传输，则采用时分多址接入(tdma)技术来管理上行数据传输，在tdm系统中，给每个onu分配一个上行时隙，每个发送时间隙是被不同的onu独占使用的，每个时隙中包含多个未拆分的以太网数据包，每个数据包由包头、可变长度净荷和误码检测域组成。时间隙的同步应使得来自不同onu的上行数据帧在汇合到公共光纤的时候互不冲

40、突。例如，onu-1在第一个时间隙内发送数据帧1，onu-2在第二个非交迭的时间隙内发送数据帧2，onu-3在第三个非交迭的时间隙内发送数据帧3。ieee802.3规范的epon技术的上下行波长是1310lun和1490lun，上下行速1.25gbit/s，传输距离是 10/20km，分路比是32/l6，主要业务是数据和语声，增加一个1550nln电视广播波长后，成为语声、数据和电视的所谓三重业务捆绑服务，或者直接以iptv方式提供集成的三重业务捆绑服务。对于传送单一以太网业务而言，epon确实是一种很好的解决方案，但是对于需要提供tdm专线业务和基于tdm的语音业务的情况，则还需要借助一些其

41、他技术帮忙。epon的最新发展趋势是提供2.5gbit/s的速率，从而可以使设备成本比1.25gbit/s系统降低30%左右。(三) pon的层次结构模型及光路设计对于以太网技术而言，pon是一个新的媒质。802.3工作组定义了新的物理层。而对以太网mac层以及mac层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质。epon的层次模型按照2003年1月发布的ieee802.3ahdraft1.3规定。(如图2-3)epon系统通过一条共享光纤将多个dte连接起来，其拓扑结构为不对称的基于无源光分路器的树形分支结构。mpcp就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制机制。epon作为efm讨论标准的一

42、部分，建立在mpcp(multi-point control protocol,多点控制协议)基础上，该协议是 mac子层的一项功能。mpcp使用消息，状态机，定时器来控制访问pzmp(点到多点)的拓扑结构。在pzmp拓扑中的每个onu都包含一个mpcp的实体，用以和olt中的mpcp的一个实体相互通信。作为epon/mpcp的基础，epon实现了一个pzp仿真子层，该子层使得pzmp网络拓扑对于高层来说就是多个点对点链路的集合。该子层是通过在每个数据报的前面加上一个 llid(logical link id field)逻辑链路标识来实现的。该llid将替换前导码中的两个字节。pon将拓扑结

43、构中的根结点认为是主设备，即olt;将位于边缘部分的多个节点认为是从设备，即onus。mpcp在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收。图2-3 epon的层次模型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、以便优化pon系统内部的a带宽分配。epon系统通过mpcp来实现olt与onu之间的带宽请求、带宽授权、测距等。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多点控制协议位于 mac control子层。 mac control

44、向mac子层的操作提供实时的控制和处理。2.2.3 gpon技术2001年，fsan组启动了另外一项标准工作，旨在规范工作速率高于 1gbit/s的pon网络。这项工作被称为 gigabit pon(gpon)。gpon是itu-t提出的基于atm和通用成帧规程 (gfp)的pon技术，己形成g984.1和g984.2，该标准主要是运营商推动的。gpon二层采用 itu-t定义的通用成帧规程对ethernet、tdm、atm等多种业务进行封装映射，能提供1.25和2.sgbt/s下行速率和所有标准的上行速率。gpon除了支持更高的速率之外，还要以很高的效率支持多种业务，提供丰富的oam&p功能

45、和良好的扩展性.大多数先进国家运营商的代表，提出一整套“吉比特业务需求”(gsr)文档，作为提交itut的标准之一;反过来又成为提议和开发gpon解决方案的基础。这说明gpon是一种按照消费者的准确需求设计、由运营商驱动的解决方案，是值得产品用户信赖的。在gsr文档中所列举的要求主要有以下几点:(l)支持全方位服务-包括话音(tdm、pdh和sonet/sdh)、ethernet (10/100baset)、atm、专线等等。(2)物理覆盖至少20km，协定内逻辑支持范围60km。(3)支持同一种协定下的多种速率模式，包括同步 622mbit/s、同步 1.25gbit/s、以及不同步的下行

46、2.5gbit/s、上行 1.25gbit/s及更多(将来可达到同步2.5gbit/s)。(4)针对点对点的服务管理需提供oam (operation、administrationprovisioning)的能力。(5)针对pon下行流量是以广播传送之特点，提供协定层的安全保护机制。gpon支持多种速率等级，可支持上下行不对称速率，上行不一定要支持1gbit以上速率。能在pon网络上传送高速以太数据，视频和tdm业务，同时能获得令人满意的el抖动和延迟性能。国内运营商已将gpon技术成功应用于宽带接入网络，证明了gpon技术已经成为一种可靠且具有成本效益的正tv宽带接入技术。采用通用组帧程序(

47、gfp)将各种业务流(包括tdm和分组)封装在长度为 125ns的帧中;高效无开销地传输原始tdm业务流。由于gfp提供了一种简单、有效的在同步传输网上传输不同业务的方法，是一个理想的 gpontc层的协议。此外，gfp采用标准的sonet8khz(125ns)帧，能很好地支持tdm业务。2.3 各种p0n技术的比较在各类pon技术中，apon最为成熟，但由于业务提供能力有限、性价比低，仅能满足某些特定区域的接入需求，无法满足长远的发展需要，已逐步退出市场竞争。从技术角度gpon是bpon的继承和发展。gpon继承了bpon的很多基本特点，例如两者都使用同样olt核心技术，包括onu的激活和测

48、距等，使用同样的物理光纤设施和光功率预算值，同样的管理软件栈等。另一方面，gpon采用了一些最新的技术成果，除了最重要的gfp封装技术外，还包括前向纠错等新技术。因此无源光接入技术的重点在于epon和gpon之争，这两种技术有以下几方面的不同。(l)gpon支持多种速率等级，可以支持上下行不对称速率，因此与epon只能支持对称 1gbps的单一速率相比，gpon在光器件方面的选择上余地更大。(2)epon只支持class a和class b的odn等级，而gpon除此之外还可支持class c的 odn等级，因此gpon最高可支持128的分路比。(3)单从协议上比较，因为epon标准是以 ie

49、ee802.3标准体系结构为基础，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，其系统成本也更低。(4)itu在制定gpon标准过程中沿用了apon标准g983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。(5)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ippp等基于包的高层协议，但对于为了支持atm

50、业务而定义的afm封装方式在以ethernet为基础的gpon系统中是否合适，还有待商榷。(6)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业务和话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，并采用了125us的帧长及定时机制，能够比较容易地支持tdm业务和话音业务。图表2-1对epon和gpon两种千兆比无源光网络技术的主要参数进行了比较，为更加全面，同时也将bpon列入其中。表2-1 bpon、epon和gpon技术主要参数的比较综上所述，epon简单、高速、成本低、用户

51、面广，技术、产品相对gpon成熟，近期应该大力发展的无源接入技术;gpon可透明传输，高速高效，具有电信级服务质量，是无源接入技术发展的趋势，但目前成本相对较高，商业化程度低，是中远期大力发展的无源接入技术。第三章 gpon的关键技术研究3.1 gpon 的产生 pon（无源光网络）技术因为其高带宽、高可靠性和极低的维护费用等特点，从一提出便被认为是极佳的fttx解决方案。但在pon网络上采用何种传输协议却一直处在争论之中。itu-t在1983-1996年制定了apon标准，它采用atm作为传输协议，支持下行622m/155m、上行155m的传输速率，能提供以太网接入、视频发送、高速租用线路等

52、业务。apon技术提出至今并未在商业上获得成功，主要原因是atm技术承载ip业务效率低，同时，业务的发展并未形成对光接入网的强劲需求。2001年,itu-t根据fsan(full service access network)组织关于吉比特业务需求(gsr)的研究报告，重新制定了pon网络所要达到的关键指标，同时借鉴apon技术的研究成果，开始进行新一代pon技术标准的研究工作，于2003年讨论通过了gpon(gigabit pon)，它通过为用户提供千兆比特的带宽，高效的ip、tdm承载模式，试图成为fttx领域中更为完善的解决方案。3.2 gpon 技术简介3.2.1 gpon 系统结构图

53、3-1是g.984.1建议的gpon参考模型。gpon由光线路终端olt、光网络单元 光网络终端(onu/ont)及光纤分配网odn组成olt位于中心机房，向上提供广域网接口，包括ge、atm、ds-3等；onu/ont放在用户侧，为用户提供10/100baset、t1/e1、ds-3等应用接口，适配功能af在具体实现中可能集成于onu/ont中；odn由分支器/耦合器等无源器件构成；上下行数据工作于不同波长，下行数据采用广播方式发送，上行数据采用基于统计复用的时分多址方式接入。图中波分复用器wdm和网络单元ne为可选项，用于在olt和onu之间采用另外的工作波长传输其他业务，如视频信号。 图

54、3-1 gpon 系统结构3.2.2 gpon 协议栈 图 3-2 给出了gpon的协议分层模型。gpon由控制/管理平面（c/m平面）和用户平面（u平面）组成，c/m平面管理用户数据流，完成安全加密等oam功能，u平面完成用户数据流的传输。u平面分为物理媒介相关子层pmd、gpon传输汇聚子层gtc和高层；gtc子层又进一步细分为gtc适配子层和gtc成帧子层，高层的用户数据和控制/管理信息通过gtc适配子层进行封装。 图3-2 gpon 协议栈3.2.3 gpon封装方法gem为克服atm承载ip业务开销大的缺点，gpon采用新的传输协议gem（gpon encapsulation met

55、hod），该协议能完成对高层多样性业务的适配，包括atm业务、td业务及ip/ethernet业务，对多样性业务的适配是高效透明的，同时该协议支持多路复用，动态带宽分配等oam机制。图3-3 给出了gem的帧结构。 图3-3 gem帧结构图3-3中，pli为16比特，用于确定净负荷长度；port id为12比特，用于支持多端口复用，相当于apon技术中的vpi，frag(fragment)为2比特，用作分段指示，第一个分段的frag值为10，中间分段的frag值为00，最后一个分段的frag值为01；若承载的是整帧，frag的值为11；frag的引入解决了由于剩余带宽不足以承载当前以太网帧时带

56、来的带宽浪费问题，提高了系统的有效带宽；ffs为 2 比特，目前尚未定义；hec为头校验，占据16bit，采用自描述方式确定帧的边界，用于帧的同步与帧头保护。gem的提出源于gfp(g.7041)通用成帧的思想，同时考虑到pon网络多onu、多端口复用的情况，引入了port id。在 onu 的一个业务端口看来,它存在着与 olt的一个点到点的连接,由port i标识。3.2.4 gpon的传输汇聚子层（gtc） 在引入了gem之后，gpon具备了高效完善的tc子层功能，图3-4给出了g.984.3建议的gpon tc子层（gtc）的协议分层模型。 图3-4 gpon 的 gtc 层的协议分层

57、模型图3-4中，ploam用于物理层oam，g.984.3定义了19种下行ploam信息，9种上行ploam信息，可实现onu的注册及 id 分配、测距、port id分配、vpi/vci 分配、数据加密、状态检测、误码率监视等功能。omci（ont management and control interface，光网络终端管理与控制接口）提供了另一种oam服务,用于实现对高层的管理。 omci信息可封装在atm信元或gem帧中进行传输，取决于onu提供的接口类型。gtc framing sublayer完成对atm信元及 gem 帧的进一步封装，使得gpon具备更完善的oam功能。 3.3 gpon的帧结构 gpon 采用125s长度的帧结构，用于更好地适配tdm业务；继续沿用apon中ploam信元的概念传送oam信息，并加以补充丰富；帧的净负荷中分atm信元段和gem通用帧段，实现综合业务的接入。 3.3.1 gpon下行帧结构 图 3-5给出了gpon的下行帧格式。图3-5 gpon 下行帧格式图3-5中，pcbd为下行物理层控制块（physical control block downstream），提供帧同步、定时及动态带宽分配等 oam 功能;载荷部分透明承载 atm 信元及 gem 帧。onu依据