GPON 技术原理

1、GPON原理Page1前 言l考虑到未来许多的宽带应用，越来越多的国家认识到必须尽早突破接入“瓶颈”，而光纤是迄今为止最好的传输媒介。本文主要分析 GPON技术的产生背景、基本概念、特点、应用场景，以及GPON系统的管理模式和终端的业务发放模式。Page2参考资料lITU-T984.1lITU-T984.2lITU-T984.3lITU-T984.4Page3培训目标l学完本课程后，您应该能：p描述GPON的概念p描述光接入网架构p列出GPON的主要协议p列出GPON的关键技术p描述GPON系统的管理模式和终端的业务发放模式Page4目 录1. 接入网概述2. GPON网络架构3. GPON协

2、议分析4. GPON关键技术5. GPON系统的管理和业务发放模式Page5目 录1. 接入网概述接入网概述2. GPON网络架构 3. GPON协议分析4. GPON关键技术5. GPON系统的管理和业务发放模式Page6接入网在电信网中的位置用户终端用户终端用户终端用户终端接入网接入网业务网业务网用户终端用户终端承载网承载网Page7什么是接入网lITU-T的定义如下：p接入网（AN）是业务节点接口 （SNI）与相关用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（例如线路设施和传输设施）组成，为供给电信业务而提供所需承载能力的实施系统。nAN:Access NetworknSNI:Servic

3、e Node InterfacenUNI:User Network Interfacel按传输方式p有线方式n双绞线铜缆接入、同轴电缆、光纤接入p无线n固定无线接入、移动无线接入Page8铜线接入网络E1有线电视台GE/FE双绞线模拟电话机数据终端电视机同轴电缆E1租用线路由器V.35/V.24 IP电脑PBX双绞线FE/GE接入网SNISNIUNIUNI同轴电缆业务节点用户终端PSTNDSLAM/MSANPage9铜线接入网络xDSL技术局限性 xDSL技术：距离与带宽的矛盾0.138M1.1M2.2MF(Hz)25K3.4K30MUPADSLADSL2+POTS VDSL2VDSL ADS

4、L2+ DSADSL DSVDSLVDSL212MPage10接入网趋势光进铜退l光纤接入多场景，全业务解决方案Page11(a)(a)点到点的网络点到点的网络 P2PP2P(b) (b) 路边交换网络路边交换网络(c) (c) 无源光网络无源光网络 PONPONCurb switchCOCOCON Twisted pairL kmL kmL kmPassiveopticalsplitterN fibreFibreFibreFibre光纤接入网的接入方案Page12PON的优势带宽大：带宽大：光纤接入带宽大，满足用户现在及未来带宽灵活需求。GPON 上行1.25G/下行2.5G；节省光纤资源：

5、节省光纤资源：点对多点（P2MP）接入，局端光纤经分光后引出多路到户光纤，。覆盖范围广：覆盖范围广：接入层的覆盖半径20KM；满足“大容量，少局所” 建网需求。运维成本低：运维成本低：无源光网络（PON），线路上没有有源器件，免维护和电耗。Page13问 题l接入网按照接入方式有哪些类型？l铜接入的XDSL技术的主要矛盾是什么？Page14目 录1. 接入网概述2. GPON网络架构网络架构 3. GPON协议分析4. GPON关键技术5. GPON系统的管理和业务发放模式Page15PON网络架构lPON是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络；lPON网络的组成：p光线路终端 OLT （

6、 Optical Line Terminal）p光分配网络 ODN （ Optical Distribution Network） 由分光器和光线组成p光网络单元/终端 ONU/ONT（ Optical Network Unit/ Optical Network Terminal） OLTONUPSTNInternetCATVONTONTPassive Optical Network 无源光网络POS无源分光器无源分光器POS无源分光器无源分光器OLTOLTONUONUODNODNPage16lSFU （Single Family Unit）单家庭单元lSBU （Single Business

7、 Unit）单商业单元lMDU（Multi Dwelling Unit）多住户单元 lMTU（Multi Tenant Unit）商用多租户单元 lCBU （Cell Base Unit）基站单元分光器OLT合波器CATVSFUSBUMDUMTUFEPOTSRFDS-1FEPOTSRFFEPOTSRFxDSLFExDSLDS-1CBUFEE1GPON FTTx功能实体Page17Optical Networks TerminationOptical Networks Unit中心机房中心机房路边路边用户侧用户侧BAFTTCFTTBOLTOLTDSLAM250-700m3.5-5kmxDSL 2

8、20MbpsOLTFTTHODNONTONUOptical Line Termination2.5Gbps Down /1.25Gbps Up2.5Gbps Down /1.25Gbps Up2.5Gbps Down /1.25Gbps UpGPON接入网架构MDUMulti-Dwelling UnitPage18GPON网络基本性能参数上行速率(Gbps)下行速率(Gbps)0.155521.244160.622081.244161.244161.244160.155522.488320.622082.488321.244162.488322.488322.48832上行1.24416 Gb

9、it/s ，下行 2.48832 Gbit/s 是目前支持的主要速率，可升级到10G GPON最大逻辑距离60 km最大物理传输距离20 km最大差分距离20 km分离器比1：64或1：128Page19lGPON实现单纤双向传输，系统采用WDM技术l为了分离同一根光纤上多个用户的信号，采用以下两种复用技术：p下行数据流采用广播技术；p上行数据流采用TDMA技术。GPON数据复用方式OLTONU/ONT1490nm1310nmODNPage20GPON下行数据l广播方式：GPON的下行帧长为固定的125us，下行为广播方式，所有的ONU都能收到相同的数据，但是通过ONUID来区分不同的ONU的

10、数据，ONU 通过过滤来接收属于自己的数据。发给各个ONU的数据解析出属于该ONU的数据Page21GPON上行数据lTDMA方式：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。各个ONU数据复用从用户发出的数据Page22问 题lGPON的全称是什么？lPON网络架构包含几部分，功能分别是什么？Page23目 录1. 接入网概述2. GPON网络架构 3. GPON协议分析协议分析4. GPON关键技术5. GPON系统的管理和业务发放模式Page24ITU-T G.9

11、84.3GPON 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-984.1/2/3/4产品开发简单产品开发简单产品兼容性强产品兼容性强ITU-T G.984.1GPON网络参数说明保护倒换组网要求ITU-T G.984.4OMCI消息结构介绍OMCI设备管理框架OMCI实现原理简述ITU-T G.984.2PMD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GPON标准协议Page25GPON 业务承载模型Page26GPON复用结构lIF pon：GPON接口接口pO

12、LT一个PON接口下由多个ONU接入p不同的ONU用ONU-ID标识，在一个PON口下唯一，不同PON口之间独立使用ONU1IFponONU2IFponIFponOLTlT-CONT: Transmission Containersp是一种承载业务的缓存。主要ONU用来传输上行数据的单元，是为了解决上行带宽动态分配。p每个ONU根据实际硬件不同，TCONT的数量不同p每个ONU用T-CONT ID来识别不同的缓存pOLT用ALLOCATE ID 来统一标识该PON口下的所有ONT的T-CONTlGEM Port：业务的最小承载单位：业务的最小承载单位pONU和OLT之间数据传输的通道，不同的业

13、务可以通过一个GEM port，也可以通过多业GEM port 传输p不同的GEM-PORT用Port-ID标识GEM PortGEM PortGEM PortGEM PortGEM PortGEM PortGEM PortT-CONTT-CONTT-CONTPage27GPON复用关系lGEM port 和TCONT关系：p首先，业务根据映射规则先映射到对应的GEM Port中，然后GEM port 再映射到对应的T-CONT中进行上行传输。pGEM port可以灵活的映射到T-CONT中：一个GEM Port可以映射到一个T-CONT中去，多个GEM Port也可以映射到同一个T-CONT

14、中。OLTONUT-CONTT-CONTGEM PortGEM PortPage28Physical Control Block Downstream (PCBd)PayloadAllocIDStartEndAllocIDStartEnd1100200 x300500T-CONT1T-CONT1(ONT 1)(ONT 1)T-CONT xT-CONT x(ONT 2)(ONT 2)Slot 100Slot 200Slot 300Slot 500PLOuPLOAMuPLSuDBRu xPayload xDBRu YPayload yUpstream Bandwidth Map125usDowns

15、tream FramingUpstream FramingOLT ONU 1ONU 64AllocIDStartEndy501650 ONU 21 1x xy yT-CONT yT-CONT y(ONT 2)(ONT 2)Slot 650Slot 501T-CONT x xT-CONT yGPON帧结构Page29GEM PayloadHEC 13bitsPTI 3bitsPort ID 12bitsPLI 12bitsGEM FrameEthernet PacketDASFDPreambleInter packet gapSALengthTypeMAC client dataFECEOF5

16、bytes以太网业务在GPON中的映射方式lGPON系统对以太网帧进行解析，将数据部分直接映射到GEM Payload中去进行传输。 lGEM帧会自动封装头信息。l映射的格式清晰，设备很好实现，兼容性好。Page30TDMTDM dataPayloadTDM fragmentHECPTIPort IDPLIGEM FrameIngress bufferTDM BufferTDM业务在GPON中的映射方式lTDM业务先导入缓存中进行排队，并且按照固定的字节数复用到GEM帧中进行传输。 l这种方式不对具体的TDM业务进行感知，只进行透传处理。lGEM帧具有定长的特点，对TDM业务传输非常有利。Pa

17、ge31问 题lGPON实现了WDM技术，上下行波长各是多少，上下行各采用了什么复用技术？lGPON上下行主要速率是多少？lGPON网络中传输数据的最小单元是什么？Page32目 录1. 接入网概述2. GPON网络架构 3. GPON协议分析4. GPON关键技术关键技术5. GPON系统的管理和业务发放模式Page33GPON关键技术GPON保护保护光模块光模块突发控制突发控制测距测距上行上行动态带动态带宽分配宽分配下行下行AES加密加密GPON技术技术Page34为什么要测距？l各个ONU和OLT的距离都不一样，光信号在光纤上的传输时间不一样，到达各ONU的时刻不一样。lOLT给每个ON

18、U分配不同的时隙来发送上行的数据，如何保证各ONU能够精确定位时隙？l多个ONU的上行数据如何不冲突，实现帧同步？ONTOLT20 km3km12 kmOLTONU1ONU2ONU3ONU4Page35测距原理l测距的过程：pOLT通过Ranging测距过程获取ONU的往返延迟RTD（Round Trip Delay），计算出每个ONU的物理距离p然后指定合适的均衡延时参数EqD（Equalization Delay）pRanging的过程需要开窗，即Quiet Zone，暂停其他ONU的上行发送通道。OLT开窗通过将BWmap设置为空，不授权任何时隙来实现。 Page36如何测物理距离？lO

19、LT通过Ranging获取ONU的往返延迟RTD（Round Trip Delay），计算出每个ONU的物理距离RTD1=10us，计算距离1kmRTD2=20us，计算距离2kmRTD3=30us，计算距离3kmONU1ONU2ONU3Page37测距的结果l通过RTD和EqD，使得各个ONU发送的数据帧同步，保证每个ONU发送数据时不会在分光器上产生冲突l相当所有ONU都在同一逻辑距离上，在对应的时隙发送数据即可。RTD1EqD1RTD2 EqD2RTD3 EqD3ONU1ONU2ONU3123冲突冲突123Page38ONU的激活进程l激活进程在OLT控制下工作，ONU应答OLT启动的消

20、息。l激活进程的大致步骤为：pOLT开窗广播给所有ONUpONU上报序列码给OLTpOLT分配ONU ID给ONUpOLT和ONU进行测距（计算出TRD和EqD）pOLT创建OMCI管理通道pOLT请求密码（可选)pONU上报密码（可选)p注册成功ONU上报上报SN分配分配 ONU_ID 测距请求测距请求 OLT配置配置GEM port上报密码上报密码请求密码请求密码 创建创建OMCI通道通道分配分配EqD测距确认测距确认请求请求SNPage39GPON关键技术GPON保护保护光模块光模块突发控制突发控制测距测距上行上行动态带动态带宽分配宽分配下行下行AES加密加密GPON技术技术Page40

21、0# ONT0# ONU1# ONU0# ONT0# ONU1# ONU光模块突发控制技术突发发射p快速开启和关断能力快速开启和关断能力p消光比大（消光比大（10dB）上行复用后的数据发送方式ONU在指定时隙发送数据连续发送模块突发发送模块Page41光模块突发控制技术突发接受OLT恢复出来的数据到达OLT的信号及阈值建立ONT/ONU发出的信号0# ONU0# ONU1# ONU1# ONU0# ONU0# ONU有快速有快速AGCAGC无快速无快速AGCAGC阈值线阈值线连续接收模块突发接收模块p快速快速AGC Automatic Gain Control (动态范围动态范围 20dB)p

22、 快速时钟恢复快速时钟恢复Page42GPON关键技术GPON保护保护光模块光模块突发控制突发控制测距测距上行上行动态带动态带宽分配宽分配下行下行AES加密加密GPON技术技术Page43DBA概念l什么是DBA?pDBA, Dynamically Bandwidth Assignment(动态带宽分配)pDBA是一种能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽的动态分配的机制l为什么需要DBA？p 可以提高PON端口的上行线路带宽利用率p 可以在PON口上增加更多的用户p用户可以享受到更高带宽的服务，特别是那些对带宽突变比较大的业务Page44SR-DBA的实现过程lOLT内部DBA模块不断收

23、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。 l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。DBA算法逻辑算法逻辑DBA报告报告BW MapTime slotT-CONTT-CONTT-CONTONU的调度器的调度器ONUOLT控制平面数据平面Page45DBA实现的基础T-CONTl带宽类型pFB,AB,NAB,BE。 lT-CONT的5种类型pType1,Type2,Type3,Type4,Type5。lT-CONTs (Transmission Containers)：动态接收OLT下发的授权 ，用于管理PON系统传输汇聚

24、层的上行带宽分配，改善PON系统中的上行带宽。Page46T-CONT类型和带宽类型之间的关系l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。 l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。lOLT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。Page47GPON关键技术GPON保护保护光模块光模块突发控制突发控制测距测距上行上行动态带动态带宽分配宽分配下行下行AES加密加密GPON技术技术Page48为什么要加密？

25、lGPON下行采用广播技术，同一PON口下的主干光线和分光后的数据都是一样的，每个ONU收到的数据都是一样的。如何保证ONU的数据不被其他ONU所获取解析？lGPON支持下行广播数据进行AES128加密处理pAES: Advanced Encrypt System 一种国际通用的加密算法n只对GEM帧中的Payload进行加密处理nGPON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。Page49ONTONTONTOLT加密加密解密解密解密解密解密解密GPON系统的AES加密处理p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

26、 pOLT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。用户用户1用户用户2用户用户3Page50GPON关键技术GPON保护保护光模块光模块突发控制突发控制测距测距上行上行动态带动态带宽分配宽分配下行下行AES加密加密GPON技术技术Page51IFponIFponIFpon2：N分光器OLTONU#1ONU#NType B OLT端口备份IFpon IFponIFponIFpon1：N分光器OLTONU#1ONU#N备用光纤Type A 光纤备份 GPON网络保护Type A/Bl设备没有任何备份措施

27、. l主干光纤故障后，由人工切换至备用光纤.l业务肯定中断，中断时间取决于线路恢复时间.l如果到用户的线路故障，业务就会中断，无法备份。lOLT设备上有两个GPON接口. l此种保护方式仅限于主干光纤出现故障时，系统会自动切换到备用系统，实现了对骨干光纤的保护。l保护对象仅限于OLT与ODN之间的光纤故障和OLT单板硬件故障，对其他类型的故障没有涉及，可能存在严重安全隐患，无法满足客户需求。l无法定位故障。 Page52IFponIFponIFpon2：N分光器OLTONU#1ONU#NType C 全备份方式IFponIFponIFpon2：N分光器 GPON网络保护Type ClOLT和O

28、NT上均有两个GPON接口。OLT的GPON接口要工作在1:1模式下。l此种保护方式一种全保护光纤倒换方式，OLT与ONU之间有完全不同的两条通路，可以保证各种故障都得到恢复 。l当ONU的主用PON口或用户线路故障时，ONU会自动将业务倒换到备用PON口上，业务通过备用线路和OLT的备份端口上行。业务基本不会中断。l实现难度较大，成本较高。l其中一个端口试种处于空闲状态，造成系统带宽利用率低。 Page53IFponIFponIFpon2：N分光器OLTONU#1ONU#NType D 混和备份方式IFponIFpon2：N分光器1：2分光器1：2分光器GPON网络保护Type DlOLT上

29、有两个GPON接口。OLT的GPON接口要工作在11模式下。l此种保护方式一种全保护光纤倒换方式，OLT与ONU之间有完全不同的两条通路，可以保证各种故障都得到恢复，包括无源分光器故障，链路都可以自动恢复 。l此种网络中支持ONU混合方式，可以是带一个PON口的，也可以是带两个PON口的，根据用户的实际需要选择。l实现难度较大，成本较高。Page54问 题lGPON上行使用TDMA技术，使用哪些技术保证上行数据的帧同步，避免光信号冲突？lGPON如何识别同一个PON口下的ONU？lGPON网络保护方式中，哪一种比较适合现网使用？Page55目 录1. 接入网概述2. GPON网络架构 3. G

30、PON协议分析4. GPON关键技术5. GPON系统的管理和业务发放模式系统的管理和业务发放模式Page56OLTGPON 系统管理模型lGPON系统对ONU的管理通过OLT和ONU之间的OMCI管理通道实现：pONU 即插即用、自动业务发放pONU 远程集中管理iManager N2000 BMSOMCISNMPONUPage57GPON业务发放与终端零配置lGPON支持终端零配置和终端即插即用，节省运营商投入终端业务开通与初始配置的人力。业务发放系统业务发放系统NMSAccess Network计费系统计费系统1开户2下发数据配置3订单管理系统订单管理系统启动终端，利用序列号进行注册ON

31、TONTMDUSBUCRM用户用户给用户发放终端12自动完成OLT的数据配置的的STB3利用OMCI通道完成ONT的数据配置Page58问 题lGPON系统中，OLT通过哪些消息管理ONU？l在业务发放系统中，OLT通过什么通道下发业务到ONU？Page59总 结l铜接入xDSL技术存在距离和带宽的矛盾，接入网趋势是光进铜退，GPON成为主流接入技术。lGPON系统分为OLT,ODN和ONU三个组成部分。lOLT通过识别SN或者密码来注册激活ONU。lOLT和ONU之间通信通过GEM port传输数据。lOLT通过OMCI通道来管理和下发配置到ONU。Page60缩略语DSLAM：Digita

32、l Subscribe Line Access Multiplexer 数字用户线接入复用器MSAN: Multi-service Access Network 综合接入网GPON: Gigabit-Capable Passive Optical Network 以太网无源光网络OLT：Optical Line Terminal 光线路终端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MDU：multi-dwelling unit 多住户

33、单元SFU：single family unit 单家庭用户单元SBU：single business unit 单商业用户单元Page61缩略语FTTH：Fiber to the Home 光纤到家FTTB：Fiber to the Building 光纤到楼FTTC：Fiber to the Curb 光纤到路边FTTN：Fiber to the Network 光纤到网络TDMA ：Time Division Multiple Access 时分复用接入OMCI: Optical Network Termination Management and Control Interface光网

34、络终端管理控制接口OAM: Operation, Administration and Maintenance 操作维护和管理DBA：Dynamic Bandwidth Assignment 动态带宽分配谢谢Page63PONTPONAPON/BPONGPONEPONWDM PON国际标准ITU-T G.983.xITU-T G.984.xIEEE 802.3ah国际标准国际标准国际标准尚无标准ITU-T G.982国家标准Q1/1998Q3/2000国家标准国家标准尚无标准Q4/2004Q3/2004附录1：PON技术标准化情况国家标准Page64GPONEPON标准ITU.TIEEE速率2

35、.488G/1.244G1.25G/1.25G分光比1:641:1281:161:32承载ATM, Ethernet, TDMEthernet带宽效率92%72%QOS非常好，包括 Ethernet, TDM, ATM好，仅 Ethernet光预算Class A/B/CPx10/Px20测距EqD 逻辑等距RTTDBA标准格式厂家自定义TDM支持TDM over Ethernet (PWE3, CESoEthernet)or native TDM)TDM over Ethernet (PWE3, CESoEthernet)ONT互通OMCI无OAMITU-T G.984 (强)Ethernet OAM（弱，厂家扩展）OPE