第4章光纤接入技术2GPON原理

Page1两大PON技术：GPON和EPONEPONGPONTCP+UDPetc.IPEthernetLayer2Layer3Layer4Layer5ormoreLayer1PON-PHYTDME1话音视频数据VoIPAES(Optional)AAL1/AAL2AAL5GEM

FramePON-PHYTDME1话音视频数据VoIPAES(Optional)窄带PONA/BPONGPONNG-PONEPON10GEPONITU-T/FSANIEEE802.3过去将来GPON与EPON都是在A/BPON的基础上发展起来,有着共同的技术起源。ITU和IEEE两标准组织定位的不同导致GPON和EPON在技术理念存在较大差异：

ITU-T/FSAN是以会员（运营商为主）身份参与的具有官方性质的通信行业标准化组织，制定的标准更关注运营商的业务与可运营需求。

IEEE是以工程师个人身份参与的电子/电器行业化标准组织，更关注技术的创新和实现，缺乏对运营商长远需求的理解与分析。Page2P2MPGPONEPON标准ITU.TIEEE速率2.488G/1.244G1.25G/1.25G分光比1:64~1:1281:32~1:64承载ATM,Ethernet,TDMEthernet带宽效率92%72%QOSVerygood，includingEthernet,TDM,ATMGood,onlyethernet光预算ClassA/B/CPx10/Px20测距EqD逻辑等距RTTDBA标准格式厂家自定义TDM支持直接承载TDMoverEthernet(PWE3,CESoEthernet)ONT管理OMCI无OAMITU-TG.984(强)EthernetOAM（弱，厂家扩展）运营成本低中GPON与EPON的比较Page3GPON（Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks）三大优势：

1、更远的传输距离：采用光纤传输，接入层的覆盖半径20KM；

2、更高的带宽：对每用户下行2.5G/上行1.25G（物理层）；

3、分光特性：局端单根光纤经分光后引出多路到户光纤，节省光纤资源。GPON支持Triple－play业务，可提供全业务竞争方案可以有效解决双绞线接入的带宽瓶颈，满足用户对高带宽业务的需求，如高清电视、实况转播等，GPON是三网合一的上佳方案。GPON标准完善，综合业务支持好，技术要求高全球大运营商的选择<1Mbps3M8M25M100MADSL/ADSL2+CopperBasedVDSL/ADSL2+CopperBasedPONFiberBased2002200320062010时间带宽互联网视频会议远程控制接入技术业务需求VoD标清电视视频会议Game实况TVVoDHDTV<3km<2km<1km~20km覆盖半径为什么选择GPON?Page4GPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输（强制）。为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术：下行数据流采用广播技术；上行数据流采用TDMA技术。1490nm1310nmGPON原理数据复用Page5上下行传输方式解释广播方式：GPON的下行帧长为固定的125us（每秒8000帧，每帧占用125us，每帧38880字节，即每秒38880*8000*8=2.48832Gbit/s），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的数据，ONU通过过滤来接收属于自己的数据。TDMA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upstreambandwidthmap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

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GPON提供以下几种异步传输速率：0.15552Gbit/sup,1.24416Gbit/sdown 0.62208Gbit/sup,1.24416Gbit/sdown 1.24416Gbit/sup,1.24416Gbit/sdown 0.15552Gbit/sup,2.48832Gbit/sdown 0.62208Gbit/sup,2.48832Gbit/sdown

1.24416Gbit/sup,2.48832Gbit/sdown（目前的主流支持速率） 2.48832Gbit/sup,2.48832Gbit/sdown

支持最大逻辑距离为：60km

支持最大物理距离为：20km

支持最大距离差为：20km

分光比为1：64，可升级为1：128GPON网络基本性能参数

ONU

OLT

ONU

距离差:20km

逻辑距离:60km

逻辑分光比:128

UNI

SNI

Page7内容介绍PON的基本概念GPON的关键技术GPON的组网应用Page8ITU-TG.984.3GPONTC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-TG-984.1/2/3/4产品开发简单产品兼容性强ITU-TG.984.1GPON网络参数说明保护倒换组网要求ITU-TG.984.4OMCI消息结构介绍OMCI设备管理框架OMCI实现原理简述ITU-TG.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Page9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GEMPORTID来区分不同的业务的数据，ONU通过过滤来接收属于自己的数据。GPON原理下行数据Page10TDMA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upstreambandwidthmap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。GPON原理上行数据Page11GPON协议栈Page12GPON协议栈高层传输媒质层传输汇聚层（TC层）GTC适配子层GTC成帧子层物理媒质相关子层（PMD层）Page13GPON的基本协议概念-T-CONTT-CONT(TransmissionContainers)

T-CONT的全称是TransmissionContainer，传输容器，是的，对于上行数据来说它就是一个“容器”，上行数据就放在这个“容器”中。但是一定要注意的是，T-CONT并没有物理上对应的概念，也就是说并没有什么物理的容器，它仅仅是个逻辑的概念。一个T-CONT对应一种带宽业务流，这种业务流有自己的Qos特征，Qos特征主要体现在带宽保证上，分为固定带宽，保证带宽，保证/不保证带宽，尽力转发，混合方式五种。T-CONT的主要是从带宽的保证角度而不是从业务的种类（如CBR，UBR等，这里包含了带宽、延时、抖动等等的考虑），来划分的。每个T-CONT用Alloc-ID来标识。每个T-CONT的流量由多个VP或Port组成。而每个T-CONT中的VP或Port可以是来自任意ONU的。T-CONT是业务流量的集合体，通过Alloc-ID标识，一种T-CONT只能承载一种数据类型。Page14GPON的基本协议概念-T-CONTT-CONT的由来OLT如何区分不同ONT的上行数据？下行数据是OLT广播下来的，ONT只需要从这堆信息中间拨出属于自己的那部分信息就行了。但是上行流就不一样了，因为上行流涉及到一个信息冲突的问题，目前PON技术采用的是上行TDMA，我们要将每个ONT发送数据的时间区分开来，这样OLT才不会混淆上传的数据。ONT怎么知道自己在哪个时间开始发数据呢？ONT怎么知道自己有多长的时间来发送数据呢？这就需要OLT与ONT之间达成某种协议来完成上述功能。如果OLT分配给某ONT的发送时间比较长，那么会发生什么呢？如果ONT发送的数据量比较大，也就是说这个ONT的带宽比较大。那问题来了，就是OLT以什么为分配带宽的标志呢？最明显的一个答案就是ONT了，是的根据ONT是可以分配带宽，就是说OLT只要安排在哪个时间段内，某个ONT发送数据就行了。但是这样带来的问题是带宽的浪费。为什么呢？因为在某个时间段内如果ONT并没有数据要发送，它还是会占用这段时间的，以至于别的有大量数据要发送的ONT不能利用这段时间类发送数据。这样势必会造成成本的上升。有什么好办法么？GPON采用的是根据T-CONT来分配带宽

Page15什么是DBA?DBA,DynamicallyBandwidthAssignment(动态带宽分配)DBA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动态带宽分配采用集中控制方式：所有的ONU的上行信息发送，都要向OLT申请带宽，OLT根据ONU的请求按照一定的算法给予带宽（时隙）占用授权，ONU根据分配的时隙发送信息。其分配准许算法的基本思想是：各ONU利用上行可分割时隙反映信元到达的时间分布并请求带宽，OLT根据各ONU的请求公平合理地分配带宽。基本工作原理为OLT安排好各ONU允许发送上行信号的时隙，发出时隙分配帧。ONU根据时隙分配帧，在OLT分配给它的时隙中发出自己的上行信号。这样，ONU之间就可以共同享有上行信道，即众多的ONU共享有限的上行信道带宽。

GPON的基本协议概念-DBAPage16GPON的基本协议概念-DBADBA（DynamicallyBandwidthAssignment）的由来有了T-CONT，OLT就可以根据T-CONT来分配带宽了。当然一个ONT可以有多个T-CONT，这样带来的好处是可以根据不同的业务对带宽的要求不同来分配不同类型的T-CONT。所以T-CONT应该有不同的类型，目前T-CONT一般有四类基本类型：Fix，Assure，NotAssure和BestEffort（Max）。它们都是用来表示不同的带宽分配策略的。他们之间有什么不同

呢？不同之处就要涉及到DBA的概念了。动态带宽分配算法就是实时地改变GPON的各ONU上行带宽的机制。GPON中如果用带宽静态分配，对数据通信这样的变速率业务很不适合，如按峰值速率静态分配带宽则整个系统带宽很快就被耗尽，带宽利用率很低，而动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高。通过DBA，我们可以根据ONU突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带宽来提高PON上行带宽效率。Page17GPON的基本协议概念-DBADBA如何实现动态带宽分配

目前T-CONT有四类基本类型：Fix，Assure，NotAssure和BestEffort（Max）。它们都是用来表示不同的带宽分配策略的。他们之间有什么不同

呢？不同之处由DBA来完成的

。

Fix的带宽是固定分配的，就是说固定分配给某个T-CONT的，在这个T-CONT对应的时间段内，即使这个T-CONT没有数据，这个时间段也会是留给这个T-CONT的。这是很重要的，因为这可以保证很重要的数据能确保无误的送上去。Assure的带宽是确保带宽，就是说这个类型的T-CONT内的数据总是可以发送上去这个T-CONT对应带宽的数据量，只要有数据要发送，而且也在带宽的范围内的，OLT总是会满足的，但是如果这个T-CONT没有太多的数据要发送，那么这部分的带宽就可以拿来给别的需要带宽的T-CONT来使用。其实对于NotAssure和BestEffort的T-CONT，它们的性质差不多，都是不能确保这个T-CONT能有这么多的带宽的，主要还是要看OLT的带宽的使用情况，如果还有剩余带宽的话，那么OLT就会考虑将剩余带宽分配给它们，唯一不同的是NotAssure比BestEffort的优先级要高，就是说如果有剩余带宽，NotAssure将会首先得到满足，如果还有剩余带宽，那才会轮到BestEffort。Page18

带宽类型分为FB,AB,NAB,BE。动太带宽分配模板的五种类型，Type1,Type2,Type3,Type4,Type5。大家可以考虑一个问题，现在是有四种带宽类型，那是不是每种业务分配不同的带宽类型就既能保证不同的业务分配不同的带宽，又能保证带宽不被浪费？显然不能，例如，这样的一个应用场景如何实现：要求语音业务带宽固定分配，上网业务保证带宽为1M，最大带宽为2M。那如何解决上述问题呢，采用带宽分配模板来解决。GPON的基本协议概念-DBAPage19DBA的实现过程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BWMap的形式下发给各ONU。各ONU根据BWMap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DBA报告BWMapTimeslotT-CONTT-CONTT-CONTONU的调度器ONUOLT控制平面数据平面GPON的基本协议概念-DBAPage20DBA的两种实现过程：SR(StatusReporting)-DBA

PayloadUSBWMapDataReportPCBdD/SDirectionU/SDirectionOLTONT①②③④OLT根据上次计算的结果在下行帧头中下发BWMap。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。OLT收到ONU的状态报告后，经过DBA计算并更新BWMap，在下一帧进行下发。ONU收到OLT下发的BWMap消息后，在指定的时隙上发送数据。GPON的基本协议概念-DBAPage21GPON的基本协议概念-GemportGemport的由来

好的，我们有了表示带宽的概念了，那么还需要什么呢？再想想，假设我们需要将语音给予Fix的带宽，那我们要怎么办呢？也就是要将语音绑定到Fix的T-CONT上，但是怎么绑定呢？通过承载流的一个通道―――gemport。这里所说的通道并不是真正的物理通道，仅仅是能够标识一些数据流的流向的概念。正像T-CONT一样，能够标识gemport的也是一个ID而已，称为Port-ID。这个在一个OLTPon口下也是唯一的。范围为0～4095。

Gemport概念

GPON的GEM与ATM部分类似也是面向虚连接的。在OLT和ONT之间必须建立虚连接才能转发数据。每个GEM的连接用PortID来标识。T-CONT是从带宽的角度标识各种业务流的类型。PortID标识的是ONU的业务虚端口（虚连接），即标识是具体的业务流承载的通道，这种通道是虚拟的，PortID是能起到地址的作用，如同VP一样。可以将各种业务与GEM的虚连接关联起来，比如将某种Vlan的所有流量映射到某个Port/VP上，或将没个源MAC的所有流量映射到某个Port上，也可以将一种流（流分类规则定义出来的流）作为一种业务由某个PortID来标识。PortID<＝>VPI/VCI。PortID的用法和含义与VPI/VCI完全一样。Page22GPON的基本协议概念-流流好了。通道都已经建立好了，现在就进入正题了，配置一条数据流。正像上面所提到的流是建立在gemport这个概念上的，所以我们必须将流映射到某个gemport上。要将流映射到gemport上，我们必须要建立一个映射的规则，一个简单的映射规则就可以了，只要能区分在一个gemport中不同的流就可以了。目前实现了几种协议规定的映射规则，在我们看到这就是所谓的MappingMode。MappingMode就是我们提到的映射模式，现在我们有多种映射，有Vlan，Priority，Vlan＋Priority，DSCP等，目前现网用的有两种：Vlan和Priority这两种映射方式。其他的是一样的，仅仅是参数值不一样而已。提到流的映射，我们以下行流来讲解会比较清楚点，因为分流是自上而下的，比较直观。假设流已经到了gemport的终结点了，就是说现在gemport的导航任务已经完成，所有的流都汇聚到了一点了，下一步的任务是将这些流分类，再分发出去。Page23IFponONUONUONUT-CONTPortT-CONTPortPortT-CONTT-CONTPortPortPortPortPort不同的ONU用ONU-ID标识不同的T-CONT用Alloc-ID标识不同的GEM-PORT用Port-ID标识GPON复用示意图(ATM&GEM)IFponONUONUONUT-CONTPVCT-CONTPVCPVCT-CONTT-CONTPVCPVCPVCPVCPVC不同的ONU用ONU-ID标识不同的T-CONT用Alloc-ID标识不同的PVC用VPI/VCI标识(ATM业务)(GEM业务)Page24一个OLT与多个ONTONUONUONUT-CONTGEMPortT-CONTGEMPortGEMPortT-CONTT-CONTGEMPortGEMPortGEMPortGEMPortGEMPort不同的ONU用ONU-ID标识不同的T-CONT用Alloc-ID标识不同的GEM-PORT用Port-ID标识PON光口每个GPON端口，支持1：64分光比，即可提供64路ONT接入。每个ONU上可以有多个T-CONT,每个TCONT可以绑多个GEMPORT.T-CONT就相当于一个物理的缓存，只有绑定了DBA模板才能限速。

DBA123OLTPage25GPON帧结构

了解以上GPON技术涉及的一些概念后，我们在具体了解一下GPON帧结构，以知道流、T-cont等数据是如何传输的。

GPON的物理层是定长的TDM帧125US，不论是上行帧还是下行帧；

GPON帧结构：帧头和净荷。

GPON帧信息：

1、数据信息：下行帧的净荷部分有两种：ATM信元、GEM信元。上行帧的净荷部分有三种：ATM信元、GEM信元、DBA帧。

2、控制信息：OMCI、EOAM，PLOAM。数据信息都是在净荷中，而控制信息有的在净荷中，有的在帧头中。

数据125us/帧,粒度到字节1字节/帧，所以粒度1字节/125us，则8000字节/s，也是就64Kbit/s；GPON帧长有：帧长19440字节，即19440字节/帧，则每秒传输1.24416Gbit(19440字节)×(8bit/字节)×(1s/125us)=1.24416Gbit/s帧长38880字节，即38880字节/帧，则每秒传输2.48832Gbit(38880字节)×(8bit/字节)×(1s/125us)=2.48832Gbit/s此处的K，G分别为10的3次方，10的9次方。Page26PhysicalControlBlockDownstream(PCBd)PayloadAllocIDStartEndAllocIDStartEnd1100200x300500T-CONT1(ONT1)T-CONTx(ONT2)Slot100Slot200Slot300Slot500PLOuPLOAMuPLSuDBRuxPayloadxDBRuYPayloadyUpstreamBandwidthMap125usDownstreamFramingUpstreamFramingOLTONT1ONT64GPON下行帧结构AllocIDStartEndy501650ONT21xyT-CONTy(ONT2)Slot650Slot501T-CONTxT-CONTyPage27PCBdnPayloadnPCBdn+1Payloadn+1Psync4bytesIdent4bytesPLOAMd13bytesBIP1bytesPlend4bytesPlend4bytesUSBWMapN*8bytesFECInd1bitReserved1bitSuper-frameCounter30bitsBlenBWMapLength12bitsAlenATMPartitionLength12bitsCRC8bitsAccess18bytesAccess28bytes…..Accessn8bytesAllocID12bitsFlags12bitsSStart2bytesSStop2bytesCRC1byteSendPLS1bitSendPLOAMu1bitUseFEC1bitSendDBRu2bitsReserved7bits125usCoverageofthisBIPCoverageofnextBIPDownstreamFramingGPON下行帧结构125usPage28GPON下行帧结构GPON的下行是同步的，每隔125us为一个下行帧。下行帧的长度为固定125us，38880字节。每个下行帧并不是只发往一个ONT的，而是可以发往多个ONT。每个下行帧的帧头PCBd，各ONT都能收到，都要进行处理。这个帧头是公共的其中没有地址信息。每个下行帧的净荷部分中包含了很多个GEM的帧，每个GEM帧的帧头中包含有PortID的地址信息。收到下行帧后，每个ONT先处理帧头PCBd，然后取出净荷部门属于自己的PortID的GEM的帧。Page29GPON下行帧结构GPON下行数据帧的帧头PCBd的USBWMap字段就是用于对ONU发送数据进行授权。该字段指示哪个AllocID（一个ONU可以对应一个AllocID或多个ID）何时开始发送数据何时停止发送数据。这样，在正常情况下，上行方向的任意时刻都只有一个ONU在发送数据。USBWMap字段的指针指示的数值是以字节为单位，GPON系统可以实现以64kb/s为步长的上行带宽分配。对上行帧的授权是每个帧都要进行的，即使没有下行数据也要发空下行帧来对上行帧进行授权。Page30GEMPayloadHEC13bitsPTI3bitsPortID12bitsPLI12bitsGEMFrameEthernetPacketDASFDPreambleInterpacketgapSALength\TypeMACclientdataFECEOF5bytesGPON系统对以太网帧进行解析，将数据部分直接映射到GEMPayload中去进行传输。GEM帧会自动封装头信息。映射的格式清晰，设备很好实现，兼容性好。以太网业务在GPON中的映射方式Page31TDMTDMdataPayloadTDMfragmentHECPTIPortIDPLIGEMFrameIngressbufferTDMBufferTDM业务在GPON中的映射方式TDM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。这种方式不对具体的TDM业务进行感知，只进行透传处理。GEM帧具有定长的特点，对TDM业务传输非常有利。Page32TM

GMACGIUPON光口GPBC华为GPON下行流复用解复用的实现scu1xNIADLSWHG850T-CONT分光器GMACT-CONTDBAETHETHGEMGEMGEMPCBdBWMapETHPage33TM

GMACGIUPON光口GPBC华为GPON上行流复用解复用的实现scu1xNIADLSWHG850T-CONT1分光器GMACT-CONT2DBAETHETHGEM4GEMGEMPLOuDBRu1ETHGEM4GEMDBRu2ETHGEM6ETHGEM6ETHPage34PON的基本概念GPON的关键技术GPON的组网应用Page35FTTx全业务接入方案模型ASP/ISPONU&CPEIPTVPhoneNSPODNPhonePCBRASAAAServerIPCoreEthernetMA5680TNGN/IMSInternetIPTVServerMiddle

wareNMSTL1/CORBA

/APICarrier’sOSSPCONT(HG8xx)CPEMxUVoiceSBUE1SplitterBase

station2G/3GFTTHSplitterNativeTDMSDHE1E1IPTV业务HSI业务VoIP业务移动承载业务FTTBPage36GPONNativeTDM业务——E1/STM-1解决移动基站和商业用户PBX语音接入的TDM业务传输STM-1上行方案满足客户对于大容量集中上行的要求。BTS/NodeBGPONOLTE1OT928E1BSC/RNCN*E1/STM-1PSTNPLMN/3GSplitter1xNE1OT928BusinessPBXSDHNetwork应用场景：针对GPON的定长帧传输特点，TDM在GPON线路上承载具有天然优势。TDMoGEM的实现是将TDM帧直接封装到GEM帧中进行传输。在GPON线路上给封装有TDM帧的GEM给与最高的优先级，保证TDM的传输质量。在同步方面，系统采用统一的