【文章內(nèi)容簡介】 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 技術(shù)和設(shè)備的復(fù)雜性為代價(jià)換來的 ， 從而使得相關(guān)設(shè)備成本較高。但隨著 GPON技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用 ， GPON 設(shè)備的成本可能會(huì)有相應(yīng)地下降。 GPON 的關(guān)鍵技術(shù) GPON 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 1. 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 對于其他的 PON 標(biāo)準(zhǔn)而言， GPON 標(biāo)準(zhǔn)提供了前所未有的高帶寬，下行速率高達(dá) ，其非對稱特性更能適應(yīng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)市場。提供 QoS 的全業(yè)務(wù)保障，同時(shí)承載 ATM 信元 或 GEM 幀，有很好的提供服務(wù)等級、支持 QoS 保證和全業(yè)務(wù)接入的能力。承載 GEM 幀時(shí)，可以將 TDM 業(yè)務(wù)映射到 GEM 幀中，使用標(biāo)準(zhǔn)的 8kHz（ 125μs） 幀能夠直接支持 TDM 業(yè)務(wù)。作為電信級的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， GPON還規(guī)定了在接入網(wǎng)層面上的保護(hù)機(jī)制和完整的 OAM 功能。 在 GPON 標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定需要支持的業(yè)務(wù)類型包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) （ Ether 業(yè)務(wù)，包括 IP 業(yè)務(wù)和 MPEG 視頻流 ） 、 PSTN 業(yè)務(wù) （ POTS， ISDN 業(yè)務(wù) ） 、專用線 （ T1，E1， DS3， E3 和 ATM 業(yè)務(wù) ） 和視頻業(yè)務(wù) （ 數(shù)字視頻 ） 。 GPON 中的多業(yè)務(wù)映射到ATM 信元或 GEM 幀中進(jìn)行傳送，對各種業(yè)務(wù)類型都能提供相應(yīng)的 QoS 保證 [6]。 2. GPON 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 同所有 PON 系統(tǒng)一樣， GPON 由 ONT、 OLT 和無源光分配網(wǎng)組成。 OLT 為接入網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)與核心網(wǎng)之間的接口，通過 ODN 與各 ONT 連接。 作為 PON系統(tǒng)的核心功能設(shè)備， OLT 具有集中 帶寬 分配、控制各 ONT、實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行維護(hù)管理 PON 系統(tǒng)的功能。 ONT 為接入網(wǎng)提供用戶側(cè)的接口，提供話音、數(shù)據(jù)、視頻等多業(yè)務(wù)流與 ODN 的接入，受 OLT 集中控制。系統(tǒng)支持的分支比為 1:16/32/64，隨著光收發(fā) 模塊 的發(fā)展演進(jìn)，支持的分支比將達(dá)到 1:128。在同一根 光纖 上 ， GPON可使用波分復(fù)用 （ WDM） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號的雙向傳輸。根據(jù)實(shí)際需要，還可 以在傳統(tǒng)的樹型拓?fù)涞幕A(chǔ)上采用相應(yīng)的 PON 保護(hù)結(jié)構(gòu)來提高網(wǎng)絡(luò)的生存性。 3. 數(shù)據(jù)傳輸過程 在下行方向， GPON 是一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。 OLT 以廣播方式將由數(shù)據(jù)包組武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 成的幀經(jīng)由無源 光分路器發(fā)送到各個(gè) ONT。每個(gè) ONT 收到全部的數(shù)據(jù) 流，然后根據(jù) ONT 的媒質(zhì)接入控制（ MAC）地址取出特定的數(shù)據(jù)包，如圖 所示 [7]。 圖 GPON 下行數(shù)據(jù)流 在上行方向，多個(gè) ONT 共享干線信道容量和信道資源。由于無源光合 路器的方向?qū)傩?，?ONT 來的數(shù)據(jù)幀只能到達(dá) OLT，而不能到達(dá)其他 ONT。從這一點(diǎn)上來說，上行方向的 GPON 網(wǎng)絡(luò)就如同一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。然而，不同于其他的點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，來自不同 ONT 的數(shù)據(jù)幀可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。因此，在上行方向ONT 需要一些仲裁機(jī)制來避免數(shù)據(jù)沖突和公平的分配信道資源。一般 GPON 系統(tǒng)的上行接入采用 TDMA 方式，將不同 ONT 的數(shù)據(jù)幀插入到不同的時(shí)隙發(fā)送至OLT，如圖 所示 [7]。 圖 GPON 上行數(shù)據(jù)流 OLT ONT1 ONT2 ONTn 用戶 1 用戶 2 用戶 n 1 2 n 1 2 n 1 1 2 2 n n … … … … … … 1 2 n 1 N OLT 1 ONT1 ONT2 ONTn … 2 n … 用戶 1 用戶 2 用戶 n … 2 1 n 1 2 n 1 N 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 GEM封裝技術(shù) 1. GEM功能 從幀結(jié)構(gòu)封裝的角度講， GEM 和其他數(shù)據(jù)封裝方式類似。 然而， GEM 是嵌入在 PON 內(nèi)部的，與 OLT 端的 SNIs 及 UNIs 類型無關(guān)。也就是說， GEM 封裝功能在 GPON 內(nèi)部終結(jié)， GPON 以外的系統(tǒng)無法看到 。 如圖 所示 [8]。 圖 嵌入式 GEM GEM 幀結(jié)構(gòu)如圖 所示，由 GEM 幀頭和凈負(fù)荷域兩部分組成。 GEM 幀由PLI（凈負(fù)荷長度指示）、 PortID（端口 ID）、 PTI（凈負(fù)荷類型指示）和 HEC（頭差錯(cuò)校驗(yàn)）組成。 PLI 指示是頭部后面的凈負(fù)荷域的長度為 L字節(jié)，長度為 12bit，最多指示到 4095字節(jié)，所以大于這個(gè)值的用戶數(shù)據(jù)幀必須采用分片機(jī)制傳送。 12bit的 PortID 可以提供 4096 個(gè)不同的端口， 用 于支持多端口復(fù)用，相當(dāng)于 APON 中的 VPI。 如圖 所示。 PON section 相互獨(dú)立 OLT 相互獨(dú)立 UNI ONT GEM SNI 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 GEM 幀結(jié)構(gòu) PLI 用于指示凈負(fù)荷段的內(nèi)容類型和相應(yīng)的處理方式，類似于在 ATM 應(yīng)用。3bit 中的最高位指示是數(shù)據(jù)幀還是 GEM OAM 幀，數(shù) 據(jù)幀的最低位比特指示在分片機(jī)制中是否是幀的末端，次低位指示是否發(fā)生擁塞。 PTI 預(yù)留了一些編碼。 HEC 為 13bit，提供頭部的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能。它是 BCH（ 39， 12， 2）碼和一個(gè)奇偶校驗(yàn)比特的組合。 GEM幀頭確定后，發(fā)送機(jī)將該頭部和固定的 0x0Xb6AB31E055進(jìn)行異或運(yùn)算，將頭部發(fā)送出去，接收機(jī)使用同樣的異或計(jì)算回復(fù)頭部 [9]。 GPON 上下行幀結(jié)構(gòu) GPON 系統(tǒng)采用固定 125us 周期的下行幀，以保證整個(gè)系統(tǒng)的定時(shí)關(guān)系。下行幀結(jié)構(gòu)如圖 所示。 PLI 12bit/s Portid 12bit/s PTI 3bit/s HEC 13bit/s GEM Payload L Bytes TDM Data TDM Frame Pream SFD DA SA Len/ MAC Client Data FCS blc7 1 6 6 Type2 4 Etber Fream GEM Header 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 GPON 下行幀結(jié)構(gòu) 圖 下行幀是由 PCBd 和負(fù)荷組成。 PCBd 是下行 物理 控制塊，提供幀同步、定時(shí)及動(dòng)態(tài)帶寬分配等 OAM 功能。 PCBd 由以下字段組成： 物理同步字段（ Physical synchronization field）是固定的 32bit 樣式， ONT 邏輯電路用該字段來發(fā)現(xiàn)下行幀的起始位置，用作與 OLT 的同步。 Ident 字段的低 30 位包含一個(gè)超幀計(jì)數(shù)器，每個(gè)幀的 Ident 將會(huì)比前一個(gè)大 1，當(dāng)這個(gè)計(jì)數(shù)器達(dá)到它的最大值時(shí)，下一個(gè)幀計(jì)數(shù)器將 重設(shè)置為 0。它主要用于用戶數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)，也可 用 于提供較低速率的同步參考信號。 PLOAMd 字段 用 于傳送物理層信息。 BIP 是比特間插奇偶校驗(yàn) 8 比特碼，用作誤碼率監(jiān)測。 Plend（ payload length downstream）字段規(guī)定了帶寬映射和 ATM 部分的長PCBd 凈荷 n PCBd 凈荷 n+1 PCBd n n+1 n+2 Tpprame=125us GEM 承載的 TDMamp。數(shù)據(jù)片段 PCBd 凈荷 Psync Ident PLOAMd BIP Plend Plend US BWmap 4 字節(jié) 4 字節(jié) 13 字節(jié) 1 字節(jié) 4 字節(jié) 4 字節(jié) Nx8 字節(jié) BIP 覆蓋區(qū)域 下一 BIP 覆蓋區(qū)域 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 度，該字段被發(fā)送兩次以保證誤差的健壯性。 BWmap 是一個(gè) 8 字節(jié)分配結(jié)構(gòu)的標(biāo)量數(shù)組，該數(shù)組的每一項(xiàng)代表一個(gè)特殊TCONT 的帶寬映射，映射數(shù)組中的項(xiàng)數(shù) N 在 Plend 字段中已經(jīng)給出，它主要用于上行帶寬分配。 如圖 所示， GPON 系統(tǒng)的上行幀 是 由許多猝發(fā)脈沖組成，每個(gè)上行猝發(fā)最少應(yīng)包含 PLOu。除了負(fù)荷，它還可能包含 PLOAMu、 PLSu 和 DBRu 字段。 OLT通過 BWmap中的 Flags字段指示是否在每個(gè)分配中允許 ONT發(fā)送 PLOAMu、 PLSu和 DBRu信息。上行幀的負(fù)荷是由 ATM 負(fù)荷、 GEM 負(fù)荷和 DBA 負(fù)荷組成。 如圖 所示 [10]。 圖 GPON 的上行幀結(jié)構(gòu) 上行物理層開銷（ PLOu）包含了 用于 系統(tǒng) 同步的 前導(dǎo)碼 和定界符，它允許對上行突發(fā)鏈路進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌? PLOAMu 字段用于承 載上行物理層管理信息。 PLSu 為功率測量序列，長度120 字節(jié)，用于調(diào)整光功率。 DBRu 用于向 OLT 報(bào)告 ONT 的上行帶寬需求， OLT根據(jù)報(bào)告進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳闲袔挿峙洹? 動(dòng)態(tài)帶寬分配（ DBA） 動(dòng)態(tài)帶寬分配（ DBA）技術(shù)是指通過 GPON 系統(tǒng)中各個(gè) ONT 的上行使用帶寬實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的改變來適應(yīng)用戶速率的各種變化，以提高系統(tǒng)的寬帶利用率的技術(shù)。PON 系統(tǒng)的上行接入一般采用中央控制按需分配和固定分配相結(jié)合的方式，也就PLOu PLOAMu PLSu DBRu Payload X DBRu Payload Y X Y PLOu DBRu Payload Z Z ONT A ONT B 上行幀 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 是 ITUT 規(guī)定的靜態(tài)帶寬分配和動(dòng)態(tài)帶寬分配兩種方式，按照業(yè)務(wù)等級進(jìn)行優(yōu)先級分配 。對于 GPON 中的數(shù)據(jù)通信這種變速率業(yè)務(wù)，用靜態(tài)帶寬分配是不合適的，需要通過動(dòng)態(tài)帶寬分配使系統(tǒng)帶寬利用率大幅度提高，即 DBA 技術(shù)根據(jù)ONT 的突發(fā)業(yè)務(wù)的要求，通過在 ONT 之間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶寬來提高上行帶寬利用率。根據(jù) GPON 的特點(diǎn)和 建議，可以知道動(dòng)態(tài)帶寬分配的具體要求是：業(yè)務(wù)要透明、帶寬利用率盡量高、具備低抖動(dòng)與時(shí)延特性、公平分配帶寬、信號健壯、實(shí)時(shí)性保證不同業(yè)務(wù)的 QoS 等。 1. 寬帶類型 GPON 標(biāo)準(zhǔn)沿用了 BPON 中對 QoS 支持的規(guī)定。 ITUT 在 BPON 標(biāo)準(zhǔn) 和 GPON 標(biāo)準(zhǔn) 中明 確提出了四種有先級別的帶寬 。 它們分別是 Fixed、Assured、 Nonassured 和 Besteffort 四種類型的帶寬，就是固定類型、確保類型、非確保類型和盡力而為類型的帶寬。同時(shí)， GPON 上行系統(tǒng)中帶寬分配基本單元的傳輸容器（ TCONT）則按照其使用的帶寬類型組合一共分為五種類型?；跇I(yè)務(wù)等級的優(yōu)先級分配方案能夠在實(shí)現(xiàn)高效的 DBA 的同時(shí)為業(yè)務(wù)提供良好的 QoS保障，所以，清晰地認(rèn)識到各種帶寬資源的特性以及理解 TCONT 的使用范圍對DBA 有著重要意義。 2. 傳輸容器 TCONT 前面指出了 GPON有四 種類型的帶寬，每種類型的帶寬都可以支持一定的 QoS要求的業(yè)務(wù)；而 TCONT 通過為業(yè)務(wù)提供特定類型的帶寬間接保證該業(yè)務(wù)的 QoS要求。一種 TCONT 能否支持某種 QoS 要求的業(yè)務(wù)，完全取決于該 TCONT 能否提供滿足該業(yè)務(wù) QoS 要求的帶寬。如果該 TCONT 提供滿足某業(yè)務(wù) QoS 要求的帶寬，就可以承載該業(yè)務(wù)，在五種類型的 TCONT 中 ， type 1 類型 TCONT 僅提供Fixed 類型的帶寬； type 2 類型僅提供 Assured 類型的帶寬； type 3 類型提供 Assured類型和 Nonassured 類型的帶寬； type 4 類型僅提供 Besteffort 類型的帶寬；而 type 5 類型是前四種類型的融合，可以提供所有類型的帶寬，支持所有類型的業(yè)務(wù)。這五種 TCONT 在本文中有時(shí)也被分別稱為類型 類型 類型 類型 4 和類型5 的 TCONT。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 3. GPON 實(shí)現(xiàn) DBA 的過程 根據(jù)協(xié)議， GPON 的 DBA 過程包括以下 5 個(gè)步驟：用塞狀態(tài)檢測 ， 將擁塞 狀態(tài)匯報(bào)給 OLT、 O