第二章 GPON的技术分析
2.1 GPON的简介
GPON(Gigabit-Capable PON)是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，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[1]。
无源光网络是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网，其典型拓扑结构为树型或星型，由网络侧的OLT、光分配网(ODN)、用户侧的ONU和网管系统组成，根据ONU摆放的位置，GPON系统可能的应用包括FTTH、FTTO、FTTB、FTTC等场合[2]。
其他的PON标准而言，GPON标准提供了前所未有的高带宽，GPON下行最大速率为2.5Gbps，上行为1.25Gbps，分光比最大为1：64，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场[3]。提供QoS的全业务保障，同时承载ATM信元和(或)GEM帧，有很好的提供服务等级、支持QoS保证和全业务接入的能力。做为电信级的技术标准，GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能。 在GPON标准中，明确规定需要支持的业务类型包括数据业务(Ethernet业务，包括IP业务和MPEG视频流)、PSTN业务、专用线(T1，E1，DS3，E3和ATM业务)和视频业务(数字视频)。GPON中的多业务映射到ATM信元或GEM帧中进行传送，对各种业务类型都能提供相应的QoS保证。
2.2 GPON的系统结构
GPON系统主要由OLT(光线路终端)、ODN(光分配网络)、ONU(光网络单元)组成,其中ODN由光分路器和光纤线路等组成。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[4]。OLT放置于业务接入中心节点,为接入网提供网络侧与城域网之间的接口,通过多个GE/FE接口上联不同的业务网络;ONU放置于小区或楼内机房,为接入网提供用户侧的接口,提供语音、数据、视频等多业务流的接入,通过GE光口经ODN上联至OLT，如图2.1为GPON的系统结构图。
ONULANIP骨干网光分路器电话PBXONUOLTPSTNONUVideo service图2.1 GPON系统结构图
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2.3 GPON与EPON的比较
同EPON相比，GPON的主要优势为：
更高的带宽和更大的分光比。GPON采用上下行不对称宽带分配方式，上行1．25G，下行2．5G，优于EPON采用上下行都是1．25G的对称宽带分配方式；且GPON光纤利用率高，最大分光比可达1：128，EPON只有1：32。
传输距离远，覆盖范围大。支持最大理论距离为60KM，支持最大物理距离为20KM，支持最大距离差为20KM。
承载业务丰富。GPON网络可以承载Ethemet业务、TDM业务、iTv业务等，综合业务支持好，是三网融合的最佳方案。
GPON标准完善，对各种业务类型都能提供相应的QoS保证，还规定了在接入网层面上的保护机制，光纤自动倒换时间小于50ms，并具有完整OAM 功能[5]。
总结起来，GPON和EPON的区别如表2.1所示。可以说，尽管EPON从成本和目前的市场状况来看占据了一定的优势，但是GPON具有更远的传输距离，更高的带宽，以及更为优良的分光特性。如果说EPON代表了目前的主流，那么GPON就是未来的发展趋势[6]。
表2.1 GPON与EPON的对比
标准 速率 分光比 承载 带宽效率 QOS 光预算 测距 DBA TDM支持 ONT互通 OAM OPEX GPON ITU.T 2.488G/1.244G 1:64~1:128 ATM,Ethernet,TDM 92% Very good， Including Ethernet，TDM,ATM Class A/B/C EoD逻辑等距 标准格式 TDM over Ethernet （PWE3,CESoEthernet or native TDM) OMCI ITU-T G.984(强) 低OPEX P2MP EPON IEEE 1.25G/1.25G 1:16~1:32 Ethernet 72% Good, Only athernet Px10/Px20 RTT 厂家自定义 TDM over Ethernet （PWE3,CESoEthernet ) 无 Ethernet OAM (弱，厂家扩展) 中OPEX P2P IEEE 802.3ah 100M~1G 1:1 Ethernet 80% Good,,dedicate bandwidth / / / Good,,dedicate bandwidth None IEEE 802.3ah /
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2.4 GPON的关键技术
2.4.1 GPON的传输复用方式及帧结构
与APON、EPON相比，GPON最主要的区别表现在传输汇聚帧结构上。GPON通过ATM和GFP两种协议承载不同类型的用户数据。它的上、下行帧长均为125μs，下行采用TDM方式，上行采用TDMA接入技术。上行帧由复用的突发传输时隙（slot）组成，每帧包括一个或多个光网络单元的传输时隙，通过下行帧的上行带宽映射（US BWmap）域指示相应光网络单元的上行数据发送。 1.GPON的下行传输方式
OLT下行业务采用广播方式，OLT将业务封装入GPON封装方式（GPON Encapsulation Method，GEM）帧中，然后若干个GEM帧组成GPON传输汇聚（GPON Transmission Convergence，GTC）帧，下行传送。在ONU根据GEM帧中封装的Gemport ID进行过滤。下行具有两种类型的通道，单播Gemport通道和组播Gemport通道。
（1）单播Gemport通道
单播Gemport通道，表示OLT发送的数据只是传送给某个特定的ONU，只有一个配置了这个单播Gempor的ONU会接收这个数据，如图2.2所示。 （2）组播Gemport通道
组播Gemport通道，表示OLT发送的数据是传送给一组ONU，存在若干个ONU配置了这个组播Gemport，这些ONU都会接收这个数据，由于ONU往往具有若干个UNI接口，一般对于组播Gemport通道会结合组播Gemport ID与组播媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）地址一起进行过滤操作，如图2.3所示。
FCS payload T/L SA DA FCS payload T/L SA DA payload HEC PTI Port-id=1 PLI ONU2 Portid=1 根据PORT-ID进行过滤 GEM1 GEM2 GEM3 125μs GEM1 PCB ONU2 Portid=2 OLT ONU3 Portid=3 图2.2 单播通道
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FCS payload FCS payload T/L SA DA=Y T/L SA DA=Y ONU2 payload HEC PTI Portid=x PLI Portid=1 Portid=x Portid=x构成广播域 MA=Y GEM1 OLT GEM2 GEM3 125μs GEM1 PCB ONU2 Portid=2 Portid=x MA=Y ONU3 Portid=3 Portid=x MA≠Y MA=组播地址表项 Y是组播地址 图2.3 组播通道
2.GPON的上行传输方式
GPON上行业务采用TDMA方式，ONU将业务封装入GEM帧中，然后若干个GEM帧组成一个T-CONT，在分配的时间片内传送。OLT上行只有一种类型，如图2.4所示。
FCS payload T/L SA DA FCS payload T/L SA DA payload HEC PTI Port-id=1 PLI plo GEM1 ONU2 Portid=1 plo GEM1 plo GEM3 plo GEM2 上行数据用PORTID进行隔离复用 125μs OLT plo GEM2 ONU2 Portid=2 ONU3 plo GEM3 Portid=3 图2.4 上行通道
3.GPON的帧结构
GPON系统的协议主要有物理媒质相关层和GPON传输汇聚层（GTC）组成。如图2.5所示，其中层又包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。GTC层主要实现GEM（传感器网络）客户接口和管理和控制接口（OMCI）的适配和封装。
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PLOAM OMCI GEM Client GPON传输汇聚（TC）层 OMCI适配 GEM TC适配 TC适配子层 DBA控制 GTC成帧子层 GPON物理媒质相关子层 图2.5 GPON系统协议栈
GPON GTC的TC帧结构分为下行帧结构和上行帧结构，如图2.6所示，两者不对称。其中下行帧结构采用125μs长度的帧结构。而上行帧结构是按照125μs划分的虚拟帧结构。
下行
TP-Frame=125μs PCBd n 净荷n PCBd n+1 净荷n+1 1字节
上行
Slot Slot Slot R Slot Slot Slot R 0 1 0 1 上行虚拟帧TX时长 图2.6 GTC的TC帧结构
（1）GPON下行帧结构
GPON的下行帧格式包括下行物理层控制块头（Physical Control Block downstream，PCBd）和净荷两个部分组成。如图2.7所示，PCBd提供帧同步、定时及动态宽带分配等操作管理维护（Operation Administration and Maintenance，OAM）功能；净荷部分透明封装GEM帧。ONU依据PCBd获取同步等信息，依据GEM帧头的Port ID过滤GEM帧。
PCBd中的US BWmap用于指示OLT分配给ONU的时间片，如图2.8所示。SStart用于指示分配时隙的开始时间。该时间以字节为单位，在上行帧中从0开始，并限制上行帧的大小不超过65536字节，可满足2.488Gbit/s的上行速率要求。SStop用于指示分配时隙的结束时间。
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