GPON寬帶接入設備的應用研究論文

1、南京郵電大學通達學院畢 業(yè) 設 計（論 文）題 目： gpon寬帶接入設備的研究 專 業(yè)： 通信工程 學生姓名： 班級學號： 指導教師： 指導單位： 通信與信息工程學院 日期：2009年11月16日 至2010年6月11日摘 要gpon(gigabit-capable pon) 千兆無源光網(wǎng)絡，無源光網(wǎng)絡技術是基于itu-tg.984.x標準的最新一代寬帶無源光網(wǎng)絡接入標準，具有高帶寬，高效率，大覆蓋范圍，用戶接口豐富等眾多優(yōu)點，被大多數(shù)運營商視為實現(xiàn)接入網(wǎng)業(yè)務寬帶化，綜合化改造的理想技術。本課題通過搭建gpon小型寬帶接入網(wǎng)試驗，對目前主流的gpon寬帶接入技術進行研究，對目前國內主流的gp

2、on產(chǎn)家的設備網(wǎng)絡質量，業(yè)務提供能力等方面進行分析比較。對gpon的行業(yè)形勢進行分析，對各個廠家的gpon設備各方面的性能進行分析。經(jīng)過各個方面的分析，gpon的大寬帶、高業(yè)務、強功能等優(yōu)勢使之成為將來光纖通信的重要技術。 關鍵詞：寬帶接入；無源光網(wǎng)絡；以太無源光網(wǎng)絡；千兆無源光網(wǎng)絡；千兆無源光網(wǎng)絡的封裝方法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 錄第一章 概述11.1課題背景11.2寬帶接入技術21.3中國寬帶接入市場的簡介6第二章 pon技術的綜合比較72.1 p0n技術的發(fā)展和技術現(xiàn)狀72.2 pon技術的簡介92.2.1apon和bpon技術92.2.2epon技術112.2.3gpon技術142.3各種p0n技術的比較15第三章 gpon的關鍵技術研究173.1 gpon 的產(chǎn)生173.2 gpon 技術簡介173.2.1 gpon 系統(tǒng)結構173.2.2

7、gpon 協(xié)議棧183.2.3 gpon 封裝方法 gem183.2.4 gpon 的傳輸匯聚子層（ gtc ）193.3 gpon 的 幀結構193.3.1 gpon下行幀結構193.3.2gpon上行幀結構203.4. gpon 的技術優(yōu)勢213.5小結21第四章 gpon與epon若干技術的比較234.1 gpon與epon的比較234.1.1gpon與epon的主要技術244.1.2 gpon與epon的業(yè)務協(xié)議264.1.3gpon與epon的ftth協(xié)議模型264.2 gpon與epon關鍵技術比較研究的意義28第五章 gpon的未來行業(yè)形勢的發(fā)展295.1 gpon成爭奪商務利器

8、295.2 gpon設備介紹295.3各通信廠家gpon的分析31結束語33致 謝34參考文獻35南京郵電大學通達學院2010屆本科生畢業(yè)設計（論文）第一章 概述1.1 課題背景隨著internet的迅猛發(fā)展，人們對遠程教學、遠程醫(yī)療、視頻會議等多媒體應用的需求大幅度增加，電子商務更是網(wǎng)絡應用的典型熱點。同時，人們對網(wǎng)絡帶寬及速率也提出了更高的要求，促使網(wǎng)絡由低速向高速、由共享到交換、由窄帶向寬帶方向迅速發(fā)展。 計算機網(wǎng)絡技術可以說是當前業(yè)界最為熱門的技術之一，我們可以把網(wǎng)絡劃分為兩個部分：骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)。接入網(wǎng)即是終端用戶和骨干網(wǎng)絡之間的連接部分。隨著骨干網(wǎng)速度的快速提升，各種寬帶接入技術開

9、始涌現(xiàn)。從發(fā)展來看，光纖接入，特別是寬帶光接入輔助無線接入手段將占主導地位。目前，對于骨干網(wǎng)來講，各種寬帶組網(wǎng)技術已經(jīng)或正在迅速發(fā)展中日趨成熟和完善，建立全光骨干網(wǎng)絡已被提到日程上來，可以說骨干網(wǎng)絡已經(jīng)為承載各種寬帶業(yè)務作好了準備。但是通信網(wǎng)與用戶之間的接入網(wǎng)發(fā)展相對滯后，大部分用戶還是通過基于電路交換的、窄帶的、模擬化的接入網(wǎng)絡進行信息傳輸和交換，接入網(wǎng)技術已成為制約通信發(fā)展的瓶頸。為了適應新的形勢和需要，出現(xiàn)了多種寬帶接入網(wǎng)技術。但從發(fā)展來看，光纖接入，特別是寬帶光接入輔助無線接入手段將占主導地位。自從1987年英國電信公司的研究人員提出了無源光網(wǎng)絡(pon)的概念開始，接入網(wǎng)技術從此進人

10、了一片新的天地，尤其是在1995年fsan聯(lián)盟定義一個通用的標準后，不少設備制造商投資開發(fā)pon相關產(chǎn)品，運營商積極關注pon的應用。因此，pon得到了極大的發(fā)展，業(yè)界公認pon代表了未來接入網(wǎng)的發(fā)展方向。在時間上pon先后出現(xiàn)了atm無源光網(wǎng)絡(apon)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(epon)、吉比特無源光網(wǎng)絡(gigabit pon)三種技術。 最早的代表技術apon由于承載協(xié)議復雜、業(yè)務效率不高等原因在無源接人網(wǎng)的應用前景中并不樂觀;基于以太網(wǎng)的epon依靠較為成熟的技術、產(chǎn)品和較低的成本等優(yōu)勢在目前的市場中是個寵兒，但是epon采用sb/iob線路編碼，其寬帶損耗大，效率低。另外它主要支持以太

11、網(wǎng)業(yè)務，承載時延敏感的話音服務時會引起qos問題。gpon作為新一代無源光網(wǎng)絡接入技術，從一開始就綜合考慮了pon的應用和要求，在傳送多業(yè)務時對提供高比特率和高效率有明確的保證，同時提供可靠的qos機制和簡便的管理功能。gpon倍受運營商的關注和青睞，很多人認可gpon將會是最后一公里接入技術的佼佼者。1.2 寬帶接入技術目前，對于骨干網(wǎng)來講，各種寬帶組網(wǎng)技術已經(jīng)或正在迅速發(fā)展中日臻成熟和完善，建立全光骨干網(wǎng)絡已被提到日程上來，可以說骨干網(wǎng)絡已經(jīng)為承載各種寬帶業(yè)務作好了準備(如圖1-1)。但是通信網(wǎng)與用戶之間的接入網(wǎng)發(fā)展相對滯后，大部分用戶還是通過基于電路交換的、窄帶的、模擬化的接入網(wǎng)絡進行信

12、息傳輸和交換，接入網(wǎng)技術已成為制約通信發(fā)展的瓶頸。 為了適應新的形勢和需要，出現(xiàn)了多種寬帶接入網(wǎng)技術。但從發(fā)展來看，光纖接入，特別是寬帶光接入輔以無線接入手段將占主導地位。寬帶的定義：指多媒體業(yè)務在網(wǎng)絡上傳送所需要的最小帶寬，其多媒體傳送效果能被人們所接受。寬帶接入：指用戶需要通過一定的通信基礎網(wǎng)絡支持實現(xiàn)用戶和internet的高速連接。由于種種原因，從通信基礎網(wǎng)絡到用戶端“最后一公里”成為寬帶接入的“瓶頸”。圖1-1 全球寬帶接入用戶數(shù)及增長率目前，實現(xiàn)主要有以下幾種方式：xdsl、cable modem、吉比特以太網(wǎng)、無線接入技術和光纖接入技術。下面將逐一介紹。1.xdsl xdsl是h

13、dsl、asdl、vdsl等技術的統(tǒng)稱。在xdsl的這幾項技術中，由于hdsl主要支持2mbits及以下的速率，vdsl提供的速率雖然很高（可達25mbits以上），但線路長度較短（25mbits時約為1km），已部分技術尚未完全確定，故在實際使用中，adsl（asymmetric digital subscriber line）相比最為普遍(如圖1-2),我們以adsl為例介紹xdsl技術。 adsl即非對稱數(shù)字用戶線路，是一種在普通電話線上進行寬帶通信的技術。adsl是利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡，以市話雙絞銅線為傳輸介質的點到點的寬帶傳輸技術，為用戶提供上、下行非對稱的傳輸速率，上行（從用戶到網(wǎng)絡

14、）為低速的傳輸，可達1.5mbits；下行（從網(wǎng)絡到用戶）為高速傳輸，可達8mbits，非常符合普通用戶聯(lián)網(wǎng)的實際需要。adsl的傳輸速率比傳統(tǒng)的模擬調制解調器快100多倍，也是傳輸速率達128kbits的isdn（綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)）所無法比擬的。adsl最初主要是針對視頻點播業(yè)務開發(fā)的，隨著技術的發(fā)展，逐步成為了一種較方便的寬帶接入技術。adsl滿足了用戶即時接入internet服務的需求。這一技術極大地推動了高速數(shù)據(jù)傳輸，如會議電視、vod、hdtv等業(yè)務的增長。圖1-2 不同技術的用戶份額2.cable modem有線電視網(wǎng)只是傳送電視信號，而cable modem寬帶接入則是利用原來的電

15、纜傳輸線路，經(jīng)過改造來實現(xiàn)上網(wǎng)和通訊。由于有線電視采用同軸電纜，因此其帶寬容量相當大，下傳速率可以達到30mpbs。但它的問題也是顯而易見的，因為有線電視的同軸電纜是按單行道模式設計，所以有線電視網(wǎng)必須將單向傳輸改制為雙向傳輸才能實現(xiàn)因特網(wǎng)功能。另外，cable modem采用樹型結構(如圖1-3)，在樹型節(jié)點上簡單地將幾個節(jié)點連在一起。因此，它實際上是一個總線型網(wǎng)絡，這就意味著用戶要和鄰居共享有限的帶寬，所以當同一時間上網(wǎng)人數(shù)多時，有線電視的上網(wǎng)速度會變慢。不過，由于cable modem網(wǎng)絡的骨干部分是由光纖組成，而光纖的速度幾乎是沒有限制的，因此只要讓有線電視網(wǎng)中光纖的部分增加，同軸電纜

16、的部分減少，cable modem的擴充能力是極強的，所以共享式的結構不一定對速度產(chǎn)生太大影響。 圖1-3 樹型結構3.吉比特以太網(wǎng) 關于以太網(wǎng)模式的高速接入大家都比較熟悉，以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)已經(jīng)被證明是最廣泛和占主導地位的lan技術。吉比特以太網(wǎng)是一種新型高速局域網(wǎng)，它可以提供高達1gbits的通信帶寬，采用和傳統(tǒng)10兆比特、100兆比特以太網(wǎng)同樣的csmacd協(xié)議、幀格式和幀長，因此可以實現(xiàn)在原有低速以大網(wǎng)基礎上平滑、連續(xù)性的網(wǎng)絡升級，從而能最大限度地保護用戶以前的投資。利用光纖接入用戶局域網(wǎng)，用戶接入速度只受限于光纖的接入速率。另外，吉比特以太網(wǎng)總體的開銷，包括購置和維護開銷都比較低，具

17、備可支持新應用和新數(shù)據(jù)類型的能力，網(wǎng)絡設計可以有相當?shù)撵`活性，還能夠提供內部局域網(wǎng)通信。 4.無線接入 無線接入可分為移動接入與固定接入兩種。其中移動接入又可分為高速和低速兩種。高速移動接入一般可用蜂窩系統(tǒng)、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)、集群系統(tǒng)等。低速接入系統(tǒng)可用pgn的微小區(qū)和毫微小區(qū)，如 cdma的 will、pacs、phs等。固定接入是從交換節(jié)點到固定用戶終端采用無線接入，它實際上是pstnisdn網(wǎng)的無線延伸。其目標是為用戶提供透明的pstnisdn業(yè)務，固定無線接入系統(tǒng)的終端不含或僅含有限的移動性。接入方式有微波一點多址、蜂窩區(qū)移動接入的固定應用、無線用戶環(huán)路及衛(wèi)星vsat網(wǎng)等。固定無線接入

18、系統(tǒng)以提供窄帶業(yè)務為主，基本上是電話業(yè)務。主要的寬帶固定無線接入技術有3類，即已經(jīng)投入使用的多路多點分配業(yè)務（mmds）、直播衛(wèi)星系統(tǒng)（dbs）以及正在做現(xiàn)場試驗的本地多點分配業(yè)務（lmds）。前兩者已為大家熟知，而lmds則是剛剛興起，近來才逐漸成為熱點的新興寬帶無線接入技術。5.光纖接入 光纖接入技術(圖1-4)是指局端與用戶之間完全以光纖作為傳輸媒體的接入方式，用戶網(wǎng)光纖化有很多方案，有光纖到路邊（fttc）、光纖到小區(qū)（ftti）、光纖到辦公室（ftto）、光纖到大樓（fttf）、光纖到家庭（ftth）。但不管是何種領域的應用，實現(xiàn)光纖到戶都是為了滿足高速寬帶業(yè)務以及雙向寬帶業(yè)務的客觀

19、需要。光纖用戶網(wǎng)的主要技術是光波傳輸技術，目前光纖傳輸?shù)膹陀眉夹g發(fā)展相當快，多數(shù)已處于實用化。復用技術用得最多的有時分復用（tdm）、波分復用（wdm）、頻分復用（fdm）、碼分復用（cdm）等。圖1-4 光纖接入技術的模型結論：寬帶接入網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)模巨大、需求旺盛、新技術不斷涌現(xiàn)，其發(fā)展包含了無數(shù)的機遇，而且市場之大前所未有，吸引了制造商、運營企業(yè)和業(yè)務提供者的廣泛參與。無論采用何種接入技術，只有最大程度地滿足用戶的需求，才能有效占領市場。而且毋庸置疑的是，現(xiàn)行的各種技術方案終將過渡到一個理想的階段光纖到戶。表1-1 寬帶接入技術的分類1.3 中國寬帶接入市場的簡介2009 年第二季度，國內寬帶

20、接入用戶增長勢頭減緩，寬帶接入用戶的季度增長率為5.6%，比一季度下降了2.8個百分點。截至2009年二季度末，我國寬帶接入用戶總數(shù)達到5943 萬戶。dsl 用戶繼續(xù)保持快速增長勢頭，2009 年上半年新增763.8萬用戶，其中第二季度新增353.7 萬，比2008 年的季度新增用戶的平均值高出34.2%。2009 年上半年，電信運營商的寬帶業(yè)務收入累計達到242億元，與上年同期相比增長了38%；寬帶業(yè)務收入在全部電信業(yè)務收入中的占比為6.9%，比上年同期提高了1.3個百分點。由于更多用戶選擇接入速率更高、資費相應也高一些的接入業(yè)務，以及寬帶增值業(yè)務的日益豐富，中國電信和中國網(wǎng)通的寬帶用戶a

21、rpu 值均出現(xiàn)小幅度上升第二章 pon技術的綜合比較隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，電信業(yè)務已由以語音為主的窄帶業(yè)務向語音、數(shù)據(jù)和視頻等多媒體寬帶業(yè)務方向發(fā)展。為了實現(xiàn)多媒體通信，公用電信網(wǎng)絡必須具有寬帶的交互接入能力。目前，實現(xiàn)寬帶交互接入的技術方案主要有:銅雙絞線xdsl、銅纜hfc、有線光纖寬帶接入、無線寬帶接入等。特別是基于光纖寬帶接入的無源光網(wǎng)絡 (pon)技術，以其經(jīng)濟有效的特點正在獲得廣泛的應用。各種pon技術也得到了很好的發(fā)展，目前pon無源光網(wǎng)絡 (passive optical network)就是一種很有效的技術，具有成本低、兼容性好、技術成熟、可維護性強、可控性好、多業(yè)務接入等特

22、點，能很好的解決用戶對帶寬的要求。用戶寬帶業(yè)務接入技術以實現(xiàn)光纖到家(ftth)為目標，結合無源光網(wǎng)絡(pon)的組網(wǎng)技術和atm、副載波復用(scm)、ethernet、密集波分復用(dwdm)等傳輸技術，開發(fā)出經(jīng)濟、高效的寬帶業(yè)務接入系統(tǒng)。2.1 p0n技術的發(fā)展和技術現(xiàn)狀無源光網(wǎng)絡 (pon)技術是一種點到多點的光纖接入技術，它由局側的olt(光線路終端)、用戶側的onu(光網(wǎng)絡單元)以及odn(光分配網(wǎng)絡)組成。一般其下行采用tdm廣播方式，上行采用tdma(時分多址接入)方式，pon的拓撲結構主要取決于odn的結構，通?？蓺w納為單星型、樹型、總線型和環(huán)型等四種類型，也就是pon的四種

23、基本拓撲結構。所謂“無源”，是指odn中不含有任何有源電子器件及電子電源，全部由光分路器(splitter)等無源器件組成，因此其管理維護的成本較低。pon技術的概念是20世紀90年代初提出的，可分為用于窄帶tdm業(yè)務接入的窄帶pon技術和用于寬帶接入的基于atm傳送的bpon(apon)、基ethernet分組傳送的epon技術以及兼顧 atm/ethernet燈tdm綜合化的gpon技術。經(jīng)過10多年的變遷，pon技術的經(jīng)歷了從窄帶pon到bpon(atmpon)再到epon及gpon的發(fā)展歷程，這其中，itu-t在pon技術的標準化工作中發(fā)揮了主導作用，相繼出臺了g982(窄帶pon)、

24、g983系列(bpon)以及g984系列(gpon)等一系列標準建議，而ieee在pon標準化上也非?；钴S，并于2004年推出了ieee802.3標準。當前無論是中國還是全球，寬帶業(yè)務的發(fā)展正朝寬帶化、業(yè)務綜合化和網(wǎng)絡光纖化發(fā)展。隨著光纖在長途網(wǎng)、城域網(wǎng)乃至接入網(wǎng)的主干段的大量應用，運營商在接入網(wǎng)絡建設中要實現(xiàn)經(jīng)濟有效的發(fā)展，就應該將光纖繼續(xù)向接入網(wǎng)的配線段和引入線部分延伸，從而最終實現(xiàn)ftth。經(jīng)過這些年來的技術演進，點到點的光以太網(wǎng)技術已經(jīng)成熟，epon和gpon標準也都已經(jīng)在2005年完成，符合相關標準的設備正逐步成熟;而且光纖接入的成本隨著部署規(guī)模的不斷擴大正在逐漸降低。因此，寬帶業(yè)務

25、發(fā)展趨勢和pon接入的一些技術與經(jīng)濟優(yōu)勢將促進運營商在新建網(wǎng)絡和傳統(tǒng)接入網(wǎng)絡的改造。不斷增加新業(yè)務帶寬需求推動下，運營商在建設pon網(wǎng)絡時，必須考慮提供更高的帶寬與業(yè)務能力，以滿足不斷增長的用戶需求和競爭壓力，努力架構一張面向未來的網(wǎng)絡。在光接入網(wǎng)中若光配線網(wǎng)(odn)全部由無源器件組成，不包括任何有源節(jié)點，則這種光接入網(wǎng)就是pon。在電信運營商的中心交換局(co)與用戶端之間配置光接入線路提供一種低成本的方法。根據(jù)技術體制，則分為pdh光接入技術、sdh光接入技術、atm光接入技術和以太網(wǎng)光接入技術等。圖2-1是oan的參考配置。光線路終端(olt)為odn提供網(wǎng)絡接口并連至一個或多個odn

26、。odn為olt和光網(wǎng)絡單元(onu)提供傳輸手段。onu為oan提供用戶側接口并和odn相連。pon位于業(yè)務網(wǎng)接口 (snd與用戶網(wǎng)絡接口(und之間，通過sni與業(yè)務節(jié)點相連，通過uni與用戶設備相連。一個典型的epon系統(tǒng)由olt(光線路終端)、odn(光分配網(wǎng)絡)、onu/ont(光網(wǎng)絡單元/光網(wǎng)絡終端)和ems(網(wǎng)元管理系統(tǒng))組成。其中0lt位于中心交換局的機架上，它既是一個交換機或路由器，又是一個多業(yè)務提供平臺，提供epon系統(tǒng)與業(yè)務提供商的核心數(shù)據(jù)、視頻和電話網(wǎng)絡之間的接口。它通過一個ems鏈接到業(yè)務提供商的核心網(wǎng)絡上。odn由pos和光纖構成。pos是一個連接olt和onu的無

27、源設備，可以置于全天候的環(huán)境中，它分發(fā)下行數(shù)據(jù)并集中上行數(shù)據(jù)。一般一個pos的分線率為16、32或64，并可以多級連接。圖2-1 光接入網(wǎng)的參考結構r:接收節(jié)點，s:發(fā)送節(jié)點，t:用戶端，af:適配功能onu/ont位于用戶端，放在一個住戶、企業(yè)處。onu與ont的區(qū)別在于ont直接位于用戶端，而 onu與用戶間還有其他的網(wǎng)絡，如以太網(wǎng)。onu放在網(wǎng)絡接口單元)附近或與其合為一體。pon技術始于20世紀80年代初，目前市場上的pon產(chǎn)品按照其采用的技術，根據(jù)其所傳輸信息的數(shù)據(jù)幀成幀格式和媒質訪問協(xié)議的不同主要分為apon舊 pon(atmpon/寬帶pon)、epon(以太網(wǎng)pon)和gpon

28、(千兆比特pon)，其中，gpon是最新標準化和產(chǎn)品化的技術。下面我們對幾種具體的pon技術分別進行介紹。2.2 pon技術的簡介2.2.1 apon和bpon技術apon和bpon技術采用無源光網(wǎng)絡 (pon)可以降低光纖接入成本、提高接入性能、利于寬帶業(yè)務接入。以atm傳輸技術為基礎的pon簡稱為atm-pon，它基于時分復用技術，并且被認為是目前能夠較好地解決寬帶接入的方案之一。圖2-2 atm-pon方案原理atm-pon為用戶提供的寬帶接入較為靈活，其下行速率可以是622mbit/s或155mbt/s，上行速率為155mbit/s。atm-pon方案原理(如圖2-2)，一個無源光分路

29、器(olt)能夠連接16至犯個onu，一個onlj能夠連接幾十個用戶單元設備(cpe)，通過將atm交叉連接模塊配置在olt中、將atm的業(yè)務模塊配置在各個onu中，為用戶提供交互式寬帶業(yè)務。其下行方向采用基于atm信元的復用技術，上行方向則采用tdma控制協(xié)議控制用戶入網(wǎng)。上、下行方向的atm信元均被封裝成atm-pon分組信元結構，即在每個分組信元的頭部附加一個字節(jié)的信頭，以提供網(wǎng)絡同步及與傳輸相關的功能，如上行， idma協(xié)議的onu標識等。網(wǎng)絡的運行和維護功能(oam)則通過物理層信元 (ploam)傳送。1)為了實現(xiàn)tdma控制技術，需要解決光功率動態(tài)調整、測距延時、突發(fā)同步等問題光

30、功率的動態(tài)調整問題:atm-pon系統(tǒng)組網(wǎng)一般采用樹形拓撲結構，各個onu至olt的光纖路經(jīng)長度不同，光信號受到的傳輸衰耗不同。要求olt的光接收器具有較大的光功率動態(tài)范圍，并能夠根據(jù)接收到的光功率大小，快速設置信號判決門限;而每個onu的激光器應該能夠根據(jù)與olt之間不同的傳輸衰耗，動態(tài)進行輸出光功率的調整，以降低對olt接收動態(tài)范圍的要求。實際上，atm-pon依據(jù)分組信元頭部字節(jié)的3個hit位傳輸?shù)男畔?，進行onu的光發(fā)功率調整及olt光收門限設置。2)測距延時問題:各個onu傳送分組信元至olt的路經(jīng)不同，為了避免olt接收端各個onu傳送來的分組信元發(fā)生碰撞，必須使各個onu至olt

31、的有效連接距離相等。atm-pon技術通過測距軟件，自動測試各個onu至olt。的有效連接距離，并依據(jù)有效連接距離自動確定各個onu發(fā)送分組信元之前的時延量，以保證有效連接距離相等。3)突發(fā)同步問題:測距軟件的精度是有限的，當某onu需要連續(xù)突發(fā)傳輸分組信元時為了避免同其他onu的分組信元發(fā)生碰撞，必須在連續(xù)突發(fā)傳輸?shù)姆纸M信元之間預留一個保護時間(一般是2bit+lbit)，從而使各個突發(fā)分組信元的首hit將落在1bit的保護時間內，也就要求olt接收器在極短時間內迅速恢復突發(fā)信號中的正確時鐘。atm-pon采用附加抽樣技術(利用分組信元頭部字節(jié)的3bit)進行時鐘的相位校準，實現(xiàn)突發(fā)同步。2

32、.2.2 epon技術epon是由 ieee802.31作組在2000年11月成立的 efm(ethernet in the first mile)研究小組提出的。主要基于ieee802.3ah標準。epon是幾個最佳的技術和網(wǎng)絡結構的結合。epon以以太網(wǎng)為載體，采用點到多點結構、無源光纖傳輸方式，下行速率目前可達到 1.25gbit/s，上行以突發(fā)的以太網(wǎng)包方式發(fā)送數(shù)據(jù)流。另外，epon也提供一定的運行維護和管理(oam)功能。和傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，epon主要增加了兩部分功能:位于媒體接入控制(mac)層之下的仿真子層和被作為mac層一部分的多點控制協(xié)議(mpcp)。仿真子層使得下面的點到

33、多點網(wǎng)絡在協(xié)議上層看來像是多個點到點鏈路，這一點是通過在每一個分組的開始加上邏輯鏈路標識(lld)以取代2個字節(jié)的前導來實現(xiàn)的。(一) ep0n的發(fā)展現(xiàn)狀及特點自efma(ethernet in the first mile alliance)，第一公里以太網(wǎng)聯(lián)盟)在2004年6月發(fā)布epon技術規(guī)范ieee8o2.3ah以來，epon技術得到快速發(fā)展，目前相關的芯片和設備均已基本成熟并有較大規(guī)模的應用。epon是幾個最佳的技術和網(wǎng)絡結構的結合。epon采用點到多點結構，無源光纖傳輸方式，在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務。目前，ip是ethernet應用占到整個局域網(wǎng)通信的95%以上，epon由于使用

34、以上經(jīng)濟和高效的結構，是連接入網(wǎng)最終用戶的一種最有效的通信方法。10g以太主干和城域環(huán)的出現(xiàn)也將使epon成為未來全光網(wǎng)中最佳的最后一英里的解決方案。他能夠很好的實現(xiàn)語音、視頻和數(shù)據(jù)全業(yè)務的接入。epon自誕生之來，其巨大的綜合優(yōu)勢使其得到了迅速的推廣應用，國內外發(fā)展形勢一片大好。在日本，相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明epon的部署線數(shù)已經(jīng)超過了200萬之巨，不論是傳統(tǒng)的優(yōu)勢運營商ntt還是新興運營商的代表 yahoo bb都大量采用epon技術建設ftth網(wǎng)絡。而韓國也正在積極部署基于epon的ftth網(wǎng)絡。同時epon技術在國內也得到了相當?shù)恼J可。我國從epon國際標準制定一開始就把epon列入國家的“

35、863”重大項目，支持烽火和格林威爾等國內優(yōu)秀廠家對epon關鍵技術進行攻關。目前，epon技術已經(jīng)成熟，主要體現(xiàn)在以下方面:經(jīng)過各標準化組織、設備和芯片制造商、運營商的共同努力，epon商用芯片和光模塊己經(jīng)成熟，在中國電信的主導下，己經(jīng)實現(xiàn)了epon芯片級和系統(tǒng)級的互通測試;在epon方面現(xiàn)在領先的有國際上有sallra，all optic等新興公司，也有一些老牌公司如nokia等，國內在epon方面研發(fā)比較領先有格林威爾公司，華中理工，武漢烽火等。其中格林威爾公司的多業(yè)務epon(ms-pon)系統(tǒng)最有特點，其系統(tǒng)支持上下行對稱1.25g帶寬，支持onu的自動加入，支持tdm業(yè)務，提供動態(tài)

36、/靜態(tài)帶寬分配、彈性保護倒換等功能。epon產(chǎn)業(yè)鏈也在進一步成熟，形成了良性的市場競爭格局，設備成本進一步下降，已達到規(guī)模商用水平。(二) epon的網(wǎng)絡結構和工作原理epon是一項采用點到多點網(wǎng)絡拓撲結構，利用pon的拓撲結構實現(xiàn)以網(wǎng)的接入，利用光纖和光無源器件進行物理層傳輸?shù)膶拵Ы尤胂到y(tǒng)，它是在以太協(xié)議的基礎上開發(fā)了新的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議來實現(xiàn)多種業(yè)務的綜合接入。在電信營商的中心交換局(co)與用戶端之間配置光接入線路提供一種低成本的方法。pon支持很多efm的應用，如ftth、fttb、fttc和光纖到多住戶租戶單元(fiber to the mdu/mtu)。epon位于業(yè)務網(wǎng)絡接口(sn

37、d與用戶網(wǎng)絡接口uni)之間，通過sni與業(yè)務節(jié)點相連，通過uni與用戶設備相連。epon主要三部分組成，即位于局端的。olt(optical line terminal，光線路終端)、odn(optical distribution network，光分配網(wǎng)絡)，和onu/ont(optical line terminal /optical distribution network，光網(wǎng)絡單元/光網(wǎng)絡終端)或綜合接入終端組成。olt設備位于局端，onu(綜合接入終端)設備位于用戶家，接入用戶終端，從而實現(xiàn)光纖到戶，odn由光纖和光分路器/禍合器等無源件組成，是一個連接olt和onu的無源設備

38、。olt和onu之間可以靈活組建成樹形，環(huán)形，總線形，以及混合型。epon的工作原理:olt到onu/ont的方向為下行方向，反之為上行方向。在epon中，olt到onu間的距離最大可達20km。如果使用光纖放大器(有源中繼器)，距離還可以擴展。在epon中，從olt到多個onu的下行傳輸采用廣播方式，注冊后，olt為已經(jīng)注冊的onu分配llid，數(shù)據(jù)以可變長度的分組(幀的最大長度為 1518字節(jié))格式從olt下行廣播到多個。每個幀帶有一個標題，這一點是通過在每一個分組的開始加上邏輯鏈路標識(llid)以取代2個字節(jié)的前導來實現(xiàn)的。此llid能唯一標識該幀是發(fā)給某一指定onu的。此外，某些幀可

39、能是發(fā)給所有onu的(稱此幀為廣播幀)或發(fā)給某一指定onu組的(稱此幀為組播幀)。當數(shù)據(jù)到達onu時，由各個onu檢測到達幀的llid來決定是否接收幀，如果該幀所含llid和自己的llid相同則接收該幀，反之則丟棄掉不屬于它的其他幀，傳輸速率可達1.25gbt/s。從多個onu到olt的上行傳輸，則采用時分多址接入(tdma)技術來管理上行數(shù)據(jù)傳輸，在tdm系統(tǒng)中，給每個onu分配一個上行時隙，每個發(fā)送時間隙是被不同的onu獨占使用的，每個時隙中包含多個未拆分的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包由包頭、可變長度凈荷和誤碼檢測域組成。時間隙的同步應使得來自不同onu的上行數(shù)據(jù)幀在匯合到公共光纖的時候互不沖

40、突。例如，onu-1在第一個時間隙內發(fā)送數(shù)據(jù)幀1，onu-2在第二個非交迭的時間隙內發(fā)送數(shù)據(jù)幀2，onu-3在第三個非交迭的時間隙內發(fā)送數(shù)據(jù)幀3。ieee802.3規(guī)范的epon技術的上下行波長是1310lun和1490lun，上下行速1.25gbit/s，傳輸距離是 10/20km，分路比是32/l6，主要業(yè)務是數(shù)據(jù)和語聲，增加一個1550nln電視廣播波長后，成為語聲、數(shù)據(jù)和電視的所謂三重業(yè)務捆綁服務，或者直接以iptv方式提供集成的三重業(yè)務捆綁服務。對于傳送單一以太網(wǎng)業(yè)務而言，epon確實是一種很好的解決方案，但是對于需要提供tdm專線業(yè)務和基于tdm的語音業(yè)務的情況，則還需要借助一些其

41、他技術幫忙。epon的最新發(fā)展趨勢是提供2.5gbit/s的速率，從而可以使設備成本比1.25gbit/s系統(tǒng)降低30%左右。(三) pon的層次結構模型及光路設計對于以太網(wǎng)技術而言，pon是一個新的媒質。802.3工作組定義了新的物理層。而對以太網(wǎng)mac層以及mac層以上則盡量做最小的改動以支持新的應用和媒質。epon的層次模型按照2003年1月發(fā)布的ieee802.3ahdraft1.3規(guī)定。(如圖2-3)epon系統(tǒng)通過一條共享光纖將多個dte連接起來，其拓撲結構為不對稱的基于無源光分路器的樹形分支結構。mpcp就是使這種拓撲結構適用于以太網(wǎng)的一種控制機制。epon作為efm討論標準的一

42、部分，建立在mpcp(multi-point control protocol,多點控制協(xié)議)基礎上，該協(xié)議是 mac子層的一項功能。mpcp使用消息，狀態(tài)機，定時器來控制訪問pzmp(點到多點)的拓撲結構。在pzmp拓撲中的每個onu都包含一個mpcp的實體，用以和olt中的mpcp的一個實體相互通信。作為epon/mpcp的基礎，epon實現(xiàn)了一個pzp仿真子層，該子層使得pzmp網(wǎng)絡拓撲對于高層來說就是多個點對點鏈路的集合。該子層是通過在每個數(shù)據(jù)報的前面加上一個 llid(logical link id field)邏輯鏈路標識來實現(xiàn)的。該llid將替換前導碼中的兩個字節(jié)。pon將拓撲結

43、構中的根結點認為是主設備，即olt;將位于邊緣部分的多個節(jié)點認為是從設備，即onus。mpcp在點對多點的主從設備之間規(guī)定了一種控制機制以協(xié)調數(shù)據(jù)有效的發(fā)送和接收。圖2-3 epon的層次模型系統(tǒng)運行過程中上行方向在一個時刻只允許一個onu發(fā)送，位于olt的高層負責處理發(fā)送的定時、不同onu的擁塞報告、以便優(yōu)化pon系統(tǒng)內部的a帶寬分配。epon系統(tǒng)通過mpcp來實現(xiàn)olt與onu之間的帶寬請求、帶寬授權、測距等。mpcp涉及的內容包括onu發(fā)送時隙的分配，onu的自動發(fā)現(xiàn)和加入，向高層報告擁塞情況以便動態(tài)分配帶寬。mpcp多點控制協(xié)議位于 mac control子層。 mac control

44、向mac子層的操作提供實時的控制和處理。2.2.3 gpon技術2001年，fsan組啟動了另外一項標準工作，旨在規(guī)范工作速率高于 1gbit/s的pon網(wǎng)絡。這項工作被稱為 gigabit pon(gpon)。gpon是itu-t提出的基于atm和通用成幀規(guī)程 (gfp)的pon技術，己形成g984.1和g984.2，該標準主要是運營商推動的。gpon二層采用 itu-t定義的通用成幀規(guī)程對ethernet、tdm、atm等多種業(yè)務進行封裝映射，能提供1.25和2.sgbt/s下行速率和所有標準的上行速率。gpon除了支持更高的速率之外，還要以很高的效率支持多種業(yè)務，提供豐富的oam&p功能

45、和良好的擴展性.大多數(shù)先進國家運營商的代表，提出一整套“吉比特業(yè)務需求”(gsr)文檔，作為提交itut的標準之一;反過來又成為提議和開發(fā)gpon解決方案的基礎。這說明gpon是一種按照消費者的準確需求設計、由運營商驅動的解決方案，是值得產(chǎn)品用戶信賴的。在gsr文檔中所列舉的要求主要有以下幾點:(l)支持全方位服務-包括話音(tdm、pdh和sonet/sdh)、ethernet (10/100baset)、atm、專線等等。(2)物理覆蓋至少20km，協(xié)定內邏輯支持范圍60km。(3)支持同一種協(xié)定下的多種速率模式，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(將來可達到同步2.5gbit/s)。(4)針對點對點的服務管理需提供oam (operation、administrationprovisioning)的能力。(5)針對pon下行流量是以廣播傳送之特點，提供協(xié)定層的安全保護機制。gpon支持多種速率等級，可支持上下行不對稱速率，上行不一定要支持1gbit以上速率。能在pon網(wǎng)絡上傳送高速以太數(shù)據(jù)，視頻和tdm業(yè)務，同時能獲得令人滿意的el抖動和延遲性能。國內運營商已將gpon技術成功應用于寬帶接入網(wǎng)絡，證明了gpon技術已經(jīng)成為一種可靠且具有成本效益的正tv寬帶接入技術。采用通用組幀程序(

47、gfp)將各種業(yè)務流(包括tdm和分組)封裝在長度為 125ns的幀中;高效無開銷地傳輸原始tdm業(yè)務流。由于gfp提供了一種簡單、有效的在同步傳輸網(wǎng)上傳輸不同業(yè)務的方法，是一個理想的 gpontc層的協(xié)議。此外，gfp采用標準的sonet8khz(125ns)幀，能很好地支持tdm業(yè)務。2.3 各種p0n技術的比較在各類pon技術中，apon最為成熟，但由于業(yè)務提供能力有限、性價比低，僅能滿足某些特定區(qū)域的接入需求，無法滿足長遠的發(fā)展需要，已逐步退出市場競爭。從技術角度gpon是bpon的繼承和發(fā)展。gpon繼承了bpon的很多基本特點，例如兩者都使用同樣olt核心技術，包括onu的激活和測

48、距等，使用同樣的物理光纖設施和光功率預算值，同樣的管理軟件棧等。另一方面，gpon采用了一些最新的技術成果，除了最重要的gfp封裝技術外，還包括前向糾錯等新技術。因此無源光接入技術的重點在于epon和gpon之爭，這兩種技術有以下幾方面的不同。(l)gpon支持多種速率等級，可以支持上下行不對稱速率，因此與epon只能支持對稱 1gbps的單一速率相比，gpon在光器件方面的選擇上余地更大。(2)epon只支持class a和class b的odn等級，而gpon除此之外還可支持class c的 odn等級，因此gpon最高可支持128的分路比。(3)單從協(xié)議上比較，因為epon標準是以 ie

49、ee802.3標準體系結構為基礎，因此與gpon標準相比，其協(xié)議分層更簡單，系統(tǒng)實現(xiàn)更容易，鑒于目前以太網(wǎng)芯片的成熟性，其系統(tǒng)成本也更低。(4)itu在制定gpon標準過程中沿用了apon標準g983的很多概念，與efm制定的epon標準相比其標準更完善。但由于其增加了tc子層，因此也相應增加了一定的開銷，這在一定程度上違背了希望能夠借助ethernet技術簡單、經(jīng)濟的特點這一初衷。因此規(guī)定一個高效率的tc層機制將成為itu在制定gpon標準中的一個關鍵。(5)gpon標準規(guī)定tc子層可以采用atm和gfp兩種封裝方式，其中gfp封裝方式適于承載ippp等基于包的高層協(xié)議，但對于為了支持atm

50、業(yè)務而定義的afm封裝方式在以ethernet為基礎的gpon系統(tǒng)中是否合適，還有待商榷。(6)在ethernet上承載tdm業(yè)務的技術并不成熟，很難滿足電信級的qos要求。因此epon為了能夠承載tdm業(yè)務和話音業(yè)務必須設計新的mac機制，并增加新的軟硬件。而gpon由于其設計的tc子層結構和atm封裝方式，并采用了125us的幀長及定時機制，能夠比較容易地支持tdm業(yè)務和話音業(yè)務。圖表2-1對epon和gpon兩種千兆比無源光網(wǎng)絡技術的主要參數(shù)進行了比較，為更加全面，同時也將bpon列入其中。表2-1 bpon、epon和gpon技術主要參數(shù)的比較綜上所述，epon簡單、高速、成本低、用戶

51、面廣，技術、產(chǎn)品相對gpon成熟，近期應該大力發(fā)展的無源接入技術;gpon可透明傳輸，高速高效，具有電信級服務質量，是無源接入技術發(fā)展的趨勢，但目前成本相對較高，商業(yè)化程度低，是中遠期大力發(fā)展的無源接入技術。第三章 gpon的關鍵技術研究3.1 gpon 的產(chǎn)生 pon（無源光網(wǎng)絡）技術因為其高帶寬、高可靠性和極低的維護費用等特點，從一提出便被認為是極佳的fttx解決方案。但在pon網(wǎng)絡上采用何種傳輸協(xié)議卻一直處在爭論之中。itu-t在1983-1996年制定了apon標準，它采用atm作為傳輸協(xié)議，支持下行622m/155m、上行155m的傳輸速率，能提供以太網(wǎng)接入、視頻發(fā)送、高速租用線路等

52、業(yè)務。apon技術提出至今并未在商業(yè)上獲得成功，主要原因是atm技術承載ip業(yè)務效率低，同時，業(yè)務的發(fā)展并未形成對光接入網(wǎng)的強勁需求。2001年,itu-t根據(jù)fsan(full service access network)組織關于吉比特業(yè)務需求(gsr)的研究報告，重新制定了pon網(wǎng)絡所要達到的關鍵指標，同時借鑒apon技術的研究成果，開始進行新一代pon技術標準的研究工作，于2003年討論通過了gpon(gigabit pon)，它通過為用戶提供千兆比特的帶寬，高效的ip、tdm承載模式，試圖成為fttx領域中更為完善的解決方案。3.2 gpon 技術簡介3.2.1 gpon 系統(tǒng)結構圖

53、3-1是g.984.1建議的gpon參考模型。gpon由光線路終端olt、光網(wǎng)絡單元 光網(wǎng)絡終端(onu/ont)及光纖分配網(wǎng)odn組成olt位于中心機房，向上提供廣域網(wǎng)接口，包括ge、atm、ds-3等；onu/ont放在用戶側，為用戶提供10/100baset、t1/e1、ds-3等應用接口，適配功能af在具體實現(xiàn)中可能集成于onu/ont中；odn由分支器/耦合器等無源器件構成；上下行數(shù)據(jù)工作于不同波長，下行數(shù)據(jù)采用廣播方式發(fā)送，上行數(shù)據(jù)采用基于統(tǒng)計復用的時分多址方式接入。圖中波分復用器wdm和網(wǎng)絡單元ne為可選項，用于在olt和onu之間采用另外的工作波長傳輸其他業(yè)務，如視頻信號。 圖

54、3-1 gpon 系統(tǒng)結構3.2.2 gpon 協(xié)議棧 圖 3-2 給出了gpon的協(xié)議分層模型。gpon由控制/管理平面（c/m平面）和用戶平面（u平面）組成，c/m平面管理用戶數(shù)據(jù)流，完成安全加密等oam功能，u平面完成用戶數(shù)據(jù)流的傳輸。u平面分為物理媒介相關子層pmd、gpon傳輸匯聚子層gtc和高層；gtc子層又進一步細分為gtc適配子層和gtc成幀子層，高層的用戶數(shù)據(jù)和控制/管理信息通過gtc適配子層進行封裝。 圖3-2 gpon 協(xié)議棧3.2.3 gpon封裝方法gem為克服atm承載ip業(yè)務開銷大的缺點，gpon采用新的傳輸協(xié)議gem（gpon encapsulation met

55、hod），該協(xié)議能完成對高層多樣性業(yè)務的適配，包括atm業(yè)務、td業(yè)務及ip/ethernet業(yè)務，對多樣性業(yè)務的適配是高效透明的，同時該協(xié)議支持多路復用，動態(tài)帶寬分配等oam機制。圖3-3 給出了gem的幀結構。 圖3-3 gem幀結構圖3-3中，pli為16比特，用于確定凈負荷長度；port id為12比特，用于支持多端口復用，相當于apon技術中的vpi，frag(fragment)為2比特，用作分段指示，第一個分段的frag值為10，中間分段的frag值為00，最后一個分段的frag值為01；若承載的是整幀，frag的值為11；frag的引入解決了由于剩余帶寬不足以承載當前以太網(wǎng)幀時帶

56、來的帶寬浪費問題，提高了系統(tǒng)的有效帶寬；ffs為 2 比特，目前尚未定義；hec為頭校驗，占據(jù)16bit，采用自描述方式確定幀的邊界，用于幀的同步與幀頭保護。gem的提出源于gfp(g.7041)通用成幀的思想，同時考慮到pon網(wǎng)絡多onu、多端口復用的情況，引入了port id。在 onu 的一個業(yè)務端口看來,它存在著與 olt的一個點到點的連接,由port i標識。3.2.4 gpon的傳輸匯聚子層（gtc） 在引入了gem之后，gpon具備了高效完善的tc子層功能，圖3-4給出了g.984.3建議的gpon tc子層（gtc）的協(xié)議分層模型。 圖3-4 gpon 的 gtc 層的協(xié)議分層

57、模型圖3-4中，ploam用于物理層oam，g.984.3定義了19種下行ploam信息，9種上行ploam信息，可實現(xiàn)onu的注冊及 id 分配、測距、port id分配、vpi/vci 分配、數(shù)據(jù)加密、狀態(tài)檢測、誤碼率監(jiān)視等功能。omci（ont management and control interface，光網(wǎng)絡終端管理與控制接口）提供了另一種oam服務,用于實現(xiàn)對高層的管理。 omci信息可封裝在atm信元或gem幀中進行傳輸，取決于onu提供的接口類型。gtc framing sublayer完成對atm信元及 gem 幀的進一步封裝，使得gpon具備更完善的oam功能。 3.3 gpon的幀結構 gpon 采用125s長度的幀結構，用于更好地適配tdm業(yè)務；繼續(xù)沿用apon中ploam信元的概念傳送oam信息，并加以補充豐富；幀的凈負荷中分atm信元段和gem通用幀段，實現(xiàn)綜合業(yè)務的接入。 3.3.1 gpon下行幀結構 圖 3-5給出了gpon的下行幀格式。圖3-5 gpon 下行幀格式圖3-5中，pcbd為下行物理層控制塊（physical control block downstream），提供幀同步、定時及動態(tài)帶寬分配等 oam 功能;載荷部分透明承載 atm 信元及 gem 幀。onu依據(jù)