GPON系统_gpon系统

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GPON体系结构

在业务节点接口（Service Node Interface，SNI）和用户节点接口（User Node Interface，UNI）之间的即是GPON。通过SNI接口，GPON和服务提供商的数据、语音、视频网络相连接；通过UNI接口，GPON与用户终端设备相连接。上行上向，从ONU到OLT，相反则为下行方向。同所有的PON系统一样，GPON采用了一点到多点的无源光纤传输方式，即与APON、EPON有着相同的体系结构。

根据G.984.1标准的建议，GPON的参考模型如图2.1所示。GPON系统包括OLT、ODN、ONU等。其中OLT是位于局端的通信设备，在整个ONU系统中有着核心的作用。其主要功能是向上行提供广域网或骨干城域网提供接口（包括支持基于以太网的EPON、以ATM为承载的APON和DS-3接口等），并且将广域网或骨干城域网传来的数据信息经ODN传给ONU。OLT作为PON系统的核心的功能器件，为接入网提供网络侧与核心网之间的接口，一般放在中心机房或城域核心机房，具有带宽分配、控制 各ONU、实时监控、运行维护管理PON系统的功能。

图 GPON系统结构 2.1GPON协议结构

GPON的协议结构参考模型如表2．2所示，GPON的层次结构主要包括物理媒介相关层(PMD层)和传输汇聚层(TC层)，其中传输汇聚层又分为PON成帧子层和适配子层。

表2-2 GPON的协议结构参考模型

在物理媒介相关层(PMD)，GPON的光接入网结构配置采用的是G．983．1 的结构配置，它采用ITU-T G．652推荐的光纤作为传输媒质。系统下行速率为L244 Gbit／s或者2．488Gbit／s，上行速率为155Mbit／s，622Mbit／s，1．244Gbit／s或者2．488Gbit／s。标准规定了在各种速率等级下OLT和oNU光接口的物理特性，提出了1．244Gbit／s及其以下各速率等级的OLT和oNU光接口参数。ONU的最大逻辑距离差可达20kin，支持的最大分路比为16，32或64，不同的分路比对设备 的要求不同。

在传输汇聚层(TC层)中，成帧予层完成帧封装，终结所要求的0DN的 传输功能，PON的特定功能(如测距、带宽分配等)也在PON的成帧子层终结。适配子层提供PDU与高层实体的接口，包括ATM适配子层和GEM适配子层两种。ATM适配方式沿用了G．983系列建议的规定，以ATM信元承载数据流，可支持各种业务。GEM适配子层可以承载基于包的协议，如1P，PPP，Ethemet或者恒定比特率的业务流。GEM适配方式基于GFP协议，两者在帧结构和对高层的封装上是相似的，但是GEM不支持透明传输模式，其头部与GFP也不相同，并且考虑到PON网络多ONU、多端口复用的情况，引人了Port ID。此外，GEM还借鉴了GFP的帧同步机制，采用自描述方式确定帧边界，因此，GEM帧的同步与GFP帧的同步一样。2.2GPON系统组成及工作原理

GPON采用与APON，EPON相同的点到多点，无源光纤传输方式的网络拓扑结构，主要由OLT，ODN和ONU三部分组成(见图2-1)，由无源光分路器件将OLT的光信号分到各个ONU。

OLT位于中心局(CO，Central Office)一侧，并连到一个或多个ODN向上提供广域网接口，包括GbE，OC．3／STM．1，DS．3等，向下对ODN可提供1．244Gbit／s或2．488Gbit／s的光接口，具有集中带宽分配，控制光分配网络，实时监控，运行维护管理无源光网络系统的功能。ODN为OLT和ONU提供光传输手段，由无源光分路器和无源光合路器构成，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据和集中上行数据。ONU为接入网提供用户侧的接口，提供话音、数据、视频等多业务流与ODN的接入，其对ODN的光接口速率有155Mb／s，622Mb／s，1．244Gbit／s和2．488Gbit／s等4种选择，受OLT的集中控制。

GPON系统可支持的分支比为1：16，1：32或l：64，还可能达到1：128。在同一根光纤上，GPON可通过粗波分复用(cwDM，Coarse Wavelength DivisionMultiplexing)覆盖实现数据流的全双工传输。在需要提供业务保护和通道保护的情况下，可加上保护环，对某些ONU提供保护功能，通常可采用总线型(BusPON)、树型(Tree PON)或环型(Ring PON)拓扑结构。

GPON系统的工作原理为：在下行方向，OLT以广播方式将由数据包组成的帧经由无源光分支器发送到各个ONU。每个ONU收到全部的数据流，然后根据ONU的媒体访问控制(MAC)地址取出特定的数据包。在上行方向，多个ONU共享干线信道容量和信道资涮”。由于无源光合路器的方向属性，从ONU来的数据帧只能到达OLT，而不能到达其它ONU。从这一点上来说，上行方向的GPON网络就如同一个点到点网络。然而，不同于其它的点到点网络，来自不同ONU的数据帧可能会发生数据冲突。因此，在上行方向ONU需要一些仲裁机制来避免数据冲突和公平地分配信道资源。一般GPON系统的上行接入采用TDMA方式，将不同ONU的数据帧插入不同的时隙发送至OLT。因此OLT模块采用的是连续发射、突发接收；而ONU模块刚好相反，采用突发发射、连续接收。2.3项目研制过程中关键技术研究

GPON ONU中涉及的关键技术是指ONU与OLT之间相互通信的技术，主要包括上行信道复用技术、测距和时延补偿技术、突发同步技术和带宽分配技术等等，下面对各个技术分别进行介绍。2.3.1 突发同步技术

GPON系统中上行方向采用基于统计复用的时分多址接入技术，信道中传输的是突发信号，使用的突发发射和连续接收器件。发送端，电路要求能快速的开启和断开，迅速建立信号，因此要使用响应速度很快的激光器来完成；接收端，接收电路必须在接收到新的信号时，及时调整接收门限，适应用户不同的信号光功率。对目前已经提出了几种突发同步技术，其中门振荡法简单易行，同步速度较快，但是对器件工艺水平和开发条件要求比较高；而相关同步法，是一种全新的数字技术，开发成本低，易于集成。2.3.2上行信道复用技术

GPON 可以采用的上行复用技术包括 WDMA、CDMA 和 TDMA，一般选用 TDMA方式。时分多址复用技术又可以分为固定时隙的时分多址复用、统计时分多址复用、随机接入等。固定时隙的时分多址复用，顾名思义，系统给信号分配的时隙是固定的，即没有信号传输时，还是一样的占用系统的带宽，无法适应突发业务；随机接入方式，没有 确定的接入时间，在传输距离上有很大的限制；而统计时分多址复用方式改善了两者的缺点，通过要传输的数据信号的大小决定时隙的大小，提高了信道的利用率，增加了系统的传输距离。

如何使TDMA方式传输在信道利用率、传输距离、时延和抖动等方面满足系统需求是上行复用技术的研究重点。由于GPON要应对不同业务类型的数据流的传输，特别是对于许多突发业务，突发时间和数据流的大小都很难确定，必然带来时隙分配的复杂性。使信息在传输的过程中有所反馈，也可以采用Roil-call轮询方式，但是这样就要求ONU之间必需能够相互监听，而PON的拓扑结构就要求是星型或者环型，反而使系统变得复杂。2.3.3 测距和时延补偿技术

由于GPON系统OLT放置的位置的差异，必然引起ONU到OLT之间的距离的不确定性，再加上环境温度变化和老化等因素造成的光电器件的性能改变。因此，信号在ONU和OLT之间的传输时延也不同，会直接影响上行信道的复用，为了防止来自不同ONU的信元相互之间发生碰撞，系统需要对各个ONU进行测距，精确的测量两者之间的传输距离，通过减小ONU发送窗口间的时间间隔，来减小时延，提高信道的利用率。

2.3.4 动态带宽分配

动态带宽分配（Dynamic BandwidthAignment，DBA)）就是实时地改变GPON的各ONU上行带宽的机制。采用动态带宽分配技术后，针对ONU突发业务的要求，动态调节带宽就能更有效的利用系统带宽，提高上行带宽效率，使PON能容纳更多的用户，并且能使这些接入的用户享受到更好的服务，例如用户可以用到的带宽峰值可以超过传统的固定分配方式的带宽。