FTTH - GPON

GPON（千兆位无源光网络）是一种用于接入网络的光系统，基于 ITU-T 规范 G.984 系列。 通过使用分光比为 1:32 的 B+ 级光学器件，它可以提供 20 公里的传输距离和 28dB 的光学预算（如下图所示）。

GPON系统支持以下速率 −

• 155 Mbps 上行速率，1.24416 Gbps 下行速率
• 622 Mbps 上行速率，1.24416 Gbps 下行速率
• 1.24416 Gbps 上行速率，1.24416 Gbps 下行速率
• 上行 155Mbps，下行 2.48832 Gbps
• 上行 622 Mbps，下行 2.48832 Gbps
• 上行 1.24416 Gbps，下行 2.48832 Gbps
• 上行 2.48832 Gbps，下行 2.48832 Gbps

GPON同时支持ATM和GEM封装。 GEM（GPON 封装方法）支持本机 TDM 和数据。

GPON 功能

这项演进技术基于 BPON GEM。 以下是它的特点 −

下行传输

• 2.4 Gbps
• 一个 ONT 的带宽足以提供多个 HDTV 信号
• QOS 允许对延迟敏感的流量（语音）

上行传输

• 1.24 Gbps
• 可以保证最小带宽
• 未使用的时隙可以分配给重度用户
• QoS 允许延迟敏感流量（语音）

为什么选择 GPON?

GPON提供综合业务解决方案，例如 −

• 它支持三重播放服务。

• 突破双绞线接入的带宽障碍，支持高带宽传输。

• 减少了网络节点。

• 支持最远20公里的服务覆盖。

GPON 标准

GPON 标准建立在之前的 BPON 规范之上。 规格为 −

• G.984.1 − 本文档描述了千兆位无源光网络的一般特性。

• G.984.2 − 本文档描述了千兆位无源光网络物理介质相关层规范。

• G.984.3 − 本文档描述了千兆位无源光网络传输汇聚层规范。
• G.984.4 − 本文档介绍了千兆位无源光网络 ONT 管理和控制接口规范 (OMCI)。

GPON架构

GPON OLT通过PON端口为多个ONT提供服务。 下行传输，即从OLT到ONT，通常采用TDM； 而上行流量，即从ONT到OLT通常是TDMA。

PON 系统可以是对称的或不对称的。 PON 和光纤基础设施还可用于支持任何单向分布式服务。 例如 – 不同波长的视频。

GPON 物理媒体依赖层

G.984.2是GPON系统物理层的规范。 物理层解决诸如 −

• 数据速率方面的光学性能。
• 光纤组件的类别。
• 光功率的定时和控制。
• 前向纠错。

光学系统的基本要求之一是提供具有足够容量的组件，以将光信号扩展到预期范围。 根据功率和灵敏度，组件可分为三类或三类。 组件的类别是 −

• A 级光学器件:5 至 20dB
• B 级光学器件:10 至 25dB
• C 级光学器件:15 至 30dB

光线路终端（OLT）

OLT 向核心网络提供服务节点接口 (SNI)（通常为 1 Gbps 和/或 10 Gbps 以太网 LAN 接口），并控制 GPON。 OLT由三大部分组成 −

• 服务端口接口函数
• 交叉连接功能
• 光分配网络 (ODN) 接口

下图显示了典型的 OLT 功能框图。

PON核心外壳

PON核心外壳由两部分组成。 第一部分是ODN接口功能，第二部分是PON TC功能。 PON TC功能包括OAM、媒体访问控制、成帧、DBA、用于交叉连接功能和ONU管理的协议数据单元（PDU）的划分。

• 交叉连接 shell − 该 shell 提供 PON 核心 shell 和服务 shell 之间的通信路径。

• 服务 shell − 该shell用于业务接口与PON段TC帧接口之间的转换。

ONU/ONT

光网络单元 (ONU) 使用单个 PON 接口或最多两个接口运行，以实现链路保护目的。 当这两根光纤中的任何一根光纤被切断时，ONU都可以通过另一根光纤接入。 这称为 PON 保护或链路保护。 链路保护也称为链路聚合，它可以保护链路，同时也可以聚合流量。

服务MUX和DEMUX功能将客户设备连接到PON侧。 光网络终端（ONT）专为单用户使用而设计，而ONU（光网络单元）则为多用户使用而设计。 分路器允许最多 128 个 ONT 或 ONU 共享 PON。

ONT/ONU接口

光网络终端（ONT）作为业务网络接口与上行侧OLT连接，拥有多个用户网络接口端口。 通常，有四个通向 UNI 的 FE/GE 端口。

• 用于住宅ONT的UNI端口 − 通常，用户服务接口如 10/100Base-T 高速互联网 (HSI) 和 IP 视频、用于 RF 视频覆盖系统的 RF 同轴电缆以及用于 VoIP PSTN 语音的模拟 FXS 电话接口。

• 业务 ONT 的 UNI 端口 − 除上述之外，还可能包括10/100/100Base-T路由器和L2/L3交换机接口以及用于关键系统的DS1/E1 PBX。

光网络单元 (ONU) 端接 GPON 光纤，并为多个用户提供更多的用户网络接口 (UNI)。 UNI接口可以是ADSL2+、VDSL2、Power Line、MoCA或HPNA，到用户的距离（10/100 Base-T限制为100m，即330 英尺）。

根据接口端口的类型，UN UNI可能无法直接连接到用户CPE设备。 在这种情况下，UN UNI 连接到网络终端 (NT)，该终端位于用户的最终位置。 NT终结用户的CPE设备，例如PC、无线路由器、电话、IP视频机顶盒或RF视频机顶盒等。

本质上，ONT 将 ONU 和 NT 的功能结合在一个设备中。 两者的结合； 两者的结合使 ONT 成为向本地和单户、中小型企业提供 GPON 服务的最具成本效益的解决方案。 然而，如果客户在校园内，如学生、宿舍、学校、学院、医院或公司办公室，并且已经铺设了 CAT-5 铜缆，ONU 可以作为更合适的解决方案。

光分配网络

GPON ODN，由单模光纤和光缆组成； 光纤带状电缆、接头、光连接器、无源光分路器和无源分支元件非常无源。

ODN 分光器将单根光纤分成多根光纤，到达不同的建筑物和个人家庭。 分路器可以放置在 ODN 中的任何位置，从中心局 (CO)/本地交换机 (LE) 到客户驻地，并且分路器的大小可以是任意的。 分离器指定为 [n:m]，其中"n"是输入数量（朝向 OLT）= 1 或 2，"m"是输出数量（朝向 ONT）= 2,4,8,16 ,32,64。

GPON 复用/成帧

GPON 复用或成帧通过以下因素进行解释。

GPON封装方法（GEM）

指定GPON传输汇聚层的数据传输方案。 GEM 提供面向连接的可变长度成帧机制，用于通过无源光网络 (PON) 传输数据服务。 GEM被设计为独立于OLT处的服务节点接口类型以及ONU处的UNI接口类型。

下行流量（OLT 至 ONU/ONT）

对于下行流量，流量复用功能集中在OLT中。 GEM端口ID以12位数字的形式由OLT分配给各个逻辑连接，标识属于不同下游逻辑连接的GEM帧。 每个ONU根据其GEM Port-ID过滤下行GEM帧，仅处理属于该ONU的GEM帧。

上行流量（ONU/ONT 至 OLT）

OLT 向 ONU 内的流量承载实体授予上行传输机会（或带宽分配）。 这些流量承载实体由分配 ID (Alloc-ID) 标识。 分配标识符（Alloc-ID）是OLT分配给ONU的12位数字，用于标识流量承载实体。 它是 ONU 内上行带宽分配的接收者。

分配给不同 Alloc-ID 的带宽按照 OLT 在下行传输的带宽映射中指定的时间进行复用。 在每个带宽分配中，ONU使用GEM Port-ID作为复用密钥来识别属于不同上行逻辑连接的GEM帧。

传输容器（T-CONT）是代表一组逻辑连接的ONU对象。 它表现为单个实体，用于 PON 上行带宽分配。 根据映射方案，将业务流量承载到不同的GEM Port，再承载到不同的T-CONT。

GEM Port与T-CONT之间的映射非常灵活。 一个GEM Port可以对应一个T-CONT； 或者多个GEM Port可以对应同一个T-CONT。

G-PON 传输汇聚层 (GTC)

G-PON 协议套件的协议层，位于物理媒体相关 (PMD) 层和 G-PON 客户端之间。 GTC层由GTC成帧子层和GTC适配子层组成。

在下行方向，GEM帧携带在GTC净荷中，到达所有ONU。 ONU 成帧子层提取帧，GEM TC 适配器根据帧的 12 位端口 ID 过滤帧。 只有具有适当端口 ID 的帧才允许通过 GEM 客户端功能。

在上行方向，GEM 流量通过一个或多个 T-CONT 承载。 OLT接收与T-CONT相关的传输，并将帧转发到GEM TC适配器，然后转发到GEM客户端。

GTC 层框架

下行帧持续时间为125微秒，长度为38880字节，对应下行数据速率2.48832 Gbit/s。 下行GTC帧由下行物理控制块（PCBd）和GTC有效负载部分组成。

GPON 传输汇聚帧的长度始终为 125 毫秒 −

• 1244.16 速率为 19440 字节/帧
• 2488.32 速率为 38880 字节/帧

每个GTC帧由下行物理控制块+有效负载组成

• PCBd 包含同步、OAM、DBA 信息等。

有效负载可能具有 ATM 和 GEM 分区（其中之一或两者）

上行 GTC 帧持续时间为 125 μs。 在上行链路速率为1.24416 Gbit/s的G-PON系统中，上行GTC帧大小为19,440字节。 每个上行帧包含来自一个或多个ONU的多个传输突发。

每个上行传输突发包含上行物理层开销 (PLOu) 部分以及与各个 Alloc-ID 关联的一个或多个带宽分配间隔。 下行GTC帧为PON提供公共时间参考，为上行提供公共控制信令。

GPON 有效负载

GTC 有效负载可能有两个部分 −

• ATM 分区（Alen * 长度为 53 字节）
• GEM 分区（现在是首选方法）

ATM 分区

ATM分区具有以下特点。

• Alen（12 位）在 PCBd 中指定。
• Alen 指定 ATM 分区中 53B 单元的数量。
• 如果 Alen = 0，则没有 ATM 分区。
• 如果 Alen = 有效负载长度/53，则没有 GEM 分区。
• ATM 信元与 GTC 帧对齐。
• ONU 根据 ATM 标头中的 VPI 接受 ATM 信元。

GEM 分区

GEM 分区具有以下特点。

• 与 ATM 信元不同，GEM 描绘的帧可以具有任意长度。
• GEM 分区中可以包含任意数量的 GEM 帧。
• ONU 根据 GEM 标头中的 12b Port-ID 接受 GEM 帧。

GPON 封装模式

针对 BPON 的常见抱怨是 ATM 信元税导致效率低下。 GEM类似于ATM。 它具有恒定大小的 HEC 保护标头。 然而，它通过允许可变长度帧来避免大量开销。 GEM 是通用的——支持任何数据包类型（甚至 TDM）。 GEM 支持分片和重组。

GEM基于GFP，头部包含以下字段 −

• 有效负载长度指示符 - 以字节为单位的有效负载长度。
• 端口 ID - 标识目标 ONU。
• 有效负载类型指示器（GEM OAM、拥塞/碎片指示）。
• 标头纠错字段（BCH(39,12,2) 代码+ 1b 偶校验）

GEM 标头在传输前与 B6AB31E055 进行异或运算。

GEM 上的以太网/TDM

通过 GEM 传输以太网流量时

• 仅封装 MAC 帧（无前导码、SFD、EFD）
• MAC 帧可能会出现碎片（请参见下一张幻灯片）。

GEM 上的以太网

通过 GEM 传输 TDM 流量时 −

• 每 125 毫秒轮询一次 TDM 输入缓冲区。
• TDM 的 PLI 字节被插入到有效负载字段中。
• 由于频率偏移，TDM 片段的长度可能会变化 ± 1 字节。
• 往返延迟时间限制为 3 毫秒。

GEM 上的 TDM

GEM 可以分段其有效负载。 例如，未分片的以太网帧，如下图所示。

下图描述了分段以太网帧。

GEM 由于以下两个原因之一对有效负载进行分段 −

原因 1 − GEM 框架不能跨在 GTC 框架上。

原因 2 − GEM 帧可能会被延迟敏感数据抢占。

GPON 加密

OLT 在计数器模式下使用 AES-128 进行加密。 仅加密有效负载（不加密 ATM 或 GEM 标头）。 加密块与 GTC 帧对齐。 计数器由OLT和所有ONU共享，如下 −

• 46b = 16b 帧内 + 30 位帧间。
• 帧内计数器每 4 个数据字节递增。
• 在 DS GTC 帧开始时重置为零。

OLT 和每个 ONU 必须就唯一的对称密钥达成一致。 OLT 向 ONU 请求密码（在 PLOAMd 中）。 ONU 以明文形式向我们发送密码（在 PLOAMu 中） −

• 密钥发送 3 次以确保稳健性

OLT通知ONU开始使用新密钥的精确时间。

QoS – GPON

GPON 明确对待 QoS。 恒定长度的帧有利于时间敏感应用程序的 QoS。 传输容器有5种类型 −

• 类型 1 − 固定带宽。
• 类型 2 − 保证 BW。
• 类型 3 − 已分配BW + 无保证BW。
• 类型 4 − 尽力而为。
• 类型 5 − 上述所有内容的超集。

GEM 添加了多项 PON 层 QoS 功能 −

• 分段可抢占大型低优先级帧。
• PLI - 排队算法可以使用显式数据包长度。
• PTI 位携带拥塞指示。

在下一章中，我们将了解什么是以太网无源光网络。