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)。
![千兆位无源光网络](/ftth/images/gigabit_passive_optical_networks.jpg)
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。
![GPON 标准](/ftth/images/gpon_standards.jpg)
- 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。
![GPON 架构](/ftth/images/gpon_architecture.jpg)
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。
![OLT 功能框图](/ftth/images/olt_function_block_diagram.jpg)
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。
![光网络单元](/ftth/images/optical_network_unit.jpg)
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。
![光分配网络](/ftth/images/optical_distribution_network.jpg)
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。
![下行流量](/ftth/images/downstream_traffic.jpg)
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。
![上行流量](/ftth/images/upstream_traffic.jpg)
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)
![GTC 图层框架](/ftth/images/gtc_layer_framing.jpg)
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)
![GPON 有效负载](/ftth/images/gpon_payloads.jpg)
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。
![GPON 封装模式](/ftth/images/gpon_encapsulation_mode.jpg)
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 上的以太网](/ftth/images/ethernet_over_gem.jpg)
GEM 上的 TDM
![GEM 上的 TDM](/ftth/images/tdm_over_gem.jpg)
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。
![未分段的以太网帧](/ftth/images/unfragmented_ethernet_frame.jpg)
下图描述了分段以太网帧。
![分段以太网帧。](/ftth/images/fragmented_ethernet_frame.jpg)
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。
![GEM 片段有效负载原因 1](/ftth/images/gem_fragments_payloads_reason1.jpg)
原因 2 − GEM 帧可能会被延迟敏感数据抢占。
![GEM 片段有效负载原因 2](/ftth/images/gem_fragments_payloads_reason2.jpg)
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。