2.1 有线宽带接入技术

2.1.1 光纤接入组网技术

对于铜缆而言，光纤拥有几乎无限的带宽。光纤光缆代替铜缆的光进铜退的应用，极大地降低了接入网的维护成本，同时提高了网络整体的质量。

无源光网络（PON）的出现为运营商最后一公里（从中心局到用户的部分）提供了一个可行的解决方案。PON技术以光纤为主干传输媒质，光纤、铜缆或者无线作为用户末端传输媒质，可以使多个用户共享一个连接，在中间路径中不需要任何有源器件，大大降低了维护成本。

PON的光分配网络（Optical Distribution Network，ODN）由光分路器（Splitter）、光纤连接器、光分纤盒等无源器件组成。PON通过无源光分路器分配或汇聚各个光网络单元/光网络终端（ONU/ONT）的信号，图2-1阐明了其典型结构。

在运营商的局端电信机房，数据和语音业务合成在一起通过1490nm波长向下行方向传送；上行数据流使用1310nm波长；视频业务使用1550nm波长从局端向用户端传送。PON由设置在局端机房的光线路终端（OLT）、临近终端用户的ONU/ONT以及光分配网络ODN组成。OLT是PON和上层城域网之间的接口；ONU作为终端用户的服务接口；光分配网络ODN通过无源器件将一路光信号分成多路光信号传输至各个终端ONU。光分路器的分路比范围可以是2～64，比较典型的分路比值为8，16，32或64。现网中部署的PON系统通常情况下从局端机房到终端用户的光传输距离最大可达20km。

OLT通常设置于运营商的局端机房，控制通过ODN传输的整个PON的双向数据流，OLT支持的传输距离通常要求达到20km。在下行数据方向，OLT将来自骨干网、城域网或者其他上层网络的语音、数据、视频等业务信号通过ODN向其下所有的ONU进行广播式传输。在上行数据方向，OLT对来自各终端用户的各种业务信号进行接收和分离。在实际商用的OLT设备中，通常要求支持多个PON接口，即OLT设备的子框需要支持多个PON接口卡，同时每个接口卡上又可以支持多个PON接口。假设一个OLT设备子框有16个槽位可以支持16个PON接口卡，每个接口卡可以提供8个PON接口，按照1:64的分光比，每个PON接口可以支持64个用户。那么这个OLT设备可以支持16×8×64=8192个终端ONU设备。

不同的PON技术，使用的上下行数据速率有155Mb/s，622Mb/s，1.25Gb/s，2.5Gb/s等多种。例如，EPON的上、下行速率都是1.25Gb/s，类似这样的PON称为对称速率PON；GPON的下行速率是2.5Gb/s，上行速率是1.25Gb/s，类似这样的PON称为非对称速率PON。不同的PON对于数据封装的帧格式也有所不同。

ONU/ONT通常设置在用户的驻地或者用户的家里，相对于OLT来说，ONU/ONT的运行环境不如OLT稳定、优越。普通家用的ONU设备的外观和尺寸与非对称数字用户环路（ADLS）网络中使用的调制解调器类似。ONU的功能是提供与上游无源光网络相连的光接口，将其光纤信号引入用户的驻地或家里，同时提供连接各个终端设备的电接口，如电话接口、以太网接口、视频接口等。ONU将来自OLT侧的视频、语音、数据等业务分离并传送到相应的本地接口，同时将来自于用户侧的各个本地业务信号，进行交换、综合、复用等处理，送入上行数据通道，传送至OLT。

OLT有两个最基本的功能，一个是控制用户的业务流，另一个是给ONU用户动态分配带宽。考虑到多达64个ONU用户使用同一波长共享同一根光纤链路，因此必须使用时钟同步技术来避免不同ONU之间传输数据的冲突。最简单的方法就是使用时分多址复用技术TDMA（Time Division Multiple Access），每个用户都使用预先分配的时隙发送和接收数据。EPON和GPON都是使用的时分复用（TDM）技术，属于TDM-PON的范畴。TDM的不足之处在于带宽利用率不是很高，所有时隙中并不是每个时隙总是有用户传输数据。如果从某个用户到局端或者从局端到某个用户没有数据传输，此时就会造成该时隙空闲，降低带宽的使用效率。

TDM-PON系统更有效的机制是动态带宽分配（Dynamic Bandwidth Allocation，DBA）。当某个时隙空闲或者低使用率时，该时隙可用带宽会被动态地分配给需要使用带宽的用户。动态带宽分配是通过OLT来控制的，根据用户的优先级、特殊用户的服务保证策略、带宽分配相应时间、单客户要求带宽等因素，按照一定的算法来实现带宽的动态分配。

在PON技术中，对于下行的数据，OLT中时分复用的数据以广播的形式传送到每个ONU，如图2-2所示。所有的ONU都会收到OLT发来的广播信息，根据每个时隙数据的帧头中包含的标识符ID（Identifier）信息，ONU接收或者丢弃相应的数据包。为了保证数据的安全性和私有性，数据必须以加密的形式传送。

上行方向的时分复用原理更复杂一些。为了避免不同用户之间的数据冲突，PON系统一般采用TDMA协议，如图2-3所示。OLT发送命令给各个ONU，控制和调整其发送数据的时间，例如，t1时刻允许ONU1发送数据，t2时刻允许ONU2发送数据，这样的话，t1时刻发送的数据将进入数据流时隙1，t2时刻发送的数据将进入数据流时隙2。由于OLT和ONU之间的数据是同步的，因此可以尽量避免不同时隙数据的冲突。由于各个终端到局端机房的距离不等，因此OLT采用距离修正技术来测量不同用户到局端机房的逻辑距离，根据测量的逻辑距离来控制ONU调整发送数据的时间，从而避免不同用户数据时隙间的冲突。

在实际应用的光纤到某处（FTTx）的网络中，通常是从运营商局端机房铺设一条光缆线路到人口密集的地区或者商业区，然后使用无源光分路器将信号分送至各条连接到终端用户的光纤，或者根据用户分布情况进一步使用分光器来连接更多的终端用户。整个ODN网络中一般有一个光分路器（一级分光）或者两个光分路器（二级分光）。FTTx根据光纤距离用户的远近以及光接入网的构建分为几种，如图2-4所示；国内电信运营商常用的包括光纤到节点（FTTN）、光纤到大楼（FTTB）和光纤到户（FTTH）。连接局端OLT机房和小区机房或者小区主光分路器的光缆称为主干光缆，从主光分路器到各子光分路器，以及从子光分路器到小区内光配线架或ONU设备的光缆称为配线光缆，从小区光配线架或ONU到终端用户的光缆称为引入光缆。

光纤到节点（FTTN）如图2-5所示，2008年以前是光纤网络建设的主要模式，现在广泛地用于农村宽带网络的新建以及提速改造。OLT设备集中部署在乡镇或县的中心机房中，对于分布相对分散的村落采用二级分光，而对于分布相对集中的村落采用一级分光。当在城市地区使用时，OLT设备集中设置在城市里的端局中，在小区集中的位置放置分光器，ONU设备设置在小区的机房内。到用户的铜缆不应超过2km，以提供8Mb/s以上的接入带宽。

光纤到楼（FTTB）如图2-6所示，在2008年和2009年是我国城市地区新建和改造的主要模式。当前在实装率较高的场景（城中村、大学等）以及开发商预先布置好五类线的楼宇还有较多应用。和FTTN的情况类似，OLT集中部署在运营商的局端机房，小区内集中部署分光器。对于多层楼宇，可以每个单元放置一个ONU，覆盖多个用户。对于高层楼宇，可以在各个楼层中间，集中部署ONU设备。FTTB最后入户的铜缆长度应在500m之内，以提供20Mb/s以上的带宽给用户。

光纤到户（FTTH）是完全利用光纤传输媒质连接运营商局端和家庭住宅的接入方式，如图2-7所示。FTTH是2010年开始国内运营商广泛采用的新建和改造模式。OLT还是集中部署在局端，分光器可以小区内集中部署，也可以楼层内集中部署。楼内的水平部分采用蝶形光缆入户，终端放在家庭智能箱内。FTTH是当前接入网的终极形态，可以按需为用户提供100Mb/s以上的带宽。

2.1.2 无源光网络（PON）技术

当今在世界范围内广泛使用的PON技术有两种，EPON和GPON。其中EPON在中国、日本和韩国应用较广，GPON则被欧美运营商采用。不过由于GPON带宽大并且获得产业链更大力度的支持，世界上越来越多的运营商开始采用GPON技术。以下我们分别介绍EPON和GPON的情况和关键技术。

1.以太网无源光网络（EPON）

EPON技术是由IEEE 802.3ah EFM（Ethernet in the First Mile）工作组提出并进行标准化的，EFM的主要目标是推动以太网技术在用户接入网络中的应用。EPON标准于2004年正式发布，已有的EPON标准只对物理层和媒质访问控制（MAC）子层作了规定，因而MAC层以上的标准还需要各EPON厂商自行开发。IEEE 802.3ah是对IEEE 802.3标准的增补，尽可能沿用IEEE 802.3原有的MAC子层、MAC控制子层以及相关的各物理子层。IEEE 802.3ah也包括了OAM（运营和维护）机制的内容，以便于网络的运维和故障处理。

EFM给出了EPON支持的点到多点（P2MP）的拓扑结构，可通过单一分光器拓扑、树型结构拓扑及混合介质拓扑三种方式实现。EPON标准IEEE 802.3ah通过牺牲一部分性能使得技术复杂度和实现难度得到降低，因而在带宽能力和使用效率方面就会存在不足。为了进一步增强EPON的竞争力，IEEE成立了802.3av工作组并开展了10Gb/s EPON系统的研究，从而使带宽能力得到了提高，但带宽使用效率上尚无明显改善。IEEE 802.3av工作组的目标是重新定义10Gb/s上下行不对称网络架构（下行10Gb/s，上行1.25Gb/s）和10Gb/s上下行对称网络架构，且满足物理层误比特率小于10-12的点对多点的接入技术。为了支持两种速率的接入，IEEE 802.3标准对10G EPON物理层进行了全新定义，目前10G EPON技术也已经成熟，各个运营商也在准备对其进行商用或试商用。

OLT与ONU之间信号传输是基于IEEE 802.3以太网帧的，采用8B/10B的线路编码，数据速率为上下行对称的1Gb/s，线路速率为上下行对称的1.25Gb/s，支持最高1:64的分光比和10km或20km的传输距离。IEEE 802.3以MAC控制子层的多点控制协议（Multi Point Control Protocol，MPCP）机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构。它提供了一种专门的运行管理和维护（OAM）机制，实现对链路监控、远端环回，并可以进行扩展以实现业务层管理功能。

1）EPON分层结构模型

图2-8举例描述了EPON的协议分层，以及与ISO/IEC OSI参考模型之间的关系。数据链路层控制物理传输媒质的访问，包括MAC客户端、操作管理维护OAM、多点MAC控制和MAC，共4个子层。物理层（PHY）构成了整个网络数据传输的基础，它通过吉比特媒质独立接口（Gigabit Medium Independent Interface，GMII）与适配子层（RS）相连，担负着为MAC层传送可靠数据的责任。

EPON物理层定义了物理层编码子层（PCS）、物理层媒质附加子层（PMA）、物理媒质相关子层（PMD）和一个可选的前向纠错（FEC）层。PCS层将GMII发送的数据进行编解码，使之适合在物理媒体上传送。PMA层生成并接收线路上的信号，PMD层提供与传输介质的物理连接，FEC层用于发送数据前向纠错功能。PCS层与MAC层的接口定义为吉比特媒质独立接口（GMII），是字节宽度的数据通道。PMA层与PCS层的接口定义为10位接口（Ten Bit Interface，TBI），是10位宽带的数据通道。PMD层与物理媒质（PX-type）的接口为媒质相关接口（Medium Dependent Interface，MDI），是串行比特物理接口。FEC子层是EPON物理层和吉比特以太网物理层的主要区别，其他各层的名称、功能、顺序没有太大的变化。FEC完成前向纠错的功能，它处在物理编码子层和物理媒质附加子层之间，它的存在使激光器的选择、光分路器的分路比、网络覆盖范围有了更大的自由。

（1）物理媒质相关子层（PMD）

EPON系统应使用符合ITU-T G.652要求的单模光纤。EPON系统为单纤双向系统，上、下行应分别使用不同的波长。其中，1Gb/s通道上行的中心波长为1310nm，波长范围为1260～1360nm；1Gb/s通道下行的中心波长为1490nm，波长范围为1480～1500nm。10Gb/s通道上行的中心波长为1270nm，波长范围为1260～1280nm；10Gb/s通道下行的中心波长为1577nm，波长范围为1575～1580nm。如果要实现CATV（有线电视）业务的承载，则使用的下行中心波长为1550nm，波长范围为1540～1560nm。

（2）物理编码子层（PCS）

PCS实现8B/10B编码转换。由于10比特的数据能有效地减少直流分量，便于接收端的时钟提取，降低误比特率，因此PCS采用把从GMII中收到的8位数据，通过8B/10B编码转换变成10位并行数据输出。在线路上传输的EPON速率为1.25Gb/s，这是经过编码后的数据，因此实际有效数据速率是1Gb/s。

（3）物理媒质附加子层（PMA）

PMA子层与吉比特以太网的PMA子层技术相比没有什么变化，主要功能是完成串并、并串转换、时钟恢复并提供环回测试功能。

（4）前向纠错子层（FEC）

FEC子层处在PCS和PMA子层之间，是EPON物理层的可选部分。发送时，它接收PCS发过来的数据包，先进行10B/8B变化，，然后执行FEC编码算法，用校验字节取代一部分扩展的包间间隔，最后再把整个数据包经过8B/10B编码并把数据发给PMA子层。接收时，FEC子层把从PMA接收到的数据进行译码、插入空闲码后发送给PCS子层。对EPON系统而言，使用前向纠错技术的好处是可以减小激光器的发射功率预算、减少功耗，增加光信号的最大传输距离，增大覆盖范围，有效地减小误比特率，满足高性能光纤通信系统的要求。在同样的接入距离内，采用FEC技术，可以使用更大光分路比的分光器，支持更多的接入用户。采用FEC技术使得价格很低的法布里-珀罗激光器（FP-LD）在EPON系统中应用成为可能，从而减少了系统在光模块上的成本。

2）EPON与标准以太网帧结构的异同

图2-9展示了EPON和标准（传统）以太网在帧结构上的相同和不同之处。以太网的帧长度范围是72～1526字节（未含填充字段）。

标准以太网的前导码由7个字节的8比特交替出现的1和0组成（10101010）。当接收机连续收到7组10101010时（共56比特），则可以判定一个帧的开始。

帧定界符（Start Frame Delimiter，SFD）可以被看做前导码的延续。该字段的组成方式继续使用前导码字段中的格式，这1字节的字段（10101011）的前6个比特由交替出现的1和0构成，最后2个比特为11（10101011），这最后2个比特的作用是当接收机收到最后两位是11时，就知道其后的字节是目的地址等（帧数据）。当控制器将接收帧送入缓存器时，前导码字段和帧起始定界符均会被去除。

目的地址（Destination Address，DA）由6个字节组成，用于确定数据帧的接收者。

源地址（Source Address，SA）由6个字节组成，标识发送数据帧的工作站。

长度和类型字段定义了数据字段包含的字节数及以太网处理完后的数据帧发往上层协议的类型。从目的地址到校验FCS之间字段的帧长度最小必须是64字节。规定最小帧长度可以保证有足够的传输时间用于以太网网络接口卡精确的检测冲突。最小帧长度64字节和使用6字节地址字段的要求，意味着每个数据字段的最小长度为46字节，如果传输数据少于46字节，应填充至46字节。

数据字段（PDU）包括逻辑链路控制数据（LLC）和一个变长的信息数据字段。协议数据单元的最小长度必须为46字节以保证整个以太网帧长至少为64字节。数据字段的最大长度为1500字节。

帧校验（FCS）由4字节组成的循环冗余校验（CRC）值，以检验帧是否出错。

EPON采用的是全双工以太网通信模式，EPON帧结构对标准以太网结构的前导码结构做了一些修改，在前导码中增加了光网络单元（ONU）地址等信息，增加了一个ID标签，说明哪一个光网络单元（ONU）应该接收此数据帧。前导码之外的后续字节定义和标准以太网帧结构是一样的。前导码中包定界符SPD（Start-of-Packet Delimiter）的长度为1字节，其中包含了同步信息，每2ms发送一次同步标记，用于使ONU和光线路终端（OLT）保持同步。3字节长度的保留字节留给未来的扩充功能使用。两字节的逻辑链路标识（Logical Link Identifier，LLID）用于表示本数据包发送给哪一个ONU。帧监测序列（Frame Check Seguence，FCS）用于EPON帧的错误监测，通常采用CRC（循环冗余编码）校验的方式增加前导码的可靠性。

为了保证每个ONU的数据能够被正确的收发，EPON帧结构中引入了LLID，每个ONU都由OLT分配一个本网内独一无二的LLID号。ONU根据EPON帧中的LLID信息来接收和过滤数据包，丢弃不属于自己LLID的数据包。LLID仅在EPON内部有效，ONU接收到EPON帧后，将剥去LLID等信息，转换成标准以太网帧转发给终端用户。

3）多点控制协议MPCP

在EPON系统的上行通信中，得到授权的ONU在规定的时隙发送数据包，其他ONU处于休眠状态，这种模式属于突发通信。为了避免不同ONU上行通道内的数据冲突，EPON在数据链路层采用多点控制协议（Multi-Point Control Protocol，MPCP）。

MPCP是EPON的核心控制协议，其主要功能是通过OLT为ONU动态地分配上行带宽。在系统启动阶段，MPCP实现ONU的即插即用功能，即进行ONU的自动注册、测距和延时补偿。完成上述功能后，MPCP继续处理上行信道的多址控制功能，以实现动态带宽分配（DBA）。

EPON的MPCP协议是依靠多点MAC控制层产生的MAC控制帧来实现的，包括授权处理过程、发现处理过程和报告处理过程三个部分。

● 发现处理过程：新的ONU设备被发现注册后进行EPON，进而被允许发送帧。

● 授权处理过程：采用TDMA方式发送上行数据，在某段时间共享媒质只允许一个ONU发送EPON以太网帧。OLT处于主导地位来控制ONU发送的时间，ONU处于从属地位，只有在接收到OLT授权后才进行数据发送。

● 报告处理过程：通过反馈机制更好地利用PON带宽，ONU上报，向OLT反馈带宽需求；OLT根据收到的报告动态地给ONU分配带宽。

4）EPON关键技术

EPON虽然采用了以太网的帧结构和接口，但是网络结构和工作原理却有很多差异，其中涉及EPON的多个关键技术：

（1）EPON物理层关键技术

EPON在物理层的关键技术有两方面，数据的突发发送和突发接收，以及突发信号的快速同步。

EPON上行方向采用时分复用技术，不同位置的ONU发送的数据采用间插的方式汇集在同一根光纤上。ONU只有接收到OLT的授权后才发送数据，其他时间激光器则处于关闭状态，可见ONU的数据发送采用的是突发模式。在OLT侧，相应地需要突发模式的接收机从不同的ONU来接收数据包。由于OLT和各个ONU之间的距离不等，在EPON链路中的光信号衰减对每个ONU来说是不同的，OLT接收模块在不同时隙收到的光功率不同，在动态带宽应用中，同一时隙可能被不同的ONU所使用，因此相同时隙接收的光信号都可能不一样，这种现象称为远近效应（Near-Far problem）。

远近效应的实质是信号的突发发送和接收，解决远近效应的方法有两种：

一是发送功率控制，允许ONU根据距离OLT的远近，调节自身的发送功率等级，这样最后在OLT处接收到的ONU的功率就是一样的。这种方法的缺点是：会使ONU的硬件变得复杂，ONU的发射机在这种情况下就不能是标准的发射机，需要特殊的信令协议来实现从OLT到ONU的反馈。这样会增加ONU的成本和物理层协议的复杂度，而且使线路传输性能限定在离ONU最远的ONU等级，降低了ONU的性能。

另一种方法是自适应接收，就是通过对接收器接收门限的实时调整，使ONU可以自适应地接收数据。如果说OLT接收器判决阈值较高，则在接收远距离的弱信号时，可能会错误地把“1”判决成“0”；相反如果阈值较低，可能会错误地把“0”判决成“1”。因此，为了正确的检测收到的信号流，OLT接收机必须在每个接收时隙开始的时候，能够快速地调节判决门限，即OLT接收机必须支持突发接收。

物理层的另一个关键技术是突发同步。由于OLT接收到的信号为突发信号，OLT必须能在几个比特的短时间内实现相位同步，进而接收数据。由于上行方向采用TDMA方式，而且在20km的覆盖范围内不同的ONU数据时延最大可以达到0.1ms，为了避免不同ONU的数据时隙发生冲突，必须实现整个EPON全网的同步。系统必须有一个共同的参考时钟，EPON中以OLT的时钟作为参考时钟，每个ONU都以OLT的时钟为基准。OLT周期性地广播发送同步信息给ONU，使其调整自己的时钟。

（2）ONU的自动加入和注册

EPON系统开通运行以后，随着业务的发展，可能需要增加新的ONU，或者发生故障修复后的ONU需要重新加入系统，这些不能影响到其他ONU的正常工作，这时就需要ONU的自动发现和注册机制。当系统第一次启动或者有新的ONU加入时，自动注册机制会通知OLT新增ONU的存在和各项参数，根据这些消息，OLT可以分配给ONU带宽。图2-10描述了ONU自动加入和注册的过程。

光线路终端（OLT）周期性地产生发现时间窗口（Discovery Time Windows），在这段时间内，OLT检测未接入网络的ONU（光网络单元）。ONU通过OLT广播的Gate（选通）消息来得知此窗口，选通消息（Gate）包含了发现窗口的开始时间和时间长度等信息。准备注册的ONU接收到该消息后将等待该周期的开始，然后向OLT发送注册请求消息（Register Request）。在注册请求消息中，包含了ONU的MAC地址以及最大等待授权的数目。OLT接收到有效的注册消息后，即注册该ONU，分配新端口的LLID，并将LLID和MAC地址绑定。在OLT收到并且注册了ONU后，OLT将会发送注册消息（Request）给ONU，该注册消息包含了ONU的LLID和OLT要求的同步时间。完成ONU的发现和注册之后，OLT发送标准的Gate信息给ONU，ONU收到Gate消息后回送注册确认信息（Register Acknowledge）。标准的Gate信息包括了对ONU的授权，注册确认包括了对LLID和时间同步的回应。

（3）测距和时延补偿

在EPON系统中每个ONU与OLT之间的距离都不相同，按照最大20km的覆盖距离，将产生最大200μs的时延。为了避免由于延时的不同造成ONU之间数据的冲突，在EPON系统中是通过测距和时延补偿来实现的。测距是指通过测量OLT到ONU的物理距离，然后把每个ONU都调整到与OLT有相同逻辑距离的过程。带内开窗测距法是EPON中最常用的测距方法，其优点是利用成熟的数字技术、实现简单、精度高、成本低，不足之处是需要占用上行带宽。

带内开窗测距法是由OLT通过时间标签在监测ONU即插的同时发起和完成的，基本流程如图2-11所示。OLT在本地t0时刻，通过下行信道广播时隙同步信号和空闲时隙标记，已在运行中的ONU当地t0时刻检测到一个空闲时隙标记时，将当地计数器重置为与OLT一样的t0，然后在ONU当地时刻t1回送一个包含ONU参数的在线相应数据帧。此时，数据帧的当地时间标签为t1。OLT在本地时刻t2收到该响应帧。通过该响应帧OLT能够获得ONU的参数，同时可以计算与ONU之间的信道环路延时RTT=t2-t1。按照此方法测出所有的ONU的环路延迟的时间，然后按照不同ONU的环路延迟时间，为每个ONU插入一个特定的均衡时延值，使所有ONU在插入均衡时延值后每个ONU都具有相同的环路延时，相当于所有ONU与OLT具有相同的距离，此距离称为逻辑距离。之后，每个ONU按照TDMA技术发送信息时就不会产生数据时隙的重叠和冲突了。

2.吉比特无源光网络（GPON）

吉比特无源光网络（GPON）是基于ITU-T G.984.x标准的宽带无源光综合接入标准。GPON的概念最早由全业务接入网组织（FSAN）于2002年提出，在此之前，FSAN与ITU-T已经提出并标准化了APON/BPON（ATM/宽带无源光网络）技术。FSAN及ITU-T以APON/BPON标准为基本框架，设计了新的物理层传输速率和传输汇集子层（TC）层，开发出了GPON技术和标准。GPON沿用了APON/BPON的很多概念，如动态带宽分配、保护倒换、测距、PLOAM（Physical Layer OAM，物理层运营和维护）消息等，能够提供更强大的OAM和QoS功能。GPON的G.984标准族包括以下内容：

● G.984.1吉比特无源光网络总体特性；

● G.984.2吉比特无源光网络物理媒质层规范；

● G.984.3吉比特无源光网络传输汇聚层规范；

● G.984.4吉比特无源光网络ONU管理控制接口规范；

● G.984.5吉比特无源光网络增强波段；

● G.984.6吉比特无源光网络光通道扩展。

GPON的系统架构，OLT和ONU功能等方面与EPON类似，以下着重介绍GPON特有的技术细节。

1）GPON的主要特点

GPON作为一种国际广泛采用的无源光网络技术，具有以下主要特点：

● 业务支持能力强，具有全业务接入能力，可以同时承载ATM帧或基于通用成帧规程GFP（Generic Framing Procedure）技术的GEM（GPON Encapsulation Method，GPON封装方法）帧，能够同时承载数据语音、视频、PDH/SDH、ATM等业务。

● GPON的速率可以达到2.5Gb/s，理论上的覆盖范围可以达到60km，实际物理覆盖范围可以超过20km，最大光程差可以达到20km。

● 带宽分配灵活，有QoS保证。

● 更有效地支持TDM业务。TDM业务可以映射到GEM帧中，由于GPON的TC帧长也是125μs，因此可以直接支持TDM业务。

● 更有效地适配封装协议。GPON的GEM提供了一种灵活的帧封装协议，支持定长和不定长的封装，对多种业务实现通用映射，不需要进行协议转换，实现简单、开销小，封装效率高达94%，能够充分地利用带宽资源。

● 更强大的OAM能力。GPON除了继承APON/BPON中规定的OAM要求外，从用户和运营商维护管理的角度出发开发出了丰富的业务管理和电信级的网络监测能力。GPON系统提供三种OAM通道：嵌入的OAM通道；PLOAM；光网络终端管理和控制接口（ONT Management and Control Interface，OMCI）。

● 技术相对复杂，成本较EPON稍高。但是随着全球电信产业链的共同努力以及商用规模的逐渐扩大，GPON的成本已经基本和EPON持平。

ITU-T G.984.2对GPON的物理媒质相关子层PMD的传输系统光学特性作出了规范。GPON系统使用符合ITU-T G.652要求的单模光纤。

GPON系统为单纤双向系统，上、下行应分别使用不同的波长，下行通道的中心波长是1490nm，波长范围是1480～1500nm，如果采用第三波长方式实现CATV业务的承载，则中心波长是1550nm，波长范围是1540～1560nm。

GPON的PON侧光接口可以支持Class B+以及C+光模块，上行通道的中心波长是1310nm，波长范围是1290～1330nm。GPON系统支持下行2488.32Mb/s，上行1244.16Mb/s的传输速率。

GPON采用125μs的帧长度，可以更好地适配TDM业务。区别GPON与APON/BPON的本质特征在于传输汇聚层（TC）的适配子层（RS），GPON引入了功能强大的TC适配子层，采用传输汇聚层协议GEM用于多业务的映射封装。GEM的概念与帧格式和通用成帧规程GFP类似。GEM是GPON传输汇聚层专有的适配协议，专为GPON所定制，仅在GPON内部实现各种用户业务的适配封装使用。

2）GPON下行帧结构

GPON的下行帧结构如图2-12所示。下行帧由物理控制块（Physical Control Block，PCB）和有效荷载（净荷）组成，净荷包括ATM段和GEM段。

GPON的下行物理控制块PCBd（Physical Control Block for downstream）如图2-13所示，包含如下信息：

● Psynch域，即物理层同步域，长度4字节，用来实现帧同步。

● Ident域，即标识符（Identifier）长度为4字节，包含一个8kHz的计数器，一个下行FEC状态比特，一个加密关键字比特，保留8个状态比特留作未来扩展使用。

● PLOAMd域，用于携带下行物理层信息，共13字节：一个字节的ONU ID表明此数据所属的ONU的ID号码，ID号的范围是0～253，0xFF用于广播；一个字节的Message ID用于指示消息类型；10字节的Message用于传送PLOAM（物理层运行和维护）的消息净荷；最后一个字节为CRC校验，用来判断所发送数据的正误。

● BIP域，即比特间插奇偶校验（Bit Interleaved Parity）域。用于对传输的字节进行BIP-8校验，以此来计算误比特率BER。

● Plend域，下行净荷长度为（Plend）4字节，用于指示下行数据长度、ATM上行带宽映射（US BW Map，Upstream Bandwidth Map）的长度和CRC标识。为了防止错误，该区域会被传送两次。

● US BW Map（上行带宽映射）域，8字节结构向量数组。数组中每个实体代表一个特定的T-CONT（Transmission Containers，传输容器）的带宽分配，映射（Map）中实体的数量在Plend域中指定，如图2-14所示。

US BW Map由N个实体构成，每个实体代表一个T-CONT，为特定的ONU的带宽分配。其中，Alloc ID（配量识别）用于识别特定的T-CONT；Flags（标志）用于标识指定的ONU上行物理层相关开销传输状态；Start标识上行传输窗口的有效数据传输的开始时间，以字节为单位，上行帧的起始点被指定为0；Stop标识上行帧传输窗口的停止时间，从0开始指出此次分配的最后一个有效的数据字节；最后是1字节的CRC校验，实现差错控制。每个T-CONT的数据长度等于相应的Stop时间减去Start时间。

GPON下行帧中的US BW Map的主要功能是对上行业务流实现媒质接入控制。通过US BW Map中的指针信息来指示上行数据流中相应的ONU开始和结束传输的时间，保证在任何时间内只有一个ONU能够访问媒质，在正常工作的情况下不会发生数据冲突。这里的指针以字节为单位，允许OLT以64kb/s的颗粒度对媒质进行高效的带宽控制。OLT的应用也可以选择更大的颗粒度，通过动态带宽颗粒度设置和带宽分配达到更好的带宽控制。

3）GPON上行帧结构

GPON的上行数据来自于不同的ONU，按照OLT所分配的时隙来传输，ONU按照TDMA以突发模式发送数据，OLT为了能够正确地收到每个ONU的突发帧，在上行数据中也需要一定的开销字节来支持上行突发模式数据的发送，如图2-15所示。

GPON上行（Upink）帧结构由帧头和净荷两大部分组成，帧头包括四种类型的开销，净荷区域长度恶变，用于承载用户数据。帧头的开销和功能如下：

● 上行物理层开销（PLOu），位于上行数据帧的起始位置，用于保证突发模式的上行数据的正确传输操作，包括前导码、定界符、BIP校验码、PLOAMu和FEC指示，以及ONU实时状态报告。

● 上行物理层管理的OAM（PLOAMu），它携带上行PLOAM信息，消息格式与PLOAMd相同。

● 上行功率等级序列（PLSu），它携带ONU的光功率等级，上报给OLT。OLT根据PLSu信息来调整ONU的发光功率，减小OLT的动态发光范围。

● 上行动态带宽报告（DBRu）。ONU通过DBRu告知OLT其数据队列长度，OLT根据此信息进行动态带宽分配。此信息还用于进行CRC保护，以确保DBRu的正确传送。

GPON上行数据净荷部分包括ATM上行净荷、GEM上行净荷以及动态带宽分配（DBA）报告部分。净荷区域首先安排ATM净荷，OLT尽量使ATM信元净荷为53字节的整数倍；之后是GEM帧（即GEM格式封装的帧），包含了若干GEM帧；最后是上行动态带宽分配净荷，包含所查询ONU的动态带宽分配报告。

4）GEM帧结构

从技术的本质上来讲，GPON的GEM帧封装格式源于通用时帧规程GFP，因此GEM帧格式与GFP非常相似。GEM为GPON提供了一种灵活的帧封装协议，支持定长和不定长的封装，对多种业务实现通用映射，不需要协议转换，使实现过程比较简单，可以充分利用带宽资源。GEM封装的用户数据帧结构如图2-16所示，最大可以支持4095字节，如果用户数据帧长度超过4095字节，用户数据会被分成小片。例如，以太网数据帧长度最长为1518字节，因此以太网数据不需要分片。如果数据被分片，到达目的地后会被恢复成原始的帧长度。GEM帧的组成如下：

● 净负荷长度指示（PLI），长度为12比特，用于指示GEM封装帧净荷的长度（长度范围为0～4095字节）。

● 端口ID，长度为12比特，用于指示该数据分片属于哪个端口的业务。最多可提供4096个端口ID，用于支持多端口复用。

● 净负荷类型指示（PTI），长度为3比特，用于指示净荷的类型、是用户数据还是OAM信息、是否发生了拥塞、是否是分片的末端等信息。

● 帧头差错校验（HEC），长度为13比特。

5）GPON功率电平调整和FEC功能

GPON系统的关键技术与EPON类似，包括突发模式的光发送和接收，突发信号的快速同步，测距和时延补偿，功率电平调整，FEC功能，动态带宽分配等。下面主要介绍一下功率电平调整和FEC功能。其他与EPON类似的关键技术不再描述。

在OLT接收机的突发接收方面，GPON中考虑了功率电平调整的设计，上行帧结构中引入了功率电平调整相关的开销：上行功率等级序列PLSu（Power Lever Sequence upstream）。这个开销携带有ONU的光功率等级信息，上报给OLT，OLT根据PLSu信息来调整ONU的发光功率电平，减小OLT的动态接收光功率的范围。使用功率电平调整机制不仅减小了OLT接收机的动态范围要求，而且可以使ONU能在低损耗光分配网络中采用低发射功率，从而增加ONU激光器的使用寿命。

为了保证高速数据传输的完整性，并尽可能降低光收发模块的成本，GPON标准规范了一个解决方案，使用前向纠错技术FEC（Forward Error Correction）。数据的高速传输会降低接收机的接收灵敏度，而且色散对传输的影响随着速率的升高会变得逐渐明显，这些会造成误比特率的升高。在GPON中使用FEC技术，可以在保证高速数据正确传输的情况下，降低3～6dB的光功率需求，从而扩大GPON的覆盖范围。

FEC是一种数据编码技术，由接收方进行差错校验。接收方不仅能发现差错，而且可以确定错误发生的位置，加以纠正，无须通知发送方重发。在FEC中，经编码的冗余信息和原始数据一起传输。GPON的传输速率是2.488Gb/s，经过FEC之后，线路上传输的速率可能变为2.655Gb/s，多余出来的数据（167Mb/s）就是编码的冗余，FEC通过经一定算法附加的这些冗余信息来判别并纠正误码。考虑到要保证传输的效率，FEC冗余信息量通常比较小，如果希望在线路严重劣化情况下能够恢复数据传输错误，就需要更多的冗余信息量，这样一来传输效率就会降低。

FEC中最普遍的编码方式是循环冗余编码CRC。循环冗余编码的表示方法是（n，m），m表示原始信息比特数，n表示经过编码后比特数。最普遍使用的循环冗余编码是RS（Reed Solomon，里德-所罗门）FEC编码方式，典型的是RS（255,239），即239比特信息经过FEC编码后变为255比特。

使用FEC可以扩展GPON的覆盖范围，1:64分光比的情况下最高可以达到30km。FEC前向纠错是在数据发送前进行编码的，RS（255,239）编码在每239个数据字节后插入16字节的校验码。如果接收端不支持FEC，可以忽略校验比特，直接处理原始数据。

2.1.3 下一代PON技术

随着EPON/GPON在全世界大规模的部署，以及用户对带宽需求的快速增长，PON后续技术的升级方案也被广泛关注。10G EPON和10G GPON分别作为EPON和GPON的演进技术，已经在IEEE和ITU组织中进行了标准化工作，设备也逐渐成熟，基本达到了商用水平。但是，无论是10G EPON还是10G GPON，都仍属于TDM-PON的范畴，在1:128分光比的条件下，可以提供每个用户大约100Mb/s的接入带宽。TDM-PON的上行通道需要工作在突发模式，当速率超过10Gb/s之后，设计生产工作在突发模式下的激光器变得非常困难。在寻求下一代PON技术的时候，一些其他的复用方式进入了人们的视线，如波分复用PON技术（WDM-PON）、波分时分混合复用PON技术（40G GPON）以及正交频分复用PON技术（OFDM-PON）。相关的标准化工作也在FSAN等标准组织中列入了日程。以下着重介绍当前关注度较高并且开发程度较深的WDM-PON技术。

WDM-PON的上、下行通信均采用波分复用，每个用户占据一个独立的波长，上、下行方向上所有该用户的信息均在这个波长上传输。相比传统意义上的TDM-PON，WDM主要的优点是：物理隔离，每个用户独享一个专有的波长，没有抢占带宽和安全性的问题；每用户带宽可以提高到2.5Gb/s甚至更高；数据链路层结构简单，不需要TDM-PON的多点控制协议（MPCP），可以直接采用以太网的帧结构，协议非常简单。

WDM-PON的核心技术是接收和发送端的无色光模块技术，以及如何实现光模块的低成本要求。WDM-PON技术的规模商用首先需要解决光模块的互换性，尤其是ONU侧光模块；固定波长光源的方案难以应用于商用的WDM-PON中；ONU不能因为用户的不同而有所区别，这样才能避免分类仓储的复杂问题。为了实现WDM-PON光模块的无色特性，当前有几种解决方案，其性能和成本有所差别。

1.使用可调激光器的WDM-PON方案

图2-17描述的是一个典型的使用可调激光器实现无色光模块技术的WDM-PON系统。OLT和ONU侧的激光器均采用可调激光器，系统会根据用户所处的位置通过协议命令修改发送和接收侧的工作波长，来实现无色技术。可调激光器WDM-PON方案的优点是速率比较高，可达单波长10Gb/s，一般采用分布反馈（Distributed Feedback，DFB）型激光器，线宽较小，受色散的影响较小，可以传输的距离比较远，综合性能比较好。缺点也同样明显，可调激光器在WDM-PON系统中需要调节的范围较大，通常达到几十纳米的级别，实现这样宽谱的可调激光器成本非常高，如果成本不能大幅下降，接入网是无法承受的。

2.外置宽谱光源注入锁定的WDM-PON方案

图2-18描述了一个外置宽谱光源实现WDM-PON的方案。在OLT和ONU两侧均采用法布里-珀罗类型的激光器（FP-LD），另外需要配置两个宽谱光源（Broad Light Source，BLS）。两个宽谱光源发出的自发放大辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光通过阵列波导光栅AWG器件后发射到注入锁定的FP-LD激光器，当ASE光通过AWG之后，由于AWG的滤波效应，ASE将变为某个特定波长的信号光谱，通过注入锁定的FP-LD激光器后，就会形成适配AWG波长的信号光源，以此来实现系统的无色光模块技术，解决分类仓储的问题。

这种方案的缺点在于需要两个大功率平坦输出的BLS作为种子光源，占用机框空间较大，设备形态比较特殊。另外，BLS在AWG的滤波中会损失大量的能量，功率浪费较多；BLS成本也比较高，接入网很难负担。从技术角度上来讲，此方案通道数和传输速率比较受限，实现64通道有一定的困难，速率也受限于1.25Gb/s。

3.波长重使用的WDM-PON方案

图2-19是一个通过波长重使用来实现WDM-PON技术的方案。比起外置宽谱光源注入锁定FP-LD的方案，这个方案最大的优势是只需要一个宽谱光源BLS。BLS发出的ASE光谱通过AWG后注入到左边的OLT端。由于AWG的滤波效果，在反射半导体光放大器（Reflected Semiconductor Optical Amplifier，RSOA）注入锁定之后，发出的是特定波长的信号光谱。这个信号光谱在右边的ONU侧被接收，接收之后ONU侧会擦除光谱中的信息（即信息被下载），擦除信息后的光谱会作为ONU侧RSOA激光器的注入锁定的种子光源，在同一个波长下再调制上ONU侧的新信息后发射出去。WDM-PON中的无色技术通过这种方式实现，并且上下行采用相同的波长，波长资源的利用率比较高。

这个方案的缺点和外置宽谱光源注入锁定FP-LD的方案比较类似，例如，BLS的设备形态比较特殊，能量在通过AWG时浪费比较严重，BLS的成本较高，通道数和速率比较受限，实现64通道有一定的困难，速率也受限于1.25Gb/s。此外，由于减少了一个BLS宽谱光源，上行的性能也比较受限。上行波长的重使用降低了消光比。为了擦除下行光谱中的信息，ONU侧的RSOA始终需要饱和工作，这样功率预算受到的影响很大。另外，波长重使用的机制非常复杂，需要根据下行数据动态地调整RSOA工作的偏置电流。

4.自注入RSOA的WDM-PON方案

图2-20描述的是通过自注入RSOA实现WDM-PON技术的方案。RSOA发出的是一个覆盖很大范围的宽谱光源，当这个宽谱光源通过AWG时，会被AWG过滤成一个特定波长的信号光源。在AWG之后，有一个无源的反射镜，信号光在通过反射镜时会有一部分能量反射回本端的RSOA。反射的光注入回RSOA，形成新的工作在特定波长的信号光谱。如此反复，当反射镜的反射系数为某值时，可以使反射镜与本端RSOA之间形成谐振腔，当光信号在其中振荡起来以后，可以形成该特定波长的稳定的输出光谱。这个方案的优点是比较简洁，只需要两个额外的无源光反射镜即可实现无色光模块技术，对现有设备形态的改动非常小。无源光反射镜的成本也较低，适合接入网低成本的要求。此外，自注入RSOA方案的通道数可以扩展到64通道，单通道的数据速率也可以达到10Gb/s。这个方案的缺点是通过反射注入的RSOA产生的信号光谱消光比较低，另外光发射器的规格参数有所变化，有待标准化。

总体来讲，WDM-PON作为下一代PON的可选技术，几个方案各有优劣。下一代PON究竟采用何种技术，如果采用WDM-PON技术的话，具体方案的选择将由未来几年技术和设备形态的进展、标准的推动情况以及业务的驱动等因素综合决定。

2.1.4 接入精细化管道技术

对于智能管道所提倡的精细化管道技术，ITU-T标准中详细的规定了GPON的QoS能力。GPON系统对动态带宽分配（DBA）的要求更加具体。每个控制单元T-CONT（传输容器）中都需要实现DBA功能。在DBA操作中，每个T-CONT有两种模式，一种模式是状态报告型DBA，另一种模式是非状态报告型DBA，每个OLT都必须支持两种模式的DBA。ONU可以选择支持两种模式中的一种或者两种都支持。

在状态报告型DBA操作模式下，当ONU向OLT传输上行流时，将上行动态带宽报告DBRu（Dynamic Bandwidth Report upstream）的DBA域设置为T-CONT缓存里的信元数，或者区块数，或者其他能够反映状态/带宽请求的参数。如果OLT不允许某个T-CONT的上行数据，可以只分配DBRu的时间，OLT收到报告后并不总是根据报告来更新带宽。如果T-CONT因为某种原因无法报告缓存里的信元数或者区块数，将在DBA域里设为无效的代码。在这种模式下，如果OLT需要报告，DBA域的传输就是强制的，可以视为丢失了DBA域，使整个上行数据帧格式都是无法识别的。在非状态报告型DBA操作模式下，OLT通过自动检测到来的业务，来识别每个T-CONT的拥塞状态，OLT不需要利用DBRu域和DBA域中的信息，因此DBRu域和DBA域将不会被传送。

与其他PON技术比，GPON可以提供QoS的全业务保障，提供很好的服务等级、支持QoS保证和全业务接入的能力。IP网络提供的是尽力而为的服务，因此网络缺乏可靠性和QoS保证。GPON能够在一个统一的接入平台上实现TDM业务与IP业务的汇聚，并满足所需的QoS。GPON综合了APON/BPON和EPON各自在QoS方面的优势，完善了服务等级协议SLA（Service Level Agreement），用户服务有保障，服务质量也有保证。

GPON中对不同等级的QoS业务的区分是通过传输容器T-CONT来实现的。GPON的传输汇聚层定义了五种类型的T-CONT。通过五种类型传输容器，把不同优先级和不同类型的业务映射到不同的T-CONT中。通过T-CONT为控制单元的带宽分配，可以区分和保证不同业务的不同QoS要求。五种类型的T-CONT如表2-1所示。

OLT检测每个T-CONT的业务负荷，通过使用US BW Map中的指针信息，安排ONU的传输方式来保证QoS。例如，当连续分配资源以提供TDM业务应用时，业务数据会被指定短而重复的传输周期指针。