光纤到户-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。通过使用具有 1:32 分光比的 B+ 级光学器件，它可以提供 20 公里的覆盖范围和 28dB 的光学预算（如下图所示）。

千兆位无源光网络

GPON系统支持以下速率 -

  • 上行 155 Mbps，下行 1.24416 Gbps
  • 622 Mbps 上行，1.24416 Gbps 下行
  • 上行 1.24416 Gbps，下行 1.24416 Gbps
  • 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特性

该演进技术基于 BPON GEM。以下是它的特点 -

下行传输

  • 2.4Gbps
  • 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

  • 1.24Gbps
  • 可以保证最小BW
  • 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 提供综合服务解决方案，例如 -

  • 它支持三重播放服务。

  • 为了打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。规格是 -

  • G.984.1 - 本文件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
  • 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 - 本文档描述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

PON系统可以是对称的或非对称的。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 物理媒体相关层

G.984.2是GPON系统物理层的规范。物理层解决以下领域 -

  • 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能力的组件，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 类光学器件：5 至 20dB
  • B 类光学器件：10 至 25dB
  • C 类光学器件：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 由三个主要部分组成 -

  • 服务口接口功能
  • 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

PON核心壳

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。

  • 交叉连接外壳- 该外壳提供 PON 核心外壳和服务外壳之间的通信路径。

  • 服务外壳- 该外壳用于服务接口和 PON 部分的 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

ONT/ONU接口

光网络终端(ONT)，上行连接到OLT，作为业务网络接口，具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- 通常是用户服务接口，例如 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。

  • 用于商业 ONT 的 UNI 端口- 除上述端口外，还可能包括用于关键系统的 10/100/100Base-T 路由器和 L2/L3 交换机接口以及 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 的功能结合在单个设备中。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都是非常无源的。

光分配网络

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）

是规定的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 过滤下游 GEM 帧，并仅处理属于该 ONU 的 GEM 帧。

下游流量

上行流量（ONU/ONT 至 OLT）

ONU内的业务承载实体由OLT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。

对不同 Alloc-ID 的带宽分配按照 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，业务流量被承载到不同的GEM Port，然后承载到不同的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。

上游流量

G-PON 传输汇聚层 (GTC)

G-PON 协议套件的协议层，位于物理介质相关(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

下行帧的持续时间为125微秒，长度为38880字节，对应的下行数据速率为2.48832 Gbit/s。下游 GTC 帧由下游物理控制块 (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sync、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 层框架

上行GTC帧持续时间为125μs。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相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 * 53字节长度）
  • GEM 分区（现在首选方法）
GPON 有效负载

ATM机隔断

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 信元的数量。
  • 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 报头中的 VPI 接受 ATM 信元。

创业板分区

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封装方式

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，标头包含以下字段 -

  • 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）。
  • 报头纠错字段（BCH(39,12,2)码+1b偶校验）

GEM 标头在传输前与 B6AB31E055 进行异或。

GPON封装方式

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 帧可能会分段（参见下一张幻灯片）。

GEM 以太网

通过 GEM 传输 TDM 流量时 -

  • TDM 输入缓冲区每 125 毫秒轮询一次。
  • 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。
  • 往返延迟限制为 3 毫秒。
GEM 以太网

GEM 上的 TDM

TDM 优于 GEM

GEM 可以对其有效负载进行分段。例如，未分段的以太网帧，如下图所示。

未分段的以太网帧

下图描述了分段以太网帧。

以太网帧碎片。

GEM 出于以下两个原因之一对有效负载进行分段 -

原因 1 - GEM 框架不能跨过 GTC 框架。

GEM 碎片有效负载原因 1

原因 2 - GEM 帧可能会被延迟敏感数据抢占。

GEM 碎片有效负载原因 2

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开始使用新密钥的准确时间。

服务质量——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。有 5 种类型的传输容器 -

  • 类型 1 - 固定带宽。
  • 类型 2 - 有保证的 BW。
  • 类型 3 - 分配的 BW + 无保证的 BW。
  • 类型 4 - 尽力而为。
  • 类型 5 - 以上所有类型的超集。

GEM 添加了几个 PON 层 QoS 功能 -

  • 碎片可以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。