华为-GPON原理介绍
GPON原理介绍
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第1章导读 (1)
第2章 What (2)
2.2 引经据典 (2)
2.3 GPON相关标准 (2)
2.4 GPON封装方式：ATM和GPON封装方式（GEM） (4)
2.5 传输速率 (4)
2.6 缩略语 (4)
第3章 How (6)
3.1 GPON协议分析 (6)
3.1.1 GPON协议栈 (6)
3.1.2 GPON标识 (12)
3.1.3 业务映射方式 (14)
3.2 GPON关键技术 (15)
3.2.1 GPON帧结构 (15)
3.2.2 业务承载能力 (18)
3.2.3 管理和业务发放 (19)
3.2.4 QoS &. DBA (20)
3.2.5 其他 (21)
3.3 GPON解决方案 (24)
第4章 Why (26)
4.1 FTTN/FTTB/FTTH，“光进铜退”的多种建设模式 (26)
4.2 GPON与EPON，FTTB/H的技术选择 (27)
4.3 商业模式和产业链制约着FTTH的发展 (27)
4.4 成本和互通性是EPON、GPON技术选择的决定因素 (28)
4.5 GPON发展展望 (29)
第5章总结 (30)
第6章What’ more (32)
6.1 关于FSAN和GPON的提出 (32)
6.2 APON、EPON（GEPON）与GPON (32)
6.3 xPON系统测试内容 (33)
6.3.1 光接口指标测试 (33)
6.3.2 PON的基本功能 (33)
6.3.3 多点控制协议功能 (34)
6.3.4 动态带宽分配功能 (34)
6.3.5 传输能力 (34)
6.3.6 TDM业务支持能力 (34)
6.3.7 组播功能 (34)
6.3.8 2、3层功能 (35)
6.3.9 OAM功能 (35)
6.3.10 互通性测试 (35)
6.4 GPON应用于基站传输的分析 (35)
关键词：
GPON GTC OMCI DBA T－CONT
摘要：
本文介绍了GPON的实现原理，希望能够帮助工程师进行GPON技术的学习，对相关产品学习起辅导作用。
缩略语清单：
FTTH：Fiber To The Home 光纤到户
PON：Passive Optical Networks 无源光网络
OMCI：ONT Management and Control Interface ONT管理控制接口
参考资料清单：
ITU-T G.984.1：General characteristics for Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON)
ITU-T G.984.2：Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification
ITU-T G.984.3：Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Transmission convergence layer specification G.984.3
ITU-T G.984.4：Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): ONT management and control interface specification
第1章导读
本专题可以视作对GPON标准学习的笔记，内容尽可能的详尽并忠实反映ITU －T G.984.x标准的内容，学习完本专题的全部内容，您应该可以达到对GPON特性的全面了解。
由于本文定位是原理专题，对于大多数技术支持工程师而言，因为涉及到协议栈、帧结构等内容，可能会略显深涩，阅读时可以择要进行了解，建议您先参考配套胶片，并对感兴趣的模块进行选择并深入学习。
?概要性的了解，请直接参考本文第5章的总结部分，这部分尽量用最简练
的语言总结出GPON原理特性
?需要对GPON解决方案有所了解，可以参考3.2和3.3章节
?花边新闻，可以参考第6章内容
?可以参考的胶片和文档
?《华为技术》(2006－10 固网专刊)
?《FTTx网络配置方案》访问路径：support知识中心> 接入网>
光接入> 光接入公共
?《GPON QoS专题介绍》访问路径：support知识中心> 接入网>
光接入> 光接入公共
第2章 What
PON（Passive Optical Network 无源光网络）是指ODN（Optical Distribution
Network 光配线网）中不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路
器（Splitter）等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。一个无源光网
络包括一个安装于中心控制站的光线路终端（OLT），以及一批配套的安装于
用户场所的光网络单元（ONUs）。在OLT与ONU之间的光配线网（ODN）
包含了光纤以及无源分光器或者耦合器。
图2-1GPON参考结构 Reference configuration for GPON
2.2 引经据典
ITU－T G.984.1：GPON systems are characterized in general by an Optical
Line Termination (OLT) system and an Optical Network Unit (ONU) or
Optical Network Termination (ONT) with a passive Optical Distribution
Network (ODN) interconnecting them. There is in general a one-to-many
relationship between the OLT and the ONU/ONTs respectively.
IT Wiki：GPON技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接
入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点，被
大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。
2.3 GPON相关标准
?G.984.1 GPON总体特性说明 (2003/03)
?GPON网络参数说明
?保护倒换组网要求
?建议的接口类型和业务类型
?G.984.2 GPON PMD（Physical Media Dependent）层规格要求
(2003/03)
?ODN参数规格要求
? 2.488Gbps下行光接口参数规格要求
? 1.244Gbps上行光接口参数规格要求
?物理层开销分配
?G.984.3 GPON TC（Transmission Convergence）层规格要求 (2004/02
初稿，2005/07修订案)
?GTC复用结构及协议栈介绍
?GTC帧结构介绍
?GTC消息（PLOAM）
?ONU注册激活流程
?DBA规格要求
?加密和FEC
?告警和性能
?G.984.4 OMCI（ONT Management and Control）接口规格要求
(2004/06初稿，2005/06修订案)
参考G.983.2 BPON OMCI接口规格要求
?OMCI消息结构介绍
?OMCI设备管理框架
?OMCI ANI（上行接口）相关实体说明
?OMCI UNI（用户接口）相关实体说明
?OMCI 连接管理和流量管理相关实体说明
?OMCI实现原理简述
2.4 GPON封装方式：ATM和GPON封装方式（GEM）
ATM方式是已有APON/BPON标准的一种演进，所有业务流在用户端被封装
并被传回中心局。
GEM方式是为GPON量身定做的一种封装格式，来源于SONET/SDH通用
成帧协议GFP，它能对全业务进行映射并穿越GPON网络。GEM支持以固
有格式传输数据，无需附加ATM或IP封装。GEM从帧结构而言和其他的数
据封装方式类似，但是GEM是内嵌在PON中的，它独立于OLT端的SNI
和ONU端的UNI，只被识别于GPON系统内。
2.5 传输速率
?0.15552 Gbit/s up, 1.24416 Gbit/s down
?0.62208 Gbit/s up, 1.24416 Gbit/s down
? 1.24416 Gbit/s up, 1.24416 Gbit/s down
?0.15552 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down
?0.62208 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down
? 1.24416 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down
? 2.48832 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down
2.6 缩略语
表2-1缩略语清单
第3章 How
3.1 GPON协议分析
3.1.1 GPON协议栈
图3-1GPON协议栈
从控制和业务的角度，GPON由控制/管理平面和用户平面组成。其中C/M平
面完成的工作包括，管理用户数据流、完成安全加密等OAM功能；U平面完
成用户数据流的传输。
1. GTC协议栈
?GTC成帧子层（GTC Layer）
?复用解复用功能
?帧头的产生和解码
?基于Alloc-ID的内部交换功能
?适配子层（TC Adaptation sublayer）
由ATM TC适配器，GEM TC适配器和OMCI适配器组成。ATM和GEM TC 适配器处理从各种GTC成帧子层来的PDU，以及将这些PDU分到各自的分区。此外还可以通过VPI/VCI或Port-ID识别OMCI通道，OMCI适配器可以和ATM和GEM TC 适配器交换OMCI通道数据并把它传送到OMCI实体。
图3-2GTC协议栈
2. C/M平面
G.984.3定义：The control and management planes in the GTC system
consist of three parts: embedded OAM, PLOAM and OMCI. The embedded OAM and PLOAM channels manage the functions of the PMD and the GTC layers. The OMCI provides a uniform system of managing higher (service defining) layers.
其中EOAM和PLOAM供物理层和传输汇聚层使用，而OMCI供高层应用使用。后面内容可以和本文3.2.1章节的GPON帧结构结合来学习。
?Embedded OAM（Operations, Administration and M aintenance）
OAM信息直接映射到帧中的相应域，保证了控制信息的传送与处理实时性。
嵌入式OAM通道通过GTC帧头中域格式信息来提供(BDMap，DBRu等)。
功能包括：带宽授权，密匙轮换和动态带宽分配信令（DBA的功能属于EOAM 的一部分）。DBA帧还可以作为上行帧的净荷传输。
?下行帧帧头PCBd（下行物理层控制块）：其中US BWMap用来控制
上行帧中的在各Alloc ID的时隙分配；
?上行帧帧头：DBRu（Dynamic Bandwidth Report upstream）。
?上行帧净荷：DBA帧。
?PLOAM（Physical Layer OAM）
PLOAM用于物理层的OAM，传送物理层和TC层中不通过OAM信道传送的所有信息。G.984.3定义了19种下行PLOAM信息，9种上行PLOAM信息，可实现ONU的注册及ID分配、测距、Port ID分配、VPI/VCI分配、数据加密、状态检测、误码率监视等功能。通过信息交互方式实现，实时性低于嵌入式OAM通道的低时延通道。
?下行帧帧头PCBd：其中PLOAMd；
?上行帧帧头：PLOAMu；
这两个域都是13Byte。作为PLOAM的通道用于传递PLOAM的Message。
其中ONTID指明了需要处理该Message的ONT。当为FF时，所有的ONT 都处理。PLOAM消息各个字段定义：
表3-1PLOAM消息格式
?ONU ID： It addresses a particular ONU. During the ranging protocol,
the ONU is assigned a number, ONU-ID. This ONU-ID can be from
0 to 253. For broadcast to all ONUs, this field is set to 0xFF
?Message ID： Indicates the type of the message
?Data： These octets are used for the payload of the GTC messages
?CRC：生成多项式为x8 + x2 + x + 1
?OMCI（ONU Management and Control Interface）
对ONT的管理和控制接口（OMCI），由G.984.4定义。提供了另一种OAM 服务，用于实现对高层的管理。OMCI类似于SNMP，是OLT和ONT之间运行的协议，是终端管理的协议。
OMCI首先规定了与协议无关的管理信息库（MIB）被管实体（Managed Entity），定义了OLT和ONT之间的信息交互模型。然后描述了ONT管理和控制信道、协议及详细的消息定义。
OMCI实现GPON网络集中业务管理的信令传输通道，信息作为数据净荷可封装在ATM信元或GEM帧中进行传输，取决于ONU提供的接口类型。其实时性最低，处理层次高，并保证了开放性、可扩展性的特性。包括：
?ONU可实现的功能集
?T－CONT业务种类与数量
?QoS参数协商。
注：
OMCI的特定通道是在ONT初始化注册时通过PLOAM的特殊信元过程建立起来的。
图3-3C/M平面协议栈
3. U平面
G.984.3定义：Traffic flows in the U-Plane are identified by their traffic type
(ATM or GEM modes) and their Port-ID or VPI. The traffic type is implicitly indicated by which downstream partition or upstream allocation ID (Alloc-ID) carries the data. The 12-bit Port-ID is used to identify flows in the case of GEM traffic. The VPI is used to identify flows in the case of ATM traffic.
Moreover, concept of T-CONT specified in G.983.4 is introduced. T-CONT is identified by Alloc-ID and is a bundle unit for traffic flows. Bandwidth assignment and QoS control are performed in every T-CONT by BW allocation via variable number of time slots control. It is noted that ATM and GEM encapsulated traffic cannot be mapped into one T-CONT and cannot have the same Alloc-ID.
GPON在传输过程中可以通过初始化选择的方式，选取ATM模式和/或GEM 模式。以GEM传输模式为例：
在下行方向，GEM帧通过OLT封装在GEM块中传输到ONU，ONU的成帧子层对GEM帧进行解压，然后交由适配子层根据Port－ID进行过滤，使含有相应Port－IDGEM帧到达GEM客户端。
在上行方向，GEM通过一个或多个T－CONT进行传输，每个T－CONT只和一个或多个GEM流相关，这样保证复用时不会产生错误。
图3-4U平面协议栈
3.1.2 GPON标识
1. T－CONT（Transmission Containers）
象PON一样的树形共享媒体接入网络需要分布式复用功能，将需求不同的许
多用户和业务汇聚在一起。为了保证QOS敏感的业务不受其他业务的影响，
需要更高层次的汇聚，在PON称为T-CONT。
一个T-CONT对应一种带宽业务流，这种业务流有自己的Qos特征，Qos特
征主要体现在带宽保证上，分为固定带宽，保证带宽，保证/不保证带宽，尽
力转发，混合方式五种。T-CONT的主要是从带宽的保证角度而不是从业务
的种类（如CBR，UBR等，这里包含了带宽、延时、抖动等等的考虑），来
划分的。
每个T-CONT用Alloc-ID来标识。每个T-CONT的流量由多个VP或Port组
成。而每个T-CONT中的VP或Port可以是来自任意ONU的。T-CONT是
业务流量的集合体，通过Alloc-ID标识，一种T-CONT只能承载一种数据类
型。
T-CONT如同access list一样。可以指定一个T-CONT最大、最小带宽，然
后在配置某个端口的时候引用access-group。这个这个Port就加入到该
T-CONT了。相当于PVC的流量模板。
2. PORT
GPON的GEM与ATM部分类似也是面向虚连接的。在OLT和ONT之间必
须建立虚连接才能转发数据。每个GEM的连接用PortID来标识。
T-CONT是从带宽的角度标识各种业务流的类型，而Port ID标识的是ONU
的业务虚端口（虚连接），即标识是具体的业务流承载的通道，这种通道是
虚拟的，PortID是能起到地址的作用，如同VP一样。
可以将各种业务与GEM的虚连接关联起来，比如将某种Vlan的所有流量映
射到某个Port/VP上，或将没个源MAC的所有流量映射到某个Port上，也可
以将一种流（流分类规则定义出来的流）作为一种业务由某个PortID来标识。
在这里，PortID的用法和含义与VPI/VCI完全一样。
3. GPON地址
GPON是点到多点的结构，下行需要地址（或者连接标识），并且OLT终结
了GEM不转发。
ONU的地址（或者连接标识）是VPI或Port-ID, ONU只接收自己对应的
VPI或Port-ID的报文。发往OLT的报文也携带自己的VPI或Port-ID。这点如同PPP的session ID和ATM的PVC。
?OLT无需地址，但是它需要知道用户流Alloc-ID。
?每个ONT中有三个ID，都可以起到地址的作用：ONT ID，ALLOC ID，
PORT ID。
?ONT ID：每个ONT一个；
?ALLOC ID：每个ONT上可以有多个T－CONT，每个T－CONT对应
一个由系统自动生成的ALLOC ID（ALLOC ID＝256×T-CONT
ID+ONT ID），各ONT的各个ALLOC ID不同。
?PORT ID：每个ONT上每个T－CONT都可以有多个PORT ID，每个
PORT ID只能属于一个T－CONT，同一个PON端口下的PORT ID不
能重复。
图3-5GPON复用结构
注：
ATM上的各种业务AALX的标识，是靠封装的格式识别的。而PON上是靠Alloc-ID的。这样PON少了一次封装，效率显然高于ATM。
ATM每个信元都要进行AAL的业务封装，而PON就不用，PON全靠Alloc-ID 这个数字来标识。
3.1.3 业务映射方式
1. TDM业务在GPON中的映射
?TDM业务先导入缓存中进行排队，并且按照固定的字节数复用到GEM帧
中进行传输。
?这种方式不对具体的TDM业务进行感知，只进行透传处理。
?GEM帧具有定长的特点，对TDM业务传输非常有利。
图3-6TDM业务在GPON中的映射
2. Ethernet业务在GPON中的映射
?GPON系统对以太网帧进行解析，将数据部分直接映射到GEM Payload
中去进行传输。
?GEM帧会自动封装头信息。
?映射的格式清晰，设备很好实现，兼容性好。
图3-7Ethernet业务在GPON中的映射
3.2 GPON关键技术
3.2.1 GPON帧结构
由于采用GFP映射，GPON的传输汇聚层本质上是同步的，并使用标准SDH
的125μs帧，因而使得GPON可以直接支持TDM业务。
一个物理层帧中可以包含多个ONT的GEM的帧，不论是上行帧还是下行帧；
GPON帧中分两部分：帧头和净荷。帧中信息有两种，一是数据信息，而是
控制信息。其中控制信息又分为OMCI、EOAM，PLOAM。数据信息都是在
净荷中，而控制信息有的在净荷中，有的在帧头中。
表3-2帧信息分布