FTTH - GPON

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GPON（千兆无源光网络）是一种基于ITU-T规范G.984系列的接入网光系统。它使用B+类光器件和1:32的分光比，可以实现20公里的传输距离和28dB的光预算（如下图所示）。

GPON系统支持以下速率：

• 上行155 Mbps，下行1.24416 Gbps
• 上行622 Mbps，下行1.24416 Gbps
• 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支持ATM和GEM封装。GEM（GPON封装方法）支持原生TDM和数据。

GPON 特性

这项先进技术基于BPON GEM。以下是其特性：

下行传输

• 2.4 Gbps
• 单个ONT的带宽足以提供多个高清电视信号
• QoS允许对延迟敏感的流量（语音）进行优先处理

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高带宽用户
• QoS允许对延迟敏感的流量（语音）进行优先处理

为什么选择GPON？

GPON提供集成服务解决方案，例如：

• 它支持三网合一服务。

• 为了突破双绞线接入的带宽瓶颈，它支持高带宽传输。

• 它减少了网络节点。

• 它支持最长20公里的服务覆盖范围。

GPON 标准

GPON标准建立在之前的BPON规范的基础上。规范包括：

• G.984.1 - 本文件描述了千兆无源光网络的一般特性。

• G.984.2 - 本文件描述了千兆无源光网络物理介质相关层规范。

• G.984.3 - 本文件描述了千兆无源光网络传输汇聚层规范。
• G.984.4 - 本文件描述了千兆无源光网络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）通常是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非对称的。PON和光纤基础设施也可以用于支持任何单向分配信射服务。例如 - 不同波长的视频。

GPON物理介质相关层

G.984.2是GPON系统物理层的规范。物理层涉及以下方面：

• 数据速率方面的光性能。
• 光纤器件的等级。
• 光功率的定时和控制。
• 前向纠错。

光系统的一个基本要求是提供具有足够容量的组件，以便将光信号扩展到预期的范围。根据功率和灵敏度，组件分为三类或三个等级。组件的等级如下：

• A类光器件：5到20dB
• B类光器件：10到25dB
• C类光器件：15到30dB

光线路终端 (OLT)

OLT提供服务节点接口(SNI)（通常是1 Gbps和/或10 Gbps以太网LAN接口）到核心网络，并控制GPON。OLT主要由三个部分组成：

• 服务端口接口功能
• 交叉连接功能
• 光分配信射网络 (ODN) 接口

下图显示了典型的OLT功能框图。

PON核心层

PON核心层包含两部分。第一部分是ODN接口功能，另一部分是PON TC功能。PON TC功能包括OAM、介质访问控制、帧结构、DBA、协议数据单元(PDU)的分界，用于交叉连接功能和ONU管理。

• 交叉连接层 - 此层在PON核心层和服务层之间提供通信路径。

• 服务层 - 此层用于服务接口和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进行链路保护。如果这两根光纤中任何一根光纤断裂，则可以通过另一根光纤访问ONU。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)设计用于单个用户使用，而光网络单元(ONU)设计用于多个用户使用。分光器允许PON被多达128个ONT或ONU共享。

ONT/ONU 接口

光网络终端(ONT)在上行侧连接到OLT用于服务网络接口，并具有许多用户网络接口端口。通常，会有四个FE/GE端口连接到UNI。

• 住宅ONT的UNI端口 - 通常，用户服务接口包括10/100Base-T高速互联网(HSI)和基于IP的视频，用于RF视频叠加系统的RF同轴电缆以及用于VoIP PSTN语音的FXS电话接口模拟。

• 业务ONT的UNI端口 - 除上述功能外，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)终止GPON光纤，并为多个用户提供更多用户网络接口(UNI)。UNI接口可以是ADSL2+、VDSL2、电力线、MoCA或HPNA，并且到用户的距离（10/100 Base-T限制为100米，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的CPE设备。在这种情况下，UN UNI连接到位于用户最终位置的网络终端(NT)。NT终止用户的CPE设备，例如PC、无线路由器、电话、IP视频机顶盒或机顶盒、RF视频等。

本质上，ONT将ONU和NT的功能组合在一个设备中。这两种功能的结合使得ONT成为为本地和单户、小型和中型企业提供GPON服务的最高性价比解决方案。但是，如果客户在校园（如学生宿舍、学校、学院、医院或公司办公室）中，并且已经铺设了CAT-5铜缆，则ONU可以作为更合适的解决方案。

光分配信射网络

GPON ODN由单模光纤和电缆组成；光纤带状电缆、熔接、光连接器、无源光分光器和无源分支组件都是无源的。

ODN光分光器将单根光纤分成多根光纤，连接到不同的建筑物和住宅。分光器可以放置在ODN中的任何位置，从中央办公室(CO)/本地交换机(LE)到客户场所，并且可以是任何尺寸。分光器被指定为[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/帧结构

GPON复用或帧结构通过以下因素解释。

GPON封装方法(GEM)

它是指定的GPON传输汇聚层中的数据传输方案。GEM提供了一种面向连接的、变长帧结构机制，用于通过无源光网络(PON)传输数据服务。GEM的设计独立于OLT的服务节点接口类型以及ONU的UNI接口类型。

下行流量（从OLT到ONU/ONT）

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

上行流量（从ONU/ONT到OLT）

ONU中的流量承载实体由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。

如OLT在下行传输的带宽图中指定的那样，不同Alloc-ID的带宽分配在时间上复用。在每个带宽分配中，ONU使用GEM端口ID作为复用键来识别属于不同上行逻辑连接的GEM帧。

传输容器 (T-CONT) 是表示一组逻辑连接的ONU对象。在PON上进行上行带宽分配时，它表现为单个实体。根据映射方案，服务流量被传输到不同的GEM端口，然后传输到不同的T-CONT。

GEM端口和T-CONT之间的映射是灵活的。一个GEM端口可以对应一个T-CONT；或者多个GEM端口可以对应同一个T-CONT。

G-PON传输汇聚层(GTC)

G-PON协议套件的一个协议层，位于物理介质相关(PMD)层和G-PON客户端之间。GTC层由GTC帧结构子层和GTC适配子层组成。

在下行方向，GEM帧在GTC有效载荷中传输，到达所有ONU。ONU帧结构子层提取帧，GEM TC适配器根据其12位端口ID过滤帧。只有具有适当端口ID的帧才能通过到GEM客户端功能。

在上行方向，GEM流量通过一个或多个T-CONT传输。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层帧结构

下行帧的持续时间为125微秒，长度为38880字节，对应于2.48832 Gbit/s的下行数据速率。下行GTC帧由下行物理控制块(PCBd)和GTC有效载荷部分组成。

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+有效载荷组成

• PCBd包含同步、OAM、DBA信息等。

有效载荷可能包含ATM和GEM分区（一个或两个）。

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一个上行物理层开销(PLOu)部分和与各个Alloc-ID关联的一个或多个带宽分配间隔。下行GTC帧提供PON的公共时间参考和上行的公共控制信令。

GPON有效载荷

GTC有效载荷可能包含两个部分：

• ATM分区（长度为Alen * 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 53 字节单元的数量。
• 如果 Alen = 0，则没有 ATM 分区。
• 如果 Alen = 有效载荷长度/53，则没有 GEM 分区。
• ATM 单元与 GTC 帧对齐。
• ONU 根据 ATM 头部的 VPI 接收 ATM 单元。

GEM 分区

GEM 分区具有以下特性。

• 与 ATM 单元不同，GEM 分隔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 头部中的 12 位端口 ID 接收 GEM 帧。

GPON 封装模式

BPON 的一个常见缺点是由于 ATM 单元开销导致的低效率。GEM 与 ATM 类似，它具有恒定大小的 HEC 保护头部。但是，它通过允许可变长度帧来避免较大的开销。GEM 是通用的——支持任何类型的分组（甚至 TDM）。GEM 支持分片和重组。

GEM 基于 GFP，头部包含以下字段：

• 有效载荷长度指示器 - 以字节为单位的有效载荷长度。
• 端口 ID - 标识目标 ONU。
• 有效载荷类型指示器（GEM OAM、拥塞/分片指示）。
• 头部错误校正字段 (BCH(39,12,2) 码 + 1 位奇偶校验)

在传输之前，GEM 头部与 B6AB31E055 进行异或运算。

通过 GEM 传输以太网/TDM

通过 GEM 传输以太网流量时

• 只封装 MAC 帧（没有前导码、SFD、EFD）。
• MAC 帧可以被分片（见下一张幻灯片）。

通过 GEM 传输以太网

通过 GEM 传输 TDM 流量时：

• 每 125 毫秒轮询 TDM 输入缓冲区。
• 将 PLI 字节的 TDM 插入有效载荷字段。
• 由于频率偏移，TDM 片段的长度可能变化 ±1 字节。
• 往返延迟限制在 3 毫秒以内。

通过 GEM 传输 TDM

GEM 可以**分片**其有效载荷。例如，下图所示的未分片的以太网帧。

下图显示了一个分片的以太网帧。

GEM 分片有效载荷的原因如下两种：

**原因 1** - GEM 帧不能跨越 GTC 帧。

**原因 2** - 可能会为延迟敏感数据抢占 GEM 帧。

GPON 加密

OLT 使用计数器模式下的 AES-128 进行加密。仅加密有效载荷（不包括 ATM 或 GEM 头部）。加密块与 GTC 帧对齐。OLT 和所有 ONU 共享计数器，如下所示：

• 46 位 = 16 位帧内 + 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 必须商定一个唯一的对称密钥。OLT 向 ONU 请求密码（在 PLOAMd 中）。ONU 以明文方式发送密码（在 PLOAMu 中）：

• 为增强鲁棒性，密钥发送 3 次。

OLT 通知 ONU 开始使用新密钥的确切时间。

QoS – GPON

GPON 显式处理 QoS。恒定长度帧有助于提高时敏应用的 QoS。有 5 种类型的传输容器：

• 类型 1 - 固定带宽。
• 类型 2 - 保证带宽。
• 类型 3 - 分配带宽 + 非保证带宽。
• 类型 4 - 最佳努力。
• 类型 5 - 以上所有类型的超集。

GEM 添加了一些 PON 层 QoS 功能：

• 分片能够抢占大型低优先级帧。
• PLI - 排队算法可以使用显式分组长度。
• 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。