gpon技术的工作原理以及在实际中的应用论文

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摘要本文讨论了GPON技术的工作原理以及在实际中的应用，随着光纤向用户（FTTH）日益推进，PON的灵活组网能力和经济适用能力使其最适合于分散的小企业和居民用户，特别是那些用户区域较分散，而每一区域用户又相对集中的小面积密集用户地区，可以说，PON是目前实现FTTH性价比最高的解决方案。接入网是电信网的组成部分，负责将电信业务透明传送到用户，也就是说用户通过接入网的传输，能灵活地接入到不同的电信业务节点上。GPON网的基本原理是在一定的物理限制和宽带限制条件下，让尽可能多的终端设备（光网络终端ONT）来共享局端设备（光线路终端OLT）和馈送光纤。由于在覆盖某地区时这种方案需要的光纤较少，局端的光接口成本较低（一个光接口可服务于整个网络），因此它能为企业或住宅用户经济地提供高速光连接，而用传统的点到点和环形结构则不可能经济。本文从无源光网络的原理出发，分析了几种PON的技术，提出了GPON的优势，即真正三网融合的FTTH解决方案。本文在第五章介绍了金鹏GPON产品的实现以及其中的关键技术问题。在文章的后半部分，主要从市场研究的角度，分析了GPON产品的应用，以及给运营商实际应用的案例分析，并比较了GPON方案与传统的接入方案在业务提供、投入和投资保护方面所带来的好处。本文的研究为新的光接入产品GPON的市场应用提供了启发性的案例，并通过实际的案例和系统的分析来阐述产品的优势，这对于产品在通信行业的应用和推广具有现实意义。关键词：接入网光纤到户吉比特无源光网络动态带宽分配40 AbstractThispaperdiscussedtheGPONtechnologyworks,anditsapplicationinpractice,withtheopticalfibertotheuser(FTTH)areincreasinglypushing,PONnetworkofflexibleabilityandeconomyisapplicabletheabilitytomakethemostsuitableforthedispersedofsmallbusinessesandresidentsusers,especiallythoseusersareawasscattered,andeveryareausersandthesmallarearelativelyconcentratedintensiveuserarea,cansay,PONistherealizationofthehighestratioofFTTHsolutionAccessnetworkispartoftelecommunicationnetworkandberesponsiblefortelecombusinesstransparenttransmittedtotheuser,whichmeansusersthroughtheaccessnetworktransmission,flexibletodifferentaccesstelecommunicationbusinessnodes.ThebasicprincipleofGPONnetsofcertainphysicallimitationsandbroadbandrestrictedcondition,letasmanyoftheterminalequipment(opticalnetworkterminalONT)tosharethebureauequipment(lightlinesterminalOLT)andwillsendopticalfiber.Becausethisareacoveredsomewhereintheplanneedstoopticalfiberisless,thebureauoflightinterfacewithlowcost(alightinterfacecanserviceinthewholenetwork),soitcanenterpriseorresidentialuserstoprovidehigh-speedeconomiclightconnection,andwithconventionalpoint-to-pointandannularstructureisnotpossibleeconomy.Thispaper,fromthepassiveopticalnetworktheory,andanalyzessomePONtechnology,putsforwardtheadvantageofGPON,thetruethreenetsfusionofFTTHsolutions.BasedonthefifthchapterpresentstheJinPengGPONproductrealizationandthekeytechnicalproblems.Inthesecondpartofthepaper,mainlyfromthepointofviewofmarketresearch,thispaperanalyzestheapplicationofGPONproducts,andpracticalapplicationforoperatorsofcaseanalysisandcomparisonwiththetraditionalaccessGPONschemeinthebusinessplantoprovide,investmentandinvestmentprotectionbenefits.ThisresearchfornewlightaccessproductGPONmarketapplicationtoprovideinspirationalcase,andthroughtheactualcasesandsystemanalysistotheadvantageofthisproduct,theproductincommunicationsindustryfortheapplicationandpopularizationhaverealisticmeanings.Keywords：AccessnetworkFibertothehomeAuspiciousbitpassiveopticalnetworkDynamicbandwidthallocation40 目录1.接入网11.1光接入网概述11.2光接入网的定义21.3目前常用的接入网技术31.3.1宽带接入技术31.3.2基于以太网的宽带接入技术51.3.3HFC（综合数字服务宽带网）宽带接入技术61.4下一代接入网的发展61.4.1家庭融合视频业务发展对接入网的要求71.4.2大客户对接入网的特殊需求81.4.3多种技术融合协调发展92.GPON技术112.1GPON背景与原理112.2FTTH的最佳解决方案—无源光网络（PON）142.2.1GPON技术在接入网中的应用152.2.2FTTC（光纤到路边）162.2.3FTTB（光纤到楼）172.2.4FTTH（光纤到户）182.3基于GPON的IP接入网—FTTx+LAN182.4移动基站及其他综合业务接入193.GPON协议213.1GPON标准协议213.2GPON的关键技术223.2.1协议栈223.2.2ONU激活注册253.2.3TDM业务承载263.2.4动态带宽分配(DBA)273.2.5GEM封装技术284.GPON在实际中的应用设计3140 4.1GPON工程设计原则314.2某地接入网项目背景324.2.1金鹏GPON解决方案334.3GPON应用总结37结束语38致谢39参考文献4040 1.接入网1.1光接入网概述整个电信网按功能分为三个部分：传送网、交换网和接入网。它们的关系如图所示。电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及复用设备、交换设备以及各种线路设备等。图1.1接入网在整个电信网中的位置接入网是电信网的组成部分，负责将电信业务透明传送到用户，也就是说用户通过接入网的传输，能灵活地接入到不同的电信业务节点上。国际电信联盟（ITU-T）第13组在G.902中对接入网的定义如下：接入网由业务节点（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如：线路设施和传输设施）组成，为供给电信业务而提供所需传送承载能力的实施系统，可经由管理接口（Q3）配置和管理。原则上对接入网可以实现的UNI和SNI的类型和数目没有限制。接入网不解释信令。随着经济的发展和科学技术的进步，人们的工作和日常生活已经越来越离不开各种通信服务，对电信业务也提出了越来越高的要求，电信业务正逐渐从传统的电话等窄带业务向集语音、高速数据和可变视频为一体的多名媒体宽带业务方向发展。要满足这种发展的要求，必须利用现有的通信网，逐步建立起能同时传输多种业务的宽带综合业务数字网。然而，在电信网范围内，被称为“信息高速公路最后一公里”的位于端局和用户间的接入网部分，现在多为铜线结构。由于受传输损耗、传输带宽及噪声等的限制，现行铜线接入网已越来越难以满足电信行业业务发展的需求，逐渐成为发展宽带综合业务数字网的瓶颈所在。作为交换局与用户终端之间的连接纽带，接入网的数字化、宽带化理所当然被提到议事日程，成为当前电信网发展的焦点之一。将来的接入网应该是一个以FTTH形式实现的宽带接入网。40 1.2光接入网的定义一个接入链路定义为一个给定的网络接口（V）和单个用户接口（T）之间的全部传输手段。由于网络侧和用户侧不同，因此接入链路不对称。光接入网（OAN）定义为共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所支持的接入链路群。一般称为光纤环路系统（FTTL）。FTTH是光纤接入网的发展趋势当前，各种宽带接入技术可谓百家争鸣，XDSL、光纤接入、以太网接入、无线接入等技术的不断成熟加快了各自的商用步伐。制约接入网发展的主要因素是接入的经济性，这与用户的经济承受能力、接入技术等多方面因素密切相关。光接入网是用光纤作传输媒质，由于频带宽、容量大、扩容升级方便，适合高速数据和宽带业务的发展，是未来通信网的基础设施，最终目标是发展成为宽带的综合业务数据网。可以预见，在未来的信息通信网络建设中，充分满足宽带业务需求的新一代宽带接入网的建设，将成为推动信息化发展的一个非常明显的趋势。在我国，网络接入技术已经由单纯为解决电话业务而构建的窄带接入网，向融合多种接入手段的、能够提供多种综合业务的宽带接入网方向转变。很多宽带接入技术由于其高速率带宽以及灵活的组网方式成为新一轮接入网的热点。从目前全球宽带产业的发展来看，接入网在整个电信网建设中的投资比例呈现出逐年增长的趋势。据全球FTTH项目的调查显示，目前全球已有100多万光纤接入用户，大多数用户都在亚太地区，并且该地区的铺设速度和用户数量的增长率是最快的。全球FTTH接入技术的费用支出也将从2004年约37亿美元增长到2013年的228亿美元，预计亚太地区将成为FTTH接入技术的最大市场，占总体市场份额的52.8%，约120亿美元。仅中国就占该地区的1/3的份额，接近全球的24%，FTTH主导未来宽带接入市场已成为不争的事实。就目前国内接入网的发展情况而言，受成本及内容方面的影响，FTTH和ADSL两种宽带接入技术将在很长一段时间内共存、互为补充，但是随着技术的不断成熟和市场的规模扩展，FTTH的单户造价还有很大的下降空间。在设备商、运营商与最终用户之间形成的可持续性发展的价值链中，光纤到户占新建接入网络的比重将逐年提升，届时用户规模的扩大对社会信息化的推动将是一个质的飞跃。相信在“市场需求”和“技术进步”两驾马车的合力下，“光纤到户-数字家庭”将进入寻常百姓家。信息技术发展的大趋势是走向“三网融合”40 ，三网融合并不是简单的三网相加或三网合一，其本质是建成信息高速公路，实现网络从传输、接入到交换各个层面的宽带化。技术的发展是三网融合的基本推动力量，其中光通信技术是重要的因素。广电网、电信网和互联网“三网融合”的趋势已是必然，而光纤接入则为“三网融合”提供了一个很好的平台，尤其是从2004年开始，IPTV业务引起了业界的广泛关注。它不仅有望能够在很大程度上解决宽带的内容问题，更使得潜在的宽带用户群扩展到了TV用户群，宽带市场的发展由此进入了一个新的境界。问题在于，IPTV为代表的网络视频业务对于宽带的需求远远超过传统的WEB浏览，E-mail等业务，现有的接入技术满足这样的宽带需求存在一定的困难，因此FTTH成为大规模承载IPTV业务的理想方式，换句话说，FTTH以其巨大的接入带宽优势为其争取了得以生存和发展的第一个重要的因素。此外，我们还应注意HDTV，目前其传输速率尚需19.2Mbps，用H.264技术可压缩到5Mbps~6Mbps。通常认为对QoS有所保证的ADSL的最高传输速率是2Mbps，仍难以传输HDTV，可以认为HDTV是FTTH的主要推动力。即HDTV业务到来时，非FTTH不可。1.3目前常用的接入网技术1.3.1宽带接入技术企业间的高速数据通信，和用于公务的图像传输是重要的宽带业务。电视和交互式娱乐服务，以及远程教育是面向公众的宽带业务。1.业务的简单界定宽带业务国际上尚无明确的定义，暂以主要宽带业务的带宽要求和网络对业务的支持能力，作为划分宽带和窄带的简单界定。可供网络规划、网络设计、网络建设参考。表1.1列出了主要宽带业务对带宽要求。表1.1主要宽带业务对带宽要求主要业务带宽企业间的高速数据通信2Mbps到155Mbps用于公务的图传输384Kbps到2Mbps电视模拟，每频道8MHz数字（分配网，接入网），每频道2到8Mbps（SDTV）每频道4到20Mbps（HDTV）数字（干线网，核心网），每频道4到8Mbps（SDTV）每频道34到155Mbps（HDTV）宽带交互式娱乐服务游戏384Kbps到6Mbps；远程教育2到4Mbps；远程医疗2到155Mbps2.网络对宽带业务的支持能力在电路模式的环境中，网络不能支持2Mbps以上的交换，部分网络支持n×40 64K和30B+D的交换。电路模式的网络传输2Mbps以上的图像，只能建立点到点的连接，没有交换功能，或者说电路交换网络不支持宽带图像业务。因特网的迅猛发展和接入手段的相对匾乏，形成人们对‘上网’不满意的焦点。如果用户用拨号方式上网，在信令系统作用下，用户和网络通过二层交换建立连接，通道（电路接入方式）可以提供56Kbps-128Kbps的信道，这样的速率可以满足一般的网上浏览、收发电子邮件、文件下载等应用，但对于娱乐、广播电视和音频教育筹2Mbps以上的应用，就不能满足用户接入速度的要求。相对于支持窄带业务的电路交换网而言，支持2Mbps以上的业务（应用）的接入即是宽带接入。在分组模式的环境中，IP网络是面向无连接的，‘尽力而为’的网络，它没有固定的速率的概念。因此所谓宽带，一般指的是网络用来支持或较好的支持某种宽带业务和应用的能力；所谓支持能力是指满足业务的基本质量要求，参照ITU-TY.1541建议，第一类业务，实时交互业务，如高质量的会议电视；第二类业务，非实时的音视流和成批文件的传送应用。为了评价宽带网络支持业务的能力，可参照上述第一类，和第二类业务所需求的速率的要求；并达到传输27，500km所产生的IP延时、延时变化和误码率的性能指标，即可认为网络支持该项宽带业务（应用）。在‘尽力而为’的网络上要保证质量，就必须采用保证质量的措施，例如使用RSVP规程。在此基础上，用网络支持高层宽带应用的能力，粗略的划分窄带和宽带，对发展宽带网有一定参考价值。因此在分组模式中，可假定在一定时间间隔内，接入网用户端口与用户主机，交换信息比特数为接入速率（满足传输损伤要求的前提下）达到2Mbps以上（含2Mbps）的接入就是宽带接入。支持2Mbps以上（含2Mbps）业务网的应用，并支持电路模式和分组模式的接入，称为宽带接入网。如仅支持宽带数据业务，则称为宽带数据接入网。3.宽带接入网的主要功能和窄带接入网相同，宽带接入网是连接至用户住宅的经营者业务节点的全部设施。和窄带接入网不同的是，窄带业务网与基础网联系十分紧密，基础网与业务网统一考虑规划建设，主要业务节点与网络节点经常重合，接入网只承担接口和传输功能。考虑到宽带接入网应支持电路模式和分组模式的接入，宽带网络的业务节点与低层的网络基础设施完全脱离，上层与下层完全是主从关系，有清晰的分层结构。根据宽带网络的业务节点与低层的网络基础设施完全脱离的情况，宽带网的业务节点不一定设在本地，甚至可能不在本国。考虑到ITU-T40 Y.1231建议（草案），仍沿用窄带接入网的定义，将业务节点接口到用户网络接口间的全部设施定义为接入网。宽带接入有可能需要建立跨越洋区连接。为了避免上述现象的发生，从实际考虑宽带接入网应限定在用户驻地网，到所连接的网络节点之间的设施，网络节点可能是高端路由器或ATM交换机。宽带接入网的SNI应具有接入到多个网络节点的功能。宽带接入网的基本功能除保留窄带接入网的全部功能外，还应包括：1.将来自用户的业务流传输、寻径和多路复用至核心网；2.依据服务质量QoS将来自用户的业务流分类。区别带宽有保证和尽力而为的业务流；3.执行服务质量QoS；4.提供导航帮助和目录服务；5.内容提供者的缓冲服务器；6.执行MAC协议；7.用户认证；8.提供用于调用的管理。这些功能中的一部分，需要接入网和核心网共同完成。一个重要的系统设计问题是网络功能如何优化，使其分布于业务网、核心网和接入网之间。这里功能包括，用户信令的处理（如呼叫建立请求和改变呼叫状态）。1.3.2基于以太网的宽带接入技术研发局域网LAN的初衷是解决一个企业、一个部门或办公室的管理、办公、数据和设备的共享，目的是使网内的主机和其他设备达到互通信息，共享资源。自1994年Internet投入民用以来，LAN接入便是重要的接入手段。LAN的服务区域小于4公里。直到1999年LAN接入主要用于企业网互连，解决远程办公问题。由于LAN上的主机可共享的数据原本是企业内部的事，如果另一家企业的主帆连接到同一个LAN上，那么很难作到两个企业的数据相互保密。此外企业网很少考虑地址仿冒、数据组播、质量保证、计费信息等电信级的宽带接入问题。因此，在居民小区或多家企业共用的办公楼，直接使用LAN充做宽带接入设施是有问题的，虽然借助VLAN、PPPoE等技术但并没有真正解决上述问题。在宽带接入市场的驱动下，国内外电信设备制造商研发出基于LAN技术的宽带接入设备，解决了物理层和链路层的数据隔离问题，以及地址代理，地址翻译，计费管理和发出被叫信息等一系列的电信级宽带接入要求。向用户提供真正IP电话，2Mbps专线、10Base-T宽带接口。40 基于以太网的宽带接入技术，可实现按照宽带接入网的功能要求，网络设备具有按照用户的要求接入到不同的业务提供者的业务节点的功能。基于以太网的宽带接入技术是解决宽带接入最有前景的技术，它不仅解决了接入问题，而且为网络由电路模式向分组模式过渡提供了技术基础。综观网络发展的历史，早期的网络业务网与基础网没有明确的分层关系。网络建设离不开某种特定业务，因此形成了电信网、有线电视网和作为计算机通信子网的数据通信网。在网络向宽带演进过程中，形成三种有前途的接入技术，三种技术分别适用于三种网络；由于它们的传输媒体、网络结构、调制方式等方面各有特点，因此物理层链路层下存在合一的问题，三种接入技术均能支持其他的宽带业务接入。宽带接入网将会出现多种技术长期存在，互相竞争的局面。这就是宽带接入网的发展趋势，竞争的结果将体现在管理和服务方面。1.3.3HFC（综合数字服务宽带网）宽带接入技术有线电视运营公司拥有的网络，是以节目播出中心为业务节点，通过电路模式的分配网络，建立用户和业务节点之间的连接。这种连接非常适用于TV广播、数据广播和NVOD业务。也可和电话线配合实现因特网高速下载，但对于交互性的高速数据和多媒体通信，则显得有些力不从心。表1.3列出了HFC同轴电缆的低层传输性能，从表中可以看出HFC有潜在的宽带接入能力。与xDSL一样，HFC接入技术不具备（或部分具备）宽带接入的附加功能要求；或者说HFC没有分得宽带网业务节点和核心网的智能功能。另外HFC很难解决电子商务等保密性很强的高速数据接入业务，但是应注意到HFC的网络结构的分配性和不对称性，对于NVOD、因特网高速下载、数据广播等宽带和准宽带业务的接入是非常合适的。HFC网络经过双向改造，是最有前途的宽带接入技术之一。表1.2HFC同轴电缆的低层传输性能3调制技术模拟带宽传输速率传输距离同轴电缆下行支路QAM-64/256750MHz3.75Gbps小于1英里同轴电缆上行支路QPSKQAM-16200kHz-3.2MHz200kHz-3.2MHz400Kbps-5Mbps800Kbps-10Mbps小于1英里小于1英里1.4下一代接入网的发展随着网络的演进，业务规划和发展的需要，新的接入网除了具有多种接入手段和基本的传送及承接功能之外，还应具有业务识别、业务流分类、及部分服务质量、安全及业务控制功能。40 一代接入网将与驻地网络的有机结合向用户提供个性化的业务和服务，除了实现传统意义上的传送和承载功能之外，还将实现一部分业务控制功能，并逐步向网络边缘延伸，涉及到：1.业务的个性化和移动化2.业务感知和识别3.用户、业务标记4.服务质量保证5.接入安全控制6.可控组播、资源控制、拥塞控制等1.4.1家庭融合视频业务发展对接入网的要求日前，中国电信发布了“宽带中国，光网城市”规划。中国电信将在“十二五”期间，大力普及宽带应用，通过从卫星到无线、3G、有线光纤的综合宽带解决方案，实现县以上所有城市光纤化，为城市用户提供20M以上的光速互联网体验，最高接入带宽达到100M。在网络方面，中国电信将大力推进有线宽带和无线宽带的融合，给人们提供统一账号的无缝高速宽带体验；在业务方面，中国电信将为企业客户提供综合化ICT应用服务,为家庭客户提供融合视频通信、多屏互动、高清视频等综合业务。目前，中国联通也正在巨资大力提升宽带接入速率，大力发展融合业务。运营商为何频频大幅提升宽带速率？采访中，众多业界专家表示，各种融合化、综合化的ICT业务尤其是视频业务快速发展催生了宽带提速需求，高速宽带的发展也将为今后三网融合、融合视频业务的爆发式规模化发展奠定基础。近几年,我国电信运营企业不断加大向传统行业融合渗透,提供一站式综合化的ICT应用服务。面向家庭客户群体，运营商整合自身资源推出了各种融合业务，比如我的e家、iTV等。各种综合化ICT服务、融合业务，尤其是视频类业务的快速发展，对承载网络提出了更高的要求。于是，我们看到了近几年运营商频频扩容网络、提速带宽。专家指出，融合提速是运营商带宽提速的一个重要因素，通信行业已经进入到新一轮网络扩容阶段。综合ICT应用快速发展考验城域网承载力。近几年，运营商对行业、企业客户打造了综合化的ICT解决方案，运营商利用信息服务平台，融合众多合作伙伴的IT软、硬件产品，以及宽带接入业务和互联网增值、语音增值、短信增值等服务，为企业客户提供“光纤接入+企业组网+安全服务+服务外包+产品应用”的综合信息化解决方案，这类业务成长非常快。另外，近几年平安城市的发展也非常快，目前已经有数十个城市在建设平安城市，每个城市监控摄像头少则几十万个，多则上百万个。2010年，许多城市制定的2008～2010年城市报警与监控系统建设规划已完成。紧接着，许多城市将会制定2010～40 2012年城市报警与监控系统建设规划。我们真切地感受到了平安城市建设带来的福利：在交通领域，视频监控实现交通违章监控、流量监控、高速公路的收费管理；在教育领域，教育机构可以运用视频监控系统进行校园保安监控、远程教学、幼儿的安全防范……越来越丰富的ICT应用和平安城市快速推进对城域网造成了不小的压力，局部地区已经出现带宽瓶颈问题。家庭融合视频业务发展对接入网提出了更高要求。近几年，网络视频业务发展迅速，我们已经习惯了在互联网上看大片、下载各种应用。随着三网融合政策的松绑，运营商也开始为用户推出互动视频业务。例如，中国电信在全国推出了iTV视频服务，用户可以通过电信宽带收看电视节目，各类影视、娱乐、体育、综艺的点播内容应有尽有。而且，一些发达城市开始推行智能家居服务，家庭用户通过一根网线不但可以同时接入多台电视和电脑，还能通过连接电器和安防设备，随时对家居进行“遥控”指挥，家里情况也可以实时“直播”给用户。各种多媒体应用的不断出现导致人们对接入网带宽需求与日俱增。对运营商而言，提速带宽已刻不容缓。1.4.2大客户对接入网的特殊需求接入网是２０世纪９０年代随着用户对数据通信需求的增长而发展起来的，是电信运营商为满足用户接入话音、数据、图像等多媒体业务的需求而提供的“最后一公里”技术。传统的大客户接入基于PSTN网络，采用DDN、FR等专线实现点对点的接入。随着用户对网络传输质量和传输性能需求的进一步提高，光纤接入方式由于具有良好的扩展性和质量保证而逐渐成为大客户接入所采用的主流方式。接入网也从支持窄带话音业务为主，向支持宽带综合业务的方向发展。接入网技术的发展呈现多样化趋势，随着接入网的不断延伸，针对用户的各种服务都将逐渐由接入网提供，接入网从简单地为用户提供单一业务、有限接口向成为综合的业务接入平台发展，其功能不断丰富完善。大客户的接入网设备应能提供各种物理接口，支持多种协议；易于组网，便于快速、低成本开通业务；便于操作和管理，能及时准确的发现和处理故障点，保障网络的稳定运行。大客户接入网络的发展趋势目前的大客户接入网络没有统一的规划，发展和建设基本因项目而异，导致基于各种技术的单一业务网络大量存在，设备类型多，网元数量大，不能有效实现网络管理。随着经济的发展和各大运营商竞争的白热化，大客户的范畴在不断扩大，接入点在变动中逐步增长。面对层出不穷且变化多端的接入点，星形组网方式更能适应大客户接入网的发展，生存性更强，可以说是大客户接入的主流方式；而环网接入针对特定的用户群体也会保留一定的份额。大客户接入网络的发展趋势，除成本的不断降低以外，还有以下几个发展特点：40 1.业务综合接入随着Internet/Intranet的高速发展，高速增长的数据业务已同语音业务平分秋色，并且有占主导地位的趋势。多数大客户都同时需要语音和数据业务，特定用户尚需图像业务。尽管在骨干层和汇聚层两种网络仍在独立发展、分别优化，但接入层网络分离会带来接入成本高，不宜管理维护等一系列缺点，故大客户的多种业务以统一平台接入是未来的发展趋势。2.业务QoS完善保障伴随着多种业务的综合接入，对业务质量的保障也提出了更高的要求。语音业务、数据业务，特别是实时数据业务需要更好的方式来解决其QoS问题。采用高速率光口、增加传输带宽、设置业务优先级等方法，可以改善业务传输质量，但还不能从根本上解决业务混传时出现的冲突。只有为某些对QoS要求特别高的业务划定专门的传输通道，与其它业务在物理上隔离开，才能从根本上解决问题，为客户提供更好的服务。3.统一管理维护电信运营商竞争的核心主要集中在如何提升大客户的满意度并进一步吸引更多的用户。可运行、可维护的管理系统能够及早发现问题，缩短排除时间，最大限度地满足大客户应用。在运维体制上，针对大客户接入的综合化趋势，传统的按照业务类型独立维护各自业务网的分权、分级、分散的维护模式，已不能满足业务发展的需求。只有多业务统一管理才能满足大客户的统一维护的需求1.4.3多种技术融合协调发展随着技术进步，全球互联网已经逐步普及。专家指出，互联网的发展正在由以规模增长为主转变为以用户结构的变化为主，宽带用户逐步占主导地位。在宽带用户成为互联网主流的同时，多种新兴的互联网应用层出不穷，推动了宽带接入技术的发展。近期，各种新型宽带接入技术成为全球关注的焦点。专家指出，宽带接入总体上将朝着高带宽方向发展，而用户需求的多样化决定了宽带接入将长期呈现多种接入技术融合协调发展的格局。在我国，中国电信已在华南地区的18个省份及华北地区的8个省份进行ADSL2＋网络升级，从而为提供三重播放业务作好准备。经过改造，中国电信的宽带接入速度将提升至传统ADSL的3倍，可承载高速上网、视频会议/IPTV以及其他多媒体业务。与此同时，中国网通透露，正在部分地区进行ADSL2+的升级测试。FTTx将得到有力推动。光纤接入适应网络融合及业务转型40 的大趋势，是宽带固定接入的发展方向。特别是光纤带宽和寿命优势、铜价持续上涨（近一年期货市场铜价上涨超过80%）以及EPON产品的成熟等因素，将在未来几年加快“铜退光进”的进程。全球电信运营商早在几年前就开始了积极的系统测试、商用试验，应用试验覆盖了家庭客户（FTTH）、企业客户（FTTP/O）、商业和居民楼宇（FT－TB）以及移动基站接入环境下的多业务融合与接入，通过实践探索运营与商业模式的盈利可行性，摸索支持无源光纤网络的运营维护体系的需求和解决方案，总结与建立园区、楼宇及户线光纤工程建设规范。目前，我国的FTTH尚处在起步阶段，受市场、业务、技术、成本、竞争多方面的驱动，国内运营商对FTTH的兴趣不断增长，开始积极部署光纤接入网。2005年4月，由武汉电信与烽火通信联手开通的武汉紫菘花园FTTH工程成为中国电信进入FTTH市场的试金石。随后，中国电信成立了“FTTH领导小组”，在上海、广东、湖北、北京四地开展FTTH试点工作。以“中国网宽天下”为口号的中国网通一直非常重视光纤网络的建设，不仅进行了FTTH设备的全面测试，而且已在北京、上海等地的商务中心以及高档住宅区成功布点试验。和传统固网运营商不同的是，中国移动则是将各地网吧FTTH试点作为切入点，为规划未来FTTH的新版图埋下伏笔。由于各种宽带视频应用对带宽的需求量大大增加，FTTx市场正孕育新一轮的发展机遇。WLAN/WiMax将作为重要的补充手段。为了配合有线接入技术实现多元化宽带无缝接入网络，WLAN和WiMax将是近几年最为重要的补充手段。主要体现在：WLAN/WiMax用于热点覆盖；WLAN作为家庭联网的主要方式，提供灵活接入；WiMax提供游牧式移动接入服务；利用WiMax的广覆盖性解决光纤难以覆盖的郊区、农村接入问题。据了解，目前国内几大运营商都在WiMax技术方面进行了大量的工作。其中，中国电信正在北方9省1市展开测试工作，中国移动的测试工作已进行了半年有余。而在中国联通目前进行的技术测试中，大连、上海等5个城市的进展良好。另据透露，中国联通对于WiMax技术的测试将于年底完成，如果测试情况良好的话，联通将建设WiMax网络。此外，广东网通与两家设备提供商签订了WiMax设备购货合同，将在省内开始试点商用。总之，未来一段时间宽带接入的市场格局将是多种方式并存，互为补充。尤其值得注意的是，如今全球宽带接入市场已经呈现蓬勃发展的态势，除了技术进步的推动因素之外，宽带应用的日趋丰富是各种新型接入迎来发展契机的主要原因。以IPTV为例，高质量的视频业务对接入带宽的需求量加大，直接为新型的接入方式打开了市场。因此，接入技术始终要围绕应用来发展和推进，才能在建设扩容时有效避免风险和防止泡沫。40 2.GPON技术2.1GPON背景与原理随着通信技术日新月异的发展，在各种新业务需求的推动下，现网铜缆接入方式已经很难满足这样的技术需求。各个运营商都在不断的探索，寻求技术转型，在这样的背景下，光进铜退是各个运营商不错的选择，也随着应用而生了GPON技术。GPON技术能比较好的满足高带宽，高效率，低成本和比较好的安全性的业务需求，已经成为下一代网络结构中的主要接入技术之一。PON是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络，PON系统由OLT（光线路终端），ONU（光用户单元）和ODN（光分配网）组成。PON在解决宽带接入问题上是一种经济的、面向未来的多业务的用户接入技术。其网络结构如图2.1所示。用户驻地网接入网ONUONUONULANPBXOLT分支比最大可为1：28IP骨干网PSTN可采用PON的保护结构对ODN和需要保护的OLT、ONU实现冗余保护视频服务器核心网图2.1PON系统网络结构图1.GPON的概念GPON(Gigabitpassiveopticalnetwork)全名为Gigabit-capablePON吉比特/千兆位无源光纤网络，也是一种无源被动式光纤网路。GPON业务是BPON40 的一种扩展，相对于其他的PON标准而言，GPON标准提供了前所未有的高带宽（下行速率近2.5Gbps），其非对称特性更能适应宽带数据业务市场；它提供QoS的全业务保障，同时承载ATM信元和(或)GEM帧，有很好的提供服务等级、支持QoS保证和全业务接入的能力；在承载GEM帧时，可以将TDM业务映射到GEM帧中，使用标准的8kHz(125μs)帧能够直接支持TDM业务。作为一种电信级的技术标准，GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能。其下行最大传输速率可高达2.488Gps，上行最大传输速率达1.244Gbps，传输距离可达20到37公里，因而具有高带宽、高速、高效传输、大范围覆盖、用户接口丰富等的众多特点，因此，已被大多数运营商视为实现接入网业务的宽带化、综合化改造的理想技术。作为ITU-T提出的一种灵活的宽带光纤接入技术，在GPON标准中，明确规定GPON需要支持的业务类型包括数据业务(Ethernet业务，包括IP业务和MPEG视频流)、PSTN业务(POTS，ISDN业务)、专用线(T1，E1，DS3，E3和ATM业务)和视频业务(数字视频)，可以满足多用户VoIP、采用MPEG-2或-4规格的多视频流(如IPTV)和标准分辨率电视(SDTV)或高清晰度电视(HDTV)和多用户高速互联网接入等“三网合一”的需求。且GPON中的多业务映射到ATM信元或GEM帧中进行传送，对各种业务类型都能提供相应的QoS保证。GPON一般采用树形（或树形）拓扑结构，在需要提供业务保护和通道保护的情况下，可加上保护环，可对某些光网络终端ONT提供保护功能。GPON最早由FSAN组织于2002年9月提出，ITU-T在此基础上于2003年3月完成了ITU-TG.984.1和G.984.2的制定，2004年6月完成了G.984.3的标准化，从而最终形成了GPON的标准族。GPON系统主要由OLT(光线路终端)、ODN（光分配网络）、ONU（光网络单元）组成，其中ODN由光分路器和光纤线路等组成。OLT放置于业务接入中心节点，为接入网提供网络侧与城域网之间的接口，通过多个GE/FE接口上联不同的业务网络；ONU放置于小区或楼内机房，为接入网提供用户侧的接口，提供语音、数据、视频等多业务流的接入，通过GE光接口经ODN上联至OLT。其系统结构如图2.2所示。40 OLTONUONUPSTNInternetCATV光线路终端无源分光器无源分光器光网络单元ONU图2.2GPON的系统构成2.GPON的技术特点高带宽和高传输效率，下行速高达2.488Gbit/s，上行为1.244Gbit/s，可以满足运营商对未来业务的接入带宽需求，使用GEM的封装方式时，综合传输效率在93%以上。单纤接入，使用单根光纤就可以满足用户的接入需求，可以大量节省运营商在接入层馈线段的光纤资源。可以支持距离更远（大于20km）。针对FTTB开发的GPON系统，其OLT到ONU的最远接入距离可以达到60km以上。作为电信级的技术标准,对设备的互操作性能有详细的要求,对各种业务类型都能提供相应的QoS保证,GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能,光纤自动倒换时间小于50ms。位于室外的光分配网中只有物理介质特性非常稳定的光纤和无源分光器,没有任何有源设备,使得网络具有高可靠性。接入网络结构灵活，便于扩展：GPON系统可以支持树型，环型等多种网络拓扑结构，主干仅需单纤或者双纤，通过ODN接入各种业务，GPON的分支能力达到1：32，在接入网层面上提供一个统一的接入平台,节约了运营商维护和处理故障的成本。3.GPON组网方案40 星型组网：当ONU与OLT之间按照点到点的配置，且每一个ONU直接经一条专用的链路与OLT连接，而且中间没有光分路器时，这时的网络就构成星型结构。由于这种网络配置不存在光分路器引入的损耗，所以传输距离非常远。但此种组网方案对光纤浪费很严重，不能节约成本，所以实际很少在组网中应用。树型组网：树型结构是点到多点配置的基本结构，它利用了一系列级联的分配点对信号进行分路，供给多个用户终端，这些分配点同时也将上行信号汇聚在一起上传给OLT。分配点的分路器常为1：N型，在重要客户接入中，可能采用2：N分光以实现主干光纤保护。考虑到复杂的网络光纤布局，在本地网应用中，一般使用一级分光。总线型组网：总线结构实际上是OLT和分配点的拓扑结构，分配点到ONU仍然是星型拓扑结构。这种结构利用了一系列串联的分配点以便从总线上向ONU分配OLT发送的信号，同时又将每一个ONU发送的信号插入总线送回到OLT。此种方式比较多的应用在监控系统中。2.2FTTH的最佳解决方案—无源光网络（PON）各种光纤接入技术都可能用作FTTH的解决方案，光纤接入技术包括有源光网络和无源光网络。有源光网络和产品有初期的SLIC（SubscriberLineInterfaceCircuit）和后来的DLC（DigitalLoopCarrier）、IDLC（IntegratedDigitalLoopCarrier）等，国际电信联盟提出的基于PDH的灵活复用也属于有源光接入技术，现在也有把波分复用（WDM）技术用于光接入网的。实际上，包括目前应用较广泛的点到点（PTP）的MC,都属于有源光纤接入。而无源光网络（PON）从承载的内容来分类，主要包括A/BPON(ATMPON)、EPON(EthernetPON)以及GPON（GigabitPON）等。与同类基于光纤的竞争技术相比，无源光网络（PON）拥有众多优势。首先，由于PON属于无源光学网，因而环路中无有源电子器件，这意味着维护成本（OPEX）将显著降低。由于网络组件数量更少，因此故障点也将相应减少，进而运营支出（OPEX）与要求也会最大程度地降低。其次，PON架构是一种面向未来的架构，既能处理现在的语音、视频及数据应用，而且对未来新兴应用的处理能力也将毫不逊色。因此，拥有PON就不必担心未来昂贵的升级与功能增强费用了。PON使电信运营商可以推出更多种类的服务，进而增加收入。此外，借助PON架构，运营商还可提供各种利润较高的产品。因此，PON无疑是实现FTTH的最佳选择。在现有所有基于PON的技术中，APON是最早的，在1995年提出。首先对APON进行规范的国际组织是FSAN（FullServiceAccessNetwork）联盟，同时也可以说FSAN是对APON的国际标准贡献最大的组织，其提出的APON格式首先成为ITU-T建议G.983.1(1998.10)。1999年，ITU-T又出台了G.983.2建议。2001年，APON改名为BPON。EPON是由IEEE802.3工作在2000年11月成立的EFM（EthernetintheFirst40 Mile）研究小组提出的。EPON是几个最佳的技术和网络结构的结合。EPON以以太网为载体，采用点到多点结构、无源光纤传输方式，下行速率目前可达到10Gb/s，上行以突发的以太网包方式发送数据流。另外，EPON也提供一定的运行维护和管理（OAM）功能。EPON技术和现有的设备具有很好的兼容性，而且EPON还可以轻松实现带宽10Gb/s的平滑升级。新发展的服务质量（QoS）技术使以太网对语音、数据和图像业务的支持成为可能。这些技术包括全双工支持、优先级和虚拟局域网（VLAN）。由于以太网的广泛应用，EPON一经出现就受到了众多设备商厂商的青睐。GPON是ITU-T在A/BPON之后推出的最新的光接入技术，2001年，FSAN组启动了另外一项标准工作，旨在规范工作速率高于1Gb/s的PON网络，这项工作被称为GigabitPON(GPON)。GPON除了支持更高的速率之外，还要以很高的效率支持多种业务，提供丰富的OAN&P功能和良好的扩展性。大多数先进国家运营商的代表，提出一整套“吉比特业务需求”（GSR）文档，作为提交ITU-T的标准之一，反过来又成为提议和开发GPON解决方案的基础，这说明GPON是一种按照消费者的准确需求设计、由运营商驱动的解决方案，因此具有更周到的运营利益考虑。2.2.1GPON技术在接入网中的应用从长远来看，PON将会成为发布商务和住宅用户宽带解决方案的平台。然而，PON技术通过经济有效的方法将光纤从局端延伸至住宅小区或路边，以取代原有的铜导线和同轴电缆以及无线系统。由此，PON系统解决方案希望将最终取代现有的DSL，CableModem和LMDS的宽带解决方案，成为三网融合的接入手段。本章将从FTTX的角度来分析PON的应用。从FTTH的建设来看，真正可以加速其发展的应该是建立在系统价格的下降和用户需求的增加等方面，从欧美地区FTTH用户数扩大的主要原因来看，也正是如此。如图2.3所示，从总的发展趋势来看，光纤在接入网中的应用首先要用光纤代替电缆，完成传输媒介，然后才能向用户服务，因而目前光纤通常只到路边的分线盒，即业务接入点（SAP）。在该处还需要设置光网络单元（ONU），以便完成光∕电转换和分接等功能。而在此所推行的纯光纤接入网的最终目标是将光纤推进到住宅用户，那时ONU将设置在用户住宅处。目前光纤到家还不现实，但随着通信网络的发展，光纤最终会取代铜线而实现FTTH。按照ONU在光接入网中所处的具体位置不同，可以将OAN划分为几种基本不同的应用类型：FTTC、FTTB和FTTH。40 图2.3FTTX图解2.2.2FTTC（光纤到路边）如图2.4所示，在FTTC结构中，ONU设置在路边的入孔或电线杆上的分线盒处，有时也可能设置在交换箱处，但FTTC通常指接入到路边的分线盒处。此时从ONU到各个用户之间的部分仍为双绞线铜缆或者同轴电缆。FTTC结构主要适用于点到点或点到多点的树形—分支拓扑，用户为居民住宅用户和小型化的企事业用户。从网络搜索，还有一种FTTR的结构，可以称为光纤到远端，从其结构形式看，应该是FTTC的一种变型，唯一不同的，只是将ONU的位置移到远离用户的远端处，具备一定的业务处理能力，可与更多的用户一起使用。在FTTC结构中引入线部分是用户专用的，现有铜缆设施仍能利用，因而可以推迟耗资巨大的光纤投资，具有较好的经济性。从FTTC来看，由于预先铺设了一条很靠近用户的宽带传输链路，一旦用户有宽带业务需要，可以很快地将光纤引至用户处，实现光纤到户的战略目标。40 图2.4FTTC应用示意图2.2.3FTTB（光纤到楼）如图2.5所示，从结构上来说，FTTB同样也可以看作是FTTC的一种变形，不同点在于将光网络单元直接放到楼内，再经双绞线或者其他业务分送给用户。FTTB是一种点到多点结构，通常不用于点到点结构。FTTB的光纤化程度比FTTC更进一步，光纤已敷设到楼，因而更适于中高密度的用户区，也更接近于长远的发展目标。也会获得越来越广泛的应用，特别是各地的高新技术开发区中的那些工业区或者住宅小区和居民楼以及其他对网络需求较多的场合。图2.5FTTB应用示意图FTTB方案通常在发起端使用总线结构的光纤。这种方案可以同时适用于企业的办公楼或是MTU∕MDU（旅馆，公寓，宿舍等）。换句话说，FTTB用户可以由住宅和商务用户共同组成。使用PON系统的FTTB解决方案时，光纤通常从运营商的中心局（CO）通过分光器进入用户办公室。分光器可以放置在中心局也可以在机构或建筑物外。FTTB市场可以在以下业务中使用PON网络：40 取代传统的E1/T1业务线路；分布在光纤资源一英里范围内的小型或中型（SME）的企业（需要使用小型光纤构件）；为企业或MTU提供宽带数据和语音业务；为MDU中的住户提供宽带数据，语音和视频业务；市政建筑或MLEC。2.2.4FTTH（光纤到户）如图2.6所示，和上述不同的是，如果将原来的FTTC结构中设置在路边的ONU换成无源光分路器，如波分复用，功率分割等，然后将ONU移到用户家中，将变成FTTH结构，而如果将ONU放在大企事业用户或家庭等终端设备处，并能够提供一定的灵活的通信业务，则构成了所谓的光纤到户（FTTH）结构。图2.6FTTH应用示意图由于目前FTTH的设备成本以及保护原有铜缆投资的原因，FTTH还主要是针对企业用户或者是高档的别墅等，随着设备成本不断下降以及用户数据宽带应用的发展，最终将向普通家庭用户过渡。2.3基于GPON的IP接入网—FTTx+LANGPON可以用作IP数据接入网，OLT与中心路由器连接，ONT通常与用户终端或用户局域网相连。ONT提供的专线级的带宽保证的以太网端口。40 ONT本身没有交换功能，其作用是将用户端口数据映射到GPON光纤链路，传送至OLT，在OLT进行数据交换上联中心路由器。这是一种基于定时帧的源模式封装传输协议，与封装内容的业务种类及格式无关。ONT可以尽可能靠近最终用户，OLT通常直接上联中心路由器，整个PON系统只在OLT设备上做数据包的交换处理。GPON的这种网络结构尽可能的减少了通常的以太网解决方案的中间层数据转发设备，提供了高质量的数据传输通道。GPON与日前的ADSL以及一些LAN技术相比，具有优越性，如下表2.1：表2.1GPON与ADSL以及LAN的对比功能GPONADSLFTTB+LAN基础业务种类宽带数据（IP）语音、专线（TDM）视频（RFVideo）宽带数据（IP）宽带数据（IP）增值业务空间端口级SLA动态带宽分配（DBA）无、全面共享，服务值质量无保障无、全面共享，服务值质量无保障业务开通OSS级实时开通人工跳线开通安装ADSLmodem人工跳线开通线缆成本双（单）芯光缆多芯铜缆多芯光缆初始投资随用户增加而增加投资一次性投资一次性投资运维成本无源设备有源设备每户都有设备有源设备网络管理全面用户级管理仅设备管理仅设备管理网络升级无需改变网络结构可平滑升级全面网络改造全面网络改造网络安全点对点双向保护传输加密无无2.4移动基站及其他综合业务接入如图2.7所示采用GPON作为移动基站与控制系统之间的传输系统，一方面可以在基站侧提供多业务的接入，除了基站本身传输需要的E1链路，而且可以提供数据IP接口，为移动运营商发展基站周边的其他数据以及固定电话用户提供了传输基础；另一方面，在3G移动通信中，数据业务的比例越来越高，需要的链路资源也越来越多，越来越灵活，GPON可以在单芯光纤上提供多条E1和IP数据接口，完全满足传输需要。40 图2.7GPON数据接入网GPON是一个提供高带宽的光接入网，同时支持源模式TDM传输，其质量可以与SDH/MSTP相媲美。在GPON的应用推广上，我们要将基站传输互连和附近小区/企业大客户的综合接入结合起来，提供综合的应用，这才是GPON一体化解决方案的优势。GPON作为综合业务接入网，能应用于写字楼、园区或住宅区的带宽接入，对于在写字楼顶、园区等附近新规划的BTS，可以考虑利用现有的GPON接入网进行传输，而无需重复建设MSTP接入网。或者说要同时考虑区域高端用户的宽带接入，又要部署新的BTS时，可以考虑GPON的一体化接入解决方案。移动运营商目前也在组建自己的数据网络。在3G的应用中，数据业务将占越来越大的比例，移动运营商以前专注进行网络的建设，现在也增加投资进行基础的传输网络和数据网络的建设。在接入端采用GPON，把业务区的综合接入和基站的传输整合成一体化的方案，将会极大地节省投资，并缩短建设周期。40 3.GPON协议3.1GPON标准协议图3.1GPON标准协议图示1.G.984.1标准主要规范了GPON系统的总体特性，具体包括光接入网的体系结构、业务类型、SNI和UNI、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能目标。2.G.984.2主要规范了GPON系统的物理媒质相关(PMD)层要求。G.984.2除了要求下行速率为1.244Gbit/s或2.488Gbit/s、上行速率为155Mbit/s、622Mbit/s、1.244Gbit/s、2.488Gbit/s以外，还规定了在各种速率等级下光线路终端和光网络单元接口的物理特性，提出了1.244Gbit/s及其以下各速率等级的OLT和ONU光接口参数。但是，对于2.488Gbit/s速率等级并没有定义光接口参数。原因在于：此速率等级的物理层速率较高，对光器件特性提出了更高要求，在PON中实现2.488Gbit/s速率等级是比较难的。3.G.984.3规范规定了GPON的传输汇聚子层、帧格式、测距机制、安全机制、动态带宽分配(DBA)、操作维护管理功能等。Q984.3通过引入一种新的传输汇聚子层，实现了承载GPON封装模式GEM业务流和ATM业务流的承载。GEM是一种新的封装结构，主要用于封装那些长度可变的数据信号和TDM业务。4.G.984.40 4是2004年6月正式完成的，提出了对ONT管理控制接口OMCI的要求，目标是实现多厂家OLT和ONT设备的互通性。该建议指定了协议无关的MIB管理实体，模拟了OLT和ONT之间信息交换的过程。其中，ONT是指用于FTTH并具有用户端口功能的ONU。3.2GPON的关键技术3.2.1协议栈GPON系统的协议栈如图3.4，主要由物理媒质相关（PMD）层和GPON传输汇聚（GTC）层组成。GTC层包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。GTC层可分为两种封装模式：ATM模式和GEM模式，目前GPON设备基本都采用GEM模式。GEM模式的GTC层可为其客户层提供3种类型的接口：ATM客户接口、GEM客户接口和ONT管理和控制接口（OMCI）。PMD层GTC成帧子层TC适配子层客户层上层协议栈PMD层GTC成帧子层TC适配子层客户层上层协议栈GPONOLT协议分层GPONONU协议分层光纤媒质图3.2GPON系统协议栈1.PMD层GPON的PMD层对应于OLT和ONU之间的光传输接口（也称为PON接口），其具体参数值决定了GPON系统的最大传输距离和最大分路比。OLT和ONU的发送光功率、接收机灵敏度等关键参数主要根据系统支持的ODN类型来进行划分。根据允许衰减范围的不同，ODN类型主要分为A、B、C三大类，结合目前实际应用需求和光收发模块的实际能力工业界还定义了B+类，扩展了GPON系统支持的最大分路比。ODN分类见表3.1，目前B+类ODN是主流。40 表3.1ODN分类ODN类型衰减范围光通道损耗差A类5～20dB15dBB类10～25dBB+类13～28dBC类15～30dBGPON的标称线路速率(下行/上行)（1）1244.16Mbit/s/155.52Mbit/s；（2）1244.16Mbit/s/622.08Mbit/s；（3）1244.16Mbit/s/1244.16Mbit/s；（4）2488.32Mbit/s/155.52Mbit/s；（5）2488.32Mbit/s/622.08Mbit/s；（6）2488.32Mbit/s/1244.16Mbit/s；（7）2488.32Mbit/s/2488.32Mbit/s。目前主流厂家的GPON产品均支持2488.32Mbit/s或1244.16Mbit/s，并且在20km传输距离下支持1:64分路比。2.TC层TC层（也称为GTC层）是GPON的核心层，主要完成上行业务流的媒质接入控制和ONU注册这两个关键功能。GTC层包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。（1）GTC成帧子层GTC成帧子层包括3个功能：复用和解复用。PLOAM和GEM部分根据帧头指示的边界信息复用到下行TC帧中，并可以根据帧头指示从上行TC帧中提取出PLOAM和GEM部分。帧头生成和解码。下行帧的TC帧头按照格式要求生成，上行帧的帧头会被解码。此外还要完成嵌入式OAM。40 基于Alloc-ID的内部路由功能。基于Alloc-ID的内部标识为来自/送往GEMTC适配器的数据进行路由。（2）GTC适配子层功能适配子层提供了3个TC适配器，即ATMTC适配器、GEMTC适配器和OMCI适配器。ATM/GEMTC适配器生成来自GTC成帧子层各ATM/GEM块的PDU，并将这些PDU映射到相应的块。(3)动态带宽分配(DBA)与业务QoS管理GTC系统根据T-CONT管理业务流，每个T-CONT由Alloc-ID标识。一个T-CONT可包含一个或多个GEMPort-ID。OLT监控每个T-CONT的流量负载，并调整带宽分配来更好地分配PON带宽资源。PON带宽资源的分配分为动态或静态两种方式，在动态资源分配方式中，OLT通过检查来自ONU的DBA报告和/或通过输入业务流的自监测来了解拥塞情况，然后分配足够的资源。在静态资源分配方式中，OLT根据配置信息为业务流预留固定带宽。DBA功能可提供各种不同的QoS。GPONTC层规定了5种T-CONT(Type1，2，3，4，5)，DBA功能在各T-CONT中实现。GEM模式中，GEM连接由GEM-Port标识，并根据QoS要求由一种T-CONT类型承载。DBA功能分为下面几个部分：OLT和/或ONU检测拥塞状态;向OLT报告拥塞状态;OLT根据提供的参数更新带宽分配;OLT根据更新的带宽分配和T-CONT类型发送授权;发送DBA操作管理信息。3.OMCIOLT通过OMCI(ONT管理控制接口)来控制ONT。协议允许OLT进行下列动作：（1）建立和释放与ONT之间的连接;（2）管理ONT上的UNI;（3）请求配置信息和性能统计;（4）向系统管理员自动上报事件，如链路故障。OMCI协议在OLT控制器和ONT控制器之间的GEM连接上运行，该连接在ONT初始化时建立。OMCI协议是异步的：OLT上的控制器是“主”，ONT上的控制器是“从”。一个OLT控制器通过在不同的控制信道上使用多个协议实例来控制多个ONT。OMCI在下面几个方面对ONT进行管理：40 配置管理：提供了控制、识别、从ONT收集数据和向ONT提供数据的功能;故障管理：支持有限的故障管理功能，大多数操作仅限于进行故障指示;性能管理：主要是性能监控;安全管理：下行加密功能、全光纤保护倒换能力管理。3.2.2ONU激活注册在ONU能正常工作前必须完成激活注册过程。GPON协议基于ONU的序列号来识别和配置ONU，有些运营商会通过运维系统根据ONU的序列号对其进行预配置，这时通常采用直接激活ONU的方式。而在其它情况下，不能提前获知ONU的序列号，因此OLT需要具有自动发现ONU的机制。激活ONU的事件有3个：1.网络运营商在得知新的ONU连接到网络后，从运维系统启动激活过程;2.当有ONU从工作状态丢失时，OLT就自动启动激活过程。查询频率可由运维系统设定;3.OLT周期发起激活过程，查询频率可由运维系统设定。ONU的激活过程包括：OLT和ONU之间协商工作参数、测量OLT和ONU之间的逻辑距离、建立上下行通信通道。对OLT和ONU之间逻辑距离的测量即测距。GPON采用带内方式对在线系统中的ONU进行测距。对新加入到系统中的ONU进行测距时，已工作的ONU应暂停发送信号，以打开一个测距窗口。该窗口的大小与新加入系统的ONU的距离有关，如果能预先知道新加入系统的ONU的距离则可以减小测距窗口。ONU的激活过程由OLT控制，其激活过程大致如下：（1）ONU通过Upstream_Overhead消息接收工作参数;（2）ONU根据接收到的工作参数调整自己的参数(如：发送光功率);（3）OLT通过Serial_NumberAcquisition流程发现新ONU的序列号;（4）OLT给所有新ONU分配ONU-ID;（5）OLT测量新ONU的均衡时延;（6）OLT将测量的均衡时延传送给ONU;（7）ONU根据均衡时延调整其上行帧的发送起始点。以上激活过程是通过交互上下行标记(flag)以及PLOAM消息来完成的。在正常工作状态下，所有传输信号都可以被用来监测信号到达的相位。通过监测传输信号的相位，可以更新均衡时延。40 ONU注册由自动发现流程完成。ONU注册有两种方式：“配置S/N”方式是通过管理系统(如NMS和/或EMS)在OLT注册ONU序列号，“发现S/N”方式是不通过管理系统(如NMS和/或EMS)在OLT注册ONU序列号。3.2.3TDM业务承载GPON可通过2种方式承载TDM业务(如E1)，一种是Native方式也被称为TDMoverGEM方式，另外一种是CESoPoverGEM。1.Native方式Native方式是利用可变的GEM帧来直接封装TDM帧。TDM数据封装到GEM的方式见图3.3。具有相同Port-ID的TDM数据分组会汇聚到TC上层。净荷部分包含L字节的TDM块。PLI12bitsPortID12bitsPTI3bitsHEC13bits净荷段LBytes净荷长度指示净荷类型指示图3.3GEM帧中的TDM数据帧结构TDM业务到GEM帧的映射允许GEM帧长根据TDM业务的频率偏移进行变化。TDM段的长度由PLI域指示。TDM源适配进程应该在输入缓存中对输入数据进行排队，每当有帧到达(即每125us)，GEM帧复用实体将记录当前GEM，帧中准备发送的字节数量。一般情况下，PLI将根据TDM标称速率指示一个固定字节数，但经常需要多传送或少传送一些字节，这一点将在PLI域中反映出来。如果输出频率比输入信号频率快，则输入缓存器开始清空，填充最终降到低门限以下。这时，从输入缓存器少读取一些字节，填充将上升至低门限以上。相反的，如果输出频率比输入信号频率慢，则输入缓存器开始填满，填充最终上升到高门限以上。这时，从输入缓存器多读取一些字节，填充将降至高门限以下。可变长度的FDM段映射到GEM帧净荷的概念如图3.4所示。40 输入TDM业务TDM数据TDM字节缓存器轮询每个帧以确定发送字节数GEM帧PLIPortIHFC净荷：TDM段（可变长度）图3.4TDM映射到GEM图示3.2.4动态带宽分配(DBA)动态带宽分配(DBA)技术是指通过GPON系统中各个ONU的上行使用带宽实时动态的改变来适应用户速率的各种变化，以提高系统的带宽利用率的技术。PON系统的上行接入一般采用中央控制按需分配和固定分配相结合的方式，也就是ITU-TG983.4规定的静态带宽分配和动态带宽分配两种方式，按照业务等级进行优先级分配。对于GPON中的数据通信这种变速率业务，用静态带宽分配是不合适的，需要通过动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高，即DBA技术根据ONU的突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节带宽来提高上行带宽利用效率。根据GPON的特点和G983建议，可以知道动态带宽分配的具体要求是：业务要透明、带宽利用率尽量高、具备低抖动与时延特性、公平分配带宽、信号健壮、实时性强、保证不同业务的QoS等。1.GPON实现DBA的过程根据协议，GPON的DBA过程包括以下5个步骤：拥塞状态检测、将拥塞状态汇报给OLI、OLT根据提供的参数重新进行带宽分配、OLT根据更新的带宽分配信息和T-CONT类型发送授权，在DBA中实现管理信息的协商。DBA过程如图3.5所示。40 拥塞状态检测拥塞状态汇报给OLTOLT提供参数进行DBAOLT发送授权DBA管理信息的协商图3.5DBA实现过程根据协议规定，GPON的DBA分为两种模式：一种是ONU向OLT报告自己的状态和所需的带宽，OLT根据上报的数据对ONU进行DBA，即所谓的基于状态报告的动态带宽分配(SR-DBA，StatusReportingDBA):另一种是ONU不需向OLT报告，OLT由自己的流量监测功能，实现自动动态的带宽分配，即非基于状态报告的动态带宽分配(NSR-DBA，NonStatusReportingDBA)。3.2.5GEM封装技术1.GEM功能从帧结构封装的角度讲，GEM和其他数据封装方式类似。然而，GEM是嵌入在PON内部的，与OLT端的SNIs及ONU端的UNls类型无关（见图3.6）。也就是说，GEM封装功能在GPON内部终结，GPON以外的系统无法看到。40 GEMONUUNI相互独立OLTSNI相互独立图3.6嵌入式GEM2.GEM帧结构GEM帧结构如图3.7所示，由GEM帧头和净负荷域两部分组成。GEM帧头由PLI（净负荷长度指示）、PortID（端口ID）、PTI（净负荷类型指示）和HEC（头差错校验）组成。PLI指示的是头部后面的净负荷域的长度为L字节，长度为12bit，最多指示到4095字节，所以大于这个值的用户数据帧必须要采用分片机制传送。12bit的PortID可以提供4096个不同的端口，用于支持多端口复用，相当于APON中的VPI。PLIPortidPTIHECGEMPavloadLBytes12bit/s12bit/s3bit/s13bit/sTDMDataPreambleSFDDASALenTypeMACClientDataFCS716624TDMFrameEthernetFrame图3.7GEM帧结构40 PTI用于指示净负荷段的内容类型和相应的处理方式，类似于在ATM用应用。3bit中的最高位指示是数据帧还是GEMOAM帧，数据帧的最低位比特指示在分片机制中是否是帧的末端，次低位指示是否发生拥塞。PTI预留了一些编码。HEC为13bit，提供头部的检错和纠错功能。它是BCH(39，12，2)码和一个奇偶校验比特的组合。GEM帧头确定后，发送机将该头部和固定的OxOXb6AB31E055进行异或运算，将头部发送出去。接收机使用同样的异或计算回复头部。40 4.GPON在实际中的应用设计PON作为光纤接入网的发展趋势，技术上有一定的前瞻性，虽然目前各运营商都在试验和测试，以及有少量的商用，但其大规模的商用不仅是考虑技术的成熟度，还有一些其他方面的因素，例如，如何保护现有的投资？目前新产品的价格因素等等。本章主要分析了GPON产品在某地接入网的实际应用的设计，我们可以更清楚地了解GPON给运营商带来的收益。4.1GPON工程设计原则1.OLT设置原则OLT部署位置对网络层结构与层次、设备管理与维护、设备端口的利用率、用户实装率、投资等影响较大，需要综合考虑，同时结合OLT设备的覆盖能力，明确OLT的设置方式及位置。OLT的服务覆盖范围根据ITU-TG.982定义的C类ODN网络情况，即15—30db的光通道距离在10公里以内。2.主干光缆及光缆配套原则目前，用户光缆基本拓扑结构有三种，即星形、总线形和环形。各种网络结构都有其特点，在选择时应根据各相关点的地理位置、重要性、需要提供的业务、网络可靠性要求、经济性以及维护管理等综合因素选择合适的拓扑结构。目前用户主干光缆基本采用环形与总线形结构，如用户对通信业务需求量大或有特殊要求，并受到地理位置的限制时，也可以用星型结构。用户配光缆一般采用星型结构，当用户有特殊要求时，也可采用环形结构。3.光分路器配置原则一般情况下ODN采用一次分光集中放置，将光分路器集中安装在光分路箱（室内型或室外型）内；当MDU分布较为分散或驻地网光缆纤芯数量不足时，可以采用二级分光方式。光分路比应综合考虑GPON系统的传输距离、MDU带的用户数、PON系统内带宽分配来进行选择，一般情况下:在采用FTTH（PON）模式时，光分路比宜按1：64设计；在采用FTTB（PON）＋LAN模式时，光分路比宜按1：32设计，最终用户数不超过512户；4.光通道衰减核算40 ODN光通道损耗所允许的衰减定义为S/R和R/S参考点之间的光损耗，OLT的传输距离应通过ODN光通道损耗核算以及OLT、ONU设备的功率预算，采用最坏值法核算。ODN光通道损耗＝光分路器插入损＋耗光活动连接器插入损耗值×数量＋光纤衰耗系数×传输距离＋光缆线路富余度。相关参数取定：光分路器插入损耗：3.5×N（光分路器分光比＝2N）。光活动连接器插入损耗值：0.58Db/个。光纤衰耗系数（含熔接损耗）：0.4dB/km.光缆线路富余度：采用1：64分光比时，取1.5dB。采用1：32分光比时，取2dB。对于GPON系统，在项目中需根据设备所支持的最大光通道衰减对无源光分配网络中最远用户终端的光通道衰减进行核算。5.ODN光缆容量配置光分路器与OLT之间的光缆一般为用户主干光缆或用户配线光缆，光缆纤芯数将视需安装的光分路器数量，并考虑未来升速的需要及适当考虑向FTTH演进的光缆纤芯需求，可采用1：2或1：4（光分路器数量；光缆纤芯数）配置。光分路器与ONU之间的光缆一般为驻地网光缆，光缆纤芯数将根据不同的接入模式分类配置。在采用FTTH（PON）模式时，驻地网光缆一般以光缆接头盒作为光缆容量的递减方式或采用光缆分支接头箱间将使用大芯数光缆，大芯数光缆的纤芯数以每台ONU配1芯；光缆接头盒或光缆分支接头箱至用户宅内ONU间的光缆在采用普通室外型光缆时按每台ONU配1芯。在采用FTTB（PON）时，光分路器至MDU间的光缆纤芯数建议按每台MDU配2芯（用1芯，备1芯）。用户光缆宜采用小弯曲半径光纤制成的室内型光缆，建议采用ITU-TG.657A建议的光纤，其余光缆采用符合ITU-TG.652D建议的光纤制成的普通室外型光缆。4.2某地接入网项目背景电信相对于网通来说是作为新建的运营商在本地区去作为新运营商，要发展用户，必须面对下面几个问题：新建语音交换端局，作为远端模块通过V5接口接入到某地的中心局。40 数据接入也是从此中心局的数据接入一个GE口，E1的接入和GE数据接入都是通过MSTP传输网接入到某地端局。作为新的运营商，缺乏本地的线路接入资源，包括光纤和铜缆，需要重新建设或是租用其他运营商已有的线路。电信作为综合业务提供商，要为客户提供语音、数据、专线E1的接入，发展初期以大客户接入为主，传统的接入方式，是通过光电转换器，在机房内将电信号转换为光信号，通过PDH等点对点设备接入到客户端，再通过光电转换器，转换为用户需要的语音、数据、E1接入等。或者直接从语音交换机上直接拉铜缆到用户端。图4.1为传统的电信解决用户接入的方案，可以看出，上述方式都需要丰富的线路资源，而这正是此地电信所缺乏的。这也为GPON的应用提供迫切的需求。图4.1传统接入方案图4.2.1金鹏GPON解决方案根据某地电信局的实际情况以及GPON产品的功能特性，我们为此地电信设计如图4.2的接入方案，在机房采用OLT的局端设备，给大客户提供ONU，同时提供语音和数据接入。40 图4.2金鹏GPON解决方案下面将从业务产出、业务投入、以及投资的保护几个方面来阐述GPON方案与传统方案的不同，以及给运营商带来的好处。1.业务产出表4.1业务产出对比容量业务种类传统方式GPON方式数据80用户256用户传统语音1,600线1200线IP语音1,280线49,152线E1中继16线2,048线IPTV不支持3,072用户上表4.1是从业务的提供上来比较，在相同的设备投入下，GPON方案与传统方式所能提供的业务种类及其容量。可以看到：GPON所提供的容量，除了传统语音的容量略小于传统方式，其他的业务容量都比传统方式大的多：GPON可以支持IPTV的业务，这是传统方式所不能提供的。2.投入我们讨论综合的投入：40 表4.2局端设备对比传统方式GPON方式设备名称设备型号数量设备名称设备型号数量传输及综合接入MD55001三层数据交换机Catalyst37501程控交换机C&C081GPON局端OLT1汇聚层数据交换机Quidway85051机柜1接入层数据交换机Quidway35263无源分光器1接入层数据交换机Quidway35501PDH光猫16光电转换器80机柜6上表4.2中，传统方式中语音和数据是分离的，而且对于客户的接入也是分别通过光电转化器来实现，所以局端设备比较复杂。而GPON的局端OLT综合数据和语音的业务，输出也只是通过无源分光器来进行光纤的接入，其中的三层数据交换机是用来连接本地IPTV节目源的服务器，如果不提供IPTV节目源，则在机房中只有OLT一个机柜。（2）机房设备投入表4.3机房设备对比设备名称数量传统方式GPON方式机房面积250㎡10㎡挂式空调21蓄电池645线架及配件多无如表4.3所示，因为局端设备大幅度减少，所以机房中没有大的机柜，只需要10平方米的小房间即可，因为机房一般都是租用的，所以在机房的寻找和资金方面都有利于运营商快速地、便宜地来建设端局。（3）线缆资源投入表4.4线缆资源对比资源名称数量传统方式GPON方式光缆96芯8芯铜缆1600芯无室外铜缆配线架10无尾纤96芯96芯如表440 .4所示，节省线缆资源是GPON突出的优势，一根光纤上可以提供综合的业务接入，所以基本上去除了铜线的投入，而且光纤的数量也大大减少，这给河北电信运营商带来了极大地便利。（4）用户端设备投入表4.5用户端设备级对比业务种类数量传统方式GPON方式数据接入1X光电转换器1个ONTIP语音传统语音无需额外设备E1中继1X光猫IPTV不提供此业务如表4.5所示，GPON的接入，在用户端只需要一个OLT，可以提供数据、语音的综合接入，还可以根据用户的需求增加CATV的功能。而传统方式中用户的数据业务和语音是分别用电话线和网线（光纤）接入的。（5）运维成本表4.6运维成本对比业务种类所需设备传统方式GPON方式机房设施机房大，维护工作较大机房小，易于维护局端设备设备多，运维复杂设备少，运维容易用户端设备不可管理可全面网管室外设备有，需维护无，不需要维护如表4.6所示，运维成本是隐性的费用，但涉及到设备运行的稳定性、服务以及运营的成本，这也是GPON系统的优势，统一产品结构下，设备的维护简单便利，而且网络的无源性可保证室外设备运行的稳定性，这都大大降低了运维的成本。3．投资保护通信系统网络是在不断发展的，传统的TDM语音方式会逐渐被下一代网络所替代，中国电信将不断新建语音交换机，不扩容语音交换机，取而代之的是NGN软交换系统。基于IP的软交换系统在用户接入端将是IP技术而不是TDM方式，所以对于原有PSTN的铜线投入，将会逐步被光纤替代。如何实现接入端的过渡，以保护现有的投资，GPON是一个好的方案。采用GPON的综合业务接入网，用户端ONT目前可以提供传统的TDM语音和IP数据接入，局端与PSTN网通过E1上联，与数据网通过GE口或者100M40 端口上联。如果目前运营商的中心局既有PSTN，也有NGN的软交换中心，GPON局端上联端口和用户端ONT的端口都不改变，ONT可以通过数据下载来分别支持TDM语音和VoIP的IP语音。最终到了下一代网络，VoIP代替TDM语音，同样GPON的硬件设备都可以支持，对于运营商和用户来说，接入网基本上不作任何变动，既保护了运营商的投资，也使得用户不更换终端设备。4.3GPON应用总结GPON作为新的产品，在技术上处于领先的地位，将对目前接入网产生更新变化，用简单的语言来总结GPON的应用优势：1.更好的方式实现已有业务。作为替代品，GPON可以满足所有目前电信的接入业务:传统语音(TDMVoice)宽带数据(EthernetData)2M专线（E1DedicatedLine2.前瞻性的平台导入新业务GPON的光纤接入平台，可以支持未来发展的高宽带应用和VoIP等的业务，如：网络电视（IPTV）、P语音（VoIP/NGN）。40 结束语本文主要围绕GPON技术的发展背景、前景展望、原理、结构以及在接入网中的应用来进行性论述，分析了GPON与EPON之间的差距。主要研究内容有：GPON产品的优势、金鹏GPON产品的实现、GPON产品的应用和实例分析。也提出了GPON实现原理中所解决的若干关键问题：链路预算和光网络损耗、ONT的激活、测距、加密与安全、QoS管理、动态带宽分配。本课题立足企业可持续发展内在需求,以GPON技术替代XDSL技术进行新一代宽带接入网络建设为实际案例对GPON在实际应用中作为新一代宽带接入网技术进行探讨和研究。本课题研究通过实体工程应用验证GPON技术的成熟性和业务的适用性；探索GPON网络的建设模式,结合现有网络资源,寻找最佳组网方式；探索通过技术更新改造提高网络质量降低投资成本,进而为公司的可持续发展寻找新的盈利点,实现企业可持续效益发展。当然GPON系统是一个比较复杂的产品，具有长远的发展前景，在新产品应用的初期，厂家和用户都在探索最佳的产品应用模式，G.984是ITU颁布的GPON标准，运营商希望能标准化各厂家的产品为产品的大规模商用打下基础。这些问题需要运营商和更多的厂家积极参与，共同推进！40 致谢三个月的忙碌和工作，我的毕业论文已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，但都在老师和同学的帮助下度过了。在这里首先要强烈感谢我的论文导师郑玉甫教授，在我做毕业设计的每个阶段，从课题的选择到最终完成论文，郑老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。郑玉甫老师平日里工作繁多，但他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。三个月多来，刘老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向郑老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助，在此向帮助和指导过我的各位老师表示忠心的感谢！我还要感谢给予我很多关心和帮助的同学们，四年学习生活使我们结下深厚的友谊。俗话说天下没有不散之筵席，在毕业之际，我衷心地祝愿同学们在以后的人生道路上越走越宽广，也深深相信在未来的日子里我们将一路携手前行，会有很多的碰撞和交流，我们将始终记得我们曾在大学同窗学习，这将是我克服困难、不断前进的精神动力。最后感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没各位学者研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作，在这里我向各位学者致以崇高的敬意。40 参考文献【1】金惠文、陈建亚，GPON技术的应用模式研究.北京：电子工业出版社，2005.1【2】罗进文，王喆等.全业务运营中的GPON技术的应用。.北京：人民邮电出版社，2003.9【3】林生，韩海雯，千兆比无源光网络.北京：清华大学出版社，2003.4【4】谭生树.全球通信光纤市场.通信世界，1998，（4）：3【5】卢文全.光纤通信概述.光纤通信技术，1997，（3）：21【6】杨浚明，光纤通信设计.天津：天津科学技术出版社，1995【7】原荣，光纤通信网络.北京：电子工业出版社，1999【8】李云博，韦乐平.IP的理想传输技术.现代电信科技，1994.4【9】穆维新，靳婷.浅析各种PON技术实现FTTX.北京：人民邮电出版社，2005.140