接入网技术：GPON介绍
什么是GPON
PON（Passive Optical Network）是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络，GPON（Gigabit Passive Optical Network）是PON技术中的一种，是由ITU-T G.984.x系列标准定义的千兆比特PON。GPON网络如图1所示。
图1 GPON网络
· OLT（Optical Line Terminal）是放置在局端的终结PON协议的汇聚设备。
· ONU（Optical Network Unit）是位于客户端的给用户提供各种接口的用户侧单元或终端，OLT和ONU通过中间的无源光网络ODN连接起来进行互相通信。
· ODN（Optical Distribution Network）是由光纤、一个或多个无源分光器等无源光器件组成，在OLT和ONU间提供光通道，起着连接OLT和ONU的作用，具有很高的可靠性。
无源意味着ODN里面没有光放大器和再生器等器件，节省了室外有源设备维护成本。
为什么选择GPON
随着宽带业务的普及和光进铜退的趋势，运营商对业务的传输距离、带宽、可靠性和低运营成本提出越来越高的要求。GPON的以下特点满足了这些要求：
· 更远的传输距离：采用光纤传输，接入层的覆盖半径最大可达60km。可以解决双绞线"距离和带宽的矛盾"。
· 更高的带宽：每端口最大下行速率2.5Gbit/s，最大上行速率1.25Gbit/s。满足用户对高带宽业务的需求，如高清电视、实况转播等。
· QoS（Quality of Service）提供灵活的全业务体验：提供区分用户和用户业务的流量控制，保证多用户的多业务带宽，为不同的用户业务提供差异化服务。
· 分光特性：局端单根光纤经分光后引出多路到户光纤，支持1:128分光比，节省主干光纤资源，降低运营维护成本。
GPON基本概念
GEM帧
GEM（GPON Encapsulation Mode）帧是GPON技术中最小的业务承载单元，是最基本的数据结构。所有的业务都要封装在GEM帧中在GPON线路上传输，通过GEM Port标识。
· 每个GEM Port由一个唯一的Port ID来标识，由OLT进行全局分配，即每个GPON端口下的每个ONU不能使用Port ID重复的GEM Port。
· GEM Port标识的是OLT和ONU之间的业务虚通道，即承载业务流的通道，类似于ATM虚连接中的VPI（Virtual Path Identifier）/VCI（Virtual Channel Identifier）标识。
GEM帧结构如所示。
图2 GEM帧结构
PLI、Port ID、PTI和HEC（Header Error Check）构成GEM header，即GEM帧头，主要用于区别不同的GEM Port中的数据。各字段的具体含义如下：
· PLI：表示数据净荷的长度
· Port ID：唯一标明不同的GEM Port
· PTI：净荷类型标识，主要是为了标识目前所传送的数据的状态和类型，如是否是OAM（Operation, Administration and Maintenance）消息，是否已经将数据传送完毕等信息
· HEC：提供前向纠错编码功能，保证传输质量
· Fragment Payload：表示用户数据帧片段
以以太网业务在GPON中的映射方式为例，更直观地了解GEM帧的作用。如所示。
图3 以太帧映射到GEM帧
· 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，兼容性好。
T-CONT
T-CONT（Transmission Container）是GPON上行方向承载业务的载体，所有的GEM Port都要映射到T-CONT中，由OLT通过DBA（Dynamic Bandwidth Assignment ）调度的方式上行。T-CONT是DBA实现的基础，通过ONU对T-CONT的带宽申请、OLT对T-CONT的授权，实现整个GPON系统上行业务流的DBA。
T-CONT是GPON系统中上行带宽最基本的控制单元。每个T-CONT由Alloc-ID来唯一标识。Alloc-ID由OLT每个GPON端口分配，即OLT同一GPON端口下的ONU不存在Alloc-ID相同的T-CONT。
图4 T-CONT结构
T-CONT包括五种不同的类型，可根据不同类型的业务选择不同类型的T-CONT。每种T-CONT带宽类型有特定的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/最大带宽，最大带宽，混合方式（对应的Type1到Type5）。
表1中的X表示固定带宽值、Y表示保证带宽值、Z表示最大带宽值，-表示不涉及。
表1 五种T-CONT类型
GPON系统概述
GPON系统介绍
主流的PON技术包括BPON(Broadband Passive Optical Network)、EPON（Ethernet Passive Optical Network）和GPON几种技术。BPON由于采用ATM封装模式，主要用于ATM业务承载，但是随着ATM技术已经过时，BPON技术也随之消失。EPON是以太网无源光网络技术。GPON是吉比特无源光网络技术，是目前应用范围最广的光接入主流技术。
GPON网络工作原理如所示。
图5 GPON网络工作原理
· GPON网络采用单根光纤将OLT、分光器和ONU连接起来，上下行采用不同的波长进行数据承载。上行采用1290nm~1330nm范围的波长，下行采用1480nm~1500nm范围的波长。
· GPON系统采用波分复用的原理通过上下行不同波长在同一个ODN网络上进行数据传输，下行通过广播的方式发送数据，而上行通过TDMA的方式，按照时隙进行数据上传。
GPON下行传输
所有数据从OLT端广播到所有的ONU上，ONU再选择接收属于自身的数据，将其他数据直接丢弃。具体原理如所示。
图6 GPON下行通信原理
主要特征：
· 点对多点广播式传输
· 所有的ONU都能收到相同的数据，但是通过gemport ID来区分不同的ONU的数据，ONU通过过滤来接收属于自己的数据
· 用户只能获取属于自己的数据包
GPON上行传输
ONU在向OLT发送数据时只能在OLT提前许可的时隙内发送数据，这样就可以保证每个ONU都按照要求按次序发送数据，避免了上行数据冲突，如所示。
图7 GPON上行通信原理
主要特征：
· 时分复用（Time Division Multiple Access）
· 数据在属于自己的时隙里传输
· 光信号在分光器处进行耦合
· 通过测距实现冲突检测与避免
GPON组网应用
GPON采用无源光传输技术，主要应用于FTTx解决方案，包括：FTTM（Fiber To The Mobility Base Station）、FTTO（Fiber To The Office）、FTTB（Fiber To The Building）、FTTC（Fiber To The Curb）、FTTD（Fiber to The Door）、FTTW（Fiber To The WLAN）、FTTH（Fiber To The Home）和D-CCAP（Distributed-Converged Cable Access Platform）组网场景，支持语音、数据、视频、专线接入和基站接入业务，FTTx组网应用如所示。
图8 FTTx组网应用图
GPON接入方式下FTTx组网的共同点是：终端用户的数据、语音、视频信号经过ONU后被转换为以太报文，由ONU的GPON上行端口通过光纤传输到OLT，然后从OLT上行端口转发至上层IP网络。
· FTTH：OLT通过ODN与用户家里的ONT连接。FTTH组网适合相对分散的新建高档公寓或别墅，为高端用户提供更高带宽的服务。
· FTTB/FTTC：OLT通过ODN与楼道（FTTB）或路边（FTTC）的ONU连接，ONU与终端用户相连。FTTB/FTTC组网适合用户比较集中的小区或写字楼，为普通用户提供一定带宽的服务。
· FTTO：OLT通过ODN与企业的ONU连接，ONU与终端用户相连。FTTO组网适合企业网，实现企业内TDM PBX、IP PBX，及企业内部网的专线业务。
· FTTM：OLT通过ODN与ONU相连，ONU与无线基站相连。FTTM组网适合移动承载网改和扩容，实现承载层面的固定网络与移动网络的融合。
· FTTW：OLT通过ODN与ONU相连，ONU与AP相连，实现WLAN流量回传，成为Wi-Fi建设的未来趋势。
· D-CCAP：D-CCAP建设场景，采用统一PON接入平台、分布式部署方式，可满足家庭、企业、热点覆盖的需求，是HFC网络承载三网融合业务的新引擎。