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1、GPON原理敏捷响应敏捷响应 科学管理科学管理 协调发展协调发展 2021/9/271考虑到未来许多的宽带应用，越来越多的国家认识到必须尽早突破接入“瓶颈”，而光纤是今为止最好的传输媒介。本文主要分析 GPON技术的产生背景、应用、基本概念和特点，以及GPON系统的管理模式和终端的业务发放模式。2021/9/2722345PON基本概念基本概念GPON协议分析协议分析GPON关键技术关键技术GPON组网保护组网保护目录1接入网概述接入网概述6GPON系统管理和业务发放系统管理和业务发放2021/9/2732345PON基本概念基本概念GPON协议分析协议分析GPON关键技术关键技术GPON组网
2、保护组网保护目录1接入网概述接入网概述6GPON系统管理和业务发放系统管理和业务发放2021/9/274接入网概述接入网：接入网位于电信网的末梢，为用户提供各类接口，将用户终端如电脑、电视机、电话机等接入网电信网络，从而为用户提供各类服务。接入网有线接入网无线接入网铜缆接入网光纤接入网固定无线接入移动无线接入2021/9/275有线宽带接入网有线宽带接入主要包括铜缆接入和光纤接入，目前有线宽带接入网技术主要包括以下几种：Cable Modem GPONVDSL/VDSL2ADSL/ADSL2+EPON P2P 有线宽带接入铜缆接入光纤接入2021/9/276接入网光进铜退发展趋势ADSL2+P
3、ONADSL2+VDSL2Centre officeHomeVDSL2ONTADSL2+10/100Base-T1 km2 kmIP DSLAMGECurbBuildingGESplitterFTTCFTTBFTTBFTTHADSL2+VDSL2GEFTTBDSL2021/9/277光纤接入网的接入方案Curb switchCOCOCON subscribersL kmL kmL kmN subscribersPassive Optical Splitter(a)点到点的网络(b)路边交换网络(c)无源光网络即:PON2021/9/2782345PON基本概念基本概念GPON协议分析协议分析G
4、PON关键技术关键技术GPON组网保护组网保护目录1接入网概述接入网概述6GPON系统管理和业务发放系统管理和业务发放2021/9/279 Passive Optical Network 无源光网络OLTONUOptical Line Terminal 光线路终端Optical Network Unit 光网络单元 Passive Optical Splitter 无源分光器NGNInternetIPTVONTONT PON是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络；PON由光线路终端OLT（Optical Line Terminal）、光网络单元 ONU（Optical Network Un
5、it）和光分配网络ODN（Optical Distribution Network）组成；Passive Optical Splitter 无源分光器PON网络架构Optical Network Terminal 光网络终端 ODN2021/9/2710为什么选择PON？lPON（Passive Optical Networks）l 三大优势：1、更远的传输距离：采用光纤传输，接入层的覆盖半径20KM；2、更高的带宽：GPON上行1.244G/下行2.488G（物理层）；3、无源分光特性：局端光纤经分光后引出多路到户光纤，节省光纤资源；采用 无源设备，节省安装维护成本。1Mbps 3M8M25
6、M100MADSL/ADSL2+Copper BasedVDSL/ADSL2+Copper BasedPONFiber Based2002200320062010时间时间带宽需求带宽需求互联网视频会议远程控制接入技术业务需求VoD标清电视视频会议Game实况TVVoDHDTV3km2km1km20km覆盖半径2021/9/2711几种PON标准APON:ATM Passive Optical Networks EPON:Ethernet Passive Optical NetworksGE-PON:Giga-bit Ethernet Passive Optical NetworksGPON:G
7、igabit-capable Passive Optical NetworksGPONBPONAPONATMEPONETH2021/9/2712GPON基本性能参数上行速率（Gbps）下行速率（Gbps）0.155521.244160.622081.244161.244161.244160.155522.488320.622082.488321.244162.488322.488322.48832最大逻辑距离60KM最大物理传输距离20KM最大差分距离20KM最大分光比1:128目前支持的主目前支持的主要速率要速率2021/9/27132345PON基本概念基本概念GPON协议分析协议分析GP
8、ON关键技术关键技术GPON组网保护组网保护目录1接入网概述接入网概述6GPON系统管理和业务发放系统管理和业务发放2021/9/2714GPON标准协议ITU-T G.984.3GPON TC层规格要求GTC复用结构及协议栈介绍GTC帧结构介绍ONU注册激活流程DBA规格要求告警和性能ITU-T G-984.1/2/3/4ITU-T G.984.1GPON网络参数说明保护倒换组网要求ITU-T G.984.4OMCI消息结构介绍OMCI设备管理框架OMCI实现原理简述ITU-T G.984.2PMD层规格要求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
9、层开销分配2021/9/2715GPON传输原理GPON采用WDM（波分复用）技术，实现单纤双向传输。GPON采用点到多点的组网架构，从OLT的PON口到ONU之间只有一根光纤，为了实现单向双向传输，GPON上下行信号采用不用的波长。上行信号的波长为1310nm，下行信号的波长为1490nm。2021/9/2716GPON传输原理-下行GPON下行采用广播的方式进行数据传输。GPON采用点到多点的组网架构，将下行数据通过广播的方式复制并发给每个ONU。ONU根据数据包头部包含的gemport ID信息对数据进行过滤，只转发属于本ONU的数据，丢弃其他的数据。分光器分光器OLTONU/ONT用户
10、用户2123123123123ONU/ONTONU/ONT123用户用户3用户用户12021/9/2717GPON传输原理-上行GPON上行采用TDMA（时分复用）技术传输数据。GPON采用点到多点的组网架构，来自多个ONU的数据会被发送到分光器并经过同一根光纤最终到达同个PON口。由于GPON上行信号采用同样的波长1310nm，为了避免信号冲突，GPON采用时分复用技术。OLT为每个ONU分配特定的数据传输时隙，ONU根据OLT事先分配的时隙进行数据传输。分光器分光器OLTONU/ONT用户用户2123123ONU/ONTONU/ONT123用户用户3用户用户12021/9/2718GPON
11、协议栈ATM CellATM CellGEM FrameGEM FrameGTC TC FrameGTC TC FrameAAL 1/2/5AAL 1/2/5PON-PHYPON-PHYEthernetEthernetIPIPTCP/UDPTCP/UDPVideoVideoDataDataPOTSPOTSE1/T1E1/T1Various Various serviceserviceLayer1Layer1Layer2Layer2Layer3Layer3Layer4Layer4Layer5Layer52021/9/2719GPON复用结构ONUONUONUT-CONTGEM PortT-CON
12、TGEM PortGEM PortT-CONTT-CONT GEM PortGEM PortGEM PortGEM PortGEM PortPON光口光口 DBA123OLT不同的ONU用ONU-ID标识不同的T-CONT用Alloc-ID标识不同的GEM-PORT用Port-ID标识2021/9/2720GPON帧结构Physical Control Block Downstream(PCBd)PayloadAllocIDStartEndAllocIDStartEnd1100200 x300500T-CONT1(ONT 1)T-CONT x(ONT 2)Slot 100Slot 200Slo
13、t 300Slot 500PLOuPLOAMuPLSuDBRu xPayload xDBRu YPayload yUpstream Bandwidth Map125usDownstream FramingUpstream FramingOLT ONT 1ONT 64AllocIDStartEndy501650 ONT 21xyT-CONT y(ONT 2)Slot 650Slot 501T-CONT x xT-CONT y2021/9/2721GPON上行帧结构PLOuPLOAMuPLSuDBRu xPayload xDBRu yPayload yPLOuDBRu zPayload zPrea
14、mbleA bytesDelimiterB bytesBIP1 bytesONU-ID1 bytesInd1 bytesONU-ID1 bytesMsg ID1 bytesMessage10 bytesCRC1 bytesDBA 1,2,4bytesCRC1 bytesGEMheaderFramefragmentGEMheaderFull frameGEMheaderFramefragmentPLI12bitGem Port ID12bitPTI3bitHEC13bitONT AONT BUpstream FramingDBA ReportPad if neededT-CONT y yT-CO
15、NT x xT-CONT z z2021/9/2722GPON下行帧结构PCBdnPayloadnPCBdn+1Payloadn+1Psync4 bytesIdent4 bytesPLOAMd13 bytesBIP1 bytesPlend4 bytesPlend4 bytesUS BW MapN*8 bytesFEC Ind1 bitReserved1 bitSuper-frame Counter 30 bitsBlen BW MapLength 12 bitsAlen ATM PartitionLength 12 bitsCRC8 bitsAccess 18 bytesAccess 28 b
16、ytes.Access n8 bytesAlloc ID12 bitsFlags12 bitsSStart2 bytesSStop2 bytesCRC1 byteSend PLS1 bitSend PLOAMn1 bitUse FEC1 bitSend DBRu2 bitsReserved7 bits125usCoverage of this BIPCoverage of next BIPDownstream Framing125us2021/9/2723GPON以太网业务封装GEM PayloadHEC 13bitsPTI 3bitsPort ID 12bitsPLI 12bitsGEM F
17、rameEthernet PacketDASFDPreambleInter packet gapSALengthTypeMAC client dataFECEOF5 byteslGPON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。lGEM帧会自动封装头信息。l映射的格式清晰，设备很好实现，兼容性好。2021/9/2724GPON TDM业务封装TDMTDM dataPayloadTDM fragmentHECPTIPort IDPLIGEM FrameIngress bufferTDM BufferlTDM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
18、GEM帧中进行传输。l这种方式不对具体的TDM业务进行感知，只进行透传处理。lGEM帧具有定长的特点，对TDM业务传输非常有利。2021/9/27252345PON基本概念基本概念GPON协议分析协议分析GPON关键技术关键技术GPON组网保护组网保护目录1接入网概述接入网概述6GPON系统管理和业务发放系统管理和业务发放2021/9/2726GPON关键技术GPONGPON关键技术关键技术关键技术关键技术加密加密加密加密DBA测距测距2021/9/2727测距l各个ONU和OLT的距离都不一样，光信号的光纤上的传输时间不一样，到达各个ONU的时刻不一样。lOLT给每个ONU分配不同的时隙来发
19、送上行的数据，如何保证各ONU能够精确定位时隙？l过个ONU的上行数据如何不冲突，实现帧同步？ONTOLT(in CO)20 km3 km12 km2021/9/2728测距原理1.OLT在T1时刻向ONU发送一个数据包，ONU接收到数据包后把自身时钟置为T1。2.ONU经过一段时间后在T2时刻向OLT回复一个数据包。3.OLT在T3时刻收到来自ONU的数据包。时延计算：RTD=（T3-T1）-（T2-T1）=T3-T2OLTONUTXRXTXRXT1T3T1T2T3-T1T2-T1下行时延上行时延2021/9/2729时延补偿lOLT通过测距过程获取ONU的往返时延RTD，计算出每个ONU的
20、物理距离。l指定合适的均衡时延EqD，使得每个ONU进行时延补偿之后达到一致的时延。lRanging的过程需要开窗，即Quiet Zone，暂停其他ONU的上行发送通道。OLT开窗通过将BWmap设置为空，不授权任何时隙来实现。分光器分光器OLTONU2用户用户2ONU1ONU3用户用户3用户用户1RTD1=10us，计算距离，计算距离=1kmRTD1=20us，计算距离，计算距离=2kmRTD1=30us，计算距离，计算距离=3km2021/9/2730GPON关键技术GPONGPON关键技术关键技术关键技术关键技术加密加密加密加密测距测距DBA2021/9/2731DBA概念l什么是DBA
21、?p-DBA,Dynamically Bandwidth Assignment(动态带宽分配)p-DBA是一种能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽的动态分配的机制l为什么需要DBA？p-可以提高PON端口的上行线路带宽利用率p-可以在PON口上增加更多的用户p-用户可以享受到更高带宽的服务，特别是那些对带宽突变比较大的业务lDBA分类pSR-DBApNSR-DBA2021/9/2732DBA实现过程DBA算法算法逻辑逻辑DBA报报告告BW MapTime slotT-CONTT-CONTT-CONTONU的的调调度器度器ONUOLT控制平面数据平面2021/9/2733T-CONT类型u
22、T-CONTs(Transmission Containers)：动态接收OLT下发的授权，用于管理PON系统传输汇聚层的上行带宽分配，改善PON系统中的上行带宽。uT-CONT的带宽类型分为FB,AB,NAB,BE。uT-CONT的5种类型，Type1,Type2,Type3,Type4,Type5。2021/9/2734T-CONT类型与带宽的关系l根据业务的优先级，系统对每个ONU设置SLA，对业务的带宽进行限制。l最大带宽和最小带宽是对每个ONU的带宽进行极限限制，保证带宽根据业务的优先级不同而不同，一般语音业务的优先级最高，视频业务优先级次之，数据业务的优先级最低。lOLT根据业务和
23、SLA及ONU的实际情况进行带宽许可，优先级高的可以得到更高的带宽，满足业务需求。2021/9/2735GPON关键技术GPONGPON关键技术关键技术关键技术关键技术DBA测距测距加密加密加密加密2021/9/2736AES加密User3User3User2User23 33 31 13 33 32 21 11 11 11 12 21 13 33 32 21 11 11 1 3 33 32 21 11 1加密加密解密解密解密解密解密解密1 11 1 3 33 32 21 11 1lGPON支持下行广播数据进行AES128加密处理。l只对GEM帧中的Payload进行加密处理。lGPON系统定
24、期的进行AES密钥交换和更新，提高了线路数据的可靠性。l密钥更换由OLT发起密钥更换请求，ONU响应并将生成的新的密钥，并分两部分发给OLT，且重复发送三次，OLT收到了新的密钥后，就要开始进行密钥切换，将使用新的密钥的帧号通过相关的命令通知ONU（也是三次），ONU在相应的数据帧上切换校验密钥。AES:Advanced Encrypt SystemAES:Advanced Encrypt System一种国际通用的加密算法一种国际通用的加密算法User12021/9/27372345PON基本概念基本概念GPON协议分析协议分析GPON关键技术关键技术GPON组网保护组网保护目录1接入网概述
25、接入网概述6GPON系统管理和业务发放系统管理和业务发放2021/9/2738GPON 组网保护GPON采用点到多点的组网架构，通过一根光纤传输众多用户的业务数据，一旦光纤链路或者物理层器件发生故障，很多用户的业务将受到影响。为了提供网络高可靠性的保障，GPON通过灵活组网实现不同方式的链路备份，满足不用的应用场景。GPON组网保护包括以下三种类型：Type A 组网保护 Type B 组网保护 Type C 组网保护2021/9/2739Type A保护l设备没有任何备份措施l主干光纤故障后，由人工切换至备用光纤l业务肯定中断，中断时间取决于线路恢复时间l如果到用户的线路故障，业务就会中断，
26、无法备份IFponIFponIFpon1：N分光器OLTONU#1ONU#N备用光纤Type A 光纤备份 2021/9/2740Type B保护lOLT设备上有两个GPON接口 l此种保护方式仅限于主干光纤出现故障时，系统会自动切换到备用系统，实现了对骨干光纤的保护l保护对象仅限于OLT与ODN之间的光纤故障和OLT单板硬件故障，对其他类型的故障没有涉及，可能存在严重安全隐患，无法满足客户需求IFponIFponIFpon2：N分光器OLTONU#1ONU#NType B OLT端口备份IFpon 2021/9/2741Type C保护lOLT和ONT上均有两个GPON接口，OLT的GPON
27、接口要工作在1:1模式下。l全保护光纤倒换方式，OLT与ONU之间有完全不同的两条通路，可以保证各种故障都得到恢复。l当ONU的主用PON口或用户线路故障时，ONU会自动将业务倒换到备用PON口上，业务通过备用线路和OLT的备份端口上行。业务基本不会中断。l实现难度较大，成本较高。l其中一个端口始终处于空闲状态，造成系统带宽利用率低。IFponIFponIFpon2：N分光器OLTONU#1ONU#NIFponIFponIFpon2：N分光器 2021/9/27422345PON基本概念基本概念GPON协议分析协议分析GPON关键技术关键技术GPON组网保护组网保护目录1接入网概述接入网概述6
28、GPON系统管理和业务发放系统管理和业务发放2021/9/2743GPON 终端端认证 GPON终端认证是指ONU必须通过OLT的合法性认证之后才能成功向OLT注册。在GPON系统中，只有通过合法认证的ONU才能接入PON系统，这样可以满足运营商实现灵活的、便于维护的管理方式。GON ONU的主要认证方式：SN认证Password认证SN+Password认证2021/9/2744GPON SN认证ONUOLTDS Frame with valid PsyncUpstream-Overhead PLOAM 消息SN Request(BWMap)Serial_Number_ONU PLOAM消息
29、SN匹配匹配成功成功Assign ONU ID消息Ranging Request消息Ranging Reponse消息Ranging timeONU状状态正常态正常OLT状态状态正常正常01：初始状态：初始状态02：准备状态：准备状态03：序列码状态：序列码状态04：测距状态：测距状态2021/9/2745GPON Password认证ONUOLTDS Frame with valid PsyncUpstream-Overhead PLOAM 消息SN Request(BWMap)Serial_Number_ONU PLOAM消息Assign ONU ID消息Ranging Request消息
30、Ranging Reponse消息Ranging timeONU状状态正常态正常Password匹配成功匹配成功01：初始状态：初始状态02：准备状态：准备状态03：序列码状态：序列码状态04：测距状态：测距状态Request PasswordPassword 消息05：操作状态：操作状态OLT状态状态正常正常2021/9/2746GPON SN+Password认证ONUOLTDS Frame with valid PsyncUpstream-Overhead PLOAM 消息SN Request(BWMap)Serial_Number_ONU PLOAM消息SN匹配匹配成功成功Assign
31、 ONU ID消息Ranging Request消息Ranging Reponse消息Ranging timeONU状状态正常态正常Password匹配成功匹配成功01：初始状态：初始状态02：准备状态：准备状态03：序列码状态：序列码状态04：测距状态：测距状态Request PasswordPassword 消息05：操作状态：操作状态OLT状态状态正常正常2021/9/2747GPON 系系统管理模型管理模型-ONT 网管通过SNMP协议对网络中的OLT设备进行集中管理 OLT通过OMCI通道对端口下的所有ONT设备进行集中管理 通过在网管上进行业务预配置和OLT上实现业务配置自动下发，
32、ONT可以实现即插即用。OLTBRASNGBN ViewOMCISNMPClientONT2021/9/2748GPON 系系统管理模型管理模型-ONU 网管通过SNMP协议对网络中的OLT和ONU设备进行集中管理 OLT通过OMCI通道对端口下的所有ONU设备进行集中管理OLTBRASNGBN ViewOMCISNMPClientONUSNMP2021/9/2749GPON 业务发放与放与终端零配置端零配置运营商的噩梦运营商的噩梦应用场景应用场景业务发放系统业务发放系统NGBN ViewAccess NetworkBilling1开户开户2下发数据配置下发数据配置3订单管理系统订单管理系统启
33、动终端，利用序列号进行注册ONTONTONTONTCRM用户用户给用户发放终端给用户发放终端12自动完成OLT的数据配置的的终端需要完成初始配置（如业务系统信息、数据配置等）才能投入正常使用，运营商完成这些配置得投入大量人力；支持终端零配置和终端即插即用，节省运营商投入终端业务开通与初始配置的人力。灵活的灵活的GPON配置方案配置方案STB3利用OMCI完成ONT的数据配置2021/9/2750总结1.介绍接入网概念，分类和接入网发展趋势。目前有线接入网主要包括铜线接入和光纤接入，接入网正处于光进铜退的发展过程。2.介绍PON网络基本架构和几种PON网络标准。PON网络包含局端设备OLT，终端
34、设备ONU和中间的光分配网络ODN。PON主要包含 APON，BPON，GPON和EPON几种标准。3.介绍GPON主要协议内容，包括传输原理，协议栈，帧结构等。GPON采用P2PM组网，下行采用广播方式，上行采用TDMA方式，并且上下行采用不同波长进行传输。GPON在2层定义了GTC 层和GEM层，在2层将以太网和TDM数据封装为GEM帧。4.介绍GPON3种关键技术：测距、DBA和加密。5.介绍GPON的3种组网保护：Type A，Type B和Type C。6.介绍GPON的终端认证和管理方式，以及GPON业务的下发流程。2021/9/2751创新思想创新思想 敏捷响应敏捷响应 合作共赢合作共赢 2021/9/2752