GPON和XG(S)-PON技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

目  录

1 概述··· 1

1.1 GPON和XG(S)-PON简介·· 1

1.2 GPON和XG(S)-PON网络架构·· 1

1.3 GPON和XG(S)-PON的发展历程·· 2

1.3.1 PON网络的起源·· 2

1.3.2 GPON技术标准简介·· 5

1.3.3 GPON技术标准的演进·· 6

2 GPON的技术原理··· 7

2.1 GPON的基本概念·· 7

2.1.1 GEM帧·· 7

2.1.2 GEM Port 8

2.1.3 T-CONT· 9

2.2 GPON下行业务处理流程·· 11

2.2.1 下行数据流广播流程·· 11

2.2.2 Downstream GTC帧介绍·· 12

2.3 GPON上行业务处理流程·· 14

2.3.1 上行数据流的处理流程·· 14

2.3.2 Upstream GTC帧介绍·· 15

2.4 GPON ONU的激活和认证流程·· 16

3 XG(S)-PON的技术原理··· 20

3.1 XG(S)-PON概述·· 20

3.2 XGEM帧结构简介·· 21

3.3 XG(S)-PON的帧简介·· 22

3.3.2 Downstream PHY帧结构·· 24

3.3.3 Upstream PHY帧结构·· 25

3.4 XG(S)-PON ONU激活和认证流程·· 26

3.5 从GPON向XG(S)-PON的平滑演进·· 30

4 PON网络中的ONU管理··· 30

4.1 OMCC通道建立过程·· 31

4.1.1 GPON建立OMCC的过程·· 31

4.1.2 XG(S)-PON建立OMCC的过程·· 32

4.2 OMCI协议消息简介·· 32

4.3 OMCI通用服务简介·· 33

5 GPON和XG(S)-PON关键技术··· 36

5.1 DBA· 36

5.2 测距·· 37

5.3 加密·· 37

5.4 FEC· 39

5.5 GPON和XG(S)-PON的保护技术·· 40

6 GPON和XG(S)-PON的光功率预算··· 42

6.1 ODN网络中的光功率损耗·· 43

6.2 光模块的光功率预算·· 44

7 GPON和XG(S)-PON的应用场景··· 44

7.1 家庭用户和企业专线的宽带接入·· 44

7.2 数字园区无源网络覆盖·· 45

7.3 固定网络和移动网络的融合·· 46

8 参考文献··· 47

 

1  概述

1.1  GPON和XG(S)-PON简介

GPON（Gigabit Passive Optical Network，千兆比特无源光网络）是由国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）制定的一种高速无源光网络技术。GPON网络采用点对多点（P2MP）的网络结构来接入大量终端设备，利用无源光器件降低信号传输过程中的能耗。其中，Gigabit表明单个接口提供速率可达千兆级别。

XG(S)-PON是在GPON标准基础上演进的新一代技术标准，其中，“X”代表10 Gigabit-capable，表示单个接口可提供万兆级别传输速率，“S”代表Symmetric，表示上下行速率相同。XG(S)-PON包含了上下行速率非对称的XG-PON和上下行速率对称的XGS-PON两种标准。

如图1所示，GPON最初应用于网络运营商的固定宽带接入网（Fixed Broadband，固网宽带）场景中，为家庭、企业等用户提供高速的数据、语音和视频等接入服务。它解决了铜线接入技术带宽和传输距离不足等问题。从技术标准发布到商用部署的近二十年间，GPON和XG(S)-PON逐渐成为固定宽带接入网中应用最广泛的技术。

图1 GPON网络的示意图

 

1.2  GPON和XG(S)-PON网络架构

GPON和XG(S)-PON网络架构完全相同，以图2所示的GPON网络为例，其网络架构由以下三部分组成：

·     位于运营商接入机房的OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）。GPON OLT通过SNI（Service Node Interface，业务节点接口）连接到交换机等以太网设备，通过单个GPON接口接入多个ONU，实现点到多点组网拓扑。每个ONU通过不同的ONU-ID区分。

·     由光纤光缆和POS（Passive Optical Splitter，无源分光器）等无源器件组成的ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）。ODN是用于连接OLT和ONU的无源光网络，其中最关键的光器件就是无源分光器。无源分光器经过精密的物理结构设计，使输入的光信号在特定区域发生耦合效应，将光信号的能量按比例分配到输出端口，并且不改变光信号携带的信息，从而实现M:N的分光（M表示输入端口数，取值通常是1或2，N表示输出的分光比，取值为2的整数次方）。

·     位于用户侧的ONU（Optical Network Unit，光网络单元），也可以称为ONT（Optical Network Terminal，光网络终端）。GPON ONU采用GPON接口连接OLT，再通过以太网口或POTS等UNI（User Network Interface，用户网络接口）连接到用户的PC和话机等终端设备。

图2 GPON网络架构示意图

 

 

1.3  GPON和XG(S)-PON的发展历程

1.3.1  PON网络的起源

在20世纪90年代的模拟电话网络中，通过铜制双绞线（Twisted Pair）来承载语音业务。随着互联网的兴起，出现了数据业务传输的需求。因此，在以双绞线为传输介质的模拟电话网络中逐步发展出来一系列数据业务传输技术：

·     2000年前后，ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线路）技术标准成熟并进行商用。ADSL技术利用频分复用技术，将铜线上传输信号的频带划分为语音（0～4kHz）信道、上行数据（25～138kHz）信道和下行数据（138kHz～1.1MHz）信道，采用其中较高频率的信道来传输数据业务，实现了固定宽带接入网中语音与数据业务共存。ADSL（ITU G.992.1）技术可以实现下行8Mbps、上行1Mbps左右的传输速率，有效传输距离为3～5km，基本满足了用户网页浏览和电子邮件等早期互联网的需求。随后，在ADSL技术基础上又诞生了ADSL2和ADSL2+技术，提升了传输速率和信号质量。

·     为了进一步提升传输速率，满足用户多媒体和游戏等互联网业务的需求，ITU发布了VDSL/VDSL2（Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line，超高速数字用户线路）系列技术标准。这些技术在ADSL的基础上不断扩展用于传输数据业务的频段，最高频段扩展至30MHz。VDSL2在2007年前后大规模部署商用，支持对称的上下行传输速率，在300米内的下行速率可达100Mbps。

业界将这些以双绞线为传输介质的数字信号传输技术统称为xDSL技术。通过不断增加高频信道，扩充信道带宽，xDSL技术提升了用户的上下行速率。

如图3所示，由于高频信号在铜介质中传输损耗严重，又存在强电磁干扰和串扰等问题，导致信号传输速率和有效传输距离互相制约，即无法同时满足数据的长距离传输和高速率传输。这意味着，如果网络运营商希望接入“最后一英里”的海量用户，采用铜线高速接入网络方案，需要尽量靠近用户部署大量xDSL接入设备，同时还需要铺设大量铜线线缆，成本高昂。即使在xDSL技术之后又陆续推出了G.Fast、Vectoring等技术来提升带宽、消除串扰，铜线接入的物理困境仍然存在。

图3 高速率、长距离和低成本不可兼得

 

为了解决铜线技术的难题，在xDSL技术大规模部署和商用的同时，业界就已经开始研究并制定了xDSL的替代技术——PON（Passive Optical Network，无源光网络）。

如图4所示，PON网络采用光纤作为传输介质，ODN中全部采用无源光器件组成，如无源分光器、光缆接头盒、光缆分纤盒等。无源器件和光纤传输大大降低了网络功耗。每一个OLT的PON口都可以接入大量ONU设备，满足大量用户接入需求。

图4 PON网络示意图

 

如表1所示，相对于采用铜线接入的xDSL技术，采用光纤作为传输介质的PON技术优势十分明显。

表1 PON对比xDSL的优势

对比维度	PON+光纤	xDSL+铜线（双绞线）
带宽潜力	单模光纤理论带宽达100THz，几乎没有带宽限制，因此，PON技术的带宽上限远远高于xDSL	仅在百米内可以支持最高1Gbps速率，长距离部署时，传输速率通常低于100Mbps
传输距离	单模光纤信号衰减极小，传输损耗最低仅0.2dB/km（损耗与中心波长相关），无中继传输距离可达几十公里	最大有效传输距离小于5km，高频信号衰减剧烈，例如30MHz信号衰减可达60dB/km
成本	·     光缆寿命大于25年，耐腐蚀、抗氧化，故障率低 ·     光纤为玻璃纤维，成本低廉	·     铜线寿命10～15年，易氧化老化 ·     铜线属于贵金属，成本高
抗干扰能力	光信号传输免疫电磁干扰，无串扰问题	易受电磁干扰和串扰（如VDSL2受无线电波、电力线干扰），需屏蔽技术
能耗	PON网络为无源光网络，从局端到终端之间的网络无需供电，光信号传输能耗低，同等带宽下功耗仅为铜线的1/10	高频信号需高功率放大，能耗高（如VDSL2局端设备功耗>50W/端口）
物理特性	光纤直径小（约0.25mm），重量轻，无火灾风险（无电流通过）	线径粗（如Cat6A直径6.5mm），重量大，电流传输存在过热风险
升级扩展性	同一光纤可承载多波长（WDM技术），未来带宽扩展能力强	受香农定理限制，铜线信道容量受限于信噪比，技术迭代已接近物理极限

 

如图5所示，2010年前后国内网络运营商开始全面采用PON技术替代xDSL技术。

(1)     为保护投资，xDSL到PON网络的改造采用FTTB或FTTC过渡方案。首先将xDSL的局端设备DSLAM（Digital Subscriber Line Access Multiplexer，数字用户线接入复用器）迁移部署到靠近用户侧的信息箱中，并新增PON接口板卡。再将DSLAM通过光纤连接到局端新增的OLT设备。根据光缆铺设的位置，这类过渡方案分为FTTB（Fiber to the Building，光纤到楼栋）或FTTC（Fiber to the Curb，光纤到路边），仍采用铜线入户。这种PON和xDSL混合组网的方案，既重复利用现有的设备和铜线资源，又缩短DSLAM设备到用户的距离，提升接入速率。

(2)     当条件成熟后，再直接拆除末梢的DSLAM设备和铜线电缆，替换为无源器件，采用光纤入户实现FTTH（Fiber to the Home，光纤到户），进一步提升接入速率和质量。

在此过程中，铜线覆盖距离越来越短，光纤的覆盖距离越来越长，因此被形象地称为“光进铜退”。

图5 “光进铜退”的示意图

 

1.3.2  GPON技术标准简介

固定宽带接入网中主流的PON技术包括GPON（ITU-T G.984）与EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太无源光网络）两种标准。在现网部署和发展过程中，这两个技术路线的选择不仅体现在技术架构上，更折射出标准化组织（ITU与IEEE）、产业链利益及运营商需求的复杂博弈。

在早期商业化部署阶段，EPON标准和硬件产业链的成熟度更高。运营商选择部署EPON可以兼容现有以太网络设备，无需数据封装切换，成本也更加低廉。另一方面，GPON标准制定过程曲折，周期较长，选择GPON很可能错过先发的时间窗口。因此，在PON技术早期商用阶段EPON的部署更多。随着GPON产业链的完善，2010年后国内GPON成为固定宽带接入网另一种选择。

GPON的技术参数如表2所示，其技术价值主要包括：

·     单端口可支持对称2.5Gbps上下行速率，用户接入速率高；

·     分光比高，单端口可接入大量用户；

·     支持严格的QoS保障和优秀的OAM运维管理能力。

表2 GPON标准概览

标准概览	GPON（ITU-T G.984）
标准制定组织	由ITU-T主导制定
标准成熟时间	2003年3月发布G.984.1至2004年6月发布G.984.3，2008年基本完成G.984.x标准协议族
承载业务	可承载ATM、TDM和Ethernet多种业务
上下行速率	下行速率2.48832Gbps，上行速率1.24416Gbps或2.48832Gbps
中心波长	下行中心波长1490nm，上行中心波长1310nm
线路编码方式	NRZ（不归零码），无额外编码开销
物理距离	ONU和OLT之间的最大物理距离为10km或20km，通常为10km
分光比	现网可支持1:64，可扩展至1:128，需要光功率预算更高的光模块
QoS	通过数据帧中携带的OAM开销字段可以提供严格服务等级（如语音、视频优先级保障）
运维管理	强制支持OMCI（ONU Management and Control Interface，光网络单元管理控制接口），实现ONU设备远程配置和管控
网络保护机制	支持冗余倒换（50ms级保护切换）

 

 

1.3.3  GPON技术标准的演进

由于GPON（ITU-T G.984）属于点到多点的网络结构，OLT的单个PON口通过分光器连接多个ONU终端。多个ONU共享单个PON口的下行速率，基于带宽收敛估算，实际单用户的接入速率约百兆级别。为满足4K/8K视频和VR/AR等高带宽业务需求，GPON（ITU-T G.984）标准持续演进。

图6 GPON技术标准的演进

 

如图6所示，业界通常将GPON技术标准的演进分为三个阶段：

(1)     初期标准化阶段（2003～2008年），ITU-T发布了G.984系列标准，奠定GPON的基础，实现了光纤接入替代铜线接入。2008年，技术标准和产业链成熟，GPON产品开始规模化商用。

(2)     10G GPON标准阶段（2010～2016年），ITU-T发布了XG-PON（ITU-T G.987）与XGS-PON（ITU-T G.9807）两个标准。10G GPON标准将单PON口的上行和下行速率提升到10Gbps，可以为用户提供千兆级别的接入速率。10G GPON的产品在2019年前后开始商用，目前已实现了大规模部署。

(3)     下一代PON技术标准（2015年至今），ITU-T发布了NG-PON2（ITU-T G.989，Next-Generation Passive Optical Network Stage 2，下一代无源光接入网第二阶段），和50G PON（ITU-T G.9804 and G.hsp）标准。下一代PON技术的目标是将用户接入速率提升到万兆级别，同时满足高带宽、确定性低时延、网络切片、高可靠和安全的需求，并且进一步拓展在5G移动回传网、工业互联网、企业园区等场景的应用。

¡     2015年发布的NG-PON2采用TWDM（Time and Wavelength Division Multiplexing，时分波分复用）技术，通过下行多波长复用提升速率，支持4波长×10Gbps（总下行40Gbps/上行10Gbps）。多波长复用意味着下行方向ONU接收光信号时需要对多个波段进行滤波和解调，导致终端成本过高，未获得运营商的认可。

¡     2021年9月ITU-T发布了第一版50G PON标准，50G PON为了降低光器件成本，采用单波长来实现50Gbps下行速率，支持对称和非对称的多种上行速率。国内运营商和企业将50G PON标准作为10G GPON的演进方案。2024年50G PON标准和产品已开始少量试点部署。

2  GPON的技术原理

2.1  GPON的基本概念

2.1.1  GEM帧

在GPON网络中，GEM帧是最小数据封装单元。如图7所示，Ethernet、TDM、IP/MPLS和SDH等各类用户业务数据都被统一封装成GEM（GPON Encapsulation Mode，GPON封装模式）帧进行传输。数据封装成GEM帧的过程称为GTC（GPON Transmission Convergence，GPON传输汇聚）适配。

图7 用户业务数据封装为GEM帧示意图

 

如图8所示，GEM帧包含GEM帧头和GEM载荷两个部分，其中GEM帧头包含如下字段：

·     PLI（Payload Length Indicator，负载长度指示）：12bits，用于指示GEM Payload长度。

·     GEM Port ID：12bits，标识传输该GEM帧所使用的GEM Port。关于GEM Port的详细介绍，请参见“2.1.2  GEM Port”。

·     PTI（Payload Type Indicator，负载类型指示）：3bits，用于指示GEM载荷的类型以及分片状态。例如，PTI取值为000时，表示该GEM帧为分片数据的一部分，原业务数据被分片封装到多个GEM帧中。

·     HEC（Header Error Control，头错误控制）：13bits，用于在数据传输中检测和纠正GEM帧头错误。

图8 GEM帧示意图

 

2.1.2  GEM Port

GEM Port是OLT和ONU之间建立的一种逻辑通道。数据在OLT和ONU之间通过GEM Port进行传输。如图9所示，以下行方向为例，OLT通过OMCI（ONT Management and Control Interface，ONU管理和控制接口）协议来为ONU自动分配用于承载数据业务的GEM Port，并通过对应的GEM Port来传输数据。关于OMCI协议的详细介绍，请参见“4  PON网络中的ONU管理”。不同GEM Port通过GEM Port ID标识。下行数据通过GEM Port广播到所有ONU后，各ONU根据GEM Port ID过滤并接收属于各自的数据。

图9 下行复用示意图

 

 

2.1.3  T-CONT

在GPON上行方向，为了合理分配带宽资源，GPON网络定义了T-CONT（Transmission Container，传输容器）作为上行逻辑数据缓存区。每个T-CONT由Alloc-ID唯一标识，并严格按照时段来发送。

类比物流货运，T-CONT相当于一个个“仓库”，Alloc-ID则是“仓库”的编号。从ONU发送到OLT的GEM帧如同货物一般，先存储到对应的“仓库”中等待，每个“仓库”中的货物将在计划的时间段内出库。

表3 Alloc-ID值

Alloc-ID值	作用
0～253	默认的Alloc-ID，用于承载OMCI（ONT Management and Control Interface，ONU管理和控制接口），等于ONU-ID
254	用于OLT向所有ONU广播序列号请求消息
255	预留值，不可分配给ONU的Alloc-ID
256～4095	用于承载业务数据，OLT从这个范围中选择一个未被占用的值，并使用Assign_Alloc-ID PLOAM消息与ONU通信来为该ONU分配Alloc-ID

 

如图10所示，根据业务类型和需求的差异，每个ONU可以创建多个T-CONT，不同的GEM帧也可以存储在同一个T-CONT中，再通过对应GEM Port传输到OLT。

图10 上行复用示意图

 

如图11所示，为了保证不同类型业务的带宽需求，并为语音、视频等业务提供可靠的QoS服务质量保障，T-CONT分为五种不同的类型：

·     Type 1 T-CONT：OLT固定为这类T-CONT预留特定时间段用于发送数据，预留时间段的长短决定了T-CONT可用带宽的大小。Type 1 T-CONT可用带宽等于固定带宽（Fixed Bandwidth，FB）。无论Type 1 T-CONT中是否存在需要发送的GEM帧，预留的时间段都不可被其他T-CONT抢占，从而最大限度保证该类T-CONT中业务数据的实时性。Type 1 T-CONT通常用于服务时延敏感的高优先级业务，如VOIP语音业务。

·     Type 2 T-CONT：仅当这类T-CONT中存在需要发送的GEM帧时，OLT才为Type 2 T-CONT分配一定的时间段来发送数据，按需提供保证带宽（Assured Bandwidth，AB）。这类T-CONT的实时性低于Type 1 T-CONT，通常可以用于服务视频类业务。所有T-CONT的固定带宽和保证带宽之和不能超出GPON接口的上行带宽。

·     Type 3 T-CONT：OLT为Type 3 T-CONT分配一定保证带宽的同时，如果还不能满足T-CONT的数据发送需求，Type 3 T-CONT可以占用一定的额外带宽，这类额外带宽为非保证带宽（Non-Assured Bandwidth，NAB），非保证带宽属于弹性带宽资源，通过T-CONT之间互竞争带宽资源来实现。Type 3 T-CONT最大可用带宽等于保证带宽与非保证带宽之和。Type 3 T-CONT可以为视频或专线等业务服务。

·     Type 4 T-CONT：当OLT的GPON接口为所有T-CONT分配完固定带宽、保证带宽以及非保证带宽之后，剩余的带宽资源称为尽力而为带宽（Best Effort Bandwidth，BE）。Type 4 T-CONT只能使用尽力而为带宽，通常用于服务普通的数据业务。

·     Type 5 T-CONT：Type 5 T-CONT的可用带宽等于固定带宽+保证带宽+非保证带宽+尽力而为带宽，是一种混合了各种类型带宽的T-CONT。

图11 T-CONT类型和不同类型带宽示意图

 

不同类型的T-CONT基于DBA（Dynamic Bandwidth Assignment，动态带宽分配）技术实现，关于DBA技术的详细介绍，请参见“5  GPON和XG(S)-PON关键技术”。网络管理员可以配置T-CONT的类型，并合理指定各类带宽来满足不同业务的实际需求。

2.2  GPON下行业务处理流程

GPON网络下行业务数据流量采用广播方式传输，OLT将数据发送给PON接口连接的所有ONU，ONU可以过滤得到发送给自己的数据。

2.2.1  下行数据流广播流程

以图12所示组网为例，GPON下行数据流的简要处理过程如下：

(1)     GTC适配：OLT设备将交换机发给用户的Ethernet帧先适配封装为GEM帧。其中，Ethernet帧的源MAC地址、目的MAC地址以及Payload载荷等关键信息将被封装到GEM帧的GEM Payload中。同时，OLT根据Ethernet帧中的MAC地址、VLAN Tag等信息可以判断出该Ethernet帧所属的接入用户和业务类型，并映射到对应的GEM Port中传输。（OLT通过OMCI和ONU协商创建GEM Port之后，OLT和ONU可以根据Ethernet帧的VLAN等信息将业务报文映射到对应的GEM Port。）

(2)     GTC成帧和帧传输：OLT将该GPON接口下所有用户的GEM帧封装在一个固定长度为38880字节（即125微秒×2.48832Gbps）的下行帧，这个下行帧被称为Downstream GTC帧。OLT使用中心波长为1490nm的载波光信号，将Downstream GTC帧广播给所有ONU设备。

(3)     ONU过滤：ONU设备从GPON接口接收到广播的下行帧后，根据GEM Port ID信息过滤出属于自己的数据。同时，从Downstream GTC帧的Upstream BWmap字段中还可以获取到上行数据的T-CONT时隙规划信息。

(4)     ONU解封装和转发：ONU解封装GEM帧后得到原始以太网帧，根据目的MAC地址，将原始以太网帧转发到连接用户终端的UNI（User to Network Interface，用户到网络接口），并根据端口上的Port VLAN信息剥离业务VLAN。至此，用户终端即可获取到二层以太网报文。

图12 GPON下行广播处理流程

 

2.2.2  Downstream GTC帧介绍

如图13所示，固定为125微秒、38880字节的Downstream GTC帧中包含：不同ONU的多个GEM帧作为数据载荷，以及用于运维和管理的开销字段PCBd（Physical Control Block downstream，下行物理控制块）。

图13 Downstream GTC帧的结构

 

在PCBd中需要重点关注的是用于维护管理ONU的PLOAMd字段和用于为T-CONT分配上行时隙的Upstream BWmap字段。

·     Psync（Physical synchronization）：是一个4字节的固定值，取值为0xB6AB31E0。ONU通过这个固定值可以定位到每个Downstream GTC帧的起始位置，实现帧同步并开始处理PCBd中的数据。

·     Ident：用于指示超级帧并同步帧计数，长4字节，其中低30bit是一个帧计数器。OLT每发送一个Downstream GTC帧Ident字段中的计数器加一，超出最大值则重置为0。通过ONU本地的计数器和Ident字段中的计数器可以判断是否丢失帧同步信息。

·     PLOAMd（Physical Layer OAM downstream）：下行帧中的ONU维护管理信息，长度为13字节，用于携带OLT管理和维护ONU的控制信息。PLOAMd在ONU激活注册、ONU密钥管理、ONU功率管理等场景均有重要作用。PLOAMd中包含如下几个部分：

¡     ONU-ID：OLT给ONU分配的标识，长度为1个字节，唯一标识一个ONU。不同类型的PLOAM消息，ONU-ID取值不同。例如，对于广播给所有ONU的Downstream GTC帧，此字段设置为0xFF。

¡     Message ID：PLOAM的消息类型，长度为1个字节。PLOAM的消息类型包括但不限于：激活认证初始的Upstream_Overhead_PLOAM消息、为ONU分配ONU-ID的消息Assign_ONU-ID_PLOAM、去激活ONU的消息Deactivate_ONU-ID_PLOAM、要求ONU提供Password的消息Request_Password_PLOAM、要求ONU调整发送功率的消息Change_Power_Level_PLOAM等。详细的PLOAM消息类型请参见ITU-T G.984.3标准。

¡     Data：PLOAM信息载荷，长度为10个字节。

¡     CRC：循环冗余校验码，长度为1个字节。

·     BIP（Bit Interleaved Parity）：是一个8bits的交错奇偶校验位，用于校验上一个BIP到这一个BIP之间传输的所有字节的正确性。

·     Plend（Payload Length downstream）：用于指示Upstream BWmap部分的长度，单位为字节。Plend长度为4个字节，为了避免错误，PCBd中会携带两个Plend字段。

·     Upstream BWmap：用于指导ONU上行数据帧中各T-CONT应该占用的时隙。Upstream BWmap通过携带的Alloc-ID标识出对应的T-CONT，再通过Start指示T-CONT数据发送的起始时隙，Stop指示T-CONT数据发送的结束时隙。Upstream BWmap的长度为N×8字节，每8个字节为一个分配结构（Allocation structure），每个分配结构都对应着为一个T-CONT规划的上行发送时隙。一个分配结构中的详细字段如下：

¡     Alloc-ID：用于标识一个T-CONT，长度为12bits。

¡     Flags：标记位，长度为12bits，用于协商上行帧中应携带的字段信息。例如，第10比特如果置位，则表示上行帧中应携带上行的PLOAM字段。

¡     Start：表示分配给T-CONT可以开始发送上行数据的起始时间。该时间以字节为单位，从上行GTC帧的帧头开始计算，长度为16bits。例如，Start取值为100时，表示Alloc-ID标识的T-CONT中第一个字节应该位于上行GTC帧的第100个字节处。

¡     Stop：表示分配给T-CONT可以发送上行数据的最晚时间。这个时间是以字节为单位的，从上行GTC帧的帧头开始计算，长度为16bits。例如，Stop取值为200时，表示Alloc-ID标识的T-CONT中最后一个字节应该位于上行GTC帧的第200个字节处。

¡     CRC：循环冗余校验码，长度为8bits。

2.3  GPON上行业务处理流程

GPON网络中同一PON接口下的不同ONU采用TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址接入）方式传输数据。每个ONU的T-CONT业务数据在固定时隙发送，避免不同ONU之间的业务数据冲突。

2.3.1  上行数据流的处理流程

以图14所示组网为例，GPON上行数据流的简要处理过程如下：

(1)     GTC适配：ONU从UNI接口接收到用户的业务报文（以Ethernet帧为例）后，根据UNI接口、VLAN或802.1p等信息将业务报文映射到对应的GEM Port，并将业务报文封装为GEM帧。

(2)     GTC成帧和帧传输：ONU将封装后的GEM帧映射到指定的T-CONT。每个ONU为各自的GEM帧封装运维管理开销后，按照上一个Downstream GTC帧中的Upstream BWmap指导，将所有ONU的上行数据按指定位置排列在一个固定长度为125微秒的上行帧中，这个上行帧被称为Upstream GTC帧。ONU使用中心波长为1310nm的载波光信号传输上行数据。

(3)     OLT解封装和转发：OLT解封装GEM帧，得到Ethernet帧，根据MAC地址和VLAN等信息从SNI接口转发给城域网交换机。

图14 GPON上行TDMA处理流程

 

 

2.3.2  Upstream GTC帧介绍

Upstream GTC帧长度固定为125微秒，长度为19440字节或38880字节。其中，每个字节代表一个时隙（Time Slot）。与Downstream GTC帧不同的是，Upstream GTC帧是由不同ONU的突发数据（Transmission Burst）共同组成的，每个ONU的突发数据中都分别携带了管理和控制开销。Upstream GTC帧的详细结构如图15所示。

图15 Upstream GTC帧的结构

 

按照ITU-T 984.3(14)标准，Upstream GTC帧包含如下字段：

·     Guard Time：每个ONU上行突发数据之间的间隔时间，用于防止ONU上行突发数据的光信号冲突。

·     PLOu（Physical Layer Overhead upstream）：包含前导码和ONU-ID等信息。通过其中的前导码字段来定位Upstream GTC帧的帧头，通过ONU-ID来标明该GTC帧所属的ONU。

·     PLOAMu（Physical Layer OAM upstream ）：上行帧中的ONU维护管理信息，与下行帧中的PLOAMd相同。仅当Downstream GTC帧的Upstream BWmap中Flags字段对应的标记位置位后才会携带该字段。

·     DBRu（Dynamic Bandwidth Report upstream）：用于上报ONU中T-CONT所需的带宽。通过DBRu的带宽申请，OLT可以实现DBA（Dynamic Bandwidth Assignment，动态带宽分配）。关于DBA技术的详细介绍，请参见5  GPON和XG(S)-PON关键技术。只有Downstream GTC帧的Upstream BWmap中Flags字段对应的标记位置位后才会携带该字段，并确定该字段的长度。

·     Payload：Upstream GTC帧的载荷信息，可以用于携带GEM帧以及DBA报告。

2.4  GPON ONU的激活和认证流程

ONU的激活流程是指将刚上电或去激活的非活动ONU加入到GPON网络中，并允许其在GPON网络建立连接和发送数据的过程。未激活的ONU无法在GPON网络建立连接和发送数据。在ONU激活过程中，OLT还会对ONU进行合法性校验，即ONU认证。ONU认证可以防止非法ONU接入GPON网络，避免非法ONU获取网络服务。通常情况下，ONU注册必须完成激活和认证两个流程。ONU激活和认证过程主要包括三个阶段：ONU学习参数、OLT获取ONU的序列号/密码以及测距。

ONU支持不同的认证方式：

·     SN认证：ONU只需要向OLT提供自身的序列号（Serial Number），OLT校验ONU发送的序列号和预配置的SN相同，即可通过认证。

·     SN+Password认证：ONU需要向OLT提供自身的序列号和密码，OLT对ONU发送的序列号和密码进行校验，校验成功后才可以完成注册。

·     Password认证：ONU需要向OLT提供自身的序列号和密码，OLT只对ONU发送的密码进行校验，校验成功后即可完成注册。

根据认证方式的不同，ONU的激活和认证流程也略有差异。

图16 GPON ONU的激活和认证流程示意图

 

GPON ONU的激活和认证流程如图16所示，关键步骤如下：

(1)     ONU初始化：ONU上电开机，并将GPON接口连接到GPON网络后，该ONU处于初始状态（O1）。此时，ONU不能发送数据，需要先搜寻帧同步信息。当初始状态下的ONU连续接收到若干个（标准建议为2个）正常的Downstream GTC帧时，表示该ONU完成帧同步并进入待机状态（O2）。待机状态（O2）下，ONU需要学习构造上行帧的相关参数。

(2)     ONU学习参数：OLT会定期向所有ONU广播携带Upstream_Overhead PLOAM信息的Downstream GTC帧。Upstream_Overhead PLOAM消息中的ONU-ID字段为0xFF，表示所有ONU都可以接收，并且Upstream_Overhead PLOAM消息中携带了前导码字节数、光功率和预分配的延迟等参数信息。ONU在待机状态（O2）接收到Upstream_Overhead PLOAM信息后，进入序列号状态（O3），等待OLT分配ONU-ID。后续ONU将按照其中的参数来控制发光功率和构造上行帧的帧头开销信息。

(3)     OLT获取序列号：OLT先通过下行帧中的BWmap创造一段静默的“窗口时间”，要求所有已激活的ONU在这段“窗口时间”暂停上行数据发送。再向ONU发送一个携带序列号请求消息的下行帧，其中BWmap的Alloc-ID取值为254，告知处于序列号状态（O3）的ONU在“窗口时间”之内发送ONU的序列号。ONU接收到请求消息后，使用携带Serial_Number_ONU PLOAM信息的上行帧应答。OLT接收到ONU的序列号后，通过Assign_ONU-ID PLOAM为ONU分配一个未被占用的ONU-ID。此时，ONU进入测距状态（O4），等待OLT计算ONU到OLT的距离。

(4)     测距：按照步骤(3)中的方法，OLT先创造一段静默的“窗口时间”，向ONU发送一个携带测距请求消息的下行帧，其中BWmap的Alloc-ID等于ONU-ID，告知处于测距状态（O4）的ONU在“窗口时间”之内尽快发送确认消息。ONU将发送一个Serial_Number_ONU PLOAM消息响应OLT的测距请求。OLT根据接收到消息的时间和发送测距请求消息时间，计算得到往返的时延，基于时延可以计算出ONU到OLT距离，并将更新的均衡时延（Equalization Delay，EqD）告知ONU。此时，ONU进入操作状态（O5）。在操作状态（O5）OLT可以根据需要与ONU建立业务的连接，ONU的上行突发数据可以在正确时隙发送，实现上行同步。关于测距的详细介绍，请参见“5  GPON和XG(S)-PON关键技术”。

(5)     （可选）校验ONU的密码：对于SN+Password或Password认证方式，OLT向ONU发送Request_Password PLOAM消息请求密码认证，ONU回复Password PLOAM消息携带密码，如果校验通过，则认证成功，ONU正常上线。如果认证方式为SN认证，只需要(3)中OLT接收到的序列号与预配置的序列号一致，就可以完成认证。

除激活和认证过程所涉及的五种ONU状态以外，ONU还存在两种异常状态：

·     当处于操作状态（O5）的ONU GPON接口光信号中断（LOS，Loss of Signal）或者丢失了帧同步信息（LOF，Loss of Frame），则会进入弹出状态（O6）。

·     当ONU接收到去使能的Disable_Serial_Number PLOAM消息时，进入紧急停止状态（O7）。只有接收到恢复使能的Disable_Serial_Number PLOAM消息，才能从紧急停止状态（O7）恢复。

关于GPON ONU的七种状态迁移的过程如图17所示。

图17 GPON ONU状态迁移图示

 

3  XG(S)-PON的技术原理

3.1  XG(S)-PON概述

为了提升接入用户的速率和接入用户数量，ITU-T发布了上下行非对称的XG-PON（ITU-T G.987）与上下行对称的XGS-PON（ITU-T G.9807）两个技术标准。由于这两个技术标准的主要参数和性能相当，属于同一代GPON技术，因此，统称为XG(S)-PON。

XG(S)-PON技术是替代GPON的下一代PON技术，在网络架构、处理流程、基本概念和关键技术等方面与GPON高度相似，主要在一些技术规格和参数上存在差异。表4展示XG(S)-PON和GPON的主要技术规格差异，本章将从差异对比的角度来介绍XG(S)-PON技术。

表4 GPON和XG(S)-PON的技术规格差异

技术规格差异项	GPON	XG-PON	XGS-PON
上下行速率	下行：2.48832Gbps 上行：1.24416Gbps或2.48832Gbps	下行：9.95328Gbps 上行：2.48832Gbps	下行：9.95328Gbps 上行：9.95328Gbps
中心波长	下行：1490nm 上行：1310nm	下行：1577nm 上行：1270nm	基本波长集同XG-PON 可选波长集同GPON
分光比	最大分光比1:128，现网实际一般为1:32或1:64	至少要求1:64	最大分光比1:256，至少要求1:64，现网通过优化光预算可以达到1:128
帧结构	·     最小数据封装单元为GEM ·     上下行帧为GTC帧	·     最小数据封装单元XGEM，XGEM帧头相对GEM帧有差异，XGEM帧可承载长度为9000字节的jumbo以太帧 ·     上下行帧为PHY帧，帧结构、PLOAM等信息相对GTC帧有差异
ONU状态机	ONU存在七种不同状态机	ONU存在六种不同状态机，简化了ONU状态迁移过程
ONU-ID	取值范围为0～255，其中 ·     0～253可正常分配给ONU使用 ·     254为保留值 ·     255用于PLOAMd广播给所有ONU或PLOAMu中未指定的ONU	取值范围为0～1023，其中 ·     0～1022可正常分配给ONU使用 ·     1023用于PLOAMd广播给所有ONU或PLOAMu中未指定的ONU	取值范围为0～1023，其中 ·     0～1020可正常分配给ONU使用 ·     1021为保留值 ·     1022为保留值或用于PLOAMd广播给所有ONU ·     1023用于PLOAMd广播给所有ONU或PLOAMu中未指定的ONU
Alloc-ID	取值范围为0～4095，其中 ·     0～253为默认Alloc-ID，隐式分配给ONU并等于ONU-ID ·     254为ONU激活阶段，OLT广播给所有ONU，未激活ONU通过这个Alloc-ID标识的T-CONT上报SN ·     255为预留值，所有ONU不可用 ·     256～4095可分配给ONU使用	取值范围为0～16383，其中 ·     0～1022为默认Alloc-ID，隐式分配给ONU并等于ONU-ID ·     1023为ONU激活阶段，OLT广播给所有ONU，未激活ONU通过这个Alloc-ID标识的T-CONT上报SN ·     1024～16383可分配给ONU使用	取值范围为0～16383，其中 ·     0～1020为默认Alloc-ID，隐式分配给ONU并等于ONU-ID ·     1021～1023为ONU激活阶段，OLT广播给所有ONU，未激活ONU通过这个Alloc-ID标识的T-CONT上报SN ·     1024～16383可分配给ONU使用
(X)GEM Port ID	取值范围为0～4095，均可正常分配	取值范围为0～65535，其中 ·     0～1022为默认XGEM Port ID，隐式分配给ONU用于建立OMCC并等于ONU-ID ·     1023～65534可分配给ONU使用 ·     65535保留，用于标识空XGEM帧	取值范围为0～65535，其中 ·     0～1020为默认XGEM Port ID，隐式分配给ONU用于建立OMCC并等于ONU-ID ·     1021～65534可分配给ONU使用 ·     65535保留，用于标识空XGEM帧

 

3.2  XGEM帧结构简介

XG(S)-PON中的最小数据封装单元称为XGEM。如图18所示，XGEM帧头长度相较于GEM帧更长，可以封装更多的业务数据，具体字段信息与GEM帧也存在一些差异。

图18 XGEM帧对比GEM帧的结构示意图

 

XGEM帧包含XGEM帧头和XGEM载荷两个部分，其中XGEM头包含如下字段：

·     PLI（Payload Length Indicator，负载长度指示）：长14bits，用于指示XGEM Payload长度。XGEM帧可承载长度为9000字节的jumbo以太帧。

·     Key Index：密钥的指示符，长度为2bits。密钥用来加密XGEM载荷的数据。密钥索引取值为01指代第一个密钥，10指代第二个密钥，00表示载荷未加密，取值11保留。

·     XGEM Port ID：长16bits，标识传输该XGEM帧所使用的XGEM Port。取值为0～1022的XGEM Port ID为默认的XGEM Port ID，用于传输各ONU的OMCC流量。取值为1023～65534的XGEM Port ID可以通过OMCI由OLT分配给ONU使用，用于承载数据业务。

·     Options：选项字段，长度为18bits。暂未使用。

·     LF（Last Fragment，最后分片）：长1bit，用于指示XGEM帧是否为最后一个分片。取值为1则表示为最后一个分片或者是一个完整的未分片帧。如果取值为0，则表示后续还有分片。

·     HEC（Header Error Control，头错误控制）：长13bits，用于在数据传输中检测和纠正XGEM帧头错误。

3.3  XG(S)-PON的帧简介

如图19所示，XG(S)-PON中，从用户的业务数据到封装成XG(S)-PON系统中传输的PHY帧需经过业务适配、成帧和PHY适配三个子层处理过程。对比GPON系统，从用户的业务数据到封装成GPON系统中传输的GTC帧只需GTC适配和GTC成帧两个子层处理过程。由于XG(S)-PON系统中帧更长，相对GPON系统的GTC成帧处理，在XG(S)-PON成帧和PHY适配过程增加了更多FEC校验等冗余信息。

图19 XG(S)-PON系统中形成PHY帧和GPON系统中形成GTC帧对比示意图

 

3.3.2  Downstream PHY帧结构

如图20所示，在下行方向，OLT生成的固定长度为155520字节（125us）的Downstream PHY帧过程为：

(1)     业务适配和成帧：类似GPON系统流程，OLT先将用户业务适配封装到XGEM帧中，并将XGEM帧作为XGTC帧的Payload载荷，再添加XGTC Header形成固定长度为135432字节的Downstream XGTC帧。

(2)     PHY适配：OLT将Downstream XGTC帧划分为627个固定长度为216字节的数据块，为每个数据块附加32字节FEC校验，然后通过物理扰码来优化信号质量，最终将附加了FEC校验的248字节数据块作为Downstream PHY帧的载荷，添加PSBd（Downstream Physical Synchronization Block，下行物理同步块）形成Downstream PHY帧。

图20 Downstream PHY帧封装和结构示意图

 

XGTC Header中的字段包括：

·     Hlend：4字节的结构，用于指示XGTC Header内可变字段的长度。包括三个字段：

¡     BWmap Length：长11bits，表示BWmap中分配结构（Allocation structure）的数量。

¡     PLOAM Count：长8bits，表示XGTC Header中PLOAM消息的数量。

¡     HEC（Hybrid error correction，混合纠错）：长13bits，用于校验HLend字段。

·     BWmap：与GPON系统类似，BWmap是一系列8字节的分配结构（Allocation structure）。每个分配结构都对应着为一个T-CONT规划的上行发送时隙。分配结构中的详细字段与GPON系统的BWmap略有区别：

¡     Alloc-ID：用于标识一个T-CONT，长度为14bits。

¡     Flags：标记位，长度为2bits，用于协商上行帧中是否应携带的DBRu和PLOAMu字段信息。

¡     StartTime：标识T-CONT中数据在上行PHY帧的起始位置，长度为16bits。取值是以4字节为单位。例如，StartTime取值为0时，表示Alloc-ID标识的T-CONT中第一个四字节应该位于上行PHY帧的第一到第四字节处。

¡     GrantSize：表示分配给T-CONT的字节数（时隙数），长度为16bits。GrantSize的长度表示上行的XGTC帧的有效载荷数据与DBRu的总长度，但不含XGTC帧头、XGTC帧尾和FEC开销。

¡     FWI（Forced Wake-up Indication，强制唤醒指示位）：对于支持基于协议进行电源管理的ONU，OLT设置FWI位以加快唤醒处于低功耗模式的ONU，长度为1bit。

¡     BurstProfile Field：突发配置字段，长度为2bits。

¡     HEC（Hybrid Error Correction，混合纠错）：长13bits，用于校验BWmap字段。

·     PLOAMd：包含零个、一个或多个PLOAM字段。每个PLOAM消息的长度为48字节。每个48字节的PLOAM消息包含如下字段：

¡     ONU-ID：OLT给ONU分配的标识，长度为2个字节，唯一标识一个ONU。

¡     Message type ID：PLOAM的消息类型，长度为1个字节。详细的PLOAM的消息类型请参见ITU-T G.987.3标准。

¡     SeqNo：序列号，长度为1个字节。包含一个序列号计数器，用于确保PLOAM消息的可靠性。

¡     Message_Content：PLOAM信息内容，长度为36个字节。

¡     MIC：消息完整性检查，长度为1个字节。

PSBd中的字段包括：

·     PSync（Physical Synchronization Sequence，物理同步序列）：8字节的固定值，取值为0xC5E51840FD59BB49。ONU通过这个固定值可以定位到每个Downstream PHY帧的起始位置，实现帧同步。

·     SFC structure（Superframe counter structure，超帧计数器结构）：8字节，指示超级帧并同步帧计数。包含一个51bits的超帧计数器和一个13bits的HEC校验字段。

·     PON-ID structure：8字节，包含一个51bits的PON-ID和一个13bits的HEC校验字段。PON-ID可以用于报告XG(S)-PON接口的发射功率和ODN光功率预算类型。

3.3.3  Upstream PHY帧结构

如图21所示，在上行方向，多个ONU的突发数据生成固定长度为125us的Upstream PHY帧，其过程为：

(1)     业务适配和成帧：类似GPON系统流程，ONU先将用户业务适配封装到XGEM帧中，并将XGEM帧作为XGTC帧的Payload载荷，对于ONU的突发数据将添加XGTC Header、AO（Allocation Overhead，分配结构的开销）以及XGTC Trailer封装成一个XGTC Burst。其中：

¡     AO即上行的动态带宽报告DBRu，固定长度为4字节，携带了缓存占用信息和CRC校验。

¡     XGTC Trailer为固定4字节长度的BIP（Bit-Interleaved even Parity，位交错偶校验）

(2)     PHY适配：ONU再将XGTC Burst划分为多个232字节的数据块（最后不足232字节的数据块单独作为一个数据块），分别对每个数据块计算和附加16字节FEC校验，然后通过物理扰码来优化信号质量，最终将附加了FEC校验的数据块作为Upstream PHY帧的载荷，并添加PSBu（Upstream Physical Synchronization Block，上行物理同步块）形成Upstream PHY Burst。多个ONU的PHY Burst共同组成Upstream PHY帧。

图21 Upstream PHY帧封装和结构示意图

 

XGTC Header中的字段包括：

·     ONU-ID：长度10bits，ONU的标识。

·     Ind：长度9bits，标识位。

·     HEC：长度13bits，混合校验，用于校验XGTC Header字段。

·     PLOAMu：上行的PLOAM消息，根据Downstream PHY帧中的BWmap的Flag字段协商是否携带本字段。携带时长度为48字节，为一个PLOAM消息。

PSBd中的字段包括：

·     Preamble：前导码，为160bits的固定值，标识一个PHY Burst的开始。

·     Delimiter：分隔符，为32bits的固定值，避免不同ONU上行的PHY Burst发生冲突。

3.4  XG(S)-PON ONU激活和认证流程

XG(S)-PON ONU激活和认证流程与GPON类似，包括帧同步、序列号获取和测距过程，主要差异在于激活和认证流程中PLOAM消息类型和ONU状态机不同。

图22 XG(S)-PON ONU的激活和认证流程示意图

 

以SN认证为例，XG(S)-PON ONU的激活和认证流程如图22所示，关键步骤如下：

(1)     ONU初始化：ONU上电开机并连接到XG(S)-PON网络后，该ONU处于初始状态（O1）。此时，ONU不能发送数据，需要先搜寻帧同步信息。当初始状态下的ONU连续接收到若干个正常的Downstream PHY帧时，表示该ONU完成帧同步并进入序列号状态（O2-3）。

(2)     ONU学习参数：OLT会定期向所有ONU广播携带Profile PLOAM信息的Downstream PHY帧。Profile PLOAM消息中的ONU-ID字段为0x3FF，表示所有ONU都可以接收，并且Profile PLOAM消息中携带了前导码字节数等参数信息。ONU在序列号状态（O2-3）接收到Profile PLOAM消息后，将按照其中的参数来构造上行帧的帧头开销信息。

(3)     OLT获取序列号：OLT先通过下行帧中的BWmap创造一段静默的“窗口时间”，要求所有已激活的ONU在这段“窗口时间”暂停上行数据发送。再向ONU发送一个携带序列号请求消息的下行帧，其中BWmap的Alloc-ID取值为1023，告知处于序列号状态（O2-3）的ONU在“窗口时间”之内发送ONU的序列号。ONU接收到请求消息后，使用携带Serial_Number_ONU PLOAM信息的上行帧应答。OLT接收到ONU的序列号后，通过Assign_ONU-ID PLOAM为ONU分配一个未被占用的ONU-ID。此时，ONU进入测距状态（O4）。

(4)     测距：按照步骤(3)中的方法，OLT先创造一段静默的“窗口时间”，向ONU发送一个携带测距请求消息的下行帧，其中BWmap的Alloc-ID等于ONU-ID，告知处于测距状态（O4）的ONU在“窗口时间”之内尽快发送确认消息。ONU将发送一个Serial_Number_ONU PLOAM消息响应OLT的测距请求。OLT根据接收到消息的时间和发送测距请求消息时间，计算得到往返时延，基于时延可以计算出ONU到OLT距离，并将更新的均衡时延（Equalization Delay，EqD）告知ONU。此时，ONU进入操作状态（O5）。关于测距的详细介绍，请参见“5  GPON和XG(S)-PON关键技术”。至此，操作状态（O5）的ONU完成激活和认证过程。

除激活和认证过程所涉及的四种ONU状态以外，ONU还存在两种异常状态：

·     当处于操作状态（O5）的ONU XG(S)-PON接口由于光信号中断或者无法定位帧同步信息，会进入间歇性丢失下行同步状态（O6）。此时，ONU开启计时器，尝试恢复帧同步，如果超时则返回初始状态（O1）。

·     当ONU接收到Disable_Serial_Number PLOAM消息时，进入紧急停止状态（O7）。只有接收到恢复使能的Disable_Serial_Number PLOAM消息，才能从紧急停止状态（O7）恢复。

·     XG(S)-PON ONU的六种状态迁移如图23所示。

图23 XG(S)-PON ONU状态迁移图示

 

3.5  从GPON向XG(S)-PON的平滑演进

对于GPON网络，其建设成本的绝大部分都投入到ODN网络的光缆管道的铺设和施工等环节，OLT和ONU设备成本相对占比不高。为了最大程度地保护现有投资，网络运营商在XG(S)-PON部署时都会基于现有GPON网络，通过重复利用现有的ODN网络和OLT设备，逐步替换用户侧的ONU设备实现XG(S)-PON网络的平滑演进。

图24 GPON和XG(S)-PON复用ODN和OLT

 

如图24所示，GPON向XG(S)-PON平滑演进的方式为：

(1)     在原OLT设备新增XG(S)-PON业务板卡。

(2)     在局端OLT侧引入一个外置的WDM1r（Wavelength Division Multiplexing 1-Receiver，波分复用单接收端）。波分复用模块分别接入OLT侧的GPON接口和XG(S)-PON接口。

(3)     再复用ODN光缆，用户侧按需接入新的XG(S)-PON ONU设备。

此时即可实现最大程度复用现网的效果。由于引入WDM1r波分复用模块，会带来少量插入损耗，同时增加部分器件成本。业界也有将外置WDM1r波分复用模块直接集成到XG(S)-PON单板，从而实现单PON接口同时支持GPON和XG(S)-PON的Combo功能，但业务板卡成本更高。

4  PON网络中的ONU管理

GTC帧中的PLOAM和DBA等开销字段长度有限，功能相对单一。为了便于远程管理和配置海量的ONU设备，除了GTC帧中定义的开销字段以外，ITU-T G.983.4（仅适用于GPON）和ITU-T G.988（通用ONU管理标准，适用于GPON/XG-PON/XGS-PON和EPON等PON网络）还定义了一种专门用于ONU管理的协议OMCI（ONT Management and Control Interface，ONU管理和控制接口）。OMCI协议在OLT和ONU之间建立OMCC（OMCI Control Channel，ONU管理控制通道），通过OMCC来传递各种OMCI协议消息，实现在局端OLT上对远端ONU的业务配置、故障监控和性能统计等功能。本文基于ITU-T G.988标准来介绍GPON和XG(S)-PON的OMCI协议。

4.1  OMCC通道建立过程

在管理和配置ONU前，首先需要在OLT和ONU之间建立OMCC。OMCC通道建立与ONU激活的过程同步。GPON标准和XG(S)-PON标准中的OMCC建立过程略有不同。

4.1.1  GPON建立OMCC的过程

如图25所示，GPON建立OMCC的关键步骤为：

(1)     在ONU激活过程中，当OLT通过Assign_ONU-ID PLOAM为ONU分配一个未被占用的ONU-ID后，ONU为OMCC创建一个默认的Alloc-ID，默认的Alloc-ID取值等于该ONU的ONU-ID。只有分配了Alloc-ID后，OMCI消息才可以通过上行GTC帧发送给OLT。

(2)     完成ONU激活过程后，OLT通过Configure_Port-ID PLOAM消息自动为ONU分配一个未被占用的GEM Port ID，使用该GEM Port ID标识的GEM Port来承载OMCI消息服务。

(3)     ONU完成OMCI的GEM Port ID设置后，向OLT回复一个Acknowledge PLOAM消息，确认配置完成。

图25 GPON的OMCC建立过程

 

4.1.2  XG(S)-PON建立OMCC的过程

如图26所示，相对GPON建立OMCC的过程，XG(S)-PON建立OMCC与GPON的主要差异在于ONU无需Configure_Port-ID PLOAM消息配置Port ID，而是通过ONU自身设置默认的XGEM Port ID（等于该ONU的ONU-ID）来封装OMCI消息服务，简化了OMCC的建立流程。

图26 XG(S)-PON的OMCC建立过程

 

4.2  OMCI协议消息简介

当OMCC通道建立后，OLT可以通过OMCC通道传递OMCI协议消息对ONU进行远程管理和配置。

OMCI协议消息通过GEM帧或XGEM帧来封装，GEM帧或XGEM帧头中包含了OMCC的Port ID。ITU-T G.988定义了两类OMCI协议消息格式：Baseline OMCI消息和Extended OMCI消息。GPON和XG(S)-PON系统可以自由选择使用Baseline OMCI或Extended OMCI消息格式。一般而言，Baseline OMCI消息格式是ONU激活后初始化使用的默认格式，Extended OMCI消息格式应用于初始化后OLT和ONU之间的配置更新和协商。详细的OMCI协议消息格式如图27所示。

图27 OMCI协议消息格式示意图

 

通过不同类型的OMCI协议消息可以完成对ONU的各类配置和管理操作。

OMCI协议消息中各字段的含义如下：

·     TCI（Transaction Correlation Identifier，事务关联标识符）：用于将OMCI协议的请求消息与其响应消息关联起来。

·     MT（Message Type，消息类型）：标识OMCI协议的消息类型。其中：

¡     最高位始终为0。

¡     第7 bit为Acknowledge Request，指示该OMCI协议消息是否需要响应。

¡     第6 bit为Acknowledge，指示该OMCI协议消息是否为响应消息。

¡     第1到5 bit为消息类型。常见的消息类型如表5所示。

表5 常用的MT取值和消息类型表

取值	消息类型	目的和含义
4	Create	表示创建一个具有属性的管理实体实例。其中，管理实体（Managed Entity）是ONU中各种资源和服务的抽象概念，例如，各种类型的UNI接口、ONU属性参数、T-CONT等都是管理实体。管理实体实例则是具体可管理的实例，如ONU上的T-CONT是一个管理实体，创建的T-CONT 3则是一个管理实体实例。OMCI通过操作管理实体实例来操控和管理ONU
6	Delete	删除一个管理实体实例
8	Set	设置一个或多个管理实体的属性
9	Get	获取一个或多个管理实体的属性
11	Get all alarms	锁定所有管理实体的警报状态并重置警报消息计数器
13	MIB upload	上传MIB到OLT，ONU初始化时可以通过上传MIB信息给OLT来同步MIB，并告知OLT该ONU的硬件信息和已有的配置信息
15	MIB reset	清除MIB，将其重新初始化为默认值，并将MIB 数据同步计数器重置为0
17	AVC（Attribute Value Change）	ONU的属性值变化的自主通知。ONU初始化完成后，可以通过AVC消息来主动通知OLT该ONU的部分参数信息

 

·     DI（Device Identifier，设备标识符）：在Baseline OMCI消息中，此字段定义为0x0A。在Extended OMCI消息中，此字段定义为0x0B。所有其他值保留。

·     MEI（Managed Entity Identifier，管理实体标识符）：标识一个管理实体及管理实体的实例。

·     MC（Message Contents，消息内容）：对于Baseline OMCI消息，消息内容长度固定为32字节，而Extended OMCI消息长度为可变值，其值在0～1966之间。

·     OMCI Trailer：Baseline OMCI消息的尾部，前四字节符合AAL5（ATM Adaptation Layer 5，ATM适配层5）定义，后四字节是一个CRC校验码。

·     MIC（Message Integrity Check，消息完整性校验）：由于ATM退出历史舞台，Extended OMCI消息仅保留了四字节的CRC校验码。

4.3  OMCI通用服务简介

使用OMCI可以实现一系列通用服务，其中包括：

·     ONU MIB管理：ONU的MIB数据反映了其硬件配置和已完成的服务配置等信息。为了便于远程管理，OLT上的MIB信息应该包含其下联的所有ONU的MIB，并且和ONU自身的MIB保持同步。

·     设备管理：ONU设备硬件一般包括设备机框、槽位以及端口三个层级。当设备的硬件变化时，可以通过OMCI来获取设备硬件能力信息实现端口业务配置。

·     软件升级：OMCI通过一些命令可以控制ONU下载激活软件镜像，从而实现远程的软件升级。

·     性能监控：OMCI可以采集和监控ONU的指标和阈值。

如图28所示，此处仅以新ONU激活后的纳管和配置为例，展示ONU MIB管理和设备管理的流程。

图28 新ONU激活后的纳管和配置流程示意图

 

新ONU激活后的纳管和配置流程如下：

(1)     当新接入的ONU完成激活认证后，先建立OMCC管理通道。

(2)     OLT通过OMCC通道发送MIB reset协议消息来重置ONU上的MIB，并实现MIB的初始化。

(3)     ONU通过OMCC通道发送MIB reset的应答消息来确认。

(4)     新的ONU设备会将属性参数和硬件等信息通过主动发送AVC消息告知OLT。如果ONU设备的属性参数和硬件信息有变化，还会本地更新MIB。OLT接收到AVC消息后更新MIB来实现ONU和OLT MIB的同步。为了避免AVC消息在传输过程中丢失，OLT还会发送MIB upload消息要求ONU上传最新MIB，对OLT、ONU上MIB是否一致进行校验，如果校验一致，则保存ONU的最新MIB。

(5)     当用户在OLT下发业务配置命令给ONU时，配置信息会以OMCI的Create、Set或Delete消息发送给ONU，ONU执行对应的命令，并更新MIB，同步MIB数据。例如，在OLT上为ONU创建一个具体的T-CONT，则OLT会将Create消息下发给ONU。

(6)     ONU完成命令的执行和MIB更新后，再应答OLT，OLT更新MIB数据计数。

5  GPON和XG(S)-PON关键技术

本章仅列举并简单介绍部分重要GPON和XG(S)-PON相关技术，其他技术因篇幅限制不展开。

5.1  DBA

DBA（Dynamic Bandwidth Assignment，动态带宽分配）是GPON网络在上行方向为同一GPON接口下不同ONU合理分配带宽资源的技术。基于T-CONT实时缓存数据的长度信息，DBA可以动态为ONU的突发流量分配带宽，提升上行带宽的资源利用率。DBA的价值体现在两个方面：

·     首先，由于更有效的带宽利用率，网络运营商可以在同一个GPON接口下接入更多的用户。

·     其次，在带宽空闲的情况下，一些用户可以享受更优质的带宽服务。

DBA有SR-DBA（Status Reporting DBA，基于状态报告的DBA）和NSR-DBA（Non-Status Reporting DBA，基于无状态报告的DBA）两种实现方式。SR-DBA的实现流程为：

(1)     OLT向ONU请求DBA状态报告。

(2)     ONU在Upstream GTC帧中携带DBRu字段和DBA报告，告知OLT其T-CONT实时缓存占用的情况。

(3)     OLT根据DBA报告、T-CONT的配置情况以及GPON接口的剩余带宽等信息计算出下一Upstream GTC帧该T-CONT应占据的时隙资源。

(4)     OLT再通过Downstream GTC帧中的Upstream BWmap为ONU的T-CONT分配时隙和带宽资源。

在NSR-DBA的实现过程中，OLT不会向ONU请求DBA状态报告，仅根据监控到的历史流量，来合理为T-CONT分配带宽。

表6 SR-DBA和NSR-DBA的简单对比

DBA的实现方式	SR-DBA	NSR-DBA
对设备的要求	要求ONU支持DBA报告 要求OLT具备实时动态计算能力，OLT的计算复杂度较高	对ONU无要求 OLT的计算复杂度较低
信令开销	需要在上行GTC帧中携带DBRu字段和DBA报告，信令占用带宽	GTC帧中无需DBRu字段和DBA报告，开销低
带宽分配的效果	支持精细的QoS管理，带宽利用率高，适应突发流量	无法适应突发流量，导致带宽利用率低，QoS管理粒度粗，灵活性较差

 

5.2  测距

如图29所示，由于同一个GPON接口下的众多ONU会分布于不同位置，每个ONU到GPON接口的距离差异较大。在这种情况下，各ONU发送的光信号到达OLT的时刻差异较大，甚至随着时间和环境变化。为了保证ONU可以按照严格规定的时隙发送上行数据，GPON需要采用测距技术，对不同ONU进行补偿，使得各ONU到OLT的逻辑距离相同。

ONU到OLT的物理距离可以通过信号往返传输时延RTD（Round Trip Time，往返时延）来表示。测距技术以最远ONU的RTD为基准，为不同ONU计算一个EqD（Equalization Delay，均衡时延），使得各ONU的RTD+EqD相等，EqD信息在ONU激活流程中告知每个ONU。

图29 测距的示意图

 

5.3  加密

由于GPON网络中下行数据会广播到GPON接口连接的所有ONU上，如果恶意用户通过特殊手段修改其ONU，那么该恶意用户就可能监听到所有用户的下行数据，存在一定的安全风险。因此，在GPON和XG(S)-PON技术标准中均定义了加密技术来保护上下行用户数据，至少要求OLT和ONU支持AES-128加密算法。以XG(S)-PON技术标准中的单播数据加密为例介绍加密的工作方式。

图30 单播数据加密工作机制

 

如图30所示，XG(S)-PON技术标准中单播数据加密密钥交换是基于PLOAM消息进行，并且密钥交换流程均在ONU的操作状态（O5）下进行，详细工作流程如下：

(1)     OLT可以按周期等因素来判断是否需要更换数据加密的密钥。需要更换密钥时，OLT首先通过发送包含新密钥索引的Key_Control（Generate）PLOAM消息向ONU请求提供新的单播数据加密密钥。如果没有响应，OLT应重试请求。

(2)     当ONU收到OLT发来的Key_Control（Generate）PLOAM消息时，ONU使用随机数生成器生成一个新的加密密钥。ONU存储新密钥并使用Key_Report（NewKey）PLOAM消息将新密钥发送给OLT。

(3)     OLT接收到Key_Report（NewKey）PLOAM消息时，解析新密钥，并根据指定的密钥索引将其存储。然后，OLT再发送包含新密钥索引的Key_Control（Confirm）PLOAM消息来确认已收到新密钥。

(4)     ONU接收到Key_Control（Confirm）PLOAM消息时，ONU就可以将存储的新密钥状态更改为活动Active状态。ONU再通过Key_Report（ExistingKey）PLOAM消息响应，指定密钥的“Key_Name”，并且通知OLT启用新密钥。

(5)     后续OLT和ONU之间转发数据帧时，根据新密钥对数据载荷进行加密和解密。

5.4  FEC

在GPON和XG(S)-PON网络中，由于光纤传输距离较长，信号在光纤传输过程中会受到色散等因素影响而产生误码。为了降低信道传输过程的误码率，GPON和XG(S)-PON采用FEC（Forward Error Correction，前向纠错）技术来检测和纠正错误。FEC通过在发送端对原始数据添加冗余校验位，使接收端能通过解码算法检测并纠正传输中的误码。例如，GPON网络中通过FEC技术可以将10的-4次方的误码率降低至10的-15次方。FEC虽然降低了误码率，但牺牲了一定的带宽和数据传输效率。

GPON和XG(S)-PON的FEC技术都是基于RS（Reed-Solomon codes，里德-所罗门码），其编码对比如表7所示。

表7 GPON和XG(S)-PON的FEC技术对比

方向	GPON	XG(S)-PON
下行方向	·     采用最常见的RS(255,239)编码方式，其中255字节的码字由239个数据字节和16个奇偶字节组成 ·     缺省情况下，OLT的FEC编码为关闭状态。OLT通过Downstream GTC帧Ident字段通知ONU其FEC功能状态	·     采用截断RS(248,216)编码方式，其中248字节的码字由216个数据字节和32个奇偶校验字节组成 ·     OLT的FEC编码为强制开启状态
上行方向	·     采用最常见的RS(255,239)编码方式，其中255字节的码字由239个数据字节和16个奇偶字节组成 ·     缺省情况下，ONU的FEC编码为关闭状态。OLT通过Downstream GTC帧BWmap的Flags标记位控制ONU开启或关闭FEC功能	·     采用截断RS(248,232)编码方式，其中248字节的码字由232个数据字节和16个奇偶校验字节组成 ·     缺省情况下，ONU的FEC编码为开启状态。OLT通过广播Profile PLOAM消息控制ONU开启或关闭FEC功能

 

关于XG(S)-PON开启FEC功能后的详细帧结构，请参见“3.3.2  Downstream PHY帧结构”和“3.3.3  Upstream PHY帧结构”。本节以GPON下行方向FEC技术为例，介绍FEC的处理流程：

(1)     如图31所示，OLT开启FEC功能后，在下行Downstream GTC帧中插入FEC奇偶校验码。OLT将初始的36432字节下行帧数据分为152个长度为239字节的数据段和一个104字节的数据段。每个数据段经过FEC编码后，添加16字节FEC奇偶校验码，形成152个长度为255字节的码字和一个120字节的码字。最终形成一个完整的38880字节的Downstream GTC帧。

(2)     Downstream GTC帧PCBd中的Ident字段携带FEC指示位，取值为“1”时表示Downstream GTC帧中携带了FEC编码。

(3)     ONU接收到Downstream GTC帧后，若发现FEC指示位置位，则根据FEC奇偶校验码进行检验和纠错，剔除FEC奇偶校验码信息，恢复OLT发送的数据，完成同步和数据恢复。

图31 含FEC奇偶校验字节Downstream GTC帧

 

5.5  GPON和XG(S)-PON的保护技术

为了提升网络的可靠性，避免ODN网络中的光缆故障引发业务中断，GPON和XG(S)-PON中存在Type A、Type B、Type C以及Type D四种保护技术。这四类方案都是通过增加冗余备份光缆和PON口来实现业务保护，通常情况下，可靠性要求越高，ODN部署的成本越高。因此，实际组网中，需要综合考虑保护方案部署的成本和可靠性。由于Type A保护方案的可靠性不佳、Type D的成本极高，这两类技术方案都被弃用。基于成本因素考量，ITU-T G.9807.1中更推荐Type B保护技术。

如图32所示，Type B保护组网方案分为单归属和双归属组网两种方式，单归属Type B组网中的一台OLT提供两个PON口和两条主干光缆，可以保护OLT的PON口和主干光缆。双归属Type B保护组网需要两台OLT各提供一个PON口和两条主干光缆，可以保护OLT和主干光缆。组网方式为：

·     OLT提供两个PON接口，其中一个PON接口处于Active状态正常工作，另一个PON接口处于Standby状态。处于Standby状态的光模块不发送光信号，仅接收光信号，监听网络状态和信息。

·     OLT到分光器之间采用一条主用和一条冗余备份的链路。同时，采用两个输入端口的2:N无源分光器连接OLT侧的两个PON接口。

当主干光缆故障或OLT的Active PON接口故障时，Standby PON接口迅速感知故障并变为Active状态接管业务。业务流量可以在50ms内完成切换。对于单归属Type B保护组网，主干光缆中的主用和备份链路通常铺设在同一管道中，具有相同风险等级，该方案可靠性较双归属Type B保护组网略低。对于双归属Type B保护组网则需要两台OLT的PON口协同工作，维护复杂度更高。

图32 Type B保护组网示意图

 

如图33所示，Type C保护组网方案分为单归属和双归属组网两种方式，单归属Type C组网中，一台OLT提供两个PON口，并且部署两套ODN，可以保护OLT的PON口、主干光缆、配线光缆、入户光缆以及ONU的PON口。双归属Type C保护组网需要两台OLT各提供一个PON口，并且部署两套ODN，可以保护OLT、主干光缆、配线光缆、入户光缆以及ONU的PON口。组网方式为：

·     OLT和ONU均需要提供两个PON接口。OLT和ONU的其中一个PON接口处于Active状态正常工作，另一个PON接口处于Standby状态。处于Standby状态的光模块不发送光信号，仅接收光信号，监听网络状态和信息。

·     OLT的Active PON口和Standby PON口通过主备光缆各自连接到不同的无源分光器，再通过主备配线光缆和主备入户光缆分别连接ONU的Active PON口和Standby PON口。

出现故障时，业务流量可以在50ms内完成切换：

·     当主干光缆故障、OLT的Active PON接口故障或者所有主用配线光缆故障时，OLT的Standby PON接口迅速感知故障并变为Active状态接管业务。所有ONU均将Standby状态的PON接口切换为Active PON口。

·     当部分主用配线光缆、入户光缆故障或部分ONU的Active PON接口故障时，OLT的Standby PON接口迅速感知故障并通知受到影响的ONU。OLT的Standby PON接口将变为Active状态，接管受影响的ONU业务。仅部分受到故障影响的ONU将Standby状态的PON接口切换为Active PON口。

Type C保护组网方案配置维护复杂度较高，保护范围更广，但由于ODN部署成本高，实际部署较少。

图33 Type C保护组网示意图

 

6  GPON和XG(S)-PON的光功率预算

在GPON和XG(S)-PON网络中，一方面为了覆盖和接入更多用户，传输距离和分光比越大越好，光信号在光纤中的损耗会随着传输距离和分光比增加而增大。此时，由于光功率损耗过大，ONU设备上的光模块的接收灵敏度无法分辨光信号中的信息，可能导致误码率过高，甚至产生LOS/LOF等异常问题。另一方面，如果ONU和OLT距离过近或光模块的发光功率过高，可能导致光信号接收端的光模块过载。因此，需要规划和计算光信号的损耗和网络中光模块的光功率预算。

6.1  ODN网络中的光功率损耗

由于PON网络下行方向包含无源分光器，按照分光比对OLT发射的光信号分光，对于下行方向，要避免光功率损耗过大导致ONU丢失光信号或帧同步。对于上行方向，则需要避免损耗过小导致OLT侧光模块过载。

图34 ODN中的光功率损耗示意图

 

如图34所示，在ODN网络的主要光损耗包括：

·     光纤的传输损耗（Transmission Loss）：表示光信号传输一公里的功率衰减，单位为dB/km。通常在PON网络中采用的光纤光缆主要是低损耗和低成本的G.652D单模光纤，在配线光缆和入户光纤部分可能采用G.657系列的单模光纤来提升复杂环境的抗弯性能。对于不同波长的光信号，这些类型的单模光纤的传输损耗略有差异。一般而言，可以采用G.652D单模光纤在1310nm波段的最大传输损耗0.35dB/km作为均值来计算光纤的传输损耗。

·     分光器插入损耗（Insertion Loss）：表示光信号经过无源分光器后的功率衰减，单位为dB。分光器的插入损耗(dB)=10log10(N)+器件的附加损耗，其中，N表示分光器的分光比。由于器件的制造工艺，通常会带来0.3dB～2dB的附加损耗。通常情况下，ODN网络采用的是对称分光器，这类分光器对于上行和下行光信号都会造成同等损耗。常见分光器的插入损耗如表8所示，

表8 分光器插入损耗

分光比	理论损耗（dB）	典型总损耗（含附加）
1:2	3.01	3.3～4.0 dB
1:4	6.02	6.3～7.0 dB
1:8	9.03	9.5～10.5 dB
1:16	12.04	12.5～14.0 dB
1:32	15.05	16.0～18.0 dB
1:64	18.06	19.0～21.0 dB

 

·     额外损耗（Penalty）：指光缆弯曲、熔接以及各种光纤连接带来的额外损耗。例如，每个热熔点和连接点可能带来约0.1dB的额外损耗。

以传输距离为10km的光纤光缆为例，当ODN中采用一个分光比为1:64的分光器（插入损耗20dB），额外损耗约为1dB时，此时光信号在ODN中的损耗可达24.5dB。OLT侧选用的光模块的光功率预算减去损耗需大于一定余量（如3dB）才能满足PON网络传输的需求。

6.2  光模块的光功率预算

GPON和XG(S)-PON标准中定义了光模块类型和光预算信息如表9所示。在GPON和XG(S)-PON网络中需要网络规划和施工来保证ODN的光功率损耗在允许的最大光功率损耗（dB）和允许的最小光功率损耗（dB）之间。

表9 光模块的光功率预算

参数	GPON		XG(S)-PON
光模块类型	Class B+	Class C+	Class N1	Class N2	Class E1	Class E2
最小发射光功率（dBm）	+1.5	+3	+2	+2	+2	+2
最大接收灵敏度（dBm）	−27	-30	-27.5	-29.5	-31.5	-33.5
允许的最大光功率损耗（dB）	28	32	29	31	33	35
最大发射光功率（dBm）	+5	+5	+7	+7	+7	+7
最小过载光功率（dBm）	-8	-12	-7	-9	-11	-13
允许的最小光功率损耗（dB）	13	17	14	16	18	20

 

7  GPON和XG(S)-PON的应用场景

7.1  家庭用户和企业专线的宽带接入

如图35所示，在运营商的固定宽带接入网络中，存在海量用户，且用户的地理位置分散，用户的需求各不相同。GPON和XG(S)-PON是为固定宽带接入网量身定制的接入技术。

·     对于家庭宽带用户，GPON可以平滑演进到XG(S)-PON，再进一步演进到50G PON，完全可以满足用户4K/8K视频、云游戏等业务对高带宽、低时延的需求。随着千兆接入的普及，基于XG(S)-PON的FTTR方案已成为全屋千兆体验的最优方案。

·     对于企业专线用户，GPON和XG(S)-PON可以提供特有的Type B甚至Type C保护方案来保护主干光缆和分支光缆的安全，为小型企业、商铺和机构提供低成本、高带宽和高可靠的接入环境。

图35 宽带接入网络示意图

 

7.2  数字园区无源网络覆盖

对于一个大型企业园区或者校园，采用以太网络搭建园区网络存在如下问题：

·     汇聚接入设备多：需要大量接入交换机和汇聚交换机来保证接入端口的数量。例如，每个楼栋至少需要一个汇聚交换机，每个楼层至少需要一个接入交换机来为用户提供端口。运维人员要维护数量庞大的接入交换设备，运维难度大。

·     网线布线难：部分型号的接入交换机或汇聚交换机仅提供少量光口，相对而言网线接入的电口数量众多，导致了接入和汇聚层只能采用网线连接，布线距离受限，网线质量大，占用空间多，造成施工成本高。

·     网络层级多：园区网络的层级至少需要三层，如果端口资源不足，甚至需要四层结构来实现接入设备的汇聚。

选择GPON和XG(S)-PON覆盖园区网络，一台满载的OLT通常可以接入几千到上万终端，通常只需要少数几台OLT就可以覆盖几万用户的园区网络，大大减少了接入和汇聚交换机的数量。同时，PON网络使用端到端光纤覆盖全网，降低网线距离和布线难度，最后，OLT到ONU之间采用无源光网络，没有其他设备，使得网络层级更加扁平化，在OLT或网管上即可对ONU进行配置管理。

图36 园区以太网改造为园区PON网络

 

7.3  固定网络和移动网络的融合

目前，绝大多数的移动通信业务流量发生在室内环境，室内小基站的覆盖率直接影响到移动网络用户的体验。如图37所示，为了提升室内覆盖率并充分利用PON网络资源，减少直连光纤消耗，可使用XG(S)-PON或下一代50G PON技术连接AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）和DU（Distribute Unit，分布单元），将PON作为前传网络的一部分承载移动通信业务。XG(S)-PON和50G PON技术支持10Gbps及以上带宽，满足eCPRI（Enhanced Common Public Radio Interface，增强型通用公共无线电接口）带宽要求，同时支持SyncE和1588v2时钟同步协议，满足高精度同步需求。

这种方案的优势：

·     移动通信业务和固定宽带（语音、数据和IPTV等）业务融合承载在同一张PON网络中，减少网络建设成本，充分利用资源。

·     使用一台ONU就可以接入多个AAU，通过提升天线数量充分覆盖室内场景，提升网络质量。

图37 PON应用在移动前传网络中

 

8  参考文献

·     ITU-T G.984.1：Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General characteristics

·     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

·     ITU-T G.984.4：Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): ONT management and control interface specification

·     ITU-T G.987.1：10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): General requirements

·     ITU-T G.987.2：10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): Physical media dependent (PMD) layer specification

·     ITU-T G.987.3：10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): Transmission convergence (TC) layer specification

·     ITU-T G.9807.1：10-Gigabit-capable symmetric passive optical network (XGS-PON)

·     ITU-T G.988：ONU management and control interface (OMCI) specification