寬帶PON標準的分析和比較

2019-11-03 09:06:00

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供稿：網友

陳潔　黨梅梅
信息產業部電信研究院通信標準研究所

　　摘要 EPON和GPON是兩種嶄新的寬帶無源光纖接入技術，在技術上非常類似。本文首先介紹了GPON和EPON的相關國際標準，并指出ITU和IEEE制定GPON和EPON標準的主要思路，在對這兩種技術的物理特性、協議分層結構以及封裝方式等關鍵技術分別進行分析的同時，文章也指出了某些關鍵技術實現的難點和標準未規范部分帶來的問題。最后在前面所做分析的基礎上對這兩個標準在技術和應用上的優缺點進行了分析和比較。

　　關鍵詞 PON EPON GPON 標準

　　1 前言

　　無源光網絡（PON）技術是為了支持點到多點應用發展起來的光接入技術。無源光網絡由光線路終端（OLT）、光網絡單元（ONU）和光分配網絡（ODN）組成。PON的本質特征就是ODN全部由無源光器件組成，不包含任何有源電子器件。PON技術從窄帶PON發展到ATM-PON（APON）已經經過了近10年的時間，從僅支持傳統的窄帶業務發展到可以支持窄帶、寬帶業務，速率可以達到下行622 Mbit/s和上行155 Mbit/s。

　　隨著以太網技術在城域網中的普及以及寬帶接入技術的發展，人們又提出了速率高達1 Gbit/s以上的寬帶PON技術，主要包括EPON和GPON技術：“E”是指Ethernet，“G”是指吉比特級。EPON和GPON的相關標準分別由不同的標準組織負責制定，其中EPON由IEEE 802.3ah提出，它將Ethernet技術與PON技術結合起來，其目標是用最簡單的方式實現一個點到多點結構的吉比特以太網光纖接入系統；GPON技術則是由ITU進行標準化工作，主要目標是實現Gbit/s速率，并能支持多種業務，對所有業務最優化。EPON和GPON雖然僅有一字之差，且都集成了Ethernet技術和PON技術，但系統實現原理卻存在很大差別。本文將對這兩個標準的主要技術特點進行分析和比較。

　　2 ITU關于GPON技術的G.984系列標準

　　眾所周知，ITU在PON標準化方面一直處于領先地位，關于APON的ITU G.983系列標準目前已得到廣泛應用。GPON的概念最早是由全業務接入網聯盟（full service access network，FSAN）在2001年提出的，之后在不同組織和廠商的推動下，ITU于2003年1月正式通過并頒布了GPON標準系列中的兩個標準G.984.1和G.984.2。由于GPON標準是ITU在APON標準之后推出的，因此G.984標準系列不可避免地沿用了G.983標準的很多思路。

　　ITU GPON標準系列包含下列標準：

　　G.984.1（G.gpon.gsr）：吉比特級無源光網絡的總體特性。該標準主要規范了GPON系統的總體要求，包括OAN的體系結構、業務類型、SNI和UNI、物理速率、邏輯傳輸距離以及系統的性能目標。

　　G.984.2（G.gpon.pmd）：吉比特級無源光網絡的物理媒質相關（PMD）層規范。該標準主要規范了GPON系統的物理層要求。

　　G.gpon.gtc：吉比特級無源光網絡的傳輸匯聚（TC）層規范。該建議正處于討論階段，還沒有正式頒布。該建議規定了GPON的TC子層、幀格式、測距、安全、動態帶寬分配（DBA）、操作維護管理功能等。

　　G.984.1對GPON提出了總體目標，要求ONU的最大邏輯距離差可達20 km，支持的最大分路比為16、32或64，不同的分路比對設備的要求不同。從分層結構上看，ITU定義的GPON由PMD層和TC層構成，分別由G.984.2和G.gpon.gtc進行規范。

　　在G.984.2中，對GPON的PMD層進行了規范。系統下行速率為1.244或2.488 Gbit/s，上行速率為0.155、0.622、1.244或2.488 Gbit/s。標準規定了在各種速率等級下OLT和ONU光接口的物理特性，提出了1.244 Gbit/s及其以下各速率等級的OLT和ONU光接口參數。但是對于2.488 Gbit/s速率等級，并沒有定義光接口參數，原因在于此速率等級的物理層速率較高，對光器件的特性提出了更高的要求，有待進一步研究，從實用性角度看，在PON中實現2.488 Gbit/s速率等級將會比較難。

圖 1 GTC（GPON TC）系統協議棧

　　在G.gpon.gtc建議中，ITU將TC層又分成了兩個子層：TC成幀子層和TC適配子層，如圖 1所示。對于TC適配子層，規定了ATM適配和GFP（通用成幀規程）適配兩種方式。ATM適配方式沿用了G.983系列建議的規定，以ATM信元承載數據流量，可支持各種業務。GFP適配方式是在ITU G.7041中定義的一種數據封裝和映射方式，它提供了一種承載高層協議的機制，可以承載基于包的協議，如ip、PPP、以太網幀，或者承載恒定比特率的業務流。GFP在承載高層協議時要求低層光傳輸網絡必須是同步的，如SDH、OTN等。因此若采用GFP封裝方式，GTC子層必須是同步的。為了支持電路業務，TC子層必須傳送和恢復8 kHz參考時鐘。GFP封裝方式靈活，在封裝Ethernet業務時，省去了IP over ATM的開銷。GFP與ATM適配方式相比，封裝效率高，提高了系統帶寬利用率，業務靈活，因此將會成為GPON中一種主要的適配方式。ITU GPON建議中規定，ONU支持ATM適配或GFP適配方式的一種即可，而OLT必須兩種方式都支持。從這一點上看，ITU在本質上沿用了G.983的很多規定，但GFP封裝方式的采用又使得G.984標準在一定程度上拋棄了ATM。從互通性上考慮，G.984標準聲稱GPON系統即使工作在ATM方式上，其OLT和ONU也不能與具有相同速率的APON系統進行互通。

　　G.984規定了GPON上行采用TDMA方式，所有上行數據傳輸均由OLT控制。對于最大達20 km的邏輯距離差，最近ONU到OLT的傳輸時延與最遠ONU到OLT的傳輸時延相差100 µs，為了避免不同ONU上行突發數據的碰撞，OLT必須進行測距，根據往返傳輸時延測量每個ONU到OLT的相對距離。根據測距時延，調整每個ONU上行發送的時刻，使所有ONU到達OLT的時間一致。GPON測距的原理與G.983是完全一致的。

　　在G.gpon.gtc建議中，動態帶寬分配和QoS沿用了G.983.4的思路，將業務分為5種類型，不同的業務設置不同的參數，根據參數檢測擁塞狀態，分配帶寬，對ONU進行授權。除DBA、加密功能外，ITU在TC層還定義了一些新的功能，如FEC（前向糾錯）、功率控制等。

　　3 IEEE關于EPON技術的標準

　　在1998年發布了吉比特以太網標準之后，從2000年開始，IEEE通過成立802.3ah即第一英里以太網（ethernet for the first mile，EFM）工作組的方式開始了EPON的標準化工作。EFM指出了以Ethernet技術為核心的EPON的許多優點，包括協議成熟，技術簡單，易于擴展，面向用戶等，并堅信Ethernet PON可以消除WAN/LAN連接中ATM和IP之間的協議轉換。為了加速EPON的標準化工作，EFM計劃將其工作重點放在EPON的MAC協議上，其余將主要參照ITU-T G.983建議，因為G.983并不排除非ATM協議，并留有較大余地，因此G.983的大部分現有內容都可以被有效引用，從而能以最快速度完成有關EPON的標準并投入商用。

　　EFM制定EPON標準的基本原則是盡量在802.3體系結構內進行EPON的標準化工作，最小程度地擴充以太網MAC協議。為了支持PON這一新應用和新介質，EFM在研究點到點（point to point，P2P）光纖以太網，速率最低1 000Mbit/s，距離至少10 km的基礎上，定義了新的網絡拓撲和相應的物理層：點到多點（point to multi point，P2MP）光纖以太網，速率最低1 000 Mbit/s，距離至少10 km。

　　在EFM制定的EPON標準中，EPON以MAC控制子層的MPCP（multi point control PRotocol）機制為基礎，MPCP通過消息、狀態機和定時器來控制訪問P2MP的拓撲結構。MPCP涉及的內容包括ONU發送時隙的分配、ONU的自動發現和加入、向高層報告擁塞情況以便動態分配帶寬。P2MP拓撲中的每個ONU都包含一個MPCP實體，它可以和OLT中的MPCP實體進行消息交互。MPCP在OLT和ONU之間規定了一種控制機制來協調數據的有效發送和接收：系統運行過程中上行方向在一個時刻只允許一個ONU發送，位于OLT的高層負責處理發送的定時、不同ONU的擁塞報告從而優化PON系統內部的帶寬分配。P2P仿真子層是EPON/MPCP協議中的關鍵組件，通過給每個分組包增加LLID（logical link identification）從而替代2字節的前綴，它可使P2MP網絡拓撲對于高層來說表現為多個點對點鏈路的集合。另外，EP0N通過在MAC層中實現802.1p來提供與APON類似的QoS。EFM還規定了系統同步方式、ONU的自動識別方式、以太網的管理和維護以及信息安全等功能的實現方式。

　　為了實現系統同步，EPON系統的時鐘同步采用時間標簽方式：在OLT側有一個全局的計數器，OLT根據本地計數器在下行方向插入時鐘標簽，ONU根據收到的時鐘標簽修正本地計數器，完成系統同步；ONU根據本地的計數器在上行方向插入時鐘標簽，OLT根據收到的時鐘標簽完成測距。

　　EFM對解決ONU的注冊沖突提出了兩種方案：隨機延遲時間法和隨機跳過開窗法。采用隨機延遲時間的方法可以縮短ONU加入系統的時間，但是需要增大注冊開窗的長度，這樣會降低系統的帶寬利用率。采用隨機跳過開窗的方法比采用隨機延遲時間的方法時延要大，但是不需增大注冊開窗，不會影響系統的帶寬利用率。

　　EFM要求EPON應具有完整的電信級的管理能力，OLT應可以監測業務網和用戶駐地網之間的物理鏈路和設備的一些重要的信息。EFM已經決定提供的OAM功能包括：遠端錯誤指示，遠端環回，鏈路監視。

　　目前，EFM在EPON標準制定過程中遇到的一個重大難題是EPON是否應支持嚴格定時（tight timing），或只應支持寬松定時（loose timing）。由于ONU的上行數據發送是非連續的突發模式，因此各ONU的數據發送之間具有保護時間，即ONU用于同步和功率調整的初始開銷時間。由于采用嚴格定時的系統的開銷時間比采用寬松定時的系統的開銷時間短，但在技術上要求更高，因此嚴格定時的支持者認為支持嚴格定時的EPON系統可傳送高可靠性的業務，并可與ITU定義的GPON兼容。但也有一些設備制造商認為寬松定時的方案更適合EFM制定的規范。目前EFM尚未決定采用哪種方案。

　　4 GPON和EPON標準的比較

表1對GPON和EPON標準的主要參數進行了比較。

表1 GPON和EPON標準主要參數的比較

　　針對GPON和EPON技術的不同特點，可以對這兩種技術做出以下分析：

　　GPON支持多種速率等級，可以支持上下行不對稱速率，上行不一定要支持1 Gbit/s以上的速率，因此與EPON只能支持對稱1 Gbit/s的單一速率相比，GPON對光器件的要求較低，從而可降低成本。

　　EPON只支持Class A和B的ODN等級，而GPON可支持Class A、B和C，因此GPON可支持高達128的分路比和長達20 km的傳輸距離。

　　單從協議上比較，因為EPON標準是以802.3體系結構為基礎，因此與GPON標準相比其協議分層更簡單，系統實現更容易。鑒于目前以太網芯片的成熟性，其系統成本更低，對于接入網產品來講這一特點使EPON產品比GPON產品更具有競爭力。

　　ITU在制定GPON標準過程中沿用了APON標準G.983的很多概念，與EFM制定的EPON標準相比其標準更完善。但由于其增加了TC子層，因此也相應增加了一定的開銷，這在一定程度上違背了希望能夠借助Ethernet技術簡單、經濟的特點這一初衷。因此如何規定一個高效率的TC層機制將成為ITU在制定GPON標準中的一個關鍵。目前ITU各組織成員對關于TC子層的GPON規范意見并不統一，完整的標準計劃在2003年10月召開的會議上討論。

　　GPON標準規定TC子層可以采用ATM和GFP兩種封裝方式，其中GFP封裝方式適于承載IP/PPP等基于包的高層協議，但對于為了支持ATM業務而定義的ATM封裝方式在以Ethernet為基礎的GPON系統中是否合適，還有待商榷。

　　在Ethernet上承載TDM業務的技術并不成熟，很難滿足電信級的QoS要求，因此EPON為了能夠承載TDM業務和語音業務必須設計新的MAC機制并增加新的軟硬件。而GPON由于其設計的TC子層結構和ATM封裝方式，能夠比較容易地支持TDM業務和語音業務。但如果GPON標準中不采用ATM封裝方式，只支持GFP封裝方式，因為傳統的GFP封裝方式并不適合承載TDM業務，所以GPON和EPON一樣都會面臨如何承載TDM業務的問題，但勿庸置疑的是其承載方式必須與Ethernet技術充分兼容。如何在Ethernet上承載TDM業務并能提供電信級的服務質量保證將成為ITU和EFM這兩個標準組織在標準制定過程中的一個難題。

　　5 結束語

　　PON技術是目前最經濟和最有發展潛力的成熟技術之一，只要能制定出一種高效率的媒質接入控制協議再集成了吉比特以太網的優點，相信EPON/GPON技術將會成為一種非常優秀的寬帶接入解決方案，為最終實現FTTx打下堅實的基礎。

　　完成EPON和GPON標準的制定還需要很長的時間，但是，鑒于它們在寬帶接入方面的巨大優勢，運營商和設備供應商都非常希望有關標準化工作能盡快取得進展。

參考文獻

1 ITU G.984.1.General characteristics for gigabit-capable passive optical networks (GPON),2003

2 ITU G.984.2.Gigabit-capable passive optical networks (GPON):Physical media dependent (PMD) layer specification,2003

3 ITU G.gpon.gtc.Gigabit-capable passive optical networks (GPON)：transmission convergence layer specification(draft)，2003

4 IEEE Draft P802.3ah TM/D1.3，2003

----《電信科學》