FTTH - GPON

GPON（千兆無源光網路）是一種基於ITU-T規範G.984系列的接入網光系統。它使用B+類光器件和1:32的分光比，可以實現20公里的傳輸距離和28dB的光預算（如下圖所示）。

GPON系統支援以下速率：

上行155 Mbps，下行1.24416 Gbps
上行622 Mbps，下行1.24416 Gbps
上行1.24416 Gbps，下行1.24416 Gbps
上行155Mbps，下行2.48832 Gbps
上行622 Mbps，下行2.48832 Gbps
上行1.24416 Gbps，下行2.48832 Gbps
上行2.48832 Gbps，下行2.48832 Gbps

GPON支援ATM和GEM封裝。GEM（GPON封裝方法）支援原生TDM和資料。

GPON 特性

這項先進技術基於BPON GEM。以下是其特性：

下行傳輸

2.4 Gbps
單個ONT的頻寬足以提供多個高畫質電視訊號
QoS允許對延遲敏感的流量（語音）進行優先處理

上行傳輸

1.24 Gbps
可以保證最小頻寬
未使用的時隙可以分配給高頻寬使用者
QoS允許對延遲敏感的流量（語音）進行優先處理

為什麼選擇GPON？

GPON提供整合服務解決方案，例如：

它支援三網合一服務。
為了突破雙絞線接入的頻寬瓶頸，它支援高頻寬傳輸。
它減少了網路節點。
它支援最長20公里的服務覆蓋範圍。

GPON 標準

GPON標準建立在之前的BPON規範的基礎上。規範包括：

G.984.1 - 本檔案描述了千兆無源光網路的一般特性。
G.984.2 - 本檔案描述了千兆無源光網路物理介質相關層規範。

G.984.3 - 本檔案描述了千兆無源光網路傳輸匯聚層規範。
G.984.4 - 本檔案描述了千兆無源光網路ONT管理和控制介面規範(OMCI)。

GPON 架構

GPON OLT透過PON埠為多個ONT提供服務。下行傳輸（即從OLT到ONT）通常是TDM；而上行流量（即從ONT到OLT）通常是TDMA。

PON系統可以是對稱的或非對稱的。PON和光纖基礎設施也可以用於支援任何單向分配信射服務。例如 - 不同波長的影片。

GPON物理介質相關層

G.984.2是GPON系統物理層的規範。物理層涉及以下方面：

資料速率方面的光效能。
光纖器件的等級。
光功率的定時和控制。
前向糾錯。

光系統的一個基本要求是提供具有足夠容量的元件，以便將光訊號擴充套件到預期的範圍。根據功率和靈敏度，元件分為三類或三個等級。元件的等級如下：

A類光器件：5到20dB
B類光器件：10到25dB
C類光器件：15到30dB

光線路終端 (OLT)

OLT提供服務節點介面(SNI)（通常是1 Gbps和/或10 Gbps乙太網LAN介面）到核心網路，並控制GPON。OLT主要由三個部分組成：

服務埠介面功能
交叉連線功能
光分配信射網路 (ODN) 介面

下圖顯示了典型的OLT功能框圖。

PON核心層

PON核心層包含兩部分。第一部分是ODN介面功能，另一部分是PON TC功能。PON TC功能包括OAM、介質訪問控制、幀結構、DBA、協議資料單元(PDU)的分界，用於交叉連線功能和ONU管理。

交叉連線層 - 此層在PON核心層和服務層之間提供通訊路徑。
服務層 - 此層用於服務介面和PON部分的TC幀介面之間的轉換。

ONU/ONT

光網路單元 (ONU) 使用單個PON介面或最多兩個介面進行鏈路保護。如果這兩根光纖中任何一根光纖斷裂，則可以透過另一根光纖訪問ONU。這稱為PON保護或鏈路保護。鏈路保護也稱為鏈路聚合，它可以保護鏈路，同時也可以聚合流量。

服務MUX和DEMUX功能將客戶裝置連線到PON側。光網路終端(ONT)設計用於單個使用者使用，而光網路單元(ONU)設計用於多個使用者使用。分光器允許PON被多達128個ONT或ONU共享。

ONT/ONU 介面

光網路終端(ONT)在上行側連線到OLT用於服務網路介面，並具有許多使用者網路介面埠。通常，會有四個FE/GE埠連線到UNI。

住宅ONT的UNI埠 - 通常，使用者服務介面包括10/100Base-T高速網際網路(HSI)和基於IP的影片，用於RF影片疊加系統的RF同軸電纜以及用於VoIP PSTN語音的FXS電話介面模擬。
業務ONT的UNI埠 - 除上述功能外，還可能包括10/100/100Base-T路由器和L2/L3交換機介面以及用於關鍵系統的DS1/E1 PBX。

光網路單元(ONU)終止GPON光纖，併為多個使用者提供更多使用者網路介面(UNI)。UNI介面可以是ADSL2+、VDSL2、電力線、MoCA或HPNA，並且到使用者的距離（10/100 Base-T限制為100米，即330英尺）。

根據介面埠的型別，UN UNI可能無法直接連線到使用者的CPE裝置。在這種情況下，UN UNI連線到位於使用者最終位置的網路終端(NT)。NT終止使用者的CPE裝置，例如PC、無線路由器、電話、IP影片機頂盒或機頂盒、RF影片等。

本質上，ONT將ONU和NT的功能組合在一個裝置中。這兩種功能的結合使得ONT成為為本地和單戶、小型和中型企業提供GPON服務的最高性價比解決方案。但是，如果客戶在校園（如學生宿舍、學校、學院、醫院或公司辦公室）中，並且已經鋪設了CAT-5銅纜，則ONU可以作為更合適的解決方案。

光分配信射網路

GPON ODN由單模光纖和電纜組成；光纖帶狀電纜、熔接、光聯結器、無源光分光器和無源分支元件都是無源的。

ODN光分光器將單根光纖分成多根光纖，連線到不同的建築物和住宅。分光器可以放置在ODN中的任何位置，從中央辦公室(CO)/本地交換機(LE)到客戶場所，並且可以是任何尺寸。分光器被指定為[n:m]，其中“n”是輸入數量（朝向OLT）= 1或2，“m”是輸出數量（朝向ONT）= 2,4,8,16,32,64。

GPON複用/幀結構

GPON複用或幀結構透過以下因素解釋。

GPON封裝方法(GEM)

它是指定的GPON傳輸匯聚層中的資料傳輸方案。GEM提供了一種面向連線的、變長幀結構機制，用於透過無源光網路(PON)傳輸資料服務。GEM的設計獨立於OLT的服務節點介面型別以及ONU的UNI介面型別。

下行流量（從OLT到ONU/ONT）

對於下行流量，流量複用功能集中在OLT中。GEM埠ID，以OLT分配給各個邏輯連線的12位數字的形式，標識屬於不同下行邏輯連線的GEM幀。每個ONU根據其GEM埠ID過濾下行GEM幀，並僅處理屬於該ONU的GEM幀。

上行流量（從ONU/ONT到OLT）

ONU中的流量承載實體由OLT授予上行傳輸機會（或頻寬分配）。這些流量承載實體由分配ID (Alloc-ID)標識。分配識別符號(Alloc-ID)是OLT分配給ONU的12位數字，用於標識流量承載實體。它是ONU內上行頻寬分配的接收者。

如OLT在下行傳輸的頻寬圖中指定的那樣，不同Alloc-ID的頻寬分配在時間上覆用。在每個頻寬分配中，ONU使用GEM埠ID作為複用鍵來識別屬於不同上行邏輯連線的GEM幀。

傳輸容器 (T-CONT) 是表示一組邏輯連線的ONU物件。在PON上進行上行頻寬分配時，它表現為單個實體。根據對映方案，服務流量被傳輸到不同的GEM埠，然後傳輸到不同的T-CONT。

GEM埠和T-CONT之間的對映是靈活的。一個GEM埠可以對應一個T-CONT；或者多個GEM埠可以對應同一個T-CONT。

G-PON傳輸匯聚層(GTC)

G-PON協議套件的一個協議層，位於物理介質相關(PMD)層和G-PON客戶端之間。GTC層由GTC幀結構子層和GTC適配子層組成。

在下行方向，GEM幀在GTC有效載荷中傳輸，到達所有ONU。ONU幀結構子層提取幀，GEM TC介面卡根據其12位埠ID過濾幀。只有具有適當埠ID的幀才能透過到GEM客戶端功能。

在上行方向，GEM流量透過一個或多個T-CONT傳輸。OLT接收與T-CONT相關的傳輸，並將幀轉發到GEM TC介面卡，然後轉發到GEM客戶端。

GTC層幀結構

下行幀的持續時間為125微秒，長度為38880位元組，對應於2.48832 Gbit/s的下行資料速率。下行GTC幀由下行物理控制塊(PCBd)和GTC有效載荷部分組成。

GPON傳輸匯聚幀的長度始終為125毫秒：

1244.16速率為19440位元組/幀
2488.32速率為38880位元組/幀

每個GTC幀由下行物理控制塊+有效載荷組成

PCBd包含同步、OAM、DBA資訊等。

有效載荷可能包含ATM和GEM分割槽（一個或兩個）。

上行GTC幀持續時間為125μs。在上行鏈路速率為1.24416 Gbit/s的G-PON系統中，上行GTC幀大小為19,440位元組。每個上行幀包含來自一個或多個ONU的多個傳輸突發。

每個上行傳輸突發包含一個上行物理層開銷(PLOu)部分和與各個Alloc-ID關聯的一個或多個頻寬分配間隔。下行GTC幀提供PON的公共時間參考和上行的公共控制信令。

GPON有效載荷

GTC有效載荷可能包含兩個部分：

ATM分割槽（長度為Alen * 53位元組）
GEM分割槽（現在是首選方法）

ATM分割槽

ATM分割槽具有以下特點。

Alen（12位）在PCBd中指定。
Alen 指定 ATM 分割槽中 53 位元組單元的數量。
如果 Alen = 0，則沒有 ATM 分割槽。
如果 Alen = 有效載荷長度/53，則沒有 GEM 分割槽。
ATM 單元與 GTC 幀對齊。
ONU 根據 ATM 頭部的 VPI 接收 ATM 單元。

GEM 分割槽

GEM 分割槽具有以下特性。

與 ATM 單元不同，GEM 分隔幀可以具有任意長度。
GEM 分割槽中可以包含任意數量的 GEM 幀。
ONU 根據 GEM 頭部中的 12 位埠 ID 接收 GEM 幀。

GPON 封裝模式

BPON 的一個常見缺點是由於 ATM 單元開銷導致的低效率。GEM 與 ATM 類似，它具有恆定大小的 HEC 保護頭部。但是，它透過允許可變長度幀來避免較大的開銷。GEM 是通用的——支援任何型別的分組（甚至 TDM）。GEM 支援分片和重組。

GEM 基於 GFP，頭部包含以下欄位：

有效載荷長度指示器 - 以位元組為單位的有效載荷長度。
埠 ID - 標識目標 ONU。
有效載荷型別指示器（GEM OAM、擁塞/分片指示）。
頭部錯誤校正欄位 (BCH(39,12,2) 碼 + 1 位奇偶校驗)

在傳輸之前，GEM 頭部與 B6AB31E055 進行異或運算。

透過 GEM 傳輸乙太網/TDM

透過 GEM 傳輸乙太網流量時

只封裝 MAC 幀（沒有前導碼、SFD、EFD）。
MAC 幀可以被分片（見下一張幻燈片）。

透過 GEM 傳輸乙太網

透過 GEM 傳輸 TDM 流量時：

每 125 毫秒輪詢 TDM 輸入緩衝區。
將 PLI 位元組的 TDM 插入有效載荷欄位。
由於頻率偏移，TDM 片段的長度可能變化 ±1 位元組。
往返延遲限制在 3 毫秒以內。

透過 GEM 傳輸 TDM

GEM 可以**分片**其有效載荷。例如，下圖所示的未分片的乙太網幀。

下圖顯示了一個分片的乙太網幀。

GEM 分片有效載荷的原因如下兩種：

**原因 1** - GEM 幀不能跨越 GTC 幀。

**原因 2** - 可能會為延遲敏感資料搶佔 GEM 幀。

GPON 加密

OLT 使用計數器模式下的 AES-128 進行加密。僅加密有效載荷（不包括 ATM 或 GEM 頭部）。加密塊與 GTC 幀對齊。OLT 和所有 ONU 共享計數器，如下所示：

46 位 = 16 位幀內 + 30 位幀間。
幀內計數器每 4 個數據位元組遞增。
在 DS GTC 幀開始時重置為零。

OLT 和每個 ONU 必須商定一個唯一的對稱金鑰。OLT 向 ONU 請求密碼（在 PLOAMd 中）。ONU 以明文方式傳送密碼（在 PLOAMu 中）：

為增強魯棒性，金鑰傳送 3 次。

OLT 通知 ONU 開始使用新金鑰的確切時間。

QoS – GPON

GPON 顯式處理 QoS。恆定長度幀有助於提高時敏應用的 QoS。有 5 種類型的傳輸容器：

型別 1 - 固定頻寬。
型別 2 - 保證頻寬。
型別 3 - 分配頻寬 + 非保證頻寬。
型別 4 - 最佳努力。
型別 5 - 以上所有型別的超集。

GEM 添加了一些 PON 層 QoS 功能：

分片能夠搶佔大型低優先順序幀。
PLI - 排隊演算法可以使用顯式分組長度。
PTI 位攜帶擁塞指示。

在下一章中，我們將瞭解什麼是乙太網無源光網路。

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