一、技術的提出
GPON（Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork，吉比特無源光網絡）技術是無源光網絡（PON）家族中一個重要的技術分支，其它類似技術包括APON/BPON和EPON技術等。GPON是當前和未來2到3年內最受關注的光接入技術之一。
GPON的概念最早由FSAN（FullServiceAccessNetwork，全業務接入網聯盟）在2001年提出，在此之前，FSAN/ITU還提出並標準化了APON/BPON技術（ITU-T G.983.x係列標準），IEEE也已經開始EPON技術的標準化工作並很快於2003年正式發布IEEE 802.3ah，這標誌著EPON技術標準化工作的完成。FSAN/ITU推出GPON技術的最大原因是由於網絡IP化進程加速和ATM技術的逐步萎縮導致之前基於ATM技術的APON/BPON技術在商用化和實用化方麵嚴重受阻，迫切需要一種高傳輸速率、適宜IP業務承載同時具有綜合業務接入能力的光接入技術出現。在這樣的背景下，FSAN/ITU以APON標準為基本框架，重新設計了新的物理層傳輸速率和TC層， 推出了新的GPON技術和標準。
二、GPON係統的構成
和其它PON技術類似，GPON也是一種采用點到多點拓撲結構的無源光接入技術，由局側的OLT（OpticalLineTerminal，光線路終端）、用戶側的ONU（OpticalNetwork Unit，光網絡單元）以及ODN（Optical Distribution Network，光分配網絡）組成。所謂“無源”，是指ODN中不含有任何有源電子器件及電子電源，全部由光纖和光分/合路器（Splitter）等無源光器件組成，沒有昂貴的有源電子設備。
GPON在下行方向（OLT到ONU）采用廣播方式、上行方向（ONU到OLT）采用TDMA（時分多址接入）方式，可以靈活地組成樹型、星型、總線型等拓撲結構，其中典型結構為樹形結構。GPON係統要求OLT和ONU之間的光傳輸係統使用符合ITU-TG.652標準的單模光纖，上下行一般采用波分複用技術實現單纖雙向的上下行傳輸，上行使用1260nm～1360nm波長，下行使用1480nm～1500nm波長。此外，GPON係統還可以采用第三波長方式（1540nm～1560nm波長）實現CATV業務的承載。
GPON係統的ONU/ONT（ONT是用於FTTH並具有用戶端口功能的ONU）可放置在交接箱、樓宇/分線盒、公司/辦公室和家庭等不同的位置，形成FTTCab（光纖到交接箱）、FTTB/C（光纖到樓宇/分線盒）、FTTO（光纖到辦公室）和FTTH（光纖到家庭用戶）等不同的網絡結構。
總的來說，GPON具有如下主要技術特點：
1）業務支持能力強，具有全業務接入能力。GPON係統可以提供包括64kbit/s業務、E1電路業務、ATM業務、IP業務和CATV等在內的全業務接入能力，是提供語音、數據和視頻綜合業務接入的理想技術。
2）可提供較高帶寬和較遠的覆蓋距離。GPON係統可以提供下行2.488Gbit/s，上行1.244Gbit/s的帶寬。此外，GPON係統中一個OLT可以支持64個ONU並支持20km傳輸。
3）帶寬分配靈活，有服務質量保證。GPON係統中采用的DBA算法可以靈活調用帶寬，能夠保證各種不同類型和等級業務的服務質量。
4）ODN的無源特性減少了故障點，便於維護。GPON係統在光傳輸過程中不需要電源，沒有電子部件，因此容易鋪設，並避免了電磁幹擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，簡化了供電，在很大程度上節省了運營成本和管理成本。
5）PON可以采用級聯的ODN結構，即多個光分路器可以進行級聯，大大節約了主幹光纜。
6）係統擴展容易，便於升級。PON係統模塊化程度高，對局端資源占用很少，樹型拓撲結構使係統擴展容易。
三、GPON的關鍵技術
1.協議棧
GPON係統的協議棧主要由物理媒質相關（PMD）層和GPON傳輸彙聚（GTC）層組成。GTC層包括兩個子層：GTC成幀子層和TC適配子層。GTC層可分為兩種封裝模式：ATM模式和GEM模式，目前GPON設備基本都采用GEM模式。GEM模式的GTC層可為其客戶層提供3種類型的接口：ATM客戶接口、GEM客戶接口和ONT管理和控製接口（OMCI）。
2.PMD層
的PMD層對應於OLT和ONU之間的光傳輸接口（也稱為PON接口），其具體參數值決定了GPON係統的最大傳輸距離和最大分路比。 OLT和ONU的發送光功率、接收機靈敏度等關鍵參數主要根據係統支持的ODN類型來進行劃分。根據允許衰減範圍的不同，ODN類型主要分為A、B、C三大類，結合目前實際應用需求和光收發模塊的實際能力工業界還定義了B+類，擴展了GPON係統支持的最大分路比。ODN分類見表1，目前B+類ODN是主流。
表1 ODN分類
ODN類型衰減範圍 光通道損耗差
A類 5～20dB
B類 10～25dB
B+類 13～28dB 15dB
C類 15～30dB
GPON的標稱線路速率(下行/上行)有多種，具體包括：
●1244.16Mbit/s/155.52Mbit/s；
●1244.16Mbit/s/622.08Mbit/s；
●1244.16Mbit/s/1244.16Mbit/s；
●2488.32Mbit/s/155.52Mbit/s；
●2488.32Mbit/s/622.08Mbit/s；
●2488.32Mbit/s/1244.16Mbit/s；
●2488.32Mbit/s/2488.32Mbit/s。
目前主流廠家的GPON產品均支持2488.32Mbit/s/1244.16Mb it/s，並且在20km傳輸距離下支持1:64分路比。
3.TC層
TC層（也稱為GTC層）是GPON的核心層，主要完成上行業務流的媒質接入控製和ONU注冊這兩個關鍵功能。GTC層包括兩個子層：GTC成幀子層和TC適配子層。
（1）GTC成幀子層
GTC成幀子層包括3個功能：
●複用和解複用。PLOAM和GEM部分根據幀頭指示的邊界信息複用到下行TC幀中，並可以根據幀頭指示從上行TC幀中提取出PLOAM和GEM部分。
●幀頭生成和解碼。下行幀的TC幀頭按照格式要求生成，上行幀的幀頭會被解碼。此外還要完成嵌入式OAM。
●基於Alloc-ID的內部路由功能。基於Alloc-ID的內部標識為來自/送往GEMTC適配器的數據進行路由。
（2）GTC適配子層功能
適配子層提供了3個TC適配器，即ATMTC適配器、GEMTC適配器和OMCI適配器。ATM/GEMTC適配器生成來自GTC成幀子層各ATM/GEM塊的PDU，並將這些PDU映射到相應的塊。
（3）動態帶寬分配（DBA）與業務QoS管理
GTC係統根據T-CONT管理業務流，每個T-CONT由Alloc-ID標識。一個T-CONT可包含一個或多個GEMPort-ID。OLT 監控每個T-CONT的流量負載，並調整帶寬分配來更好地分配PON帶寬資源。PON帶寬資源的分配分為動態或靜態兩種方式，在動態資源分配方式中， OLT通過檢查來自ONU的DBA報告和/或通過輸入業務流的自監測來了解擁塞情況，然後分配足夠的資源。在靜態資源分配方式中，OLT根據配置信息為業務流預留固定帶寬。
DBA功能可提供各種不同的QoS。GPONTC層規定了5種T-CONT（Type1，2，3，4，5），DBA功能在各T-CONT中實現。GEM模式中，GEM連接由GEM-Port標識，並根據QoS要求由一種T-CONT類型承載。DBA功能分為下麵幾個部分：
●OLT和/或ONU檢測擁塞狀態；
●向OLT報告擁塞狀態；
●OLT根據提供的參數更新帶寬分配；
●OLT根據更新的帶寬分配和T-CONT類型發送授權；
●發送DBA操作管理信息。
4.OMCI
OLT通過OMCI（ONT管理控製接口）來控製ONT。協議允許OLT進行下列動作：
1）建立和釋放與ONT之間的連接；
2）管理ONT上的UNI；
3）請求配置信息和性能統計；
4）向係統管理員自動上報事件，如鏈路故障。
OMCI協議在OLT控製器和ONT控製器之間的GEM連接上運行，該連接在ONT初始化時建立。OMCI協議是異步的：OLT上的控製器是“主”，ONT上的控製器是“從”。一個OLT控製器通過在不同的控製信道上使用多個協議實例來控製多個ONT。
OMCI在下麵幾個方麵對ONT進行管理：
1）配置管理：提供了控製、識別、從ONT收集數據和向ONT提供數據的功能；
2）故障管理：支持有限的故障管理功能，大多數操作僅限於進行故障指示；
3）性能管理：主要是性能監控；
4）安全管理：使能/去使能下行加密功能、全光纖保護倒換能力管理。
5.ONU激活注冊
在ONU能正常工作前必須完成激活注冊過程。
協議基於ONU的序列號來識別和配置ONU，有些運營商會通過運維係統根據ONU的序列號對其進行預配置，這時通常采用直接激活ONU的方式。而在其它情況下，不能提前獲知ONU的序列號，因此OLT需要具有自動發現ONU的機製。
激活ONU的事件有3個：
a）網絡運營商在得知新的ONU連接到網絡後，從運維係統啟動激活過程；
b）當有ONU從工作狀態丟失時，OLT就自動啟動激活過程。查詢頻率可由運維係統設定；
c）OLT周期發起激活過程，查詢頻率可由運維係統設定。
ONU的激活過程包括：OLT和ONU之間協商工作參數、測量OLT和ONU之間的邏輯距離、建立上下行通信通道。對OLT和ONU之間邏輯距離的測量即測距。GPON采用帶內方式對在線係統中的ONU進行測距。對新加入到係統中的ONU進行測距時，已工作的ONU應暫停發送信號，以打開一個測距窗口。該窗口的大小與新加入係統的ONU的距離有關，如果能預先知道新加入係統的ONU的距離則可以減小測距窗口。ONU的激活過程由OLT控製，其激活過程大致如下：
●ONU通過Upstream_Overhead消息接收工作參數；
●ONU根據接收到的工作參數調整自己的參數（如：發送光功率）；
●OLT通過Serial_NumberAcquisition流程發現新ONU的序列號；
●OLT給所有新 ONU分配ONU-ID；
●OLT測量新ONU的均衡時延；
●OLT將測量的均衡時延傳送給ONU；
●ONU根據均衡時延調整其上行幀的發送起始點。
以上激活過程是通過交互上下行標記（flag）以及PLOAM消息來完成的。在正常工作狀態下，所有傳輸信號都可以被用來監測信號到達的相位。通過監測傳輸信號的相位，可以更新均衡時延。
ONU注冊由自動發現流程完成。ONU注冊有兩種方式：“配置S/N”方式是通過管理係統（如NMS和/或EMS）在OLT注冊ONU序列號，“發現S/N”方式是不通過管理係統（如NMS和/或EMS）在OLT注冊ONU序列號。
四、業務承載
GPON可通過2種方式承載TDM業務（如E1），一種是Native方式也被稱為TDMoverGEM方式，另外一種是over GEM。
1.Native方式
Native方式是利用可變的GEM幀來直接封裝TDM幀。具有相同Port-ID的TDM數據分組會彙聚到TC上層。淨荷部分包含L字節的TDM塊。
TDM業務到GEM幀的映射允許GEM幀長根據TDM業務的頻率偏移進行變化。TDM段的長度由PLI域指示。
TDM源適配進程應該在輸入緩存中對輸入數據進行排隊，每當有幀到達（即每125us），GEM幀複用實體將記錄當前GEM，幀中準備發送的字節數量。一般情況下，PLI將根據TDM標稱速率指示一個固定字節數，但經常需要多傳送或少傳送一些字節，這一點將在PLI域中反映出來。
如果輸出頻率比輸入信號頻率快，則輸入緩存器開始清空，填充最終降到低門限以下。這時，從輸入緩存器少讀取一些字節，填充將上升至低門限以上。相反的，如果輸出頻率比輸入信號頻率慢，則輸入緩存器開始填滿，填充最終上升到高門限以上。這時，從輸入緩存器多讀取一些字節，填充將降至高門限以下。
2.CESoPoverGEM方式
CESoP（CircuitEmulationoverPacket Switched Net）技術是在有管理的分組交換網絡（PSN）上搭建通道來傳送TDM業務。CESoP over GEM方式的基本思路是先采用CESoP技術將TDM業務封裝到以太網/IP幀的淨荷中，再將以太網/IP幀封裝到GEM幀在OLT和ONU之間傳遞。
五、的標準化情況
目前，ITU-T在FSAN的幫助下，已經為GPON技術陸續製定完成了ITU-TG.984.x係列標準，具體包括：
●ITU-TG.984.1：Gigabit-capablePassiveOptical Networks（GPON）：General characteristics；
●ITU-TG.984.2：Gigabit-capablePassiveOptical Networks（GPON）：Physical Media Dependent（PMD）layer specification；
●ITU-TG.984.3：Gigabit-capablePassiveOptical Networks（GPON）：Transmission convergence layer specification；
●ITU-TG.984.4：Gigabit-capablePassiveOptical Networks（GPON）：ONT management and control interface specification。
上述4個標準涉及了GPON的總體特性、物理層、TC層和ONU管理等方麵。其中物理層和TC層的標準內容已經基本穩定，目前的關注重點在 G.984.4規範的OMCI上，對OLT如何集中遠程控製ONU、具體被管對象和內容紛紛提出多種方案，相關的增補文件也在不斷發布。我國設備製造商如華為、中興等和其它研究機構對該領域也有濃厚的興趣，多篇技術文稿被陸續采納。此外，對於業務和應用層麵的管理是通過繼續擴展OMCI能力還是通過TR069來實現也是目前存在較大爭議的技術點。
六、結束語
高帶寬、長距離、全業務接入能力、嚴格的QoS保證機製使電信運營商對GPON技術寄予了厚望，視其為下一代光接入網的主流實現技術之一。在底層協議相關標準如PMD層、TC層標準由國外廠商主導的情況下，OMCI將是比較適合加入我國技術標準色彩的技術突破點。
