寬帶PON標準的分析和比較

  陳潔　黨梅梅
信息產業部電信研究院通訊標準研究所

　　摘要 EPON和GPON是兩種嶄新的寬帶無源光纖接入技術，在技術上很是相似。本文首先介紹了GPON和EPON的相關國際標準，並指出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範部分帶來的問題。最後在前面所作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）技術是爲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的本質特徵就是ODN所有由無源光器件組成，不包含任何有源電子器件。PON技術從窄帶PON發展到ATM-PON（APON）已經通過了近10年的時間，從僅支持傳統的窄帶業務發展到能夠支持窄帶、寬帶業務，速率能夠達到下行622 Mbit/s和上行155 Mbit/s。

　　隨着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一樣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進行標準化工做，主要目標是實現Gbit/s速率，並能支持多種業務，對全部業務最優化。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異。本文將對這兩個標準的主要技術特色進行分析和比較。

　　2 ITU關於GPON技術的G.984系列標準

　　衆所周知，ITU在PON標準化方面一直處於領先地位，關於APON的ITU G.983系列標準目前已獲得普遍應用。GPON的概念最先是由全業務接入網聯盟（full service access network，FSAN）在2001年提出的，以後在不一樣組織和廠商的推進下，ITU於2003年1月正式經過並頒佈了GPON標準系列中的兩個標準G.984.1和G.984.2。因爲GPON標準是ITU在APON標準以後推出的，所以G.984標準系列不可避免地沿用了G.983標準的不少思路。

　　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整體特性。該標準主要規範了GPON系統的整體要求，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）層規範。該標準主要規範了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）層規範。該建議正處於討論階段，尚未正式頒佈。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）、操做維護管理功能等。

　　G.984.1對GPON提出了整體目標，要求ONU的最大邏輯距離差可達20 km，支持的最大分路比爲1六、32或64，不一樣的分路比對設備的要求不一樣。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進行規範。

　　在G.984.2中，對GPON的PMD層進行了規範。系統下行速率爲1.244或2.488 Gbit/s，上行速率爲0.15五、0.62二、1.244或2.488 Gbit/s。標準規定了在各類速率等級下OLT和ONU光接口的物理特性，提出了1.244 Gbit/s及其如下各速率等級的OLT和ONU光接口參數。可是對於2.488 Gbit/s速率等級，並無定義光接口參數，緣由在於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層又分紅了兩個子層：TC成幀子層和TC適配子層，如圖 1所示。對於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，可支持各類業務。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，能夠承載基於包的協議，如IP、PPP、以太網幀，或者承載恆定比特率的業務流。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。所以若採用GFP封裝方式，GTC子層必須是同步的。爲了支持電路業務，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，提升了系統帶寬利用率，業務靈活，所以將會成爲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適配方式的一種便可，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的不少規定，但GFP封裝方式的採用又使得G.984標準在必定程度上拋棄了ATM。從互通性上考慮，G.984標準聲稱GPON系統即便工做在ATM方式上，其OLT和ONU也不能與具備相同速率的APON系統進行互通。

　　G.984規定了GPON上行採用TDMA方式，全部上行數據傳輸均由OLT控制。對於最大達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，爲了不不一樣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一個ONU到OLT的相對距離。根據測距時延，調整每一個ONU上行發送的時刻，使全部ONU到達OLT的時間一致。GPON測距的原理與G.983是徹底一致的。

　　在G.gpon.gtc建議中，動態帶寬分配和QoS沿用了G.983.4的思路，將業務分爲5種類型，不一樣的業務設置不一樣的參數，根據參數檢測擁塞狀態，分配帶寬，對ONU進行受權。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關於EPON技術的標準

　　在1998年發佈了吉比特以太網標準以後，從2000年開始，IEEE經過成立802.3ah即第一英里以太網（ethernet for the first mile，EFM）工做組的方式開始了EPON的標準化工做。EFM指出了以Ethernet技術爲核心的EPON的許多優勢，包括協議成熟，技術簡單，易於擴展，面向用戶等，並堅信Ethernet PON能夠消除WAN/LAN鏈接中ATM和IP之間的協議轉換。爲了加速EPON的標準化工做，EFM計劃將其工做重點放在EPON的MAC協議上，其他將主要參照ITU-T G.983建議，由於G.983並不排除非ATM協議，並留有較大餘地，所以G.983的大部分現有內容均可以被有效引用，從而能以最快速度完成有關EPON的標準並投入商用。

　　EFM制定EPON標準的基本原則是儘可能在802.3體系結構內進行EPON的標準化工做，最小程度地擴充以太網MAC協議。爲了支持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）機制爲基礎，MPCP經過消息、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、向高層報告擁塞狀況以便動態分配帶寬。P2MP拓撲中的每一個ONU都包含一個MPCP實體，它能夠和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：系統運行過程當中上行方向在一個時刻只容許一個ONU發送，位於OLT的高層負責處理髮送的定時、不一樣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，經過給每一個分組包增長LLID（logical link identification）從而替代2字節的前綴，它可以使P2MP網絡拓撲對於高層來講表現爲多個點對點鏈路的集合。另外，EP0N經過在MAC層中實現802.1p來提供與APON相似的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。

　　爲了實現系統同步，EPON系統的時鐘同步採用時間標籤方式：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籤，ONU根據收到的時鐘標籤修正本地計數器，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籤，OLT根據收到的時鐘標籤完成測距。

　　EFM對解決ONU的註冊衝突提出了兩種方案：隨機延遲時間法和隨機跳過開窗法。採用隨機延遲時間的方法能夠縮短ONU加入系統的時間，可是須要增大註冊開窗的長度，這樣會下降系統的帶寬利用率。採用隨機跳過開窗的方法比採用隨機延遲時間的方法時延要大，可是不需增大註冊開窗，不會影響系統的帶寬利用率。

　　EFM要求EPON應具備完整的電信級的管理能力，OLT應能夠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標準制定過程當中遇到的一個重大難題是EPON是否應支持嚴格定時（tight timing），或只應支持寬鬆定時（loose timing）。因爲ONU的上行數據發送是非連續的突發模式，所以各ONU的數據發送之間具備保護時間，即ONU用於同步和功率調整的初始開銷時間。因爲採用嚴格定時的系統的開銷時間比採用寬鬆定時的系統的開銷時間短，但在技術上要求更高，所以嚴格定時的支持者認爲支持嚴格定時的EPON系統可傳送高可靠性的業務，並可與ITU定義的GPON兼容。但也有一些設備製造商認爲寬鬆定時的方案更適合EFM制定的規範。目前EFM還沒有決定採用哪一種方案。

　　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技術的不一樣特色，能夠對這兩種技術作出如下分析：　　GPON支持多種速率等級，能夠支持上下行不對稱速率，上行不必定要支持1 Gbit/s以上的速率，所以與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，從而可下降成本。　　EPON只支持Class A和B的ODN等級，而GPON可支持Class A、B和C，所以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，由於EPON標準是以802.3體系結構爲基礎，所以與GPON標準相比其協議分層更簡單，系統實現更容易。鑑於目前以太網芯片的成熟性，其系統成本更低，對於接入網產品來說這一特色使EPON產品比GPON產品更具備競爭力。　　ITU在制定GPON標準過程當中沿用了APON標準G.983的不少概念，與EFM制定的EPON標準相比其標準更完善。但因爲其增長了TC子層，所以也相應增長了必定的開銷，這在必定程度上違背了但願可以藉助Ethernet技術簡單、經濟的特色這一初衷。所以如何規定一個高效率的TC層機制將成爲ITU在制定GPON標準中的一個關鍵。目前ITU各組織成員對關於TC子層的GPON規範意見並不統一，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子層能夠採用ATM和GFP兩種封裝方式，其中GFP封裝方式適於承載IP/PPP等基於包的高層協議，但對於爲了支持ATM業務而定義的ATM封裝方式在以Ethernet爲基礎的GPON系統中是否合適，還有待商榷。　　在Ethernet上承載TDM業務的技術並不成熟，很難知足電信級的QoS要求，所以EPON爲了可以承載TDM業務和語音業務必須設計新的MAC機制並增長新的軟硬件。而GPON因爲其設計的TC子層結構和ATM封裝方式，可以比較容易地支持TDM業務和語音業務。但若是GPON標準中不採用ATM封裝方式，只支持GFP封裝方式，由於傳統的GFP封裝方式並不適合承載TDM業務，因此GPON和EPON同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業務並能提供電信級的服務質量保證將成爲ITU和EFM這兩個標準組織在標準制定過程當中的一個難題。　　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勢，相信EPON/GPON技術將會成爲一種很是優秀的寬帶接入解決方案，爲最終實現FTTx打下堅實的基礎。　　完成EPON和GPON標準的制定還須要很長的時間，可是，鑑於它們在寬帶接入方面的巨大優點，運營商和設備供應商都很是但願有關標準化工做能儘快取得進展。