來源: 數(shù)字通信世界 發(fā)布時間: 2006-09-29
【摘 要】 本文簡要介紹了寬帶光接入網(wǎng)新技術GPON，還分析了通用的適用于多種業(yè)務的鏈路層的成幀協(xié)議—GFP，GFP不僅是數(shù)據(jù)信號映射到SDH、OTN的通用成幀協(xié)議，也是GPON封裝數(shù)據(jù)的核心技術，為各廠家互聯(lián)互通打下了基礎。并且重點討論并研究了針對GPON關鍵的GFP幀封裝技術及上下行幀結構特點。
一、前言
接入網(wǎng)技術向多元化演進這是接入網(wǎng)市場長期格局，從長遠看光接入網(wǎng)，尤為無源光網(wǎng)絡PON可能是一種理想的解決方案。在各種光接入技術中，PON由于采用無源節(jié)點、敷設和運行維護成本低、對業(yè)務透明和易于升級等優(yōu)點而備受業(yè)界關注。從最初的基于ATM的PON技術，到基于Ethernet的PON技術，再到現(xiàn)在的GPON，每一次PON標準的提出都促進了接入網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展。近來ITU通過的新一代無源體系結構的GPON標準，將上下行速率提高到2.5Gb/s,并采用了通用成幀協(xié)議（GFP）來封裝，更有效支持包括諸如話音、數(shù)據(jù)業(yè)務、視頻業(yè)務、電子商務、遠程教育、遠程醫(yī)療等增值業(yè)務。
全業(yè)務接入網(wǎng)（FSAN）協(xié)會自從1996年成立以來，就一直致力于無源光網(wǎng)絡PON的技術標準研究，并且在2001年提出了1Gb/s以上速率的PON標準——GPON。GPON解決方案充分考慮了運營商的意見，提供從622Mb/s到2.5Gb/s的可升級的框架架構，并且支持不對稱的上下速率，對任何一種業(yè)務都可以實現(xiàn)較高的帶寬利用率（總效率達93%）和對多種業(yè)務的有力支持，特別是以本色模式和極高的效率同時支持數(shù)據(jù)和TDM。因此，GPON是目前最為理想的寬帶光接入網(wǎng)技術。
圖1 GPON系統(tǒng)結構示意圖
圖1是GPON的體系結構，由光線路終端OLT、光網(wǎng)絡終端ONT及環(huán)形（或樹形）拓撲結構的PON組成。OLT位于中心機房，向上提供廣域網(wǎng)接口，包括GbE，OC-3/STM-1，DS-3等，向下對PON可提供1.244Gb/s或2.488Gb/s的光接口。ONU/ONT放在用戶側，為用戶提供10/100BaseT，T1/E1，DS-3等應用接口，其對PON的光接口速率有155Mb/s，622Mb/s，1.244Gb/s和2.488Gb/s等多種選擇。從OLT到ONU/ONT的方向為下行方向，采用廣播發(fā)送的數(shù)據(jù)流傳輸方式；反之為上行方向，采用基于統(tǒng)計復用的時分多址接入技術。PON通過粗波分復用CWDM（Coarse Wavelength Division MultIPlexing）覆蓋實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的全雙工傳輸。PON一般采用樹形拓撲結構，在需要提供業(yè)務保護和通道保護的情況下，可加上保護環(huán)，對某些ONT提供保護功能。
二、GPON（ITU-T標準）的特點 ——本色模式PON
FSAN協(xié)會在設計GPON協(xié)議時主要考慮以下問題：
⊙ 基于幀的多業(yè)務（ATM、TDM、數(shù)據(jù)）傳送；
⊙ 上行帶寬分配機制采用時隙指配（通過指示器）;
⊙ 支持不對稱線路速率，下行2.488Gb/s，上行 1.244Gb/s；
⊙ 線路碼是不歸零（NRZ）碼，在物理層有帶外控制信道，用于使用G983PLOAM的OAM功能；
⊙ 為了提高帶寬效率，數(shù)據(jù)幀可以分拆和串接；
⊙ 縮短上行突發(fā)方式報頭（包括時鐘和數(shù)據(jù)恢復）；
⊙ DBA報告、安全性和存活率開銷都綜合于物理層；
⊙ 幀頭保護采用循環(huán)冗余碼（CRC），誤碼率估算采用比特交織奇偶校驗；
⊙ 在物理層支持QoS。
由于GPON一開始就自下而上地重新考慮了PON的應用和要求，為新的方案奠定了基礎，不再基于早先的APON標準，故稱為本色模式PON。它一方面保留了與PON相關的許多功能，如OAM消息、DBA等；另一方面GPON則基于完全新的傳輸融合（TC）層，該子層能夠完成對高層多樣性業(yè)務的適配，包括ATM業(yè)務、TDM業(yè)務及IP/Ethernet業(yè)務，對多樣性業(yè)務的適配是高效透明的，同時該子層支持多路復用、動態(tài)帶寬分配等OAM機制。該TC層的適配協(xié)議是基于標準的ITU-T通用成幀協(xié)議（GFP），可以封裝任何一種業(yè)務（包括時分業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務）到一種同步的傳輸協(xié)議中。
三、通用成幀協(xié)議GFP
作為一種通用的適用于多種業(yè)務的鏈路層規(guī)程，GFP既能適用于基于光網(wǎng)絡/同步數(shù)字體系（SONET/SDH）的多業(yè)務傳送平臺MSTP，又適用于光傳輸網(wǎng)（OTN）中的多波長通道?？蛻粜帕羁梢允腔诜纸M的（如IP/PPP，IP/Point-to-PointProtocol）或Ethernet MAC幀），也可以是恒定比特率流或其他類型信令，如圖2所示。GFP已正式被標準化為ITU-T建議G.7041。
圖2 GFP的客戶信號傳送途徑
與HDLC不同，GFP為描述協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），不需比特填充，它有一個基于HEC的自我描述技術。
它支持兩種數(shù)據(jù)處理模式：一種是面向變長數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理模式，如IP/PPP或以太網(wǎng)MAC幀等變長度的幀，它采用映射整個數(shù)據(jù)幀（Frame-Mapped）的適配方式，等接收到一個完整的幀后再進行處理；另一種是面向數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)處理模式，如視頻經(jīng)塊狀編碼的實時信號，它采用透明映射（Transparent）方式，可以及時處理，不必等整個幀收到后再處理。
從功能來劃分，GFP有兩種基本形式，即GFP客戶幀和GFP控制幀，而GFP客戶幀又可分成客戶數(shù)據(jù)幀（CDF）和客戶管理幀（CMF）。GFP客戶數(shù)據(jù)幀用于傳送客戶數(shù)據(jù)，GFP客戶管理幀則用于傳送與客戶信號或GFP連接有關的管理信息。GFP控制幀可劃分為空閑幀（Idle Frame）和OA&M幀，前者用于空閑插入，后者用于運轉維護和管理。
以上GFP幀類型見圖3所示：
圖3 GFP幀類型
GFP的組成從功能上看，可分成公共部分和特定客戶部分。前者用于所有的GFP幀的數(shù)據(jù)流，包括諸如PDU定界、數(shù)據(jù)鏈路同步、擾碼、客戶PDU復用，以及與客戶無關的性能監(jiān)控等；后者負責把客戶PDU數(shù)據(jù)裝入GFP負荷中，與客戶有關的性能監(jiān)控以及運轉、維護和管理（OA&M）。GFP的幀結構詳見圖4所示
四、針對GPON的GFP 封裝
由于GFP提供以高效簡單的方式在同步傳送網(wǎng)上傳送不同業(yè)務的通用機制，故它用作GPON TC層的基礎是十分理想的。使用GFP時，GPON TC層本質(zhì)上是同步的，并使用標準的SONET 8kHz（125μm）幀，這使GPON能夠直接支持TDM業(yè)務。
但是，由于考慮到GPON多ONU、多路復用的情況，制定了針對GPON的GFP幀，如圖5所示。
在GFP幀的頭部引入了Port ID，用于支持多端口復用；還引入了Frag（Fragment）分段指示以提高系統(tǒng)的有效帶寬，第一個分段的Frag值為10，中間分段的Frag值為00，最后一個分段的Frag值為01，若承載的是整幀，F(xiàn)rag的值為11。而且針對GPON的GFP幀也不支持透明傳輸模式。
GPON下行的幀結構如圖6所示，幀長125μs，包含PCBd（PCB downstream）及負荷區(qū)，負荷區(qū)透明承載ATM信元及GFP幀。ONU根據(jù)PCBd獲取同步等信息，并依據(jù)ATM信元頭的VPI/VCI過濾ATM信元頭的VPI/VCI過濾ATM信元，依據(jù)GFP幀頭的Port ID過濾GFP幀。
PCBd模塊組成主要有：
（1）Psync（Physical synchronization，物理層同步）：用作ONU與OLT同步，值為0xF628；
（2)Ident：用作指示超幀，值為0時指示一個超幀的開始；
（3)PLOAMd（PLOAM down-stream）：用于承載下行PLOAM信息；
（4)BIP：比特間插奇偶校驗8bit碼，用作誤碼監(jiān)測；
（5)Plend（Payload Length downstream）：用于說明US BW Map域的長度及載荷中ATM信元的數(shù)目，為了防止出錯，Plend出現(xiàn)兩次，它包含三個域分別是BLEN（說明US BW Map域的長度）、ALEN（說明ATM信元的數(shù)目）、CRC（提供校驗）；
（6）US BW Map域介紹如下：
⊙Allocation ID指明授權發(fā)送的ID標識，一個Allocation ID對應于一個傳 輸聚合實體T-CONT（Transmission Container），一個ONU可分配多個 Allocation ID；
⊙Flags：指明上行幀的開銷，比特0置位指示特定的T-CONT發(fā)送PCBu （PCB upstream），比特1置位指示對應的ONU傳輸時應采取FEC（Forward Error Correction）措施，比特2置位指示對應的ONU發(fā)送PLOAMu信息， 比特3置位指示對應得ONU發(fā)送PLSu（Power Levelling Sequence，功率 測量序列）；
⊙SSTART：指明發(fā)送起始的時隙位置；
⊙SSTOP：指明發(fā)送中止的時隙位置；
⊙RESERVED：保留將來使用；
⊙CRC：提供整個US BW Map域的校驗。
GPON上行的幀結構如圖7所示，具體內(nèi)容如下：
（1）PLOu（Physical Layer Overhead upstream，上行物理層開銷）用于突發(fā)傳輸同步，包含前導碼、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示，其長度由OLT在初始化ONU時設置，ONU在占據(jù)上行信道后首先發(fā)送PLOu單元，以適OLT能夠快速同步并正確接受ONU的數(shù)據(jù)；
（2）PLSu：功率測量序列，長度為120字節(jié)，用于調(diào)整光功率；
（3）PLOAMu（PLOAM upstream）：用于承載上行PLOAM信息，包含ONU ID、Message及CRC，長度為13字節(jié)；
（4）PCBu：包含DBA域及CRC域，用于申請上行帶寬，共2字節(jié)；
（5）Payload域：填充ATM信元或者GFP幀。
從上述對GPON的GFP封裝及上下行幀格式的敘述可以看出，GPON的封裝是高效透明的，其OAM機制也是相當完善的。GPON還支持上下行多種速率組合的不對稱傳輸，這也為其應用提供了方便。
五、結語
本文重點討論了GPON及其中的幾個關鍵技術，特別是GPON的核心技術通用成幀協(xié)議（GFP），由于GPON采用了它，使GPON更加有效支持各種數(shù)據(jù)業(yè)務，使無源光網(wǎng)絡更加具有吸引力， 作為一個寬帶接入網(wǎng)技術標準，能夠支持多業(yè)務，并具有最豐富的OAM&P特點，而且還為未來發(fā)展更多業(yè)務方面提供簡便性和極好的擴展性。由于接入網(wǎng)是最靠近最終用戶的一層，故其特征是包容許多協(xié)議和業(yè)務，從今天的TDM和數(shù)據(jù)業(yè)務一直到將來的許多新應用，如存儲域網(wǎng)（SAN）、數(shù)字視像等。通過GFP適配方法，GPON為把這些業(yè)務在不以任何方式攪亂現(xiàn)有設備或改變傳送層的情況下加入PON，提供了一條清晰的過渡途徑，是實現(xiàn)光纖寬帶接入最有優(yōu)勢的技術。
