GPON(千兆位无源光网络)是基于ITU-T规范G.984系列的用于接入网的光系统。通过使用分光比为1:32的B +类光学器件，可以以20dB的光学预算提供20 km的距离(如下图所示)。

GPON系统支持以下速率-

• 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
• 最高155Mbps，下行2.48832 Gbps
• 最高622 Mbps，下行2.48832 Gbps
• 向上1.24416 Gbps，向下2.48832 Gbps
• 最高2.48832 Gbps，下行2.48832 Gbps

GPON支持ATM和GEM封装。 GEM(GPON封装方法)同时支持本地TDM和数据。

GPON功能

这种演进技术基于BPON GEM。以下是其功能-

下游传输

• 2.4 Gbps
• 一个ONT的带宽足以提供多个HDTV信号
• QOS允许延迟敏感的流量(语音)

上游传输

• 1.24 Gbps
• 最低带宽可以保证
• 可以将未使用的时隙分配给大量用户
• QoS允许延迟敏感流量(语音)

为什么选择GPON?

GPON提供集成服务解决方案，例如-

• 它支持三重播放服务。

• 为了打破双绞线电缆的访问带宽障碍，它支持高带宽传输。

• 它减少了网络节点。

• 它支持长达20公里的服务范围。

GPON标准

GPON标准建立在先前的BPON规范之上。规格是-

• G.984.1 –本文档描述了千兆级无源光网络的一般特性。

• G.984.2 –本文档描述了具有千兆比特能力的无源光网络物理介质相关层规范。

• G.984.3-本文档描述了千兆级无源光网络传输汇聚层规范。
• G.984.4 –本文档描述了千兆级无源光网络ONT管理和控制接口规范(OMCI)。

GPON架构

GPON OLT通过PON端口为多个ONT服务。下行传输，即从OLT到ONT的传输通常是TDM。而上行流量，即从ONT到OLT的流量通常是TDMA。

PON系统可以是对称的或不对称的。 PON和光纤基础设施也可以用于支持任何单向分布式服务。例如–不同波长的视频。

GPON物理媒体相关层

G.984.2是GPON系统物理层的规范。物理层处理的区域包括-

• 根据数据速率的光学性能。
• 光纤组件的类别。
• 光功率的定时和控制。
• 前向纠错。

光学系统的基本要求之一是提供具有足够容量的组件，以将光信号扩展到预期范围。组件分为三类或三类，它们基于功率和灵敏度。组件的类别是-

• A类光学器件：5至20dB
• B类光学器件：10至25dB
• C类光学器件：15至30dB

光线路终端(OLT)

OLT向核心网络提供服务节点接口(SNI)(通常为1 Gbps和/或10 Gbps以太网LAN接口)，并控制GPON。 OLT由三个主要部分组成-

• 服务端口接口函数
• 交叉连接函数
• 光纤分配网络(ODN)接口

下图显示了典型的OLT功能框图。

PON核心外壳

PON Core外壳由两部分组成。第一部分是ODN接口函数，一部分是PON TC函数。 PON TC函数包括OAM，媒体访问控制，成帧，DBA，用于交叉连接函数和ONU管理的协议数据单元(PDU)描述。

• 交叉连接外壳-该外壳提供PON核心外壳和服务外壳之间的通信路径。

• 服务外壳-该外壳用于在服务接口和PON部分的TC帧接口之间进行转换。

ONU / ONT

为了链路保护目的，光网络单元(ONU)使用单个PON接口或最多两个接口运行。如果这两个光纤中的任何一根被切断，ONU可以通过另一根光纤访问。这称为PON保护或链路保护。链路保护也称为链路聚合，它可以保护链路，同时也可以聚合流量。

服务MUX和DEMUX函数将客户设备连接到PON端。光网络终端(ONT)专为单用户使用而设计，而ONU(光网络单元)专为多用户使用而设计。分离器允许最多128个ONT或ONU共享PON。

ONT / ONU接口

在业务网络接口的上行链路侧连接到OLT的光网络终端(ONT)具有许多用户网络接口端口。通常，将有四个通向UNI的FE / GE端口。

• 用于住宅ONT的UNI端口-通常，用户服务接口，例如10 / 100Base-T高速互联网(HSI)和IP视频，用于RF视频覆盖系统的RF同轴电缆以及用于VoIP PSTN语音的FXS电话接口模拟。

• 商用ONT的UNI端口-除上述端口外，还可能包括10/100 / 100Base-T路由器和L2 / L3交换机接口以及用于关键系统的DS1 / E1 PBX。

光网络单元(ONU)终结了GPON光纤，并具有更多的用户网络接口(UNI)到多个用户。 UNI接口可以是ADSL2 +，VDSL2，电源线，MoCA或HPNA ，并且与用户的距离(10/100 Base-T限制为100m，即330英尺)。

根据接口端口的类型， UN UNI可能无法直接连接到用户CPE设备。在这种情况下，UN UNI连接到位于用户最终位置的网络终端(NT)。 NT终止用户的CPE设备，例如PC，无线路由器，电话，IP视频机顶盒或机顶盒，RF视频等。

本质上，ONT在单个设备中结合了ONU和NT的函数。两者的结合；一起使ONT成为向本地和单户，中小型企业提供GPON服务的最具成本效益的解决方案。但是，如果校园中的客户是学生，旅馆，学校，学院，医院或公司办公室，并且已经铺设了CAT-5铜缆，则ONU可以作为更合适的解决方案。

光纤分配网络

GPON ODN，由单模光纤和电缆组成；光纤带状电缆，接头，光学连接器，无源分光器和无源分支组件非常无源。

ODN分光器将单根光纤分为去往不同建筑物和各个房屋的多根光纤。分离器可以放置在ODN中的任何位置，从中央办公室(CO)/本地交换(LE)到客户房屋，并且可以是任何大小。分离器指定为[n：m]，其中“ n”是输入(向OLT方向)的数量= 1或2，“ m”是输出(向ONT方向)的数量= 2,4,8,16 ，32,64。

GPON复用/成帧

GPON多路复用或成帧将通过以下因素进行说明。

GPON封装方法(GEM)

它是指定GPON传输会聚层中的数据传输方案。 GEM提供了一种面向连接的可变长度成帧机制，用于通过无源光网络(PON)传输数据服务。 GEM被设计为与OLT上的服务节点接口类型以及ONU上的UNI接口类型无关。

下行流量(面向ONU / ONT的OLT)

对于下游流量，流量复用功能集中在OLT中。由OLT分配给各个逻辑连接的12位数字形式的GEM端口ID标识属于不同下游逻辑连接的GEM帧。每个ONU会根据其GEM端口ID过滤下游GEM帧，并仅处理属于ONU的GEM帧。

上行流量(到OLT的ONU / ONT)

OLT向ONU内的业务承载实体授予上游传输机会(或带宽分配)。这些承载流量的实体由分配ID (Alloc-ID)标识。分配标识符(Alloc-ID)是OLT分配给ONU的12位数字，用于标识承载业务的实体。它是ONU内上游带宽分配的接收者。

如OLT在下行传输的带宽图中所指定的那样，对不同Alloc-ID的带宽分配在时间上进行了复用。在每个带宽分配中，ONU使用GEM端口ID作为多路复用密钥，以识别属于不同上游逻辑连接的GEM帧。

传输容器(T-CONT)是代表一组逻辑连接的ONU对象。为了PON上的上行带宽分配，它看起来像一个实体。根据映射方案，业务流量将被承载到不同的GEM端口，然后再承载到不同的T-CONT。

GEM端口和T-CONT之间的映射非常灵活。 GEM端口可以对应于T-CONT；或多个GEM端口可以对应于同一T-CONT。

G-PON传输汇聚层(GTC)

G-PON协议套件的协议层，位于与媒体相关的物理(PMD)层和G-PON客户端之间。 GTC层由GTC框架子层和GTC适应子层组成。

在下行方向，GEM帧承载在GTC有效载荷中，到达所有ONU。 ONU成帧子层提取帧，GEM TC适配器根据帧的12位端口ID过滤帧。只有具有适当端口ID的帧才允许进入GEM客户端函数。

在上游方向，GEM流量通过一个或多个T-CONT承载。 OLT接收与T-CONT相关的传输，并将帧转发到GEM TC适配器，然后转发到GEM客户端。

GTC层框架

下行帧的持续时间为125微秒，长38880字节，对应于2.48832 Gbit / s的下行数据速率。下游GTC帧由下游物理控制块(PCBd)和GTC有效负载部分组成。

GPON传输收敛帧的长度始终为125毫秒-

• 19440字节/帧的1244.16速率
• 38880字节/帧的速率为2488.32

每个GTC帧均由物理控制块下游+有效负载组成

• PCBd包含同步，OAM，DBA信息等。

有效载荷可能具有ATM和GEM分区(一个或两个)

上游GTC帧持续时间为125μs。在具有1.24416 Gbit / s上行链路的G-PON系统中，上行GTC帧大小为19,440字节。每个上游帧包含来自一个或多个ONU的多个传输突发。

每个上游传输突发包含一个上游物理层开销(PLOu)部分和一个或多个与各个Alloc-ID相关联的带宽分配间隔。下游GTC帧为PON提供公共时间参考，为上游提供公共控制信令。

GPON有效负载

GTC有效载荷可能有两个部分-

• ATM分区(Alen＆ast; 53字节长)
• GEM分区(现在是首选方法)

ATM分区

ATM分区具有以下特征。

• 在PCBd中指定了Alen(12位)。
• Alen指定ATM分区中53B信元的数量。
• 如果Alen = 0，则没有ATM分区。
• 如果Alen =有效负载长度/ 53，则没有GEM分区。
• ATM信元与GTC框架对齐。
• ONU接受基于ATM标头中VPI的ATM信元。

GEM分区

GEM分区具有以下特征。

• 与ATM信元不同，GEM描绘的帧可以具有任何长度。
• GEM分区中可以包含任意数量的GEM帧。
• ONU接受基于GEM标头中的12b端口ID的GEM帧。

GPON封装模式

对BPON的普遍抱怨是由于ATM单元税而导致效率低下。 GEM类似于ATM。它具有恒定大小的受HEC保护的标头。但是，它通过允许长度可变的帧避免了较大的开销。 GEM是通用的–支持任何数据包类型(甚至TDM)。 GEM支持分段和重组。

GEM基于GFP，并且标头包含以下字段-

• 有效负载长度指示器-有效负载长度(以字节为单位)。
• 端口ID-标识目标ONU。
• 有效负载类型指示器(GEM OAM，拥塞/碎片指示)。
• 标头错误校正字段(BCH(39,12,2)代码+1个偶数奇偶校验)

传输前，将GEM标头与B6AB31E055进行异或。

基于GEM的以太网/ TDM

通过GEM传输以太网流量时

• 仅封装了MAC帧(无前导，SFD，EFD)
• MAC帧可能会碎片化(请参阅下一张幻灯片)。

创业板以太网

通过GEM传输TDM流量时-

• TDM输入缓冲区每125毫秒轮询一次。
• TDM的PLI字节被插入到有效载荷字段中。
• 由于频率偏移，TDM片段的长度可能会变化±1字节。
• 往返延迟为3毫秒。

TEM over GEM

GEM可以对其有效载荷进行分段。例如，无碎片的以太网帧，如下图所示。

下图描绘了一个片段化的以太网帧。

GEM出于以下两个原因之一对有效载荷进行分段-

原因1 -GEM帧可能未跨越GTC帧。

原因2 –对于延迟敏感的数据，GEM帧可能被抢占。

GPON加密

OLT在计数器模式下使用AES-128进行加密。仅有效负载被加密(不加密ATM或GEM标头)。加密块与GTC帧对齐。 OLT和所有ONU共享计数器，如下所示：

• 46b = 16b帧内+ 30位帧间。
• 帧内计数器每4个数据字节递增一次。
• 在DS GTC帧开始时重置为零。

OLT和每个ONU必须在唯一的对称密钥上达成共识。 OLT要求ONU输入密码(在PLOAMd中)。 ONU以明文发送密码US(在PLOAMu中)-

• 密钥发送了3次以提高鲁棒性

OLT通知ONU确切的时间开始使用新密钥。

QoS – GPON

GPON明确对待QoS。恒定长度的帧有助于对时间敏感的应用程序提供QoS。传输容器有5种类型-

• 类型1-固定带宽。
• 类型2-保证带宽。
• 类型3-分配的带宽+非保证的带宽。
• 类型4-尽力而为。
• 类型5-以上所有的超集。

GEM增加了几个PON层QoS功能-

• 分段可以抢占大型低优先级帧。
• PLI-明确的数据包长度可以由排队算法使用。
• PTI位携带拥塞指示。

在下一章中，我们将了解什么是以太网无源光网络。