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硕士
论文 吉比特无源光网络(GPON)终端高层业务的研究与实现1绪论1.1课题概述 随着网络信息化建设的发展,网络数据流量急剧增长,电信业务的种类也由单一的电话电报业务扩展到多种业务。
通信网的主干部分发生了巨大的变化,而“最后二公里”的接入部分却仍然是高速局域网和主干网之间的瓶颈,网络的发展需求一种经济,简单,易升级,能够综合传输语音、数字和视频业务的新的接入网技术,光接入技术在网络发展的需求下逐渐的发展成熟。
本课题致力于无源光接入中吉比特的无源光网络光网络终端的研究,重点研究GPON高层业务如TDM、语音、数字和视频业务以及Ethemet业务在无源光网络光网络终端上的实现方法。
1.2课题的背景和目的1.2.1光接入网 电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及复用设备、交换设备以及各种线路设施等。
整个电信网按功能可分为三个部分:传送网、交换网和接入网【11。
它们的关系如图1.2.1.1所示。
用户端设备 躯 一一一~~~恻一 × 交换网 图1.2.1.1接入网在整个电信网中的位置 一 ~ 一 ~ ~捌~ 用户端设备 由图1.2.1.1可见,接入网处于核心网与最终用户之间,是大量用户驻地网进入核心网的桥梁。
接入网虽然不长,其规模约占电信网的1/3,但其业务量却是长途干线和局间中继业务量的lO倍,投资约占市话总投资的50%,因此用户接入网在电信网中占有相当重要的地位【21。
根据国际电信联盟第13组于1995年7月通过的关于接入网框架结构方面的新建议(G902),接入网定义为由业务节点接D(SND和用户网络接口(UNI)之间的一系列传送实体(如:线路设施和传输设施)组成,原则上对接入网可以实现的UM和SNI的类型和数目没有限制。
接入网提供诸如传输、复用、交叉连接等承载电信业务的 l绪论 硕十
论文功能,对于所接入的业务提供承载能力。
接入网对用户信令是透明的,除了一些用户信令格式转换外,信令和业务处理的功能依然在业务节点中。
通过接入网,用户能灵活地接入到不同的电信业务节点上。
随着数字传输技术和光纤技术的发展普及,保持了近一个世纪而没有重大改变的双绞线对接入形式开始出现新的面貌,光纤光缆的巨大带宽潜力,耐腐蚀、易维护的特性都指明了光接入是接入网的发展方 向。
光接/悯(OAN)为共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所能支持的接入链路群,一般称为光纤环路系统。
由定义可知,光接入网在一般情况下是一个点对多点的光传输系统。
图1.2.2.2为光接入网的典型结构。
: 钠3 ● : : ODN:光分配网络;OLT..光线路终端;ONU:光网络单元; ODT:光远程终端; UNh用户网络接口:SNI:业务:常点接口;AF:适配功能; S/R:光发送/接收参考点;V:与业务节点间的参考点;a:AF与ONU间的参考点; 图1.2.2.2光接入网的典型结构 光接入网系统中主要有局端和远端两种设备。
局端设备称作光线路终端(OLT)。
远端设备依据其在网络中位置的不同,功能和规模也并不相同。
一般将安装到用户驻地的叫做光网络终端设备,它既是用户的终端设备又是网络设备;另一种远端设备叫做光网络单元(ONU)设备,这种ONU设备没有到用户,必须要使用金属线(或 同轴电缆),通过各种xDSL技术将各种业务引入到用户。
从
系统配置上可分为无源光网络和有源光网络(AON),无源光网络由于在OLT和ONU之间没有任何有源电子设备,对各种业务呈透明状态,易于升级扩容,因而便于维护管理【3】。
该系统以其低的接入成本,受到很多电信主管部门和运营部门2硕士
论文 吉比特无源光网络(GPON)终端高层业务的研究与实现重视。
不足之处是OLT、ONU之间的距离和容量受到一定的限制。
有源光网络中,用有源设备或
网络系统(如SDH环网)的光远程终端(ODT)代替无源光网络中的光分配网络(ODN),传输距离和容量大大增加、易于扩展带宽,网络规划和运行的灵活性大。
不足的地方是有源设备需要机房、供电、维护等。
光接入网具有业务量密度低、缺乏规模
经济、成本高、成本差异大且与业务量无关、运行环境恶劣、技术变化慢等特点。
其投资若占整个电信网投资的50%,具有巨大的市场前景。
作为整个电信网的瓶颈部分,接入网势必要向着更高带宽、SDH兼容和增加双向
通信能力的方向发展,FTTH是其最终目标【4】。
但由于成本的限制,当前不可能实现大规模的FTTH,中间必须有一个过渡的时期。
当前接入网中两种主要的技术方案为FTTC(光纤Nd,区)和HFC(混合光纤同轴网)。
前者将光纤引入小区,再通过其它技术到用户(如ADSL、VDSL、无线接入等),后者将传统的CATV网改造成双向的网络。
两者其实都可以看成为光纤接入,只不过前者采用数字的传输方法,后者采用模拟的传输方法【5】。
本
论文将对光纤接入中的PON的相关问题进行分析。
1.2.2 PON技术的介绍与比较 基于PON的接入技术以其高带宽,高可靠性,和几乎无需维护费用的突出优点成为宽带接入技术的首选
方案。
与有源光接入技术相比,PON由于消除了局端与用户端之间的有源设备,从而使得维护简单、可靠性高、成本低,而且能节约光纤资源,是未来FTTH的主要解决方案。
随着PON成本的逐步降低,不但在FTTB/FTTC场合PON有了一定的应用市场,而且利用PON来实现FTTH在日本等发达国家也取得了很大的进展【6】。
目前PON技术主要有APON、EPON和GPON等几种,其主要差异在于采用了不同的二层技术。
APON是上世纪90年代中期就被ITU和全业务接入网论坛(FSAN)标准化的PON技术,FSAN在2001年底又将APON更名为BPON。
ATM化的无源光网络/宽带无源光网络(APON/BPON)可以利用ATM的集中和统计复用功能,再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用,使性能价格比有很大改进,目前在美国和 日本等国已经开始商用,在日本已经敷设了约50万线【7】。
然而,目前实际APON/BPON的业务适配提供却很复杂,业务提供能力有限,数据传送速率和效率不高,成本较高,其市场前景由于ATM的衰落而变得很不确定。
从长远的业务发展趋势看,APON的可用带宽仍然不够【引。
近几年随着IP的崛起和发展,在与APON和BPON类似的结构和G983的基础上,有人提出了以太网无源光网络(EPON)的概念,即设法保留其精华部分——物理层PON,而以以太网代替ATM作为链路层协议,构成一个可以提供更大带宽、l绪论 硕十
论文更低成本和更宽业务能力的新的结合体——EPON【9】。
这一思想在以太网界得到了积极响应,在IEEE 802.3的旗帜下已经形成了初步标准千兆以太网无源光网络(GEPON)。
在实际中,EPON和GEPON的基本差别就是标准化,前者往往指非标设备,后者指符合IEEE 802.3规范的设备。
另外,GEPON的传输距离和分路比均比EPON有所减小。
EPON虽然有其独特的优势,但也有一些缺点,主要是效率低和难以支持以太网以外的业务。
当遇到话音/TDM业务时,就会引起QoS问题。
EPON由于采用8B/10B的线路编码,引入的带宽损失为20%,再加上其他开销,可用负荷仅50%左右。
再加上承载层效率、传输汇聚层效率和业务适配效率等原因,使EPON总的传输效率很低【l叫2|。
2001年,在IEEE积极制订EPON标准的同时,全业务接入网络(FSAN)组织开始发起制订速率超过1Gbit/s的PON网络标准——GPON。
随后,ITU.T也介入到这一新标准的制订
工作中来,并于2003年1月通过两个有关GPON的新标准G984.1和G984.2(速率提高到2.5Gbit/s)。
GPON技术基于ITU G984.x系列标准,该标准明确规定需要支持的业务类型包括数据业务(Ethemet业务,包括IP业务和MPEG业务视频流)、PSTN业务(POTS,ISDN业务)、专用线(T1,E1,DS3,E3和ATM业务)和视频业务(数字视频)【13小】。
对于下一代网络洲GN)中最重要的业务IPTV,GPON也能很好的支持〔1 51。
GPON能够提供1.244和2.488Gbit/s的下行速率和所有标准的上行速率,具有高速宽带及高效率传输的特性。
GPON的物理层传输距离可以为10kin或20km,逻辑距离可达60km;支持最高为1:64的分路比,传输汇聚(TC,Transmission Convergence)层支持的分路比达l:128。
GPON采用G983.4规定的动态带宽分配(DBA,Dynamic BandAllocation)机制进行动态带宽分配。
同时,标准中明确定义了4种服务质量等级:固定带宽、保证带宽、非保证带宽和尽力而为带宽,因此,提供QoS的能力更强。
GPON具有完备的运行维护管理(OAM)功能(包括嵌入OAM矛DPLOAM),规定了下行加密算法和密钥交换机制,规定了以G983.5为基础的保护功能【l扣17J。
除了以上所介绍的这些GPON特征之外,需要值得关注的一点是GPON定义了新的TC子层,规定TC子层可采用GEM(GPON Encapsulation Method,GPON封装模式)和ATM两种封装方式。
GPON采用GEM封装方式来
作业务映射,适配来 自传送网上高层客户信令的业务。
GEM的思想源于ITU.T建议G7041中的通用成帧
程序,能够以高效简单的方式在同步传送网上传送不同业务,满足任何现有业务和未来新业务的适配要求,故它用作GPON TC层的基础是十分理想的【博J。
此外,使用GEM时,GPON TC层本质上是同步的,并使用标准的SONET 8kHz(1259s)帧,这使GPON能够直接支持TDM业务【l 9。
20J。
ATM封装方式主要是考虑对ATM业务的承载,不过由于ATM技术的复杂性和实际网络IP化趋势,基本上不采用这种方式。
4硕士
论文 吉比特无源光网络(GPON)终端高层业务的研究与实现 通过对三种PON的介绍之后,为了对它们有一个更全面、更深刻的了解,现将它们的主要技术参数性能对比列于表1.2.2.1【21。
231。
表1.2.2.1 APON、EPON和GPON的技术参数性能比较 APON EPON GPoN 相大标准 ITU.T G983 IEEE 802.3ah ITU-T G984 下行线路速率 155.52或622.08 1250 1244.16或2488.32 (Mbit/s) 上行线路速率 155.52 1250 155.52或622.08或1244.16或2488.32 (Mbit/s) 单纤:1480~1500nm 下行波长 148¨1 500nm 1500hm 双纤:1260~1360nm 上行波长 126肛1360nm 1310nm 1260-1360nm 线路编码 NRZ(+scrambling) 8B/10B NRZ(+scrambling) 最小分路比 32 16 64 (在传输汇聚层) 最大分路比 64 N/A 128 (在传输汇聚层) 53字一肖(48字节净 从53字节到 数据包大小 1518字节 负荷,5字节开销) 1518字节的可变长度传输层使用的协议 ATM IP/Ethernet ArM/GEMTC层支持的最大 20 10或20 60逻辑传送距离(km) 基丁:ATM 基于分组承载的 原始的TDM和/或基于ATM承载的 TDM支持能力 承载的TDM TDM TDM和/或分组承载的TDM支持的ODN类型 A类、B类和C类 A类和B类 A类、B类和C类 提供的语音业务 AAL5、VbIP、AAL2 Vo口 VbIP 提供的视频业务 WDM、IPTV/AAI 5 WDM、IPTV WDM、IPTV 取决于每个 PON支持的 256 ONT支持的 4096 最大业务流(个) LLID数 QoS 可靠 不可靠 可靠 运行维护管理 PLOAM+oMCI Et.OAM(咖 PLOAM+OMCI 可选) 下行数据流加密 扰码或AES 无定义 AES(计数器模式) 升级容易程度 Iij难 一般 一般 用户侧成本 高 低 较高 网络侧成本 高 低 较高 技术成熟度 成熟 成熟 不成熟 总体效率(10% 71% 49% 93%TDM,90%DATA) 进一步的将GPON标准与BPON和EPON的标准相比较,可以发现GPON具 1绪论 硕士
论文有如下优秀的特性〔24.26】: (1)更高的可用带宽。
按照标准规定,GPON的上行速率和下行速率最高可达2.448Gbit/s,能提供足够大的带宽以满足未来网络应用日益增长的对高带宽的需求。
除开物理层开销、GEM帧的封装开销、PLOAM协议开销和额外的封装开销(当有帧需要进行分段重组时按照GPON协议必须引入的额外封装丌销)以外,实际得到的能够用于传输业务的带宽仍然比EPON的极限理论带宽1Gbit/s高。
而且EPON由于本身的MAC层协议特点,实际用于传输业务的带宽仅为800Mbit/s左右。
而BPON的上下行带宽的理论峰值从表1;2.2.1中可以看出远远低于GPON〔27‘28】。
(2)可支持对称和不对称的多种线路速率。
支持的各种速率组合情况如表1.2.2.2所示: 表1.2.2.2各种速率组合情况 上行速率 下行速率 1.244Gb/s 1.244Gb/s 对称情况 2.488Gb/s 2.488Gb/s 1 55.52Mb/s 2.488Gb/s 155.52Mb/s 1.244Gb/s 上下速率不对称情况 622.08Mb/s 2.488Gb/s 622.08Mb/s 1.244Gb/s 1.244Gb/s 2.488Gb/s 由表1.2.2可见,GPON灵活配置上/下行速率。
GPON技术支持的速率配置有1.2Gbit/s下行,155Mbit/s、622Mbit/s、1.2Gbit/s上行;2.4Gbit/s下行,155Mbit/s、622Mbit/s、1.2Gbit/s、2.4Gbits上行共7种方式。
对于FTTH,FTTC应用,可采用非对称配置;对于FTTB应用,可采用对称配置。
由于高速光突发发射、突发接收器件价格昂贵,且随速率上升显著增加,因此这种灵活的配置可使运营商有效控制光接入网的建设成本。
(3)网络覆盖范围,ONU间差分距离最远可达20km,逻辑距离覆盖可达60km。
GPON的这一特性可以满足绝大多数情况下的接入需求。
(4)简单高效兼容的TC层成帧方式,对IP业务承载能力相当耐2 91。
GPON的TC层传输协议有两种可供选择一一GEM或者ATM。
其中ATM模式下GPON TC层的PDU(Protocol Data Unit,协议数据单元)就是ATM信元;ITU.T在GPON的标准中引入ATM模式主要是出于对早期ATM设备的兼容,这样就可以使用ATM信元不用经过转换而直接在GPON上传输,省去了原始数据的封装和解封步骤。
而GEM模式是GPON最大的特点,它允许在必要情况下对原始数据帧直接进行分段6 硕士
论文 吉比特无源光网络(GPON)终端高层业务的研究与实现重组,并在MAC层上采用可变长封装的方式进行打包传输,其间引入的带宽开销远远小于ATM模式。
具体的说,GEM帧中的荷载长度范围为0~4095字节,解决了BPON中ATM过高的信元税带来的承载IP业务效率低的弊病;而以太网MAC帧中的荷载长度范围仅为46”--”1500字节,因此GPON对于口业务的承载能力是相当强的【301。
(5)能够支持不同QoS要求的业务。
在这一点上,GPON和BPON由于都采用了对带宽进行分类管理的策略,能够传输各种QoS要求的业纠31弓21。
而EPON由于本身源于以太网技术,这就先天决定了EPON对QoS的支持相对较弱。
尽管后来有种种补充协议希望弥补EPON在这方面的不足,单就QoS支持方面,EPON可提供的选择远不如GPON的丰富是不争的事实。
同时,还应该认识到,在Ethernet上承载TDM业务的技术并不成熟,为了能够承载TDM业务和话音业务必须设计新的MAC机制并增加新的软硬件,这必然会带来EPON成本的上升,降低其对GPON的竞争力。
而GPON由于其
设计的TC子层结构和ATM封装方式,并采用了1259s的帧长及定时机制,能够比较容易的支持TDM业务和话音业务,例如E1/TI,都能以它们的原有格式传输,这极大地减少了传输语音业务的时延及抖动【33】 o (6)强大的OAM能力和健壮性。
GPON从满足消费者需求和便于电信运营商运行维护管理的角度,通过三种方式来进行维护,管理和控制:嵌入式OAM、PLOAM和OMCI(ONT Management and Control Interface,ONT管理控制接口)。
它们分别承担不同的OAM任务,从不同的层次对整个GPON网络进行管理。
GPON还提供了多种保护结构,并且能够通过故障检测来触发自动倒换和由管理事件来激活强制倒换,这为GPON网络提供了必要的健壮性保训34】。
从技术指标上看,GPON无疑是目前最先进的光接入网技术【351。
从商业角度,运营商也倾向于采用能够提供更加丰富业务支持、带宽更大的GPON,但是设备商出于对技术成本的考虑希望采用EPON, 以复用以前的以太网研究成果。
所以目前制约GPON发展的主要因素是成本
问题, 一旦成本问题解决,GPON的种种优点势必将使其得到大规模的推广。
因此i加强GPON的技术优势,同时尽力降低GPON的成本,是GPON得以普及的关键。
我国的发展趋势将可能跨越APON、BPON和EPON阶段,从宽带点到点以太网光纤系统和GEPON开始,乃至很快过渡到GPON阶段‘36-371。
1.2.3课题研究目的及意义 未来将是一个宽带无处不在的世界:用户需要能够在任意屏幕上(包括电脑、电视、手机等多种终端)随时随地享受到各种融合的宽带多媒体服务。
全业务宽带不仅1绪论 硕士
论文可以满足终端消费者对于便利性的追求,更有助于运营商提升消费者忠诚度,吸引新用户,创造新的收入流。
随着全业务融合时代的到来,包括高清晰IPTV等在内的多种增值多媒体服务,将成为运营商收入的重要来源,同时,也必将对运营商构建全业务宽带网络提出新的要求【381。
GPON技术是基于ITU.T G984.x标准的最新一代宽带无源光网络接入技术,具有高带宽、高效率、多业务统一支持、良好的互通性和可管理性等众多优点,正在被越来越多的主流运营商视为构建全业务宽带网络的理想技术。
GPON在单根光纤上支持2.4Gbit/s下行速率及1.2Gbit/s上行速率。
约92%的利用率使单纤能够提供的有效带宽大大高于xDSL以及其它光纤接入技术,可以更好的支持如高清晰IPTV、视频点播等高带宽应用GPON明确了需要支持的业务类型,包括数据业务、PSTN业务、专用线和数字视频业务等,并提供全面的QoS保证不同业务的质量和服务水平要求。
如GPON可以将TDM业务直接映射到GEM帧中,使用标准的8kHz(1259s),确保高质量的TDM支持。
GPON定义了完整的OMCI。
通过OMCI,运营商可以实现对ONT的远程管理,提高业务开通和故障排除的效率,并大大降低运维的成本。
GPON支持AES(先进加密算法)的128bit严格加密机制,确保运营商网络和业务的安全可靠运行。
简言之,GPON是为了满足运营商在统一网络上支持多业务融合的需求而量身定制的。
它能够提供电信级的大容量、高带宽、高可靠.