GPON关键技术的深度解析——恒申科技

GPON是一种基于光纤的接入技术，它利用无源光网络架构，通过单一光纤连接多个用户，实现了前所未有的带宽扩展和成本节约。GPON技术的核心在于其高效的数据传输机制和先进的网络管理能力，这些特性使其成为支持现代高速通信的理想平台。

GPON是全球应用最为广泛且最为成熟的固定接入网技术，这得利于GPON系统拥有一系列提升带宽性能和稳定性的关键技术，接下来，我们将逐一剖析这些关键技术。

关键技术之一：测距

1. 为什么要测距？

对OLT的PON口而言，不同的ONU到OLT的逻辑距离不相等，光信号在光纤上的传输时间不同，到达各ONU的时刻不同。同时，OLT与ONU的环路时延（RTD：Round Trip Delay）也会随着时间和环境的变化而变化。因此在ONU以TDMA方式（也就是在同一时刻，OLT一个PON口下的所有ONU中只有一个ONU在发送数据）发送上行数据时可能会出现碰撞冲突，如图所示。为了保证每一个ONU的上行数据在光纤汇合后，插入指定的时隙，彼此间不发生碰撞，且不要间隙太大，OLT必须对每一个ONU与OLT之间的距离进行精确测定，以便控制每个ONU发送上行数据的时刻。

2. 如何测距？

测距的过程如下：

OLT在ONU第一次注册时就会启动测距功能，获取ONU的往返延迟RTD，计算出每个ONU的物理距离。

根据ONU的物理距离指定合适的均衡延时参数EqD（Equalization Delay）。

说明：OLT在测距的过程需要开窗，即Quiet Zone，暂停其他ONU的上行发送通道。OLT开窗通过将BWmap设置为空，不授权任何时隙来实现。

3. 测距的结果如何?

通过RTD和EqD，使得各个ONU发送的数据帧同步，保证每个ONU发送数据时不会在主干光纤处产生冲突。相当于所有ONU都在同一逻辑距离上，在对应的时隙发送数据即可，从而避免上行信元发生碰撞冲突。

关键技术之二：突发光电技术

GPON上行方向采用时分复用的方式工作，每个ONU必须在许可的时隙才能发送数据，不属于自己的时隙必须严格关闭光模块的发送信号，才不会影响其他ONU的正常工作。对于OLT侧上行接收来讲，必须要根据时隙进行突发接收每个ONU的上行数据，因此，为了保证GPON系统的正常工作，ONU侧的光模块必须支持突发发送功能，OLT侧的光模块必须支持突发接收功能。

1. ONU侧光模块必须支持突发发送功能

测距并保证不同ONU发送的信元在OLT端互不冲突，但测距精度有限，一般为正负1bit，不同ONU发送的信元之间会有几bits的防护时间（但不是比特的整数倍），如果ONU侧的光模块不具备突发发送功能，则会导致发送信号出现叠加，信号会失真。

2. OLT侧光模块必须支持突发接收功能

由于每个ONU到OLT的距离不同，所以光信号衰减对于每个ONU来讲都是不同的，所以就可能导致OLT在不同时隙接收到的报文的功率电平是不同的。

如果OLT侧的光模块不具备光功率突变的快速处理，则会导致距离较远、光功率衰减较大的ONU光信号到达OLT的时候，由于光功率电平小于阈值恢复出错误的信号（高于阈值电平才认为有效，低于阈值电平则无法正确恢复）。动态调整阈值功能可以在OLT按照收光信号的强弱动态调整收光功率的阈值以保证所有ONU的信号可以完整恢复。

说明：GPON下行是按照广播的方式将所有数据发送到ONU侧，因此，要求OLT侧的光模块必须连续发光，ONU侧的光模块也是连续接收方式工作，所以无需光模块具有突发发送/接收功能。

关键技术之三：DBA

在GPON系统中，需要一个有效的TDMA机制控制上行流量，这样来自多个ONU的数据包在上行过程中不会发生碰撞。然而，使用基于碰撞的机制需要在PON的无源ODN里管理QoS，这在物理上是不可能实现的，或者需要承受效率的严重损失。进而GPON就考虑从OLT软件角度来实现，那就是DBA。

DBA（DBA，Dynamically Bandwidth Assignment）对PON的拥塞进行实时监控，OLT根据拥塞和当前带宽利用情况，以及配置情况进行动态的带宽调整。

1.DBA的工作原理

ONU会根据向OLT发送DBA请求信息，报告自己T-CONT中缓存的数据队列状态。

OLT内部DBA模块不断收集各个ONU的DBA报告信息，进行计算，并将计算结果以BW Map的形式下发给各ONU。

各ONU根据BW Map信息在各自的时隙内发送上行突发数据，占用上行带宽。这样就能保证每个ONU可以根据实际的发送数据流量动态调整上行带宽，提升了上行带宽的利用率。

2.DBA的功能

GPON系统通过引入DBA，可以实现以下功能：

可以提高PON端口的上行线路带宽利用率

可以在PON口上增加更多的用户

用户可以享受到更高带宽的服务，特别适用于对带宽突变比较大的业务

关键技术之四：FEC

1. PON为何需要FEC？

在PON系统中，使用FEC技术的主要原因是为了提高线路的传输质量和可靠性。具体来说，FEC技术可以降低接收端的误码率，增加通信的稳定性，避免数据重传，提高带宽利用率和降低重传率。此外，FEC技术还可以降低对高性能光器件的需求，从而降低设备成本。

应用广泛的GPON系统中，采用的FEC算法是RS（255，239）算法，完全遵从ITU-T G.884.3的要求。

在RS（255，239）算法中，输入的数据被视为一个长度为239的向量，经过编码后生成一个长度为255的向量。这个编码向量的每个元素都是一个纠错码元，它们由输入数据中的239个信息字节和16个校验字节组成。这255个码元中的每一个都可以纠正最多8个字节的错误。

具体实现，GPON系统FEC功能可以针对每个ONU的上行和下行分别打开、关闭；ONU设备可以支持带FEC编码和无FEC编码的下行业务流自适应接收。

下行方向：

（1）OLT：对下行数据要么采用FEC编码，要么不采用FEC编码；具体编码状态会使用帧内字段进行标识并发送给ONU。

ONU：每个ONU能够对接收到的数据进行FEC解码，也可以不解码（即使数据是编码过的）。通过使用基于块的RS编码，可以提前知道校验比特的位置。这样，不支持FEC的ONU可以跳过校验比特，即不处理，并且不需要进行FEC解码就可以得到原始下行数据。

上行方向：

ONU：每个ONU既可以使用FEC编码它的上行数据，也可以不采用；具体编码状态会使用帧内字段进行标识。

OLT：必须能够（针对每次ONU的传输）进行FEC解码或者不解码接收上行数据（即使是经过FEC编码过的）。

2. GPON中FEC具体怎么实现的？

以上说了这么多，可能大家还是不太清楚。那么接下来，我们以GPON系统中下行帧的FEC编码为例进行讲解。

当下行帧使用FEC编码时，FEC校验字节插入到每个码字末尾。那么使用RS（255，239）时，每个239数据字节后面就有16个校验字节。帧的PCBd部分包括在第一个码字中，也就是码字从帧的第一个字节开始。下一个码字在第255字节后开始，每255个字节重复。

注意由于下行的比特率没有增加，FEC校验字节取代了数据字节插入流中。因此，当使用FEC时，用户数据的有效带宽减少。（FEC编码过程是在扰码之前进行的）

其中，我们发现最后有一个短码字，我们有时也称之为较短的尾码字。由于下行帧分成了255字节的码字，当使用125us帧时，最后一个码字的数据会小于255字节，进而针对这尾码字有相应的处理机制，即：

（1）为使尾码字字节数等于255，在编码前采用补“0”的方法将其补充为255字节；

（2）计算校验字节；

（3）将补充的“0”字节删除，以本身较短的码字传输；

（4）接收端接收时，同样采用补“0”的方法将尾码字补为255字节；

（5）解码后，补“0”的字节再次被删除。

对于2.488Gbps的下行数据速率，帧长度为38880字节。由于仅有120字节留给尾码字，其中104字节用作数据字节，16字节用作校验字节，135字节用“0”进行填充。

关键技术之五：线路加密技术

GPON系统中下行数据采用广播的方式发送到所有的ONU上，这样非法接入的ONU可以接收到其他ONU的下行数据，存在安全隐患。故GPON系统采用线路加密技术解决这一安全问题。

GPON系统采用AES-128加密算法将明文传输的数据报文进行加密，以密文的方式进行传输，提高安全性。

GPON系统会定期地进行AES密钥交换和更新，提高了线路数据的可靠性。

OLT发起密钥更换请求，ONU响应并将生成的新的密钥发给OLT。

OLT收到新的密钥后，进行密钥切换，使用新的密钥对数据进行加密。

OLT将使用新密钥的帧号通过相关的命令通知ONU。

ONU收到使用新密钥的帧号后，在相应的数据帧上切换校验密钥。

由于PLOAM（Physical Layer OAM）消息的长度有限，密钥分两部分发给OLT，并重复发送三次。如果OLT没有收到三次传送中的任意一次，OLT将重新发送密钥更换请求，直到三次收到相同的密钥为止。

OLT使用相关的命令通知ONU使用新密钥的帧号，这个命令会重复发送三次。只要ONU收到一次，ONU就在相应的数据帧上切换校验密钥。

说明：GPON系统中使用的加密算法，不会增加额外开销，而且对带宽效率无影响。GPON系统中使用的加密功能开启，不会导致传输时延加大。