雷震洲
引言
到目前为止，相继问世的无源光网（PON）技术有三种：APON、EPON和GPON。一种比一种切合实际需要。本文旨在根据笔者所见，着重介绍GPON。为了充分了解各种PON技术的特点以及GPON的优点，首先简单回顾一下PON的发展历史。
PON网的基本原理是在一定的物理限制和带宽限制条件下，让尽可能多的终端设备（光网络终端ONT）来共享局端设备（光线路终端OLT）和馈送光纤。由于在覆盖某地区时这种方案需要的光纤较少，端局的光接口成本较低（一个光接口可服务于整个网络），因此它能为企业或住宅用户经济地提供高速光连接，而用传统的点到点和环形结构则不可能经济。
90年代中期，一些主要网络运营商成立了全业务接入网（FSAN）协会，其目的是制定PON设备的统一标准，以使设备商和运营商一起进入PON设备市场，开展竞争。其第一个成果是在ITU-T G.983建议系列中规范了155 Mb/s PON系统的标准。由于使用ATM作为承载协议，该系统被称为APON系统，后因常被人误解为只能提供ATM业务，故改称为宽带无源光网（BPON）系统，以表明这种系统能提供以太网接入、视频分配、高速租用线等宽带业务。但是，对这第1代FSAN系统来说，最常用的称呼还是APON。后来，APON标准经过增强，可支持622 Mb/s的比特率，并且在保护方式、动态带宽分配（DBA）和其它方面增加了新的特点。
与此同时，IEEE也成立了第1英里以太网（EFM）研究组，在光接入网方面推出基于以太网的EPON，为市场展示了很好的前景。该研究组归属制定以太网标准的IEEE 802.3组。同样，它的研究范围也限于体系结构，并要符合现有802.3的媒体接入控制（MAC）层。目前的工作中心是对只用于以太网传送的1.25 Gb/s对称系统进行标准化。
在2001年，FSAN启动了一项新的工作，对工作在1 Gb/s以上的PON网进行标准化。除了支持高速率的这一点以外，整个协议一直是开放的，以便重新考虑和寻求在支持多业务、OAM&P功能和扩展性方面最佳和最有效的方案。作为其最新的工作成果，即是推出了GPON，它能提供前所未有的带宽并支持多业务，特别是以本色格式和极高的效率同时支持数据和TDM。2003年1月31日，ITU-T批准了GPON标准G.984.1和G.984.2。G.984.1是关于GPON系统一般特性的标准，包括体系结构、比特率、传输距离和安全性等。G.984.2则把速率提高到2.5Gbps，至少是前一标准的两倍。图1借助FlexLight公司的GPON体系结构来描述PON网通用体系结构和网络拓扑以及GPON的特点。图中Optimate2500LT和Optimate2500NT分别为光线路终端和光网络终端。网络覆盖服务大于30 km，采用环形与树形相结合的网络拓扑，在PON上叠加了CWDM，起到保护作用，比特率为2.488 Gb/s/1.244 Gb/s。该网络不仅支持快速以太网（10/100 Mbps）和T1/E1业务，而且还支持VLAN交换和其它新出现的以太网业务。所有这些业务都从用户处集中回送到端局，分别通过OC-3/STM-1或千兆比以太网设备切换到城域设备。对已装用设备完全不需要进行协议转换或替代。在光纤被切断或其它光纤设备中断时网络可以立即恢复。这种全冗余度对运营商来说是十分重要的。
图1 PON/GPON网络拓扑
GPON构想的基础
FSAN是一个客户驱动的研究组，通常先由电信业务提供商来设定业务要求，然后它再把这些要求转化为所提方案的基础。这与EFM的工作方式完全相反，后者更多的是由设备商驱动的，目标是寻找符合以太网的简单方案，而不是针对现有业务和网络需求的不足问题。作为GPON工作的一部分，FSAN先汇集了其所有成员（包括世界各地的主要运营商）的要求，然后在此基础上写成名为千兆比业务要求（GSR）的文件，并作为正式建议（G.GPON.GSR）提交给ITU-T。GSR中的主要要求包括如下：
·支持全业务－包括话音（TDM、SONET和SDH）、以太网（工作在对绞线对上的10/100 BaseT – 10或100 Mb/s）、ATM、租用线与其它；
·覆盖的物理距离至少为20 km，逻辑距离限于60 km以内；
·用同一协议可支持各种比特率，包括对称622 Mb/s、对称1.25 Gb/s、下行2.5 Gb/s与上行1.25 Gb/s以及其它比特率；
·能提供端到端业务管理的OAM&P强大功能；
·由于PON的多播性质，要在协议层面保证下行业务安全性。
GPON系统就是在GSR设定的全部要求的基础上进行标准化的，因此它是一个全面体现业务提供商需要的方案。
各种PON的特点
下面分别介绍APON（ITU-T标准）、EPON（IEEE EFM标准）和GPON（ITU-T标准）的特点。
APON－基于ATM的PON
APON以ATM作为承载协议。下行传输的是连续的ATM流，比特率为155.52 Mb/s或622.08 Mb/s，在数据流中插有专门的物理层运行管理维护（PLOAM）信元。上行传输的是突发形式的ATM信元，为了实现突发发送和接收，每53个字节的信元后面附带一个3字节的物理开销。对155 Mb/s基本速率而言，传输协议基于包含56个ATM信元（每信元53字节）的下行幀；当比特率提高到622 Mb/s时，下行幀要扩展到224个信元。在155 Mb/s基本速率时，上行幀的格式是53个信元，每信元56字节（53个ATM信元字节加3字节开销）。下行幀除了54个数据信元，还有两个PLOAM信元，一个在幀的开始，另一个在幀的中间。每个PLOAM信元包含对上行幀内具体信元的上行发送批准（53个上行幀信元有53个批准被映射入PLOAM信元）以及OAM&P消息。
APON提供非常丰富完备的OAM功能，包括误码率监测、告警、自动发现与自动搜索、作为一种安全机制对下行数据进行搅码加密等等。然而，APON系统有两大缺点，一是数据传送效率低，二是在ATM层上适配和提供业务复杂。
EPON－基于以太网的PON
用于接入网的以太网也称“第1英里以太网”（EFM）。EFM的物理层既包括用于点到点（P2P）连接的光纤与铜线，也包括用于点到多点（P2MP）的EPON。为了便于网络运行与故障修复，还包括了OAM机制。
EPON基于一种叫做多点控制协议（MPCP）的机制，是MAC子层内的一种功能。MPCP利用消息、状态机和定时器来控制向P2MP网络拓扑的接入。在P2MP网络拓扑中的每一光网单元（ONU）都有一个MPCP协议实例，它与OLT中的MPCP协议实例进行通信。
EPON/MPCP协议的基础是点到点仿真子层，它使一个P2MP网看上去好似P2P链路向较高协议层的集合。作为一个协议，EPON还在继续制定，在协议本身、OAM功能、物理层规范等方面仍有一些问题。计划在2003年4月或8月完成标准草案。
EPON也有两大缺点，即效率极低和难以支持以太网之外的业务。当遇到话音/TDM业务时，就会引起QoS问题。效率低是因为EPON使用8b/10b编码作线路码，其本身就引入20％的带宽损失，1.25 Gb/s的线路速率在处理协议本身之前实际就只有1 Gb/s了。但APON和GPON系统都使用扰码作线路码，其机理与SONET或SDH一样，由于只改变码，不增加码，所以没有带宽损失。
GPON – 本色模式PON
GPON有两大承诺：在PON上传送多业务时保证高比特率和高效率。由于GPON一开始就自下而上地重新考虑了PON的应用和要求，为新的方案奠定了基础，不再基于早先的APON标准，故称为本色模式PON。它一方面保留了与PON不是直接相关的许多功能，如OAM消息、DBA等；另一方面GPON则基于完全新的传输融合（TC）层。FSAN选择了由FlexLight和其它设备商提出的建议作为GPON协议，这是以幀为基础的一个协议，用通用成幀程序（GFP）作业务映射。
FSAN对GPON提出了下列目标：
·幀结构可以从622Mb/s扩展到2.5Gb/s，并支持不对称比特率；
·对任何业务都保证高带宽利用率和高效率；
·把任何业务（TDM和分组）都通过GFP装入125微秒的幀中；
·对纯TDM业务作高效率的无开销传送；
·通过带宽指示器（pointers）为每一ONT动态分配上行带宽。
GFP是一种通用机制，它适配来自传送网上高层客户信令的业务。传送网可以是任何类型的传送网，如SONET/SDH和ITU-T G.709 (ONT)等。客户信令可以是基于分组的（如IP/PPP (IP/Point-to-point protocol)或Ethernet MAC等），也可以是恒定比特率流或其它类型信令。GFP已经正式被标准化为ITU-T建议G.7041。由于GFP提供以高效简单的方式在同步传送网上传送不同业务的通用机制，故它用作GPON TC层的基础是十分理想的。此外，使用GFP时，GPON TC层本质上是同步的，并使用标准的SONET 8 kHz（125微秒）幀，这使GPON能够直接支持TDM业务。
GPON协议设计时主要考虑了：
·基于幀的多业务（ATM、TDM、数据）传送；
·上行带宽分配机制采用时隙指配（通过指示器）；
·支持不对称线路速率，下行2.488 Gbit/s，上行1.244 Gbit/s；
·线路码是不归零（NRZ）码，在物理层有带外控制信道，用于使用G983 PLOAM的OAM功能；
·为了提高带宽效率，数据幀可以分拆和串接；
·缩短上行突发方式报头（包括时钟和数据恢复）；
·DBA报告、安全性和存活率开销都综合于物理层；
·幀头保护采用循环冗余码（CRC），误码率估算采用比特交织奇偶校验；
·在物理层支持QoS。
三种PON技术的比较
效率与系统性能的比较
由于在PON系统中，光接口占系统成本的大头，其余系统元器件，如ASIC和其它标准件的价格也相差不大，故不管哪种PON系统，其系统本身的成本都比较接近。因此，在决定每比特成本或可从网络提取的“创收比特”数量时，效率就成了一个最重要的因素。假设系统的线路速率为1.25 Gb/s，那么 100％效率的网络将提供1.25 Gb/s的吞吐量，而50％效率的网络只能提供622 Mb/s的吞吐量，因此为了获得相同的吞吐量，后者的系统成本就要加倍。表1是不同PON效率的比较结果。比较时考虑了4个因素，即线路码、PON TC层或MAC层的效率、承载协议（ATM、以太网或GFP）效率和业务适配效率。应指出的是，在分析APON效率时，先分析APON在622 Mb/s时的情况，再推算到1.25 Gb/s时的效率，这是因为APON的标准只到622 Mb/s为止。
以太网效率因素是根据所收集的数据，按如下分组长短分布来计算的：56.3% 64 byte分组、28.1% 512 byte分组、15.6% 1518 byte分组）。令人惊讶的是，比较显示EPON是效率最低的协议，即使单单处理以太网业务时也如此。这是由于“EPON税”太高所致。表2列出各种不同协议PON的总效率。
为了分析PON协议效率对系统性能的总体影响，FSAN组内的各运营商都给出了描述若干PON应用场景的业务模型。业务模型函盖了所有相关参数，包括业务分布、时延要求、ONT数量等，业务模型还关系到各种不同应用，如FTTH、FTTB和其它应用。
图2表示在不同应用场景下按照FSAN业务模型，GPON相对于APON和EPON所增加的带宽百分比。由图清楚可见，与APON特别是与EPON相比，GPON在整个应用范围内所增加的带宽百分比都很高。
再加上EPON系统无支持TDM的机制，如需支持必定要增加外部适配设备，所以预计EPON系统在绝对系统成本和每比特成本这两方面都将比GPON高出许多。
图2 GPON所增加的带宽
作为一个传送网，GPON不仅提供很高的效率，而且还为未来发展更多业务方面提供简便性和极好的扩展性。由于接入网是最靠近最终用户的一层，故其特征是包容许多协议和业务，从今天的TDM和数据业务一直到将来的许多新应用，如存储域网（SAN）、数字视像等。
通过GFP适配方法，GPON为把这些业务在不以任何方式搅乱现有设备或改变传送层的情况下加入PON，提供了一条清晰的过渡途径。而APON和EPON正好相反，它们需要为每一种业务提供特定的适配方法，对新业务而言，它们还需要开发新的方法。但GPON的核心基础是GFP，它已经包含了用于任何可能业务的适配机制。
结语
1995年在FSAN提出APON的时候，业界普遍认为ATM将成为LAN、MAN和骨干网中的核心技术。许多公司，如SBC、US West、BellSouth和Bell Canada等都看好APON。可是，后来的事实是以太网大大超越了ATM，成为普遍接受的标准。截至2002年全世界已经安装的端口数超过了3.2亿个，形成了惊人的规模经济。高速Gb以太网正在广泛加速实施，10 Gb以太网产品也开始提供。现在，容易扩展和管理的以太网正在MAN和WAN领域里赢得市场。考虑到现在95％的LAN都使用以太网，ATM显然已经不是连接以太网的最佳选择。
基于这样的事实，IEEE EFM推出了只用于以太网传送的EPON，它没有充分考虑到话音业务的永恒性。话音业务是永远不会消失的，只不过固定电话现在已经进入了十分成熟的稳定发展阶段，而数据业务正处于欣欣向荣的上升时期。另外我们还必须看到，话音业务正在大量地从固定向移动转移。直到现在移动电话仍是蒸蒸日上，发展势头不减。同样，VoIP的发展也充分显示，话音业务是不会像夕阳一样消失在黑暗之中的。互联网的迅猛发展不仅没有把古老的电话挤出历史舞台，反倒想方设法如何把话音业务支持得更好。所有原来支持数据的新技术在推出之后不久，无一不回过头来支持话音的。PON技术同样如此，必须支持话音业务和其它更多的业务，GPON应运而生。成立于2000年的美国FlexLight Networks公司已经推出世界上第一个GPON产品Optimate，现正与法国电信一起做现场试验。
通过以上比较显示，GPON是当今市场上最先进的PON协议，能够支持多业务，并具有最丰富的OAM&P特点。与APON及EPON相比，GPON的效率高得多，尤其与EPON相比。根据特定的应用和所支持的业务，在相同系统上所增加的带宽百分比可从40％到160％。对所有的工作方式，GPON的系统成本最低。由于无需外部适配，不仅是系统成本本身估计较低，而且由于效率高使相同系统的“创收比特”多得多，也即回报周期要短得多。GPON当遇见新业务和正出现的业务时能保证简便性和扩展性。GPON为这些业务提供了一条无需搅乱现有设备或改变传送层的清晰的过渡途径。
虽然本文很多内容依据FlexLight的资料，也许另有异议，但把它们介绍给对PON技术感兴趣的读者我想还是具有参考意义的。
图注：
图1：
城域接口 城域SONET环 GbE最多10个端口
OC-3/STM-1最多10个端口 PON保护环 CWDM重叠 用户接口
服务器 T1/E1最多40个端口 快速以太网最多40个端口
路由器 网络覆盖大于30km 2.488Gb/s/1.244Gb/s比特率
CWDM在PON之上 环/树形拓扑 支持保护 2500LT
2500NT
图2：
GPON所增加的带宽百分比 FSAN的业务模型场景
FTTH话音和视像 FTTH IP电话和视像 FTTH话音无视像
FTTH IP电话无视像 FTTB T1 FTTB E1
摘自 泰尔网
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