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1、GPON毕业设计一选题意义及背景 随着信息技术的发展，人们对以固话网、电视广播网、internet数据网为代表的电信服务有了越来越高的需要，但不同网络的重复投资造成资源的浪费，以及管理的成本增加，基于三网融合技术的飞速发展推动了给接入网性能的提高。目前，对于新建的有高带宽业务需求的高档小区，PON技术被广泛应用到三网融合的接入网建设中，该课题选择EPON或者GPON技术，进行完整的光纤接入网设计，具有较强的工程实践价值。 二毕业设计主要内容： 以某具体小区为设计对象，将PON技术应用到现代化小区网络建设中，主要完成： 1.PON相关技术的分析； 2.针对具体的小区，设计该小区的接入网的方案，包
2、括元件的选择、工程概况分析、施工图设计、概预算文件的编制、施工等。 三计划进度： 第八周：查找资料，确定论文大纲 第九周：方案的规划设计 第十周：利用设备进行方案的仿真实验 第十一周：写论文 第十二周：修改论文 第十三周：准备答辩 四毕业设计结束应提交的材料： 1、基于PON技术的施工图设计方案 2、概预算文件 3、毕业论文 指导教师 教研室主任 年 月 日 年 月 日 I 摘要 本论文首先阐述了接入网的概念及发展历程，介绍了GPON以及它的系统结构，重点研究了GPON的关键技术，通过与EPON的比较，得出了GPON高带宽、高效率、高分光比、长距离传输、覆盖范围广、用户接口丰富等优点。其次从O
3、LT设备安装设计、ONU设备安装设计、光分路器配置等方面重点分析了GPON的设计接入原则，具体分析了GPON在FTTx中的应用模式。最后将GPON技术应用到毓秀华庭小区的FTTH建设中，通过对用户高速上网、IP话音、视频通信、网络游戏、VOD等需求分析，设计了基于GPON的FTTH组网方案，进行了详细施工接入设计和工程预算，实现了该小区的多业务融合接入，体现出GPON是目前三网融合、光纤到户的最佳解决方案。 关键词：GPON；接入网；FTTH II Abstract This paper first describes the concept and development of access
4、 network, introduces the GPON and its architecture, focusing on the key technologies of GPON, compared with EPON, the GPON high bandwidth, high efficiency, high light ratio, long distance transmission, wide coverage, the advantages of rich user interface. Secondly, from the OLT equipment installatio
5、n design, ONU equipment installation design, optical splitter configuration and other important aspects of the design of access principle of GPON, analyzed the application of GPON in FTTx mode. Finally, GPON technology will be applied to the Yuxiu Vista area in the construction of the FTTH, through
6、the analysis of the user IP high-speed Internet access, voice, video communication, network game, VOD requirements, design the FTTH networking scheme based on GPON, has carried on the detailed design and implementation of the project budget, the multi service access in the area of the reflecting fus
7、ion, GPON is the best solution to the integration of three networks, fiber to the home. Key words：GPON；Access network；FTTH II 目录 摘要 . II Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 选题的背景及其意义 . 1 1.2 接入网的概念及发展历程 . 1 第二章 GPON的技术分析 . 2 2.1 GPON的简介 . 2 2.2 GPON的系统结构 . 2 2.3 GPON与EPON的比较 . 3 2.4 GPON的关键技术 . 4 2.4.1 GPO
8、N的传输复用方式及帧结构 . 4 2.4.2 GEM封装技术 . 8 2.4.3 动态带宽分配 . 8 2.4.4 层次化QoS技术 . 9 2.4.5 TDMoGEM技术 . 9 2.4.6 GPON安全技术 . 9 第三章 基于GPON的接入网分析 . 11 3.1 GPON设计接入原则 . 11 3.1.1 OLT 设备安装设计原则 . 11 3.1.2 ONU 设备的安装设计原则 . 11 3.1.3 光分路器(OBD)配置原则 . 11 3.1.4 光通道衰减核算原则 . 11 3.1.5 GPON保护机制原则 . 12 3.1.6 容量测算原则 . 12 3.2 GPON在FTTx
9、中的应用模式 . 14 3.2.1 FTTB应用模式 . 14 3.2.2 FTTH应用模式 . 14 3.3 典型PON网络建设案例 . 14 3.3.1 商务楼宇建设案例 . 14 3.3.2 多层小区建设案例 . 16 3.3.3 高层小区建设案例 . 19 3.3.4 联体别墅建设案例 . 21 第四章 基于GPON的小区FTTH方案 . 22 4.1 需求分析 . 22 4.2 设计方案 . 22 4.2.1 FTTH组网方案 . 22 4.2.2 施工设计 . 23 4.3 工程预算 . 25 第五章 总结 . 28 参考文献. 29 附录 . 30 致谢 . 错误！未定义书签。
10、第一章 绪论 1.1 选题的背景及其意义 随着信息技术的发展，人们对以固话网、电视广播网、internet数据网为代表的电信服务有了越来越高的需要，但不同网络的重复投资造成资源的浪费，以及管理的成本增加，基于三网融合技术的飞速发展推动了给接入网性能的提高。目前，对于新建的有高带宽业务需求的高档小区，PON技术被广泛应用到三网融合的接入网建设中，该课题选择EPON或者GPON技术，进行完整的光纤接入网设计，具有较强的工程实践价值。 1.2 接入网的概念及发展历程 所谓接入网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备。其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为“最后一公里”。由于骨干网一般采用光纤结构
11、，传输速度快，因此，接入网便成为了整个网络系统的瓶颈。接入网的接入方式包括铜线接入、光纤接入、光纤同轴电缆混合接入和无线接入等几种方式。 通信网发展至今，发生了天翻地覆的变化，从模拟到数字，从电缆到光缆，从PDH到SDH，从STM到ATM，从ATM到IP/DWDM，一代又一代新技术、新系统层出不穷。然而，绝大多数新技术、新系统都是应用于骨干网中，用户接入网仍为模拟双绞线技术所主宰。由于社会经济和通信技术的发展，单纯的语音业务已难以满足用户和市场的需求，特别是光纤技术的出现，以及用户对新业务，尤其是对宽带图象和数据业务的需求增加，给整个网络的结构带来了影响，同时也为用户接入网的改造和更新带来了转
12、机。总之，用户对宽带综合业务的需求和通信技术的迅速发展成为接入网技术发展的两大原动力。 随着电信行业垄断市场消失和电信网业务市场的开放，电信业务功能、接入技术的不断提高，接入网也伴随着发展，主要表现在以下几点：接入网的复杂程度在不断增加。不同的接入技术间的竞争与综合使用，以及要求对大量电信业务的支持等，使得接入网的复杂程度增加。接入网的服务范围在扩大。随着通信技术和通信网的发展，本地交换局的容量不断扩大，交换局的数量在日趋减少，在容量小的地方，改用集线器和复用器等，这使接入网的服务范围不断扩大。接入网的标准化程度日益提高。在本地交换局逐步采用基于V5.X标准的开放接口后，电信运营商更加自由地选
13、择接入网技术及系统设备。接入网应支持更高档次的业务。市场经济的发展，促使商业和公司客户要求更大容量的接入线路用于数据应用，特别是局域网互连，要求可靠性、短时限的连接。随着光纤技术向用户网的延伸，CATV的发展给用户环路发展带来了机遇。支持接入网的技术更加多样化。尽管目前在接入网中光传输的含量在不断增加，但如何更好地利用现有的双绞线仍受重视，但对要求快速建设的大容量接入线路，则可选用无线链路。光纤技术将更多的应用于接入网。随着光纤覆盖扩展，光纤技术也将日益增多地用于接入网，从发展的角度看，SDH、ATM、IP/DWDM目前仅适用于主干光缆段和数字局端机接口，随着业务的发展，光纤接口将进一步扩展到
14、路边，并最终进入家庭，真正实现宽带光纤接入，实现统一的宽带全光网络结构，因此，电信网络将真正成为本世纪信息高速公路的坚实网络基础。 1 第二章 GPON的技术分析 2.1 GPON的简介 GPON(Gigabit-Capable PON)是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点，被运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术1。 无源光网络是一种采用点到多点结构的单纤双向光接入网，其典型拓扑结构为树型或星型，由网络侧的OLT、光分配网(ODN)、用户侧的ONU和网管系统组成，根据ONU摆放的位置，GPON
15、系统可能的应用包括FTTH、FTTO、FTTB、2FTTC等场合。 其他的PON标准而言，GPON标准提供了前所未有的高带宽，GPON下行最大速率为2.5Gbps，上行为1.25Gbps，分光比最大为1：64，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场3。提供QoS的全业务保障，同时承载ATM信元和(或)GEM帧，有很好的提供服务等级、支持QoS保证和全业务接入的能力。做为电信级的技术标准，GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能。 在GPON标准中，明确规定需要支持的业务类型包括数据业务(Ethernet业务，包括IP业务和MPEG视频流)、PSTN业务、专用线(T1，E1，DS
16、3，E3和ATM业务)和视频业务(数字视频)。GPON中的多业务映射到ATM信元或GEM帧中进行传送，对各种业务类型都能提供相应的QoS保证。 2.2 GPON的系统结构 GPON系统主要由OLT(光线路终端)、ODN(光分配网络)、ONU(光网络单元)组成,其中ODN由光分路器和光纤线路等组成。所谓“无源”，是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光纤和光分/合路器等无源光器件组成，没有昂贵的有源电子设备4。OLT放置于业务接入中心节点,为接入网提供网络侧与城域网之间的接口,通过多个GE/FE接口上联不同的业务网络;ONU放置于小区或楼内机房,为接入网提供用户侧的接口,提供语音、
17、数据、视频等多业务流的接入,通过GE光口经ODN上联至OLT，如图2.1为GPON的系统结构图。 ONULANIP骨干网光分路器电话PBXONUOLTPSTNONUVideo service图2.1 GPON系统结构图 2 2.3 GPON与EPON的比较 同EPON相比，GPON的主要优势为： 更高的带宽和更大的分光比。GPON采用上下行不对称宽带分配方式，上行125G，下行25G，优于EPON采用上下行都是125G的对称宽带分配方式；且GPON光纤利用率高，最大分光比可达1：128，EPON只有1：32。 传输距离远，覆盖范围大。支持最大理论距离为60KM，支持最大物理距离为20KM，支持
18、最大距离差为20KM。 承载业务丰富。GPON网络可以承载Ethemet业务、TDM业务、iTv业务等，综合业务支持好，是三网融合的最佳方案。 GPON标准完善，对各种业务类型都能提供相应的QoS保证，还规定了在接入网层面上的保护机制，光纤自动倒换时间小于50ms，并具有完整OAM 功能5。 总结起来，GPON和EPON的区别如表2.1所示。可以说，尽管EPON从成本和目前的市场状况来看占据了一定的优势，但是GPON具有更远的传输距离，更高的带宽，以及更为优良的分光特性。如果说EPON代表了目前的主流，那么GPON就是未来的发展趋势6。 表2.1 GPON与EPON的对比 标准 速率 分光比
19、承载 带宽效率 QOS 光预算 测距 DBA TDM支持 ONT互通 OAM OPEX GPON ITU.T 2.488G/1.244G 1:641:128 ATM,Ethernet,TDM 92% Very good， Including Ethernet，TDM,ATM Class A/B/C EoD逻辑等距 标准格式 TDM over Ethernet 组成，每帧包括一个或多个光网络单元的传输时隙，通过下行帧的上行带宽映射域指示相应光网络单元的上行数据发送。 1.GPON的下行传输方式 OLT下行业务采用广播方式，OLT将业务封装入GPON封装方式帧中，然后若干个GEM帧组成GPON传输
20、汇聚帧，下行传送。在ONU根据GEM帧中封装的Gemport ID进行过滤。下行具有两种类型的通道，单播Gemport通道和组播Gemport通道。 单播Gemport通道 单播Gemport通道，表示OLT发送的数据只是传送给某个特定的ONU，只有一个配置了这个单播Gempor的ONU会接收这个数据，如图2.2所示。 组播Gemport通道 组播Gemport通道，表示OLT发送的数据是传送给一组ONU，存在若干个ONU配置了这个组播Gemport，这些ONU都会接收这个数据，由于ONU往往具有若干个UNI接口，一般对于组播Gemport通道会结合组播Gemport ID与组播媒介接入控制地
21、址一起进行过滤操作，如图2.3所示。 FCS payload T/L SA DA FCS payload T/L SA DA payload HEC PTI Port-id=1 PLI ONU2 Portid=1 根据PORT-ID进行过滤 GEM1 GEM2 GEM3 125s GEM1 PCB ONU2 Portid=2 OLT ONU3 Portid=3 图2.2 单播通道 4 FCS payload FCS payload T/L SA DA=Y T/L SA DA=Y ONU2 payload HEC PTI Portid=x PLI Portid=1 Portid=x Portid
22、=x构成广播域 MA=Y GEM1 OLT GEM2 GEM3 125s GEM1 PCB ONU2 Portid=2 Portid=x MA=Y ONU3 Portid=3 Portid=x MAY MA=组播地址表项 Y是组播地址 图2.3 组播通道 2.GPON的上行传输方式 GPON上行业务采用TDMA方式，ONU将业务封装入GEM帧中，然后若干个GEM帧组成一个T-CONT，在分配的时间片内传送。OLT上行只有一种类型，如图2.4所示。 FCS payload T/L SA DA FCS payload T/L SA DA payload HEC PTI Port-id=1 PLI
23、plo GEM1 ONU2 Portid=1 plo GEM1 plo GEM3 plo GEM2 上行数据用PORTID进行隔离复用 125s OLT plo GEM2 ONU2 Portid=2 ONU3 plo GEM3 Portid=3 图2.4 上行通道 3.GPON的帧结构 GPON系统的协议主要有物理媒质相关层和GPON传输汇聚层组成。如图2.5所示，其中层又包括两个子层：GTC成帧子层和TC适配子层。GTC层主要实现GEM客户接口和管理和控制接口的适配和封装。 5 PLOAM OMCI GEM Client GPON传输汇聚层 OMCI适配 GEM TC适配 TC适配子层 DB
24、A控制 GTC成帧子层 GPON物理媒质相关子层 图2.5 GPON系统协议栈 GPON GTC的TC帧结构分为下行帧结构和上行帧结构，如图2.6所示，两者不对称。其中下行帧结构采用125s长度的帧结构。而上行帧结构是按照125s划分的虚拟帧结构。 下行 TP-Frame=125s PCBd n 净荷n PCBd n+1 净荷n+1 1字节 上行 Slot Slot Slot R Slot Slot Slot R 0 1 0 1 上行虚拟帧TX时长 图2.6 GTC的TC帧结构 GPON下行帧结构 GPON的下行帧格式包括下行物理层控制块头和净荷两个部分组成。如图2.7所示，PCBd提供帧同步
25、、定时及动态宽带分配等操作管理维护功能；净荷部分透明封装GEM帧。ONU依据PCBd获取同步等信息，依据GEM帧头的Port ID过滤GEM帧。 PCBd中的US BWmap用于指示OLT分配给ONU的时间片，如图2.8所示。SStart用于指示分配时隙的开始时间。该时间以字节为单位，在上行帧中从0开始，并限制上行帧的大小不超过65536字节，可满足2.488Gbit/s的上行速率要求。SStop用于指示分配时隙的结束时间。 6 PCBd 净荷 Psync 4字节 Ident 4字节 PLOAMd 13字节 BIP 4字节 Plend 4字节 Plend 4字节 US BWmap N8字节 B
26、IP覆盖区域 下一个BIP覆盖区域 图2.7 PCBd组成 US BWmap N*8字节 Access的数目是变化的 Access1 8字节 Access1 8字节 AccessN 8字节 Alloc-ID 12bit Flags 12bit SStart 2字节 SStop 2字节 CRC 1字节 CRC覆盖范围 图2.8 GTC带宽映射分配结构 GPON上行帧结构 GPON的上行帧是按照125s划分的虚拟帧结构，实际是由若干个突发时间片构成，时间片的长度由下行帧中US BW Map域确定。如图2.9所示，GPON的上行帧结构中的突发时间片包括上行物理层开销、物理层OAM、PLSu、DBRu
27、以及净荷。PLOu主要用于OLT进行突发同步，包含前导码、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示，其长度由OLT在初始化ONU时设置，ONU在占据上行信道后首先发送PLOu单元，以使OLT能够快速同步并正确接收ONU的数据；PLOAMu用于承载上行PLOAM信息，包含ONU ID、Message ID及CRC，长度13字节；PLSu为功率测量序列，现在已经基本废除；DBRu用于上报相关信息净荷域透明封装帧。 7 Start Time指示字节边界 PLOu PLOAMu PLSu DBRu Payload DBA ONU- ID Preamble Delirniter BIP a byte
28、s b bytes 1byte ONU- ID 1byte 1nd 1byte 1byte Mag- ID 1byte Message 10bytes CNC 1byte 1，2，4bytes CRC 1byte 图2.9 GPON上行帧结构的突发时间片构成 2.4.2 GEM封装技术 为克服ATM承载IP业务开销大的缺点，GPON的业务封装采用了GEM帧，该协议能完成对以太网业务、Native TDM业务的适配，如图2.10所示。其中PLI用于下一个帧头定界，以及确定当前GEM帧的净荷长度，PLI以字节为单位指示帧头后面的净荷段长度，由于PLI域只有12比特，所以最多可指示4095字节。如果
29、用户数据帧大于这个值，则必须要分成小于4095字节的碎片；Port ID为12比特，Port ID用来提供PON中4096个不同的业务流标识，以实现业务流复用。每个Port-ID包含一个用户传送流。在一个Alloc-ID或T-CONT中可以有一个或多个Port-ID传输；PTI用作分段指示；HEC为头校验，用于帧的同步与帧头保护。GEM帧的净荷可以封装以太网业务或者Native TDM业务，由于GEM帧的净荷最长只能是4095字节，而以太网Jumbo帧长可达到9K，因此封装以太网业务时可能会对以太网帧进行分片处理。 PLI 12bits 净荷长度指示 Port ID 12bits PTI 3b
30、its 净荷类型指示 图2.10 GEM帧结构 HEC 13bits 净荷段 L Bytes 2.4.3 动态带宽分配 动态带宽分配技术是指通过GPON系统中各个ONU的上行使用带宽实时动态的改变来适应用户速率的各种变化，以提高系统的带宽利用率的技术。PON系统的上行接入一般采用中央控制按需分配和固定分配相结合的方式，也就是ITU-T G.983.4规定的静态带宽分配和动态带宽分配两种方式，按照业务等级进行优先级分配。对于GPON中的数据通信这种变速率业务，用静态带宽分配是不合适的，需要通过动态带宽分配使系统带宽利用率大幅度提高，即DBA技术根据ONU的突发业务的要求，通过在ONU之间动态调节
31、带宽来提高上行带宽利用效率。根据GPON的特点和G.983建议，可以知道动态带宽分配的具体要求是：业务要透明、带宽利用率尽量高、具备地抖动与时延特性、公平分配带宽、信号健壮、实时性强、保证不同业务的QoS等。在GPON结构中，OLT通过向ONU内部每个流量容器分配数据授权来控制上行流量。为确定分配给一个T-CONT的授权数目，OLT需要知道该T-CONT的流量状态。 8 2.4.4 层次化QoS技术 在GPON系统中，业务承载层主要分为三层：GTC、GEM、ETH/TDM，针对每一个承载层具备相应的QoS处理机制，如图2.11所示。 GPON业务承载层 GPON QoS处理机制 ETH/TDM
32、 VLAN/COS/GTS/POLICING GEM Flow control/Classification GTC T-CONT/DBA 图2.11 业务承载层和QoS 1.GTC PON系统构架是下行方向为广播方式，上行方向为TDMA方式，所以只对上行方向的业务流提供QoS处理。QoS处理的最小单元是T-CONT，T-CONT可以看作是ONU业务流的承载容器，调度机制是DBA。DBA的算法是GTC的QoS处理性能的关键。 2.GEM 在GEM层主要是针对每个GEM Port进行业务流分类，类似于DSLAM的单PVC多业务的处理方式。针对流分类后的业务分别进行优先级修改、流量监管和转发处理。 3.ETH/TDM TDM业务为面向连接，系统可以通过静态配置带宽严格保证面向连接的QoS。 ETH业务主要是基于二层VLAN、COS等标识进行业务的QoS处理，QoS主要处理机制分为流分类、监管、队列调度、拥塞处理、整形，它们的实现复杂度是影响QoS处理性能的关键。 2.4.5 TDMoGEM技术 针对GPON的定长帧传输特点，TDM在GPON线路上承载具有天然优势。TDMoGEM的实现是将TDM帧直接封装到GEM帧中进行传输。在GPON线路上给封装有TDM帧的GEM给与最高的优先级，保证TDM的传输质量。在同步方面，系统采用统一的8K时钟进行全网同步。 2.4
