GPON是一種基于光纖的接入技術(shù)，它利用無源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過單一光纖連接多個(gè)用戶，實(shí)現(xiàn)了前所未有的帶寬擴(kuò)展和成本節(jié)約。GPON技術(shù)的核心在于其高效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)管理能力，這些特性使其成為支持現(xiàn)代高速通信的理想平臺(tái)。

GPON是全球應(yīng)用最為廣泛且最為成熟的固定接入網(wǎng)技術(shù)，這得利于GPON系統(tǒng)擁有一系列提升帶寬性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)，接下來，我們將逐一剖析這些關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)之一：測(cè)距

1. 為什么要測(cè)距？

對(duì)OLT的PON口而言，不同的ONU到OLT的邏輯距離不相等，光信號(hào)在光纖上的傳輸時(shí)間不同，到達(dá)各ONU的時(shí)刻不同。同時(shí)，OLT與ONU的環(huán)路時(shí)延（RTD：Round Trip Delay）也會(huì)隨著時(shí)間和環(huán)境的變化而變化。因此在ONU以TDMA方式（也就是在同一時(shí)刻，OLT一個(gè)PON口下的所有ONU中只有一個(gè)ONU在發(fā)送數(shù)據(jù)）發(fā)送上行數(shù)據(jù)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)碰撞沖突，如圖所示。為了保證每一個(gè)ONU的上行數(shù)據(jù)在光纖匯合后，插入指定的時(shí)隙，彼此間不發(fā)生碰撞，且不要間隙太大，OLT必須對(duì)每一個(gè)ONU與OLT之間的距離進(jìn)行精確測(cè)定，以便控制每個(gè)ONU發(fā)送上行數(shù)據(jù)的時(shí)刻。

2. 如何測(cè)距？

測(cè)距的過程如下：

OLT在ONU第一次注冊(cè)時(shí)就會(huì)啟動(dòng)測(cè)距功能，獲取ONU的往返延遲RTD，計(jì)算出每個(gè)ONU的物理距離。

根據(jù)ONU的物理距離指定合適的均衡延時(shí)參數(shù)EqD（Equalization Delay）。

說明：OLT在測(cè)距的過程需要開窗，即Quiet Zone，暫停其他ONU的上行發(fā)送通道。OLT開窗通過將BWmap設(shè)置為空，不授權(quán)任何時(shí)隙來實(shí)現(xiàn)。

3. 測(cè)距的結(jié)果如何?

通過RTD和EqD，使得各個(gè)ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)幀同步，保證每個(gè)ONU發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)在主干光纖處產(chǎn)生沖突。相當(dāng)于所有ONU都在同一邏輯距離上，在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)即可，從而避免上行信元發(fā)生碰撞沖突。

關(guān)鍵技術(shù)之二：突發(fā)光電技術(shù)

GPON上行方向采用時(shí)分復(fù)用的方式工作，每個(gè)ONU必須在許可的時(shí)隙才能發(fā)送數(shù)據(jù)，不屬于自己的時(shí)隙必須嚴(yán)格關(guān)閉光模塊的發(fā)送信號(hào)，才不會(huì)影響其他ONU的正常工作。對(duì)于OLT側(cè)上行接收來講，必須要根據(jù)時(shí)隙進(jìn)行突發(fā)接收每個(gè)ONU的上行數(shù)據(jù)，因此，為了保證GPON系統(tǒng)的正常工作，ONU側(cè)的光模塊必須支持突發(fā)發(fā)送功能，OLT側(cè)的光模塊必須支持突發(fā)接收功能。

1. ONU側(cè)光模塊必須支持突發(fā)發(fā)送功能

測(cè)距并保證不同ONU發(fā)送的信元在OLT端互不沖突，但測(cè)距精度有限，一般為正負(fù)1bit，不同ONU發(fā)送的信元之間會(huì)有幾bits的防護(hù)時(shí)間（但不是比特的整數(shù)倍），如果ONU側(cè)的光模塊不具備突發(fā)發(fā)送功能，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)送信號(hào)出現(xiàn)疊加，信號(hào)會(huì)失真。

2. OLT側(cè)光模塊必須支持突發(fā)接收功能

由于每個(gè)ONU到OLT的距離不同，所以光信號(hào)衰減對(duì)于每個(gè)ONU來講都是不同的，所以就可能導(dǎo)致OLT在不同時(shí)隙接收到的報(bào)文的功率電平是不同的。

如果OLT側(cè)的光模塊不具備光功率突變的快速處理，則會(huì)導(dǎo)致距離較遠(yuǎn)、光功率衰減較大的ONU光信號(hào)到達(dá)OLT的時(shí)候，由于光功率電平小于閾值恢復(fù)出錯(cuò)誤的信號(hào)（高于閾值電平才認(rèn)為有效，低于閾值電平則無法正確恢復(fù)）。動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值功能可以在OLT按照收光信號(hào)的強(qiáng)弱動(dòng)態(tài)調(diào)整收光功率的閾值以保證所有ONU的信號(hào)可以完整恢復(fù)。

說明：GPON下行是按照廣播的方式將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到ONU側(cè)，因此，要求OLT側(cè)的光模塊必須連續(xù)發(fā)光，ONU側(cè)的光模塊也是連續(xù)接收方式工作，所以無需光模塊具有突發(fā)發(fā)送/接收功能。

關(guān)鍵技術(shù)之三：DBA

在GPON系統(tǒng)中，需要一個(gè)有效的TDMA機(jī)制控制上行流量，這樣來自多個(gè)ONU的數(shù)據(jù)包在上行過程中不會(huì)發(fā)生碰撞。然而，使用基于碰撞的機(jī)制需要在PON的無源ODN里管理QoS，這在物理上是不可能實(shí)現(xiàn)的，或者需要承受效率的嚴(yán)重?fù)p失。進(jìn)而GPON就考慮從OLT軟件角度來實(shí)現(xiàn)，那就是DBA。

DBA（DBA，Dynamically Bandwidth Assignment）對(duì)PON的擁塞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，OLT根據(jù)擁塞和當(dāng)前帶寬利用情況，以及配置情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的帶寬調(diào)整。

1.DBA的工作原理

ONU會(huì)根據(jù)向OLT發(fā)送DBA請(qǐng)求信息，報(bào)告自己T-CONT中緩存的數(shù)據(jù)隊(duì)列狀態(tài)。

OLT內(nèi)部DBA模塊不斷收集各個(gè)ONU的DBA報(bào)告信息，進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果以BW Map的形式下發(fā)給各ONU。

各ONU根據(jù)BW Map信息在各自的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送上行突發(fā)數(shù)據(jù)，占用上行帶寬。這樣就能保證每個(gè)ONU可以根據(jù)實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)流量動(dòng)態(tài)調(diào)整上行帶寬，提升了上行帶寬的利用率。

2.DBA的功能

GPON系統(tǒng)通過引入DBA，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

可以提高PON端口的上行線路帶寬利用率

可以在PON口上增加更多的用戶

用戶可以享受到更高帶寬的服務(wù)，特別適用于對(duì)帶寬突變比較大的業(yè)務(wù)

關(guān)鍵技術(shù)之四：FEC

1. PON為何需要FEC？

在PON系統(tǒng)中，使用FEC技術(shù)的主要原因是為了提高線路的傳輸質(zhì)量和可靠性。具體來說，F(xiàn)EC技術(shù)可以降低接收端的誤碼率，增加通信的穩(wěn)定性，避免數(shù)據(jù)重傳，提高帶寬利用率和降低重傳率。此外，F(xiàn)EC技術(shù)還可以降低對(duì)高性能光器件的需求，從而降低設(shè)備成本。

應(yīng)用廣泛的GPON系統(tǒng)中，采用的FEC算法是RS（255，239）算法，完全遵從ITU-T G.884.3的要求。

在RS（255，239）算法中，輸入的數(shù)據(jù)被視為一個(gè)長(zhǎng)度為239的向量，經(jīng)過編碼后生成一個(gè)長(zhǎng)度為255的向量。這個(gè)編碼向量的每個(gè)元素都是一個(gè)糾錯(cuò)碼元，它們由輸入數(shù)據(jù)中的239個(gè)信息字節(jié)和16個(gè)校驗(yàn)字節(jié)組成。這255個(gè)碼元中的每一個(gè)都可以糾正最多8個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤。

具體實(shí)現(xiàn)，GPON系統(tǒng)FEC功能可以針對(duì)每個(gè)ONU的上行和下行分別打開、關(guān)閉；ONU設(shè)備可以支持帶FEC編碼和無FEC編碼的下行業(yè)務(wù)流自適應(yīng)接收。

下行方向：

（1）OLT：對(duì)下行數(shù)據(jù)要么采用FEC編碼，要么不采用FEC編碼；具體編碼狀態(tài)會(huì)使用幀內(nèi)字段進(jìn)行標(biāo)識(shí)并發(fā)送給ONU。

ONU：每個(gè)ONU能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行FEC解碼，也可以不解碼（即使數(shù)據(jù)是編碼過的）。通過使用基于塊的RS編碼，可以提前知道校驗(yàn)比特的位置。這樣，不支持FEC的ONU可以跳過校驗(yàn)比特，即不處理，并且不需要進(jìn)行FEC解碼就可以得到原始下行數(shù)據(jù)。

上行方向：

ONU：每個(gè)ONU既可以使用FEC編碼它的上行數(shù)據(jù)，也可以不采用；具體編碼狀態(tài)會(huì)使用幀內(nèi)字段進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

OLT：必須能夠（針對(duì)每次ONU的傳輸）進(jìn)行FEC解碼或者不解碼接收上行數(shù)據(jù)（即使是經(jīng)過FEC編碼過的）。

2. GPON中FEC具體怎么實(shí)現(xiàn)的？

以上說了這么多，可能大家還是不太清楚。那么接下來，我們以GPON系統(tǒng)中下行幀的FEC編碼為例進(jìn)行講解。

當(dāng)下行幀使用FEC編碼時(shí)，F(xiàn)EC校驗(yàn)字節(jié)插入到每個(gè)碼字末尾。那么使用RS（255，239）時(shí)，每個(gè)239數(shù)據(jù)字節(jié)后面就有16個(gè)校驗(yàn)字節(jié)。幀的PCBd部分包括在第一個(gè)碼字中，也就是碼字從幀的第一個(gè)字節(jié)開始。下一個(gè)碼字在第255字節(jié)后開始，每255個(gè)字節(jié)重復(fù)。

注意由于下行的比特率沒有增加，F(xiàn)EC校驗(yàn)字節(jié)取代了數(shù)據(jù)字節(jié)插入流中。因此，當(dāng)使用FEC時(shí)，用戶數(shù)據(jù)的有效帶寬減少。（FEC編碼過程是在擾碼之前進(jìn)行的）

其中，我們發(fā)現(xiàn)最后有一個(gè)短碼字，我們有時(shí)也稱之為較短的尾碼字。由于下行幀分成了255字節(jié)的碼字，當(dāng)使用125us幀時(shí)，最后一個(gè)碼字的數(shù)據(jù)會(huì)小于255字節(jié)，進(jìn)而針對(duì)這尾碼字有相應(yīng)的處理機(jī)制，即：

（1）為使尾碼字字節(jié)數(shù)等于255，在編碼前采用補(bǔ)“0”的方法將其補(bǔ)充為255字節(jié)；

（2）計(jì)算校驗(yàn)字節(jié)；

（3）將補(bǔ)充的“0”字節(jié)刪除，以本身較短的碼字傳輸；

（4）接收端接收時(shí)，同樣采用補(bǔ)“0”的方法將尾碼字補(bǔ)為255字節(jié)；

（5）解碼后，補(bǔ)“0”的字節(jié)再次被刪除。

對(duì)于2.488Gbps的下行數(shù)據(jù)速率，幀長(zhǎng)度為38880字節(jié)。由于僅有120字節(jié)留給尾碼字，其中104字節(jié)用作數(shù)據(jù)字節(jié)，16字節(jié)用作校驗(yàn)字節(jié)，135字節(jié)用“0”進(jìn)行填充。

關(guān)鍵技術(shù)之五：線路加密技術(shù)

GPON系統(tǒng)中下行數(shù)據(jù)采用廣播的方式發(fā)送到所有的ONU上，這樣非法接入的ONU可以接收到其他ONU的下行數(shù)據(jù)，存在安全隱患。故GPON系統(tǒng)采用線路加密技術(shù)解決這一安全問題。

GPON系統(tǒng)采用AES-128加密算法將明文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行加密，以密文的方式進(jìn)行傳輸，提高安全性。

GPON系統(tǒng)會(huì)定期地進(jìn)行AES密鑰交換和更新，提高了線路數(shù)據(jù)的可靠性。

OLT發(fā)起密鑰更換請(qǐng)求，ONU響應(yīng)并將生成的新的密鑰發(fā)給OLT。

OLT收到新的密鑰后，進(jìn)行密鑰切換，使用新的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

OLT將使用新密鑰的幀號(hào)通過相關(guān)的命令通知ONU。

ONU收到使用新密鑰的幀號(hào)后，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀上切換校驗(yàn)密鑰。

由于PLOAM（Physical Layer OAM）消息的長(zhǎng)度有限，密鑰分兩部分發(fā)給OLT，并重復(fù)發(fā)送三次。如果OLT沒有收到三次傳送中的任意一次，OLT將重新發(fā)送密鑰更換請(qǐng)求，直到三次收到相同的密鑰為止。

OLT使用相關(guān)的命令通知ONU使用新密鑰的幀號(hào)，這個(gè)命令會(huì)重復(fù)發(fā)送三次。只要ONU收到一次，ONU就在相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀上切換校驗(yàn)密鑰。

說明：GPON系統(tǒng)中使用的加密算法，不會(huì)增加額外開銷，而且對(duì)帶寬效率無影響。GPON系統(tǒng)中使用的加密功能開啟，不會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)延加大。