光波通信

作者：DanParsons，BroadLight营销总监

尽管GPON最著名的特性是其2,488Mbits/s的下行速率，但实际上是GPON的架构和上行服务质量(QoS)功能提供了真正的传输能力，从而在支持传统业务的同时，提供高质量语音、高带宽IPTV和数据服务。但是，就像任何新兴技术一样，运营商在评估该技术时自然而然地会产生一些疑问。例如，虽然GPON比其他TDM PON快很多，但它足够快吗？它具有确保上行高速服务不使高QoS应用受到影响的正确的QoS机制吗？对GPON的特性进行仔细考查，将回答这些问题。

下行：需要高速度

GPON的首要推动力是对基于IP的标准清晰度电视（SDTV）和高清晰度电视（HDTV）业务的预期带宽消费需求。有报告显示，到2010年，美国近60%的家庭将拥有HDTV设备。1因此很显然，从那以后HDTV内容将很快开始主导电视节目。一个采用MPEG2编码的SDTV信道只需要约3Mbits/sec的容量，而HDTV则需要约18Mbits/sec，因此将很快耗尽PON下行带宽。问题是，PON必须有多快，才能支持IPTV节目并仍能提供基本IP服务，如语音和高速互联网等？

HDTV流越多，可使用高速互联网访问的用户越少。GPON可提供比EPON更大的总带宽；因此，它可以支持更多的用户，提供组合式HDTV/互联网服务。

此问题不易回答，它取决于多种因素，如人口状况、使用率、业务传输是广播、组播还是单播，以及网络规划等。在未进行任何IPTV业务建模的情况下，可以创建一个简单的带宽利用模型，以确定当在PON上提供给定数量的IPTV信道传送SDTV和HDTV内容时，多少用户还可以使用基本高速上网和语音业务。该模型只设定了PON上IPTV信道的数量，然后计算出剩余带宽能够支持的相应用户的数量。为便于解释，将把2,488Mbits/sec速率的GPON与流行的1.25Gbits/sec速率的EPON进行比较。

此简单模型的假设为：

l HDTV信道=18Mbits/sec

l SDTV信道=3Mbits/sec

l GPON下行速率=2,488Mbits/sec （带宽利用率）=2289Mbits/sec

l EPON下行速率=1250Mbits/sec×72%（带宽利用率）=900Mbits/sec（带宽利用率是如何得出的，请参见《GPON与EPON的成本较量》，本刊2005年第5期30页。）

l 高速上网=100Mbits/sec/用户，20:1超额预订

l 网络电话（VoIP）将不予考虑，因为其每个信道所使用的最大带宽仅为100kbits/sec，对结果影响甚微。

如图1所示，模型结果显示了当HDTV内容增加时，所支持的用户数如何大幅下降，尤其是对于EPON系统。例如，当PON上设有45个SDTV和5个HDTV信道时，EPON可以向最多135个用户提供高速上网服务，而GPON可以支持多达413个。然而，当PON上的50个视频信道都变成HDTV时，EPON的下行容量被耗尽，而GPON则仍可保证向278个用户提供高速互联网服务。

在多住户大楼（MDU）应用中使用该示例，分路比采用1:32，GPON可以支持32个光网络单元（ONU）的基本高速上网服务和语音业务，其中每个单元支持8个用户（即278÷32）。在实际运营中，用户数还可更高，这将取决于服务提供商的技术和业务实践。

EPON提供了一种机制，可基于服务类型确定服务质量。但这些机制会消耗宝贵的下行带宽。EPON上行业务的QoS/CoS

然而，由于多画面观赏体育赛事、数字视频记录（DVR）以及一个家庭多台电视机同时观看的需求，预计将需要更多的电视频道到户。即使在分路比为1:32的单家庭用户（SFU）网络中，EPON也难以在HDTV频道很多的情况下提供基本高速上网服务。从根本上讲，GPON的2,488Mbit/sec高效下行传输才是传送IPTV的最佳选择，即使对于MDU PON而言，也能提供足够的HDTV传输容量。

上行：保证QoSVWj光波通信

很多人不只把IPTV看作是一种技术改变，而是看作一种全新的业务类型——一种能提供双向娱乐、游戏、商务和沟通的视频体验。这些双向、高速服务需要QoS机制，该机制将对PON的上行TDMA能力构成挑战。同时，传统业务如TDM等，要求具有可靠、低延迟、低抖动性能，并与运营商当前的系统具有同样的传输保护能力。ITU G.984 GPON标准不仅支持冗余，而且提供了一种内在的PON层QoS机制，该机制超越了第2层以太网和第3层IP服务分级（CoS）的方法，以确保在基于TDMA的共享介质上传输高质量的语音、视频和TDM数据。

毫无疑问，以太网是IP业务的统一接入网络。然而，以太网已演变成支持具有不同CoS要求的视频、语音和数据等业务的传送技术。IEEE 802.1p已能建立业务优选级，并且802.1q也能支持VLAN标签，以便在以太网中为这些业务建立专门的传输链路。

但是，第2层和第3层的CoS机制最好也只能达到传输层QoS的水平。如果传输层存在延迟和抖动，那么无论其优先级如何，业务都将受到影响。对于TDMA PON，当PON上的所有ONU在一个TDMA时隙上竞争上行容量和优先级时，上行QoS能力将成为问题。虽然GPON的1.25Gbits/sec上行数据速率比EPON高出20%，但真正给GPON带来优势的却是其上行QoS机制。

EPON使用以太网作为IP业务的媒介。但是，为了在PON中保留以太网的基本架构，增加了逻辑链路ID（LLID）概念，作为点对点和广播以太网仿真的一部分。于是，每个ONU将至少被分配一个LLID。2每个EPON ONU负责按第2层或第3层CoS机制划分其上行业务的优先级，然后在其指定时隙内使用一个LLID在其上行TDMA链路中以突发方式发送该业务（见图2）。

每个ONU在其突发时隙内访问PON上行链路，在一个周期内与其他ONU轮流进行。该时序由光线路终端（OLT）决定。PON上的ONU的数量将决定周期时间，一般应为1到2毫秒。该周期时间将成为PON上业务传送延迟和带宽利用效率的主要影响因素。周期时间设置过大将增大延迟；设置过小将因需要保护间隔和带宽碎片比例过高而造成带宽浪费。

虽然图2中显示的是固定时隙，但却是使用动态带宽分配（DBA）方法根据ONU的需求和服务水平协议（SLA）为ONU分配带宽。OLT将授权一些ONU增加时隙以使其获得更多带宽，而授权其他ONU减少时隙。在EPON中，LLID是上行带宽的被授权实体。授权是通过向需要修改时隙的LLID发送带内分组消息完成的。要分配具有良好粒度的多个时隙，DBA将要求频繁发送下行消息，这将消耗下行带宽。因此，要支持小授权周期极具挑战性。

我们可以从每个ONU分配单个LLID的例子中看出，一次带宽授权将被给予一个ONU的所有业务，而该ONU在不知道PON上带宽容量的情况下根据CoS机制调度其业务。结果，在负荷较高的EPON中，公正性成了问题，因为一个ONU上的高优先级用户业务可能会得到比另一个ONU上的低优先级用户业务还少的带宽。3为克服这个问题，开发了一种更加以CoS为中心的EPON，即为每个ONU上的每个CoS分配一个LLID。这样，DBA将根据每个ONU上的服务类型分配时隙。为实现更多LLID的EPON，就要增加带内消息，因此要损失相当大的可用带宽。4

EPON和GPON之间的基本区别是，GPON不仅是以太网，也包括TDM和ATM传输技术。同时，GPON采用带外带宽分配映射方法，使用业务容器（traffic container, T-CONT）作为上行授权实体。下行和上行帧时钟为电信的标准8kHz，通过GPON封装模式（GEM）将业务以其原始格式封装成帧。和在SONET/SDH中一样，GPON支持小于50毫秒的保护切换。

GPON低延迟能力的关键在于，来自所有ONU的所有上行TDMA突发信号可在一个8kHz帧（125微秒）内发生，如图3所示。每个下行帧向所有ONU广播一个高效带宽分配映射并可支持良好的带宽分配粒度。这一带外机制使GPON DBA能够支持非常小的授权周期，而不损害带宽利用率。

GPON的QoS/CoS能力比EPON更为高效。它们还支持碎片载荷。

T-CONT是一种用于上行QoS的PON层机制，其中由第2层或第3层方法决定的CoS相同的业务使用相同的T-CONT类型。这样，语音服务将被ONU分配给语音T-CONT，尽力服务（best-effort）数据将被分配到尽力服务T-CONT。DBA确保具有较高CoS的T-CONT获得高优先权，如语音，并优先于低CoS的T-CONT，如互联网数据。这在概念上与EPON中的多LLID类似，其中每个CoS被映射到其关联的T-CONT，但没有过多消耗带宽。然后由OLT根据CoS需求和PON上的资源，对PON上的T-CONT尺寸和时序进行分配。

GEM还支持碎片载荷，这在EPON中是不允许的。这样，一个低CoS的T-CONT可以在有效载荷的中间停止其上行突发，让更高CoS的T-CONT先行访问，然后由DBA机制告知后再继续其传输。这样，在高负荷的PON中，低优先级的、尽力服务型数据的大型突发业务流对高优先级的、延迟敏感型业务如语音和TDM等的影响会降到最低。

安心地走向融合

最终，对于一个统一的低成本网络，所有业务都将融合为通过以太网传送的IP业务。问题是，如何在支持目前传统业务的情况下实现目标？光接入网络的答案是GPON。只有GPON能够让服务提供商将其传统TDM和ATM技术演进到纯以太网。相反，采用EPON作为光接入技术，结论是直接的——所有业务必须都是以太网业务。即使对于TDM电路仿真业务（CES），由于CoS T-CONT分配的优点，GPON仍可提供比EPON好得多的传输性能。5

与BPON相比，ITU-T G.984 GPON标准为光组件、芯片和设备提供了互通性。DSL的全球性成功可归功于其互通性，因为它使得低成本、大批量的客户端设备成为可能，允许服务商提供低成本服务。这一点将在GPON上再次得到证明。

GPON不只是更快的PON技术。它不仅在MDU应用中能支持包括HDTV的IPTV业务的速度，还能确保向所有基于以太网的业务提供CoS所需的QoS，同时支持传统TDM和ATM业务，支持冗余，提供了一条走向融合的低风险之路，并得益于支持互通的标准。低成本GPON技术现在已经可以实用，设备正在进行测试和部署，大型运营商正在计划年内进行安装。GPON不再是对未来的一种许诺——而是现在正在发生的事实。

参考文献

1.JupiterResearch，www.jupitermedia.com/corporate/releases/05.10.06-newjupresearch.html。

2. Glen Kramer，《无源光网络》。

3. Glen Kramer，《在 EPON 中配置逻辑链路》，www.csif.cs.ucdavis.edu/~kramer/papers/llid_config.pdf。

4. Vincent Bemmel，《EPON 中的 LLID》，www.ieee802.org/3/efm/public/may02/bemmel_1_0502.pdf。

5. David Brief 和 Gal Sitton，《采用电路仿真在 GPON 上提供 TDM》，http://networksystemsdesignline.com/howto/166403088。

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