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用戶，實現(xiàn)了前所未有的帶寬擴展和成本節(jié)約。GPON技術(shù)的核心在于其高效的數(shù)據(jù)傳輸機制和先進的網(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。

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：測距

1. 為什么要測距？

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

2. 如何測距？

測距的過程如下：

OLT在ONU第一次注冊時就會啟動測距功能，獲取ONU的往返延遲RTD，計算出每個ONU的物理距離。

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

說明：OLT在測距的過程需要開窗，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)任何時隙來實現(xiàn)。

3. 測距的結(jié)果如何?

通過RTD和EqD，使得各個ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)幀同步，保證每個ONU發(fā)送數(shù)據(jù)時不會在主干光纖處產(chǎn)生沖突。相當(dāng)于所有ONU都在同一邏輯距離上，在對應(yīng)的時隙發(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上行方向采用時分復(fù)用的方式工作，每個ONU必須在許可的時隙才能發(fā)送數(shù)據(jù)，不屬于自己的時隙必須嚴(yán)格關(guān)閉光模塊的發(fā)送信號，才不會影響其他ONU的正常工作。對于OLT側(cè)上行接收來講，必須要根據(jù)時隙進行突發(fā)接收每個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

測距并保證不同ONU發(fā)送的信元在OLT端互不沖突，但測距精度有限，一般為正負(fù)1bit，不同ONU發(fā)送的信元之間會有幾bits的防護時間（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，則會導(dǎo)致發(fā)送信號出現(xiàn)疊加，信號會失真。

2. OLT側(cè)光模塊必須支持突發(fā)接收功能

由于每個ONU到OLT的距離不同，所以光信號衰減對于每個ONU來講都是不同的，所以就可能導(dǎo)致OLT在不同時隙接收到的報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，則會導(dǎo)致距離較遠(yuǎn)、光功率衰減較大的ONU光信號到達(dá)OLT的時候，由于光功率電平小于閾值恢復(fù)出錯誤的信號（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)）。動態(tài)調(diào)整閾值功能可以在OLT按照收光信號的強弱動態(tài)調(diào)整收光功率的閾值以保證所有ONU的信號可以完整恢復(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，需要一個有效的TDMA機制控制上行流量，這樣來自多個ONU的數(shù)據(jù)包在上行過程中不會發(fā)生碰撞。然而，使用基于碰撞的機制需要在PON的無源ODN里管理QoS，這在物理上是不可能實現(xiàn)的，或者需要承受效率的嚴(yán)重?fù)p失。進而GPON就考慮從OLT軟件角度來實現(xiàn)，那就是DBA。

DBA（DBA，Dynamically Bandwidth Assignment）對PON的擁塞進行實時監(jiān)控，OLT根據(jù)擁塞和當(dāng)前帶寬利用情況，以及配置情況進行動態(tài)的帶寬調(diào)整。

1.DBA的工作原理

ONU會根據(jù)向OLT發(fā)送DBA請求信息，報告自己T-CONT中緩存的數(shù)據(jù)隊列狀態(tài)。

OLT內(nèi)部DBA模塊不斷收集各個ONU的DBA報告信息，進行計算，并將計算結(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ONU可以根據(jù)實際的發(fā)送數(shù)據(jù)流量動態(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)被視為一個長度為239的向量，經(jīng)過編碼后生成一個長度為255的向量。這個編碼向量的每個元素都是一個糾錯碼元，它們由輸入數(shù)據(jù)中的239個信息字節(jié)和16個校驗字節(jié)組成。這255個碼元中的每一個都可以糾正最多8個字節(jié)的錯誤。

具體實現(xiàn)，GPON系統(tǒng)FEC功能可以針對每個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)會使用幀內(nèi)字段進行標(biāo)識并發(fā)送給ONU。

ONU：每個ONU能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進行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，可以提前知道校驗比特的位置。這樣，不支持FEC的ONU可以跳過校驗比特，即不處理，并且不需要進行FEC解碼就可以得到原始下行數(shù)據(jù)。

上行方向：

ONU：每個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)會使用幀內(nèi)字段進行標(biāo)識。

OLT：必須能夠（針對每次ONU的傳輸）進行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編碼為例進行講解。

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

其中，我們發(fā)現(xiàn)最后有一個短碼字，我們有時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，最后一個碼字的數(shù)據(jù)會小于255字節(jié)，進而針對這尾碼字有相應(yīng)的處理機制，即：

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

（2）計算校驗字節(jié)；

（3）將補充的“0”字節(jié)刪除，以本身較短的碼字傳輸；

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

（5）解碼后，補“0”的字節(jié)再次被刪除。

對于2.488Gbps的下行數(shù)據(jù)速率，幀長度為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)用作校驗字節(jié)，135字節(jié)用“0”進行填充。

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)報文進行加密，以密文的方式進行傳輸，提高安全性。

GPON系統(tǒng)會定期地進行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，進行密鑰切換，使用新的密鑰對數(shù)據(jù)進行加密。

OLT將使用新密鑰的幀號通過相關(guān)的命令通知ONU。

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

由于PLOAM（Physical Layer OAM）消息的長度有限，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，這個命令會重復(fù)發(fā)送三次。只要ONU收到一次，ONU就在相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀上切換校驗密鑰。

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