PCHardwarePro » 硬體 » GPON技術：它的定義、運作原理和用途
GPON 是一種被動點對多點光網絡，它透過分路器在數十個用戶之間共用一條光纖。
OLT 管理 GTC 訊框、TDMA 和 AES 加密，以協調 OLT-ONT，從而確保頻寬和安全性。
它提供高達 2,5 Gbit/s 的下載速度和高達 1,25 Gbit/s 的上傳速度，覆蓋範圍為 20 公里，分割比例高達 1:128。
其演進版本（XG-PON、XGS-PON、NG-PON2）利用相同的光纖基礎設施，倍增了速度。
如果您在電信業工作，或者只是想知道您的網路連線為何出現問題 光纖 飛，這個詞 GPON技術應用廣泛，但其工作原理常常被誤解或解釋得不夠清楚。它不僅僅是「高速光纖」：背後蘊含著非常具體的架構、協定和標準，這些改變了 FTTH 網路的部署方式。
本文將逐步深入，詳細解析GPON是什麼、它的內部運作以及它由哪些元素組成。 與其他接入技術相比，它有哪些優點和限制？ 以及它未來的發展方向（XG-PON、XGS-PON、NG-PON2 等）。其目的是，無論您最終是否會在日常生活中安裝光纖，您都應該了解為什麼所有運營商都投資這項技術，以及 OLT、ONT、OMCI 或 DBA 等縮寫詞的含義。
什麼是GPON技術？它與普通的「光纖」有何不同？
當我們談到GPON時，我們指的是一個特定的標準： 千兆無源光網絡，或千兆無源光網絡該標準由 ITU-T 在 G.984.xy 系列建議中發布，定義瞭如何設計能夠使用完全被動中間組件且傳輸速率超過 1 Gbit/s 的 PON 網路。
與僅用“光纖”來描述物理介質不同， GPON定義了一種點對多點架構 其中，從中心局發出的單一光纖透過光分路器被多個用戶共享，中間沒有主動交換器或帶電設備。
實際上，這意味著單一光纖基礎設施可以提供 寬頻網路服務語音（傳統電話或 VoIP）、數位電視/IPTV 以及其他商業服務（VPN、E1/STM-1、IP 攝影機、WiFi 等）都透過 GEM 封裝方法封裝在名為 GTC 的同一幀系統中傳輸。
ITU-T G.984 標準規定了高達 的典型速度 下行速度 2,488 Gbit/s，上行速度 1,244 Gbit/s 每個 PON 端口，每根光纖最多可劃分 1:128 個用戶，典型物理範圍為 20 公里（邏輯範圍，由 MAC/TC 層管理可達 60 公里）。
簡而言之，當你在路由器上看到“GPON”時，你看到的不僅僅是一種光纖類型，而是 採用被動式元件、強大安全性和先進管理技術的接取網路架構。專為營運商和大型光纖到戶部署而設計。
GPON網路的基本架構
GPON架構以…取代了傳統的三層乙太網路設計（核心層、匯聚層和存取層）。 僅由兩級構成的光學結構接入交換器和分配交換器通常被淘汰，取而代之的是不消耗能量的光分路器。
簡單來說，營運商側有核心路由器（L3），但從那裡到客戶的存取層是由光纖、OLT、分路器和ONT構成的。 OLT 和 ONT 之間的整個部分均基於被動元件。這樣可以減少機櫃、技術間、銅線，以及電力成本。
主要組件：OLT、ODN、分路器和ONT/ONU
典型的GPON網路由以下部分組成： 非常清晰的塊每個組件都各司其職，從而使系統對使用者透明地運作：
OLT（光線路終端）OLT是位於運營商中心機房或設備站點的主動設備。光纖從OLT的每個PON連接埠連接到光分配網路。 它聚合來自所有 ONT 的流量，分配頻寬，應用 QoS，加密和解封裝訊框。 朝著 IP/MPLS匯聚網絡.
ODN（光分配網路）它包括光纖、托盤、分配器、熔接盒，以及最重要的， 無源光分路器可以「分」出訊號ODN 不攜帶電源，也不響應 OLT；它只會引入光損耗，必須在功率預算中考慮這些損耗。
分光器這些是被動分路器，可以將單一光纖分成多根光纖（1:2、1:4、1:8、1:16、1:32、1:64、1:128）。它們充當信號的“副本”。 所有輸入的內容都會複製到所有輸出。因此，需要強大的下游加密來維護機密性。
ONT/ONU（光網路終端/單元）這是安裝在客戶家中或辦公室的設備。它負責光纖的端接，將光訊號轉換成電訊號，並且 它提供乙太網路、WiFi、RJ11、CATV 等介面。 連接到用戶設備。許多現代光網路終端都整合了這些功能。 無線路由器語音連接埠和遠端管理（TR-069 或 OMCI）。
OLT 和 ONT 之間沒有活動的交換器或中繼器。 所有控制、多路復用和時序管理工作均由OLT完成。這大大簡化了拓樸結構，但需要中心端具備相當高的智慧。
物理介質和波長
GPON 使用單模光纖和波分複用 (WDM) 技術，透過同一根導線雙向傳輸資料。 向下方向的典型波長為 1490 nm，向上方向的典型波長為 1310 nm（≈1290-1330 nm）。如果添加射頻視訊疊加，通常還會額外使用 1550 奈米波長。
由於光纖的衰減很低（約 在這些波長下，衰減係數為 0,35 dB/km由於 OLT 中已配備高功率雷射器，透過高功率分光，物理傳輸距離可達 20 公里。即便如此，仍需考慮分光器、熔接點、連接器和彎管造成的損耗，以避免超出光路等級（B+、C 等）規定的最大損耗預算。
GPON 的工作原理：從 OLT 到 ONT 再返回
GPON的魅力在於它如何實現這一點。 數十個甚至上百個光網路終端（ONT）共用同一根光纖，互不重疊。保持低延遲和高效的頻寬利用率。為此，它結合了固定的 125 微秒幀、TDMA、動態頻寬分配和串流加密技術。
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在下行鏈路中，即使使用者流量不大，OLT 也會持續發送 125 微秒的 GPON (GTC) 訊框。 這些模式會分發到連接到該PON連接埠的所有ONT。 透過分路器，使用下行波長。
GTC圖中有兩個基本模組： PCBd（下游實體控制塊）其中承載報頭、同步、FEC 和頻寬映射 (BWmap)，以及有效載荷部分，GEM PDU 在其中封裝乙太網路幀、TDM 信元、語音等。
每個光網路終端 (ONT) 接收所有數據，但只處理分配給它的數據： 它會查看 GEM 連接埠標識符及其 ONU-ID。 僅提取其服務所需的資料。由於 AES-128 流加密，即使另一個 ONT 可以讀取該幀，也無法解密其他服務的內容。
這種採用本地過濾的廣播模型簡化了組播流量（例如 IPTV 頻道）的發送： OLT 只發送每路電視串流的副本 所有感興趣的 ONT 都會接收到它，而不會造成不必要的流量重複。
上游：TDMA、突發傳輸和DBA
上游的問題恰恰相反：如果所有光網路終端同時開啟雷射器， 資料會在分路器中發生碰撞，並以混合狀態到達OLT。GPON 使用 TDMA（時分多址）技術，透過非常精確的計時來解決這個問題。
OLT透過測距過程測量到每個ONT的距離，獲得往返延遲（RTD），並計算… 個體均衡延遲（EqD）這樣可以補償距離差異，並「實際上」使所有 ONT 對齊到相同的表觀距離。
有了這些訊息，OLT 在每個下游幀中都會在 BWmap 中包含每個 ONT 的每個 T-CONT（傳輸容器）可以使用的確切時間間隔。 當 ONT 佔用其插槽時，它會啟動其光發射器，發送脈衝串，然後將其關閉。 一旦結束，就立即停止，以免打擾下一個。
這些時隙的分配可以是固定的，也可以是動態的。其機制是… DBA（動態頻寬分配） 它允許 OLT 根據每個 ONT 的佇列、服務等級和 PON 的整體狀態即時調整每個 ONT 的上行頻寬量，從而優化共用通道的使用。
幀結構、GEM 和協定棧
在此基礎上，GPON協定定義了一個特定的協定棧。在物理層面上，我們有… PMD（物理介質相關）層它負責光傳輸。在其上方是 GTC（GPON 傳輸匯聚）層，負責幀結構、FEC、OAM、TDMA 和業務封裝。
為了傳輸用戶數據，GPON 使用兩種連結選項：ATM（繼承自 APON/BPON，實際上已過時）和 LTE（特別是 LTE）。 GEM（GPON封裝方法）一種面向連接的格式，允許將乙太網路幀和其他流分割成可變大小的單元。
實際上，如今幾乎所有製造商都只採用GEM： 乙太網路封包以 1:1 的比例封裝在 GEM 訊框中。 這些都封裝在 GTC 幀中。此外，我們還可以輕鬆實現 IP、VLAN、VoIP、E1、T1、營運商服務等。
管理和控制：OMCI 和 OAM
GPON標準的主要目標之一是能夠… 遠端管理光網終端，盡量減少客戶上門拜訪為此，定義了 OMCI（ONT 管理和控制介面），並在 ITU-T G.984.4 中進行了描述。
OMCI 使用 OLT 和每個 ONT 之間的專用 GEM 連接埠進行交換。 管理訊息：服務的建立和刪除、連接埠配置、統計、警報、故障事件等。 OLT 作為主設備，ONT 作為從設備。異步響應請求。
除了OMCI之外，還有一個實體OAM層（PLOAM），它具有特定的下游和上游訊息，用於… 操作、維護、測距、電源控制和狀態訊號任務 光鏈路。
GPON 的功能、限制和功率預算
GPON網路的設計涉及許多物理和工程因素。該標準規定了一些… 理論極限 以及決定網路在不影響服務品質的前提下可以延伸多遠的光纖等級。
範圍、分割比和最大容量
GPON定義了一個 最大邏輯範圍 60 公里MAC/TC層可以處理這些操作（測距、同步、FEC）。然而，在物理層面上，由於累積衰減，發送/接收點和接收/發送點之間的距離通常限制在20公里左右。
La 最近和最遠 ONT 之間的最大距離差 單一 OLT 的傳輸距離也限制在 20 公里以內，以便 TDMA 系統能夠以合理的 EqD 容納所有延遲。
該部門受功率預算限制：典型配置如下 1:16、1:32、1:64 甚至 1:128 用戶 每個 PON 連接埠。分光比越高，分光器中的損耗就越大，光等級的要求就越高（例如，C+ 與 B+）。
就速度而言，GPON 最廣泛應用的模式提供 下載速度為 2,48832 Gbit/s，上傳速度為 1,24416 Gbit/s。這些值在連接埠的所有使用者之間共享，但得益於 DBA，由於並非所有使用者同時達到飽和，因此每個客戶端最高 1 Gbps 的服務都能獲得綽綽有餘的體驗。
能量預算和光損耗
功率預算是指功率與預算之間的差額。 ONT能夠接收的最小功率 以及OLT所能提供的最低保證功率。此功率範圍必須足以吸收所有光路損耗。
我們發現的主要損失來源包括：
除數損失這會隨著分頻比的增加而增加（1:2 會引入約 3 dB，1:32 會引入更多，此外還有插入損耗）。
光纖衰減對於 1310 和 1490 奈米波長，約為 0,35 dB/km。
拼接與連接器各處損耗均有典型值（接合處≥0,2 dB，連接器處≈0,6 dB）。
曲線和彎曲半徑如果不遵守電纜規格，則可能造成額外的損耗。
如何將我的電子郵件從英語更改為西班牙語？根據等級（B+、C 等），該標準規定了 PON 必須滿足的最小和最大衰減範圍。 如果鏈路低於閾值，可能會導致接收器過載；如果高於閾值，則會失去同步。因此，ODN 的光學設計與設備的選擇同樣重要。
GPON的優勢、劣勢及典型應用
全球主要營運商大規模採用GPON並非偶然。它提供了一種 非常好的平衡性 雖然成本、效能、可擴展性和能源效率之間存在權衡，但並非一切都盡如人意，也有一些需要注意的地方。
GPON的主要優勢
之間 最顯著的好處 這項技術的優勢包括：
與銅相比，傳輸距離更遠。雖然透過銅線對傳輸的乙太網路連結的傳輸距離限制在 100 公尺左右，但 GPON PON 無需中間主動元件即可輕鬆覆蓋 10 到 20 公里。
極高且可擴展的速度每個連接埠可處理數 Gbit/s 的數據，在標準層面，已經出現了 XG-PON 或 XGS-PON 等演進版本，每個方向的傳輸速度可達 10 Gbit/s，而 25 Gbit/s 甚至 NG-PON2（高達 40 Gbit/s）的版本也即將問世。
被動式基礎設施和低能耗在存取路徑中沒有交換器或中繼器，這減少了對機房、空調、UPS系統、維護和停機時間的需求。這是一項技術。 非常節能且“更清潔” 關於環境方面。
體力勞動較少光纖電纜比銅纜束佔用空間小得多，所需的機架也更少，而且佈線更簡便。設計良好的分路器配置下，單一光纖最多可服務128個光網路終端（ONT）。
中長期總成本降低雖然 OLT 和 ONT 本身價格不菲，但由於減少了主動設備、機櫃和維護成本，與純乙太網路或 HFC 網路相比，總擁有成本 (TCO) 非常有競爭力。
服務種類繁多，服務品質高GPON 旨在承載 TDM 語音、乙太網路、ATM、幀中繼、視訊、CCTV、WiFi 等，並具有強大的 QoS 模型，可在需要時保證每個服務和用戶的最低頻寬。
進階遠端管理透過 OMCI 和 OAM，營運商無需踏入客戶的場所即可配置、監控和更新 ONT，從而大幅減少技術存取。
主要缺點和局限性
即使它有諸多優點，也存在一些問題。 各方面 部署GPON前需要注意以下幾個特性：
安裝過程精細且要求高。光纖操作需要非常精確的熔接、乾淨的連接器和控制好的彎曲半徑。熔接不良或連接器髒污都可能導致嚴重的訊號損失或間歇性中斷。
不同製造商的設備之間相容性有限雖然該標準定義了 OMCI 和其他方面， 不同廠商的OLT和ONT之間的實際互通性尚未達到完美狀態。許多業者會封鎖未經認證的光網路終端（ONT），強制使用者使用他們的設備。
初始基礎設施成本將光纖部署到家庭或企業，以及 OLT、PON 卡和 ONT，需要相當大的投資，尤其是在從零開始而不利用現有佈線的情況下。
操作符依賴性所有邏輯都位於營運商擁有的 OLT 中。最終用戶通常對選擇 ONT 或修改高級參數幾乎沒有控制權，這可能會給整合商或有特殊需求的公司帶來問題。
GPON 目前的常見用途
旗艦應用案例是住宅光纖到府： 將高速固定寬頻、電視甚至電話引入家庭都依賴同一光纖網路。這是西班牙、歐洲、美國和拉丁美洲大多數主要業者所採用的模式。
非常受歡迎 段：
住宅或飯店建築及綜合體單一基礎設施提供網路、IPTV、電話和攝影機服務。
校園和商業網絡在每個工作站或工作站群組上，以 OLT + 分線器 + ONT 方案取代三層乙太網路設計。
行動基地台回傳與市政網絡利用高容量和遠距離優勢，以極少的中間設備連接遠端節點。
GPON中的邏輯元件、安全性與先進技術
除了硬體之外，GPON 還依賴許多其他方面。 邏輯機制 管理使用者、確保品質、保護透過 PON 傳輸的資訊。
ONT 辨識、序號和 T-CONT
在 OLT 中，每個 ONT 都由一個標識符標識。 8字節序號前四位數字識別製造商，後四位數字標識特定設備。 OLT 隨後會指派一個內部 ONU-ID，並將其與 PON 卡上的一個實體連接埠關聯起來。
為了方便管理，該數字通常以 ASCII 碼（8 個字元）或十六進位數（16 位數）表示。 OLT 維護一個表格，該表格關聯序號、ONU-ID、服務設定檔、VLAN 等。這樣就可以控制支援哪些光網路終端以及授予它們哪些存取權限。
在流量方面，GPON 使用稱為傳輸容器的傳輸容器。 T-CONT（傳輸容器）將具有相似QoS要求的GEM流分組。 OLT根據每個T-CONT的類型（固定、保證、盡力而為等）為其分配頻寬和時隙。
DBA、FEC 和漏洞修復
如前所述，動態頻寬分配 (DBA) 允許 OLT 不斷調整上行通道的使用情況。 ONT 在其上行鏈路訊框中傳送狀態報告 (DBRu)。 指示有多少資料待處理，OLT 會在每個下行幀中重新計算分配。
為了提高穩健性，至少在下游方向上應用了前向糾錯（FEC）： 新增冗餘位，允許接收方糾正某些錯誤而無需請求重新傳輸。該標準規定了單向 FEC，因此沒有錯誤回饋，但在雜訊較大或接近極限高損耗的環境中，傳輸品質得到了極大的改善。
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由於下行流量的擴散特性，安全性至關重要。 GPON 採用 使用 AES-128 加密資料流 在 OLT 和每個 ONT 之間，雖然它們都接收到相同的幀，但只有合法的 ONT 才能解密它們。
金鑰交換過程通常如下：OLT 向 ONT 請求新金鑰，ONT 透過安全通道傳送金鑰，OLT 開始使用該金鑰進行加密； 它指示效果將在哪一格生效。這時 ONT 會更改其驗證金鑰，如果一切順利，加密將以透明的方式更新，不會對使用者造成影響。
線路加密的使用設計目的是為了 不要引入額外開銷或增加延遲整合到 GTC 幀結構本身並保持頻寬利用率。
保護和冗餘模式
該標準包含多個方面。 保護計劃 為了提高網路可用性：
A型只有饋線光纖需要二級鏈路保護。這不需要在OLT上增加額外的PON端口，但是… 它不涵蓋分路器和光網路終端之間的故障。.
B型OLT 具有兩個 GPON 連接埠（活動連接埠和保護連接埠），透過 2xN 分路器連接到同一個 ODN。從 OLT 到分路器的光纖以及 OLT 卡均受到保護，但是 分配部分或光網路終端（ONT）中不存在冗餘。.
C型為 OLT、ODN 和 ONT 提供全面保護，並配備兩個完全冗餘的客戶連結。可以是 1+1（流量由兩個 PON 永久複製）或 1:1（流量通過其中一個 PON，並在發生故障時自動切換）。 這是最貴的選擇，但可用性最高。.
GPON的演進：XG-PON、XGS-PON、NG-PON2及其他替代方案
GPON一直是FTTH領域的主流標準，並且仍在不斷發展，但頻寬需求卻持續成長。正因如此，ITU-T和業界一直在製定相關標準。 相容的新一代能夠共存於同一被動光纖中。
XG-PON（10G-PON）和 XGS-PON
XG-PON（定義於ITU-T G.987）是GPON向XG-PON的直接演進。 下載速度為 10 Gbit/s，上傳速度為 2,5 Gbit/s。它保持相似的分光比（高達 1:128），並共享大部分架構，使用不同的波長以避免干擾 GPON，從而使兩者能夠與 WDM 濾波器在同一 ODN 上共存。
XGS-PON (G.9807.1) 更進一步，並提供 10 Gbit/s 對稱 (10G/10G)對於需要對稱速度的企業、高強度遠距辦公、雲端遷移、8K內容或營運商服務而言，這尤其具有吸引力。此外，它還可與GPON共存，進而促進逐步遷移。
例如，在西班牙，Digi 或 Orange 等業者已經推出了基於 XGS-PON 的接取服務，標稱速度高達 10 Gbit/s。 用戶通常可以看到實際速度約為 8,5 Gbit/s。 由於客戶端介面的限制和協定開銷。
NG-PON2、TWDM-PON 和 25G PON
下一個變化是 NG-PON2 (G.989)，它結合了波長和時間復用 (TWDM)。 它允許最高 40 Gbit/s 的下行速率（例如，4 個 10G DWDM 通道）和每個通道最高 10 Gbit/s 的上行速率分割比例最高可達 1:256。
該標準不僅提供了更高的速度，而且 透過允許多個營運商共享同一被動基礎設施，從而提高靈活性。 使用不同的波長，這對於分解和批發模型來說非常有趣。
同時，其他一些提案也在研究之中，例如： 25G無源光網絡其目標是在單一波長上實現 25 Gbit/s 的速度，以及基於 TWDM-PON 的解決方案，這些解決方案將繼續最大限度地利用現有光纖。
WDM-PON 和其他點對點架構
另一種理念不同的替代方案是WDM-PON，它不使用TDMA共享光纖， 每個用戶都被分配一個專用波長。這在被動的物理拓撲結構上創建了一種邏輯上的點對點關係。
WDM-PON 提供非常高的頻寬和覆蓋範圍， 極佳的交通隔離 （每個用戶都有自己的光通道。）對於要求苛刻的商業環境來說，它非常有吸引力，儘管目前對於大規模住宅部署而言，它通常比 GPON/XGS-PON 更昂貴且標準化程度更低。
誰在使用GPON？它在FTTH網路中的未來發展前景如何？
自 2000 年代中期以來，大多數主要營運商都將 GPON 視為其下一代部署的重點。 Verizon、法國電信/Orange、西班牙電信以及許多拉丁美洲營運商 他們從試點計畫起步，如今這項技術已經普及到數百萬戶家庭。
在企業層面，人們觀察到： 製造商之間的互通性幾乎與價格同等重要。隨著標準的成熟，各方正在努力使一個提供者的 OLT 能夠管理其他提供者的 ONT，從而開放市場並降低成本，而 xDSL 技術已經實現了這一點。
如今，幾乎所有安裝在新住宅或商業場所的 FTTH 連接仍然基於 GPON，但明顯的趨勢是營運商將其骨幹網路和要求最高的客戶群體遷移到 XGS-PON 及更高世代。 利用整個被動部分（ODN）持續提供服務這一事實.
實際上，GPON 的基礎設施部署遠未達到完全攤銷成本，並將繼續提供服務多年。同時，新的 PON 技術無需重新鋪設溝槽或主幹線纜，即可在速度、品質和對稱性方面取得顯著提升。 鞏固光纖作為未來幾十年參考介質的地位.
固定連接的基礎整個生態系統使 GPON 及其演進成為當今固定連接的基礎：被動式架構、高容量、良好的能源效率和巨大的成長潛力相結合，使營運商、公司和最終用戶能夠享受傳統銅纜網路中無法想像的高品質和穩定性的語音、數據和視訊服務。
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