基于GPON的多業(yè)務(wù)承載系統(tǒng)研究

石振榮（上海貝爾股份有限公司，上海，201206）

0 引言

目前電信運營商寬帶接入網(wǎng)基本上是為WWW、Email等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計的，雖然能夠提供基于Web的視頻（如在線電視，視頻通信）等內(nèi)容，但距離真正的大規(guī)?！叭W(wǎng)融合”業(yè)務(wù)的運營仍存在較大差距，主要問題有：

● 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理；

●帶寬嚴重不足，不能支持高寬帶業(yè)務(wù)，特別是視頻類業(yè)務(wù)的運營能力；

●無法支持全程全網(wǎng)組播；

●缺乏基于DiffeServ的QoS保證；

解決或者改善上面這些問題，需要制定新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略以滿足IPTV和手機電視等新業(yè)務(wù)。加速基于GPON技術(shù)新型光網(wǎng)絡(luò)的部署是其中一種很有前途的發(fā)展策略。

1 GPON技術(shù)分析

PON（Passive Optical Network）又名無源光網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)起源于A/B PON，目前GPON系統(tǒng)中采用了WDM的方式，實現(xiàn)點到多點為特征的單纖雙向傳輸。

WDM（Wavelength Division Multiplexing） 即波分復用技術(shù)是利用多個激光器在單條光纖上同時發(fā)送多束不同波長激光的技術(shù)。每個信號經(jīng)過數(shù)據(jù)（文本、語音、視頻等）調(diào)制后都在它獨有的色帶內(nèi)傳輸。為了分離同一根光纖上多個用戶的雙向信號，GPON采用兩種復用技術(shù)（見圖1）：1)下行數(shù)據(jù)流采用廣播技術(shù)；2)上行數(shù)據(jù)采用TDMA技術(shù)。下行信號的技術(shù)特點是GPON OLT連續(xù)廣播發(fā)送，GPON ONU根據(jù)VPI/VCI（ATM）或者PTI（GEM）選擇性接收。上行信號的技術(shù)特點是分時突發(fā)發(fā)送，采用測距技術(shù)保證上行數(shù)據(jù)不發(fā)生沖突。

圖1 GPON數(shù)據(jù)復用

各光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）在上行方向上（從ONU到OLT）分時復用信道，適用多種帶寬，較為常用的速率是1.25Gbit/s，在下行方向上（從OLT到ONU）主流速率是2.5Gbit/s。GPON不僅在速率上有優(yōu)勢，其完備的組網(wǎng)能力是其在電信級的運營中也顯示出較強的生命力。如表1所示。

表1 GPON網(wǎng)絡(luò)性能表

與基于以太網(wǎng)的EPON技術(shù)相比，GPON的QoS和TDM傳輸能力對全網(wǎng)全業(yè)務(wù)的運行特別有利。同時，出色的OMCI管理是的運營商對終端用戶可以采用不同的服務(wù)方式，計費方式更加豐富。

基于GPON技術(shù)的組網(wǎng)方式有下列幾種：FTTH（Fiber To The Home），F(xiàn)TTB（Fiber To The Building）和FTTN（Fiber To The Node）。FTTH將光纖直接引入用戶家中，適合光纖入戶的新建住宅。FTTB是將主干光纖引入用戶樓或者商用樓內(nèi)，通過MDU（Multiple Dwelling Unit）將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（ADSL/VDSL）引入用戶家里，這里電纜長度一般為100m。FTTN是將光纖先引導至住宅小區(qū)附近，然后通過室外機柜內(nèi)的DSL設(shè)備將光信號轉(zhuǎn)換成DSL信號，送入住戶中，這里的電纜往往在500m左右。無論FTTH還是FTTN，其主要目的是盡量縮短電纜長度，增加光纖長度，最終提高信號的傳輸速率。

2 端到端的QoS保證方案

與EPON相比較，基于端到端的QoS是GPON接入網(wǎng)的強大功能之一。OLT可以在上行和下行兩個級別上實現(xiàn)基于用戶的業(yè)務(wù)級別的服務(wù)質(zhì)量保證。示意圖如圖2所示。

圖2 OLT上下行QoS機制示意圖

上行方向上，ONU在用戶側(cè)方向上通過靈活的業(yè)務(wù)流映射機制，實現(xiàn)各種入口業(yè)務(wù)流量的QoS標記，如p-bit，C-VLAN等。在上聯(lián)（GPON接口）方向，通過豐富的GPON硬件隊列資源對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)進行GEM封裝、映射和隊列調(diào)度，最終實現(xiàn)在GPON TC層面的高質(zhì)量業(yè)務(wù)承載和區(qū)分服務(wù)的保證。當業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進入線路板卡后，OLT將根據(jù)用戶的流量合同，在PON的層面上根據(jù)相應(yīng)的以太網(wǎng)流量合同進行GPON資源的調(diào)度和帶寬資源的調(diào)度，最終OLT將通過DBA進行帶寬分配，實現(xiàn)對以太網(wǎng)的帶寬保證和QoS保證。

下行方向上，OLT通過WRR和SP兩種方式對網(wǎng)絡(luò)側(cè)的流量進行調(diào)度，并根據(jù)MAC地址，IP地址和VLAN進行相應(yīng)的QoS優(yōu)先級處理，并將以太網(wǎng)業(yè)務(wù)流發(fā)往相應(yīng)的用戶板卡。線路板卡和ONU終端對GEM的業(yè)務(wù)進行封裝和解封裝，并根據(jù)流量合同和QoS定義將相應(yīng)的流量進行相應(yīng)的用戶端口的排隊和轉(zhuǎn)發(fā)。

3 多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)的QoS功能的實現(xiàn)

在給省電信用戶的方案中包括兩種模式，模式1：ONU直接連接用戶設(shè)備（見圖3），模式2：ONU通過家庭網(wǎng)關(guān)連接用戶終端設(shè)備兩種模式（見圖 4）。

圖3 模式1：ONU直接連接用戶終端設(shè)備

圖4 模式2：通過家庭網(wǎng)關(guān)連接用戶終端設(shè)備

上行端到端業(yè)務(wù)具體實現(xiàn)步驟如表2所示。

表2 上行端到端業(yè)務(wù)具體實現(xiàn)步驟

5 線路板卡的可配置隊列映射和調(diào)度線路板卡的上行方向有8個QoS隊列，對這些業(yè)務(wù)可采用SP或WRR機制。6 網(wǎng)絡(luò)板卡的可配置隊列映射和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)上行方向上有8個QoS隊列，對這些包進行調(diào)度可以是SP或者WRR機制。

上述6個步驟列舉了基于GPON接入網(wǎng)的上行業(yè)務(wù)流量的質(zhì)量保證功能。同樣，其下行業(yè)務(wù)流量與上行流量也類似。但也有不同的地方：

流量限速：在下行方向上ONU的速率限制特性是受到限制的，特別是單播流。

固定流映射：ONU可能會接收到超過它的出口所能支持的數(shù)據(jù)量。一個固定的數(shù)據(jù)緩沖被用來吸收任何突發(fā)數(shù)據(jù)，直到它們可以被傳送到用戶側(cè)。

4 系統(tǒng)仿真

對于用GPON承載的視頻采用輪播或單播方案為用戶提供視頻點播，GPON的用于視頻點播的帶寬1G，采用64QAM調(diào)制，一個頻點占用8MHz帶寬，每個頻點可擴展的帶寬為36Mbps，視頻流采用H.264編碼，每個視頻流所占的平均帶寬為1 Mbps左右，這里取一個頻點可傳輸25套節(jié)目，那么GPON可提供3200個信道；每個輪播節(jié)目占用的信道數(shù)為n，那么GPON最大可支持的輪播節(jié)目數(shù)K為500/n；

采用公式1來確定K值（K為整數(shù)且小于等于500/n）；設(shè)L=90分鐘，N=500，n=10；?=0.271。

圖5中表示出采用輪播方案的節(jié)目數(shù)K隨點播強度λ的變化情況。由圖中看出，當用戶的請求強度增大時，就會有更多的熱門節(jié)目，因為輪播可以用很少的信道數(shù)便可滿足對該節(jié)目的所有點播請求，所以能夠減少信道的占有率，從而降低了阻塞率。

圖5 節(jié)目數(shù)K隨點播強度λ的變化情況

另外從圖5中3條曲線的比較還可以看出，同樣的用戶請求強度下，節(jié)目數(shù)越多，使用輪播的節(jié)目數(shù)K減少，那么導致的結(jié)果是需要的并發(fā)信道就越多，這是因為節(jié)目數(shù)的增加意味著用戶請求將分布在更多的節(jié)目上，從而減少了信道共享的概率。

圖6是輪播節(jié)目數(shù)K按公式1隨點播強度的變化，并且考慮實際的情況下的單播和輪播相結(jié)合的分配方案，與傳統(tǒng)的單播和輪播相比的仿真圖。從圖中我們可以看出這種單播和輪播相結(jié)合的分配方案，可以明顯的降低總的并發(fā)信道數(shù)。圖中單播和輪播相結(jié)合的方案的帶寬消耗最終超過0.5×104Mbps，是因為本系統(tǒng)EPON提供的最大的輪播節(jié)目數(shù)K為3200/n，如果n取10的話，系統(tǒng)能夠提供的輪播節(jié)目數(shù)K最大是320，所以當K取值達到320時，如果用戶的點播強度增大，系統(tǒng)只能用單播方案來滿足用戶點播要求。

圖6 帶寬消耗隨點播強度變化的情況

5 系統(tǒng)應(yīng)用

近期三網(wǎng)融合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標是：

●大幅度提升20M接入的用戶比例，從目前的20%提升到50%；

●對城域網(wǎng)、承載網(wǎng)和接入網(wǎng)進行大面積改造：

●將IPTV業(yè)務(wù)接入認證方式有PPPoE改為IPoE認證；

奈達于1964年出版了專著 《翻譯科學探索》，此書是奈達翻譯思想中的一個重要里程碑。加以綜述可歸納為四個方面，其中第一即翻譯科學說：奈達認為翻譯不僅是一種藝術(shù)、一種技巧，還是一門科學。這里所謂的科學是指可以“采用處理語言結(jié)構(gòu)的科學途徑、語義分析途徑和信息論來處理翻譯問題（Nida etal,1969：vii）即采用一種語言學描述的方法來解釋翻譯過程”ii。大學英語也可以按照科學的方法進行翻譯，這樣譯出的譯本除了有的地方需要藝術(shù)處理幾乎與標準答案不謀而合?！安捎锰幚碚Z言結(jié)構(gòu)的途徑、語義分析途徑”，是非常關(guān)鍵的步驟指導。句式結(jié)構(gòu)語序有時需要進行適當?shù)谋匾恼{(diào)整，以直譯為主。

●組播復制點從BRAS逐步下移到接入網(wǎng)層面；

●進一步增強網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)措施；

新建的三網(wǎng)融合網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)要求是：

●滿足多種業(yè)務(wù)接入要求：在滿足原先固定接入業(yè)務(wù)后，同時兼容移動網(wǎng)絡(luò)的無線業(yè)務(wù)承載能力，需滿足如時鐘、時鐘同步等要求；

●支持業(yè)務(wù)傳送的品質(zhì)保障能力：接入網(wǎng)需要滿足每用戶每業(yè)務(wù)的QoS保障能力，同時具備層次化的QoS調(diào)度能力；

●保證多業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)安全性；

●網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備具有可擴展性；

●具備網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測能力；

●OLT支持IPoE組播復制能力：IPoE是解決組播效率的唯一方式，IPoE使得網(wǎng)關(guān)以下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠參與組播復制，提高網(wǎng)絡(luò)的承載效率，保證網(wǎng)絡(luò)的帶寬；

●支持多種網(wǎng)絡(luò)安全的管理手段；

新建GPON實驗網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如圖7所示。該GPON實驗網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)端是IP城域網(wǎng)和IP多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)。IP城域網(wǎng)承載的是互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)而IP多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)承載的是部分語音業(yè)務(wù)。GPON網(wǎng)絡(luò)組成接入網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過多個GE端口分別上聯(lián)到IP城域網(wǎng)和IP多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)。

圖7 GPON實驗網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

6 結(jié)論

本文描述了基于GPON技術(shù)的接入網(wǎng)和某個建設(shè)案例。GPON接入網(wǎng)是一種新型的接入網(wǎng)絡(luò)。其帶寬，QoS和網(wǎng)絡(luò)管理功能特別適合做承載多業(yè)務(wù)的接入網(wǎng)。利用GPON技術(shù)在視頻業(yè)務(wù)承載方面的優(yōu)點，通過合理的帶寬分配，最大限度的利用帶寬資源，為用戶提供更優(yōu)的業(yè)務(wù)服務(wù)。

[1]吉拉德. FTTxPON技術(shù)與測試[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[2]黃信禮.GPON網(wǎng)絡(luò)特點和應(yīng)用[J].電腦與電信,2010(08).

[3]王欣.GPON網(wǎng)絡(luò)中MAC層相關(guān)技術(shù)的研究及DBA算法的設(shè)計[D]. 北京:北京郵電大學,2000.

[4]王欣,郭昕.組播技術(shù)在GPON網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J/OL].(2008-09-30)http://www.cnii.com.cn/gtx/content/2008-09/30/content_724628.htm.

[5]沈開貴 GPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其安全性研究[J]. 科技資訊,2007(17).

[6]Haitian Lu，ChingTing Lee. Drectlymodulated CATV transmission systems using half split band and wavelength division multiplexing techniques[J]. IEEE Photon. Tecnol.Lett， 1998.10(11)：1653-1655

[7]Deming Liu，Baomin Hu，Hai Liu.Low-cost DWDM technology used for the Ethernet passive networ (EPOI)[J].Conference on Active and Passive Optical Components for WDM Communications，Jul 29-Aug1，2002：466-468