GPON+PTN技術(shù)在移動回傳網(wǎng)中的應(yīng)用研究

黃 寅 ，李廣成

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.烽火國際技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

電信業(yè)務(wù)分組化是業(yè)界主流的發(fā)展趨勢，在移動通信領(lǐng)域，如何實現(xiàn)高帶寬，豐富數(shù)據(jù)體驗的3G無線基站業(yè)務(wù)高效傳送，高QoS，安全承載和電信級監(jiān)控管理是當前必須考慮的重要問題。SDH作為電信級傳送技術(shù)擁有端到端管理、監(jiān)控、業(yè)務(wù)調(diào)度和保護等優(yōu)勢，但帶寬靜態(tài)分配是其中重大缺點。以太網(wǎng)的帶寬效率高、成本低，但存在帶寬沒有保證，監(jiān)控管理困難，缺乏完善的保護機制，無法傳遞始終等缺陷。今后的IP化基站傳送需要一種能夠高效傳遞分組業(yè)務(wù)，并提供電信級OAM和保護的分組傳送技術(shù)[1]。分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）技術(shù)繼承了SDH電信級網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)高效統(tǒng)計復(fù)用的優(yōu)點，以分組的內(nèi)核實現(xiàn)端到端業(yè)務(wù)調(diào)度、監(jiān)控保護、QoS保證等類似SDH的電信級性能。PTN具有面向連接的特征，相比于面向無連接、盡力而為的IP RAN技術(shù)，PTN能夠提供更可靠的語言通信服務(wù)，是未來承載3G基站回傳的較好選擇。

隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，移動業(yè)務(wù)對運營商在室內(nèi)覆蓋方面也提出了更多的要求。根據(jù)日本運營商的統(tǒng)計，在該國3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，室內(nèi)的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占全部業(yè)務(wù)的70%以上。專家預(yù)測，在未來占總覆蓋區(qū)域20%的室內(nèi)區(qū)域?qū)l(fā)生90%的業(yè)務(wù)量。在這種情況下，傳統(tǒng)的傳送手段已難以滿足深度的覆蓋要求。

利用GPON技術(shù)的多業(yè)務(wù)承載能力，F(xiàn)TTx網(wǎng)絡(luò)可以用來作為移動承載網(wǎng)的最后幾公里，以替代昂貴的PTN設(shè)備。利用單光纖伸入接入基站，靈活接入光纖到戶網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的移動基站，能節(jié)省運營商的光纖資源，有效降低運營商的建網(wǎng)及運營成本[2]。特別是FTTx接入網(wǎng)絡(luò)在線路部分全部采用無源設(shè)備，能大大降低線路施工部署的難度，而且終端ONU體積很小，適用于建筑密集地區(qū)的基站接入。因此在未來的3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，GPON+PTN將是一個合適的發(fā)展方向。

1 GPON接入技術(shù)簡介

目前主流的FTTx接入技術(shù)有EPON和GPON兩種。其中，GPON在傳輸速率、分光比、帶寬效率等方面都要優(yōu)于EPON，是大多數(shù)運營商的選擇。

GPON接入技術(shù)具有高帶寬、多業(yè)務(wù)、低成本以及部署方便等優(yōu)點。將GPON技術(shù)應(yīng)用于移動回傳網(wǎng)絡(luò)的引入層，發(fā)揮其全業(yè)務(wù)接入的特點，在承載移動回傳業(yè)務(wù)的同時，也為家庭用戶提供語音電話、寬帶連接和CATV接入，將移動回傳網(wǎng)、固定電話網(wǎng)、寬帶接入網(wǎng)、有線電視網(wǎng)融合，實現(xiàn)真正的三網(wǎng)合一，從而大大降低網(wǎng)絡(luò)整體的擁有成本和維護費用。

GPON可以通過光纖將多個基站、微基站或家庭基站的數(shù)據(jù)匯聚到一起，再上聯(lián)到接入層。圖1為GPON無線接入網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。局端的OLT與城域網(wǎng)的接入層設(shè)備連接，遠端的ONU連接移動基站（BS）或市內(nèi)的家庭基站，OLT和ONU之間的ODN由無源光分路器POS和光纜構(gòu)成。目前OLT側(cè)的每個GPON接口可以通過最大1∶64的分路比連接64個終端設(shè)備，而且傳輸距離可以達到20 km，足夠滿足城市中高層建筑的深度覆蓋。

圖1 GPON無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，GPON信號的下行采用廣播方式。無源的分路器不對下行GPON幀進行處理，而是將其以廣播方式發(fā)送至每個ONU處。

圖2 下行方向傳輸方式

GPON的上行方向采用時分復(fù)用方式。在OLT通過特定的算法，給每個ONU分配一個單獨的時隙，每個ONU只能在分配到的時隙內(nèi)上傳，這樣防止了各ONU的數(shù)據(jù)在POS匯聚時產(chǎn)生沖突。如圖3所示。

圖3 上行方向傳輸方式

2 GPON基站回傳技術(shù)的前景

家庭基站（Femto Cell）是一種毫微微蜂窩基站，主要面向住宅或企業(yè)環(huán)境。它使用IP協(xié)議，通過現(xiàn)有的寬帶網(wǎng)絡(luò)（如xDSL或FTTx）接入，遠端由專用的網(wǎng)關(guān)通道移動網(wǎng)絡(luò)連接。它的大小通常與ADSL Moderm相似，安裝方便，能支持自動配置、自動網(wǎng)規(guī)、即插即用等操作。有的Femto Cell還能支持PoE，直接使用以太網(wǎng)線供電。家庭基站有適用CDMA，GSM，UMTS，TD-SCDMA等各種標準和支持2G，2.5G，3G的產(chǎn)品，與室外基站的制式和頻段相同，各種手機和移動終端可以通用。家庭基站只有一個載波，發(fā)射功率為10～100 mW，覆蓋面積為100～200 m2，支持4～6個活動用戶，支持的運動速度為10 km/h。

調(diào)查顯示，歐洲20%～40%的移動電話通話發(fā)生在室內(nèi)，美國為40%～50%，在中國則是60%，用戶在室內(nèi)完全可以不用手機，可采用WiFi等非常便宜甚至是免費的通信手段，如果手機運營商不提供一個室內(nèi)通話的經(jīng)濟方式，可能會喪失幾乎一半的市場[3]。這迫使運營商通過家庭基站減少網(wǎng)絡(luò)負載和可替換回程路由，提供更好的室內(nèi)覆蓋，并降低成本，而無須WiFi/蜂窩雙模手機。未來運營商在城市中將對家庭基站進行大量部署。

GPON技術(shù)不僅僅只適用于家庭基站的接入，同樣適合普通基站和其他無線設(shè)備的接入。未來的城市中將遍布各種無線設(shè)備，無線網(wǎng)絡(luò)將采用垂直分層的體系架構(gòu)。從城市上層的普通基站到中層的家庭基站，再到底層的無線WiFi設(shè)備，對所有的節(jié)點都使用純PTN上聯(lián)成本將十分高昂，而且存在機房空間、線路施工等各種困難。用以取代xDSL的GPON技術(shù)以其成本低廉、部署方便等優(yōu)點，能高效、可靠地提供各種節(jié)點的接入回傳，在城市深度覆蓋方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

3 GPON+PTN的組網(wǎng)方式

目前，國內(nèi)TD-SCDMA建設(shè)主要使用的是純PTN上聯(lián)方式，基站通過FE口直接與PTN環(huán)網(wǎng)節(jié)點相連接。而GPON作為基站回傳方式與PTN的基站回傳方式屬于一種相互補充。在微基站回傳和城市深度覆蓋方面，GPTN+GPON的方案為純PTN組網(wǎng)實現(xiàn)基站回傳功能的一個有力補充，甚至成為未來的主流應(yīng)用。

由于現(xiàn)有的2G承載網(wǎng)絡(luò)大多還是基于SDH/MSTP，因此光局端機（OLT）還需要支持TDM接口上聯(lián)。在未來GPON+PTN回傳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，OLT的上聯(lián)方式主要有TDM/IP雙平面上聯(lián)和純IP上聯(lián)兩種。

3.1 TDM/IP雙平面上聯(lián)組網(wǎng)

如圖4所示，在這種組網(wǎng)方式中，OLT及其ONU需要支持SDH/GE的MSTP和TDM/IP雙平面，BTS/Node B的E1（可能是多個），F(xiàn)E端口都接入ONU，PON口提供BTS/Node B的TDM、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載。而OLT上行的3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過GE業(yè)務(wù)接入PTN網(wǎng)絡(luò)，TDM語音業(yè)務(wù)、OAM等通過STM-1接口接入SDH傳輸網(wǎng)。

圖4 TDM/IP雙平面上聯(lián)組網(wǎng)

這種組網(wǎng)方式采用SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸語音業(yè)務(wù)，能滿足語音業(yè)務(wù)高質(zhì)量、高可靠性的要求，同時也能滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)長期發(fā)展的需要。但OLT上行需要SDH和PTN兩張網(wǎng)絡(luò)同時承載，相對成本較高，適合已經(jīng)建設(shè)了2G/2.5G網(wǎng)絡(luò)，但是需要大幅提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載能力的地區(qū)，或者是2G/3G共存網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[4]。

3.2 全IP組網(wǎng)

如圖5所示，在這種組網(wǎng)方式中，BTS/Node B的E1（可能是多個），F(xiàn)E端口都接入ONU，PON提供BTS/Node B的TDM、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載。而OLT上行業(yè)務(wù)則統(tǒng)一使用GE/10GE端口全部接入PTN承載網(wǎng)。需要在BSC/RNC側(cè)設(shè)置PWG網(wǎng)關(guān)，BTS/RNC之間全部由IP網(wǎng)絡(luò)承載，TDM語音業(yè)務(wù)采用CES偽線仿真技術(shù)通過IP包承載。

圖5 全IP組網(wǎng)

這種方式所有業(yè)務(wù)統(tǒng)一使用IP網(wǎng)絡(luò)承載，具有很強的可擴展性。但是TDM業(yè)務(wù)采用CES偽線仿真機制，這對于PTN設(shè)備和OLT設(shè)備的三層交換功能提出更高的要求，適合于新建的3G網(wǎng)絡(luò)，并且數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)發(fā)展成熟。

3.3 時間方案

根據(jù)OLT時間獲取方式，GPON+PTN的時間方案可分為全網(wǎng)1588時鐘同步和本地GPS時鐘同步兩種應(yīng)用場景[5]。

3.3.1 全網(wǎng)1588時鐘獲取方式

全網(wǎng)1588時鐘獲取方式需要通過城域網(wǎng)引入1588V2時間源，從中提取時間信息，并通過GPON線路傳遞到ONU設(shè)備，ONU設(shè)備再通過GE/FE的1588V2傳遞給基站，如圖6所示。這種方式需要城域網(wǎng)設(shè)備都支持1588V2協(xié)議，不然很難達到時間精度要求。

圖6 全網(wǎng)1588時鐘獲取方式

3.3.2 本地GPS時鐘同步

本地GPS時鐘獲取方式需要在OLT機房安裝GPS接收機，通過1PPS+ToD接口給OLT設(shè)備提供時間信息。如圖7所示。

圖7 本地GPS時鐘獲取方式

根據(jù)ONU與基站連接方式，可分為TDM電路、分路和純IP共3種場景。

1）基站同步時鐘從E1/T1線路獲取，一般宏蜂窩基站采取上述組網(wǎng)方式，如圖8所示。

圖8 基站從E1/T1線路獲取時鐘

2）PON承載TD室外分站時，推薦組網(wǎng)如圖9所示，基站與ONU設(shè)備同時通過E1和以太網(wǎng)連接，這時同步時鐘仍然可以從E1/T1線路中提取。

圖9 雙上聯(lián)時基站從TDM線路獲取時鐘

3）當GPON承載Femto終端時，由于Femto站點位于終端用戶室內(nèi)，不方便安裝GPS接收機，可以通過1588V2在ONU和Femto站點間同步時間信息，如圖10所示。

3.4 應(yīng)用案例

目前GPON+PTN的移動回傳方案在某些國家和地區(qū)已經(jīng)開始商用。

圖10 通過1588V2同步時間信息

圖11是中東地區(qū)運營的GPON回傳網(wǎng)絡(luò)實例。在傳輸層面，使用PTN設(shè)備構(gòu)建城域傳輸網(wǎng)絡(luò)。在接入層，GPON作為全業(yè)務(wù)接入設(shè)備，在提供普通移動基站和各種微型基站接入業(yè)務(wù)的同時，也為家庭和企業(yè)用戶提供語音、數(shù)據(jù)、CATV三網(wǎng)合一的接入服務(wù)，這種應(yīng)用極大減少了設(shè)備種類，能夠節(jié)約大量的設(shè)備成本、施工成本和后期的維護成本。

圖11 阿聯(lián)酋GPON基站回傳網(wǎng)絡(luò)模型

4 小結(jié)

PTN和GPON在傳輸和接入方面都是非常優(yōu)秀的技術(shù)，各種標準已經(jīng)十分成熟，都開始了大規(guī)模的建設(shè)。但是兩者的融合還處在發(fā)展階段，標準上還需要進一步的完善，離運營商廣泛接受還有一定的時間。隨著FTTx接入網(wǎng)絡(luò)逐步取代xDSL以及家庭基站技術(shù)的成熟，相信GPON+PTN網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署的日子已經(jīng)不再遙遠。

[1]Gigabit-capable passive optical networks（GPON）[EB/OL].[2010-12-07].http：//www.doc88.com/p-10753624607.html.

[2]龔倩，徐榮，李允博，等.分組傳送網(wǎng)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]楊武，孫鵬.PON支撐移動網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進[EB/OL].[2010-12-07].http：//www.docin.com/p-69199451.html.

[4]FATHALLAH H，LESLIE A R.Network management solution for PS/PON，WDM/PON and hybridPS/WDM/PON using DS-OCDM[EB/OL].[2010-12-07].http：//uwb.gel.ulaval.ca/en/events/Network%20 Management%20Solution%20for%20PS_PON，%20WDM_PON%20and%20Hybrid%20PS_WDM_PON%20using%20DS-OCDM.pdf.

[5]胡衛(wèi)，張屆新，馬鈺璐.PTN在3G傳送網(wǎng)中的應(yīng)用研究[EB/OL].[2010-12-07].http：//www.cww.net.cn/cwwMag/html/2009/4/7/20094 71541347103.htm.