基于GPON 原理的城域傳送體系研究*

曹 暢 ，張永軍 ，張 杰 ，陳志云

（1.北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室（籌）北京100876；2.華為技術有限公司 深圳 518129）

1 引言

隨著我國3G網(wǎng)絡開通運營和LTE技術走向成熟，移動互聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡瀏覽、視頻播放、在線游戲等多種分組業(yè)務將導致網(wǎng)絡帶寬需求呈指數(shù)增長，網(wǎng)絡設備亟需擴容和升級，大大壓縮了營運商在城域接入側的利潤空間[1]。如何有效地促使網(wǎng)絡結構朝著少節(jié)點、大局所的方向簡化，降低設備投資和運營維護成本，同時還保證業(yè)務的電信級服務質量，是當前運營商所關注的問題[2]。

為了最大限度地保護現(xiàn)有投資，并適應分組業(yè)務持續(xù)增長的需要，多業(yè)務傳送平臺 （muti-service transfer platform,MSTP）技術得以迅速發(fā)展，并已成為城域網(wǎng)中的主流技術[3]。但是，MSTP技術由于沒有實時的動態(tài)帶寬調整機制，致使網(wǎng)絡帶寬利用率仍然較低，大帶寬的按需分配（bandwidth on demand,BOD）業(yè)務難以滿足[4]。因此，網(wǎng)絡研究人員為解決該問題進行了很多嘗試，就未來城域網(wǎng)的業(yè)務處理機制提出了兩種選擇[5～6]。第一種選擇是網(wǎng)絡（或子網(wǎng)）中各節(jié)點分別執(zhí)行本節(jié)點的業(yè)務調度策略，通過引入智能控制平面，對不同的業(yè)務進行快速的連接建立與拆除，其代表就是分組傳送網(wǎng) （packet transport network,PTN）技術[7]。這樣做的好處是當業(yè)務流量較為穩(wěn)定時降低了處理的復雜度，減少網(wǎng)絡開銷，所以較適用于城域核心側[8]。第二種選擇是網(wǎng)絡（或子網(wǎng)）中各節(jié)點定期上報各自業(yè)務的帶寬請求，通過全網(wǎng)惟一的帶寬計算單元來定期分配各個業(yè)務所使用的帶寬，這樣做的好處是網(wǎng)絡能夠對各節(jié)點業(yè)務的變化情況快速做出響應，所以較適用于城域邊緣側。就目前已提出的城域網(wǎng)技術而言，都還沒有就第二種選擇進行過嘗試。而在接入網(wǎng)中，吉比特無源光網(wǎng)絡（gigabit passive optical network,GPON）技術[9]通過 GPON封裝方法（GPON encapsulated mode,GEM）對業(yè)務混合封裝成幀，同時通過在OLT端的動態(tài)帶寬分配（dynamic bandwidth allocation,DBA）計算單元來決定每幀中不同節(jié)點上行業(yè)務所占比例，其良好的傳送特性已經(jīng)在實際應用中得到了充分體現(xiàn)。受此啟發(fā)，本文借鑒GPON中的DBA原理，將其各節(jié)點每幀上報帶寬請求，全網(wǎng)統(tǒng)一分配帶寬的特性應用于城域網(wǎng)中，提出基于GPON原理的城域傳送體系（GPON-based transmission hierarchy,GTH）。該體系使語音、分組等多種類型的上層業(yè)務得到統(tǒng)一適配，并引入不同類型業(yè)務動態(tài)共享信道帶寬，對帶寬進行集中控制，以降低業(yè)務傳輸?shù)膹碗s度，提高全網(wǎng)帶寬利用率，同時保證不同類型業(yè)務的服務質量。

2 GTH技術介紹

城域傳送技術GTH以速率恒定的數(shù)據(jù)幀傳輸為基礎，全網(wǎng)統(tǒng)一分配資源為顯著特征，其技術體系包括4大部分，分別是網(wǎng)絡運行流程、適配結構、網(wǎng)絡特性、DBA算法。前3個部分的技術目前已較為成熟，將在本節(jié)分別闡述。GTH中的DBA算法可以根據(jù)網(wǎng)絡業(yè)務、應用場景的需要進行有針對性的選擇，將在§3進行介紹。

2.1 GTH工作流程

GTH網(wǎng)絡通過不同大小的傳輸通道層數(shù)據(jù)幀（T-CONT）在各個節(jié)點的上下路來完成業(yè)務轉發(fā)，所有業(yè)務均承載在8 000幀/秒的GTH傳輸匯聚 （GTH transmission convergence,GTC）幀上。以環(huán)狀網(wǎng)絡拓撲為例，網(wǎng)絡運行過程如圖1所示，GTH網(wǎng)絡（或子網(wǎng)）中有一個節(jié)點作為主節(jié)點，其余節(jié)點為從節(jié)點，其中主節(jié)點設有DBA計算單元，負責對該環(huán)上每個GTH節(jié)點不同業(yè)務的帶寬集中計算與分配。GTH傳送網(wǎng)的動態(tài)帶寬分配基于T-CONT的數(shù)據(jù)幀結構傳輸數(shù)據(jù)，采用集中計算的方法，根據(jù)節(jié)點的實際業(yè)務流量控制節(jié)點的T-CONT的數(shù)量和長度來動態(tài)分配信道帶寬。GTH網(wǎng)絡的工作流程可分為如下的3個步驟。

(1)上行請求

各從節(jié)點每幀均在傳輸通道層T-CONT中上報本節(jié)點的帶寬請求信息(DBR)，如圖1所示，對于承載了n條業(yè)務的T-CONT，分別根據(jù)特定從節(jié)點業(yè)務緩存的情況，以字節(jié)為單位上報n個不同大小的帶寬請求。這里的Alloc ID就是不同業(yè)務的標識。

(2)下行分配

各個從節(jié)點通過速率為8 000幀/秒的GTC幀獲得DBA計算單元下發(fā)的帶寬分配指令。該指令存在于GTC的帶寬地圖中，這里各個業(yè)務在下一GTC幀中的位置已經(jīng)過全網(wǎng)的統(tǒng)一配置，例如，圖1中Alloc ID為1和2的業(yè)務分配帶寬均等于請求帶寬，而Alloc ID為3的業(yè)務則是分配帶寬小于請求帶寬。

（3）業(yè)務上下

當GTC幀到達各節(jié)點時，節(jié)點通過T-CONT的加入和移除完成業(yè)務在每幀的上下。下到支路板的T-CONT又將會進一步解封裝為不同的GEM業(yè)務，而上到線路板的T-CONT會進一步封裝成幀，之后各節(jié)點又將請求上行帶寬，以便進行下一幀的傳輸。

圖1 GTH網(wǎng)絡運行原理

2.2 GTH適配結構

GTH網(wǎng)絡的適配機制如圖2所示，在業(yè)務接口處，TDM、Eth等不同類型的業(yè)務，將映射到統(tǒng)一的業(yè)務適配層數(shù)據(jù)幀GEM，該幀結構與GPON中的GEM結構相同，也包括幀頭和數(shù)據(jù)區(qū)。而幀頭又包括凈荷長度（PLI）、業(yè)務標識 （Port ID）、幀 類 型 （PTI）、頭 校 驗 （CRC）4 個 字 段 。與GPON中GEM幀相區(qū)別的是，GTH中GEM幀的業(yè)務標識可存在于所在環(huán)上的任何節(jié)點，與業(yè)務的源、宿標識相綁定，一起給出一個業(yè)務在網(wǎng)絡中惟一的標識，從而可方便業(yè)務的調度，避免GPON體制中GEM幀僅用于接入層、點到多點的限制。

在業(yè)務通道層,將對業(yè)務適配層GEM幀進一步分類，將同一類型的業(yè)務適配層數(shù)據(jù)幀封裝成一個相同的通道層數(shù)據(jù)幀T-CONT。對于每個T-CONT，可以按照所承載的業(yè)務類型和優(yōu)先級相類似的條件設置為固定帶寬(fixed bandwidth，F(xiàn)B)、帶寬保證(assured bandwidth，AB)和盡力而為（best effort，BE）3個類型。其中FB類T-CONT主要承載TDM業(yè)務、SDH/SONRT業(yè)務、專線業(yè)務等對帶寬需求確定，并且有著很高時延和抖動要求的業(yè)務，采用固定分配帶寬的方式來保證傳輸不受其他業(yè)務的干擾。AB類T-CONT承載IPTV、VoIP等對帶寬需求量大，時延和抖動敏感的業(yè)務，采用確保分配帶寬的方式來保證其帶寬分配不小于某一閾值，并在業(yè)務突發(fā)時給予更多的帶寬支持。而剩下的Web瀏覽、E-mail等則可作為BE類T-CONT的承載業(yè)務進行處理，當網(wǎng)絡帶寬資源緊缺時適當減小這些業(yè)務的分配帶寬，以保證其他更高優(yōu)先級的業(yè)務。通道層數(shù)據(jù)幀包括通道層開銷和數(shù)據(jù)區(qū)。通道層開銷包括幀同步、通道標識和通道開銷。數(shù)據(jù)區(qū)里的多個GEM幀，是根據(jù)業(yè)務類型、優(yōu)先級和目的地址等原則來組成。

在傳輸匯聚層，通道層數(shù)據(jù)幀將進一步封裝為物理層數(shù)據(jù)幀。物理層數(shù)據(jù)幀包括數(shù)據(jù)區(qū)和物理層開銷區(qū)。其中，物理層數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)由多個通道層數(shù)據(jù)幀組成，數(shù)量和時隙位置由每一幀的帶寬分配情況獲得。物理層開銷包括物理層幀同步、物理層管理開銷、帶寬地圖指示等。其中帶寬地圖指示是動態(tài)帶寬分配模塊針對數(shù)據(jù)區(qū)里多個T-CONT，用來指示它們的起始位置和結束位置的信息，可以選擇以字節(jié)為時隙單位，下發(fā)到網(wǎng)絡各節(jié)點，方便調整各T-CONT的分配時隙，實現(xiàn)動態(tài)帶寬調整。之后，終結和再生所述物理層數(shù)據(jù)幀的開銷，即可實現(xiàn)物理層數(shù)據(jù)幀在光路上的傳輸。從GTH的處理轉發(fā)機制可以看出，各種上層業(yè)務在經(jīng)過GEM適配后，直接到通道層T-CONT，然后由通道層直接到線路，簡化了中間處理過程，從而大大降低了設備成本。

圖2 GTH網(wǎng)絡適配機制

2.3 GTH網(wǎng)絡特性

GTH網(wǎng)絡的OAM技術可參考SDH和MSTP實現(xiàn)?？赏ㄟ^在每個GTC幀中的物理層管理開銷中引入BIP校驗、信令通道、保護倒換協(xié)議字節(jié)、缺陷和性能指示等，方便網(wǎng)管主機對網(wǎng)絡各節(jié)點的通信和管理、保護和倒換、故障告警和傳送性能監(jiān)控。生存性方面，同樣支持環(huán)網(wǎng)保護，雙向1+1、1∶1等功能。通過引入不同特性的DBA算法，GTH技術能夠運用在環(huán)狀、格狀等多種網(wǎng)絡形式中?？紤]到當前城域網(wǎng)實際的架構，建議GTH的應用場景為城域網(wǎng)的邊緣，以環(huán)形組網(wǎng)為主，并支持多級環(huán)嵌套組網(wǎng)。從當前實際需求來看，所承載的業(yè)務主要是2G/3G網(wǎng)絡中的基站回傳業(yè)務[10]，即匯聚型業(yè)務。

3 DBA工作原理與算法

首先，網(wǎng)絡內各節(jié)點監(jiān)測本地待發(fā)送的T-CONT的實際帶寬需求；根據(jù)實際帶寬需求及設定的帶寬請求信息，一并通過帶寬請求信息傳輸通道按設定的周期發(fā)送給主節(jié)點中的DBA模塊。這里應注意帶寬請求信息發(fā)送周期由各節(jié)點統(tǒng)一協(xié)商或者由網(wǎng)管統(tǒng)一配置，保證各節(jié)點的發(fā)送周期一致。當DBA模塊獲得一個數(shù)據(jù)幀中所有T-CONT的帶寬請求信息后，根據(jù)設定的帶寬分配算法依照網(wǎng)絡現(xiàn)有的帶寬資源、各節(jié)點業(yè)務類型、優(yōu)先級等，進行判斷、仲裁和分配各T-CONT帶寬，即分配T-CONT的長度。之后，DBA模塊會將帶寬分配信息通過數(shù)據(jù)幀中傳送帶寬分配信息的子信道發(fā)送給多業(yè)務傳送網(wǎng)中的各節(jié)點。所述的帶寬分配信息包括T-CONT的編號和在數(shù)據(jù)幀中分配的起始和結束位置，即帶寬地圖，根據(jù)帶寬地圖即可得到分配的T-CONT的長度。

針對FB、AB和BE類業(yè)務的不同需要，GTH網(wǎng)絡中的DBA機制可以區(qū)別對待。對FB類T-CONT，每回請求和分配的帶寬都是一個固定值，可以通過外部網(wǎng)管系統(tǒng)來進行手工配置。對于AB和BE類T-CONT，事先在外部網(wǎng)管系統(tǒng)中配置每個業(yè)務所需帶寬的最大值 （PIR峰值）和最小值（CIR谷值），然后通過對各節(jié)點上行的T-CONT大小在峰值和谷值之間進行控制來完成動態(tài)DBA分配。就帶寬分配算法而言，可以在確保業(yè)務傳送質量的前提下根據(jù)實際網(wǎng)絡狀況進行選擇或自行設計。這里給出一種基于業(yè)務分類的帶寬分配算法，分為如下4個步驟。

（1）對所有節(jié)點每幀上報的帶寬請求進行歸類，若發(fā)現(xiàn)有FB類的帶寬請求，按照到達的先后順序依次進行帶寬分配，只要還有剩余帶寬的資源則按照FB類業(yè)務請求的大小進行足額分配。

（2）繼續(xù)察看AB類業(yè)務的帶寬請求，并進行排序，首先需要查看所剩帶寬是否充足，若剩余帶寬已不滿足所有業(yè)務谷值疊加后的需要，則對剩余帶寬進行均攤后分配。

（3）考慮剩下的BE類業(yè)務，同樣將業(yè)務按照先后次序進行排序，若帶寬充足則按需分配，否則將平均分配。

（4）將所有的帶寬分配信息寫入帶寬地圖中，并隨下一數(shù)據(jù)幀發(fā)送，同時完成對已分配帶寬、剩余帶寬以及算法響應時間和工作時間的統(tǒng)計。在實際設備中可以參照芯片計算能力設置20幀至40幀為一個周期，進行帶寬信息的更新。

4 仿真場景與結果分析

為了驗證GTH方案的可行性，并與MSTP的性能進行對比，利用仿真軟件OPNET Modeler搭建城域接入網(wǎng)的仿真平臺，如圖3所示。在本仿真方案中存在TDM和以太網(wǎng)兩種業(yè)務源各10個，共同接入二級環(huán)網(wǎng)，二級環(huán)網(wǎng)業(yè)務再匯聚至一級環(huán)網(wǎng)，其中TDM源的業(yè)務總量初始值為6 Mbit/s，每個以太網(wǎng)源均按照目前網(wǎng)絡的實際情況產(chǎn)生自相似業(yè)務，仿真中設置以太網(wǎng)源的總流量平均為7 Mbit/s，峰均比為2，即分組業(yè)務的峰值流量為14 Mbit/s。

如圖3所示，仿真以3G時代和LTE時代城域網(wǎng)承載基站回傳業(yè)務為背景，每個一級環(huán)網(wǎng)帶寬初始值為10 Gbit/s，擴容時以10 Gbit/s為單位進行遞增；二級環(huán)帶寬初始值為622 Mbit/s；擴容時以622 Mbit/s為單位進行擴充。每個小環(huán)均由10個Node B(基站)節(jié)點組成，每個從節(jié)點（N節(jié)點）帶6個子環(huán)，而在每個一級環(huán)網(wǎng)上又有6個從節(jié)點。TDM和以太網(wǎng)業(yè)務共同接入基站，每個基站接入的最大業(yè)務量由 20 Mbit/s開始以2 Mbit/s（VC-12）為單位逐級遞增。TDM業(yè)務與以太網(wǎng)業(yè)務兩者比例按照3G時代3∶7，LTE時代1∶9進行設置。這里將所有的TDM業(yè)務均設為FB類業(yè)務，給予最高優(yōu)先級，并且進行固定的帶寬分配。由于與TDM業(yè)務相比，以太網(wǎng)業(yè)務具有很強的突發(fā)性，而所有業(yè)務的傳送質量又必須有所保證，所以在MSTP方案中，需要按照預先設定的以太網(wǎng)業(yè)務峰值速率來為每個業(yè)務配置所需的帶寬；而在GTH方案中，則是通過配置每個以太網(wǎng)業(yè)務的峰值和谷值以及不同的優(yōu)先級（高等級業(yè)務設為AB，低等級為BE）來配置每次帶寬計算的參數(shù)。這里峰值依照該業(yè)務的峰值速率配置，谷值依照該業(yè)務平均速率的50%配置，設置當業(yè)務量不斷增加的過程中，若有某一條業(yè)務的丟包率超過1‰，則需要對網(wǎng)絡進行擴容。通過仿真，可以找到采用GTH方案與MSTP方案中一級環(huán)網(wǎng)的3個擴容點和二級環(huán)網(wǎng)的1個擴容點，對比之后如圖4所示。這里考慮目前城域設備的芯片運算能力和緩存容量，將DBA計算更新頻率設置為20幀，端口緩存大小為 10 Mbit。

圖3仿真場景示意

圖4 3G時代GTH與MSTP網(wǎng)絡擴容點示意

由圖4可以看出，GTH方案相比MSTP方案，在不同城域網(wǎng)業(yè)務量下的擴容點均有所提升，而且隨著業(yè)務量的不斷增加，這種優(yōu)勢會更加明顯，比如一級環(huán)在由第1次擴容到第3次擴容的過程中，GTH相比MSTP的效率提升由21.43%增長至33.33%。這是由于GTH采用動態(tài)帶寬分配的方式，能夠通過主節(jié)點的DBA計算單元來對全網(wǎng)不同分組業(yè)務突發(fā)時的帶寬請求進行綜合調配，使某一時刻突發(fā)度較高的AB業(yè)務能夠利用該時刻突發(fā)度較低的其他AB業(yè)務和BE業(yè)務的帶寬，以便于確保傳輸質量。隨著芯片的處理速度不斷提高，未來可以引入更加復雜的DBA算法，并縮短DBA分配的幀周期，使GTH網(wǎng)絡DBA技術的優(yōu)勢在更大程度上得以體現(xiàn)。

圖5 3G與LTE時代GTH網(wǎng)絡擴容點對比

設外部每個業(yè)務源的平均業(yè)務量不變，GTH擴容的丟包門限條件相同，轉而考慮未來LTE時代城域網(wǎng)的要求，將每個基站TDM和分組的業(yè)務比例調整成1∶9，通過仿真可以找到GTH網(wǎng)絡中兩級環(huán)網(wǎng)新的擴容點，與3G場景進行對比，如圖5所示。

由圖5中可以看出，隨著分組業(yè)務比例的繼續(xù)增加，GTH網(wǎng)絡充分利用了分組業(yè)務統(tǒng)計復用的特點，對不同時刻的分組業(yè)務傳輸帶寬進行動態(tài)的調配。與3G時代（細實線所示）相比，GTH網(wǎng)絡的擴容臨界點 （粗實線所示）又進一步推后，充分利用了已有網(wǎng)絡資源，保護運營商現(xiàn)有投資的優(yōu)勢相比3G時代更加明顯。

5 結束語

GTH傳送技術提供了一個統(tǒng)一的下一代城域網(wǎng)全業(yè)務傳送平臺解決方案,它的最根本目的是在降低傳送成本的前提下,為分組業(yè)務提供與電路業(yè)務同樣可用、高效與可管理的服務。通過分析和仿真，可以得出GTH技術具有較低的實現(xiàn)成本和較高的帶寬利用效率，同時還具備和GPON網(wǎng)絡靈活對接的能力，支持未來FTTx的發(fā)展。這些都說明可以在3G和LTE時代的城域網(wǎng)改造中對GTH進行大規(guī)模部署，更好地承載寬帶分組業(yè)務。

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