GPON技術(shù)在船舶通信網(wǎng)上的應(yīng)用

丁 廣，張建飛，許玲玲，余 坤

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

GPON技術(shù)在船舶通信網(wǎng)上的應(yīng)用

丁 廣，張建飛，許玲玲，余 坤

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

介紹了GPON技術(shù)以及其系統(tǒng)構(gòu)成，對其特點進(jìn)行分析，對GPON技術(shù)在船舶上的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計，分析GPON技術(shù)在船舶應(yīng)用的難點進(jìn)行，并提出相應(yīng)的解決措施。實踐證明，GPON技術(shù)在船舶的應(yīng)用可以進(jìn)一步簡化船舶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高接入效率，從而推動船舶光通信網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

無源光網(wǎng)絡(luò)；光線路終端；光網(wǎng)絡(luò)單元；光分配網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

通常較大型船舶都建有自己的船內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。船內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)一般包括內(nèi)部辦公網(wǎng)和船舶公共信息IP網(wǎng)2個相互物理隔離的承載網(wǎng)絡(luò)。

船內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)隨著用戶數(shù)越來越多以及對帶寬要求越來越高，原來網(wǎng)絡(luò)已不能很好的滿足需求。如復(fù)雜度逐漸增長，網(wǎng)絡(luò)必須能為不同的業(yè)務(wù)提供有差別化的傳輸服務(wù)和信息安全服務(wù)，這使得網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度成指數(shù)提高；網(wǎng)絡(luò)信息的融合使得網(wǎng)絡(luò)的安全架構(gòu)呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)模式不同的特點，日益增多的信息鉸鏈?zhǔn)沟冒踩珕栴}不斷遇到新的挑戰(zhàn)。對于以上問題，一個解決的方案就是采用GPON技術(shù)對現(xiàn)有船內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，提高船內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)通信能力。

1 GPON技術(shù)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

GPON技術(shù)是基于ITU-TG.984.x標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無源光綜合接入標(biāo)準(zhǔn)[1]。GPON技術(shù)在2002年9月提出，2003年3月完成了ITU-T G.984.1[2]和G.984.2[3]的制定，2004年2月完成了G.984.3[4]的標(biāo)準(zhǔn)化，從而最終形成了GPON標(biāo)準(zhǔn)族[4]。GPON是一種無源被動式光纖網(wǎng)，上行速率為1 244.16 Mb/s，下行速率可達(dá)2 488.32 Mb/s，傳輸距離約為30 km，具有帶寬高、網(wǎng)速快的優(yōu)勢，是實現(xiàn)接入網(wǎng)業(yè)務(wù)的最佳技術(shù)[5]。GPON網(wǎng)絡(luò)通過點到多點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過時分復(fù)用（TDM）的方式，數(shù)據(jù)組成復(fù)幀通過光纖廣播到ONU，光分路器把從光纖支路輸入的光信號按功率均分到對應(yīng)的輸出用戶線光纖上，通常有1:16，1:32或1:64等分配比，GPON能達(dá)到的最大分路比為1:128。

GPON系統(tǒng)通常由光線路終端（OLT）、光配線網(wǎng)絡(luò)（ODN）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和GPON管理系統(tǒng)4個部分組成。OLT部署在匯聚網(wǎng)絡(luò)端，向ODN提供1.244 Gb/s或2.488 Gb/s的光接口。ODN配置在ONU和OLT之間，是一個連接OLT和ONU的無源設(shè)備，其作用是分發(fā)下行數(shù)據(jù)和集中上行數(shù)據(jù)。ONU則位于用戶側(cè)，提供業(yè)務(wù)流的接入，由OLT集中控制。GPON管理系統(tǒng)進(jìn)行帶寬分配、控制光分配網(wǎng)絡(luò)和實時監(jiān)控管理GPON系統(tǒng)。

1.2 技術(shù)特性

2）幀結(jié)構(gòu)由GEM提供封裝，并實現(xiàn)對它業(yè)務(wù)映射，不需通過協(xié)議轉(zhuǎn)化，從而節(jié)約了大量寬帶資源。

3）單根光纜纖芯就能夠完成用戶業(yè)務(wù)接入，有利于節(jié)省干線資源。

4）采用無源分光器，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。

5）對不同的業(yè)務(wù)，只要建立一個接入網(wǎng)，節(jié)約了大量建設(shè)維護(hù)成本。

2 船內(nèi)GPON通信網(wǎng)設(shè)計

2.1 船舶GPON系統(tǒng)硬件架構(gòu)

船舶船內(nèi)辦公網(wǎng)和公共信息網(wǎng)采用無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）技術(shù)構(gòu)建，承載辦公信息和公共服務(wù)信息，借助滿足信息安全保密要求的高速復(fù)分接設(shè)備和衛(wèi)星通信分系統(tǒng)分別與陸地站進(jìn)行信息傳輸與交換。

IP網(wǎng)采用GPON技術(shù)實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的接入，采用3層交換機實現(xiàn)船內(nèi)用戶信息的交換，采用路由器實現(xiàn)岸船信息傳輸，構(gòu)成了路由匯聚層、無源光配層和接入層的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。路由匯聚層由路由器、匯聚交換機和OLT組成，路由器部署于衛(wèi)通機房，匯聚交換機和OLT部署于通信控制室；無源光配層由光配線架和ODN組成，分別部署于各節(jié)點艙室；接入層由部署于各艙室的ONU和MDU組成。

(3)獨特的地域區(qū)位有助于打造特色專創(chuàng)師資團隊。廣西是少數(shù)民族集聚的省份之一，有著豐富的民族特色資源可供開發(fā)。2003年，中國-東盟建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，南寧成為中國-東盟博覽會永久舉辦地，歷經(jīng)15年的發(fā)展，“共建21世紀(jì)海上絲綢之路，構(gòu)建中國-東盟創(chuàng)新共同體”成為新的活動主題，東博會已形成進(jìn)出口相結(jié)合、投引資相結(jié)合、商品與服務(wù)貿(mào)易相結(jié)合、展會結(jié)合、經(jīng)貿(mào)盛會與外交舞臺共舞以及經(jīng)貿(mào)活動與文化交流相結(jié)合的特色。東博會的發(fā)展提供了更多的國際市場營銷、國際物流、國際貿(mào)易等市場機會，為就業(yè)創(chuàng)業(yè)提供了更豐富的崗位，也為特色的專創(chuàng)師資團隊打造指明了方向。

圖 1 船舶GPON系統(tǒng)硬件架構(gòu)原理圖Fig. 1 Hardware structure principle diagram of the GPON system on ship

路由匯聚層由IP網(wǎng)的光線路終端、路由器和匯聚交換機設(shè)備組成。無源光配層由光分配單元、光配線架組成。為了保證每個艙室保證帶寬達(dá)到100 Mb/s，光分配單元采用1:8分光比設(shè)計，每個PON口下行帶寬為1.25 Gb/s，1:8的分光比可平均分配給每個艙室150 Mb/s（即1.25 Gb/s/8）的保證帶寬。光配線架完成光纜、光纖之間的轉(zhuǎn)換，保障光纖傳輸介質(zhì)在穿艙時的安全可靠性。

用戶接入層由光網(wǎng)絡(luò)單元和光纜轉(zhuǎn)接單元組成。為了簡化艙室布局，光網(wǎng)絡(luò)單元和光纜轉(zhuǎn)接單元放置于用戶終端盒內(nèi)，為了滿足IP網(wǎng)靈活分布的特點，使IP網(wǎng)的終端接入單元安裝在全船所有的艙室內(nèi)，可根據(jù)需要靈活選擇需要部署IP網(wǎng)的艙室。

2.2 GPON組播設(shè)計實現(xiàn)

組播業(yè)務(wù)在船舶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中占大多數(shù)。組播通常分集中式組播和分布式組播[7]。集中式組播在OLT的主控板SCUx上實現(xiàn)所有的組播控制，由SCUx通過高層協(xié)議將業(yè)務(wù)單板和ONT的組播轉(zhuǎn)發(fā)表項下發(fā)，較早的版本如V8R5CX2采用集中式組播。分布式組播用戶和節(jié)目鑒權(quán)則是在單板GPBC上實現(xiàn)，主控板SCUL僅對License鑒權(quán)，減輕了主控板負(fù)擔(dān)，當(dāng)前主流版本V8R5CX3中GPBC已經(jīng)實現(xiàn)分布式組播，但其他單板還使用集中式組播，V8R6版本和以后版本業(yè)務(wù)板將全采用分布式組播。

分布式組播是指產(chǎn)品上組播特性采用分布式架構(gòu)實現(xiàn)，主要分為公共、主控板、單板軟件3部分。目前OLT產(chǎn)品V8R6CX2版本中只有GPON單板和8EPON的EPON單板實現(xiàn)了分布式組播即這2種類型的用戶板上的組播用戶為分布式組播用戶，其他單板都是屬于集中式組播用戶。分布式組播原理如圖2所示[8]。

圖 2 分布式組播原理圖Fig. 2 Principle diagram of distributed multicast

如圖所示，OLT設(shè)備使用分布式方式運行IGMP Proxy（或IGMP Snooping）。分布式組播的基本思路是：主控板和業(yè)務(wù)板的關(guān)系類似2臺組播設(shè)備對接，主控板的組播處理模塊承擔(dān)組播路由器角色，業(yè)務(wù)板承擔(dān)組播成員角色，業(yè)務(wù)板相對于組播點播客戶端講是OLT接入處理設(shè)備。分布式組播的目的是為了提高主控板CPU的使用效率（消息處理主要在單板完成），加快組播協(xié)議處理的響應(yīng)速度（除第1個上線用戶外減少了消息到主控板處理的一環(huán)）。

下面從用戶、單板、主控板、組播服務(wù)器4個邏輯對象來分析組播上線流程：

由ONU側(cè)發(fā)出的IGMP report報文，先送到GPBC業(yè)務(wù)單板，然后GPBC單板將報文送給單板的BTV模塊處理，在BTV模塊上完成可控組播鑒權(quán)，如該單板上是節(jié)目的第1個report報文，則切換為組播vlan向主控板轉(zhuǎn)發(fā)report報文，并產(chǎn)生單板組播轉(zhuǎn)發(fā)表項；report報文到達(dá)主控板SCUx后，如為IGMP snoopy，則由主控板生成組播轉(zhuǎn)發(fā)表項，并返回一個確認(rèn)消息，同時主控板向上級網(wǎng)絡(luò)發(fā)送report報文；GPBC單板收到主控板發(fā)確認(rèn)信息后，更新單板組播轉(zhuǎn)發(fā)表項并下發(fā)給ONU；由于ONU，GPBC，SCUx都有組播轉(zhuǎn)發(fā)表項，接著按照轉(zhuǎn)發(fā)表項進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)即可。

如果IGMP mode為proxy，則在主控板重新構(gòu)造組播report報文，切換源IP（原則：MVLAN有3層接口則切換為該IP，否則按照配置中的Source IP進(jìn)行切換，兩者均沒有時切換為帶外網(wǎng)扣口的管理IP）。

在分布式組播中，所有的配置都是下發(fā)到SCUx后，SCUx再同步到每一塊GPBC單板上生效，主控板僅僅起到透傳的作用，這里與集中式組播在常用操作中的一個重要區(qū)別是：display IGMP user on-line集中式組播實現(xiàn)online在線的條件是report報文到達(dá)主控板并且認(rèn)證通過。

圖 3 ODN分纖盒走纖圖Fig. 3 The route diagram of the ODN distributed fiber box

2.3 船舶ODN盒安裝設(shè)計

通常船舶通信網(wǎng)絡(luò)同時含有內(nèi)部辦公網(wǎng)和公共信息網(wǎng)，安裝方式比較特殊。本方案ODN盒安裝方式為穿墻安裝，墻面固定。如圖3所示。殼體通過四邊自攻螺固定在外墻板面，光纖在墻體夾層中走線，在外墻板面及底殼開口并進(jìn)入殼體；機房來的1根光纜（至少18芯）由A區(qū)進(jìn)入ODN分纖盒，去除防護(hù)層，熔接成FC頭，內(nèi)部辦公網(wǎng)、公共信息網(wǎng)各1芯，8組光纖（收、發(fā)共16芯），再通過夾緊塊固定，盒內(nèi)多余的光纖在盤纖1區(qū)進(jìn)行盤纖；內(nèi)部辦公網(wǎng)、公共信息網(wǎng)的FC頭在FC法蘭1區(qū)對接，分別進(jìn)入1:8分光器，各擴充為8根，在盤纖1區(qū)盤纖，后由上方接入FC法蘭2區(qū)的法蘭盤，XXX網(wǎng)16芯光纖經(jīng)盤纖1區(qū)盤纖后，直接接入FC法蘭2區(qū)的法蘭盤；用戶來的8根光纜由B區(qū)進(jìn)行分纖盒，第4根芯，分別對應(yīng)內(nèi)部辦公網(wǎng)、公共信息網(wǎng)的收與發(fā)，去除防護(hù)層，熔接成FC頭，通過夾緊塊固定，在盤纖2區(qū)盤纖，后由下方接入FC法蘭2區(qū)法蘭盤。

3 船舶GPON系統(tǒng)業(yè)務(wù)實現(xiàn)

船內(nèi)辦公I(xiàn)P網(wǎng)和公共信息IP網(wǎng)實現(xiàn)的業(yè)務(wù)包括：VoIP業(yè)務(wù)、IPTV業(yè)務(wù)和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。各個業(yè)務(wù)通過GPON終端（用戶終端盒）和多用戶數(shù)據(jù)單元MDU接入業(yè)務(wù)承載網(wǎng)。

3.1 電話業(yè)務(wù)實現(xiàn)方式

電話業(yè)務(wù)通過GPON終端（用戶終端盒）和多用戶數(shù)據(jù)單元MDU接入業(yè)務(wù)承載網(wǎng)，為用戶提供VoIP語音業(yè)務(wù)。用戶可直接利用現(xiàn)在話機迅速開展語音業(yè)務(wù)，不需要增加額外投資。通過IP承載話音數(shù)據(jù)，極大地降低成本且通話質(zhì)量基本不受影響?；贗P網(wǎng)絡(luò)，能提供比傳統(tǒng)PSTN網(wǎng)絡(luò)更強大的業(yè)務(wù)功能和更豐富的用戶體驗。

ONU支持的語音協(xié)議有H.248和SIP，但同一時間只支持一種，可以在ONU上通過命令查詢當(dāng)前支持的語音協(xié)議，設(shè)置完成后，需要保存配置并重新啟動系統(tǒng)，配置的協(xié)議類型才能生效。

對于電話業(yè)務(wù)每個終端分配0.1 Mbit/s的數(shù)據(jù)帶寬即可保證業(yè)務(wù)正常運行。可以采用固定帶寬或保證帶寬方式，保證電話業(yè)務(wù)的高服務(wù)優(yōu)先級。

3.2 電視業(yè)務(wù)實現(xiàn)方式

電視業(yè)務(wù)通過GPON終端（用戶終端盒）和多用戶數(shù)據(jù)單元MDU接入業(yè)務(wù)承載網(wǎng)，為用戶提供IPTV視頻業(yè)務(wù)。電視業(yè)務(wù)部分可采用組播模式。

用戶機頂盒通過FE接入到ONU，ONU接入OLT至上層網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)。IPTV業(yè)務(wù)可以采用最大帶寬方式保證，上下行流量控制不限速。組播節(jié)目采用靜態(tài)配置方式。

按照估算每個GPON終端（用戶終端盒）連接1臺電視機分配10 Mbit/s的數(shù)據(jù)帶寬即可滿足設(shè)備使用需求。也可以采用固定帶寬或保證帶寬。

3.3 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)方式

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過GPON終端（用戶終端盒）和多用戶數(shù)據(jù)單元MDU接入業(yè)務(wù)承載網(wǎng)，用戶PC通過FE接口接入船內(nèi)IP網(wǎng)和公共信息IP網(wǎng)。

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中可以劃分VLAN區(qū)段，隔離不同客戶群，防止廣播風(fēng)暴并便于運維。用戶PC可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。還可以采用雙層VLAN精確綁定方式，標(biāo)識業(yè)務(wù)的同時精確定位用戶。同類ONU的同類業(yè)務(wù)還可以采用相同的QoS進(jìn)行簡化管理。

對于船內(nèi)辦公I(xiàn)P網(wǎng)用戶，在沒有其他業(yè)務(wù)要求的情況下可以將GPON終端帶寬分配給各個艙室用戶。對于公共信息IP網(wǎng)在保障了電話業(yè)務(wù)和電視業(yè)務(wù)后可以分配的接口帶寬也約100 Mb/s。

3.4 OLT業(yè)務(wù)實現(xiàn)能力

船內(nèi)辦公I(xiàn)P網(wǎng)和公共信息IP網(wǎng)分別有2臺OLT設(shè)備分別通過匯聚交換機連接各自的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)提供的是2個10 GE級聯(lián)接口，用于艙室內(nèi)語音、數(shù)據(jù)和高清視頻的傳輸與交換。IP網(wǎng)光線路終端設(shè)備可提供48個GPON接口，可以支持48×8=384個艙室的接入能力，公共信息IP網(wǎng)光線路終端設(shè)備可提供80個GPON接口；背板交換容量達(dá)到1.5 Tb/s，主控板交換能力可達(dá)960 Gb/s，滿足全船各艙室最大數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘啃枨?。同時能夠提供4個GE級聯(lián)接口，并可平滑升級為2個10 GE級聯(lián)接口，用于艙室內(nèi)語音、數(shù)據(jù)和高清視頻的傳輸與交換。系統(tǒng)具有較低的轉(zhuǎn)發(fā)時延，100 Mb/s以太網(wǎng)端口發(fā)送64 Byte以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，時延不超過20 μs，并支持512 k容量的MAC地址表項，可滿足超大用戶量的接入以及快速、高效傳輸。

4 結(jié) 語

本文分析了當(dāng)前GPON技術(shù)，對船舶基于GPON技術(shù)的光接入系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。目前該設(shè)計方案已經(jīng)在某大型遠(yuǎn)洋船舶上工程實現(xiàn)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有覆蓋面積廣、效率高、高帶寬、多用戶接口等優(yōu)勢。GPON技術(shù)在船舶上的應(yīng)用可以進(jìn)一步簡化船舶通信業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高接入效率，從而推動海上船舶信息通信網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

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Application of GPON technology on ship communication net

DING Guang, ZHANG Jian-fei, XU Ling-ling, YU Kun
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, China)

Firstly we introduced GPON technique and its systems constitute, and analyzed it’s characteristics, then carried on the design to application of GPON technique on the ships, Finally analyzed the difficulty of application of GPON technique on the ships and put forward correspond solvent. Practical proof, application of GPON technique on the ships can further simplify the ships network structure and raise access efficiency, thus making fiber optic net on the ships to develop further.

GPON；OLT；ONU；ODN

TN966

A

1672-7649(2017)11-0132-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.025

2016-11-24；

2017-05-05

丁廣(1972-)，男，碩士，高級工程師，主要從事航天遠(yuǎn)洋船載無線通信工程技術(shù)。