基于GPON的多业务承载系统研究

石振荣（上海贝尔股份有限公司，上海，201206）

0 引言

目前电信运营商宽带接入网基本上是为WWW、Email等传统数据业务设计的，虽然能够提供基于Web的视频（如在线电视，视频通信）等内容，但距离真正的大规模“三网融合”业务的运营仍存在较大差距，主要问题有：

● 网络结构不合理；

●带宽严重不足，不能支持高宽带业务，特别是视频类业务的运营能力；

●无法支持全程全网组播；

●缺乏基于DiffeServ的QoS保证；

解决或者改善上面这些问题，需要制定新的网络规划策略以满足IPTV和手机电视等新业务。加速基于GPON技术新型光网络的部署是其中一种很有前途的发展策略。

1 GPON技术分析

PON（Passive Optical Network）又名无源光网络，其技术起源于A/B PON，目前GPON系统中采用了WDM的方式，实现点到多点为特征的单纤双向传输。

WDM（Wavelength Division Multiplexing） 即波分复用技术是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。每个信号经过数据（文本、语音、视频等）调制后都在它独有的色带内传输。为了分离同一根光纤上多个用户的双向信号，GPON采用两种复用技术（见图1）：1)下行数据流采用广播技术；2)上行数据采用TDMA技术。下行信号的技术特点是GPON OLT连续广播发送，GPON ONU根据VPI/VCI（ATM）或者PTI（GEM）选择性接收。上行信号的技术特点是分时突发发送，采用测距技术保证上行数据不发生冲突。

图1 GPON数据复用

各光网络单元（ONU）在上行方向上（从ONU到OLT）分时复用信道，适用多种带宽，较为常用的速率是1.25Gbit/s，在下行方向上（从OLT到ONU）主流速率是2.5Gbit/s。GPON不仅在速率上有优势，其完备的组网能力是其在电信级的运营中也显示出较强的生命力。如表1所示。

表1 GPON网络性能表

与基于以太网的EPON技术相比，GPON的QoS和TDM传输能力对全网全业务的运行特别有利。同时，出色的OMCI管理是的运营商对终端用户可以采用不同的服务方式，计费方式更加丰富。

基于GPON技术的组网方式有下列几种：FTTH（Fiber To The Home），FTTB（Fiber To The Building）和FTTN（Fiber To The Node）。FTTH将光纤直接引入用户家中，适合光纤入户的新建住宅。FTTB是将主干光纤引入用户楼或者商用楼内，通过MDU（Multiple Dwelling Unit）将光信号转换为电信号（ADSL/VDSL）引入用户家里，这里电缆长度一般为100m。FTTN是将光纤先引导至住宅小区附近，然后通过室外机柜内的DSL设备将光信号转换成DSL信号，送入住户中，这里的电缆往往在500m左右。无论FTTH还是FTTN，其主要目的是尽量缩短电缆长度，增加光纤长度，最终提高信号的传输速率。

2 端到端的QoS保证方案

与EPON相比较，基于端到端的QoS是GPON接入网的强大功能之一。OLT可以在上行和下行两个级别上实现基于用户的业务级别的服务质量保证。示意图如图2所示。

图2 OLT上下行QoS机制示意图

上行方向上，ONU在用户侧方向上通过灵活的业务流映射机制，实现各种入口业务流量的QoS标记，如p-bit，C-VLAN等。在上联（GPON接口）方向，通过丰富的GPON硬件队列资源对以太网业务进行GEM封装、映射和队列调度，最终实现在GPON TC层面的高质量业务承载和区分服务的保证。当业务数据进入线路板卡后，OLT将根据用户的流量合同，在PON的层面上根据相应的以太网流量合同进行GPON资源的调度和带宽资源的调度，最终OLT将通过DBA进行带宽分配，实现对以太网的带宽保证和QoS保证。

下行方向上，OLT通过WRR和SP两种方式对网络侧的流量进行调度，并根据MAC地址，IP地址和VLAN进行相应的QoS优先级处理，并将以太网业务流发往相应的用户板卡。线路板卡和ONU终端对GEM的业务进行封装和解封装，并根据流量合同和QoS定义将相应的流量进行相应的用户端口的排队和转发。

3 多业务承载网络的QoS功能的实现

在给省电信用户的方案中包括两种模式，模式1：ONU直接连接用户设备（见图3），模式2：ONU通过家庭网关连接用户终端设备两种模式（见图 4）。

图3 模式1：ONU直接连接用户终端设备

图4 模式2：通过家庭网关连接用户终端设备

上行端到端业务具体实现步骤如表2所示。

表2 上行端到端业务具体实现步骤

5 线路板卡的可配置队列映射和调度线路板卡的上行方向有8个QoS队列，对这些业务可采用SP或WRR机制。6 网络板卡的可配置队列映射和调度网络上行方向上有8个QoS队列，对这些包进行调度可以是SP或者WRR机制。

上述6个步骤列举了基于GPON接入网的上行业务流量的质量保证功能。同样，其下行业务流量与上行流量也类似。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，特别是单播流。

固定流映射：ONU可能会接收到超过它的出口所能支持的数据量。一个固定的数据缓冲被用来吸收任何突发数据，直到它们可以被传送到用户侧。

4 系统仿真

对于用GPON承载的视频采用轮播或单播方案为用户提供视频点播，GPON的用于视频点播的带宽1G，采用64QAM调制，一个频点占用8MHz带宽，每个频点可扩展的带宽为36Mbps，视频流采用H.264编码，每个视频流所占的平均带宽为1 Mbps左右，这里取一个频点可传输25套节目，那么GPON可提供3200个信道；每个轮播节目占用的信道数为n，那么GPON最大可支持的轮播节目数K为500/n；

采用公式1来确定K值（K为整数且小于等于500/n）；设L=90分钟，N=500，n=10；Ө=0.271。

图5中表示出采用轮播方案的节目数K随点播强度λ的变化情况。由图中看出，当用户的请求强度增大时，就会有更多的热门节目，因为轮播可以用很少的信道数便可满足对该节目的所有点播请求，所以能够减少信道的占有率，从而降低了阻塞率。

图5 节目数K随点播强度λ的变化情况

另外从图5中3条曲线的比较还可以看出，同样的用户请求强度下，节目数越多，使用轮播的节目数K减少，那么导致的结果是需要的并发信道就越多，这是因为节目数的增加意味着用户请求将分布在更多的节目上，从而减少了信道共享的概率。

图6是轮播节目数K按公式1随点播强度的变化，并且考虑实际的情况下的单播和轮播相结合的分配方案，与传统的单播和轮播相比的仿真图。从图中我们可以看出这种单播和轮播相结合的分配方案，可以明显的降低总的并发信道数。图中单播和轮播相结合的方案的带宽消耗最终超过0.5×104Mbps，是因为本系统EPON提供的最大的轮播节目数K为3200/n，如果n取10的话，系统能够提供的轮播节目数K最大是320，所以当K取值达到320时，如果用户的点播强度增大，系统只能用单播方案来满足用户点播要求。

图6 带宽消耗随点播强度变化的情况

5 系统应用

近期三网融合网络建设目标是：

●大幅度提升20M接入的用户比例，从目前的20%提升到50%；

●对城域网、承载网和接入网进行大面积改造：

●将IPTV业务接入认证方式有PPPoE改为IPoE认证；

奈达于1964年出版了专著 《翻译科学探索》，此书是奈达翻译思想中的一个重要里程碑。加以综述可归纳为四个方面，其中第一即翻译科学说：奈达认为翻译不仅是一种艺术、一种技巧，还是一门科学。这里所谓的科学是指可以“采用处理语言结构的科学途径、语义分析途径和信息论来处理翻译问题（Nida etal,1969：vii）即采用一种语言学描述的方法来解释翻译过程”ii。大学英语也可以按照科学的方法进行翻译，这样译出的译本除了有的地方需要艺术处理几乎与标准答案不谋而合。“采用处理语言结构的途径、语义分析途径”，是非常关键的步骤指导。句式结构语序有时需要进行适当的必要的调整，以直译为主。

●组播复制点从BRAS逐步下移到接入网层面；

●进一步增强网络安全技术措施；

新建的三网融合网络主要技术要求是：

●满足多种业务接入要求：在满足原先固定接入业务后，同时兼容移动网络的无线业务承载能力，需满足如时钟、时钟同步等要求；

●支持业务传送的品质保障能力：接入网需要满足每用户每业务的QoS保障能力，同时具备层次化的QoS调度能力；

●保证多业务的网络安全性；

●网络及设备具有可扩展性；

●具备网络质量检测能力；

●OLT支持IPoE组播复制能力：IPoE是解决组播效率的唯一方式，IPoE使得网关以下网络设备能够参与组播复制，提高网络的承载效率，保证网络的带宽；

●支持多种网络安全的管理手段；

新建GPON实验网的网络规划如图7所示。该GPON实验网网络端是IP城域网和IP多业务承载网。IP城域网承载的是互联网业务而IP多业务承载网承载的是部分语音业务。GPON网络组成接入网络，该网络通过多个GE端口分别上联到IP城域网和IP多业务承载网。

图7 GPON实验网的网络规划

6 结论

本文描述了基于GPON技术的接入网和某个建设案例。GPON接入网是一种新型的接入网络。其带宽，QoS和网络管理功能特别适合做承载多业务的接入网。利用GPON技术在视频业务承载方面的优点，通过合理的带宽分配，最大限度的利用带宽资源，为用户提供更优的业务服务。

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