ＧＰＯＮ技术在本地接入网中的应用浅析

【摘要】GPON作为新一代光接入技术,在抗干扰性、带宽特性、接入距离、维护管理等方面均具有巨大优势。文章介绍了GPON的组成、特点,详细描述了GPON在FTTx中的应用模式及组网方案,并结合运营经验指出了GPON在接入应用中需要考虑的五大问题。

【关键词】GPON 接入网 ONU 组网方案 FTTx

1 接入网概述

接入网经历了窄带和宽带的快速发展,ADSL技术的出现解决了基于铜线的窄带和宽带的综合接入问题。但ADSL存在传输距离短、干扰大、带宽低、建设投资成本高等问题,其进一步发展受到很大影响。较之传统的铜线接入,光接入有着覆盖范围广、传输距离远、带宽高、安全保密性高、建设维护成本低等特点,使之成为接入网建设的新亮点。

目前已提出的替代传统铜线接入的有FTTH、FTTB等光接入应用。无源光网络PON技术一直被认为是光接入网技术的发展方向,而GPON则是PON技术的重要分支。

2 GPON系统组成及特点

GPON(Gigabit-Capable PON)一直被认为是光接入网中颇具前景的技术,突破了传统的点到点解决方法的局限,是一种经济的、面向未来多业务的用户接入技术。它是基于ITU-T G.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准,具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点,可以为用户提供优质、可靠、安全的语音、数据、视频三网合一业务接入。

2.1 GPON系统组成

GPON系统主要由OLT(光线路终端)、ODN(光分配网络)、ONU(光网络单元)组成。其中,ODN由光分路器和光纤线路等组成;OLT放置于业务接入中心节点,为接入网提供网络侧与城域网之间的接口,通过多个GE/FE接口上联不同的业务网络;ONU放置于小区或楼内机房,为接入网提供用户侧的接口,提供语音、数据、视频等多业务流的接入,通过GE光口经ODN上联至OLT。

2.2 GPON技术特点

(1)高带宽和高传输效率。下行速率高达2.488Gb/s,上行为1.244Gb/s,可以满足运营商对未来业务的接入带宽需求;使用GEM的封装方式时,综合传输效率在93%以上。

(2)单纤接入。使用单根光纤就可以满足用户的接入需求,可以大量节省运营商在接入层馈线段的光纤资源。

(3)可以支持的接入距离更远(大于20km)。针对FTTB开发的GPON系统,其OLT到ONU的最远接入距离甚至可以达到60km以上。

(4)作为电信级的技术标准,对设备的互操作性能有详细的要求,对各种业务类型都能提供相应的QoS保证。GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能,光纤自动倒换时间小于50ms。

(5)位于室外的光分配网中只有物理介质特性非常稳定的光纤和无源分光器,没有任何有源设备,使得网络具有高可靠性。

(6)在接入网层面上提供一个统一的接入平台,节约了运营商维护和处理故障的成本。

3 GPON在FTTx中的应用模式

3.1 FTTB应用模式

光纤到楼宇(FTTB,Fiber To The Building)是宽带光接入网的典型应用之一,其特征是:以光纤替换用户引入点之前的铜线电缆,ONU布设在传统的分线盒(用户引入点,即DP(Distribution Point,分配点)),ONU下采用其他介质(如现有的金属线或无线)接入用户,每个ONU支持用户数为十多户到一百户左右。OLT通常放置在局端,用于用户业务的收敛及分发,上联网络侧采用光纤接口,通过光纤网络连接ONU设备,在ONU处终结光信号;用户侧提供铜线或五类线接口,接口类型包括POTS、ISDN、ADSL/ADSL2+、VDSL/VDSL2、以太网等。

FTTB网络结构在ONU点需要解决供电问题,可采用本地供电或由位于局端的远程供电系统供电,也可以区域集中供电,目前以本地供电为主。另外,由于MDU(Multiple Dwelling Unit,多住宅单元)提供较多VoIP语音业务的接入,需要考虑备用电源解决方案。业界主流的备用电源解决方案包括:交流UPS,一次电源+蓄电池,楼道应急电等。

FTTB网络中由于ONU布设到DP,使得ONU的数量较多,而每个ONU接入的用户数量并不多。因此,选择光纤传输技术时,应着重选择支持较多ONU数量的、能够节省光纤资源的传输技术。现在及以后一段时间内,GPON是比较好的选择。具体采用GPON承载的FTTB应用模式有以下2种(图1):

(1)FTTB+xDSL

具体实现是将光纤端接点分布在楼层(高层楼宇)或楼道(多层建筑),小型DSLAM设备网络侧采用GPON上联口,用户侧提供xDSL接口通过双绞线入户。这种方式利用现有的双绞线资源,采用成熟的ADSL2+、VDSL等技术,可充分利用现有的线路投资,提供中小容量的DSL MDU,并且有适合室外恶劣环境的一体化机柜。

(2)FTTB+LAN

具体实现是将光纤端接点分布在楼层(高层楼宇)或楼道(多层建筑),由ONU终结光信号,ONU提供多个以太网接口。受以太网五类线的距离限制,这种实现需要保证ONU到最终用户的走线距离不超过100m。

3.2 FTTH应用模式

光纤到家庭用户(FTTH,Fiber To The Home)是利用光纤传输媒质连接通信局端和家庭住宅的接入方式,引入光纤由单个家庭住宅独享。在物理网络构成上,FTTH在OLT与ONU之间采用全程光纤的接入方式,将ONU光节点布设到居民用户家中;此时ONU称为ONT(Optical NetworkTerminal),直接提供UNI接口连接居民家庭网络。采用GPON技术进行光纤入户的组网图如图2所示:

在FTTH网络中,无论是别墅区还是多层小区,ONU都是置于用户家中。在OLT和ONU之间采用无源的光分配网络,其主要由光分路器和光纤构成。OLT可以置于远端机房,也可以置于小区机房,具体依实际条件而定。FTTB网络结构在ONU点需要解决供电问题,可以采用家庭220V直接供电或通过UPS供电。

语音业务采用VoIP是适合于网络发展的选择,实现方式有2种:ONU本身内置IAD功能或通过外置IAD来实现。

OLT和ONU侧都提供了高速接入的数据接口,对于数据业务具有天然的接入,由ONU的以太网接口提供用户的宽带上网接入。根据现阶段的宽带应用实际,用户认证和管理仍然可由BRAS来完成,以保持与现有用户管理方式的一致性。数据业务的接入,主要应采用合适的QoS策略,根据不同的业务提供不同的QoS保证,从而提供不同的带宽保证和业务质量。

FTTH模式比较适合社区信息化场合。社区信息化覆盖目前已经比较普遍,大多数社区采用ADSL接入技术实现,随着IPTV和高清电视等高带宽业务引入家庭,传统社区接入网络面临改造。GPON光接入平台立足高带宽接入,根据高档小区、别墅小区和普通小区的消费承受能力,分层次提供一步到位的FTTH。接入业务包括语音、数字家庭、宽带上网(可选有线和无线方式)、IPTV视频、CATV视频等,FTTH模式提供系列化ONU/ONT终端,满足家庭用户有线方式、无线方式、广域网和局域网等各种业务接入需求。

4 GPON组网方案

4.1 星形方式

当OLT与ONU之间按点到点配置,且每一ONU直接经一专用光链路与OLT相连,中间没有光分路器时就构成星形结构。由于这种配置不存在光分路引入的损耗,因此传输距离远大于点到多点配置。但此种方式下光纤浪费严重,不能体现GPON的技术优势,实际应用较少。

4.2 树形方式

树形拓扑是点到多点配置的基本结构。它利用了一系列级联的分配点将信号传给多路用户,同时也靠这些分配点将上行信号结合在一起送给OLT,见图3。分配点的分路器常为1:N型,在重要客户接入中,可能采用2:N分光以实现主干光纤保护。在本地网应用中,考虑到复杂的光纤网络布局,一般使用一级分光,如需多级,建议控制在三级以内。

4.3 总线方式

总线结构也是点到多点配置的基本结构。这种拓扑实际上是OLT和分配点的拓扑,分配点到ONU仍然是星形结构。该结构利用了一系列串联的分配点以便从总线上向ONU分配OLT发送的信号,同时又能将每一ONU发送的信号插入总线送回到OLT,见图4。该方式一般应用于监控系统,分光器有5:95、10:90、20:80多种,为1:2不等分分光。建议使用10:90分光器,实际使用以光功率计算原则为准,一般不超过7级。

5 GPON在接入应用中需要考虑的问题

5.1 建设和运营维护

GPON的实施除了考虑系统设备之外,还应该加强接入光缆、OLT、ODN的整体规划;同时要加强前后端联动、供电保障、IT支撑、工程建设、运行维护等各项工作,尽快将接入能力转化为业务与服务能力。从实际情况来看,目前主要存在几方面问题:

(1)设备开通、配置、升级繁杂;设备种类和网元数量增多,管理维护繁杂;多业务配置和业务发放涉及多个设备、多套后台支撑系统,操作复杂。

(2)随着光纤逐步下移,需要维护管理的远端节点成倍增加;远端设备走出机房,设备的运行环境较差,故障率增加;设备分布广,故障现场处理工作量大。

这些问题,对GPON的设备开通与管理、业务发放、故障监控、网络安全控制能力提出了很高的要求。

5.2 GPON OLT的容量设置

“大容量、少局所,网络扁平化”的趋势意味着OLT覆盖的用户数量增加,相应地,OLT设备的单板PON口数量、单板总线带宽、上行端口容量以及系统的交换能力也需要提高。此外,未来OLT容量会越来越大,覆盖的用户数越来越多,对网络可靠性的要求也越来越高。这时,对于GPON设备本身,就需要考虑对OLT设备的重要部件进行保护(如电源板、主控板、上联板的冗余保护)。在组网保护方面,对于重要客户或关键业务,OLT需提供双上联保护,以避免单点故障,实现可靠接入。

5.3 GPON ONU的要求

GPON远端设备ONU在功能及性能方面,都应保证网络和业务的需要。GPON ONU设备应支持VLAN 1:1和N:1转换功能、跨VLAN组播复制等功能;满足QoS部署要求,支持802.1p和基于优先级的队列调度;根据业务发展需要提供内置语音功能。作为末端接入设备,ONU也可以根据运营商的需要支持基站承载中小商业用户专线接入的应用场景。在ONU应用广泛的光进铜退场景,ONU平台架构应该支持从现有的ADSL2+到VDSL2或LAN的平滑升级,以支撑业务带宽的平滑升级。

5.4 GPON设备的管理

引入GPON系统后,网络管理维护面临新的问题:接入点数量增加,业务从单一业务向多业务转变,业务管理更加精细化,光缆网络的维护量增加,等等。采用PON的光接入网络规模部署后,ONU的数量非常多,对ONU的操作管理维护也非常重要。

FTTB模式下GPON ONU的管理维护,采取OMCI+SNMP联合管理。OMCI负责GPON协议相关功能的管理;SNMP接口负责端口、协议和业务的相关功能。FTTH模式下GPON ONU的管理维护,采取OAM/OMCI+TR-069联合管理。对于采用FTTB模式的PON OLT及ONU设备的管理和配置,可在厂家PON设备网管基础上,通过提供北向接口方式,或由PON设备直接开放SNMP MIB库方式,支持IP城域网网管和软交换网管,对其进行VLAN、QoS及话音接入等业务信息的远程配置管理。

FTTH模式的内置语音接入设备,可采用基于TR-069的ACS管理系统,或暂由PON网管系统进行管理,原则上不再为FTTH语音接入设备新建独立的网管系统。对于FTTB的内置语音接入设备,可由不同的厂家网管系统管理各自的网元设备。对于少量新建的外置IAD设备,可考虑纳入同一厂家的PON网管系统。AG设备应由软交换网管统一管理。

5.5 综合业务承载能力

GPON网络建设应充分考虑满足未来多业务统一承载的需求,具备按客户与业务区分和差异化的承载能力,满足语音、视频等业务的高质量接入。接入网络应部署基于802.1p的QoS策略,并在OLT和ONU设备部署相应的优先级队列,具备相应的业务流分类、优先级标记、优先级队列调度,以实现基于业务优先级的包转发,保障不同业务的质量。

6 结束语

GPON技术在接入网层面提供一个统一的接入平台,节约了运营商维护和处理故障的成本,可以在现阶段满足绝大部分FTTx的业务需求;在运营商FTTx的应用中可以充分体现其广覆盖、高带宽、双纤保护等特点。同时,位于室外的光分配网中只有物理介质特性非常稳定的光纤和无源分光器,没有任何有源设备,使得网络具有高可靠性。相信随着设备成本的降低,GPON在接入网中的应用会越来越广泛。

参考文献

[1]杨国锋. GPON技术在接入网中的应用浅析[J]. 电气化铁道,2009(1).

[2]谢鹏,宋刚. GPON技术在本地传输网中的应用[J]. 科技信息,2007(28).

[3]姚传富. FTTX:EPON与GPON争锋[N]. 人民邮电报,2008-12-29.★

【作者简介】

严晓华:硕士毕业于暨南大学工商管理学院,本科毕业于广东工业大学信息工程学院,现就职于中国铁通广东分公司技术建设部,一直从事传输专业技术工作。