PON系統(tǒng)承載多業(yè)務(wù)的技術(shù)探討(一）

    1 引言

    從2007年開始，國(guó)內(nèi)各大固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商均宣布開始實(shí)施“光進(jìn)銅退”發(fā)展策略，即縮短網(wǎng)絡(luò)中的銅纜長(zhǎng)度，將光纖進(jìn)一步向用戶延伸，通過建設(shè)FTTx（光纖到某處）逐步使用光纜替代傳統(tǒng)銅纜接入網(wǎng)中的干線段、饋線段、分線段和入戶線段，把目前以銅纜為主要傳輸媒質(zhì)的接入網(wǎng)演進(jìn)為以光纖為主要傳輸媒質(zhì)的寬帶光接入網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)FTTH（光纖到戶）。圖l為寬帶接入網(wǎng)中的光纜工程模型。

    FTTx（光纖到某處）是對(duì)寬帶光接入網(wǎng)各種形態(tài)的一種統(tǒng)稱，寬帶光接入網(wǎng)中光纖可以是惟一的傳輸媒質(zhì)或者為主干傳輸媒質(zhì)。根據(jù)光纖所到達(dá)的物理位置不同，F(xiàn)TTx存在多種應(yīng)用類型，一般可分為以下幾種：

    （1）光纖到交接箱（FibertotheCabinet，F(xiàn)TTCab）；

    （2）光纖到樓宇／分線盒（FibertotheBuilding／ Curb，F(xiàn)TTB／C）；

    （3）光纖到公司／辦公室（FibertotheOffice，F(xiàn)TTO）；

    （4）光纖到家庭用戶（FibertotheHome，F(xiàn)TTH）。

    在“光進(jìn)銅退”策略的實(shí)施過程中，PON技術(shù)被認(rèn)為是建設(shè)FTTx的最主要的寬帶接入技術(shù)，這使得以 EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）和GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network，吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)）為代表的寬帶PON技術(shù)終于開始擺脫“雷聲大、雨點(diǎn)小”的尷尬狀態(tài)，并在國(guó)內(nèi)開始得以一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署。

    2 寬帶多業(yè)務(wù)的需求

    “光進(jìn)銅退”策略的提出和實(shí)施，究其原因，除了銅纜網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本急劇上升使運(yùn)營(yíng)商難以承受外，最主要的原因是來自寬帶多業(yè)務(wù)，特別是以標(biāo)清／高清視頻業(yè)務(wù)為代表的高帶寬業(yè)務(wù)對(duì)接入帶寬需求的快速增長(zhǎng)。目前，我國(guó)寬帶業(yè)務(wù)仍以高速互聯(lián)網(wǎng)接人為主，但在核心網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)、各種應(yīng)用的不斷開發(fā)、家庭網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)部署等因素的推動(dòng)下，寬帶業(yè)務(wù)必將從單一的互聯(lián)網(wǎng)接人向復(fù)合型的組合業(yè)務(wù)演化。

    按照客戶類型的不同，接入網(wǎng)的用戶大致可分為商業(yè)客戶和家庭用戶兩大類，二者對(duì)業(yè)務(wù)類型、帶寬需求存在極大區(qū)別。對(duì)于商業(yè)客戶，業(yè)務(wù)需求以IP專線或TDM專線業(yè)務(wù)（如El專線）為主，業(yè)務(wù)類型比較單一，帶寬需求一般相對(duì)較高，如IP專線業(yè)務(wù)的典型帶寬需求為10M，甚至100M。對(duì)于家庭用戶，從目前的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)來看，IPTV（流媒體），視頻通信，VoIP，高速上網(wǎng)，lPVPN等是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中極具潛力的應(yīng)用類型。在這些業(yè)務(wù)中，提供MPGE4編碼方式的標(biāo)清IPlV，業(yè)務(wù)需要2～3M左右的帶寬，提供一套高清IPTV業(yè)務(wù)將需要5～6M以上的帶寬，將來如果需要具備同時(shí)提供兩套高清節(jié)目的能力則需要lob 12M的帶寬。因此，家庭用戶接入帶寬需求增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)將來自于視頻業(yè)務(wù)的發(fā)放。目前，業(yè)界達(dá)成的基本共識(shí)是：在3年內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有提供每個(gè)家庭用戶下行4～18M和上行2～4M實(shí)際帶寬的能力；在遠(yuǎn)期，應(yīng)具備提供下行10～30M和上行4～10M實(shí)際帶寬的能力。

    3 PON系統(tǒng)承載寬帶多業(yè)務(wù)的技術(shù)

面對(duì)未來復(fù)合型組合業(yè)務(wù)的接入需求，PON技術(shù)以其天然具有的高帶寬、全業(yè)務(wù)接入能力成為發(fā)展 FTTx的主流技術(shù)。

    （1）ONU設(shè)備形態(tài)

    PON系統(tǒng)中的用戶端設(shè)備稱為ONU（Optical NetworkUnit，光網(wǎng)絡(luò)單元），F(xiàn)TTx應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性，直接導(dǎo)致了FTTx網(wǎng)絡(luò)中ONU設(shè)備形態(tài)的多樣性。按照業(yè)務(wù)接口類型和數(shù)量的不同，0NU可分為SFU， SBU，MDU和MTU等類型。

    當(dāng)采用FTTB／C方式建設(shè)光接入網(wǎng)時(shí)，每個(gè)0NU 需接人多個(gè)獨(dú)立用戶，此時(shí)的ONU被稱為 MDU／MTU（Multi．DwellingUnit／Multi-TenantUnit，多住戶單元／多租戶單元）。MDU／MTU可提供8／16／24 個(gè)FE接口，或者提供24／48／96個(gè)DSL接口，入戶線為 5類線或雙絞線。為了滿足用戶對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的需求， MDU／MTU還可以提供POTS接口，按l：1比例同時(shí)提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和窄帶語(yǔ)音業(yè)務(wù)。此外，為了滿足商業(yè)客戶對(duì)TDM業(yè)務(wù)的需求，有些MDU／MTU還可以提供2／4／8個(gè)El接口。

    當(dāng)采用FTTH／FTT0方式建設(shè)光接入網(wǎng)時(shí)，每個(gè) ONU僅接入一個(gè)用戶，此時(shí)的ONU被稱為SFU／SBU （SingleFamilyUnit／SingleBusinessUnit，單個(gè)家庭用戶單元／單個(gè)商業(yè)用戶單元）。SFU／SBU一般提供l42 個(gè)FE接El，還可以提供l～2個(gè)POTS接口來提供窄帶語(yǔ)音業(yè)務(wù)。當(dāng)為商業(yè)客戶提供服務(wù)時(shí)，SBU還可以提供少量El接口。

    （2）組播業(yè)務(wù)的提供

    按照PON協(xié)議，雖然OLT和ONU之間的下行通道采用廣播方式傳遞數(shù)據(jù)，但每條數(shù)據(jù)傳輸邏輯通道（EPON中的LLID，GPON中的GEMPort）僅屬于某一個(gè)0NU，當(dāng)0NU接收到標(biāo)識(shí)為其他ONU的數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)丟棄該數(shù)據(jù)，從而保證了用戶數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)發(fā)和安全隔離。在單播傳輸方式下，OLT會(huì)把下行廣播報(bào)文復(fù)制N份并分發(fā)到多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸邏輯通道傳送到 ONU。但為了更高效地傳輸組播業(yè)務(wù)，節(jié)省系統(tǒng)帶寬， PON系統(tǒng)提供了一種特有的數(shù)據(jù)傳輸方式，即SCB （SingleCopyBroadcast，單拷貝廣播）。

    SCB技術(shù)是在OLT和ONU之間建立一條特殊的允許所有ONU從中合法接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸邏輯通道。在轉(zhuǎn)發(fā)組播業(yè)務(wù)時(shí)，即使多個(gè)ONU點(diǎn)播了同一節(jié)目，OLT仍然只發(fā)送一份組播媒體流數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)入 SCB邏輯通道，所有ONU均接收同一份數(shù)據(jù)，即l份業(yè)務(wù)帶寬可為N個(gè)用戶提供服務(wù)，由此節(jié)省了大量的系統(tǒng)帶寬。對(duì)于高清視頻等高帶寬需求的業(yè)務(wù)來說， SCB技術(shù)帶來的帶寬節(jié)省效果愈加顯著。為了便于管理，PON系統(tǒng)要求在每個(gè)PON口下僅有惟一的一個(gè) SCB數(shù)據(jù)傳輸邏輯通道，所有組播媒體流數(shù)據(jù)均在同一個(gè)邏輯通道中傳輸，如果需要區(qū)分隔離，可通過使用不同的VLANID來標(biāo)識(shí)和區(qū)分。此外，需要注意的是，SCB數(shù)據(jù)傳輸邏輯通道是一條單向（僅下行）通道，僅用于傳輸下行組播媒體流，上行組播協(xié)議報(bào)文仍然利用單播通道進(jìn)行傳輸。

    運(yùn)營(yíng)商在推送IPTV組播業(yè)務(wù)時(shí)，節(jié)目權(quán)限管理是必須的，無點(diǎn)播權(quán)限的用戶應(yīng)該無法獲取相應(yīng)節(jié)目。目前，提供IPTV組播業(yè)務(wù)有兩種可能的方式。

    一種方式是接入設(shè)備僅提供物理傳輸通道，并通過IGMPProxy或IGMP Snoopin9協(xié)議實(shí)現(xiàn)組播組成員的管理，用戶節(jié)目權(quán)限管理則由STB（Set．TopBox．機(jī)頂盒）和口TV業(yè)務(wù)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。

    另外一種方式是接人設(shè)備基于IGMP控制報(bào)文攜帶的用戶標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行用戶鑒權(quán)，并通過PON系統(tǒng)內(nèi)的控制消息控制ONU對(duì)組播數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于傳統(tǒng)的DSL設(shè)備，用戶權(quán)限數(shù)據(jù)保存在DSLAM 上，DSLAM對(duì)IGMP報(bào)文進(jìn)行用戶鑒權(quán)后決定是否復(fù)制分發(fā)媒體流到各用戶獨(dú)享的DSL線路，無節(jié)目權(quán)限的用戶即使點(diǎn)播了該節(jié)目，DSLAM也不會(huì)向其轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目流，通過物理鏈路隔離的方式杜絕了用戶接收無權(quán)限節(jié)目的可能性，由此實(shí)現(xiàn)組播業(yè)務(wù)的權(quán)限管理。但PON系統(tǒng)共享傳輸媒質(zhì)和利用SCB技術(shù)傳輸組播業(yè)務(wù)的技術(shù)特性，導(dǎo)致所有ONU（包括點(diǎn)播了無權(quán)限節(jié)目的ONU，或者根本沒有點(diǎn)播節(jié)目的ONU）均能從MAC層接收到組播媒體流，這給組播節(jié)目權(quán)限控制帶來了新的問題。下面描述了PON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)組播業(yè)務(wù)權(quán)限管理的一種方式：

    ●OLT維持一個(gè)用戶組播業(yè)務(wù)權(quán)限控制表，集中管理用戶的組播業(yè)務(wù)訪問權(quán)限；

    ●OLT基于IGMP控制報(bào)文攜帶的用戶標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行用戶識(shí)別，并基于組播權(quán)限控制表判斷該端口（用戶）是否具有所申請(qǐng)組播業(yè)務(wù)的訪問權(quán)限及其參數(shù)；

    ●OLT通過系統(tǒng)內(nèi)部的管理消息將端口（用戶）對(duì)該組播頻道的訪問權(quán)限下發(fā)到ONU，并由ONU執(zhí)行對(duì)該端口（用戶）組播業(yè)務(wù)流的轉(zhuǎn)發(fā)或關(guān)斷操作。

    對(duì)于MDU／MTU類型的ONU，上面所描述的由 OLT執(zhí)行的組播權(quán)限管理功能將下移至ONU上實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，PON系統(tǒng)自身的管理協(xié)議（如OMCl，OAM 消息）已經(jīng)不能支持如此大量的ONU配置管理信息， SNMP協(xié)議可能是更好的一種方式。

    （3）語(yǔ)音業(yè)務(wù)的提供

    PON系統(tǒng)通過在ONU上內(nèi)置AG或lAD功能模塊來提供窄帶語(yǔ)音業(yè)務(wù)，支持的協(xié)議可以是SIP， MGCP或H.248等協(xié)議。

    （4）TDM業(yè)務(wù)的提供

    TDM業(yè)務(wù)在商業(yè)客戶中仍有著較高的市場(chǎng)吸引力，這是由TDM業(yè)務(wù)的高等級(jí)服務(wù)質(zhì)量決定的。PON 系統(tǒng)一般采用CESoP（Circuit Emulation Service over Packet，分組網(wǎng)電路仿真業(yè)務(wù)）方式來提供TDM業(yè)務(wù)的接人，具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)有兩種，分別是IETF（Intemet EngineeringTaskForce）的PWE3（PseudoWireEmula tion，偽線仿真）方式和MEF（MetroEthemetForum，城域以太論壇）的MEF8方式。GPON系統(tǒng)還支持一種特有的Native方式來接入TDM業(yè)務(wù)，該方式也稱為 TDMoverGEM方式，是一種把TDM數(shù)據(jù)直接封裝到 GEM幀凈荷中進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健?/font>

    （5）多業(yè)務(wù)差異化服務(wù)能力

    PON網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)承載包括TDM數(shù)據(jù)專線，VolP 語(yǔ)音，IPTV視頻和Intemet上網(wǎng)業(yè)務(wù)在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)，這些不同類型的業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求存在極大差異。

    毫無疑問，對(duì)于TDM業(yè)務(wù)，要求承載網(wǎng)絡(luò)能夠絕對(duì)保證其低延時(shí)、無誤碼，PON系統(tǒng)通過預(yù)留固定帶寬、短幀封裝的技術(shù)來滿足TDM業(yè)務(wù)的這種要求。

    對(duì)于IP業(yè)務(wù)，目前PON設(shè)備主要是通過保證數(shù)據(jù)傳輸邏輯通道的QoS來間接為不同業(yè)務(wù)類型提供差異化服務(wù)功能。由于邏輯通道僅存在于0LT和 ONU之間，因此為了實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的QoS，ONU會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同通過802.1P技術(shù)為數(shù)據(jù)幀添加不同的優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)，此時(shí)需要ONU具有業(yè)務(wù)感知和區(qū)分的能力，并具有針對(duì)不同業(yè)務(wù)類型進(jìn)行QoS標(biāo)記能力。

    PON對(duì)多業(yè)務(wù)的承載，目前主要有多邏輯通道和單邏輯通道兩種解決方案，邏輯通道在EPON系統(tǒng)中是LLID，在GPON系統(tǒng)中是GEMPort／T-CONT。多邏輯通道方案需要為每種業(yè)務(wù)分配不同的邏輯通道；單邏輯通道方案是多種業(yè)務(wù)共享一個(gè)邏輯通道。在多邏輯通道方案中，每類業(yè)務(wù)被標(biāo)識(shí)上不同的802.1P標(biāo)記后分別通過不同的邏輯通道進(jìn)行傳送。PON系統(tǒng)為每個(gè)邏輯通道綁定一定的QoS等級(jí)標(biāo)識(shí)，并通過SP （StrictPriority，嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)）和WRR（WeightedRotmd Robin，加權(quán)輪詢）等調(diào)度策略來保證QoS。在單邏輯通道方案中，各種業(yè)務(wù)應(yīng)用承載于同一邏輯通道中，在 PON層上無法區(qū)分業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)，只能通過802.1P技術(shù)在Layer2上提供差異化服務(wù)能力。