GPON技術(shù)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的研究

摘 要:無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)一直被認(rèn)為是光接入網(wǎng)中頗具應(yīng)用前景的技術(shù)，它打破了傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)接入方法，在解決寬帶接入問(wèn)題上是一種經(jīng)濟(jì)的、面向未來(lái)多業(yè)務(wù)的用戶(hù)接入技術(shù)。目前用于寬帶接入的PON技術(shù)主要有ATM PON、Ethernet PON、和GPON。隨著因特網(wǎng)的快速發(fā)展和以太網(wǎng)的大量使用，針對(duì)APON標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于復(fù)雜、在傳送以太網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)效率低和EPON無(wú)法對(duì)傳送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供高質(zhì)量保證、缺乏電信級(jí)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等缺陷，由FSAN組織在2002年9月提出了具有高速率、高效率、支持多業(yè)務(wù)傳輸?shù)募忍責(zé)o源光網(wǎng)絡(luò)GPON。伴隨著通信業(yè)務(wù)形式的改變，用戶(hù)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的要求越來(lái)越高。作為最新技術(shù)的GPON能比較好地滿(mǎn)足接入網(wǎng)的要求，有望成為下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要接入技術(shù)。

關(guān)鍵詞:GPON; 移動(dòng)通信; 接入網(wǎng); GFP

中圖分類(lèi)號(hào):TN915文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0077-03

Research of GPON Technology in Mobile Network

LI Li1， ZHANG He1，WU Yao2， XIE Yu1， LI Ling1

(1.Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China; 2.Material Management Center of Western Drilling Company， Urumqi， 830026， China)

Abstract: The passive optical network is known as the technology of possessing bright application prospect in the optical access network， which has broken the traditional point to point access method. The currently used broadband access technologies of PON includes ATM PON， Ethernet PON and GPON. With the rapid development of Internet and the extensive use of Ethernet， since APON criteria is too complex， the transmission efficiency of Ethernet or IP data is low， and EPON is unable to transmit real-time business with high-quality assurance and lacks the network defects monitoring， FASN organization in September 2002 proposed the high-speed ande high-efficiency Gigabit passive optical network(GPON) supporting the multi-service transmission. Accompanied with the changes in the form of communication services， the requirement of the users becomes increasingly high for the communication networks. GPON as the latest technology can meet the requirements of the access network and is expected to become a major access technology of the next-generation networks.

Keywords: GPON; mobile communication; access network; GFP

收稿日期:2010-03-24

0 引 言

GPON技術(shù)特征主要體現(xiàn)在傳輸匯聚層，很多GPON技術(shù)都是在傳輸匯聚層實(shí)現(xiàn)的，如測(cè)距、上行時(shí)隙分配、帶寬分配、安全保障等。盡管GPON在這些PON的基本問(wèn)題也有其特點(diǎn)，但其傳輸匯聚層的最大特色是采用了全新的傳輸匯聚層協(xié)議——GFP技術(shù)。

從GPON的技術(shù)特點(diǎn)可以看出，相對(duì)于其他PON系統(tǒng)，GPON的高帶寬，對(duì)TDM業(yè)務(wù)天然的支持能力，QoS保證的全業(yè)務(wù)接入，強(qiáng)大的OAM能力，電信級(jí)的管理平臺(tái)都為其在接入網(wǎng)的大范圍應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)接入的可移動(dòng)性要求不斷突現(xiàn)，支持高帶寬可移動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)接入的3G部署已經(jīng)成為不可扭轉(zhuǎn)的進(jìn)程。因此，有必要探究GPON在3G接入中的應(yīng)用，從而為實(shí)現(xiàn)GPON在整體接入網(wǎng)絡(luò)中的大范圍覆蓋提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。

1 GPON的新技術(shù)[1-2]

GFP是一種新型的數(shù)據(jù)鏈路成幀協(xié)議，針對(duì)基于位同步傳輸信道的塊狀編碼或面向分組的數(shù)據(jù)流，GFP使用以頭錯(cuò)誤校驗(yàn)(Head Error Check，HEC)為基礎(chǔ)的自描述技術(shù)，通過(guò)兩字節(jié)的凈負(fù)荷長(zhǎng)度和兩字節(jié)的頭錯(cuò)誤校驗(yàn)來(lái)確定幀邊界。同時(shí)，GFP通過(guò)兩種傳輸模式:Frame-Mapped GFP(幀映射GFP)和Transparent-Mapped GFP(透明映射GFP)來(lái)提供多種業(yè)務(wù)的接口。

圖1給出了GFP的幀結(jié)構(gòu)，GFP幀頭(Core Header)也稱(chēng)幀頭核和GFP凈負(fù)荷區(qū)(GFP Payload Area)兩部分。GFP幀頭包括幀長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)(Payload Length Indicator，PLI)和幀頭錯(cuò)誤校驗(yàn)(core HEC，cHEC)。PLI為2 B，標(biāo)明幀的凈負(fù)荷長(zhǎng)度cHEC也為2 B，它采用CRC-16的檢錯(cuò)方法給幀頭提供保護(hù)。GFP通過(guò)計(jì)算接收到數(shù)據(jù)的幀頭錯(cuò)誤校驗(yàn)值與數(shù)據(jù)本身比較來(lái)實(shí)現(xiàn)幀的定位，通過(guò)PLI知道幀的長(zhǎng)度，這樣就可迅速、直接地把凈負(fù)荷從GFP幀中提取出來(lái)。

GFP凈負(fù)荷區(qū)包括:凈負(fù)荷頭(Payload Header)、凈負(fù)荷(Payload)和凈負(fù)荷的幀校驗(yàn)序列(Payload FCS)三部分，而凈負(fù)荷頭包括:凈負(fù)荷類(lèi)型(Payload Type)、凈負(fù)荷類(lèi)型的HEC(type HEC，tHEC)和GFP的擴(kuò)展頭(extension Header)及其校驗(yàn)(extension HEC，eHEC)三部分。

GFP有兩種用戶(hù)數(shù)據(jù)的封裝格式，一種是幀映射的GFP(GFP-F)，另一種是透明映射的GFP(GFP-T)。GFP-F把收到的以太網(wǎng)MAC幀、IP/PPP數(shù)據(jù)幀完整地封裝進(jìn)它的凈負(fù)荷區(qū)。而GFP-T則主要傳輸對(duì)時(shí)延要求非常嚴(yán)格的8 b/10 b塊狀編碼的用戶(hù)信號(hào)，需要對(duì)這些塊狀編碼信號(hào)處理后再放進(jìn)GFP幀中。GEP-T幀結(jié)構(gòu)與GFP-F類(lèi)似，但它的處理過(guò)程比GFP-F復(fù)雜得多。首先用戶(hù)數(shù)據(jù)的解碼，將用戶(hù)的8 b/10 b線路碼的數(shù)據(jù)信息由10 b的字符轉(zhuǎn)換成原始的8 b數(shù)據(jù)值;然后，把解碼后的8 b數(shù)據(jù)映射到64 b/65 b塊中，其中包括1 b標(biāo)志位，其值為0表明這個(gè)65 b塊全為數(shù)據(jù)碼，為1則表明至少有1 B的控制碼;最后，把8個(gè)65 b的塊合成一個(gè)超級(jí)塊，同時(shí)把各個(gè)標(biāo)志位按順序放在超級(jí)塊的尾部，然后產(chǎn)生一個(gè)CRC-16檢驗(yàn)碼放在其后以保證超級(jí)塊的完整性，把N個(gè)超級(jí)塊合在一起，加上幀頭和凈負(fù)荷頭，就形成了一個(gè)GFP-T幀。

圖1 GFP幀格式

FSAN雖然選擇PMF-TC作為GPON TC子層的基線建議，考慮到多路復(fù)用的方便，沒(méi)有選擇GFP作為T(mén)C層的適配協(xié)議，而是定義了專(zhuān)有的適配協(xié)議，稱(chēng)為GEM(GPON Encapsulation Method)。從幀結(jié)構(gòu)的角度看，GEM與GFP是相似的，對(duì)高層PDU的封裝兩者也相似，但GEM不支持透明傳輸模式，其頭部與GFP也不相同。

GEM幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，由GEM幀頭和凈荷域兩部分組成。由PLI(凈負(fù)荷長(zhǎng)度指示)、Port ID(端口ID)、PTI(凈負(fù)荷類(lèi)型指示)和HEC(頭差錯(cuò)校驗(yàn))組成。PLI指示的是頭部后面的凈負(fù)荷域的長(zhǎng)度為L(zhǎng)字節(jié)，長(zhǎng)度為12 b，最多指示到4 095 B，所以大于這個(gè)值的用戶(hù)數(shù)據(jù)幀必須要采用分機(jī)制傳送。12 b的Port ID可以提供4 096不同的端口，用于支持多端口復(fù)用，相當(dāng)于APON中的VPI。

圖2 GEM幀結(jié)構(gòu)

2 GPON在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[3-6]

第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)3G)是在第二代移動(dòng)通信技術(shù)(2G)基礎(chǔ)上進(jìn)一步演進(jìn)的以寬帶CDMA技術(shù)為主的，并能同時(shí)提供語(yǔ)音數(shù)據(jù)綜合服務(wù)和移動(dòng)多媒體服務(wù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)目前一共確定了四大3G標(biāo)準(zhǔn)，它們分別是由歐洲主導(dǎo)的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)、由美國(guó)高通公司主導(dǎo)的CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)、由中國(guó)主導(dǎo)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)和WiMAX標(biāo)準(zhǔn)。其中WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA的主要區(qū)別在空中接口部分，其余部分的網(wǎng)絡(luò)邏輯構(gòu)架基本一致。

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商，都建設(shè)有自己的城域網(wǎng)包括SDH和IP網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)接入的可移動(dòng)性要求不斷突現(xiàn)。傳統(tǒng)基站傳輸網(wǎng)的建設(shè)方案采用E1和ATM STM-1接口混用。BSC提供ATM的STM-1接口而B(niǎo)TS提供IMA E1接口，則BSC只需提供少量接口，BTS只需提供E1接口，使網(wǎng)絡(luò)變得簡(jiǎn)潔實(shí)用。

這個(gè)方案是目前運(yùn)營(yíng)商普遍接受的方式，如圖3所示。采用這種方法面臨了在BSC與BTS間必須進(jìn)行ATM信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)E1到ATM STM-1間的轉(zhuǎn)換。一種方法是在BSC側(cè)進(jìn)行處理，在BSC處提供一個(gè)ATM交換機(jī)，E1在ATM交換機(jī)上終結(jié)，并提供STM-1信號(hào)進(jìn)入BSC。但是這種方式需要獨(dú)立的ATM設(shè)備，使BSC與BTS間存在TDM傳輸層和ATM處理層，需要提供獨(dú)立的ATM網(wǎng)管系統(tǒng)，ATM設(shè)備與傳輸設(shè)備間大量的E1/STM-1連接，并且無(wú)法解決傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用問(wèn)題。而ATM交換機(jī)本身價(jià)格較高，加上大量的E1連接和預(yù)留接口，使整個(gè)方案變得十分昂貴而難以實(shí)施。

圖3 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

而GPON和MSTP的產(chǎn)品都提供多種業(yè)務(wù)接口和處理能力，靈活地支持ATM，IP，TDM業(yè)務(wù)，可以解決ATM和E1轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的多業(yè)務(wù)傳輸能力的同時(shí)，極大地提高了設(shè)備集成度，具有很好的性能價(jià)格比，GPON對(duì)3G基站接入示意圖如圖4所示。

圖4 GPON對(duì)3G基站接入示意圖

3 GPOM應(yīng)用于3G傳輸?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)

GPON應(yīng)用于3G基站傳輸，與傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)相比較，有很多明顯優(yōu)勢(shì)[7-10]:

(1) 3G基站業(yè)務(wù)傳輸?shù)慕涌陬?lèi)型為1~4個(gè)E1或FE接口。采用GPON作為移動(dòng)基站與控制系統(tǒng)之間的傳輸系統(tǒng)，一方面可以在基站側(cè)提供多業(yè)務(wù)的接入，除了基站本身傳輸需要的E1鏈路，而且可以提供數(shù)據(jù)IP接口，為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)展基站周邊的其他數(shù)據(jù)以及固定電話用戶(hù)提供了傳輸基礎(chǔ);另一方面，在3G移動(dòng)通信中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的比例越來(lái)越高，需要的鏈路資源也越來(lái)越多，越來(lái)越靈活，GPON可以在單芯光纖上提供多條E1和IP數(shù)據(jù)接口，完全滿(mǎn)足傳輸需要。

(2) 從接入網(wǎng)光纜結(jié)構(gòu)看，GPON系統(tǒng)從出局的單芯光纖，最后可分支到32/64個(gè)終端ONU，并采用波分復(fù)用的技術(shù)上下行業(yè)務(wù)公用一根光纖，極大節(jié)省了資源。光纖考慮備份只需要2根光纖，而MSTP接入環(huán)至少要4根光纖，PDH則一個(gè)接入點(diǎn)至少一對(duì)光纖。傳輸帶寬GPON>MSTP接入環(huán)>PDH，光纖資源消耗則GPON相對(duì)較少。

(3) GPON的投資成本與MSTP相比較，ONU與MSTP接入設(shè)備價(jià)格相當(dāng)接近，局端則要增加一臺(tái)較昂貴的OLT設(shè)備。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，MSTP設(shè)備價(jià)格已經(jīng)沒(méi)有下降的空間，而GPON系統(tǒng)隨著產(chǎn)品的不斷成熟，芯片集成度的提高及應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，價(jià)格下降空間非常大。再考慮到GPON的高帶寬及節(jié)省光纖管道資源，GPON的性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)高于MSTP技術(shù)。

當(dāng)然，GPON主要定位是在接入層的應(yīng)用，在傳輸上與MSTP相比，存在明顯的劣勢(shì)[7-10]:

首先在傳輸保護(hù)方面，GPON的保護(hù)機(jī)制比MSTP要簡(jiǎn)單得多，保護(hù)效果也不如MSTP好;目前發(fā)展得還不完善，因此，單純依靠GPON進(jìn)行保護(hù)，可靠度低。其次GPON采用無(wú)源光分配網(wǎng)，覆蓋距離有一定的限制，這方面MSTP接入環(huán)的隨意度要大得多。在網(wǎng)絡(luò)融合方面，運(yùn)營(yíng)商在骨干、匯聚層均采用了MSTP的傳輸網(wǎng)絡(luò)，在接入層若采用同樣的MSTP技術(shù)，在集中網(wǎng)管、方便維護(hù)調(diào)度、降低維護(hù)成本方面具有積極的意義。此外，GPON標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)較晚，技術(shù)沒(méi)有MSTP成熟，產(chǎn)品廠家提供少，GPON不具備大規(guī)模使用的條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

GPON無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬、QoS的全業(yè)務(wù)接入、支持TDM業(yè)務(wù)、簡(jiǎn)單高效的適配裝置和強(qiáng)大的OAM能力等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)綜合化、寬帶化的理想技術(shù)。由于GPON目前主要用于FTTH和無(wú)線通信基站的回程連接，在我國(guó)大面積部署FTTH的時(shí)機(jī)還沒(méi)有來(lái)到。因此建議運(yùn)營(yíng)商不妨對(duì)GPON做可小規(guī)模部署試驗(yàn)，一方面等待GPON產(chǎn)品價(jià)格繼續(xù)下降，另一方面看是否有新技術(shù)出現(xiàn)。目前許多運(yùn)營(yíng)商仍認(rèn)為GPON相關(guān)芯片、組件與設(shè)備的價(jià)格仍屬偏高，尤其是OLT(光終端設(shè)備)端的價(jià)格仍相當(dāng)貴。價(jià)格確實(shí)是左右運(yùn)營(yíng)商是否會(huì)采用GPON技術(shù)的關(guān)鍵，但隨著傳輸內(nèi)容多樣性、復(fù)雜性不斷提升，帶寬的需求將越發(fā)激烈下，GPON的價(jià)格可相對(duì)降低，將會(huì)大大促進(jìn)運(yùn)營(yíng)商采用GPON的接入技術(shù)。

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