GPON+PTN技術在移動回傳網中的應用研究

黃 寅 ，李廣成

（1.武漢郵電科學研究院 光纖通信技術和網絡國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.烽火國際技術有限責任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

電信業務分組化是業界主流的發展趨勢，在移動通信領域，如何實現高帶寬，豐富數據體驗的3G無線基站業務高效傳送，高QoS，安全承載和電信級監控管理是當前必須考慮的重要問題。SDH作為電信級傳送技術擁有端到端管理、監控、業務調度和保護等優勢，但帶寬靜態分配是其中重大缺點。以太網的帶寬效率高、成本低，但存在帶寬沒有保證，監控管理困難，缺乏完善的保護機制，無法傳遞始終等缺陷。今后的IP化基站傳送需要一種能夠高效傳遞分組業務，并提供電信級OAM和保護的分組傳送技術[1]。分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）技術繼承了SDH電信級網絡和以太網高效統計復用的優點，以分組的內核實現端到端業務調度、監控保護、QoS保證等類似SDH的電信級性能。PTN具有面向連接的特征，相比于面向無連接、盡力而為的IP RAN技術，PTN能夠提供更可靠的語言通信服務，是未來承載3G基站回傳的較好選擇。

隨著業務的發展，移動業務對運營商在室內覆蓋方面也提出了更多的要求。根據日本運營商的統計，在該國3G網絡的建設中，室內的移動數據業務占全部業務的70%以上。專家預測，在未來占總覆蓋區域20%的室內區域將發生90%的業務量。在這種情況下，傳統的傳送手段已難以滿足深度的覆蓋要求。

利用GPON技術的多業務承載能力，FTTx網絡可以用來作為移動承載網的最后幾公里，以替代昂貴的PTN設備。利用單光纖伸入接入基站，靈活接入光纖到戶網絡覆蓋范圍內的移動基站，能節省運營商的光纖資源，有效降低運營商的建網及運營成本[2]。特別是FTTx接入網絡在線路部分全部采用無源設備，能大大降低線路施工部署的難度，而且終端ONU體積很小，適用于建筑密集地區的基站接入。因此在未來的3G網絡建設中，GPON+PTN將是一個合適的發展方向。

1 GPON接入技術簡介

目前主流的FTTx接入技術有EPON和GPON兩種。其中，GPON在傳輸速率、分光比、帶寬效率等方面都要優于EPON，是大多數運營商的選擇。

GPON接入技術具有高帶寬、多業務、低成本以及部署方便等優點。將GPON技術應用于移動回傳網絡的引入層，發揮其全業務接入的特點，在承載移動回傳業務的同時，也為家庭用戶提供語音電話、寬帶連接和CATV接入，將移動回傳網、固定電話網、寬帶接入網、有線電視網融合，實現真正的三網合一，從而大大降低網絡整體的擁有成本和維護費用。

GPON可以通過光纖將多個基站、微基站或家庭基站的數據匯聚到一起，再上聯到接入層。圖1為GPON無線接入網絡的結構。局端的OLT與城域網的接入層設備連接，遠端的ONU連接移動基站（BS）或市內的家庭基站，OLT和ONU之間的ODN由無源光分路器POS和光纜構成。目前OLT側的每個GPON接口可以通過最大1∶64的分路比連接64個終端設備，而且傳輸距離可以達到20 km，足夠滿足城市中高層建筑的深度覆蓋。

圖1 GPON無線接入網絡結構

如圖2所示，GPON信號的下行采用廣播方式。無源的分路器不對下行GPON幀進行處理，而是將其以廣播方式發送至每個ONU處。

圖2 下行方向傳輸方式

GPON的上行方向采用時分復用方式。在OLT通過特定的算法，給每個ONU分配一個單獨的時隙，每個ONU只能在分配到的時隙內上傳，這樣防止了各ONU的數據在POS匯聚時產生沖突。如圖3所示。

圖3 上行方向傳輸方式

2 GPON基站回傳技術的前景

家庭基站（Femto Cell）是一種毫微微蜂窩基站，主要面向住宅或企業環境。它使用IP協議，通過現有的寬帶網絡（如xDSL或FTTx）接入，遠端由專用的網關通道移動網絡連接。它的大小通常與ADSL Moderm相似，安裝方便，能支持自動配置、自動網規、即插即用等操作。有的Femto Cell還能支持PoE，直接使用以太網線供電。家庭基站有適用CDMA，GSM，UMTS，TD-SCDMA等各種標準和支持2G，2.5G，3G的產品，與室外基站的制式和頻段相同，各種手機和移動終端可以通用。家庭基站只有一個載波，發射功率為10～100 mW，覆蓋面積為100～200 m2，支持4～6個活動用戶，支持的運動速度為10 km/h。

調查顯示，歐洲20%～40%的移動電話通話發生在室內，美國為40%～50%，在中國則是60%，用戶在室內完全可以不用手機，可采用WiFi等非常便宜甚至是免費的通信手段，如果手機運營商不提供一個室內通話的經濟方式，可能會喪失幾乎一半的市場[3]。這迫使運營商通過家庭基站減少網絡負載和可替換回程路由，提供更好的室內覆蓋，并降低成本，而無須WiFi/蜂窩雙模手機。未來運營商在城市中將對家庭基站進行大量部署。

GPON技術不僅僅只適用于家庭基站的接入，同樣適合普通基站和其他無線設備的接入。未來的城市中將遍布各種無線設備，無線網絡將采用垂直分層的體系架構。從城市上層的普通基站到中層的家庭基站，再到底層的無線WiFi設備，對所有的節點都使用純PTN上聯成本將十分高昂，而且存在機房空間、線路施工等各種困難。用以取代xDSL的GPON技術以其成本低廉、部署方便等優點，能高效、可靠地提供各種節點的接入回傳，在城市深度覆蓋方面發揮至關重要的作用。

3 GPON+PTN的組網方式

目前，國內TD-SCDMA建設主要使用的是純PTN上聯方式，基站通過FE口直接與PTN環網節點相連接。而GPON作為基站回傳方式與PTN的基站回傳方式屬于一種相互補充。在微基站回傳和城市深度覆蓋方面，GPTN+GPON的方案為純PTN組網實現基站回傳功能的一個有力補充，甚至成為未來的主流應用。

由于現有的2G承載網絡大多還是基于SDH/MSTP，因此光局端機（OLT）還需要支持TDM接口上聯。在未來GPON+PTN回傳網絡的建設中，OLT的上聯方式主要有TDM/IP雙平面上聯和純IP上聯兩種。

3.1 TDM/IP雙平面上聯組網

如圖4所示，在這種組網方式中，OLT及其ONU需要支持SDH/GE的MSTP和TDM/IP雙平面，BTS/Node B的E1（可能是多個），FE端口都接入ONU，PON口提供BTS/Node B的TDM、數據等業務的統一承載。而OLT上行的3G數據業務通過GE業務接入PTN網絡，TDM語音業務、OAM等通過STM-1接口接入SDH傳輸網。

圖4 TDM/IP雙平面上聯組網

這種組網方式采用SDH網絡傳輸語音業務，能滿足語音業務高質量、高可靠性的要求，同時也能滿足數據業務長期發展的需要。但OLT上行需要SDH和PTN兩張網絡同時承載，相對成本較高，適合已經建設了2G/2.5G網絡，但是需要大幅提高數據業務承載能力的地區，或者是2G/3G共存網絡的建設[4]。

3.2 全IP組網

如圖5所示，在這種組網方式中，BTS/Node B的E1（可能是多個），FE端口都接入ONU，PON提供BTS/Node B的TDM、數據等業務的統一承載。而OLT上行業務則統一使用GE/10GE端口全部接入PTN承載網。需要在BSC/RNC側設置PWG網關，BTS/RNC之間全部由IP網絡承載，TDM語音業務采用CES偽線仿真技術通過IP包承載。

圖5 全IP組網

這種方式所有業務統一使用IP網絡承載，具有很強的可擴展性。但是TDM業務采用CES偽線仿真機制，這對于PTN設備和OLT設備的三層交換功能提出更高的要求，適合于新建的3G網絡，并且數據業務已經發展成熟。

3.3 時間方案

根據OLT時間獲取方式，GPON+PTN的時間方案可分為全網1588時鐘同步和本地GPS時鐘同步兩種應用場景[5]。

3.3.1 全網1588時鐘獲取方式

全網1588時鐘獲取方式需要通過城域網引入1588V2時間源，從中提取時間信息，并通過GPON線路傳遞到ONU設備，ONU設備再通過GE/FE的1588V2傳遞給基站，如圖6所示。這種方式需要城域網設備都支持1588V2協議，不然很難達到時間精度要求。

圖6 全網1588時鐘獲取方式

3.3.2 本地GPS時鐘同步

本地GPS時鐘獲取方式需要在OLT機房安裝GPS接收機，通過1PPS+ToD接口給OLT設備提供時間信息。如圖7所示。

圖7 本地GPS時鐘獲取方式

根據ONU與基站連接方式，可分為TDM電路、分路和純IP共3種場景。

1）基站同步時鐘從E1/T1線路獲取，一般宏蜂窩基站采取上述組網方式，如圖8所示。

圖8 基站從E1/T1線路獲取時鐘

2）PON承載TD室外分站時，推薦組網如圖9所示，基站與ONU設備同時通過E1和以太網連接，這時同步時鐘仍然可以從E1/T1線路中提取。

圖9 雙上聯時基站從TDM線路獲取時鐘

3）當GPON承載Femto終端時，由于Femto站點位于終端用戶室內，不方便安裝GPS接收機，可以通過1588V2在ONU和Femto站點間同步時間信息，如圖10所示。

3.4 應用案例

目前GPON+PTN的移動回傳方案在某些國家和地區已經開始商用。

圖10 通過1588V2同步時間信息

圖11是中東地區運營的GPON回傳網絡實例。在傳輸層面，使用PTN設備構建城域傳輸網絡。在接入層，GPON作為全業務接入設備，在提供普通移動基站和各種微型基站接入業務的同時，也為家庭和企業用戶提供語音、數據、CATV三網合一的接入服務，這種應用極大減少了設備種類，能夠節約大量的設備成本、施工成本和后期的維護成本。

圖11 阿聯酋GPON基站回傳網絡模型

4 小結

PTN和GPON在傳輸和接入方面都是非常優秀的技術，各種標準已經十分成熟，都開始了大規模的建設。但是兩者的融合還處在發展階段，標準上還需要進一步的完善，離運營商廣泛接受還有一定的時間。隨著FTTx接入網絡逐步取代xDSL以及家庭基站技術的成熟，相信GPON+PTN網絡大規模部署的日子已經不再遙遠。

[1]Gigabit-capable passive optical networks（GPON）[EB/OL].[2010-12-07].http：//www.doc88.com/p-10753624607.html.

[2]龔倩，徐榮，李允博，等.分組傳送網[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]楊武，孫鵬.PON支撐移動網絡的持續演進[EB/OL].[2010-12-07].http：//www.docin.com/p-69199451.html.

[4]FATHALLAH H，LESLIE A R.Network management solution for PS/PON，WDM/PON and hybridPS/WDM/PON using DS-OCDM[EB/OL].[2010-12-07].http：//uwb.gel.ulaval.ca/en/events/Network%20 Management%20Solution%20for%20PS_PON，%20WDM_PON%20and%20Hybrid%20PS_WDM_PON%20using%20DS-OCDM.pdf.

[5]胡衛，張屆新，馬鈺璐.PTN在3G傳送網中的應用研究[EB/OL].[2010-12-07].http：//www.cww.net.cn/cwwMag/html/2009/4/7/20094 71541347103.htm.