PON系统承载多业务的技术探讨

sdanny

引言 　　从2007年开始，国内各大固网运营商均宣布开始实施“光进铜退”发展策略，即缩短网络中的铜缆长度，将光纤进一步向用户延伸，通过建设FTTx（光纤到某处）逐步使用光缆替代传统铜缆接入网中的干线段、馈线段、分线段和入户线段，把目前以铜缆为主要传输媒质的接入网演进为以光纤为主要传输媒质的宽带光接入网，最终实现FTTH（光纤到户）。图l为宽带接入网中的光缆工程模型。

　　FTTx（光纤到某处）是对宽带光接入网各种形态的一种统称，宽带光接入网中光纤可以是惟一的传输媒质或者为主干传输媒质。根据光纤所到达的物理位置不同，FTTx存在多种应用类型，一般可分为以下几种：
　　（1）光纤到交接箱（FibertotheCabinet，FTTCab）；
　　（2）光纤到楼宇／分线盒（FibertotheBuilding／ Curb，FTTB／C）；
　　（3）光纤到企业／办公室（FibertotheOffice，FTTO）；
　　（4）光纤到家庭用户（FibertotheHome，FTTH）。
　　在“光进铜退”策略的实施过程中，PON技术被认为是建设FTTx的最主要的宽带接入技术，这使得以 EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork，以太网无源光网络）和GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network，吉比特无源光网络）为代表的宽带PON技术终于开始摆脱“雷声大、雨点小”的尴尬状态，并在国内开始得以一定规模的网络部署。
2 宽带多业务的需求
　　“光进铜退”策略的提出和实施，究其原因，除了铜缆网络建设成本急剧上升使运营商难以承受外，最主要的原因是来自宽带多业务，特别是以标清／高清视频业务为代表的高带宽业务对接入带宽需求的快速增长。目前，我国宽带业务仍以高速互联网接人为主，但在核心网络的演进、各种应用的不断开发、家庭网络的启动部署等因素的推动下，宽带业务必将从单一的互联网接人向复合型的组合业务演化。
　　按照客户类型的不同，接入网的用户大致可分为商业客户和家庭用户两大类，二者对业务类型、带宽需求存在极大区别。对于商业客户，业务需求以IP专线或TDM专线业务（如El专线）为主，业务类型比较单一，带宽需求一般相对较高，如IP专线业务的典型带宽需求为10M，甚至100M。对于家庭用户，从目前的互联网应用发展趋势来看，IPTV（流媒体），视频通信，VoIP，高速上网，lPVPN等是互联网发展中极具潜力的应用类型。在这些业务中，提供MPGE4编码方式的标清IPlV，业务需要2～3M左右的带宽，提供一套高清IPTV业务将需要5～6M以上的带宽，将来如果需要具备同时提供两套高清节目的能力则需要lob 12M的带宽。因此，家庭用户接入带宽需求增长的主要贡献将来自于视频业务的发放。目前，业界达成的基本共识是：在3年内，网络应具有提供每个家庭用户下行4～18M和上行2～4M实际带宽的能力；在远期，应具备提供下行10～30M和上行4～10M实际带宽的能力。
3 PON系统承载宽带多业务的技术
　　面对未来复合型组合业务的接入需求，PON技术以其天然具有的高带宽、全业务接入能力成为发展 FTTx的主流技术。
　　（1）ONU设备形态
　　PON系统中的用户端设备称为ONU（Optical NetworkUnit，光网络单元），FTTx应用场景的复杂性，直接导致了FTTx网络中ONU设备形态的多样性。按照业务接口类型和数量的不同，0NU可分为SFU， SBU，MDU和MTU等类型。
　　当采用FTTB／C方式建设光接入网时，每个0NU 需接人多个独立用户，此时的ONU被称为 MDU／MTU（Multi．DwellingUnit／Multi-TenantUnit，多住户单元／多租户单元）。MDU／MTU可提供8／16／24 个FE接口，或者提供24／48／96个DSL接口，入户线为 5类线或双绞线。为了满足用户对语音业务的需求， MDU／MTU还可以提供POTS接口，按l：1比例同时提供宽带数据业务和窄带语音业务。此外，为了满足商业客户对TDM业务的需求，有些MDU／MTU还可以提供2／4／8个El接口。
　　当采用FTTH／FTT0方式建设光接入网时，每个 ONU仅接入一个用户，此时的ONU被称为SFU／SBU （SingleFamilyUnit／SingleBusinessUnit，单个家庭用户单元／单个商业用户单元）。SFU／SBU一般提供l42 个FE接El，还可以提供l～2个POTS接口来提供窄带语音业务。当为商业客户提供服务时，SBU还可以提供少量El接口。
　　（2）组播业务的提供
　　按照PON协议，虽然OLT和ONU之间的下行通道采用广播方式传递数据，但每条数据传输逻辑通道（EPON中的LLID，GPON中的GEMPort）仅属于某一个0NU，当0NU接收到标识为其他ONU的数据时应丢弃该数据，从而保证了用户数据的正确转发和安全隔离。在单播传输方式下，OLT会把下行广播报文复制N份并分发到多个数据传输逻辑通道传送到 ONU。但为了更高效地传输组播业务，节省系统带宽， PON系统提供了一种特有的数据传输方式，即SCB （SingleCopyBroadcast，单拷贝广播）。
　　SCB技术是在OLT和ONU之间建立一条特殊的允许所有ONU从中合法接收数据的数据传输逻辑通道。在转发组播业务时，即使多个ONU点播了同一节目，OLT仍然只发送一份组播媒体流数据拷贝进入 SCB逻辑通道，所有ONU均接收同一份数据，即l份业务带宽可为N个用户提供服务，由此节省了大量的系统带宽。对于高清视频等高带宽需求的业务来说， SCB技术带来的带宽节省效果愈加显著。为了便于管理，PON系统要求在每个PON口下仅有惟一的一个 SCB数据传输逻辑通道，所有组播媒体流数据均在同一个逻辑通道中传输，如果需要区分隔离，可通过使用不同的VLANID来标识和区分。此外，需要注意的是，SCB数据传输逻辑通道是一条单向（仅下行）通道，仅用于传输下行组播媒体流，上行组播协议报文仍然利用单播通道进行传输。
　　运营商在推送IPTV组播业务时，节目权限管理是必须的，无点播权限的用户应该无法获取相应节目。目前，提供IPTV组播业务有两种可能的方式。
　　一种方式是接入设备仅提供物理传输通道，并通过IGMPProxy或IGMP Snoopin9协议实现组播组成员的管理，用户节目权限管理则由STB（Set．TopBox．机顶盒）和口TV业务平台来实现。
　　另外一种方式是接人设备基于IGMP控制报文携带的用户标识信息进行用户鉴权，并通过PON系统内的控制消息控制ONU对组播数据报文的转发。对于传统的DSL设备，用户权限数据保存在DSLAM 上，DSLAM对IGMP报文进行用户鉴权后决定是否复制分发媒体流到各用户独享的DSL线路，无节目权限的用户即使点播了该节目，DSLAM也不会向其转发节目流，通过物理链路隔离的方式杜绝了用户接收无权限节目的可能性，由此实现组播业务的权限管理。但PON系统共享传输媒质和利用SCB技术传输组播业务的技术特性，导致所有ONU（包括点播了无权限节目的ONU，或者根本没有点播节目的ONU）均能从MAC层接收到组播媒体流，这给组播节目权限控制带来了新的问题。下面描述了PON系统实现组播业务权限管理的一种方式：
　　●OLT维持一个用户组播业务权限控制表，集中管理用户的组播业务访问权限；
　　●OLT基于IGMP控制报文携带的用户标识信息进行用户识别，并基于组播权限控制表判断该端口（用户）是否具有所申请组播业务的访问权限及其参数；
　　●OLT通过系统内部的管理消息将端口（用户）对该组播频道的访问权限下发到ONU，并由ONU实行对该端口（用户）组播业务流的转发或关断操作。
　　对于MDU／MTU类型的ONU，上面所描述的由 OLT实行的组播权限管理功能将下移至ONU上实现。此时，PON系统自身的管理协议（如OMCl，OAM 消息）已经不能支撑如此大量的ONU配置管理信息， SNMP协议可能是更好的一种方式。
　　（3）语音业务的提供
　　PON系统通过在ONU上内置AG或lAD功能模块来提供窄带语音业务，支撑的协议可以是SIP， MGCP或H.248等协议。
　　（4）TDM业务的提供
　　TDM业务在商业客户中仍有着较高的市场吸引力，这是由TDM业务的高等级服务质量决定的。PON 系统一般采用CESoP（Circuit Emulation Service over Packet，分组网电路仿真业务）方式来提供TDM业务的接人，具体实现技术有两种，分别是IETF（Intemet EngineeringTaskForce）的PWE3（PseudoWireEmula tion，伪线仿真）方式和MEF（MetroEthemetForum，城域以太论坛）的MEF8方式。GPON系统还支撑一种特有的Native方式来接入TDM业务，该方式也称为 TDMoverGEM方式，是一种把TDM数据直接封装到 GEM帧净荷中进行传输的方式。
　　（5）多业务差异化服务能力
　　PON网络可同时承载包括TDM数据专线，VolP 语音，IPTV视频和Intemet上网业务在内的多种业务，这些不同类型的业务对服务质量的要求存在极大差异。
　　毫无疑问，对于TDM业务，要求承载网络能够绝对保证其低延时、无误码，PON系统通过预留固定带宽、短帧封装的技术来满足TDM业务的这种要求。
　　对于IP业务，目前PON设备主要是通过保证数据传输逻辑通道的QoS来间接为不同业务类型提供差异化服务功能。由于逻辑通道仅存在于0LT和 ONU之间，因此为了实现全网的QoS，ONU会根据业务类型的不同通过802.1P技术为数据帧添加不同的优先级标识，此时需要ONU具有业务感知和区分的能力，并具有针对不同业务类型进行QoS标记能力。
　　PON对多业务的承载，目前主要有多逻辑通道和单逻辑通道两种解决方案，逻辑通道在EPON系统中是LLID，在GPON系统中是GEMPort／T-CONT。多逻辑通道方案需要为每种业务分配不同的逻辑通道；单逻辑通道方案是多种业务共享一个逻辑通道。在多逻辑通道方案中，每类业务被标识上不同的802.1P标记后分别通过不同的逻辑通道进行传送。PON系统为每个逻辑通道绑定一定的QoS等级标识，并通过SP （StrictPriority，严格优先级）和WRR（WeightedRotmd Robin，加权轮询）等调度策略来保证QoS。在单逻辑通道方案中，各种业务应用承载于同一逻辑通道中，在 PON层上无法区分业务服务等级，只能通过802.1P技术在Layer2上提供差异化服务能力。
4 多业务承载与VLAN规划
　　VLAN规划是运营商组网应用时重点关注的问题之一，除了能够保证用户信息的安全隔离，VLAN 在很多情况下还起着区分标识业务类型的作用。
　　下面给出FTTB应用中几种可能的VLAN规划方式。
　　（1）场景1：FFTB+MDU单边缘多业务接入场景
　　如图2所示，在FTTB+MDU单边缘多业务接入场景下的VLAN处理原则为：
　　●家庭网关基于业务类型划分VLAN；
　　●ONU实行VLAN转换功能，处理单播业务时基于用户划分VLAN；
　　●组播协议报文和媒体流分别划分到不同 PON—OLT PON．MDU

图2 FTTB+MDU单边缘多业务接入场景下的VLAN规划

　　VLAN中，所有用户使用相同的组播媒体流VLAN；
　　OOLT为上行单播业务添加STAG。
　　（2）场景2：FTTB+MDU多边缘多业务接入场景a
　　如图3所示，在FTTB+MDU多边缘多业务接入场景a下的VLAN处理原则为：
　　●家庭网关基于业务类型划分VLAN；
　　IONU实行VLAN转换功能，并基于业务划分 VLAN；
　　●组播协议报文和媒体流分别划分到不同 VLAN中．所有用户使用相同的组播媒体流VLAN；

图3 FTTB+MDU多边缘多业务接入场景a下的VLAN规划

　　●OLT透传VLAN。
　　（3）场景3：FTTB+MDU多边缘多业务接入场景b
　　如图4所示，在FTTB+MDU多边缘多业务接人场景b下的VLAN处理原则为：
　　●家庭网关基于业务类型划分VLAN；
　　●ONU实行VLAN转换功能，对上网业务基于用户划分VLAN，对VolP业务和IPTV业务基于业务划分VLAN；
　　●组播协议报文和媒体流分别划分到不同 VLAN中：
　　●OLT为上网业务添加STAG，并透传其他业务 VLAN。

图4 FTTB+MDU多边缘多业务接入场景b下的VLAN规划

5 结束语
　　为了满足未来各种新业务发展的需要，PON系统需具有多业务承载、差异化服务的能力。相信经过一段时间的实际网络部署，运营商会获得更多的网络运营经验和商业模式经验，使PON设备和网络在逐步发展和完善中更好地为用户提供各种差异化服务。