GPON+PTN技术在移动回传网中的应用研究

黄 寅 ，李广成

（1.武汉邮电科学研究院 光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2.烽火国际技术有限责任公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

电信业务分组化是业界主流的发展趋势，在移动通信领域，如何实现高带宽，丰富数据体验的3G无线基站业务高效传送，高QoS，安全承载和电信级监控管理是当前必须考虑的重要问题。SDH作为电信级传送技术拥有端到端管理、监控、业务调度和保护等优势，但带宽静态分配是其中重大缺点。以太网的带宽效率高、成本低，但存在带宽没有保证，监控管理困难，缺乏完善的保护机制，无法传递始终等缺陷。今后的IP化基站传送需要一种能够高效传递分组业务，并提供电信级OAM和保护的分组传送技术[1]。分组传送网（Packet Transport Network，PTN）技术继承了SDH电信级网络和以太网高效统计复用的优点，以分组的内核实现端到端业务调度、监控保护、QoS保证等类似SDH的电信级性能。PTN具有面向连接的特征，相比于面向无连接、尽力而为的IP RAN技术，PTN能够提供更可靠的语言通信服务，是未来承载3G基站回传的较好选择。

随着业务的发展，移动业务对运营商在室内覆盖方面也提出了更多的要求。根据日本运营商的统计，在该国3G网络的建设中，室内的移动数据业务占全部业务的70%以上。专家预测，在未来占总覆盖区域20%的室内区域将发生90%的业务量。在这种情况下，传统的传送手段已难以满足深度的覆盖要求。

利用GPON技术的多业务承载能力，FTTx网络可以用来作为移动承载网的最后几公里，以替代昂贵的PTN设备。利用单光纤伸入接入基站，灵活接入光纤到户网络覆盖范围内的移动基站，能节省运营商的光纤资源，有效降低运营商的建网及运营成本[2]。特别是FTTx接入网络在线路部分全部采用无源设备，能大大降低线路施工部署的难度，而且终端ONU体积很小，适用于建筑密集地区的基站接入。因此在未来的3G网络建设中，GPON+PTN将是一个合适的发展方向。

1 GPON接入技术简介

目前主流的FTTx接入技术有EPON和GPON两种。其中，GPON在传输速率、分光比、带宽效率等方面都要优于EPON，是大多数运营商的选择。

GPON接入技术具有高带宽、多业务、低成本以及部署方便等优点。将GPON技术应用于移动回传网络的引入层，发挥其全业务接入的特点，在承载移动回传业务的同时，也为家庭用户提供语音电话、宽带连接和CATV接入，将移动回传网、固定电话网、宽带接入网、有线电视网融合，实现真正的三网合一，从而大大降低网络整体的拥有成本和维护费用。

GPON可以通过光纤将多个基站、微基站或家庭基站的数据汇聚到一起，再上联到接入层。图1为GPON无线接入网络的结构。局端的OLT与城域网的接入层设备连接，远端的ONU连接移动基站（BS）或市内的家庭基站，OLT和ONU之间的ODN由无源光分路器POS和光缆构成。目前OLT侧的每个GPON接口可以通过最大1∶64的分路比连接64个终端设备，而且传输距离可以达到20 km，足够满足城市中高层建筑的深度覆盖。

图1 GPON无线接入网络结构

如图2所示，GPON信号的下行采用广播方式。无源的分路器不对下行GPON帧进行处理，而是将其以广播方式发送至每个ONU处。

图2 下行方向传输方式

GPON的上行方向采用时分复用方式。在OLT通过特定的算法，给每个ONU分配一个单独的时隙，每个ONU只能在分配到的时隙内上传，这样防止了各ONU的数据在POS汇聚时产生冲突。如图3所示。

图3 上行方向传输方式

2 GPON基站回传技术的前景

家庭基站（Femto Cell）是一种毫微微蜂窝基站，主要面向住宅或企业环境。它使用IP协议，通过现有的宽带网络（如xDSL或FTTx）接入，远端由专用的网关通道移动网络连接。它的大小通常与ADSL Moderm相似，安装方便，能支持自动配置、自动网规、即插即用等操作。有的Femto Cell还能支持PoE，直接使用以太网线供电。家庭基站有适用CDMA，GSM，UMTS，TD-SCDMA等各种标准和支持2G，2.5G，3G的产品，与室外基站的制式和频段相同，各种手机和移动终端可以通用。家庭基站只有一个载波，发射功率为10～100 mW，覆盖面积为100～200 m2，支持4～6个活动用户，支持的运动速度为10 km/h。

调查显示，欧洲20%～40%的移动电话通话发生在室内，美国为40%～50%，在中国则是60%，用户在室内完全可以不用手机，可采用WiFi等非常便宜甚至是免费的通信手段，如果手机运营商不提供一个室内通话的经济方式，可能会丧失几乎一半的市场[3]。这迫使运营商通过家庭基站减少网络负载和可替换回程路由，提供更好的室内覆盖，并降低成本，而无须WiFi/蜂窝双模手机。未来运营商在城市中将对家庭基站进行大量部署。

GPON技术不仅仅只适用于家庭基站的接入，同样适合普通基站和其他无线设备的接入。未来的城市中将遍布各种无线设备，无线网络将采用垂直分层的体系架构。从城市上层的普通基站到中层的家庭基站，再到底层的无线WiFi设备，对所有的节点都使用纯PTN上联成本将十分高昂，而且存在机房空间、线路施工等各种困难。用以取代xDSL的GPON技术以其成本低廉、部署方便等优点，能高效、可靠地提供各种节点的接入回传，在城市深度覆盖方面发挥至关重要的作用。

3 GPON+PTN的组网方式

目前，国内TD-SCDMA建设主要使用的是纯PTN上联方式，基站通过FE口直接与PTN环网节点相连接。而GPON作为基站回传方式与PTN的基站回传方式属于一种相互补充。在微基站回传和城市深度覆盖方面，GPTN+GPON的方案为纯PTN组网实现基站回传功能的一个有力补充，甚至成为未来的主流应用。

由于现有的2G承载网络大多还是基于SDH/MSTP，因此光局端机（OLT）还需要支持TDM接口上联。在未来GPON+PTN回传网络的建设中，OLT的上联方式主要有TDM/IP双平面上联和纯IP上联两种。

3.1 TDM/IP双平面上联组网

如图4所示，在这种组网方式中，OLT及其ONU需要支持SDH/GE的MSTP和TDM/IP双平面，BTS/Node B的E1（可能是多个），FE端口都接入ONU，PON口提供BTS/Node B的TDM、数据等业务的统一承载。而OLT上行的3G数据业务通过GE业务接入PTN网络，TDM语音业务、OAM等通过STM-1接口接入SDH传输网。

图4 TDM/IP双平面上联组网

这种组网方式采用SDH网络传输语音业务，能满足语音业务高质量、高可靠性的要求，同时也能满足数据业务长期发展的需要。但OLT上行需要SDH和PTN两张网络同时承载，相对成本较高，适合已经建设了2G/2.5G网络，但是需要大幅提高数据业务承载能力的地区，或者是2G/3G共存网络的建设[4]。

3.2 全IP组网

如图5所示，在这种组网方式中，BTS/Node B的E1（可能是多个），FE端口都接入ONU，PON提供BTS/Node B的TDM、数据等业务的统一承载。而OLT上行业务则统一使用GE/10GE端口全部接入PTN承载网。需要在BSC/RNC侧设置PWG网关，BTS/RNC之间全部由IP网络承载，TDM语音业务采用CES伪线仿真技术通过IP包承载。

图5 全IP组网

这种方式所有业务统一使用IP网络承载，具有很强的可扩展性。但是TDM业务采用CES伪线仿真机制，这对于PTN设备和OLT设备的三层交换功能提出更高的要求，适合于新建的3G网络，并且数据业务已经发展成熟。

3.3 时间方案

根据OLT时间获取方式，GPON+PTN的时间方案可分为全网1588时钟同步和本地GPS时钟同步两种应用场景[5]。

3.3.1 全网1588时钟获取方式

全网1588时钟获取方式需要通过城域网引入1588V2时间源，从中提取时间信息，并通过GPON线路传递到ONU设备，ONU设备再通过GE/FE的1588V2传递给基站，如图6所示。这种方式需要城域网设备都支持1588V2协议，不然很难达到时间精度要求。

图6 全网1588时钟获取方式

3.3.2 本地GPS时钟同步

本地GPS时钟获取方式需要在OLT机房安装GPS接收机，通过1PPS+ToD接口给OLT设备提供时间信息。如图7所示。

图7 本地GPS时钟获取方式

根据ONU与基站连接方式，可分为TDM电路、分路和纯IP共3种场景。

1）基站同步时钟从E1/T1线路获取，一般宏蜂窝基站采取上述组网方式，如图8所示。

图8 基站从E1/T1线路获取时钟

2）PON承载TD室外分站时，推荐组网如图9所示，基站与ONU设备同时通过E1和以太网连接，这时同步时钟仍然可以从E1/T1线路中提取。

图9 双上联时基站从TDM线路获取时钟

3）当GPON承载Femto终端时，由于Femto站点位于终端用户室内，不方便安装GPS接收机，可以通过1588V2在ONU和Femto站点间同步时间信息，如图10所示。

3.4 应用案例

目前GPON+PTN的移动回传方案在某些国家和地区已经开始商用。

图10 通过1588V2同步时间信息

图11是中东地区运营的GPON回传网络实例。在传输层面，使用PTN设备构建城域传输网络。在接入层，GPON作为全业务接入设备，在提供普通移动基站和各种微型基站接入业务的同时，也为家庭和企业用户提供语音、数据、CATV三网合一的接入服务，这种应用极大减少了设备种类，能够节约大量的设备成本、施工成本和后期的维护成本。

图11 阿联酋GPON基站回传网络模型

4 小结

PTN和GPON在传输和接入方面都是非常优秀的技术，各种标准已经十分成熟，都开始了大规模的建设。但是两者的融合还处在发展阶段，标准上还需要进一步的完善，离运营商广泛接受还有一定的时间。随着FTTx接入网络逐步取代xDSL以及家庭基站技术的成熟，相信GPON+PTN网络大规模部署的日子已经不再遥远。

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

[2]龚倩，徐荣，李允博，等.分组传送网[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[3]杨武，孙鹏.PON支撑移动网络的持续演进[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]胡卫，张届新，马钰璐.PTN在3G传送网中的应用研究[EB/OL].[2010-12-07].http：//www.cww.net.cn/cwwMag/html/2009/4/7/20094 71541347103.htm.