基于GPON网络技术的移动系统传输网络改造研究

【摘 要】高层建筑中进行移动业务覆盖是现今全球运营商需要解决的系统性问题，目前最有效的方法就是建设室内分布系统，而千兆无源光网络（GPON）凭借着诸多优势而广泛应用于这一领域。本文结合千兆无源光网络（GPON）的工作机理，详细介绍了在高层建筑的室分系统中的传输网络改造中引入千兆无源光网络（GPON）技术，可供参考。

【关键词】千兆无源光网络；移动通信；传输网络；技术改造

千兆无源光网络（GPON）是一种面向下一代网络的接入技术，它具有速率高、传输距离长、效率高和可伸缩性强等关键优势。同时，GPON支持引入更高带宽的以太网新业务，并能低成本提供传统的语音服务。该技术正被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。随着城市化进程的加快，城市高层建筑数量也不断上升，城市人口越来越密集。如何在高层建筑中进行移动业务覆盖是现今全球运营商需要解决的系统性问题。下面，文章就基于千兆无源光网络（GPON）技术的移动系统数据传输网络改造进行探究。

1.GPON网络的工作原理

1.1 GPON 网络参考模型

PON 网络是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络；由光线路终端OLT、光网络单元ONU光分配网络ODN组成。

1.2 数据复用

GPON 系统采用WDM 技术，实现单纤双向传输。为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用以下两种复用技术：下行数据流采用广播技术；上行数据流采用TDMA 技术。

1.3 GPON 网络的保护倒换方式

（1）光纤备份方式特点；

（2）OLT 端口备份方式特点；

（3）全备份方式特点；

（4）混和备份方式特点。

2.带宽需求

GPON系统最高支持下行速率2.488Gbit/s，上行速率1.244Gbit/s，这是当前已商用接入网技术所能达到的最高速率，根据统计和查找，表1显示各业务在不同的环境下对带宽的需求情况。

下面按照上表的数据来进行一个计算：

假设一栋30层的电梯公寓住户数量为n户，每10层安装一套室分系统，则全楼需要3套室分设备。以上所有的业务只分配1个GPON接口，提供的有效带宽2Gbit/s。

3.多业务支持和安全

GPON采用GEM对多业务流实现简单、高效的适配封装。GEM提供了一种灵活的帧结构封装，支持定长和不定长帧的封装，对多种业务实现通用映射，不需要进行协议转换，实现过程简单，开销小，协议封装效率最高可达94%，实现了带宽资源的充分利用。

室分系统部署以后，原有宽带业务和移动业务将并存。通过流分类、VLAN划分等把各种业务进行区分和隔离，提供不同的优先级，对不同的业务分别进行运营管理。根据优先级、VLANID、业务类型等标记各种业务类型。按VLAN进行业务流分类，实现宽带业务与移动业务的隔离，不同的业务通知设置不同的优先级来满足不同类型的QoS保证。

对于下行采用广播方式的数据，为了防止被未授权的ONU获取，可以采用AES加密算法，对数据帧加密和加扰，确保GPON下行数据传输安全，防止数据窃听。

4.同步

由于各移动基站的覆盖范围都是有限的，特别是用于室内系统，更要控制其覆盖范围，那么当用户从大楼内向大楼外的移动过程中，业务要能及时切换到室外的宏基站上去，这个过程叫做切换。切换时要求各基站之间的频率和相位必须同步在一定范围之内，所以移动技术对于同步都有严格的要求。

在以GSM为代表的2G中，网络只需要频率同步，不需要时间同步。到了3G时代，出现了三种制式：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。其中，WCDMA也是只需要频率同步，不需要时间同步。而另外两种3G技术以及LTE不仅需要频率同步，也需要较高精度的时间同步。

对于同步一般可采用2种方法：

（1）可以采用全球卫星定位系统（GPS）实现同步。但GPS系统由美国军方开发和控制，存在一定的政治风险。现在，我国自主研发的卫星导航系统“北斗”卫星系统，目前已经开始上线运营，如果使用“北斗”卫星系统则不会出现上述政治风险。所以，可以使用北斗卫星系统进行授时和同步。

（2）采用类似SDH的同步原理，定时信息从OLT经过PON的光物理层传递到ONU；网络参考时钟从OLT侧输入，作为该PON网络的公共时钟源，ONU与该时钟源保持频率同步。此方案的时钟同步精度优于0.01×10-6，可以满足承载基站业务的频率同步要求。

5.自愈保护

在对PON进行工程部署时，一个值得考虑的问题就是如何对PON进行保护。众所周知，PON存在的意义和价值就是在解决高密度接入需求的同时保证低廉的建设成本。如果以类似SDH网络对PON进行深度1∶1或1∶1的保护，则从光缆资源角度PON就已经失去了其根本的特点和优势。那么如何在发挥PON网络的优势的同时，也能兼顾到业务的自愈保护呢？图4～6中列举了现网中所使用的3种拓扑结构方式。

（1）树型结构使用范围最为广泛，适用于接入用户密集分布的住宅区、商业区等高密度接入区域。对于新建PON以及需要大规模改造的区域，树型结构便于建设与维护，同时也方便网络的扩容。

（2）总线型结构使用的场景主要是城市交通监控摄像系统使用。其特点如电路中的串联电路，随着距离的延长，信号衰减会增长。并且一个光分镜的损坏会影响后面设备的正常工作。

（3）环形结构可以看成特殊的总线结构，其中光信号的传输方向可以分为顺时针和逆时针。环网主要使用场景为SDH接入环的改造，它能较好地兼容现有SDH光缆敷设特点。对于网络扩容，新增同级别的ONU将涉及到光缆割接问题，因此扩容投资成本较大，适合一次性大规模建设。

由于树型结构是现网宽带接入中使用最主要的一种方式。基于资源共用的目的，室分系统也只能使用这种以树形结构为主的网络结构。在具体使用中，应当根据实际需求进行适当改造，增强结构自愈保护的能力。

对于树型结构组网模式而言，网络最薄弱的环节在于其单一的分光器，OLT以及主干光缆的主干保护方式就是对主干部分的组成部分进行1+1的冗余，通过业务切换达到容错的目的。同时，对于连接移动基站设备的支路光纤以及分光器也要做到1∶1备份，所以可采用的网络结构来进行改造。

在以上两种优化结构中，对于原有的宽带接入用户，不需进行冗余改造。只是对于连接室分系统的ONU，才进行冗余改造，改造的拓扑结构图可以采用其中的一种进行。这样在网络建设过程中既控制了成本，也提供了足够的业务保护。

6.结束语

综上所述，千兆无源光网络（GPON）技术的优势是明显的。通过对千兆无源光网络（GPON）在业务带宽、多业务支持、同步以及自愈保护等几方面的分析，在高层建筑的室分系统中的数据传输通路引入PON网络，是完全可行的。通过改造，运营商可以充分利用以后的宽带接入的资源，避免了传输资源重复投资，快速高效、高质量部署好室分系统，效益十分明显，因此，我们有理由相信千兆无源光网络（GPON）技术的未来应该有很好的发展。

参考文献：

[1] 张奇.PON系统组网保护与优化应用的研究[J].电信科学，2009年第S2期

[2] 郎为民；靳焰；周明；杨宗凯.GPON体系结构研究[J].光学与光电技术，2006年01期