基于GPON 原理的城域传送体系研究*

曹 畅 ，张永军 ，张 杰 ，陈志云

（1.北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室（筹）北京100876；2.华为技术有限公司 深圳 518129）

1 引言

随着我国3G网络开通运营和LTE技术走向成熟，移动互联网中的网络浏览、视频播放、在线游戏等多种分组业务将导致网络带宽需求呈指数增长，网络设备亟需扩容和升级，大大压缩了营运商在城域接入侧的利润空间[1]。如何有效地促使网络结构朝着少节点、大局所的方向简化，降低设备投资和运营维护成本，同时还保证业务的电信级服务质量，是当前运营商所关注的问题[2]。

为了最大限度地保护现有投资，并适应分组业务持续增长的需要，多业务传送平台 （muti-service transfer platform,MSTP）技术得以迅速发展，并已成为城域网中的主流技术[3]。但是，MSTP技术由于没有实时的动态带宽调整机制，致使网络带宽利用率仍然较低，大带宽的按需分配（bandwidth on demand,BOD）业务难以满足[4]。因此，网络研究人员为解决该问题进行了很多尝试，就未来城域网的业务处理机制提出了两种选择[5～6]。第一种选择是网络（或子网）中各节点分别执行本节点的业务调度策略，通过引入智能控制平面，对不同的业务进行快速的连接建立与拆除，其代表就是分组传送网 （packet transport network,PTN）技术[7]。这样做的好处是当业务流量较为稳定时降低了处理的复杂度，减少网络开销，所以较适用于城域核心侧[8]。第二种选择是网络（或子网）中各节点定期上报各自业务的带宽请求，通过全网惟一的带宽计算单元来定期分配各个业务所使用的带宽，这样做的好处是网络能够对各节点业务的变化情况快速做出响应，所以较适用于城域边缘侧。就目前已提出的城域网技术而言，都还没有就第二种选择进行过尝试。而在接入网中，吉比特无源光网络（gigabit passive optical network,GPON）技术[9]通过 GPON封装方法（GPON encapsulated mode,GEM）对业务混合封装成帧，同时通过在OLT端的动态带宽分配（dynamic bandwidth allocation,DBA）计算单元来决定每帧中不同节点上行业务所占比例，其良好的传送特性已经在实际应用中得到了充分体现。受此启发，本文借鉴GPON中的DBA原理，将其各节点每帧上报带宽请求，全网统一分配带宽的特性应用于城域网中，提出基于GPON原理的城域传送体系（GPON-based transmission hierarchy,GTH）。该体系使语音、分组等多种类型的上层业务得到统一适配，并引入不同类型业务动态共享信道带宽，对带宽进行集中控制，以降低业务传输的复杂度，提高全网带宽利用率，同时保证不同类型业务的服务质量。

2 GTH技术介绍

城域传送技术GTH以速率恒定的数据帧传输为基础，全网统一分配资源为显著特征，其技术体系包括4大部分，分别是网络运行流程、适配结构、网络特性、DBA算法。前3个部分的技术目前已较为成熟，将在本节分别阐述。GTH中的DBA算法可以根据网络业务、应用场景的需要进行有针对性的选择，将在§3进行介绍。

2.1 GTH工作流程

GTH网络通过不同大小的传输通道层数据帧（T-CONT）在各个节点的上下路来完成业务转发，所有业务均承载在8 000帧/秒的GTH传输汇聚 （GTH transmission convergence,GTC）帧上。以环状网络拓扑为例，网络运行过程如图1所示，GTH网络（或子网）中有一个节点作为主节点，其余节点为从节点，其中主节点设有DBA计算单元，负责对该环上每个GTH节点不同业务的带宽集中计算与分配。GTH传送网的动态带宽分配基于T-CONT的数据帧结构传输数据，采用集中计算的方法，根据节点的实际业务流量控制节点的T-CONT的数量和长度来动态分配信道带宽。GTH网络的工作流程可分为如下的3个步骤。

(1)上行请求

各从节点每帧均在传输通道层T-CONT中上报本节点的带宽请求信息(DBR)，如图1所示，对于承载了n条业务的T-CONT，分别根据特定从节点业务缓存的情况，以字节为单位上报n个不同大小的带宽请求。这里的Alloc ID就是不同业务的标识。

(2)下行分配

各个从节点通过速率为8 000帧/秒的GTC帧获得DBA计算单元下发的带宽分配指令。该指令存在于GTC的带宽地图中，这里各个业务在下一GTC帧中的位置已经过全网的统一配置，例如，图1中Alloc ID为1和2的业务分配带宽均等于请求带宽，而Alloc ID为3的业务则是分配带宽小于请求带宽。

（3）业务上下

当GTC帧到达各节点时，节点通过T-CONT的加入和移除完成业务在每帧的上下。下到支路板的T-CONT又将会进一步解封装为不同的GEM业务，而上到线路板的T-CONT会进一步封装成帧，之后各节点又将请求上行带宽，以便进行下一帧的传输。

图1 GTH网络运行原理

2.2 GTH适配结构

GTH网络的适配机制如图2所示，在业务接口处，TDM、Eth等不同类型的业务，将映射到统一的业务适配层数据帧GEM，该帧结构与GPON中的GEM结构相同，也包括帧头和数据区。而帧头又包括净荷长度（PLI）、业务标识 （Port ID）、帧 类 型 （PTI）、头 校 验 （CRC）4 个 字 段 。与GPON中GEM帧相区别的是，GTH中GEM帧的业务标识可存在于所在环上的任何节点，与业务的源、宿标识相绑定，一起给出一个业务在网络中惟一的标识，从而可方便业务的调度，避免GPON体制中GEM帧仅用于接入层、点到多点的限制。

在业务通道层,将对业务适配层GEM帧进一步分类，将同一类型的业务适配层数据帧封装成一个相同的通道层数据帧T-CONT。对于每个T-CONT，可以按照所承载的业务类型和优先级相类似的条件设置为固定带宽(fixed bandwidth，FB)、带宽保证(assured bandwidth，AB)和尽力而为（best effort，BE）3个类型。其中FB类T-CONT主要承载TDM业务、SDH/SONRT业务、专线业务等对带宽需求确定，并且有着很高时延和抖动要求的业务，采用固定分配带宽的方式来保证传输不受其他业务的干扰。AB类T-CONT承载IPTV、VoIP等对带宽需求量大，时延和抖动敏感的业务，采用确保分配带宽的方式来保证其带宽分配不小于某一阈值，并在业务突发时给予更多的带宽支持。而剩下的Web浏览、E-mail等则可作为BE类T-CONT的承载业务进行处理，当网络带宽资源紧缺时适当减小这些业务的分配带宽，以保证其他更高优先级的业务。通道层数据帧包括通道层开销和数据区。通道层开销包括帧同步、通道标识和通道开销。数据区里的多个GEM帧，是根据业务类型、优先级和目的地址等原则来组成。

在传输汇聚层，通道层数据帧将进一步封装为物理层数据帧。物理层数据帧包括数据区和物理层开销区。其中，物理层数据帧的数据区由多个通道层数据帧组成，数量和时隙位置由每一帧的带宽分配情况获得。物理层开销包括物理层帧同步、物理层管理开销、带宽地图指示等。其中带宽地图指示是动态带宽分配模块针对数据区里多个T-CONT，用来指示它们的起始位置和结束位置的信息，可以选择以字节为时隙单位，下发到网络各节点，方便调整各T-CONT的分配时隙，实现动态带宽调整。之后，终结和再生所述物理层数据帧的开销，即可实现物理层数据帧在光路上的传输。从GTH的处理转发机制可以看出，各种上层业务在经过GEM适配后，直接到通道层T-CONT，然后由通道层直接到线路，简化了中间处理过程，从而大大降低了设备成本。

图2 GTH网络适配机制

2.3 GTH网络特性

GTH网络的OAM技术可参考SDH和MSTP实现。可通过在每个GTC帧中的物理层管理开销中引入BIP校验、信令通道、保护倒换协议字节、缺陷和性能指示等，方便网管主机对网络各节点的通信和管理、保护和倒换、故障告警和传送性能监控。生存性方面，同样支持环网保护，双向1+1、1∶1等功能。通过引入不同特性的DBA算法，GTH技术能够运用在环状、格状等多种网络形式中。考虑到当前城域网实际的架构，建议GTH的应用场景为城域网的边缘，以环形组网为主，并支持多级环嵌套组网。从当前实际需求来看，所承载的业务主要是2G/3G网络中的基站回传业务[10]，即汇聚型业务。

3 DBA工作原理与算法

首先，网络内各节点监测本地待发送的T-CONT的实际带宽需求；根据实际带宽需求及设定的带宽请求信息，一并通过带宽请求信息传输通道按设定的周期发送给主节点中的DBA模块。这里应注意带宽请求信息发送周期由各节点统一协商或者由网管统一配置，保证各节点的发送周期一致。当DBA模块获得一个数据帧中所有T-CONT的带宽请求信息后，根据设定的带宽分配算法依照网络现有的带宽资源、各节点业务类型、优先级等，进行判断、仲裁和分配各T-CONT带宽，即分配T-CONT的长度。之后，DBA模块会将带宽分配信息通过数据帧中传送带宽分配信息的子信道发送给多业务传送网中的各节点。所述的带宽分配信息包括T-CONT的编号和在数据帧中分配的起始和结束位置，即带宽地图，根据带宽地图即可得到分配的T-CONT的长度。

针对FB、AB和BE类业务的不同需要，GTH网络中的DBA机制可以区别对待。对FB类T-CONT，每回请求和分配的带宽都是一个固定值，可以通过外部网管系统来进行手工配置。对于AB和BE类T-CONT，事先在外部网管系统中配置每个业务所需带宽的最大值 （PIR峰值）和最小值（CIR谷值），然后通过对各节点上行的T-CONT大小在峰值和谷值之间进行控制来完成动态DBA分配。就带宽分配算法而言，可以在确保业务传送质量的前提下根据实际网络状况进行选择或自行设计。这里给出一种基于业务分类的带宽分配算法，分为如下4个步骤。

（1）对所有节点每帧上报的带宽请求进行归类，若发现有FB类的带宽请求，按照到达的先后顺序依次进行带宽分配，只要还有剩余带宽的资源则按照FB类业务请求的大小进行足额分配。

（2）继续察看AB类业务的带宽请求，并进行排序，首先需要查看所剩带宽是否充足，若剩余带宽已不满足所有业务谷值叠加后的需要，则对剩余带宽进行均摊后分配。

（3）考虑剩下的BE类业务，同样将业务按照先后次序进行排序，若带宽充足则按需分配，否则将平均分配。

（4）将所有的带宽分配信息写入带宽地图中，并随下一数据帧发送，同时完成对已分配带宽、剩余带宽以及算法响应时间和工作时间的统计。在实际设备中可以参照芯片计算能力设置20帧至40帧为一个周期，进行带宽信息的更新。

4 仿真场景与结果分析

为了验证GTH方案的可行性，并与MSTP的性能进行对比，利用仿真软件OPNET Modeler搭建城域接入网的仿真平台，如图3所示。在本仿真方案中存在TDM和以太网两种业务源各10个，共同接入二级环网，二级环网业务再汇聚至一级环网，其中TDM源的业务总量初始值为6 Mbit/s，每个以太网源均按照目前网络的实际情况产生自相似业务，仿真中设置以太网源的总流量平均为7 Mbit/s，峰均比为2，即分组业务的峰值流量为14 Mbit/s。

如图3所示，仿真以3G时代和LTE时代城域网承载基站回传业务为背景，每个一级环网带宽初始值为10 Gbit/s，扩容时以10 Gbit/s为单位进行递增；二级环带宽初始值为622 Mbit/s；扩容时以622 Mbit/s为单位进行扩充。每个小环均由10个Node B(基站)节点组成，每个从节点（N节点）带6个子环，而在每个一级环网上又有6个从节点。TDM和以太网业务共同接入基站，每个基站接入的最大业务量由 20 Mbit/s开始以2 Mbit/s（VC-12）为单位逐级递增。TDM业务与以太网业务两者比例按照3G时代3∶7，LTE时代1∶9进行设置。这里将所有的TDM业务均设为FB类业务，给予最高优先级，并且进行固定的带宽分配。由于与TDM业务相比，以太网业务具有很强的突发性，而所有业务的传送质量又必须有所保证，所以在MSTP方案中，需要按照预先设定的以太网业务峰值速率来为每个业务配置所需的带宽；而在GTH方案中，则是通过配置每个以太网业务的峰值和谷值以及不同的优先级（高等级业务设为AB，低等级为BE）来配置每次带宽计算的参数。这里峰值依照该业务的峰值速率配置，谷值依照该业务平均速率的50%配置，设置当业务量不断增加的过程中，若有某一条业务的丢包率超过1‰，则需要对网络进行扩容。通过仿真，可以找到采用GTH方案与MSTP方案中一级环网的3个扩容点和二级环网的1个扩容点，对比之后如图4所示。这里考虑目前城域设备的芯片运算能力和缓存容量，将DBA计算更新频率设置为20帧，端口缓存大小为 10 Mbit。

图3仿真场景示意

图4 3G时代GTH与MSTP网络扩容点示意

由图4可以看出，GTH方案相比MSTP方案，在不同城域网业务量下的扩容点均有所提升，而且随着业务量的不断增加，这种优势会更加明显，比如一级环在由第1次扩容到第3次扩容的过程中，GTH相比MSTP的效率提升由21.43%增长至33.33%。这是由于GTH采用动态带宽分配的方式，能够通过主节点的DBA计算单元来对全网不同分组业务突发时的带宽请求进行综合调配，使某一时刻突发度较高的AB业务能够利用该时刻突发度较低的其他AB业务和BE业务的带宽，以便于确保传输质量。随着芯片的处理速度不断提高，未来可以引入更加复杂的DBA算法，并缩短DBA分配的帧周期，使GTH网络DBA技术的优势在更大程度上得以体现。

图5 3G与LTE时代GTH网络扩容点对比

设外部每个业务源的平均业务量不变，GTH扩容的丢包门限条件相同，转而考虑未来LTE时代城域网的要求，将每个基站TDM和分组的业务比例调整成1∶9，通过仿真可以找到GTH网络中两级环网新的扩容点，与3G场景进行对比，如图5所示。

由图5中可以看出，随着分组业务比例的继续增加，GTH网络充分利用了分组业务统计复用的特点，对不同时刻的分组业务传输带宽进行动态的调配。与3G时代（细实线所示）相比，GTH网络的扩容临界点 （粗实线所示）又进一步推后，充分利用了已有网络资源，保护运营商现有投资的优势相比3G时代更加明显。

5 结束语

GTH传送技术提供了一个统一的下一代城域网全业务传送平台解决方案,它的最根本目的是在降低传送成本的前提下,为分组业务提供与电路业务同样可用、高效与可管理的服务。通过分析和仿真，可以得出GTH技术具有较低的实现成本和较高的带宽利用效率，同时还具备和GPON网络灵活对接的能力，支持未来FTTx的发展。这些都说明可以在3G和LTE时代的城域网改造中对GTH进行大规模部署，更好地承载宽带分组业务。

1 韦乐平.光网络的发展趋势与挑战.电信科学,2011,27(2)

2 Ronald A Skoog.Managing the convergence of carrier ethernet with optical transport.In:2009 Conference on Optical Fiber Communication(OFC),San Diego,USA,2009

3 Jaeger M,Huelsermann R.Network migration cost study.In:2010 14th Conference on Optical Network Design and Modeling(ONDM),Kyoto,Japan,2010

4 Siracusa D,Maier G.Carrier grade ethernet versus SDH in optical networks:planning methods and CAPEX comparisons.In:2010 IEEE International Conference on Communications(ICC),Cape Town,South Africa,2010

5 王岚,荆瑞泉.MSTP在城域网中应用探讨.电信科学，2006,22(8)

6 Jonghoon Lee,Chul-ki Lee,Jiho Han,et al.An ethernet switch architecture for bandwidth provision ofbroadband access networks.IEEE Communications Magazine,2008(4):160～167

7 Hernandez E.T-MPLS:carrier-class transport for converged optical/packet networks.In:2007 Conference on Optical Fiber Communication(OFC),Anaheim,CA,USA,2007

8 Chang Cao,Yongjun Zhang,Shanguo Huang,et al.Demonstration of transmission performance in MPLS-TP network using streaming media traffic.In:2010 Conference on Optical Fiber Communication(OFC),San Diego,USA,2010

9 Cale I,Salihovic A,Ivekovic M.Gigabitpassive optical network-GPON.In:29th International Conference on Information Technology Interfaces,Cavtat,Croatia,2007

10 徐荣,舒建军,任磊.面向3G和全业务的城域网发展探讨.电信科学,2009,25(1)