GPON技术在船舶通信网上的应用

丁 广，张建飞，许玲玲，余 坤

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

GPON技术在船舶通信网上的应用

丁 广，张建飞，许玲玲，余 坤

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

介绍了GPON技术以及其系统构成，对其特点进行分析，对GPON技术在船舶上的应用进行设计，分析GPON技术在船舶应用的难点进行，并提出相应的解决措施。实践证明，GPON技术在船舶的应用可以进一步简化船舶网络结构，提高接入效率，从而推动船舶光通信网的进一步发展。

无源光网络；光线路终端；光网络单元；光分配网络

0 引 言

通常较大型船舶都建有自己的船内通信网络系统。船内通信网络一般包括内部办公网和船舶公共信息IP网2个相互物理隔离的承载网络。

船内通信网络随着用户数越来越多以及对带宽要求越来越高，原来网络已不能很好的满足需求。如复杂度逐渐增长，网络必须能为不同的业务提供有差别化的传输服务和信息安全服务，这使得网络管理的复杂度成指数提高；网络信息的融合使得网络的安全架构呈现出与传统模式不同的特点，日益增多的信息铰链使得安全问题不断遇到新的挑战。对于以上问题，一个解决的方案就是采用GPON技术对现有船内通信网络进行改进，提高船内通信网络通信能力。

1 GPON技术

1.1 系统架构

GPON技术是基于ITU-TG.984.x标准的宽带无源光综合接入标准[1]。GPON技术在2002年9月提出，2003年3月完成了ITU-T G.984.1[2]和G.984.2[3]的制定，2004年2月完成了G.984.3[4]的标准化，从而最终形成了GPON标准族[4]。GPON是一种无源被动式光纤网，上行速率为1 244.16 Mb/s，下行速率可达2 488.32 Mb/s，传输距离约为30 km，具有带宽高、网速快的优势，是实现接入网业务的最佳技术[5]。GPON网络通过点到多点的拓扑结构，通过时分复用（TDM）的方式，数据组成复帧通过光纤广播到ONU，光分路器把从光纤支路输入的光信号按功率均分到对应的输出用户线光纤上，通常有1:16，1:32或1:64等分配比，GPON能达到的最大分路比为1:128。

GPON系统通常由光线路终端（OLT）、光配线网络（ODN）、光网络单元（ONU）和GPON管理系统4个部分组成。OLT部署在汇聚网络端，向ODN提供1.244 Gb/s或2.488 Gb/s的光接口。ODN配置在ONU和OLT之间，是一个连接OLT和ONU的无源设备，其作用是分发下行数据和集中上行数据。ONU则位于用户侧，提供业务流的接入，由OLT集中控制。GPON管理系统进行带宽分配、控制光分配网络和实时监控管理GPON系统。

1.2 技术特性

2）帧结构由GEM提供封装，并实现对它业务映射，不需通过协议转化，从而节约了大量宽带资源。

3）单根光缆纤芯就能够完成用户业务接入，有利于节省干线资源。

4）采用无源分光器，提高了网络的可靠性和稳定性。

5）对不同的业务，只要建立一个接入网，节约了大量建设维护成本。

2 船内GPON通信网设计

2.1 船舶GPON系统硬件架构

船舶船内办公网和公共信息网采用无源光网络（GPON）技术构建，承载办公信息和公共服务信息，借助满足信息安全保密要求的高速复分接设备和卫星通信分系统分别与陆地站进行信息传输与交换。

IP网采用GPON技术实现用户数据的接入，采用3层交换机实现船内用户信息的交换，采用路由器实现岸船信息传输，构成了路由汇聚层、无源光配层和接入层的3层网络结构。其网络结构如图1所示。路由汇聚层由路由器、汇聚交换机和OLT组成，路由器部署于卫通机房，汇聚交换机和OLT部署于通信控制室；无源光配层由光配线架和ODN组成，分别部署于各节点舱室；接入层由部署于各舱室的ONU和MDU组成。

(3)独特的地域区位有助于打造特色专创师资团队。广西是少数民族集聚的省份之一，有着丰富的民族特色资源可供开发。2003年，中国-东盟建立战略伙伴关系，南宁成为中国-东盟博览会永久举办地，历经15年的发展，“共建21世纪海上丝绸之路，构建中国-东盟创新共同体”成为新的活动主题，东博会已形成进出口相结合、投引资相结合、商品与服务贸易相结合、展会结合、经贸盛会与外交舞台共舞以及经贸活动与文化交流相结合的特色。东博会的发展提供了更多的国际市场营销、国际物流、国际贸易等市场机会，为就业创业提供了更丰富的岗位，也为特色的专创师资团队打造指明了方向。

图 1 船舶GPON系统硬件架构原理图Fig. 1 Hardware structure principle diagram of the GPON system on ship

路由汇聚层由IP网的光线路终端、路由器和汇聚交换机设备组成。无源光配层由光分配单元、光配线架组成。为了保证每个舱室保证带宽达到100 Mb/s，光分配单元采用1:8分光比设计，每个PON口下行带宽为1.25 Gb/s，1:8的分光比可平均分配给每个舱室150 Mb/s（即1.25 Gb/s/8）的保证带宽。光配线架完成光缆、光纤之间的转换，保障光纤传输介质在穿舱时的安全可靠性。

用户接入层由光网络单元和光缆转接单元组成。为了简化舱室布局，光网络单元和光缆转接单元放置于用户终端盒内，为了满足IP网灵活分布的特点，使IP网的终端接入单元安装在全船所有的舱室内，可根据需要灵活选择需要部署IP网的舱室。

2.2 GPON组播设计实现

组播业务在船舶网络系统中占大多数。组播通常分集中式组播和分布式组播[7]。集中式组播在OLT的主控板SCUx上实现所有的组播控制，由SCUx通过高层协议将业务单板和ONT的组播转发表项下发，较早的版本如V8R5CX2采用集中式组播。分布式组播用户和节目鉴权则是在单板GPBC上实现，主控板SCUL仅对License鉴权，减轻了主控板负担，当前主流版本V8R5CX3中GPBC已经实现分布式组播，但其他单板还使用集中式组播，V8R6版本和以后版本业务板将全采用分布式组播。

分布式组播是指产品上组播特性采用分布式架构实现，主要分为公共、主控板、单板软件3部分。目前OLT产品V8R6CX2版本中只有GPON单板和8EPON的EPON单板实现了分布式组播即这2种类型的用户板上的组播用户为分布式组播用户，其他单板都是属于集中式组播用户。分布式组播原理如图2所示[8]。

图 2 分布式组播原理图Fig. 2 Principle diagram of distributed multicast

如图所示，OLT设备使用分布式方式运行IGMP Proxy（或IGMP Snooping）。分布式组播的基本思路是：主控板和业务板的关系类似2台组播设备对接，主控板的组播处理模块承担组播路由器角色，业务板承担组播成员角色，业务板相对于组播点播客户端讲是OLT接入处理设备。分布式组播的目的是为了提高主控板CPU的使用效率（消息处理主要在单板完成），加快组播协议处理的响应速度（除第1个上线用户外减少了消息到主控板处理的一环）。

下面从用户、单板、主控板、组播服务器4个逻辑对象来分析组播上线流程：

由ONU侧发出的IGMP report报文，先送到GPBC业务单板，然后GPBC单板将报文送给单板的BTV模块处理，在BTV模块上完成可控组播鉴权，如该单板上是节目的第1个report报文，则切换为组播vlan向主控板转发report报文，并产生单板组播转发表项；report报文到达主控板SCUx后，如为IGMP snoopy，则由主控板生成组播转发表项，并返回一个确认消息，同时主控板向上级网络发送report报文；GPBC单板收到主控板发确认信息后，更新单板组播转发表项并下发给ONU；由于ONU，GPBC，SCUx都有组播转发表项，接着按照转发表项进行转发即可。

如果IGMP mode为proxy，则在主控板重新构造组播report报文，切换源IP（原则：MVLAN有3层接口则切换为该IP，否则按照配置中的Source IP进行切换，两者均没有时切换为带外网扣口的管理IP）。

在分布式组播中，所有的配置都是下发到SCUx后，SCUx再同步到每一块GPBC单板上生效，主控板仅仅起到透传的作用，这里与集中式组播在常用操作中的一个重要区别是：display IGMP user on-line集中式组播实现online在线的条件是report报文到达主控板并且认证通过。

图 3 ODN分纤盒走纤图Fig. 3 The route diagram of the ODN distributed fiber box

2.3 船舶ODN盒安装设计

通常船舶通信网络同时含有内部办公网和公共信息网，安装方式比较特殊。本方案ODN盒安装方式为穿墙安装，墙面固定。如图3所示。壳体通过四边自攻螺固定在外墙板面，光纤在墙体夹层中走线，在外墙板面及底壳开口并进入壳体；机房来的1根光缆（至少18芯）由A区进入ODN分纤盒，去除防护层，熔接成FC头，内部办公网、公共信息网各1芯，8组光纤（收、发共16芯），再通过夹紧块固定，盒内多余的光纤在盘纤1区进行盘纤；内部办公网、公共信息网的FC头在FC法兰1区对接，分别进入1:8分光器，各扩充为8根，在盘纤1区盘纤，后由上方接入FC法兰2区的法兰盘，XXX网16芯光纤经盘纤1区盘纤后，直接接入FC法兰2区的法兰盘；用户来的8根光缆由B区进行分纤盒，第4根芯，分别对应内部办公网、公共信息网的收与发，去除防护层，熔接成FC头，通过夹紧块固定，在盘纤2区盘纤，后由下方接入FC法兰2区法兰盘。

3 船舶GPON系统业务实现

船内办公IP网和公共信息IP网实现的业务包括：VoIP业务、IPTV业务和高速数据业务。各个业务通过GPON终端（用户终端盒）和多用户数据单元MDU接入业务承载网。

3.1 电话业务实现方式

电话业务通过GPON终端（用户终端盒）和多用户数据单元MDU接入业务承载网，为用户提供VoIP语音业务。用户可直接利用现在话机迅速开展语音业务，不需要增加额外投资。通过IP承载话音数据，极大地降低成本且通话质量基本不受影响。基于IP网络，能提供比传统PSTN网络更强大的业务功能和更丰富的用户体验。

ONU支持的语音协议有H.248和SIP，但同一时间只支持一种，可以在ONU上通过命令查询当前支持的语音协议，设置完成后，需要保存配置并重新启动系统，配置的协议类型才能生效。

对于电话业务每个终端分配0.1 Mbit/s的数据带宽即可保证业务正常运行。可以采用固定带宽或保证带宽方式，保证电话业务的高服务优先级。

3.2 电视业务实现方式

电视业务通过GPON终端（用户终端盒）和多用户数据单元MDU接入业务承载网，为用户提供IPTV视频业务。电视业务部分可采用组播模式。

用户机顶盒通过FE接入到ONU，ONU接入OLT至上层网络，实现IPTV业务。IPTV业务可以采用最大带宽方式保证，上下行流量控制不限速。组播节目采用静态配置方式。

按照估算每个GPON终端（用户终端盒）连接1台电视机分配10 Mbit/s的数据带宽即可满足设备使用需求。也可以采用固定带宽或保证带宽。

3.3 数据业务实现方式

数据业务通过GPON终端（用户终端盒）和多用户数据单元MDU接入业务承载网，用户PC通过FE接口接入船内IP网和公共信息IP网。

在网络规划中可以划分VLAN区段，隔离不同客户群，防止广播风暴并便于运维。用户PC可以通过网络服务器，实现高速网络业务。还可以采用双层VLAN精确绑定方式，标识业务的同时精确定位用户。同类ONU的同类业务还可以采用相同的QoS进行简化管理。

对于船内办公IP网用户，在没有其他业务要求的情况下可以将GPON终端带宽分配给各个舱室用户。对于公共信息IP网在保障了电话业务和电视业务后可以分配的接口带宽也约100 Mb/s。

3.4 OLT业务实现能力

船内办公IP网和公共信息IP网分别有2台OLT设备分别通过汇聚交换机连接各自的网络服务器，系统为网络提供的是2个10 GE级联接口，用于舱室内语音、数据和高清视频的传输与交换。IP网光线路终端设备可提供48个GPON接口，可以支持48×8=384个舱室的接入能力，公共信息IP网光线路终端设备可提供80个GPON接口；背板交换容量达到1.5 Tb/s，主控板交换能力可达960 Gb/s，满足全船各舱室最大数据传输的容量需求。同时能够提供4个GE级联接口，并可平滑升级为2个10 GE级联接口，用于舱室内语音、数据和高清视频的传输与交换。系统具有较低的转发时延，100 Mb/s以太网端口发送64 Byte以太网数据包，时延不超过20 μs，并支持512 k容量的MAC地址表项，可满足超大用户量的接入以及快速、高效传输。

4 结 语

本文分析了当前GPON技术，对船舶基于GPON技术的光接入系统进行设计。目前该设计方案已经在某大型远洋船舶上工程实现。经测试，该系统运行稳定，具有覆盖面积广、效率高、高带宽、多用户接口等优势。GPON技术在船舶上的应用可以进一步简化船舶通信业务承载网络结构，提高接入效率，从而推动海上船舶信息通信网的进一步发展。

[1]刘冬, 张斋, 陈雪. EPON与GPON的综合比较[J]. 电信科学,2005, 21(06): 62-65.LIU Dong, ZHANG Zhai, CHEN Xue. Comprehensive comparison of EPON and GPON[J]. Telecommunications Science, 2005, 21(06): 62-65.

[2]ITU-T G. 984. 1. General characteristics for gigabit-capable passive optical networks(GPON)[S], 2003.

[3]ITU-T G. 984. 2. physical media dependent(PMD) layer specification[S], 2003.

[4]ITU-T G. 984. 3. Gigabit-capable passive optical networks(GPON) transmission convergence layer specification[S], 2004.

[5]陈福都, 李维民, 张丽娟. GPON技术新进展及发展趋势探讨[J]. 现代电子技术, 2007, 30(05): 72-74.CHEN Fu-dou, LI Wei-min, ZHANG Li-juan. Study on the latest technology progress and developing trend of GPON[J].Modern Electronic Technique, 2007, 30(05): 72-74.

[6]黄信礼. GPON网络特点和应用[J]. 电脑与电信, 2010(8):29-31.HUANG Xin-li. The application and characteristics of GPON network[J]. Computer amp; Telecommunication, 2010(8): 29-31.

[7]彭剑辉. 浅析GPON技术[J]. 信息通信, 2011(4): 52-53.PENG Jian-hui. Simple analyze of GPON technique[J].Information amp; Communications. 2011(4): 52-53.

[8]潘志宏, 林永傍, 黄红斌, 等. 10GGPON技术研究及实现方案[J]. 光通信技术, 2010, 34(5): 1-4.PAN Zhi-hong, LIN Yong-bang, HUANG Hong-bin,et al. The research and scheme of lOG GPON technology[J]. Optical Communication Technology. 2010, 34(5): 1-4.

Application of GPON technology on ship communication net

DING Guang, ZHANG Jian-fei, XU Ling-ling, YU Kun
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, China)

Firstly we introduced GPON technique and its systems constitute, and analyzed it’s characteristics, then carried on the design to application of GPON technique on the ships, Finally analyzed the difficulty of application of GPON technique on the ships and put forward correspond solvent. Practical proof, application of GPON technique on the ships can further simplify the ships network structure and raise access efficiency, thus making fiber optic net on the ships to develop further.

GPON；OLT；ONU；ODN

TN966

A

1672-7649(2017)11-0132-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.025

2016-11-24；

2017-05-05

丁广(1972-)，男，硕士，高级工程师，主要从事航天远洋船载无线通信工程技术。