GPON技術在船舶通信網上的應用

丁 廣，張建飛，許玲玲，余 坤

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

GPON技術在船舶通信網上的應用

丁 廣，張建飛，許玲玲，余 坤

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

介紹了GPON技術以及其系統構成，對其特點進行分析，對GPON技術在船舶上的應用進行設計，分析GPON技術在船舶應用的難點進行，并提出相應的解決措施。實踐證明，GPON技術在船舶的應用可以進一步簡化船舶網絡結構，提高接入效率，從而推動船舶光通信網的進一步發展。

無源光網絡；光線路終端；光網絡單元；光分配網絡

0 引 言

通常較大型船舶都建有自己的船內通信網絡系統。船內通信網絡一般包括內部辦公網和船舶公共信息IP網2個相互物理隔離的承載網絡。

船內通信網絡隨著用戶數越來越多以及對帶寬要求越來越高，原來網絡已不能很好的滿足需求。如復雜度逐漸增長，網絡必須能為不同的業務提供有差別化的傳輸服務和信息安全服務，這使得網絡管理的復雜度成指數提高；網絡信息的融合使得網絡的安全架構呈現出與傳統模式不同的特點，日益增多的信息鉸鏈使得安全問題不斷遇到新的挑戰。對于以上問題，一個解決的方案就是采用GPON技術對現有船內通信網絡進行改進，提高船內通信網絡通信能力。

1 GPON技術

1.1 系統架構

GPON技術是基于ITU-TG.984.x標準的寬帶無源光綜合接入標準[1]。GPON技術在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]的標準化，從而最終形成了GPON標準族[4]。GPON是一種無源被動式光纖網，上行速率為1 244.16 Mb/s，下行速率可達2 488.32 Mb/s，傳輸距離約為30 km，具有帶寬高、網速快的優勢，是實現接入網業務的最佳技術[5]。GPON網絡通過點到多點的拓撲結構，通過時分復用（TDM）的方式，數據組成復幀通過光纖廣播到ONU，光分路器把從光纖支路輸入的光信號按功率均分到對應的輸出用戶線光纖上，通常有1:16，1:32或1:64等分配比，GPON能達到的最大分路比為1:128。

GPON系統通常由光線路終端（OLT）、光配線網絡（ODN）、光網絡單元（ONU）和GPON管理系統4個部分組成。OLT部署在匯聚網絡端，向ODN提供1.244 Gb/s或2.488 Gb/s的光接口。ODN配置在ONU和OLT之間，是一個連接OLT和ONU的無源設備，其作用是分發下行數據和集中上行數據。ONU則位于用戶側，提供業務流的接入，由OLT集中控制。GPON管理系統進行帶寬分配、控制光分配網絡和實時監控管理GPON系統。

1.2 技術特性

2）幀結構由GEM提供封裝，并實現對它業務映射，不需通過協議轉化，從而節約了大量寬帶資源。

3）單根光纜纖芯就能夠完成用戶業務接入，有利于節省干線資源。

4）采用無源分光器，提高了網絡的可靠性和穩定性。

5）對不同的業務，只要建立一個接入網，節約了大量建設維護成本。

2 船內GPON通信網設計

2.1 船舶GPON系統硬件架構

船舶船內辦公網和公共信息網采用無源光網絡（GPON）技術構建，承載辦公信息和公共服務信息，借助滿足信息安全保密要求的高速復分接設備和衛星通信分系統分別與陸地站進行信息傳輸與交換。

IP網采用GPON技術實現用戶數據的接入，采用3層交換機實現船內用戶信息的交換，采用路由器實現岸船信息傳輸，構成了路由匯聚層、無源光配層和接入層的3層網絡結構。其網絡結構如圖1所示。路由匯聚層由路由器、匯聚交換機和OLT組成，路由器部署于衛通機房，匯聚交換機和OLT部署于通信控制室；無源光配層由光配線架和ODN組成，分別部署于各節點艙室；接入層由部署于各艙室的ONU和MDU組成。

(3)獨特的地域區位有助于打造特色專創師資團隊。廣西是少數民族集聚的省份之一，有著豐富的民族特色資源可供開發。2003年，中國-東盟建立戰略伙伴關系，南寧成為中國-東盟博覽會永久舉辦地，歷經15年的發展，“共建21世紀海上絲綢之路，構建中國-東盟創新共同體”成為新的活動主題，東博會已形成進出口相結合、投引資相結合、商品與服務貿易相結合、展會結合、經貿盛會與外交舞臺共舞以及經貿活動與文化交流相結合的特色。東博會的發展提供了更多的國際市場營銷、國際物流、國際貿易等市場機會，為就業創業提供了更豐富的崗位，也為特色的專創師資團隊打造指明了方向。

圖 1 船舶GPON系統硬件架構原理圖Fig. 1 Hardware structure principle diagram of the GPON system on ship

路由匯聚層由IP網的光線路終端、路由器和匯聚交換機設備組成。無源光配層由光分配單元、光配線架組成。為了保證每個艙室保證帶寬達到100 Mb/s，光分配單元采用1:8分光比設計，每個PON口下行帶寬為1.25 Gb/s，1:8的分光比可平均分配給每個艙室150 Mb/s（即1.25 Gb/s/8）的保證帶寬。光配線架完成光纜、光纖之間的轉換，保障光纖傳輸介質在穿艙時的安全可靠性。

用戶接入層由光網絡單元和光纜轉接單元組成。為了簡化艙室布局，光網絡單元和光纜轉接單元放置于用戶終端盒內，為了滿足IP網靈活分布的特點，使IP網的終端接入單元安裝在全船所有的艙室內，可根據需要靈活選擇需要部署IP網的艙室。

2.2 GPON組播設計實現

組播業務在船舶網絡系統中占大多數。組播通常分集中式組播和分布式組播[7]。集中式組播在OLT的主控板SCUx上實現所有的組播控制，由SCUx通過高層協議將業務單板和ONT的組播轉發表項下發，較早的版本如V8R5CX2采用集中式組播。分布式組播用戶和節目鑒權則是在單板GPBC上實現，主控板SCUL僅對License鑒權，減輕了主控板負擔，當前主流版本V8R5CX3中GPBC已經實現分布式組播，但其他單板還使用集中式組播，V8R6版本和以后版本業務板將全采用分布式組播。

分布式組播是指產品上組播特性采用分布式架構實現，主要分為公共、主控板、單板軟件3部分。目前OLT產品V8R6CX2版本中只有GPON單板和8EPON的EPON單板實現了分布式組播即這2種類型的用戶板上的組播用戶為分布式組播用戶，其他單板都是屬于集中式組播用戶。分布式組播原理如圖2所示[8]。

圖 2 分布式組播原理圖Fig. 2 Principle diagram of distributed multicast

如圖所示，OLT設備使用分布式方式運行IGMP Proxy（或IGMP Snooping）。分布式組播的基本思路是：主控板和業務板的關系類似2臺組播設備對接，主控板的組播處理模塊承擔組播路由器角色，業務板承擔組播成員角色，業務板相對于組播點播客戶端講是OLT接入處理設備。分布式組播的目的是為了提高主控板CPU的使用效率（消息處理主要在單板完成），加快組播協議處理的響應速度（除第1個上線用戶外減少了消息到主控板處理的一環）。

下面從用戶、單板、主控板、組播服務器4個邏輯對象來分析組播上線流程：

由ONU側發出的IGMP report報文，先送到GPBC業務單板，然后GPBC單板將報文送給單板的BTV模塊處理，在BTV模塊上完成可控組播鑒權，如該單板上是節目的第1個report報文，則切換為組播vlan向主控板轉發report報文，并產生單板組播轉發表項；report報文到達主控板SCUx后，如為IGMP snoopy，則由主控板生成組播轉發表項，并返回一個確認消息，同時主控板向上級網絡發送report報文；GPBC單板收到主控板發確認信息后，更新單板組播轉發表項并下發給ONU；由于ONU，GPBC，SCUx都有組播轉發表項，接著按照轉發表項進行轉發即可。

如果IGMP mode為proxy，則在主控板重新構造組播report報文，切換源IP（原則：MVLAN有3層接口則切換為該IP，否則按照配置中的Source IP進行切換，兩者均沒有時切換為帶外網扣口的管理IP）。

在分布式組播中，所有的配置都是下發到SCUx后，SCUx再同步到每一塊GPBC單板上生效，主控板僅僅起到透傳的作用，這里與集中式組播在常用操作中的一個重要區別是：display IGMP user on-line集中式組播實現online在線的條件是report報文到達主控板并且認證通過。

圖 3 ODN分纖盒走纖圖Fig. 3 The route diagram of the ODN distributed fiber box

2.3 船舶ODN盒安裝設計

通常船舶通信網絡同時含有內部辦公網和公共信息網，安裝方式比較特殊。本方案ODN盒安裝方式為穿墻安裝，墻面固定。如圖3所示。殼體通過四邊自攻螺固定在外墻板面，光纖在墻體夾層中走線，在外墻板面及底殼開口并進入殼體；機房來的1根光纜（至少18芯）由A區進入ODN分纖盒，去除防護層，熔接成FC頭，內部辦公網、公共信息網各1芯，8組光纖（收、發共16芯），再通過夾緊塊固定，盒內多余的光纖在盤纖1區進行盤纖；內部辦公網、公共信息網的FC頭在FC法蘭1區對接，分別進入1:8分光器，各擴充為8根，在盤纖1區盤纖，后由上方接入FC法蘭2區的法蘭盤，XXX網16芯光纖經盤纖1區盤纖后，直接接入FC法蘭2區的法蘭盤；用戶來的8根光纜由B區進行分纖盒，第4根芯，分別對應內部辦公網、公共信息網的收與發，去除防護層，熔接成FC頭，通過夾緊塊固定，在盤纖2區盤纖，后由下方接入FC法蘭2區法蘭盤。

3 船舶GPON系統業務實現

船內辦公IP網和公共信息IP網實現的業務包括：VoIP業務、IPTV業務和高速數據業務。各個業務通過GPON終端（用戶終端盒）和多用戶數據單元MDU接入業務承載網。

3.1 電話業務實現方式

電話業務通過GPON終端（用戶終端盒）和多用戶數據單元MDU接入業務承載網，為用戶提供VoIP語音業務。用戶可直接利用現在話機迅速開展語音業務，不需要增加額外投資。通過IP承載話音數據，極大地降低成本且通話質量基本不受影響。基于IP網絡，能提供比傳統PSTN網絡更強大的業務功能和更豐富的用戶體驗。

ONU支持的語音協議有H.248和SIP，但同一時間只支持一種，可以在ONU上通過命令查詢當前支持的語音協議，設置完成后，需要保存配置并重新啟動系統，配置的協議類型才能生效。

對于電話業務每個終端分配0.1 Mbit/s的數據帶寬即可保證業務正常運行。可以采用固定帶寬或保證帶寬方式，保證電話業務的高服務優先級。

3.2 電視業務實現方式

電視業務通過GPON終端（用戶終端盒）和多用戶數據單元MDU接入業務承載網，為用戶提供IPTV視頻業務。電視業務部分可采用組播模式。

用戶機頂盒通過FE接入到ONU，ONU接入OLT至上層網絡，實現IPTV業務。IPTV業務可以采用最大帶寬方式保證，上下行流量控制不限速。組播節目采用靜態配置方式。

按照估算每個GPON終端（用戶終端盒）連接1臺電視機分配10 Mbit/s的數據帶寬即可滿足設備使用需求。也可以采用固定帶寬或保證帶寬。

3.3 數據業務實現方式

數據業務通過GPON終端（用戶終端盒）和多用戶數據單元MDU接入業務承載網，用戶PC通過FE接口接入船內IP網和公共信息IP網。

在網絡規劃中可以劃分VLAN區段，隔離不同客戶群，防止廣播風暴并便于運維。用戶PC可以通過網絡服務器，實現高速網絡業務。還可以采用雙層VLAN精確綁定方式，標識業務的同時精確定位用戶。同類ONU的同類業務還可以采用相同的QoS進行簡化管理。

對于船內辦公IP網用戶，在沒有其他業務要求的情況下可以將GPON終端帶寬分配給各個艙室用戶。對于公共信息IP網在保障了電話業務和電視業務后可以分配的接口帶寬也約100 Mb/s。

3.4 OLT業務實現能力

船內辦公IP網和公共信息IP網分別有2臺OLT設備分別通過匯聚交換機連接各自的網絡服務器，系統為網絡提供的是2個10 GE級聯接口，用于艙室內語音、數據和高清視頻的傳輸與交換。IP網光線路終端設備可提供48個GPON接口，可以支持48×8=384個艙室的接入能力，公共信息IP網光線路終端設備可提供80個GPON接口；背板交換容量達到1.5 Tb/s，主控板交換能力可達960 Gb/s，滿足全船各艙室最大數據傳輸的容量需求。同時能夠提供4個GE級聯接口，并可平滑升級為2個10 GE級聯接口，用于艙室內語音、數據和高清視頻的傳輸與交換。系統具有較低的轉發時延，100 Mb/s以太網端口發送64 Byte以太網數據包，時延不超過20 μs，并支持512 k容量的MAC地址表項，可滿足超大用戶量的接入以及快速、高效傳輸。

4 結 語

本文分析了當前GPON技術，對船舶基于GPON技術的光接入系統進行設計。目前該設計方案已經在某大型遠洋船舶上工程實現。經測試，該系統運行穩定，具有覆蓋面積廣、效率高、高帶寬、多用戶接口等優勢。GPON技術在船舶上的應用可以進一步簡化船舶通信業務承載網絡結構，提高接入效率，從而推動海上船舶信息通信網的進一步發展。

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

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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

丁廣(1972-)，男，碩士，高級工程師，主要從事航天遠洋船載無線通信工程技術。