PON网络中家庭网关远程管理模式的探讨

摘要：介绍了家庭网络在中国的发展现状和家庭网关的业务承载情况，引出了PON上行家庭网关(HGU)这一未来电信运营商开展FTTH建设的主流设备形态。对PON上行家庭网关的远程管理模式进行了深入的探讨，针对家庭网关网管系统和PON网元管理系统EMS提出了科学合理的切分方案，并给出了初期的临时解决手段。

1 引言

面对激烈的市场竞争，向综合信息服务提供商进行战略转型已成为运营商发展的新方向。通向宽带世界的高速公路入口已经从骨干网、汇聚网延伸到接入网直至用户家庭内部，家庭网络成为运营商业务转型和网络转型的关注焦点。从纯数据、语音的单业务运营，走向应用、视频、语音、数据结合的多业务运营，同时整合优质内容、娱乐资源，提供多重信息娱乐业务，打造家庭综合服务解决方案，寻找新的业务增长点。通过家庭网关的部署及基于家庭网关各类业务的推广，可以更好地提升运营商在家庭客户领域的综合信息服务能力。

2 家庭网关概述

家庭网关是面向家庭用户的智能接入设备，以它为中心建立家庭网络，并在多个设备间共享网络接入，同时为用户提供安全的通讯、娱乐、存储一体化功能的设备。作为整个家庭网络的通信控制中心、业务控制中心，家庭网关在家庭中起到总控、协调所有设备的作用，并对用户提供统一、方便的使用界面。

家庭网关拥有强大的路由和桥接功能，支持NAT/防火墙技术，具有灵活的网络配置和QoS策略，可以为时延敏感的语音业务、丢包敏感的视频业务提供有效的质量保证。配合头端设备，家庭网关可以承载业界主流的业务，具体如下：

(1)数据业务

家庭网关提供了以太网口和WiFi接口，与用户的PC机，笔记本，PDA相连，为用户提供访问Internet的业务。

(2)语音业务

家庭网关提供以太网口，用户可以直接使用IP电话拨打，如果用户使用模拟电话，需要接IAD设备把模拟语音转换为VoIP语音。

(3)IPTV业务

家庭网关提供以太网口，通过机顶盒和用户电视相连，为用户提供IPTV业务。

同时家庭网关可以对其它新业务进行快速的拓展，例如视频监控、点对点视频电话、绿色上网、家庭存储等，便于运营商开展灵活的业务套餐。

对于家庭网关多业务承载，建议桥接和路由混合方式。

各业务和网管实现方式如下：

●数据业务：家庭网关上电时自动发起PPPoE拨号，获取公网IP地址，家庭内部多台PC共享一条PVC/VLAN和对外的IP地址上网，家庭网关内置DHCP Server给家庭内部的PC分配私网IP地址，同时支持NAT将私网IP转换成公网IP。
     ●IPTV业务：家庭网关采用桥接模式承载，由机顶盒进行PPPoE拨号，对控制流和业务流进行直接转发。
     ●语音业务：家庭网关采用桥接模式承载，由IAD话机发起PPPoE拨号。
     ●网管：网管单独PVC/VLAN，采用PPPoE方式在BRAS设备进行本地用户名密码认证，BRAS设备为其分配私网IP地址，使其能够与家庭网关网管系统通信。

3 电信运营商家庭网关部署现状

结合宽带接入网络的现状，目前电信运营商部署的家庭网关有两种类型：ADSL上联型和LAN上联型，分别用于DSLAM下双绞线的接入和楼道交换机下五类线的接入。其中，ADSL上联型家庭网关应用较为广泛，以北京联通为例，现网已安装家庭网关26万台左右，其中ADSL上联型家庭网关所占比例约为97%。

2010年以来，三网融合在我国进入了启动实施阶段。电信运营商获得了进入广电领域的权利，这为运营商提供了施展的机遇，也带来了很多新的挑战。为传送基于IPTV的视频业务流，需要每秒数十兆甚至上百兆的接入带宽，因此加速了"光进铜退"的步伐，EPON或GPON等光纤入楼(FTTB)、光纤入户(FTTH)被广泛采用。

而目前，电信运营商宽带接入网中的FTTH型ONU(也被称为SFU)仅具备承载普通上网业务和语音业务的能力，光纤接入的用户如需使用IPTV，视频电话等新业务或无线接入方式，则需在ONU的一个下联以太网口下挂一台LAN上联型家庭网关，由家庭网关完成QoS调度、机顶盒等头端设备的接入等功能，并为用户提供无线AP(Access Point)，而ONU仅通过trunk方式对各类业务流和控制流进行直接透传。

这种ONU下挂家庭网关的方式，需要向用户发放SFU和HG两台终端设备，不但增加了运营商的建设成本，也提高了后期的维护难度。为解决这一难题，PON上行家庭网关应运而生。

4 PON上行家庭网关

PON上行家庭网关符合SFU与家庭网关融合的发展趋势，是高带宽、多业务的最佳载体，即利用了PON技术的高接入速率，又借助了家庭网关在未来数字家庭中占据的重要地位及其所具有的相对更强的业务开放和运维管理能力。PON上行家庭网关(Home Gateway Unit, HGU)应是未来运营商开展FTTH建设的主流设备形态。

依据业务和布放的实际需求，规划出几种型号HGU的设备形态如表1所示。

表1 PON网关设备形态
    

一般而言，一种类型的网关只支持一种上行接入方式接入到外部网络。但从长远来看，也可能出现一个网关具备2种以上的上行接口，比如PON，3G，LAN等上联方式并存。

对于PON上行家庭网关多业务承载，建议使用"每个用户每个业务每VLAN"的VLAN规划模式，网管采用一个单独的VLAN。

VLAN的配置方式有以下两种：

(1)网管VLAN出厂时预设置，其他业务(如数据、语音和IPTV)VLAN在HGU安装后第一次加电注册到网管平台时，根据用户业务申请情况进行动态的添加。这种方式需要业务受理系统、宽带资源管理系统和家庭网关网管系统三系统之间的接口互动，优点是VLAN规划比较灵活。

(2)网管VLAN出厂时预设置，其他所有业务VLAN在HGU安装后第一次加电注册到网管平台时一次性全部下发。这种方式不需要涉及到业务受理系统，仅需要宽带资源管理系统和家庭网关网管系统之间的接口互动。这种方式的优点是对支撑系统要求低，缺点是业务灵活扩展性不好，一次性下发浪费VLAN资源。

对于电信运营商，综合考虑到整个宽带网络业务运营流程和现状，可以结合使用以上两种配置方式，前期先采用方式(1)，今后随着新业务的陆续推出，投入资金进行支撑系统的接口建设，最终实现三系统联动的方式(2)。

5 PON上行家庭网关远程管理

家庭网络作为宽带网络终端，是运营商网络的延伸，是运营商业务的扩展，应该具有运营商网络的特性：性能稳定、可管理、可维护、有服务质量保证、安全、可扩展(尤其是对新业务的支持能力)。家庭网关作为家庭信息化业务控制点，实现对各类数字家庭终端产品的设备管理控制。家庭网关遍布千家万户，数量非常庞大，如果需要运营商的维护人员上门进行安装、调试设备，做一些设备配置或故障诊断的工作，成本高，工作量大，是一个巨大的负担。因此，家庭网关的维护和管理需要采用远程集中自动管理的方式，上门服务只有在极特别的情形下才进行。

(1)家庭网关网管系统

家庭网关网管系统(Terminal Management System)使用TR-069协议对家庭网关终端设备进行有效管理和运营。

TR-069是由DSL Forum(www.dslforum.org)所开发的技术规范之一，其全称为"CPE广域网管理协议"。它提供了对下一代网络中家庭网络设备进行管理配置的通用框架和协议，用于从网络侧对家庭网络中的网关、路由器、机顶盒等设备进行远程集中管理。在TR-069所定义的框架中，主要包括两类逻辑设备：用户端设备CPE(Customer Premise Equipment，比如家庭网关、机顶盒和IP电话终端等)和自动配置服务器ACS(Auto-Configuration Server)，所有与用户设备相关的配置、诊断、升级等工作均由统一的ACS来完成。TR-069定义了CPE与ACS之间的交互流程、通信协议、基本信息等，目的是使得不同厂家遵照这个TR-069开发的CPE和ACS可以良好地互通，达到广泛的兼容。

家庭网关网管系统一般采用C/S架构，通过专业客户端进行维护管理，性能更加稳定、维护更加方便，支持TR-069协议和运营商自定义扩展，可通过北向接口与运营支撑系统配合实现对家庭网关终端的业务自动发放、自动配置、批量升级、状态监视、远程故障诊断、分权分域管理、统计分析等。一个典型的家庭网关网管系统拓扑图如图1所示。

     图1 家庭网关网管系统

●自动配置(ACS)服务器：主要用于终端管理。
     ●数据库服务器： 存储与TMS相关的数据信息。
     ●文件服务器：用于上传版本、上传配置、备份日志等操作。
     ●应用服务器：主要用于客户端登陆、北向流程处理等。

(2)PON网元管理系统EMS

PON网元管理系统EMS实现对OLT及其下挂数量众多的ONU进行远程OAM(运行维护管理)功能。由于SNMP是应用层的协议，要求下层网络工作正常、被管理设备IP可达，因此业界目前比较常用的管理机制是：EMS与OLT之间通过SNMP通信，对于ONU的管理完全通过OLT与ONU之间的OMCI管理通道完成，即将对OLT以及ONU的命令和性能查询等以SNMP统一发到OLT，OLT再通过OMCI发给ONU。

EMS一般具有以下功能：

●配置管理，包括设备的添加、删除、修改等。
     ●故障查询、上报、确认和排除机制。
     ●性能数据的采集、存储、查询、显示和分析。
     ●网管操作人员的分权分域。
     ●提供与宽带资源管理系统的北向接口(可以使用Web Service，FTP，TL1等方式)，完成PON接入用户的VLAN配置下发、IAD IP配置下发，从而实现业务的即开即通和端口绑定功能。

(3)PON上行家庭网关远程管理方案

PON上行家庭网关的引入不单单是一种设备、一种模式的变化，它还影响了电信运营商整个宽带网络业务的运营流程。一般来说，家庭网关由家庭网关网管系统管理，PON设备由EMS管理，因此两者相结合的PON上行家庭网关，理想状态下应由这两个网管系统同时管理，至于管理界面如何切分，考虑到相关协议的侧重点不同，建议采用如图2所示的方式，家庭网关网管系统遵循TR-069系列规范，承担对HGU的业务发放、配置管理、软件升级、故障定位等功能，EMS用于HGU上行PON 接口相关的物理层及链路层的配置及管理。

     图2 PON上行家庭网关远程管理方案

图2中包括7类接口，详细说明如下：

A接口：HGU与家庭网关网管系统之间的接口，实现家庭网关网管系统对HGU，以及对家庭网络和家庭网络内部设备的统一管理。
     B接口：HGU与宽带接入设备之间的接口，采用EPON或GPON方式，承载由HGU转发的用户侧数据、语音、视频业务流、控制流、信令流以及设备管理数据流。
     C接口：HGU与家庭网络内部设备之间的接口，实现HGU对家庭网络内部设备的数据通讯接口。
     D接口：对业务网络中业务平台与BOSS系统之间的计费管理接口的统称。
     E接口：厂商网管EMS与接入承载网网元的管理接口，通过该接口可以对OLT进行管理，HGU的物理层及链路层配置及管理通过与OLT之间的OMCI进行间接管理。
     M接口和N接口：M接口为宽带资源管理系统与BOSS之间的接口，N接口为家庭网关网管系统、EMS与宽带资源管理系统之间的北向接口，两种接口都是为家庭网络业务的开通、配置、计费、维护管理服务。

目前，大多数省市的电信运营商并没有部署家庭网关网管系统，或没有开发与宽带资源管理系统的北向接口，但PON网元管理系统EMS的使用已较为普遍，且与宽带资源管理系统和BOSS联动顺畅。这种情况下，可以暂时只使用EMS对PON上行家庭网关进行配置下发和远程管理，以实现HGU的业务自动激活。除上行PON接口物理层与链路层的配置管理之外，EMS可以利用OMCI中的私有协议部分，通过对网管侧和设备侧进行软件开发和升级，临时管理PON上行家庭网关上的其他关键参数，如AP SSID，管理员账号密码，路由桥接模式，QoS，远程管理平台URL等。

由于家庭网关网管系统的TR-069协议对HGU的管理更加科学合理，还涵盖了终端重启、恢复出厂设置、故障诊断等多种远程操作，并且将HGU作为控制点，可经由HGU使用UPnP(通用即插即用协议)管理家庭网络中的IAD电话、机顶盒、电脑、游戏机和媒体服务器等多种终端设备。因此，为家庭用户提供个性化的综合信息服务，家庭网关网管系统是至关重要不可或缺的。待家庭网关网管系统建立并完善接口后，可通过EMS远程配置HGU的远程管理平台URL和digest双向认证用户名密码等参数，使得HGU能够注册到家庭网关网管系统，从而平滑过渡到双网管的最终格局。

6 结束语

因为FTTH在性能、维护、成本和演进方面均比FTTB模式具有优势，电信运营商更倾向于选择FTTH模式一步到位进行宽带建设，FTTH在我国将迎来跨越式发展，PON上行家庭网关的应用范围和建设规模也将得以快速扩大，PON上行家庭网关的规模部署，能够帮助电信运营商实现从通信向信息娱乐以及数字化生活服务等领域的业务转型。为及早真正具备大规模应用与运营FTTH的能力，运营商面临的挑战之一就是如何通过对PON上行家庭网关的远程管理，来实现业务自动开通和故障处理，将数字家庭业务整合进网络侧运营管理平台。这种延伸可以提升运营商的服务水平和差异化服务能力，并提高企业核心竞争力。各地运营商应根据网络现状、业务发展和网管系统等实际情况，规划出合理的PON上行家庭网关远程管理方案，系统地推进FTTH的网络建设和运营支撑，推动家庭网络、家庭业务的发展，利用三网融合这一契机，跨入FTTH的美好未来。