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摘要本文首先簡要介紹世界寬帶接入網發展的狀況和主要應用,然后講述了寬帶光纖接入網的優點。接下來,重點分析了寬帶點到點有源以太網光纖系統和寬帶點到多無源光纖系統的特點和應用。最后提出我國光纖接入網的發辰可能跨越APON、]]PON和EPON階段,從寬帶點到點以太網光纖系統和GEPON開始,乃至最終過渡到GPON階段的初步設想。

寬帶接入網發展的狀況和主要應用

『事實上,從電信發展歷史看,當網絡用戶數達到一定規模。各種應用會自然產生,這也是所謂的邁特卡夫定律的威力所在。歷史上沒有一種技術生來就帶著一大堆應用的,無論是移動通信還是互聯網,其短信、瀏覽、網上聊天等關鍵應用都是在用戶規模發展到一定程度后自然產生的,而不是事先刻意設計策劃出來的。』

進入21世紀以來,全球寬帶接入網進入了大發展階段。到2004年底,總用戶數已經達到1.5億,成為電信史上發展最快的電信業務之一,甚至比移動業務還快。例如全球移動業務從1000萬發展到1億花了5.5年,而寬帶接入業務僅用了3.5年。按照IDC的預測,2007年全球寬帶總用戶可以達到2.09億,其中9.9,即大約2000萬用戶為光纖接入網。

亞太地區,特別是韓國和日本是寬帶接入發展最迅猛的國家,韓國寬帶用戶總數已經突破1000萬,寬帶普及率居世界第一,占據家庭的7互聯網的90%。日本政府也通過各種措施大力推進寬帶發展,計劃2005年將寬帶用戶總數提高到3000萬,其中FTTH達到1000萬。美國依然是世界最大的寬帶接入市場,總用戶數超過3000萬。美國FOC將寬帶業務定位為2003—2008年的六大目標之一,事實上寬帶接入正成為美國普遍服務的下一個目標。美國寬帶接入是以電纜電視和ADSL為主發展的,由于電信管制政策鼓勵采用新技術建設網絡(例如FCC規定運營商建設光纖接入網可以不受限于本地環路的非捆綁政策)以及競爭和業務增長的壓力,近來主導運營商對光纖到駐地(FTTP)的發展十分積極。

就光纖接入網,特別是光纖到駐地(FTTP)或光纖到家(FTTH)而言,全球已經開始進入啟動階段,僅美國就有270個FTTP項目,多半是地方政府、公共公司、房地產開發商和非主導電信運營商的項目。主導運營商也開始進入該領域,其中Verizon計劃2005年完成300萬FTTP;SBC在其龐大的“光速”計劃中計劃2007年達1800萬FTTN,每戶具備速率20-39Mb/s,提供端到端的三重業務捆綁(tripteplay)業務。日本是世界上推進FTTH最激進的國家,2.004年其光纖就已經通達1800萬多戶家庭,但是用戶發展滯后,大約為200萬,2005年計劃發展1000萬。歐洲比較穩健保守,到2004年FTTH總共敷設了50萬,有167個小項目或試驗項目在進行。

我國寬帶接入網在近兩年發展也十分迅速,據初步統計,到2004年底我國寬帶用戶為2500萬,成為僅次于美國的第二大寬帶接入市場,其中主導技術是ADSL,大約占70%左右,其次是以太網技術,還有少量寬帶無線接入和電纜調制解調器接入,對于FTTH技術還處在跟蹤階段,少數發達城市也已經在開始考慮和試驗各種FTTHI技術。

從寬帶應用看,按照美國麥肯錫公司的最新分析,初期的寬帶應用主要是高速上網,可以使上網的時間增加約30%。此后,隨著業務的大規模拓展,開發新的業務成為繼續發展的動力。據美國BHK公司在2004年的調查結果顯示,2003年美國前五名的寬帶消費是網上賭博、成人節目、游戲、音樂下載和點播電視,具有明顯的向消費類傾斜的趨勢。

需要指出,討論應用驅動需要注意一個基本認識上的誤區,即不能寄希望于人為事先研究開發出一二項所謂“殺手锏應用”,推廣應用。事實上,從電信發展歷史看,當網絡用戶數達到一定規模,各種應用會自然產生,這也是所謂的邁特卡夫定律的威力所在。歷史上沒有一種技術生來就帶著一大堆應用的,無論是移動通信還是互聯網,其短信、瀏覽、網上聊天等關鍵應用都是在用戶規模發展到一定程度后自然產生的,而不是事先刻意設計策劃出來的。

寬帶光纖接入網的優勢

隨著光纖在長途網、城域網乃至接入網主干段的大量應用,邏輯的發展趨勢將是繼續向接入網的配線段和引入線部分延伸,關鍵是推進速度有多快?這將取決于多種因素,包括市場的需求、競爭的需要、應用的刺激、技術的進步,成本的下降和配套運維系統的開發等等。我國2008年舉辦奧運會和2010年舉辦世界博覽會這兩大事件將在一定程度上會推進寬帶光纖接入網的發展。

下面將主要從系統技術的角度來分析幾種主要的寬帶光纖接入技術的特征、問題和發展趨勢。當然,除了系統技術外,影響其應用的因素很多,主要是業務和應用以及管制政策。此外,各種配套元器件技術和敷設安裝測試技術也十分關鍵。目前低成本光源已有望實現,850nm的VCSEL僅數美元,1310nm的VOSEL已有突破,速率達10Gb/s。PLC混合集成技術,高密度低成本光纜及相關技術,對彎曲不敏感的室內用光纖,低成本無源器件,施工安裝技術,自動光操作測試系統等也都是影響光接入網推廣應用的關鍵因素,需要有妥善的解決方案。

點到點有源以太網系統

『由于計費、質量、管理、安全等多種因素,以太網作為公用網接入方式尚需進一步改進。』

傳統以太網屬于用戶駐地網(cPN)。然而其應用卻在向包括接入網在內的其他公用網領域擴展。歷史上,對于企事業用戶應用環境,以太網技術一直是最流行的方法,目前已成為僅決于供電插口的第二大住宅和辦公室公用設施接口。采用以太網作為企事業用戶接入手段的主要原因是已有巨大的網絡基礎和長期的經驗知識、目前所有流行的操作系統和應用也都是與以太網兼容的、性能價格比好、可擴展性、容易安裝開通以及高可靠性等。

對于公用網住宅用戶應用環境,點到點有源以太網系統采用有源業務集中點來替代無源點到多點系統的無源器件,使傳輸距離可以擴展到120公里之遠。主要優點是專用接入,帶寬有保證,每用戶可以獨享100Mb/s乃至1dbs;局端設備簡單便宜;傳輸距離長,服務區域大;成本隨用戶數的實際增長而線性增加,無需規劃,投資風險低,因而在低密度用戶分散地區成本較低。缺點是兩端設備和光纖設

施專用,用戶不能共享局端設備和光纖,當需求快速增長且用戶很密集時,光纖和兩端設備數量及其成本以及空間需求也隨之迅速增加,因而不太適合高密集用戶區域。影響選擇以太網技術的另一個因素是傳統視頻業務的提供方式,例如美國地方貝爾公司都承諾提供傳統模擬RF視頻節目,而以太網和模擬視頻節目的混合是很困難的。這方面PON技術就比較容易。

由于計費、質量、管理、安全等多種因素,以太網作為公用網接入方式尚需進一步改進。主要是以太網技術的固有機制不提供端到端的包延時、包丟失率、帶寬控制,難以支持實時業務的服務質量,缺乏安全機制保證等。

點到多點無源,光網絡系統

『隨著IP的崛起和發展,有人提出了EPON的概念,這一思想在以太網界獲得到了積極響應,在IEEE802.3ah的旗幟下已經形成了GEPON標準。』

1.無源光網絡技術

無源光網絡(PoN)是一種純介質網絡,其主要特點是在接入網中去掉了有源設備,從而避免了電磁干擾和雷電影響,減少了線路和外部設備的故障率,降低了相應的運維成本。其次,PON的業務透明性較好,帶寬寬,可適用于任何制式和速率的信號,能比較經濟地支持模擬廣播電視業務,具備三重業務功能(triple—play)。最后,由于其局端設備和光纖由用戶共享,因而線路成本較其他點到點通信方式要低,土建成本也可以明顯降低。特別是隨著光纖向用戶日益推進,其綜合優勢越來越明顯。PON的每用戶成本隨著分享OLT的用戶數量的增加而迅速下降,因而最適合于分散的小企業和居民用戶,特別是那些用戶區域較分散,而每一區域用戶又相對集中的小面積密集用戶地區,尤其是新建區域。最后,考慮采用PON技術后比較容易繼續提供傳統的模擬視頻節目,因而,多數美國地方貝爾公司傾向于PON技術,而不是光以太網技術。

PON的主要缺點是一次性投入成本較高,因為局端光線路終端OLT很貴,光纖和分路器等無源基礎設施又必須一次到位,這樣當用戶數較少或用戶分布超過某一限定距離時,每用戶的成本很高。另外,其樹型分支拓撲結構使用戶不具備保護功能或保護功能成本較高,影響了大規模發展。2.APON和BPON

早期的窄帶無源光網絡是基于TDM的,性能價格比不好,已經自然消亡。一個ATM化的無源光網絡(APON/BPON)可以利用ATM的集中和統計復用,再結合無源分路器對光纖和光線路終端的共享作用,使性能價格比有重要改進,目前在美國和日本等國已經開始商用。

然而,目前實際APON/BPON的業務適配提供很復雜,業務提供能力有限,數據傳送速率和效率不高,成本較高,其市場前景由于ATM的衰落而黯淡。最后,從長遠的業務發展趨勢看,APON的可用帶寬仍然不夠。以FTTC為例,盡管典型主干下行速率可達622Mb/s,但由于分路后,實際可分到每個用戶的帶寬將大大減小。按32路計算,每一個分支的可用帶寬僅剩19.SMb/s,再按10個用戶共享,則每個用戶僅能分得約2Mb/s的帶寬而已。顯然,這樣的性能價格比是無法滿足網絡和業務的長遠發展需要的。

3.EPON/GEPON

隨著IP的崛起和發展,有人提出了EPON的概念,即在與APON和BPON類似的結構和O.983的基礎上,設法保留其精華部分—物理層PON;而以以太網代替ATM作為鏈路層協議,構成一個可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業務能力的新的結合體-EPON。這一思想在以太網界獲得到了積極響應,在IEEE802。3ah的旗幟下已經形成了GEPON標準。在實際中,EPON和GEPON的基本差別就是標準化,前者往往指非標設備,后者指符合IEEE802.3ah,規范的設備。另外,GEPON的傳輸距離和分路比均比EPON有所減小。

EPON/GEPON與傳統點到點以太網主要不同處在于工作于點到多點通信方式。其下行方向工作于TDM方式,數據流以變長以太幀方式廣播到ONU,每個ONU根據以太幀的MAC地址,決定取舍。上行方向工作于TDMA方式,來自不同時隙的ONU數據流匯聚到公共光纖設施和OLT。此外,傳統以太網工作于連續光傳輸模式,在收發兩個方向都是連續的比特流,因此收端的定時和判決容易實現。而EPON/GEPOkI的ONU上行比特流是輪流發送的突發數據包,OLT的接收定時恢復、判決門限設置、測距和延時補償比較復雜。

從EPON/GEPON的結構上看,其關鍵優點是極大地簡化了傳統的多層重迭網結構,主要特點有:

——消除了ATM和SDH層,從而降低了初始成本和運行成本;——下行業務速率高達1Gb/s,允許支持更多用戶,每一用戶的帶寬可以更高,并能提供視頻業務能力和較好的QOS

——硬件簡單,無須室外電子設備,使安裝部署工作得以簡化;

——可以大量采用以太網技術成熟的芯片,實現較簡單,成本低

——改進了電路的靈活指配和業務的提供和重配置能力。

IEEE802.3ah規范的GEPON技術的規范性好,上下行波長是1310和1490nm,上下行速率為1.25Gb/s,傳輸距離是10/20km,分路比是16,主要業務是數據和語聲,增加一個1550nm電視廣播波長后,成為語聲、數據和電視三合一的“triple—play”寬帶業務捆綁服務,而這將是未來家庭業務的“殺手锏應用”。

EPON/GEPON的主要缺點是效率低和難以支持以太網以外的業務。前者是由于采用8B/10B的線路編碼,引入20%的帶寬損失,再加上其他開銷,可用負荷僅50%左右,而APON和GPON都采用NRZ擾碼為線路碼,沒有帶寬損失。再加上承載層效率、傳輸匯聚層效率、業務適配效率等原因,使EPON/GEPON總的傳輸效率很低,大約僅為GPON的半。

4.GPON

2001年,在IEEE積極制定EPON標準的同時,FSAN組織開始發起制定速率超過1Gb/s的PON網絡標準一千兆以太網無源光網絡(GPON),隨后,ITU-T也介入了這一新標準的制定工作并于2003年1丹通過兩個有關GPON的新的標準G.984.1和G.984.2(速率提高到2.5Gb/s)。按照這一最新標準的規定,GPON可以提供1.244和2.488Gb/s的下行速率和所有標準的上行速率;傳輸距離至少達20公里,具有高速高效傳輸的特點。而且,GPON采用了兩種封裝方式,除了傳統的ATM外,還在傳輸匯聚層采用了一個全新的基于sDH的標準通用組幀程序GFP,這是一種可以透明地高效地

將各種數據信號封裝進現有SDH網絡的通用標準信號適配映射技術,可以適應任何用戶信號格式和任何傳輸網絡制式,即可以按固有格式傳送語音、數據和視頻信號,無需附加ATM或P封裝層,全面體現了業務提供商對業務提供的靈活要求,而APON/BPON和EPON/GEPON對每種特定業務都需要提供特定的適配方法。由于采用GFP映射,GPON的傳輸匯聚層本質上是同步的,使GPON可以支持端到端的定時和其他準同步業務,特別是可以直接高質量地靈活地支持TDM業務。

從技術角度,GPON是BPON的繼承和發展。GPON繼承了BPON的很多基本特點,例如兩者都使用同樣的OLT核,心技術,使用同樣的物理光纖設施和光功率預算等。另一方面,GPON采用了一些最新的技術成果,除了最重要的GFP封裝外,還包括前向糾錯等新技術。

從提供的業務看,GPON不僅可以提供10/100Mb/s,1Gb/s的業務,而且可以提供VLAN業務和語音業務,事實上可以適應任何觀有業務和未來新業務的適配要求。總的看,GPON不是制造商驅動的技術標準,而是一種運營商驅動的標準,因此具有更周到的運營利益考慮,速率更高,可達2.4Gb/s;具有通用的映射格式,可適應任何新老業務;具有豐富的OAM&P功能;對各種業務均有很高的傳輸效率,即便對于TDM業務也能靈活高效低開銷傳送。可以幫助運營商完成從傳統TDM語音電路向全IP網絡的平滑過渡,其缺點是依然保留有復雜的ATM層功能,成本偏高。

由于三種PON的主要成本(約70%)都是光接口,因而其硬件成本理應相差不多,但是由于實現技術上的差別,目前GEPON的難度最小,成本最低。但就傳輸效率而言,則GPON無論在擾碼效率、傳輸匯聚層效率、承載協議效率和業務適配效率方面都是最高的,因此其總效率最高。例如假設TDM業務占10%,而數據業務占90%,則GPON的總效率為94%,而APON和GEPON分別為72%和49%。

GPON和EPON/GEPON面臨的共同挑戰有:怎樣才能在Ethemet,/GFP上有玖承載TDM業務并能提供電信級的服務質量;其次,由于GPON和EPON/GEPON是點對多點的星形或樹形網絡,需要通過一個1+1并經過不同路由的光網絡來實現電信級的保護恢復要求,網絡成本將非常高;第三,目前GPON和EPON/GEPON設備成本主要受限于突發光發送/接收模塊以及核,心的控制模塊/芯片。這些模塊要么是技術不成熟無法商用,要么是價格昂貴還難以適應市場需要;第四,GPON和EPON/GEPON的一次性投入成本較高,不太適合逐步投資擴容的傳統電信建設模式,最適合完全新建或改建的密集用戶區域。

結束語

總的來看,光纖接入網代表了寬帶接入網的長遠發展方向,各種寬帶光纖接入網都有其最佳使用場合和時機,寬帶點到點有源以太網光纖系統適合在低密度用戶分散地區應用,寬帶點到多點無源光纖系統最適合新建或改建的密集用戶區應用。我國的發展趨勢將可能跨越APON、BPON和EPON階段,從寬帶點到點以太網光纖系統和GEPON開始,乃至較快地過渡到GPON階段。