无源光网络技术在光进铜退中的应用

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摘要　中国宽带接入市场经过短短三、四年的时间就获得了巨大的发展。首先对宽带接入市场的现状和需求进行了分析，并详细介绍了FTTx的各种具体应用模式，随后在对PON技术典型应用场景进行分析的同时，指出了其应用发展中遇到的困难和问题。
1、宽带接入市场的现状与需求
　　中国宽带接入市场经过短短三、四年的时间就获得了巨大的发展。据统计，截至2007年5月，中国宽带接入用户数达到5 824万线，其中ADSL是最主要的宽带接入手段，在中国宽带接入市场中的份额超过70%，中国已成为全球最大的DSL市场。
　　在接入网络迅速发展的过程中，传统电信业务和商业运营模式越来越难以满足用户和市场的需要，固网运营商面临着来自用户和业务的多重挑战，具体包括：（1）互联网对传统语音业务的冲击；（2）收益的增长速度远远落后于带宽的增长速度；（3）移动通信对固定通信的替代；（4）市场竞争不断加剧；（5）用户需求的个性化日益突出。除此以外，运营商之间的竞争明显加剧：固网运营商之间深入对方的传统领地抢夺高端客户，移动运营商与传统固网运营商争夺企业信息化市场，有线电视广播运营商也在积极拓展宽带业务。
　　为了提高竞争力，降低用户离网率，运营商纷纷开发各种多媒体业务和增值业务，但由此也带来了用户带宽需求的大幅增长。一般情况下，各类业务的带宽需求如表1所示。

表1　各类业务的带宽需求

　　同时需要特别关注一下P2P业务。P2P被认为是近五年来互联网最为普遍的应用，也是带宽消耗的主要因素。运营商的统计数据表明，P2P流量约占服务提供商网络总流量的60%～80%，但P2P应用组网构架于四层网络之上，传统电信网络对其无管控能力，导致巨大的增量带宽并未能带来相应的收入增长，运营商只能不断地被动扩容。此外，P2P打破了接入网上下行带宽非对称的常规，给目前中国以DSL技术为主的接入网带来了挑战。
　　宽带业务的发展对接入网提出了新的要求，如更高带宽及强大的带宽管理能力，对接入、内容、质量及安全等方面的控制能力，等等。为了应对上述提到的接入网问题，电信运营商不约而同地提出了“光进铜退”的接入网发展策略，将投资重心转向光接入网，严格控制铜缆投资和使用，分阶段有步骤地实现接入网光纤化，不断缩短铜缆长度，最终实现光纤到家庭（FTTH）。
2、光纤接入技术（FTTx）的具体模式
　　FTTx是对各种形态的宽带光接入网的统称。在宽带光接入网中，光纤可以是惟一的传输媒质或者主干传输媒质。根据光纤所到达的物理位置不同，FTTx存在多种应用类型，具体分类如下：
　　（1）光纤到交接箱（FTTCab：Fiber To The Cabinet）。其特征是：以光纤替换传统的馈线电缆，光网络单元（ONU）部署在交接箱处，ONU下采用其他介质接入到用户，例如采用现有的金属线或者无线，每个ONU支持的用户数为数百户到1000户左右。
　　（2）光纤到楼宇/分线盒（FTTB/C：Fiber To The Buildin/Curb）。其特征是：以光纤替换用户引入点之前的铜线电缆，ONU部署在传统的分线盒处，ONU下采用其他介质接入用户，如现有的金属线或无线，每个ONU支持的用户数为10～100户左右。
　　（3）光纤到公司/办公室（FTTO：Fiber To The Office）。其特征是：仅利用光纤传输媒质连接通信局端和公司或办公室用户，引入光纤由单个公司或办公室用户独享，ONU/光网络终端（ONT）之后的设备或网络由用户管理。
　　（4）FTTH。其特征是：仅利用光纤传输媒质连接通信局端和家庭住宅，引入光纤由单个家庭住宅独享。
　　除以上四种典型应用之外，国内外还存在其他FTTx的术语，综合归纳后仍然可以等效划归入以上类型。为了避免混淆，表2给出了它们之间的对应关系。

表2　FTTx术语对应

3、无源光网络（PON）技术的应用
　　PON技术（包括以太网PON（EPON）、千兆PON（GPON））是发展FTTx的主要实现技术，它可节省主干光纤资源和网络层次，在长距离传输条件下可提供双向高带宽能力，接入业务种类丰富，其远程管理能力和无源光分配网结构可大幅降低运维成本，因此可支持多种应用场景。但由于PON采用点到多点的拓扑结构，实际组网应用中分光点（即光分路器的放置位置）在网络中的位置受到用户分布和成本等因素的制约，因此更适合于用户区域较分散、而每一区域内用户又相对集中的小面积密集用户地区。
　　EPON和GPON是目前主流的两种PON技术，EPON的显著优势在于产品商用较早、成熟度高、核心芯片量产大和设备成本低；GPON的显著优势在其性能方面，如具有更高的速率和传输效率、对TDM业务的更好支持、有更强的OAM功能、更高的标准化程度。现阶段EPON与GPON在中国会并存发展，EPON比GPON起步早，也是中国目前PON应用的主流技术，但GPON正在奋起直追，发展前景看好。EPON与GPON间的技术竞争在一定阶段还会继续，两者都需要在实践中不断发展、完善。在进行实际网络部署时，需要对具体的应用环境、设备性能和成本等因素进行综合评估后再选择。随着技术的发展和互相借鉴，二者在产品形态和性能、功能方面可能会越来越靠近并最终走向统一。
　　不同应用场景下客户的分布密度、业务需求存在很大的差异性，相应的运营商收益也有所区别，如企业客户数量少，但资费高、收益大；家庭用户数量众多，但资费低，等等。综合考虑业务需求、成本和客户分布情况的不同，PON的典型应用场景可分为下面四大类。
　　（1）企业客户
　　企业客户主要是中小企业和网吧等，其带宽需求一般相对较高（一般超过2 Mbit/s，典型需求为10 Mbit/s甚至100 Mbit/s），业务需求以IP业务为主，辅以E1语音专线或POTS业务，可以承受较高的资费。此外，企业客户对系统的可用性和维护质量要求较高，这样就对PON设备的长时可用性和运营商的运维部门提出了较高的要求。
　　传统接入方式（如DSL、光纤收发器等）在接入企业客户时存在较大不足，如DSL接入的带宽较小难以满足商用客户需求，且速率不稳定；光纤收发器的传输带宽有保证，但消耗大量光纤资源，在光缆资源紧张区域难以满足要求。
　　采用EPON和GPON技术可以较好地满足企业客户的需求，解决传统接入方式的不足。具体来说，在中小商业客户比较集中的商业楼宇，采用PON技术直接实现FTTO或FTTB+LAN，可为客户提供不同带宽、不同业务类型（包括IP、E1、话音）的个性化服务；在网吧密集地区和新建工业园区，采用PON技术替代光纤直连方式实现FTTO，每个网吧或企业独享一个ONU，在提供稳定传输带宽的同时可节省大量城域光纤资源。
　　（2）视频监控
　　随着城市监控、交通监控等一系列远程视频监控组网需求的大量出现，视频监控（“全球眼”）、视频通信（“新视通”）等对上行带宽要求较高的业务已经成为运营商的一种收益较高的新型业务。
　　视频监控业务对上行带宽需求较大，一般超过3 Mbit/s，终端设备数量大并且在一个区域内呈分散分布，对接入网络的扩展性要求高。此外，由于此类业务主要用于公共安全防护和行业应用，客户对QoS的要求较高，但对成本不很敏感。
　　传统接入方式（如SHDSL和视频光端机）在接入视频监控业务时存在一定的不足，如SHDSL虽然技术成熟、布线简单，但带宽受传输距离限制较大，并且容易受到串扰影响导致速率不稳定，从而影响图像质量，设备价格较高；视频光端机具有技术成熟，带宽有保证等特点，但对光缆资源的消耗较大，由于是专用设备，因此设备成本难以进一步降低。
　　采用PON技术承载视频监控业务的回传数据，摄像头通过FE接口直接连接至ONU，可充分利用PON系统上行高带宽的特性，与视频光端机点到点的传输方式相比，可节约大量主干光纤资源。
　　（3）家庭用户
　　家庭用户包括高端家庭用户（别墅、高档公寓）和普通家庭客户，他们是宽带接入市场中用户数量最多的客户群，业务需求以IP业务为主，辅以POTS业务。目前家庭用户对带宽的需求一般，但随着IPTV、视频通信等高带宽业务的陆续出现，将使得运营商接入带宽的升级压力剧增。此外，家庭用户对成本和资费敏感，而且用户数量众多，维护压力大。
　　ADSL和LAN接入是目前家庭用户宽带接入的主要方式，具有技术成熟、布线简单、成本低等优势，但带宽升级能力有限，同时对小区机房、运维和供电的要求较高；LAN接入还存在网络层次多、故障点多、维护困难、对组播业务的支持能力较弱等缺点，用户带宽升级会造成对光缆和以太网交换机千兆光口数量的要求急剧增加，从而导致网络建设成本大幅增加。
　　由于高端家庭用户和普通家庭用户对资费的承受能力存在一定差异，因此采用PON技术为家庭用户提供高带宽接入服务时需要区分客户类型来采用FTTH或FTTB/C等不同的网络结构。
　　对于别墅区和高档住宅小区，考虑到用户对资费的承受能力较强，可以采用PON直接实现FTTH，一步到位解决客户对IP数据、视频和话音的多种业务需求。
　　对于普通家庭用户，采用PON+LAN（多FE端口的ONU）或PON+DSL（内置DSLAM功能模块）实现FTTB，在提供高带宽的同时可大幅降低网络建设成本，满足普通家庭用户对低资费高带宽的要求。
　　（4）农村信息化服务
　　农村信息化服务是建设社会主义新农村的一项举措，其业务接入点分散，一般沿公路呈链状分布，单点用户较少，用户带宽需求低。在运维方面，存在没有机房或机房环境差、人员维护成本高的困难。
　　采用PON技术通过多级分光方式可适应行政村的链状分布，同时可实现IP、话音和CATV的多业务接入，并节省大量主干光纤资源。但由于是链状网络，因此光分配网络（ODN）一般要求采用多级不均匀分光方式。
4、影响PON技术应用发展的因素
　　PON技术长期不能得到实质性的发展，究其原因主要在于网络建设费用昂贵和缺乏有力的业务需求。
　　（1）网络建设费用昂贵
　　利用PON技术建设FTTx网络的成本主要由设备成本、线路设施和配套设施以及工程施工三部分构成。设备成本指纯设备的成本，包括光线路终端（OLT）、ONU或ONT、以太网光纤收发机、PDH光端机、点到点光以太网设备。对于PON，每线设备成本是按照平摊到PON系统的每个ONU进行计算。线路设施和配套设施包括各种型号的光缆、配线架、交接箱、终端智能盒、分路器、分歧接头盒、分纤盒等，以及配套管道、电源设施等。工程施工包括勘察设计、线路管道施工、设备安装调测、工程监理等。PON的建设成本随着光纤到达位置的不同，会存在较大差异。
　　在网络实施中，影响设备成本的因素有多种，主要包括业务提供类型、工程配置的用户数量、传输距离、语音业务的提供模式、网管的配置情况、是否采用PON保护等。其中，业务提供类型是影响设备成本的最主要因素。以EPON设备为例，目前支持纯数据业务的设备成本约为1600元/线；若同时支持两路话音，则设备成本约增加500～800元/线；若同时支持CATV，则设备成本约增加1 100元/线。
　　实践已经证明，PON并没有不可实现的技术难点，但要使PON技术走向成功，必须进一步降低相关产品的成本，可以考虑从以下几方面着手进行：开发系统级商用芯片、开发适应FTTH特点的新型低成本光器件以及低成本易安装的室内光纤和单芯光缆。在FTTH发展的初期，特别是大楼或小区内初期实装率不高的情况下，要想使FTTH的价格定位与ADSL接近是很困难的，但应通过带宽和业务类型等方面的优势尽量在性价比上使FTTH具有较强的竞争力。
　　（2）缺乏有力的业务需求
　　“杀手级应用”是很多新技术推出时必须面对的问题，PON也不例外。目前PON的确难以找到符合大多数用户需求的杀手级应用，提供的主要业务类型仍然和DSL类似，难以体现PON高带宽、大覆盖的技术优势。IPTV被认为是推动FTTH发展的关键业务，但这涉及到电信与广电行业之间的行业管制、版权保护、内容监管以及合适的商业模式等。除了电信运营商应该在内容提供方面主动与广电运营商合作外，从日本、韩国的发展经验来看，政府在法规的制定和促进产业链的形成方面有着不可替代的作用。
　　（3）线缆所有权问题
　　PON尤其是FTTH的应用再次提出了接入线路敷设所有权的问题，光纤的长距离传输能力使得局端设备能够远远移出小区范围，如此庞大的光缆线路所有权应该归谁是FTTH网络建设和政府管制应该重点考虑的问题之一。此外，如何避免重复建设也是一个需要仔细考虑的问题。
　　（4）城域网的带宽压力
　　PON的高带宽使得用户接入段的带宽能力大为提高，却给城域网和数据汇聚后的核心骨干网带来了巨大的带宽压力，目前的城域网和核心网架构以及网上交换机/路由器等不足以承受PON实现FTTH带来的巨大业务流量。为了使用户真正感受到PON构建的FTTH的高带宽能力，必须消除网络上的瓶颈，甚至构建下一代网络体系架构。
　　（5）ONU供电
　　由于PON采用光纤传输，传输系统本身无法实现对ONU的远程供电，必须采用本地供电。ONU断电会导致语音中断，对长期以来固网运营商形成的断电不掉话的习惯形成了冲击。
　　此外，PON的规模应用改变了运维部门传统的铜缆维护体系，数据/语音/视频的“三重播放”还带来了运维部门多专业综合维护能力的问题，光纤到户的业务资费以及消费引导问题也是对运营商向用户推广业务的一个考验。
5、展望
　　随着光接入成本的不断下降、铜缆价格和铜线接入网运维成本的攀升、运营商网络向以宽带为特征的下一代网络的转型，以及更多高带宽业务的出现，FTTH或FTTB已经成为所有主流运营商的选择。“光进铜退”在中国已经加速，但FTTH在中国的实现将是一个循序渐进的过程，还有赖于政府、运营商、设备商、器件商、研发机构、用户等多方的不懈努力和持续推进，还需要我们有足够的耐心和恒心。