FTTH网络标准的具体应用及其网络测试

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1、引言　　近年来，用户对于带宽的需求不断增长，非对称用户线路（ADSL）接入方式的带宽在不久的将来将成为网络应用的瓶颈。而光纤到户（FTTH）在带宽方面的优势使得它成为未来网络接入发展的理想方向，因为它能够满足用户的多种需求，像高速通信、家庭购物、实时远程教育、视频点播（VOD）、高清晰度电视（HDTV）等等，可这些业务都是铜线或双绞线勉力为之才能达到的目标，而对FTTH来说则是轻而易举。FTTH的显著技术特点是不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装，具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力，其中TDM和IP数据采用IEEE802.3以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量，通过扩展第三个波长（通常为1550nm）即可实现视频业务广播传输。
　　2、FTTH系统结构及标准进展
　　2.1 FTTH系统结构
　　FTTH是指将光网络单元（ONU）安装在住家用户或企业用户处，是光纤到X处（FTTx）系列中除光纤到桌面（FTTD）外最靠近用户的光接入网类型。通过无源光网络（PON），FTTH可令多个用户共享单个光纤连接，而无需使用任何有源元件，即通过光电光（OEO）转换来生成和转换光的元件，从而大大降低了网络安装、管理和维护成本。ITU-TG.983.1所定义的FTTx系统如下：
　　图1为FTTH的系统结构，在中心局（也称为数据转发器）处，公共交换电话网络（PSTN）和Internet服务通过光线路终端（OLT）同光分配网络（ODN）相连。使用下行1490nm和上行1310nm的波长来传送数据和语音，视频转换器可将视频服务转变成波长为1550nm的光学格式，1550nm和1490nm的波长由WDM耦合器合并，然后一起被下行传输。网络中使用的3种波长（1310、1490和1550nm）在同一条光纤上同时以各种方向传输不同的信息。主光纤或馈线在中心局和分线器之间传输光学信号，这样就可以在同一条馈线上连接许多光学网络终端（ONT），每个用户都需要一个ONT，它可为不同服务（普通电话业务（POTS）、以太网和视频）提供连接。由于一个FTTx网络一般可向32个用户提供服务，为一个团体提供服务时通常需要多个这类源自同一个中心局的网络。


图1 为FTTH的系统结构
　　2.2 国际FTTH标准制定情况
　　点对点（P2P）
　　G.797PDH环境下的灵活复用设备
　　G.798SDH环境下的灵活复用设备
　　G.985100Mb/s点对点以太网光接入系统
　　窄带无源光网络（NPON）
　　G.982支持综合业务数字网（ISDN）基本速率及其对应速率业务的光接入网
　　ATM无源光网络（APON）
　　G.983.1基于PON的宽带光接入系统
　　G.983.2APON的ONT管理和控制接口规范
　　G.983.3利用波长分配具有增加业务能力的宽带光接入系统
　　G.983.4利用动态带宽分配具有增加业务能力的宽带光接入系统
　　G.983.5具有增强生存性的宽带光接入系统
　　G.983.6具有保护特性的BPON的OTN管理和控制接口规范
　　G.983.7具有动态带宽分配的BPON的OTN管理和控制接口规范
　　G.983.8支持IP、ISDN、Video、VLAN、VC交叉连接的BPON的OTN管理和控制接口规范
　　G.983.9支持WLAN接口的宽带无源光网络（BPON）的OTN管理和控制接口规范
　　G.983.10支持数字用户环路接口的宽带无源光网络（BPON）的OTN管理和控制接口规范
　　千兆比特无源光网络（GPON）
　　G.984.1GPON的一般特性
　　G.984.2GPON物理媒质相关（PMD）子层规范
　　G.984.3GPON的传输汇聚层
　　G984.4GPONONT管理和控制接口
　　以太网无源光网络（EPON）
　　IEEE802.3ah以太网无源光网络（EFM）
　　光纤
　　G.6yz用于建筑物内外的光纤
　　中国
　　中国通信标准化协会（CCSA）TC6WP2已经对FTTH系列标准进行预研
　　3、用于FTTH的PON
　　FTTH涉及的技术很多，包括光器件、光传输系统、光纤光缆、安装、维护、监控等方面，其中传输技术和设备是关键，而PON技术便是公认的实现FTTH的最佳技术。PON技术是一种点到多点的光纤接入技术，它由局侧的OLT（光线路终端）、用户侧的ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）组成。一般其下行采用TDM广播方式，上行采用时分多址接入（TDMA）方式，而且可以灵活地组成树形、星形、总线形等拓扑结构（典型结构为树形结构）。
　　3.1 BPON及GPON
　　BPON系统过去被称作ATM-PON（AsynchronousTransferModebased PON）系统，它是以ATM作为基本技术的PON系统，传输速率上行为155Mb/s，下行传输速率为622Mb/s；以后又追加了上行传输速率可到622Mb/s，下行传输速率可到1.2Gb/s，数据传送使用ATM信元。现在关于BPON的国际标准是ITU-T的G.983系列建议。
　　GPON是运营商驱动标准，有周到的运营新标准G.984.1和G.984.2.提供1.2G和2.4G的下行速率和所有标准上行速率，距离20km，分路比1:16～1:64，乃至1:128。GPON无论扰码效率、汇聚层效率、承载协议率和业务适配效率都最高。此外，GPON要满足很高的突发同步指标和较高功率预算，只能用分布反馈激光器（DFB）发送+雪崩光电二极管（APD）接收，比EPON的法布里-珀罗激光器（FP）+光电二极管（PIN）贵，成品率也低，再加上EPON已进入，使目前GPON成本远高于EPON。GPON成熟度也不如EPON，无论芯片还是模块。
　　应用：从2002年开始，符合ITU-TG.983系列的BPON网络在日本被广泛铺设。由于在OLT和ONU端都不提供ATM接口，而只提供以太网接口，从而日本电报电话公司（NTT）公司试图为用户改用EPON。目前，美国的运营商就倾向于采用BPON设备来实现FTTH，BPON的一个缺点是线路速率不高，最高配置为下行622Mb/s/上行155Mb/s。2004年BroadLight公司宣布了它的第一个BPON技术的扩展方案扩展型宽带无源光网络（EBPON），支持1.25Gb/s的下行速率，1:64的分路比，并且可向GPON平滑过渡，成本也不高。SBC公司决定在新型住宅小区采用B/GPONFTTH方案，而在现有的单元采用千兆以太网光纤到邻里+数字用户线（GigEFTTN+DSL）方案。SBC公司期望在2007年拥有100万B/GPON FTTH和1700万光纤到路边（FTTC）+DSL用户群。北美运营商已涉足BPON及GPON的标准研究，并宣称在将来FTTx应用中将采用BPON、GPON标准，原因是这两个标准的灵活性支持固定码率（CBR）应用，并与他们过去的基于TDM架构相兼容。
　　3.2 EPON
　　IEEE已通过成立802.3ah即第一英里以太网（EFM，EthernetfortheFirst Mile）工作组的方式开始了EPON的标准化工作。EFM指出了以Ethernet技术为核心的EPON的许多优点，包括协议成熟、技术简单、易于扩展、面向用户等，并坚信Ethernet PON可以消除WAN／LAN连接中ATM和IP之间的协议转换问题。EPON系统的主要功能包括VLAN、动态带宽分配（DBA）功能、业务质量（QoS）保证、加密功能、组播功能、认证功能、虚拟局域网准叠（VLANStacking）以及光纤保护倒换功能等，其中最后3种功能为EPON系统可选功能。EPON结合了以太网设备/器件价格低廉，更适合基于以太网各种业务的传送以及PON的优势，并且加强了传统以太网比较弱的运行维护管理功能。
　　应用：Alloptic、Centillium、Passave、Teknovus等公司生产的EPON主要是面向亚洲市场。在日本，FTTH业务主要提供的是基于以太网的高速因特网接入业务，所以基于以太网的EPON技术被一些运营商视为下一代的接入网络。NTT和日本移动电话运营商（KDDI）两家公司由于激烈的市场竞争需要采用GbitFTTH业务，已等不及GPON标准的发展，但由于标准的问题，提供广播视频或终端点播业务并非他们的首选，因而他们决定将其新老用户转向EPON应用。NTT公司目前拥有100万FTTx用户（包括PON及P2P用户），这些用户也打算转向EPON应用。
　　3.3 混合TDM/WDM-PON
　　WDM-PON是使用最昂贵的设备，它不像远距离传输那样，其费用由每个网络的几十个用户承担。然而，它能给每个用户提供Gb/s的速率，而这是TDM-PON所不能提供的，关键是如何以合理的费用方式完成。
　　应用：TDM-PON的应用已经开始，预计在2009年前全球用户数量有望超过1000万。由于不断增长的带宽要求及如何以灵活和合理成本（如图2所示）来过渡到WDM-PON，一些混合TDM/WDM-PON已经提出，包括三星公司的混合PON和Stanford公司的SUCCESS-DWA及SUCCESS-HPON。在韩国，当前的VDSL系统能提供54Mb/s的速率，韩国已建立了一个与住宅有关的Internet连通的网络，韩国电信决定用WDM-PON使每个用户达到100Mb/s的带宽，预计在2005年的晚些时候开始推出，其体系细节尚未公开。


图2 PON网络带宽和成本的关系
　　4、FTTH网络测试
　　FTTH网络可以分为3段：馈线段、配线段和入户线段。由于FTTx的网络中使用了大损耗的无源器件，使得光纤链路的损耗特性成为最为关键的评估对象。图3为FTTH主要测试过程，包括了光纤总的损耗特性，熔接点的损耗特性，接头的损耗特性，光分配器的插入损耗，光纤和接头的回损特性等。


图3 FTTH测试、维护过程
　　4.1 光损测量
　　光损是使用两台光损测试装置（OLTS）进行测量，要求连续进行两次测试。两台OLTS首先使用各自的光源一起测定基准，然后每个OLTS通过被测试段向另一个OLTS发送校准功率值，这样可以测量接收功率并计算损耗。分线器损耗取决于分流比，1×2分线器的损耗约为3dB，输出端的数量每翻一番，损耗增加3dB。1×32分线器的损耗至少为15dB，下行和上行信号都会产生这种损耗。如果考虑WDM耦合器、熔接、连接器和光纤本身的组合损耗，就很容易理解在网络安装期间精确测量端到端双向光损，对确保每个ONT接收足够的功率是必不可少的。
　　4.2 光回损（ORL）测量
　　ORL为入射功率与反射功率之比，在被测试设备（DUT）（如光纤段或链路）的输入端进行测量，它是指从某单一界面的反射量或由某事件（如从光纤末端（玻璃）过渡到空气）导致的反射量。ORL测量值越大表示反射越少，也就越好，链路ORL由光纤芯的Rayleigh反向散射和链路上所有界面的反射组成。ORL对于模拟传输特别重要，如FTTx系统中使用的1550nmCATV信号。虽然Rayleigh反向散射是光纤所固有的，无法完全消除，带有空气/玻璃或玻璃/空气界面的不同网络元素（主要是连接器和元件）会导致产生反射，但如果特别注意或精心设计，完全可以改善这种情况。要优化传输质量，必须控制好背反射效应（例如，光源信号干扰或输出功率的不稳定性）。
　　4.3 使用OTDR的链路检测
　　光时域反射仪（OTDR）检测包括未对准、失配、角度故障、连接器套圈上的灰尘、光纤断裂和巨大弯曲。巨大弯曲属于不必要的事件，当光纤弯曲得比其最小弯曲半径还紧时（带缠绕太紧等）就会引起该事件。通过比较在131Onm、1490nm和1550nm时的损耗很容易检测该事件。这是因为巨大弯曲在较长波长（1550nm）时比在较短波长（1310nm）时具有更明显的损耗。巨大弯曲检测最适用的OTDR波长为1625nm（波长越长越好）。OTDR使用单个反射返回所花费的时间来确定每个事件的距离，光纤在其整个长度上均匀地反向散射该光的一小部分。OTDR测量该反向散射的光来确定光纤的衰减，反向散射光的突然减少对应着由于熔接或其他事件引起的光损。
　　由于OTDR测量意味着光可以通过耦合器向后和向前传播，因此OTDR接收器（耦合器之后和耦合器之前）看到的反向散射功率比最高可达到-36dB（0.025%）。要准确测量如此不同的功率级别，必须消除或至少大大降低OTDR接收器电子设备内的非线性、负脉冲信号和长期恢复性。最先进的OTDR允许将光纤终端阈值尽可能高地设定为20dB，以区分光纤终端和大PON损耗。图4包含高端口计数耦合器的光纤链路的传统OTDR轨迹。


图4 标准OTDR的轨迹
　　4.4 测量1310nm上行数据
　　当测量来自ONT波长为1310nm的上行信号的功率时，该信号以相反方向沿着同一光纤传输，而且G.983实现1310nm上行信号保持沉默状态，直到该数据被1490nm下行信号支撑并被分配了一个传输窗口。这就要求在OLT（1490nm的下行数据）和ONT（1310nm的上行数据）之间建立通信链路才能测量ONT发射的功率。这将防止直接在发送器端口使用标准功率表测量131Onm的上行信号。相反，有必要使用诸如耦合器这类设备，该类设备允许通过其中一个端口建立通信的同时在另一个端口测量功率。耦合器将不得不使损耗降到足够低，以使链路保持活动状态，而且需要熟悉链路传输特性，以判断来自1310nm上行信号的功率。
　　4.5 测量稀疏数据流
　　测量的稀疏数据流时通常测量它在测量范围内（通常在1Hz和几kHz之间）看到的平均功率，在出现同步光纤网（SONET）数据流OC-X（其中X为3、12、48、192甚至768）或扰频ATM时，这种方法可以很好地发挥作用，此时占空比平均趋于50%，传输速度足够快以至于不会被低带宽功率表检测到。但是，在G.983实现中，ONT的131Onm上行信号仅在通过OLT分配并管理的预定时隙内传输。例如，激活时在客户没有有效发送任何131Onm上行数据时，ONT仅能使用单一单元格（424位）回复OLT轮询，表示此时不必向它分配其他时隙。G.983强加最小限制，即每个ONT发送器至少每隔1OOms检测一次。而且速率为155Mb/s或622Mb/s的424位仅分别持续约为2.72s和约为682ns。假定单元格中占空比约为50%（即扰频数据），则每100ms的相应占空比可以低至约为O.0003%（对于622Mb/s，682ns内为50%，100ms剩余时间内为0%）。很明显，如果不了解有效占空比，则标准功率表不会准确反应已将时隙分配给ONT且在这些时隙内读取数据的OLT处接收到的功率。
　　4.6 接口测试
　　接口测试包括PON接口测试、业务节点接口（SNI）测试以及用户网络接口（UNI）测试。SNI接口测试包括GE接口测试、E1接口测试以及V5.2接口测试，V5.2接口测试还应包括V5.2协议一致性测试。UNI接口测试应包括10/100M以太网接口测试、E1接口测试以及接入网远端Z接口测试等。
　　4.7 ODN（光分配网络）特性的测试
　　ODN主要是由无源光分路器、无源光衰减器、光纤以及光接头等无源器件组成，对ODN的测试主要是针对分路器的测试以及最大光纤传输距离的测试。对分路器的测试，主要包括分路器插入损耗、分路器均匀一致性以及最大分路比的测试等。
　　4.8 测距测试
　　测距是PON系统为了无冲突的传输上行信号所必需的功能。测距测量的是每个ONU和OLT之间的逻辑距离。当每个ONU接收到与其连接的OLT的发送授权时确定发送定时，测距测试主要包括测距能力、静态测距能力、动态测距能力以及测距精度。
　　5、结论
　　迄今为止，FTTH主要在日本、韩国和美国得到一定规模的应用。我国是一个发展中国家，电信产品消费水平普遍较低，目前商业FTTH用户还非常少（几乎为零），FTTH推广尚处于起步阶段。为此，选择适合我国国情的FTTH技术对推动我国FTTH的普及至关重要。随着应用规模的扩大，FTTH设备以及固线的成本有极大的下降空间。在业务融合上，从过去能够提供普通的电话业务到广播电视，如高清晰电视、流媒体到现在目前正在实践的FTTH，今后宽带市场的走向一定时间内会出现ADSL、FTTB+LAN、FTTH共存，短时间内ADSL将持续占主流，DSL和FTTH将会共同发展。在FTTH设备价格由于建设量的增大而逐步降低到DSL的水平后，FTTH市场容量将会大量增加。