FTTH宽带光纤接入的技术特征与方案选择

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1、宽带接入网发展的现状

        进入21世纪以来，全球宽带接入网进入了大发展阶段。目前总用户数已经超过1.5亿，主体是ADSL技术。按照IDC的预测，2007年全球宽带总用户数可能达到2.09亿，其中约2000万用户采用光纤到户(FTTH)技术。

        在亚太地区，韩国和日本是宽带接入发展最迅猛的国家，这与政府的大力推动政策密不可分。韩国宽带普及率达世界第一，占家庭的70%，互联网用户的90%。日本政府也通过各种国家项目(包括e-Japan、u-Japan等)大力推进宽带发展，计划2005年将宽带用户总数提高到3000万，其中FTTH达到1000万。事实上，日本是世界上推进FTTH最激进的国家，2004年光纤就已经通达1800多万户家庭，但是用户发展滞后，2004年大约为200万，2010年计划发展到3000万用户。

        美国依然是世界最大的宽带接入市场，2004年总用户数超过3200万。美国FCC将宽带业务定位为2003-2008年的六大目标之一，事实上宽带接入正成为美国普遍服务的下一个目标。美国宽带接入是以电缆调制解调器(CM)和ADSL为主发展的，光纤到驻地(FTTP，包括光纤到达普通家庭和小型办公室)也引起不少地方市政、公共公司、房地产开发商和非主导电信运营商的兴趣，已经建了270个工程。2004年以来主导运营商对FTTP的发展也开始变得积极，特别是Verizon最激进。主要原因之一是其管辖地区中心城市的电缆严重老化，需要替换，加上由于电信管制政策鼓励采用新技术建设网络以及有线电视公司竞争和业务增长的压力，决定一步到位，直接在部分地区实施FTTP。2004年已经敷设了约100万FTTP，计划在2005年完成300万FTTP的网络建设。预计到2009年，全美国FTTP的总数可能达到1180万。

        我国宽带接入网在近两年发展也十分迅速，到2004年底我国宽带用户已达2500万，成为仅次于美国的第二大宽带接入市场，其中主导技术是ADSL，大约占70%左右，其次是以太网技术，还有少量宽带无线接入和电缆调制解调器接入，FTTH主要处于现场试验和试商用阶段。

        下面将从系统技术的角度来分析几种主要的FTTH技术的特征、问题与方案选择。当然，除了系统技术外，影响其发展的因素很多，主要是业务和应用以及管制政策。此外，各种配套元器件技术和敷设安装测试技术也十分关键。目前低成本光源已有望实现，850nm的VCSEL(垂直共振腔面射型激光)仅数美元，1310nm的VCSEL已有突破，速率达10Gbit/s。光波平面电路(PLC)混合集成技术，高密度低成本光缆及相关技术，对弯曲不敏感的室内用光纤，低成本无源器件，施工安装技术，自动光操作测试系统等也都是影响光接入网推广应用的关键因素，需要有妥善的全面解决方案。

2、宽带光纤接入网的优势

        就世界范围看，绝大多数电信公司是以ADSL为主发展宽带接入的，然而，ADSL是建立在铜线基础上的宽带接入技术，铜是世界性战略资源，随着国际铜缆价格持续攀升(近几年年均20%-30%的增幅)，以铜缆为基础的xDSL的线路成本越来越高，而光纤的原材料是二氧化硅，在自然界取之不尽，用之不竭。事实上，当前光纤的市场价格已经低于普通铜线，并且其寿命还远高于后者。在新铺用户线路或者老电缆替换中，光纤已经成为更合理的选择，特别是主干段乃至配线段。其次，作为有源设备，xDSL电磁干扰难以避免，维护成本越来越高。作为无源传输介质的光纤可以避免这类问题。

        最后，随着全网的光纤化进程继续向用户侧延伸，端到端宽带连接的限制越来越集中在接入段，目前ADSL的上下行连接速率无法满足高端用户的长远业务需求。尽管ADSL2+和VDSL2技术有望缓解这一压力，但其速率和传输距离的继续大幅度提高是受限的，不能指望有本质性突破。显然，随着光纤在长途网、城域网乃至接入网主干段的大量应用，符合逻辑的发展趋势是将光纤继续向接入网的配线段和引入线部分延伸，最终实现光纤到户。关键的问题是：推进速度有多快?这将取决于多种因素，包括市场的需求、竞争的需要、应用的刺激、技术的进步、成本的下降和配套运维系统的开发等。我国2008年举办奥运会和2010年举办世界博览会这两个重大世界性事件也将在一定程度上会推进FTTH的发展。

3、点到点有源以太网系统

        历史上，在企事业用户应用环境，以太网技术一直是最流行的方法，目前已成为仅次于供电插口的第二大住宅和办公室公用设施接口。主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验知识，目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的，性能价格比好、可扩展、容易安装开通以及具有高可靠性等。

        对于公用网住宅用户应用环境，点到点有源以太网系统采用有源业务集中点来替代无源点到多点系统的无源器件，使传输距离可以扩展到120km之远。这种技术的主要优点是专用接入，带宽有保证，每用户可以在配线段和引入线段独享100Mbit/s乃至1Gbit/s；局端设备简单便宜；传输距离长，服务区域大；成本随用户数的实际增长而线性增加，可预测，无需规划，投资风险低，设备端口利用率较高，因而在低密度用户分布地区成本较低。缺点是两端设备和光纤设施专用，用户不能共享局端设备和光纤，当需求快速增长且用户很密集时，光纤和两端设备的数量及其成本以及空间需求也随之迅速增加，因而不太适合高密集用户区域。另外，有源以太网要求多点供电和备用电源，网络管理的元件(包括电源)多，增加了供电和网管的复杂性。第三，从标准化的角度，有源以太网并没有一个统一的标准，而是利用多个相关标准，从而产生多种不兼容的解决方案。最后还有一个可能影响选择以太网技术的因素是传统视频业务的提供方式，例如有些美国电信公司(例如Verizon)承诺能提供同样质量的传统模拟射频视频节目，而以太网技术在支持传统模拟射频视频节目的传送方面是比较困难的。

        在FTTH应用场合，点到点以太网主要用于多住户单元接入，具体又分为单纤系统和双纤系统两种，单纤系统的上下行分别采用不同波长，典型上行波长为1310nm，下行波长为1550nm，传输距离为15km，遵循日本电信技术委员会制定的标准TS-1000，因而互操作性较好，网络复杂性较低。双纤系统采用两根光纤，遵循IEEE802.3ub标准，采用多模光纤，传输距离仅为2km。不同运营商为了延长传输距离，增强其管理功能，制定了很多私有标准，使系统的互操作性很差。

4、点到多点无源光网络系统

4.1无源光网络技术

        无源光网络(PON)是一种纯介质网络，其主要特点是在接入网中去掉了有源设备，从而避免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，简化了供电配置和网管复杂性，降低了运维成本。其次，PON的业务透明性较好，带宽宽，可适用于任何制式和速率的信号，能比较经济地支持模拟广播电视业务，具备三重业务功能(triple-play)。第三，其局端设备和光纤(从馈线段一直到引入线)由用户共享，因而光纤线路长度和收发设备数量较少，相应成本较其它点到点通信方式要低，土建成本也可明显降低。特别是随着光纤向用户日益推进，其综合优势越来越明显。PON的每用户成本随着分享OLT的用户数量的增加而迅速下降，因而最适合于分散的小企业和居民用户，特别是那些用户区域较分散，而每一区域用户又相对集中的小面积密集用户地区，尤其是新建区域。最后，无源光网络的标准化程度好，基本分为ITUFSAN(全业务接入网络)和IEEE两大类，均可提供独立可行的单一兼容解决方案。因而，多数美国大型电信公司倾向于选择PON，而不是光以太网技术。

        PON的主要缺点是一次性投入成本较高，因为局端光线路终端(0LT)很贵，光纤和分路器等无源基础设施又必须一次到位，这样当用户数较少或用户分布超过某一限定距离时，每用户的成本很高，会产生大量沉淀成本。另外，其树型分支拓扑结构使用户不具备保护功能或保护功能成本较高，影响了大规模发展。

        从网络结构分析，无论哪种PON都可以有两种不同的结构，即集中式和分布式，前者在局端OLT和业务灵活点(FP)之间只有一根光纤相连，分路器集中放置在FP处(即传统的交接箱处)，从分路器到用户光网络终端之间有一根专用光纤相连。而分布式结构在灵活点处与配线点(DP)处都放置分路器，形成两级分路。分析表明分布式结构在用户普及率接近100%的区域应用时具有成本优势，但是实际情况多半不是这样，特别是对于用户普及率不高的情况，集中式结构具有明显的成本优势，其成本可以随着实际用户数的增长而增长，不存在分布式结构的较大初期沉淀成本问题，而且也不会随着技术的进步(如GPON的出现和应用)而需要重新部署。

        无源光网络技术的一个重要趋势是提供多种语音处理方式，既可以在局端采用V5接口与PSTN相连，提供传统PSTN语音业务，又可以在局端内置控制模块，支持H.248/H.323协议，灵活适应以H.248协议为基础的软交换VoIP网络或以H.323协议为基础的传统VoIP网络，其主要发展趋势则是着重支持软交换网。

4.2APON和BPON

        早期的窄带无源光网络是基于TDM的，性能价格比不好，已经自然消亡。ATM化的无源光网络(APON/BPON)可以利用ATM的集中和统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使性能价格比大大改进，目前在美国和日本等国已经敷设了约150万线。

        然而，APON/BPON的业务适配提供很复杂，业务提供能力有限，数据传送速率和效率不高，成本较高，其市场前景由于ATM的衰落而黯淡。最后，从业务发展趋势看，APON的可用带宽仍然不够。以FTTC为例，尽管典型主干下行速率可达622Mbit/s，但分路后，实际可分到每个用户的带宽将大大减小。按32路计算，每一个分支的可用带宽仅剩19.5Mbit/s，再按10个用户共享，则每个用户仅能分得约2Mbit/s的带宽而已。显然，这样的性能价格比是无法满足网络和业务的发展需要的。

4.3EPON

        随着IP的崛起和发展，有人提出了EPON的概念，即在与APON类似的结构和G.983的基础上，设法保留其精华部分——物理层PON，而以以太网代替ATM作为链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更强业务能力的新的结合体——EPON。这一思想在以太网界获得到了积极响应，在IEEE802.3ah的旗帜下已经形成了EPON标准。在日本为了与以前基于100Mbit/s的非标准EPON区别，将其称为GEPON。鉴于基于100Mbit/s的非标准EPON已经消亡，目前EPON实际即指GEPON，不再专门区分。

        EPON主要基于IEEE802.3ah标准，与传统点到点以太网主要不同之处在于采用点到多点通信方式。其下行方向工作于TDM方式，数据流以变长以太帧方式广播到ONU，每个ONU根据以太帧的MAC地址，决定取舍。上行方向工作于TDMA方式，来自不同时隙的ONU数据流汇聚到公共光纤设施和OLT。此外，传统以太网工作于连续光传输模式，在收发两个方向都是连续的比特流，因此收端的定时和判决容易实现。而EPON的上行比特流是轮流发送的突发数据包，OLT的接收定时恢复、判决门限设置、测距和延时补偿比较复杂。

        从EPON的结构上看，其关键优点是极大地简化了传统的多层重叠网结构，主要特点有：

●消除了ATM和SDH层，从而降低了初始成本和运行成本；

●下行业务速率可达1Gbit/s，允许支持更多用户和更高带宽；

●硬件简单，无须室外电子设备，使安装部署工作得以简化；

●可以大量采用以太网技术成熟的芯片，实现较简单，成本低；

●改进了电路的灵活指配和业务的提供和重配置能力；

●提供了多层安全机制，诸如VLAN、闭合用户群和支持VPN等。

        IEEE802.3ah规范的EPON技术的上下行波长是1310nm和1490nm，上下行速率均为1.25Gbit/s，传输距离是10/20km，分路比是32/16，主要业务是数据和语音，增加一个1550nm电视广播波长后，成为语音、数据和电视三合一的所谓三重业务捆绑服务。对于传送单一以太网业务而言，EPON是一种很好的解决方案。

        EPON的主要缺点是由于IEEE802.3ah只规定了MAC层和物理层，MAC层以上的标准靠制造商自行开发，因而带来灵活性的同时也造成了设备互操作性差的缺点。其次，EPON的总效率较低，主要是由于采用8B/10B的线路编码，引入20%的带宽损失，再加上其它的额外开销，可用负荷仅50%左右，而APON和GPON都采用NRZ扰码为线路码，没有带宽损失。GPON的GFP每帧封装4-65535byte，远大于以太网的帧负荷46-1500byte，平均开销少，再加上承载层效率、传输汇聚层效率、业务适配效率等原因，使EPON总的传输效率较低，大约仅为GPON的一半。第三，由于EPON开始主要是以太网设备制造商驱动的标准，因而没有充分考虑网络运营商的运营需要，管理功能不够丰富，但是比普通以太网有明显改进，可以提供远端故障指示、远端环回控制和链路监视等基本管理功能，也能满足基本管理功能。最后，EPON的设计没有考虑直接支持以太网以外的业务，因而对于主张多业务支持能力的传统运营商来说是一个重要缺憾。

4.4GPON

        2001年，在IEEE积极制定EPON标准的同时，FSAN组织开始发起制定速率超过1Gbit/s的PON网络标准——吉比特以太网无源光网络(GPON)，随后，ITU-T也介入了这一新标准的制定工作并于2003年1月通过两个有关GPON的新标准——G.984.1和G.984.2。

        按照这一最新标准的规定，GPON可以提供1.244Gbit/s和2.488Gbit/s的下行速率和ITU规定的多种标准上行速率，即可以灵活地提供对称和非对称速率。传输距离至少达20km，系统分路比可以为1:16、1:32、1:64乃至1:128，而EPON只提供1.25Gbit/s对称速率，分路比最多为1:32。即GPON在速率、速率灵活性、传输距离和分路比方面有优势。其次，GPON采用了两种适配方式，除了传统的ATM外，还在传输汇聚层采用了一个全新的基于SDH的标准通用组帧程序(GFP)，这是一种可以透明、高效地将各种数据信号封装进现有SDH网络的通用标准信号适配映射技术，可以适应任何用户信号格式和任何传输网络制式，无需附加ATM或IP封装层，封装效率高、提供业务灵活，而APON/BPON和EPON对每种特定业务都需要提供特定的适配方法。第三，由于GPON采用GFP映射，其传输汇聚层本质上是同步的，还使用标准SDH的125μs帧，使GPON可以支持端到端的定时和其它准同步业务，特别是可以直接高质量、灵活地支持实时的TDM语音业务，延时和抖动性能很好。而EPON在承载TDM业务方面没有具体规定，导致厂家可以采用不同方法来承载，包括一层、二层和三层均可以，互操作性较差，性能难以确保。第四，GPON在网管方面具有丰富的功能，包括带宽授权分配、动态带宽分配、链路监测、保护倒换、密钥交换和各种告警功能等，比EPON考虑周到。不过，EPON在网管功能上比普通以太网有了明显改进，可以提供远端故障指示、远端环回控制和链路监视等基本管理功能，也能满足基本管理功能。第五，在QoS方面，GPON可以通过使用指针调整ONU的授权带宽和授权周期来保证业务的带宽和延时要求。而EPON主要采用优先级队列结合DBA算法来保证带宽和延时，也能基本满足不同业务的QoS要求。

        从技术角度，GPON是BPON的继承和发展。GPON继承了BPON的很多基本特点，例如两者都使用同样的OLT核心技术，包括ONU的激活和测距等，使用同样的物理光纤设施和光功率预算值，同样的管理软件栈等。另一方面，GPON采用了一些最新的技术成果，除了最重要的GFP封装技术外，还包括前向纠错等新技术。

        从提供的业务看，GPON不仅可以提供10/100Mbit/s、1Gbit/s的业务，而且可以提供VLAN业务和语音业务，事实上可以适应任何现有业务和未来新业务的适配要求。总的来看，GPON不是制造商驱动的技术标准，而是一种运营商驱动的标准，因此具有更周到的运营利益考虑，速率更高，速率灵活性更大；具有通用的映射格式，可适应任何新老业务；具有丰富的OAM&P功能；对各种业务均有很高的传输效率，即便对于TDM业务也能灵活高效地传送。可以帮助运营商完成从传统TDM语音电路向全IP网络的平滑过渡。

        就成本分析而言，PON的光模块成本大约为设备成本的20%-30%，主要成本是各种电接口和协议处理转换等，而这方面GPON和BPON要比EPON复杂很多。其次，就光模块而言，由于GPON要满足很高的突发同步指标，对于模块的驱动电路和前后放大器芯片要求很高，还要满足较高的功率预算，只能采用分布反馈激光器(DFB)发送机和雪崩光电二极管(APD)接收机，其成本要高于EPON模块的法布里-珀罗腔(FP)发送机和光电二极管(PIN)接收机，成品率也较低，因此整个光模块成本较高。再加上EPON已经进入量产阶段，而GPON尚未进入大规模量产阶段，导致目前EPON在成本上有明显优势。

        就传输效率而言，则GPON无论在扰码效率、传输汇聚层效率、承载协议效率和业务适配效率方面都是最高的，因此其总效率最高。例如假设TDM业务占10%，数据业务占90%，则GPON的总效率为94%，而APON和EPON分别为72%和49%。

        GPON的主要缺点是尽管ONU只需要支持ATM和GFP适配中的一种，但是OLT必须同时支持两种，即必须保留有复杂的ATM层功能，再加上光模块的技术难度较高，使设备成本较高。另外，GPON成熟度不如EPON，目前尚无专业芯片厂商推出真正商用的GPON核心芯片和光模块，而EPON已经有多家提供商，目前核心芯片已经发展到第三代单片系统(SoC)阶段，光模块的成本也已经降到接近普通吉比特以太网的水平。

        总的来看，在目前产量不太大的情况下，GPON和BPON的设备成本要比EPON高很多，随着技术的进步和产量的大规模提高，成本差异将会逐渐减小，总成本将可能最终取决于产量大小，即市场的选择。

        GPON和EPON面临的共同挑战有：怎样才能在Ethernet/GFP上有效承载TDM业务并能提供电信级的服务质量；其次，由于GPON和EPON是点对多点的星形或树形网络，需要通过一个1+1并经过不同路由的光网络来实现电信级的保护恢复，网络成本将非常高；第三，目前GPON和EPON设备成本主要受限于突发光发送/接收模块以及核心的控制模块/芯片，这些模块要么尚未成熟，要么是价格太贵还难以适应市场需要；第四，GPON和EPON的一次性投入成本较高，不太适合逐步投资扩容的传统电信建设模式，最适合完全新建或改建的密集用户区域。

5、FTTH发展的思考

        FTTH并不是一种新概念，已有27年历史，二次发展契机。第一次1978年是法国、加拿大和日本，第二次1995年左右主要是美国和日本。两次发展机遇全都由于成本太高，缺乏市场需求而夭折。由于技术的进步、某些国家的宏观信息社会发展政策和电信监管政策的驱动，2004年起FTTH进入了第三次发展机遇期。

        然而，尽管FTTH的设备价格已有大幅下降，但依然高达300美元/户左右，几乎是ADSL的10倍，经营视频业务的政策风险和市场风险依然很大，因而我国尚不具备FTTH大规模商用的条件，目前主要处于现场试验和试商用阶段。事实上，FTTH的发展不仅取决于技术，更重要的是成本、业务和商务模式。

        对于处于企业整体转型的中国电信而言，FTTH已成为影响未来网络和技术业务转型的重要领域。中国电信将本着“加强领导，积极试验，适时总结，有序推广”的指导方针，在四个省市开展FTTH现场试验，为今后的大规模应用积累技术、规划、业务、商用模式和运维等方面的综合经验。随着2008年奥运会和2010年世界博览会的临近，FTTH在我国的实际应用正日益趋近，光纤到家的理想已经不再是遥不可及的远景，但是足够的耐性和全面扎实的准备不仅是不可或缺的，也是通向成功的惟一道路。