宽带光纤接入网发展论文

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摘要本文首先简要介绍世界宽带接入网发展的状况和主要应用,然后讲述了宽带光纤接入网的优点。接下来,重点分析了宽带点到点有源以太网光纤系统和宽带点到多无源光纤系统的特点和应用。最后提出我国光纤接入网的发辰可能跨越APON、]]PON和EPON阶段,从宽带点到点以太网光纤系统和GEPON开始,乃至最终过渡到GPON阶段的初步设想。

宽带接入网发展的状况和主要应用

『事实上,从电信发展历史看,当网络用户数达到一定规模。各种应用会自然产生,这也是所谓的迈特卡夫定律的威力所在。历史上没有一种技术生来就带着一大堆应用的,无论是移动通信还是互联网,其短信、浏览、网上聊天等关键应用都是在用户规模发展到一定程度后自然产生的,而不是事先刻意设计策划出来的。』

进入21世纪以来,全球宽带接入网进入了大发展阶段。到2004年底,总用户数已经达到1.5亿,成为电信史上发展最快的电信业务之一,甚至比移动业务还快。例如全球移动业务从1000万发展到1亿花了5.5年,而宽带接入业务仅用了3.5年。按照IDC的预测,2007年全球宽带总用户可以达到2.09亿,其中9.9,即大约2000万用户为光纤接入网。

亚太地区,特别是韩国和日本是宽带接入发展最迅猛的国家,韩国宽带用户总数已经突破1000万,宽带普及率居世界第一,占据家庭的7互联网的90%。日本政府也通过各种措施大力推进宽带发展,计划2005年将宽带用户总数提高到3000万,其中FTTH达到1000万。美国依然是世界最大的宽带接入市场,总用户数超过3000万。美国FOC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电视和ADSL为主发展的,由于电信管制政策鼓励采用新技术建设网络(例如FCC规定运营商建设光纤接入网可以不受限于本地环路的非捆绑政策)以及竞争和业务增长的压力,近来主导运营商对光纤到驻地(FTTP)的发展十分积极。

就光纤接入网,特别是光纤到驻地(FTTP)或光纤到家(FTTH)而言,全球已经开始进入启动阶段,仅美国就有270个FTTP项目,多半是地方政府、公共公司、房地产开发商和非主导电信运营商的项目。主导运营商也开始进入该领域,其中Verizon计划2005年完成300万FTTP;SBC在其庞大的“光速”计划中计划2007年达1800万FTTN,每户具备速率20-39Mb/s,提供端到端的三重业务捆绑(tripteplay)业务。日本是世界上推进FTTH最激进的国家,2.004年其光纤就已经通达1800万多户家庭,但是用户发展滞后,大约为200万,2005年计划发展1000万。欧洲比较稳健保守,到2004年FTTH总共敷设了50万,有167个小项目或试验项目在进行。

我国宽带接入网在近两年发展也十分迅速,据初步统计,到2004年底我国宽带用户为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,对于FTTH技术还处在跟踪阶段,少数发达城市也已经在开始考虑和试验各种FTTHI技术。

从宽带应用看,按照美国麦肯锡公司的最新分析,初期的宽带应用主要是高速上网,可以使上网的时间增加约30%。此后,随着业务的大规模拓展,开发新的业务成为继续发展的动力。据美国BHK公司在2004年的调查结果显示,2003年美国前五名的宽带消费是网上赌博、成人节目、游戏、音乐下载和点播电视,具有明显的向消费类倾斜的趋势。

需要指出,讨论应用驱动需要注意一个基本认识上的误区,即不能寄希望于人为事先研究开发出一二项所谓“杀手锏应用”,推广应用。事实上,从电信发展历史看,当网络用户数达到一定规模,各种应用会自然产生,这也是所谓的迈特卡夫定律的威力所在。历史上没有一种技术生来就带着一大堆应用的,无论是移动通信还是互联网,其短信、浏览、网上聊天等关键应用都是在用户规模发展到一定程度后自然产生的,而不是事先刻意设计策划出来的。

宽带光纤接入网的优势

随着光纤在长途网、城域网乃至接入网主干段的大量应用,逻辑的发展趋势将是继续向接入网的配线段和引入线部分延伸,关键是推进速度有多快?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等。我国2008年举办奥运会和2010年举办世界博览会这两大事件将在一定程度上会推进宽带光纤接入网的发展。

下面将主要从系统技术的角度来分析几种主要的宽带光纤接入技术的特征、问题和发展趋势。当然,除了系统技术外,影响其应用的因素很多,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仅数美元,1310nm的VOSEL已有突破,速率达10Gb/s。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,需要有妥善的解决方案。

点到点有源以太网系统

『由于计费、质量、管理、安全等多种因素,以太网作为公用网接入方式尚需进一步改进。』

传统以太网属于用户驻地网(cPN)。然而其应用却在向包括接入网在内的其他公用网领域扩展。历史上,对于企事业用户应用环境,以太网技术一直是最流行的方法,目前已成为仅决于供电插口的第二大住宅和办公室公用设施接口。采用以太网作为企事业用户接入手段的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、可扩展性、容易安装开通以及高可靠性等。

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120公里之远。主要优点是专用接入,带宽有保证,每用户可以独享100Mb/s乃至1dbs;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,无需规划,投资风险低,因而在低密度用户分散地区成本较低。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。影响选择以太网技术的另一个因素是传统视频业务的提供方式,例如美国地方贝尔公司都承诺提供传统模拟RF视频节目,而以太网和模拟视频节目的混合是很困难的。这方面PON技术就比较容易。

由于计费、质量、管理、安全等多种因素,以太网作为公用网接入方式尚需进一步改进。主要是以太网技术的固有机制不提供端到端的包延时、包丢失率、带宽控制,难以支持实时业务的服务质量,缺乏安全机制保证等。

点到多点无源,光网络系统

『随着IP的崛起和发展,有人提出了EPON的概念,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GEPON标准。』

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,降低了相应的运维成本。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)。最后,由于其局端设备和光纤由用户共享,因而线路成本较其他点到点通信方式要低,土建成本也可以明显降低。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,考虑采用PON技术后比较容易继续提供传统的模拟视频节目,因而,多数美国地方贝尔公司倾向于PON技术,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OLT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。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。2.APON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。一个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,使性能价格比有重要改进,目前在美国和日本等国已经开始商用。

然而,目前实际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,从长远的业务发展趋势看,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622Mb/s,但由于分路后,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.SMb/s,再按10个用户共享,则每个用户仅能分得约2Mb/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长远发展需要的。

3.EPON/GEPON

随着IP的崛起和发展,有人提出了EPON的概念,即在与APON和BPON类似的结构和O.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、更低成本和更宽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GEPON标准。在实际中,EPON和GEPON的基本差别就是标准化,前者往往指非标设备,后者指符合IEEE802.3ah,规范的设备。另外,GEPON的传输距离和分路比均比EPON有所减小。

EPON/GEPON与传统点到点以太网主要不同处在于工作于点到多点通信方式。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/GEPOkI的ONU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/GEPON的结构上看,其关键优点是极大地简化了传统的多层重迭网结构,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;——下行业务速率高达1Gb/s,允许支持更多用户,每一用户的带宽可以更高,并能提供视频业务能力和较好的QOS

——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。

IEEE802.3ah规范的GEPON技术的规范性好,上下行波长是1310和1490nm,上下行速率为1.25Gb/s,传输距离是10/20km,分路比是16,主要业务是数据和语声,增加一个1550nm电视广播波长后,成为语声、数据和电视三合一的“triple—play”宽带业务捆绑服务,而这将是未来家庭业务的“杀手锏应用”。

EPON/GEPON的主要缺点是效率低和难以支持以太网以外的业务。前者是由于采用8B/10B的线路编码,引入20%的带宽损失,再加上其他开销,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。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/GEPON总的传输效率很低,大约仅为GPON的半。

4.GPON

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1Gb/s的PON网络标准一千兆以太网无源光网络(GPON),随后,ITU-T也介入了这一新标准的制定工作并于2003年1丹通过两个有关GPON的新的标准G.984.1和G.984.2(速率提高到2.5Gb/s)。按照这一最新标准的规定,GPON可以提供1.244和2.488Gb/s的下行速率和所有标准的上行速率;传输距离至少达20公里,具有高速高效传输的特点。而且,GPON采用了两种封装方式,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,这是一种可以透明地高效地

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,即可以按固有格式传送语音、数据和视频信号,无需附加ATM或P封装层,全面体现了业务提供商对业务提供的灵活要求,而APON/BPON和EPON/GEPON对每种特定业务都需要提供特定的适配方法。由于采用GFP映射,GPON的传输汇聚层本质上是同步的,使GPON可以支持端到端的定时和其他准同步业务,特别是可以直接高质量地灵活地支持TDM业务。

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,使用同样的物理光纤设施和光功率预算等。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10/100Mb/s,1Gb/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观有业务和未来新业务的适配要求。总的看,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,可达2.4Gb/s;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业务也能灵活高效低开销传送。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,其缺点是依然保留有复杂的ATM层功能,成本偏高。

由于三种PON的主要成本(约70%)都是光接口,因而其硬件成本理应相差不多,但是由于实现技术上的差别,目前GEPON的难度最小,成本最低。但就传输效率而言,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%,而数据业务占90%,则GPON的总效率为94%,而APON和GEPON分别为72%和49%。

GPON和EPON/GEPON面临的共同挑战有:怎样才能在Ethemet,/GFP上有玖承载TDM业务并能提供电信级的服务质量;其次,由于GPON和EPON/GEPON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要求,网络成本将非常高;第三,目前GPON和EPON/GEPON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。这些模块要么是技术不成熟无法商用,要么是价格昂贵还难以适应市场需要;第四,GPON和EPON/GEPON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。

结束语

总的来看,光纤接入网代表了宽带接入网的长远发展方向,各种宽带光纤接入网都有其最佳使用场合和时机,宽带点到点有源以太网光纤系统适合在低密度用户分散地区应用,宽带点到多点无源光纤系统最适合新建或改建的密集用户区应用。我国的发展趋势将可能跨越APON、BPON和EPON阶段,从宽带点到点以太网光纤系统和GEPON开始,乃至较快地过渡到GPON阶段。