無源光網絡的發(fā)展趨勢與展望
訊石光通訊網
2007/5/22 9:11:31
1、光纖接入網的優(yōu)勢
進入21世紀以來，全球寬帶接入網進入了大發(fā)展階段。按照Point-Topic公司的統(tǒng)計，到2005年底，全球寬帶總用戶已經達到2.09億，其中DSL為1.386億線，成為主導的寬帶接入技術，線纜調制解調器約0.51億線，成為第二大寬帶接入技術，其他技術實際敷設量都不大，其中FTTx+LAN為1830萬。簡言之，世界絕大多數電信公司依然是以DSL技術為主發(fā)展寬帶接入的，然而DSL技術是建立在銅線基礎上的寬帶接入技術，銅是世界性戰(zhàn)略資源，隨著銅纜價格的持續(xù)快速攀升（2006年上半年國內市場銅的價格上漲60%），以銅纜為基礎的DSL的線路成本越來越高，而光纖的原材料是二氧化硅，在自然界取之不盡，用之不竭。事實上，當前光纖的市場價格已經低于普通銅線，況且其壽命還遠高于后者。在新鋪設用戶線路或者老電纜替換中，光纖已經成為更合理的選擇，特別是主干段乃至配線段。其次，作為有源設備，電磁干擾難以避免，維護成本越來越高。作為無源傳輸介質的光纖可以避免這類問題。最后，隨著全網的光纖化進程繼續(xù)向用戶側延伸，端到端寬帶連接的限制越來越集中在接入段，目前ADSL的上下行連接速率無法滿足高端用戶的長遠業(yè)務需求。盡管ADSL2+和VDSL2技術有望緩解這一壓力，但其速率和傳輸距離的繼續(xù)大幅度提高是有限的，不能指望有本質性突破。顯然，隨著光纖在長途網、城域網乃至接入網主干段的大量應用，符合邏輯的發(fā)展趨勢是將光纖繼續(xù)向接入網的配線段和引入線部分延伸，最終實現光纖到家。關鍵是推進速度有多快?演進方式是什么?這將取決于多種因素，包括市場業(yè)務的需求、競爭的需要、應用的刺激、技術的進步、成本的下降、配套運維系統(tǒng)的開發(fā)和維護策略等。
2、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，簡化了供電配置和網管復雜性，降低了運維成本。其次，PON的業(yè)務透明性較好，帶寬較寬，可適用于任何制式和速率的信號，包括模擬廣播電視業(yè)務。第三，由于其局端設備和光纖（從饋線段一直到引入線）由用戶共享，因而光纖線路長度和收發(fā)設備數量較少，成本較其他點到點通信方式要低，土建成本也可明顯降低。特別是隨著光纖向用戶日益推進，其綜合優(yōu)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(yè)和居民用戶，特別是那些用戶區(qū)域較分散，而每一區(qū)域用戶又相對集中的小面積密集用戶地區(qū)，尤其是新建區(qū)域。最后，無源光網絡的標準化程度好，基本分為FSAN/ITU和IEEE兩大類，均可提供獨立可行的單一兼容解決方案。因而，我國運營商像多數歐美大型電信公司一樣，傾向于選擇PON技術，而不是點到點有源光以太網系統(tǒng)。
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，這樣當初期用戶數較少或用戶分布超過某一限定距離時，折合每用戶的成本較高，產生大量沉淀成本。另外，其樹型分支拓撲結構使用戶的保護功能成本較高，影響了企事業(yè)用戶的發(fā)展。
無源光網絡技術的一個重要趨勢是提供多種語音處理方式。為了支持從電路交換網向分組化網的平滑演進，同時規(guī)避不同地區(qū)分組化進程差異的風險，目前不僅希望無源光網絡可以在局端內置控制模塊，支持采用H.248/SIP協(xié)議的軟交換方式的VoIP業(yè)務。而且還可以根據實際需要，在局端采用V5接口與PSTN相連，提供傳統(tǒng)TDM語音業(yè)務。將來則還希望能支持采用SIP和IMS體系的VoIP業(yè)務。其發(fā)展趨勢則是從TDM到軟交換VoIP，最后到基于SIP和IMS的VoIP。
3、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。ATM化的無源光網絡（APON/BPON）可以利用ATM的集中和統(tǒng)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敷設了約200萬線。
然而，實際APON/BPON的業(yè)務適配提供很復雜，業(yè)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，從業(yè)務發(fā)展趨勢看，APON的可用帶寬仍然不夠，無法滿足網絡和業(yè)務的發(fā)展需要，不是一種有前瞻性的技術選擇。由于歷史原因，我國已有少量APON/BPON試驗網敷設，但不宜再繼續(xù)投資，而應適時地轉向EPON和GPON等新技術。
4、EPON
隨著IP的崛起和發(fā)展，有人提出了EPON的概念，即在與APON類似的結構和G.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(xié)議，構成一個可以提供更大帶寬、更低成本的新的結合體——EPON。這一思想在以太網界獲得到了積極響應，在IEEE 802.3ah的旗幟下已經形成了EPON標準。
EPON主要基于IEEE802.3ah標準，與傳統(tǒng)點到點以太網主要不同處在于工作在點到多點通信方式。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(tǒng)以太網工作于連續(xù)光傳輸模式，在收發(fā)兩個方向都是連續(xù)的比特流，因此收端的定時和判決容易實現。而EPON的上行比特流是輪流發(fā)送的突發(fā)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的結構上看，其關鍵優(yōu)點是極大地簡化了傳統(tǒng)的多層重疊網結構，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；硬件簡單，協(xié)議熟悉，安裝部署工作得以簡化；可以采用成熟的以太網技術甚至芯片，實現簡單，成本低，符合全網分組化大趨勢；改進了電路的靈活指配和業(yè)務的提供和重配置能力；初步提供了一些安全機制，諸如VLAN、閉合用戶群、VPN和各種加密算法等。
IEEE802.3ah規(guī)范的EPON技術的上下行波長是131O nm和1490 nm，上下行速率均為1.25 Gbit/s，傳輸距離是10/20 km，分路比是32/16，主要業(yè)務是數據和語音，增加一個1550 nm電視廣播波長后，成為語音、數據和電視的所謂三重業(yè)務捆綁服務，或者直接以IPTV方式提供集成的三重業(yè)務捆綁服務。對于傳送單一以太網業(yè)務而言，EPON確實是一種很好的解決方案，但是對于需要提供TDM專線業(yè)務和基于TDM的語音業(yè)務的情況，則還需要借助其它技術幫忙。EPON的最新發(fā)展趨勢是提供2.5 Gbit/s的速率，從而可以使設備成本比1.25 Gbit/s系統(tǒng)降低30%左右，突破100美元/線的價格門檻。
EPON的主要缺點是由于IEEE802.3ah只規(guī)定了MAC層和物理層，MAC層以上的標準靠制造商自行開發(fā)，因而帶來靈活性的同時也造成了設備互操作性差的缺點。其次，EPON的總效率較低，主要是由于采用8B/10B的線路編碼，引入20%的帶寬損失，再加上其他的額外開銷，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。GPON的GFP每幀封裝4-65535 byte，遠大于以太網的幀負荷46-1500 byte，平均開銷少，再加上承載層效率、傳輸匯聚層效率、業(yè)務適配效率等原因，使EPON總的傳輸效率較低，大約僅為GPON的一半。第三，由于EPON開始主要是以太網設備制造商驅動的標準，因而沒有充分考慮網絡運營商的運營需要，管理功能不夠豐富，但是已經比普通以太網有明顯改進，可以提供遠端故障指示、遠端環(huán)回控制和鏈路監(jiān)視等三項基本管理功能，也能滿足基本管理要求。然而，EPON的網管擴展功能集卻是非標準化的，由廠家自行開發(fā)，難以確?；ゲ僮鳎枰匦陆y(tǒng)一規(guī)范。最后，由于在開始階段EPON自身的設計沒有考慮直接支持以太網以外的業(yè)務，因而需要采取一些額外的補救措施，因而對于主張多業(yè)務支持能力的傳統(tǒng)運營商來說是一個重要缺憾。
例如，語音業(yè)務在相當長時間內依然是運營商的重要贏利業(yè)務，必須能有效可靠地支持。目前主要有電路仿真業(yè)務（CES）和VoIP兩類解決方案，與MPLS結合的偽線仿真（PWE）可以歸入前者。電路仿真業(yè)務的基本思路是在分組網上搭建一個隧道，實現TDM電路。然而語音類TDM業(yè)務對系統(tǒng)的定時和同步有嚴格的要求，而EPON本質上是基于以太網的異步傳送技術，沒有全網同步的高精度時鐘，需要利用現有TDM網的定時并采取一些特殊措施。在局端OLT側，可以利用所連接的TDM設備時鐘作為參考時鐘。然而，由于EPON下行連續(xù)廣播發(fā)送變長的以太幀，導致ONT很難周期性地獲取下行TDM的凈負荷數據。因此不僅需要在OLT和ONT設置較大的緩存空間，而且需要在ONT側采用強大的時鐘恢復機制來實現TDM業(yè)務，特別是E1和N×64 kbit/s的透傳。目前傾向于采用自適應方式，即通過比較本地和遠端時標或依據包的間隔變化速率或抖動緩存的填充水平來獲取時鐘并輔以一定的QoS保證技術。這種方式可以同時支持E1、N×64 kbit/s專線和普通語音業(yè)務，無需變動現有交換機和傳輸系統(tǒng)，時鐘性能較好，已有多種商用芯片可用，性價比也較好。
另一種方式就是VoIP技術，這種方案中，EPON只需要保證延時和抖動性能即可，其他功能主要靠用戶側的IAD和局端的接入網關（AG）。該方案比較簡單，且代表了未來的發(fā)展方向。但是目前接入網關成本較高，因此整個建網成本還較高，此外無法提供E1和N×64 kbit/s專線業(yè)務。
5、GPON
2001年，在IEEE制定EPON標準的同時，FSAN（全業(yè)務接入）組織開始發(fā)起制定速率超過1 Gbit/s的PON網絡標準——吉比特以太網無源光網絡（GPON），隨后，ITU-T也介入了這一新標準的制定工作并于2003年1月通過兩個有關GPON的新標準——G.984.1和G.984.2。
按照這一最新標準的規(guī)定，GPON可以靈活地提供多種對稱和非對稱上下行速率，實際上主導速率配置依然是1.244 Gbit/s和2.488 Gbit/s的上下行速率。傳輸距離至少達20 km，系統(tǒng)分路比可以為1:16、1:32、1:64乃至1:128，而EPON只提供1.25 Gbit/s對稱速率，分路比最多為1:32。即GPON在速率、速率靈活性、傳輸距離和分路比方面有優(yōu)勢，所需要的OLT數量也比EPON減少。其次，GPON采用了兩種適配方式，除了傳統(tǒng)的ATM外，還在傳輸匯聚層采用了通用成幀規(guī)程（GFP），這是一種可以透明、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，無需附加ATM或IP封裝層，封裝效率高、業(yè)務靈活，全面體現了業(yè)務提供商對業(yè)務提供的靈活要求，而APON/BPON和EPON對每種特定業(yè)務都需要提供特定的適配方法。第三，由于GPON采用GFP映射，其傳輸匯聚層本質上是同步的，還使用標準SDH的125μs固定幀，使GPON可以很可靠地支持端到端的定時和其他準同步業(yè)務，ONU可以很容易提取到同步信號，可以直接高質量地支持實時的TDM語音業(yè)務，延時和抖動性能很好。而EPON在承載TDM業(yè)務方面沒有具體規(guī)定，導致廠家可以采用不同方法來承載，包括一層、二層和三層均可以，互操作性差，性能難以確保。第四，GPON具有電信級網絡所要求的豐富網管功能和保護機制，包括帶寬授權分配、動態(tài)帶寬分配、鏈路監(jiān)測、保護倒換、密鑰交換和各種告警功能等，比EPON考慮周到，互操作性更容易實現。第五，在QoS方面，GPON可以通過精確調整各個業(yè)務流的時隙指針和長度、ONU的授權帶寬和授權周期來保證業(yè)務的帶寬和延時要求，而EPON主要利用優(yōu)先級隊列結合DBA（動態(tài)帶寬分配）算法來保證帶寬和延時要求。然而，由于以太網數據包長度變化很大，抖動難以避免，只有靠網絡輕載或ONU數目不多時才能基本滿足不同業(yè)務的QoS要求。否則，EPON的QoS難以保證。第六，由于PON技術在下行方向是廣播方式的，因此存在安全隱患。為此，GPON采用了先進加密標準（AES），是目前世界上最先進的加密算法。EPON標準并沒有安全性方面的規(guī)范，隨意性較大，都是廠家自己采用的方案，安全性不能確保，互操作更難以實施。
從提供的業(yè)務看，GPON不僅可以提供10 Mbit/s、100 Mbit/s、1 Gbit/s的業(yè)務，而且可以提供VLAN業(yè)務和語音業(yè)務，事實上可以適應任何現有業(yè)務和未來新業(yè)務的適配要求?？偟目?，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，速率靈活性更大；具有通用的映射格式，可適應任何新老業(yè)務；具有豐富的OAM&P功能；對各種業(yè)務均有很高的傳輸效率，即便對于TDM業(yè)務也能靈活高效地傳送?？梢詭椭\營商完成從傳統(tǒng)TDM語音電路向全IP網絡的平滑過渡。
就設備成本分析而言，PON的主要成本是各種電接口和協(xié)議處理轉換等，而這方面GPON和BPON要比EPON復雜。其次，就光模塊而言，由于GPON要滿足很高的突發(fā)同步時長指標，對于模塊的驅動電路和前后放大器芯片要求很高，還要滿足較高的功率預算，對于長距離傳輸，只能采用分布反饋激光器（DFB）發(fā)送機加雪崩光電二極管（APD）接收機或光電二極管（PIN）+前向糾錯（FEC），其成本要高于EPON模塊的法布里—珀羅腔（FP）發(fā)送機和光電二極管（PIN）接收機，成品率也較低，因此整個光模塊成本較高。當然對于中短距離傳輸，GPON也可以采用FP發(fā)送機，價格上應該沒有明顯差別。另外，EPON已經進入量產階段，而GPON尚未進入大規(guī)模量產階段，因而使目前EPON在成本上有明顯優(yōu)勢?？紤]到未來GPON進入大規(guī)模量產后，其設備價格與EPON不應該有很大差異。
另一方面，從組網成本看，由于GPON的速率、分路比和傳輸效率均比EPON高約一倍，因而所需的局端設備OLT可以減少至少一半，可以支持的用戶數也多一倍，因而在整體組網成本上不見得比EPON高很多，甚至在有些場合下更便宜。例如按照美國Broadlight對于10 000戶FTTP場景的分析，當每戶速率為30 Mbit/s時，GPON每戶成本可以比EPON低20%左右；隨著每戶速率的提升，其成本差異繼續(xù)擴大，當每戶速率為100 Mbit/s時，GPON每戶成本可以比EPON低50%。
就傳輸效率而言，GPON沒有EPON的8B/1OB編碼效率損失，上行訓練序列較短，也沒有EPON的幀定界開銷和調度開銷，上行凈通透量可望比EPON高300 Mbit/s?？傊诟鞣N寬帶PON技術中，GPON在擾碼效率、傳輸匯聚層效率、承載協(xié)議效率和業(yè)務適配效率等方面都是最高的，總效率最高。例如假設TDM業(yè)務占10%，數據業(yè)務占90%，則GPON的總效率為94%，而APON和EPON分別為72%和49%。
GPON的主要缺點是盡管ONU只需要支持ATM和GFP適配中的一種，但是OLT必須同時支持兩種，即依然必須保留有復雜的ATM層功能，再加上光模塊的技術難度較高，使設備成本較高。另外，GPON成熟度不如EPON，目前尚無專業(yè)芯片廠商推出真正商用的GPON核心芯片和光模塊，而EPON已經有多家，而且目前核心芯片已經發(fā)展到第三代單片系統(tǒng)（SoC）階段，光模塊的成本也已經降到接近普通吉比特以太網的水平。
就TDM業(yè)務和語音業(yè)務的支持而言，GPON對于TDM業(yè)務E1接口的支持是天然的，對于語音業(yè)務的支持則有三種方式，即傳統(tǒng)TDM方式、電路仿真業(yè)務和VoIP。GPON有固定的幀格式和125μs的幀周期，支持傳統(tǒng)TDM方式很容易。電路仿真業(yè)務需要在TDM架構上再構建一個隧道，實現TDM電路。對于本身就有固定幀格式和幀周期的GPON而言，顯得多余。VoIP方案中，GPON只需要保證延時和抖動性能即可，這很容易，其他功能主要靠用戶側的綜合接入設備（IAD）和局端的接入網關。該方案比較簡單，且代表了未來的發(fā)展方向。但是目前接入網關成本還較高。為了支持向分組化網的平滑演進和規(guī)避分組化進程差異的風險，目前還需要有多種語音支持方式以適應不同的應用需求，將來則主要支持VoIP業(yè)務即可。
6、WDM-PON
現有的各種PON技術都需要應用光分路器來分配光信號，從而引入很大的光信號衰減，限制了傳統(tǒng)PON技術的傳輸距離和分路比。針對這一缺陷，可以有多種解決方案，WDM-PON技術是其中比較理想的解決方案之一。其基本原理就是在原有PON的樹形結構基礎上，應用WDM技術，從而為每個ONU分配獨有的一對上/下行波長，使得WDM-PON技術在傳輸帶寬、用戶管理、信息安全、容量擴展性等方面具有很大的優(yōu)勢。
WDM-PON系統(tǒng)的典型分路比為20～40，在網絡拓撲上屬于虛擬的點到多點，實際的點到點方式；工作在連續(xù)模式；具有很好的業(yè)務透明性，二層可以承載任意協(xié)議；物理層采用WDM傳輸方式，基于WDM的分路器只引入幾分貝的光信號衰減，避免了普通PON所帶來的十幾分貝光信號衰減和復雜TDMA方式，且具有容易升級換代的優(yōu)點；WDM-PON可以提供上下行對稱的2～40 Gbit/s總帶寬，每個用戶終端（可以是一個用戶，也可以是一群用戶）可以有100 Mbit/s～1 Gbit/s；WDM-PON系統(tǒng)的每個波長通道間完全隔離，消除了普通PON技術的安全性隱患。
WDM-PON系統(tǒng)的波長分配主要采用動態(tài)自適應分配方式，靈活性高，應用方便，但技術難度較大，目前比較成熟的是頻譜分割技術和多模激光器選模技術。顯然，WDM-PON系統(tǒng)的關鍵是光器件，特別是具有自適應能力的光發(fā)送器件和低成本波分復用器件等。此外，作為一種實際上的以太網點對點傳輸技術，必然也伴隨有該技術的相應優(yōu)缺點。簡言之，WDM-PON系統(tǒng)在關鍵光器件沒有本質性突破前，還只能處于研究開發(fā)階段，但其潛在的優(yōu)勢已經吸引了業(yè)界的注意力和興趣。
7、業(yè)務需求與網絡結構
在當前這樣一個十分復雜的宏觀局面下，業(yè)務需求是很難準確預測的。一般來說就未來5年左右的時間里，一個典型中國城市家庭的業(yè)務需求大致為：一路高清晰度數字電視（HDTV），約占6-10 Mbit/s；兩路標準數字電視（SDTV），約占4～6 Mbit/s；上網業(yè)務，約占2～6 Mbit/s；兩路VoIP，約占200 kbit/s，一路交互式游戲，約占300～800 kbit/s；視頻通信，約占1-2 Mbit/s?？紤]必要的開銷并留有一定余量后，業(yè)務總帶寬大約至少有20～30 Mbit/s。隨著時間的推移和各種高質量寬帶新業(yè)務需求的不斷出現，則長遠的帶寬需求可能會進一步擴展到50～100 Mbit/s。有了這樣一個大體的業(yè)務帶寬要求后，室外網絡結構的配置方式實際上也就基本定型了。
室外網絡結構的形態(tài)主要隨ONT的設置位置不同而有下面一些不同基本形態(tài)：若將ONT設置在家里或小型商務辦公樓，稱為光纖到駐地（FTTP）或光纖到家（FTTH）或光纖到用戶（FTTU）；若將ONT設置在分線盒處，稱為光纖到路邊（FTTC），典型覆蓋幾戶到幾十戶，距離數百米；若將ONT設置在小型公寓小樓（幾十戶）處，稱為光纖到公寓小樓（FTTB），典型覆蓋用戶數和距離與FTTC很接近；若將ONT設置在交接箱或遠端設備處，稱為光纖到小區(qū)或光纖到節(jié)點（FTTN或FTTZ），可以覆蓋數百乃至上千用戶，距離1-1.5 km。隨著光纖與用戶距離的變大，每個用戶可以分得的帶寬也相應減少，但是每戶的建設成本也相應明顯降低，例如按照北美的典型案例分析表明（小區(qū)384個用戶），從FTTP（以太網和EPON）變?yōu)镕TTC或FTTN，其每戶的建設成本大約可以降低到1/10～1/5，當然相應能提供的每戶帶寬也會降低到1/4～1/2。從采用的技術看，通常FTTC、FTTB和FTTH采用PON技術，而FTTN則可以有多種技術選擇，例如吉比特光以太網技術、SDH技術和PON技術等。
因而，從全局看，FTTN是中近期內一個比較經濟的FTTx解決方案，也是當前的主推方案，其主要的應用場合包括有：光纜資源緊張的商務區(qū)改造，擁有多種業(yè)務設備的小區(qū)機房的綜合接入改造，大客戶接入及無線覆蓋，新建開發(fā)園區(qū)和商務區(qū)的綜合接入等。FTTH則是一個長遠的理想解決方案，當前主要適于新建商務區(qū)和高檔住宅小區(qū)。而FTTC和FTTB介于兩者之間，是一個經濟性和前瞻性兼顧的中長期解決方案。FTTx的演進路線將是逐漸將光纖向用戶推近的過程，即從FTTN到FTTC和FTTB乃至最后到FTTH，當然這將是一個很長的過渡時期，這期間，在新建地區(qū)直接采用FTTC/FTTB/FTTH都將是一種可行的、具有前瞻性的解決方案。
從采用的具體技術而言，每種技術都有其特定的適用場合和市場窗口，就我國的特定發(fā)展階段而言，則完全可以跨越APON和BPON階段，從寬帶點到點以太網光纖系統(tǒng)和EPON開始，逐步過渡到GPON，期間也有必要關注WDM-PON的新發(fā)展及其應用。
來源：中國聯通網站
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