寬帶光纖接入網系統技術研究及接入

　　羅　娟1，盧　樺2，曹　陽1，尹建華1


　　(1.武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢430072；2.烽火網絡有限責任公司，湖北 武漢430074)��



　　摘　要：文章介紹了寬帶光纖接入網系統和其中的幾種主流接入方式，并詳細比較了幾種接入技術在應用上的優(yōu)缺點，最后給出了建議和展望.



　　關鍵詞：接入網；有源光網絡；無源光網絡��



　　光接入網(OAN)從技術上可分為兩大類：有源光網絡(AON)和無源光網絡(PON).AON又可分為基于SDH的AON和基于PDH的AON.PON又可分為基于ATM的PON(APON)以及基于以太網的PON(EPON ).



　　1　寬帶OAN系統



　　1.1　基于SDH系統的AON



　　隨著骨干網傳輸容量不斷增大，傳輸網的接入方式也越來越多樣化.從技術上來看，接入層的相對帶寬需求較小，需要提供IP、TDM和ATM等綜合業(yè)務傳送.以SDH為基礎并能夠提供IP、ATM傳送與處理的系統將是解決接入層傳送的主要方法，這種方式可廉價地在一個業(yè)務提供點（POP）上提供高質量專線、ATM、IP 等業(yè)務的接入、傳送和保護.



　　在接入網中應用SDH的主要優(yōu)勢在于：SDH可以提供理想的網絡性能和業(yè)務可靠性；SDH的固有靈活性使得在發(fā)展極其迅速的蜂窩通信系統中采用SDH系統尤其適合.當然, 考慮到接入網對成本的高度敏感性和運行環(huán)境的惡劣性,適用于接入網的SDH設備必須是高度緊湊、低功耗和低成本的新型系統.



　　接入網用SDH的最新發(fā)展趨勢是支持IP接入，目前至少需要支持以太網接口的映射，于是除了攜帶話音業(yè)務量以外，可以利用部分SDH凈負荷來傳送IP業(yè)務，從而使SDH也能支持IP的接入.支持的方式有多種，除了現有的點到點通信協議(PPP)方式外，還有在SDH上的鏈路接入規(guī)程(LAPS)和通用成幀規(guī)程(GFP)等方式.



　　Ethernet over SDH系統實現了一個IP數據包多交換光廣域網，它本質上采用的是無連接網絡機制，內在的全網狀連接提供適合于分布式通信的無連接網絡機制，為業(yè)務提供者節(jié)省大量的光帶寬.Ethernet over SDH將以太網的二層交換靈活性和資源優(yōu)化能力與現有的SDH光網絡的大容量、高帶寬效率和低協議開銷相結合，從而得到一種高速、經濟的數據接入解決方案.Ethernet over SDH 系統的幀映射過程采用的是LAPS協議幀，而不是PPP幀.它首先將以太網的MAC幀封裝成LAPS協議幀，然后將LAPS協議幀映射到SDH幀中.Ethernet over SDH技術克服了傳統SDH在數據傳送上的局限性，為SDH的接入開拓了新天地.



　　1.2　PON



　　PON是一種純介質網絡，它能避免外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設備的故障率，提高系統可靠性，同時可節(jié)省維護成本，是電信維護部門長期期待的技術.PON的業(yè)務透明性較好，原則上可適用于任何制式和速率的信號.特別是APON可以通過利用ATM的集中和統計復用，再結合無源分路器對光纖和光線路終端的共享作用，使成本可望比傳統的以電路交換為基礎的PDH/SDH接入系統低20%～40%.



　　APON的業(yè)務開發(fā)是分階段實施的，初期主要是VP專線業(yè)務.相對普通專線業(yè)務，APON提供的 VP專線業(yè)務設備成本低、體積小、省電、系統可靠穩(wěn)定且性價比有一定優(yōu)勢.第2步實現一次群和二次群電路仿真業(yè)務，提供企業(yè)內部網的連接和企業(yè)電話和數據業(yè)務.第3步實現以太網接口，提供互聯網上網業(yè)務和VLAN業(yè)務.以后再逐步擴展至其他業(yè)務，成為名符其實的 全業(yè)務接入網系統.APON能否大量應用的一個重要因素是價格.目前APON產品的業(yè)務供給能力有限，成本過高，其市場前景由于ATM在全球范圍的受挫而不確定，但其技術優(yōu)勢是明顯的.特別是綜合考慮運行維護成本，則在新建地區(qū)，高度競爭的地區(qū)或需要替代舊銅纜系統的地區(qū)，此時敷設PON系統，無論是光纖到路邊(FTTC),還是光纖到大樓(FTTB)方式都是一種有遠見的選擇.



　　1.3　EPON



　　EPON是幾種最佳的技術和網絡結構的結合.EPON采用點到多點結構，無源光纖傳輸方式，在以太網上提供多種業(yè)務.目前，IP/Ethernet應用占到整個局域網通信的95%以上，EPON由于使用上述經濟而高效的結構，從而成為連接接入網最終用戶的一種最有效的通信方法.10Gbit/s以太主干和城域環(huán)的出現也將使EPON成為未來全光網中最佳的最后一公里的解決方 案.



　　在一個EPON中，不需任何復雜的協議，光信號就能準確地傳送到最終用戶，來自最終用戶的數據也能被集中傳送到中心網絡.在物理層，EPON使用1000BASE的以太PHY，同時在PON的傳輸機制上，通過新增加的MAC控制命令來控制和優(yōu)化各光網絡單元(ONU)與光線路終端(OLT)之間突發(fā)性數據通信和實時的TDM通信，在協議的第二層，EPON采用成熟的全雙工以太技術，使用TDM，由于ONU在自己的時隙內發(fā)送數據報，因此沒有碰撞，不需CDMA/CD，從而充分利用帶寬.另外，EPON通過在MAC層中實現802.1p來提供與APON類似的QoS.



　　2　幾種光接入方式



　　2.1　光纖分布網絡(FDN)



　　FDN分為有源光纖網絡和無源光纖網絡.



　　無源光纖網絡與有源光纖網絡之間的區(qū)別在于它以一對光無源分路器取代了有源光纖網絡中的遠端光纖設備(ROLT).從而兩者采用的傳輸協議也各不相同,有源光纖網絡采用PDH或SDH傳輸協議，而無源光纖網絡則必須采用TDMA或TCM方式.因此，無源光纖網絡的傳輸距離及容量必然受到一定限制.另外，有源光纖網絡還有技術簡單、易于實現和組網能力強的特點.無源光纖網絡的優(yōu)越性在于不需要機房，降低了維護的工作量與費用.



　　2.2　光纖同軸混合網絡(HFC)



　　HFC網是從有線電視(CATV)發(fā)展起來的.它可以提供CATV業(yè)務以及話音、數據和其他交互型業(yè)務.HFC網是一種以模擬頻分復用技術為基礎,綜合應用模擬和數字傳輸技術、光纖和同軸電纜技術及射頻技術的高度分布式智能寬帶用戶接入網絡,是CATV和電話網結合的產物.HFC網絡的覆蓋范圍可達100 km,而且傳輸信號的衰減小，噪聲低,是理想的CATV 網絡傳輸技術 .



　　HFC的典型結構采用光纜作為CATV的干線傳輸網絡,以有線電視臺前端為中心星形或環(huán)形分布,一直延伸到城市內居民區(qū)和辦公小區(qū)以及郊區(qū)的縣鄉(xiāng)村,形成許多的光節(jié)點.從光節(jié)點開始,通過傳統的同軸電纜將有線電視信號送到最終用戶.



　　這種方式可充分利用CATV原有網絡，建網快，造價低；同時由于同軸電纜的帶寬較大，可作為寬帶綜合業(yè)務的接入平臺.HFC是一種為有線電視運營機構所看好的技術.



　　2.3　光網絡單元(ONU)



　　根據ONU在OAN中所處位置的不同，OAN又可分為FTTC、FTTB、光纖到辦公室(FTTO)和光纖到家(FTTH)等多種類型.



　　在FTTC結構中，ONU設置在路邊或電線桿的分線盒邊.從ONU到各個用戶之間采用雙絞線 銅纜;如傳送寬帶圖象業(yè)務,則采用同軸電纜.FTTC的主要特點之一是引入線部分仍可采用現有的銅纜設施，可以推遲引入部分的光纖投資.從目前來看,FTTC在提供2 Mbit/s以下窄帶業(yè)務時是OAN中最現實、最經濟的方案.但如需提供窄帶與寬帶的綜合業(yè)務,則這一結構不甚理想.



　　在FTTB結構中,ONU被直接放到樓內,再經多對雙絞線分送各用戶.FTTB與FTTC相比，光纖化程度進一步提高，因而更適用于高密度以及需提供窄帶和寬帶綜合業(yè)務的用戶區(qū).



　　FTTO和FTTH結構均在路邊設置無源光分路器，并將ONU移至用戶的辦公室或家中，是真正全透明的光纖網絡.它們不受任何傳輸制式、帶寬、波長和傳輸技術的約束，是OAN發(fā)展的理想模式和長遠目標.



　　3　接入技術應用及比較



　　寬帶接入網的建設起點是目前困擾電信運營商的主要問題之一,寬帶化是發(fā)展方向，這是業(yè)界的共識，但從何著手?如何保證有效的投資回報率？這其中有許多值得探討的地方。



　　雖然近幾年數據業(yè)務的增長速率達到了40%，比話音年增長率10%的速率要高許多，但其實際的業(yè)務量占整個通信量的比率還是較低的，約為3%.從全國范圍來看,地區(qū)的差異還是很大的，甚至一個城市內部的區(qū)域也存在著較大的發(fā)展不平衡，而且各個點發(fā)展也是不均衡的.所以在寬帶數據接入網的規(guī)劃和建設時，不能沿用固定的一種模式，而要根據實際情況采用相應的解決方案，同時又要充分考慮系統的可擴展性。當前在應用中有這樣的傾向：IP擔當骨干層的傳輸，如IP over SDH、IP over DWDM以及IP over Optical等,下一代的IP網絡將是可以支持全業(yè)務的網絡。



　　隨著近幾年OAN的快速發(fā)展,已逐步實現了FTTC和FTTB,全光網絡當然是最終的趨勢。但在現階段，FTTH還不現實,連接用戶的最后幾百米,也就是入戶段的技術也是精彩紛呈。主要依據的傳送媒質有:基于雙絞線的xDSL技術、基于銅軸線的HFC技術、無線技術、光纖的APON/EPON技 術以及以太網技術等。這5種主要技術各有其技術特點，同時也就決定了它們各自的應用場合。



　　3.1　xDSL



　　數字用戶線（DSL）是基于普通電話線的寬帶接入技術，它在同一對銅線上分別傳送數據和 語音信號，數據信號并不通過電話交換設備，從而減輕了電話交換機的負擔；而且無需撥號，一直在線，屬于專線上網方式，因此使用DSL上網并不需要繳付額外的電話費.



　　xDSL中的“x”代表各種數字用戶線技術，如非對稱數字用戶線（ADSL）、高速數字用戶線（HDSL）和高速不對稱數字用戶線（VDSL）等.它們的主要區(qū)別在于上下行鏈路的對稱性以及傳輸速率和有效距離有所不同.



　　ADSL是目前眾多DSL技術中較為成熟的一種，其優(yōu)點是帶寬較大、連接簡單和投資較小，因此發(fā)展很快.HDSL是利用兩對或三對銅雙絞線，為用戶提供PDH一次群速率的雙工數字連接.



　　VDSL是速率更高的ADSL，也有人稱其為寬帶數字用戶線（BDSL）.VDSL系統一般用于光纖接入網中的最后一段入戶連接，其傳輸距離只有100 m（155 Mbit/s時）到1 km（13 Mbit/s時），它的下行傳輸速率可達13、26、52 Mbit/s甚至155 Mbit/s.采用VDSL技術和以太網技術相結合的方案，可以解決IP接入方案的問題，用戶不必重新布放高成本的5類雙絞線，僅僅通過VDSL終端適配器，就可以接上Internet，通過普通電話線就可以傳輸高速以太網信號，而且也不用擔心轉向IP化接入會帶來的問題.



　　3.2　HFC



　　Cable Modem是近幾年發(fā)展起來的，主要用于有線電視網數據傳輸.目前大多數新建的有線電視網都采用HFC網絡，其巨大的帶寬和相對經濟性使其對有線電視公司和新成立的電信公 司很具吸引力.由于Cable Modem是作為一種在HFC網上提供數據業(yè)務的設備，因此它通常等 同于HFC寬帶接入技術.



　　對于HFC網上的Cable Modem，由于采用無連接技術，用戶的PC機可以一直保持在線狀態(tài)，無需撥號過程，且不占用電話.但從傳統的有線電視網升級到HFC有很大的改造難度.首先，頻帶資源顯然不足；其次，傳統有線電視網上采用的都是單向放大器和相關設備，需要全部更換才能滿足HFC的要求；再次，HFC接入方案采用分層樹形結構，這種技術本身是一個共享型網絡，這就意味著用戶要和鄰近用戶分享帶寬，所以HFC的理論傳輸速率也會受到影響.



　　HFC由于存在雙向改造和漏斗效應,在用戶相對集中且每光節(jié)點用戶量在200戶左右時是較佳的方案.��



　　3.3　無線接入



　　無線通信技術有其靈活方便的特點，廣泛應用于通信網的各個領域.



　　無線局域網利用無線射頻(RF）技術在空中傳輸數據、話音和視頻信號.作為傳統布線網絡的一種替代方案或延伸，無線局域網將企業(yè)和個人從辦公桌邊解放了出來，使他們可以隨時隨地獲取信息.因此，無線局域網可以為各類企業(yè)以及他們的移動辦公的員工帶來很多好處.它的主要特點是：移動性、靈活性和易用性，并且具有合理的價格.至于安全方面的考慮，由于有最早是作為軍事應用的這一背景，無線局域網通常內置的安全監(jiān)測特性使其比大多數布線局域網都要安全得多.依靠復雜的加密技術，可以使非法的接收者截聽無線局域網的流量信號異常困難.



　　無線局域網行業(yè)的發(fā)展現在已經到了一個關鍵的階段.大家已經非常清楚地認識到，統一的無線系統（即可以混傳語音、視頻和數據的平臺）將在今后20年內在信息訪問方面占據主導地位.隨著企業(yè)對高速、穩(wěn)定且不間斷的信息訪問方式的需求日益急切，無線局域網廠商們正在考慮在具備大眾吸引力的價位上提供創(chuàng)新且技術完善的解決方案.



　　3.4　光纖接入



　　光纖接入技術與其他接入技術相比，最大優(yōu)勢在于可用帶寬寬，而且還有巨大潛力可以開發(fā)，在這方面其他接入技術根本無法與其相比.光纖接入網還有傳輸質量好、傳輸距離長、抗 干擾能力強、網絡可靠性高和節(jié)約管道資源等特點.另外，SDH和APON設備的標準化程度都比較高，有利于降低生產和運行維護成本.



　　當然，與其他接入技術相比，光纖接入網也存在一定的劣勢.最大的問題是成本還比較高，尤其是光節(jié)點離用戶越近，每個用戶分攤的接入設備成本就越高.另外，與無線接入相比，光纖接入網還需要管道資源.這也是很多新興運營商看好光纖接入技術，但又不得不選擇無線接入技術的原因.



　　3.5　以太網



　　以太網技術對于企事業(yè)用戶一直是最流行的接入方法，主要原因是已具備強大的網絡基礎和豐富的經驗，而且目前所有流行的操作系統和應用也都是與以太網兼容的.由于以太網的幀格式和IP數據格式是一致的，用以太網傳輸IP數據業(yè)務，中間不需任何格式轉換，因此以太網接入能夠與IP網實現無縫結合，而且還具有優(yōu)良的可擴展性.



　　由于性價比高、可擴展性強、容易安裝開通以及可靠性高等，使寬帶以太網接入技術成為新興運營商的首選方案之一.然而，由于計費、管理以及有源器件多等因素，以太網作為居民用戶的接入方式目前正在大力推廣階段，但隨著城市智能化小區(qū)的建設，以太網接入也不失為一種較為理想的方案.



　　4　總結與展望



　　接入網的共同趨勢都是逐漸將光纖化推向用戶.FTTC將逐漸向FTTH發(fā)展,而HFC將逐漸 從較大的節(jié)點向較小的節(jié)點發(fā)展,然后逐漸將光纖推進至分支點(FTTT)甚至實現FTTH.光纖到戶后,就消除了FTTC中的金屬引入線和HFC中的同軸電纜,避免了金屬腐蝕等問題,接入網的瓶頸也隨之消失.然而光纖到戶將是一個漫長的過程,需要投入大量的資金和人力.因此多采用混合接入模式,例如HFC，將FTTC與VDSL技術相結合提供了光纖敷設成本、電子設備成本和提供的帶寬能力方面的最佳平衡,也是一種比較現實、理想的寬帶混合接入方案.



　　總之,隨著接入網業(yè)務的不斷增多，所需的網絡帶寬將會越來越寬,交互性越來越強，接入網的寬帶化將是不可避免的趨勢.接入網市場將會成為未來幾年信息產業(yè)中最炙手可熱的市場之一,人們的生活也將因之而改變.�おお�



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摘自 光通信研究