全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)

全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（付軍、李樹新）
摘要本文介紹了全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（FSAN）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，討論了其中的的關(guān)鍵技術(shù)；ATM無(wú)源
光網(wǎng)絡(luò)（APON）設(shè)計(jì)、APON幀結(jié)構(gòu)以及WDM和EDFA在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，最后提出了自己的建
議。
  關(guān)鍵詞  全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)  APON  TDMA
1.引言
    隨著社會(huì)的發(fā)展，電信市場(chǎng)的開(kāi)放以及寬帶新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，已逐步形成了電信網(wǎng)、
CATV網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)三大網(wǎng)絡(luò)并存的局面，而如何經(jīng)濟(jì)、高效地構(gòu)建滿足用戶需要的接入網(wǎng)
絡(luò)更是成為競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。各類住處產(chǎn)業(yè)公司紛紛提出了各種接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建形式，以期在日
趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地。例如：有線電視公司希望利用HFC（混合光纖／同軸電纜）
技術(shù)，而電信運(yùn)營(yíng)商則傾向于光接入網(wǎng)技術(shù)或XSAL來(lái)開(kāi)展寬帶接入。但是單一的網(wǎng)絡(luò)形式
難以滿足用戶對(duì)多種業(yè)務(wù)的接入要求，因此國(guó)際上提出了利用滲透式的統(tǒng)一接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
一一全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（FSAN）來(lái)透明實(shí)現(xiàn)包括話音、視像、多媒體數(shù)據(jù)等所有業(yè)務(wù)的接入。
    從組網(wǎng)形式上看，F(xiàn)SAN并不是一種獨(dú)立于其它接入網(wǎng)的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而是旨在利用
已有的一些接入網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)接入。該接入網(wǎng)不僅應(yīng)能支持窄帶、寬帶以及交互式
定帶業(yè)務(wù)，而日還應(yīng)支持目前尚未定義的一些新業(yè)務(wù)，因而要求技術(shù)上的先進(jìn)性和可擴(kuò)展
性；另一方面，應(yīng)能降低建設(shè)費(fèi)用。
2、三種典型的接入網(wǎng)組建方式及其局限
    目前最常見(jiàn)的電信業(yè)務(wù)主要有三種：話音、CATV和Internet，其網(wǎng)絡(luò)參考配置。我們
首先分析這三種業(yè)務(wù)的接入組網(wǎng)形式，以設(shè)計(jì)出全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
    xDSL技術(shù)是基于原有的電話雙絞線而提供的一種寬帶接入手段，其典型的接入速率為：
HDSL利用二對(duì)雙絞線能提供2Mbit／s的對(duì)稱速率；ADSL利用一對(duì)雙絞線，可提供的速率下
行為6－8Mbit／s，上行為640kbit／s；VDSL是XDSL技術(shù)中最為先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，其
上下行速率可達(dá)26Mbit/s。雖然這種方式組網(wǎng)較為靈活，但是相對(duì)于光接入技術(shù)，XDSL所
能提供的接入帶寬畢竟有限，僅能實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)以及幾路視頻業(yè)務(wù)的接入，發(fā)展?jié)摿Σ?br />大。
    HFC和基于PON（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）的FTTC是發(fā)展前景更為廣闊的兩種接入方式。兩者都是
利用光纖光將信號(hào)送入光節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)O／E變換后由銅介質(zhì)將信號(hào)送給用戶，但是兩者
也存在較大區(qū)別；首先，從信號(hào)接入方式看，HFC采用模擬頻帶傳輸，下行信號(hào)多采用FDM
（頻分復(fù)用）／SCM（副載波復(fù)用）方式，而FTTC采用數(shù)字基帶傳輸，信號(hào)間多采用TDM
（時(shí)分復(fù)用）方式；其次，在電纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，HFC多采用樹形分支結(jié)構(gòu)，而FTTC在光節(jié)
點(diǎn)和各用戶終端間多采用星形或總線形連接；再次，HFC業(yè)務(wù)傳送具有不對(duì)稱性，上行信
道帶寬5-50MHZ，下行帶定50-750MHZ，F(xiàn)TTC由于采用數(shù)字基帶傳輸方式，因而就傳輸線路
而言并不存在上下行帶寬的限制。
    總之，與FTTC相比較，HFC在傳送模擬CATV信號(hào)方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但是在開(kāi)展話音、
數(shù)據(jù)接入方面可靠性較差，特別是上行信道易受噪聲“漏斗”效應(yīng)的影響以及頻帶窄從而
引起信號(hào)間的串?dāng)_，此外，模擬信道對(duì)數(shù)字業(yè)務(wù)的開(kāi)展也存在一定的影響。但是如果HFC
是在現(xiàn)有的VATV網(wǎng)的基礎(chǔ)上建設(shè)，將在成上具有很大優(yōu)勢(shì)，而FTTC采用PON技術(shù)，提高了
通信傳輸質(zhì)量，解決了上行傳輸中的帶寬問(wèn)題，但FTTC的最大問(wèn)題是不支持模擬分配式視
像業(yè)務(wù)CATV業(yè)務(wù)的傳送。因此必須優(yōu)化組合出一種新的網(wǎng)絡(luò)量結(jié)構(gòu)，以方便地支持所有業(yè)
務(wù)的接入。
3、全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是：采用WDM（波分復(fù)用）將數(shù)字通信信號(hào)和
模擬CATV信號(hào)在饋線段混傳；采用ATM作為數(shù)字多媒體住處的交換平臺(tái)；利用HFC和FTTC中
的PON（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）分別實(shí)現(xiàn)模擬電視和數(shù)字通信信號(hào)的分配。
    全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)是由一個(gè)寬帶數(shù)字雙向傳輸系統(tǒng)和一個(gè)單向HFC模擬視像傳輸系統(tǒng)組成。
其中，HFC網(wǎng)主要是通過(guò)改造已有的CATV網(wǎng)，采用模擬副載波復(fù)用技術(shù)（SCM）實(shí)現(xiàn)59路
CATV信號(hào)的傳輸，并給OUN供電；寬帶數(shù)字雙向傳輸系統(tǒng)的上行速率為STM－1（1.55Mbit
/S），下行速率為 STM－1或STM－2（622Mbit／S），傳送數(shù)字多媒體住處數(shù)字混合信號(hào)
分別采用1310nm和1550nm波長(zhǎng)并通過(guò)WDM在主干光纖環(huán)網(wǎng)中傳輸，ATM作為數(shù)字接入網(wǎng)統(tǒng)
一的交換平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多媒體住處的交換、復(fù)用和傳輸，而模擬視像信號(hào)首先通過(guò)光纖傳
至靠近用戶的服務(wù)小區(qū)，并由光放大器進(jìn)行功率補(bǔ)償，通過(guò)光／電變換與電放大，再由
同軸電纜廣播網(wǎng)將射頻信號(hào)傳送用戶。
    目前考慮到價(jià)格因素，一般較少采用FTTH方式，最后的用戶引入線部分多用鋼媒質(zhì)
的傳輸線。如果引入線是基于原先的電話雙絞線，可利用ADSL、VDSL等數(shù)字調(diào)制技術(shù)，
以滿足寬帶數(shù)據(jù)以及幾路視頻信號(hào)的接入要求。
4 FSAN組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
4.1 APON系統(tǒng)
    在無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）上實(shí)現(xiàn)基于ATM信元的傳輸，即APON技術(shù)，采用基于信元的傳
輸系統(tǒng)主要是由于ATM為點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)的復(fù)用和多路接入方式提供了很好的基礎(chǔ)，
這種結(jié)構(gòu)允許接入網(wǎng)中的多個(gè)用戶共享整個(gè)帶寬，如果只需交互型業(yè)務(wù)（包括VOD），
一般采用155Mbit/s的下行速率，如果還需傳送分配型業(yè)務(wù)，可將下行速率增加到622Mb
it/s。
    在APON中，考慮傳輸?shù)目煽啃�，采用雙纖雙工傳輸，系統(tǒng)帶寬擴(kuò)容可采用TDM方式，
進(jìn)一步可考慮用WDM技術(shù)。這種“點(diǎn)到多點(diǎn)”多分支的APON結(jié)構(gòu)特別適合本來(lái)將大量出
現(xiàn)的下行分配型數(shù)字視頻業(yè)務(wù)，如MPEG視頻流等。信元通過(guò)ATM信頭的VPI／VCI進(jìn)行二
級(jí)尋址，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)的QOS進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)接處理。例如，對(duì)于話音業(yè)務(wù)，必須考慮
減小處理時(shí)延，以滿足話音業(yè)務(wù)的時(shí)延不超過(guò)1ms的限制；對(duì)于同樣對(duì)時(shí)延要求嚴(yán)格而
且自信量大的視像業(yè)務(wù)（如VOD）則在APON系統(tǒng)中應(yīng)普遍采用永久性VP連接，以簡(jiǎn)化連
接信令和呼叫處理過(guò)程。
4.2上行通信中采用的技術(shù)
    為了最人限度地利用頻譜，APON給每個(gè)ONU都分配相同的頻譜，這樣有可能在同一
時(shí)刻當(dāng)多個(gè)ONU往上行信道發(fā)信息時(shí)發(fā)生沖突，從而在上行通信中引入了TDMA（時(shí)分多
址接入）方式。
    其機(jī)理為：APON系統(tǒng)通過(guò)OLT控制時(shí)隙劃分，從而保證同一時(shí)刻僅有一個(gè)ONU發(fā)出
上行信號(hào)，除去極少量的保護(hù)時(shí)間和同步等開(kāi)銷外，頻帶幾乎全部利用；此外，TDMA
能更有效地利用各種數(shù)字技術(shù)，在預(yù)分配和按申請(qǐng)分配方面具有更地靈活性，尤其適
合基于信元分組方式的ATM信元在上行信道中的傳輸。但在上行通信中也面臨下面三個(gè)
問(wèn)題。
4.2.1測(cè)距技術(shù)
    由于APON工作于點(diǎn)到點(diǎn)的方式，到達(dá)接入節(jié)點(diǎn)的上行傳輸時(shí)延差異造成各個(gè)ONU的
上行時(shí)隙交疊，從而可能導(dǎo)致不同的ATM信元流發(fā)生碰撞。因此引入了測(cè)距技術(shù)對(duì)由于
物理傳輸機(jī)制弓沒(méi)的時(shí)延差異進(jìn)行補(bǔ)償，以確保不OUN所發(fā)出的信號(hào)能夠在OLT處準(zhǔn)確
地復(fù)用到一起。
    測(cè)距包括靜態(tài)測(cè)距和動(dòng)態(tài)測(cè)距，前者用在新的ONU的安裝調(diào)測(cè)階段，以補(bǔ)償ONU與
中心接收機(jī)的時(shí)延差異；后者應(yīng)用于系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，以進(jìn)一步地高精度連續(xù)核準(zhǔn)各
個(gè)ONU上行信道由于溫度、光電器件老化等對(duì)信道傳輸特性的影響。
4.2.2突發(fā)信元的高速同步
    由于上行方向的信元在光分路器上進(jìn)行時(shí)分交織復(fù)用，為了盡可能地減小連續(xù)信
元音的開(kāi)銷，獲得最大的可用帶寬，必須提出～種快速的同步方法；而且由于測(cè)距的
距離是有限的，因此要在連續(xù)的突發(fā)之間留一段保護(hù)時(shí)間（精度可定在±bit）。這
樣，將每個(gè)突發(fā)信元的第一比特置于±1bit的保護(hù)時(shí)間內(nèi)，中心局的接收機(jī)要能在空
發(fā)信息的第一個(gè)比特出現(xiàn)時(shí)迅速建立起同步，因此在傳送幀結(jié)構(gòu)中需加入同步保護(hù)字。
    使用鎖柏環(huán)并在每個(gè)突發(fā)前加一個(gè)足夠長(zhǎng)的報(bào)頭可實(shí)現(xiàn)上行突發(fā)信號(hào)的高速同步，
如利用附加抽樣技術(shù)。在APON系統(tǒng)中，時(shí)鐘相位的校準(zhǔn)是通過(guò)一個(gè)3bit的調(diào)諧抽頭延
遲線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在每個(gè)APON信頭插入3bit來(lái)恢復(fù)正確的時(shí)鐘相讓，對(duì)于一個(gè)理想的時(shí)
鐘提取電路存在2dB的劣化。
    每個(gè)ONU到中心接收機(jī)的路徑損耗不同，因此所接收到的上行光功率將存在較大
的動(dòng)態(tài)范圍。一方面要求接收機(jī)能以最快速度動(dòng)態(tài)調(diào)定“0、“1bit電平門限，另一
方面則要求ONU的發(fā)射機(jī)根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的光路損耗情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，以降低接收機(jī)動(dòng)態(tài)范
圍。因此，針對(duì)前者，OLT中應(yīng)采用具有自適應(yīng)功能的光接收機(jī)，在一定衰耗范圍內(nèi)
維持恒定的傳輸電平值；對(duì)于后者，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的光功率電平調(diào)節(jié)和接收機(jī)的快
速門限設(shè)置，在每個(gè)上行ATM信元流中指示開(kāi)銷。
4.3 APON信元的幀結(jié)構(gòu)
    在FSAN中，其上、下行信道的ATM信元被打包成所謂的APON幀，每53個(gè)信元組成
一個(gè)APON幀。為了盡可能提高有效負(fù)載的傳輸效率，就應(yīng)盡量縮短信頭長(zhǎng)度。研究和
實(shí)踐均證明，一個(gè)8bit的信頭已足夠?yàn)橐粋�(gè)ATM信元提供所需功能。在上行APON幀的
信頭中，2bit用于保護(hù)時(shí)間，3bit用于光功率電平調(diào)節(jié)，另外3bit用于時(shí)鐘相位校準(zhǔn)。
    這樣，一個(gè)字節(jié)的開(kāi)銷足可以保證一個(gè)ATM信元在APON中的傳輸，即一個(gè)APON信
元長(zhǎng)度為54byte，其中非ATM信元的傳輸開(kāi)銷占1／54。對(duì)于上行信道，來(lái)自各個(gè)NT
（網(wǎng)絡(luò)終端）的用戶數(shù)據(jù)由相應(yīng)的AAL或CLAD適配成ATM格式，所形成的ATM信元再由
ONU裝配成APON格式，然后進(jìn)入傳輸系統(tǒng)；對(duì)于下行信道，從傳輸系統(tǒng)接收到的ATM
信無(wú)根據(jù)它們的VPI／VCI值進(jìn)行分路，然后再轉(zhuǎn)換成原數(shù)據(jù)送給用戶。
4.4備類接口技術(shù)
    FSAN需要在一個(gè)通用平臺(tái)上采用分層結(jié)構(gòu)，以方便對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的分布式管
理，各個(gè)設(shè)備之間的接口實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接將是一個(gè)關(guān)鍵。按ITU－T的規(guī)定，一個(gè)全業(yè)
務(wù)接入網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)和接口配置，在系統(tǒng)中需要配置網(wǎng)管接口（Q3）、傳輸接口、
交換接口，以及各類用戶接口。
4.5 WDM和EDFA的應(yīng)用
    雖然WDM能透明傳輸所承載的業(yè)務(wù)流，但在全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)中需要考慮的一個(gè)重要
問(wèn)題是數(shù)字信號(hào)和模擬CATV信號(hào)間的串?dāng)_。由于在同一光纖中數(shù)、橫信號(hào)的功率相
差二個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在系統(tǒng)中應(yīng)采用高隔離度的WDM器件。
    目前，1310nm／1550nm雙窗口器件應(yīng)用已很成熟，價(jià)格也較為便宜；另外，該
雙窗口的隔離度也可以做足夠大以抑制不同波長(zhǎng)信號(hào)的串?dāng)_。
    利用1550nm波長(zhǎng)傳送模擬現(xiàn)像信號(hào)，結(jié)合EDFA可增大信號(hào)的覆蓋范圍。同時(shí)進(jìn)
一步考慮EDFA對(duì)無(wú)源光分路網(wǎng)絡(luò)中的功率補(bǔ)償作用；假設(shè)單模光纖的傳輸損耗為0.2
dB／km，一個(gè)EDFA的出纖功率為+22dB（160mw），分為四路輸出并忽略插入損耗，
則每路的光功率為+16dB（40m）。這樣，通過(guò)EDFA輸出光功率分路，可覆蓋4個(gè)光
節(jié)點(diǎn)，每個(gè)光節(jié)點(diǎn)到EDFA的距離約為80且出纖功率為1mw，從而降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的
成本并提高了可靠性。
    當(dāng)無(wú)中斷距離超過(guò)10km時(shí)，普通的單模光纖在1550nm窗口的色散將對(duì)CSO（二
階合成）產(chǎn)生嚴(yán)重影響，為了進(jìn)一步延長(zhǎng)傳輸距離，應(yīng)采取一些特殊的措施來(lái)改善
CSO，如使用G.653的色散位移光張（DSF），或利用色散補(bǔ)償光纖對(duì)旬散進(jìn)行負(fù)補(bǔ)
償。
5、FSAN的發(fā)展及我們對(duì)策
    價(jià)格因素是接入網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)敏感問(wèn)題，因此建設(shè)FSAN應(yīng)盡量考慮降低成本，
提供給用戶最大的性能／價(jià)格比。目前，由于光纖制造技術(shù)的發(fā)展使得其價(jià)格大大
降低，VLSI技術(shù)的發(fā)展使得商用和家用的ONU的價(jià)格不斷降低；此外，標(biāo)準(zhǔn)的制定
也將促使FSAN大規(guī)模的實(shí)施從而將大大減少用戶成本。
    由于FSAN將電信網(wǎng)和CATV網(wǎng)合二為一，兩套網(wǎng)絡(luò)可共用光纜、管孔等基本設(shè)
施，避免了重復(fù)投資；通過(guò)改造已有的CATV網(wǎng)作為FSAN的模擬視像傳輸通道并向
APON供電，更進(jìn)一步地節(jié)約了成本。另外，F(xiàn)SAN采用ATM技術(shù)保證了向未來(lái)多媒體
數(shù)字業(yè)務(wù)的良好過(guò)渡，同時(shí)也能方便地開(kāi)展原有的一些業(yè)務(wù)（如模擬CATV），因
此與ADSL、HFC、FTTC以及SDV（交換式數(shù)字視頻）相比較，無(wú)論在傳輸容量、性
能以及支持多種業(yè)務(wù)（特別是對(duì)我國(guó)目前應(yīng)用最多的寬帶業(yè)務(wù)模擬CATV業(yè)務(wù)）方
面將具有更大的優(yōu)勢(shì)。
    另外，考慮到雖然數(shù)字CATV是廣播式電視的發(fā)展方向，但在目前模擬制式的
電視信號(hào)仍占統(tǒng)治地位的情況下，通過(guò)改造已敷設(shè)的CATV網(wǎng)以傳送模擬視像信號(hào)，
不失為一種較好的方法，因此，在FSAN系統(tǒng)中保留了單向HFC傳輸系統(tǒng)；隨著壓
縮技術(shù)和硬件成本的不斷下降，再逐步過(guò)渡到利用APON系統(tǒng)接入數(shù)字CATV業(yè)務(wù)。
    中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部的成立對(duì)我們構(gòu)建統(tǒng)一的國(guó)家信息全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)提供了契機(jī)，
原有體制上的一些敏感問(wèn)題正逐步得到解決。目前應(yīng)充分利用電信部門已建的大
量雙續(xù)銅線和正在建設(shè)的一些FTTC，以及廣電部部門基于HFC的CATV網(wǎng)、統(tǒng)一規(guī)劃，
協(xié)調(diào)管理，構(gòu)建一個(gè)能實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)接入的平臺(tái)。盡管網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)營(yíng)初期利用率較低，
但隨著業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，其經(jīng)濟(jì)效益將越來(lái)越好。
    當(dāng)然FSAN的發(fā)展也存在一系列問(wèn)題，如網(wǎng)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化的MAC協(xié)議的制
定等，但是隨技術(shù)的發(fā)展，相信這些問(wèn)題都將逐步得到解決。