宽带接入网络的光纤化趋势

2019-11-03 18:20:11

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供稿：网友

信息产业部电信传输研究所李巍

　　在规模越来越大的宽带接入网络中，现有的大部分局域网（LAN）都运行在100Mbit/s的网络上，许多大规模的商业公司正在向吉比特以太网（GE）过渡。而在城域核心网和城域边缘网上，SONET/SDH/GE带宽容量非常充裕，这使得接入网部分产生了严重的带宽瓶颈。与电缆传输相比较，光纤传输具有容量大、损耗小、防电磁干扰能力强等优势，因而，随著光纤传输的成本逐步下降，接入网的光纤化是必然的发展趋势。代表著“最后一公里”部分的接入网段，有超低成本、简单结构以及便于实现等要求，这给技术实现带来了很大的挑战。而无源光网络（PON）采用了无源器件，是实现宽带光接入网最有潜力的技术。从承载的内容来分类，PON技术主要包括APON（ATM Based PONs）、EPON（Ethernet Based PONs）以及GPON（Gigabit PONs）等。在接入网建设的初期和中期，迄今还没有一种绝对主导技术实现接入网的全部功能。面对多元化的接入技术，PON技术在实际应用中，采用了一些向全光接入网过渡的方式，即实现部分光纤化，如FTTE+ADSL、FTTC（或FTTB）+VDSL和FTTx+LAN等，其中以FTTx+LAN方式应用最为普遍。

一、PON的宽带接入技术优势

　　无源光网络从中心交换局到用户驻地网之间不存在任何有源器件，取而代之的是将无源光器件插入到网络中，并在整个路径上通过分离光波长的功率来引导传输的流量。这种替换使得服务提供商不再需要向传输环路中的有源器件供能和保养，大大节约了服务提供商的成本。无源的分光器和耦合器只起到传递和限制光的作用，不需要供电和信息处理，而且具有不受限制的平均故障间隔时间（MTBF），可以全面降低服务供应商的维护成本。无源光网络通常是由位于中心局（CO）的光线路终端（OLT）和一系列位于用户驻地的光网络单元（ONT）构成，在这些器件中间是由光纤、无源分光器或耦合器构成的光配线网络（ODN）。在一个PON网络中，可从服务交换局拉出单根光纤到宽带业务子区或办公园区，然后再用无源分光器或耦合器从主光纤分离出若干支路到各个大楼或业务设备上。该方式可使多个用户共享从交换局到用户驻地这段相对昂贵的光纤链路，因而也极大降低了光纤到楼（FTTB）和光纤到户（FTTH）的使用成本。采用PON技术，从运营商交换机引出的单纤可以为1632幢或更多的大楼提供宽带业务。通过采用APON/BPON、EPON或即将标准化的GPON技术，在PON的主干光纤上可以支持155Mbit/s、622Mbit/s、1.25Gbit/s或2.5Gbit/s的速率。为同时支持语音、数据和视频应用，每个用户的带宽分配可以是静态的，也可以是动态的。 PON网络中到用户驻地的下行数据流的传输过程有别于上行数据流的传输过程。下行数据流从OLT广播到各个ONT，各个ONT通过匹配协议传输单元头中的地址信息，只对目的地址和其自身匹配的数据进行处理。由于ODN存在共享介质的特性，上行的流量传输相对较为复杂。为了避免冲突的发生，上行数据流采用TDMA（时分多址）方式，并按照OLT的控制机制对上行方向的传输进行控制。这样，特定的传输时间片代表特定的ONT，同步这些时间片即可避免不同的ONT的突发之间产生冲突。作为有很大潜力的宽带接入技术的一种，PON技术的优点体现在以下几个方面。 1光纤接入网是最能适应未来发展的解决方案，特别是PON和其他现有技术，如ATM、Ethernet、WDM型结合而形成的各种x-PON技术已被证明是当前综合宽带接入中非常经济有效的方式。 2由于采用PON技术，整个光分配网是无源的，无源光网络的体积小且设备简单。 3与铜缆网相比，PON可减少维护运行费用，并彻底避免了电磁干扰和雷电干扰。 4PON的无源ONU（光网络单元）无需供电，不仅免除了供电的一系列问题，而且可靠性比有源设备要高的多。 5因为使用的是无源器件，共享光纤传输介质，整个光网络的费用较低。 6可支持开发新业务，特别是多媒体和宽带业务，从而加强运营企业竞争力，增速新业务的开展，补偿光网络建设的新投资，将接入网的数字化进一步推向用户。 7PON在一定程度上对所使用的传输体制是透明的，升级起来比较容易。目前，由于终端用户带宽需求的增长和光器件价格的大幅下降，PON技术已逐渐显示出了其充满活力的发展态势。但PON技术大范围的应用并不是一蹴而就的，它也受到诸多因素的影响。

二、PON技术应用的局限性

　　作为一种接入网技术，PON技术无疑具有接入网的一般特性。接入网的基本特征与核心网大不相同，其应用情况对成本、法规、业务、技术等因素均很敏感。笔者认为前两个问题是不容忽视的，一是光纤接入的成本问题，另一个就是宽带应用的问题。 1网络成本高昂根据光纤深入的程度，光纤接入可以分为光纤到路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）和光纤到户（FTTH）。从网络总的发展趋势来看，光纤会一直向用户延伸，直到最终取代接入网中的馈线电缆，实现FTTH。但受光纤和光器件价格的影响，实现FTTH的成本过高，普通用户还无力承担。PON技术曾经是很多电信运营商长期以来追求的目标，但由于价格与成本等多方面的因素，使得目前PON技术除了在少数发达国家（如德国和日本等）获得一定的发展以外，并没有被多数国家所接受。 2宽带业务内容匮乏宽带技术虽然有所突破，但目前宽带内容的发展大大落后于宽带网建设，形成了曲高和寡的局面。代表著宽带大容量的PON技术在此时发展，无疑会受到宽带市场需求的影响。与现有的各种宽带接入技术一样，PON技术的应用尚需宽带内容的带动。 3EPON的局限性目前EPON的应用面临两个较为明显的局限性，一是其效率极低，二是缺乏支持除以太网外的其他业务的能力。正因为如此，EPON在处理语音或TDM业务时还存在QoS的问题。EPON采用8b/10b编码作为其线路码，而这种线路码在处理协议之前，就有20%的带宽消耗。与EPON不同的是，APON和GPON系统都采用扰码作为线路码，这与SONET或SDH网络的线路编码机制相一致，不涉及带宽的额外消耗。 3统一的标准和规范还未形成虽然APON技术早1998年就已经被标准化，但APON接下来的发展却并不顺利，其中与ATM技术在局域网上的全面溃败不无关系。另外，不同厂商的APON产品也存在互通性差的问题，APON的市场拓展并不理想。由于ip/Ethernet越来越受到青睐使得EPON应运而生并迅速发展，成为宽带光纤接入的一个重要发展方向。IEEE802.3 EFM（Ethernet for the First Mile）研究组正在加紧研究EPON技术，并加速对EPON的标准化。2001年第三季度，802.3工作组批准了其项目授权申请（PRoject Authorization Request）。2002年7月，特别工作组对一整套基本的技术建议达成了一致，这些基本建议的采纳成为第一版标准草案的原型，该草案在2002年底提交802.3工作组评审和投票。目前，尚没有相应的EPON标准出台。

三、PON技术的标准进展

　　国外PON标准进展情况 PON技术的出现已有很长的时间。早在1996年，ITU-T就针对2Mbit/s以下接入速率的窄带PON技术（可称为“第一代”PON技术）进行了规范，建议号为G.982。 20世纪90年代中期开始出现APON技术，首先对APON进行规范的国际组织是FSAN（Full Service access Network）联盟，同时也可以说FSAN是对APON的国际标准贡献最大的组织，其提出的APON格式首先成为ITU-T 建议G.983.1（1998.10）。1999年，ITU-T 又出台了G.983.2建议。2000年开始，EPON引起了设备供应商和运营商的关注。预计802.3工作组最早将于2003年底正式批准该标准。 GPON技术在PON上承载多业务时具有更高比特率和更高的效率两大优点。GPON技术的出现有可能彻底改变现有PON的应用和需求，并极有可能提供一种与原有的APON标准全然不同的新解决方案。尽管GPON保留了许多与PON没有直接关系的功能，如OAM消息、DBA等，但GPON基于一种完全不同的传输汇聚（TC）子层。FSAN起草的GPON的标准也可望在2003年完成。 2国内PON标准进展情况国内对PON技术的研究起步较国外稍晚，但发展很快。很多国内的设备厂商也纷纷推出了相应的APON产品，如华为MA5101、MA5102 等系列化的APON产品，烽火通信、北邮电信等厂商也先后研制成功实用化的APON产品。在EPON方面，我国在“十五”的863计划中设立了Gbit/s EPON的相应课题，正加紧对EPON的研究。我国通信标准化协会的相关研究组也在讨论制定EPON的相关行业标准。虽然WDM技术在国内蓬勃发展，但WDM-PON在国内尚处于空白阶段，仍需尽快发展。

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