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宽带光接入网——下一代接入网

1、概述

  接入网“光进铜退”的趋势已经得到包括运营商在内的业界的广泛认同,光接入将成为下一代接入网采用的主要技术之一。宽带光接入网(broadband optical access network,BOAN)具有以下一些主要特征:

  ●全程以光纤作为传输媒质或者光纤作为主干传输媒质,以金属线或无线作为用户末端传输媒质;

  ●具有高带宽、长距离的传送能力;

  ●支持多业务接入,包括各种窄带业务、宽带业务以及对未来业务的扩展支持能力和上述业务的同时接入;

  ●支持IP作为上层业务的承载,可以作为下一代网的接入层网络

  ●支持接入网络的平滑演进。

2、宽带光接入网的应用类型

  宽带光接入网有很多应用类型统称为FTTx,对于各种应用类型,为了避免混淆,可统一定义为以下4种标准类型:

  (1)光纤到交接箱

  光纤到交接箱(fiber to the cabinet,FTTCab)是宽带光接入网的典型应用类型之一,其特征是以光纤替换传统馈线电缆,光网络单元(ONU)部署在交接箱(FP)处,ONU下采用其他介质接入到用户。例如采用现有的金属线或者无线,每个ONU支持数百到1 000左右用户数。

  国内外与FTTCab概念相当的其他术语有:光纤到节点或光纤到邻里(fiber to the node或neighbourhood,FTTN),光纤到小区(fiber to the zone,FTTZ)。

  (2)光纤到楼宇/分线盒

  光纤到楼宇/分线盒(fiber to the building/curb,FTTB/C)是宽带光接入网的典型应用类型之一,其特征是以光纤替换用户引入点之前的铜线电缆,ONU部署在传统的分线盒(用户引入点)处,ONU下采用其他介质接入用户,如现有的金属线或无线,每个ONU典型支持用户数为十多户到一百户左右。

  “curb”一词汉语直译是“路边”,在国外一些典型居住环境下,当ONU部署到路边时,每个ONU面对的典型用户数为几户到几十户,ONU所占据的位置就是传统铜线网络的分线盒点,与光纤到楼宇(FTTB)的应用场合是类似的,这与中国国内光纤到路边的ONU大多是部署到交接箱且所面对的用户数量多为数百户的应用不同。

  (3)光纤到公司/办公室

  光纤到公司/办公室(fiber to the office,FTTO)是宽带光接入网的典型应用类型之一,其特征是仅利用光纤传输媒质连接通信局端和公司或办公室用户的接入方式,引入光纤由单个公司或办公室用户独享,ONU/ONT(光网络终端)之后的设备或网络由用户管理。

  与FTTO概念相当的其他国内外术语有FTTP(fiber to the premise),在国外,FTTP的应用类型包含了两种含义,一种是用全光接入的方式实现到单个住宅用户的应用,一种是用全光接入的方式实现到商务小楼(fiber to the business,FTTBusiness),本处指后一种应用场合。

  (4)光纤到家庭用户

  光纤到家庭用户(fiber to the home,FTTH)是宽带光接入网的典型应用类型之一,其特征是仅利用光纤传输媒质连接通信局端和家庭住宅的接入方式,引入光纤由单个家庭住宅独享。在某些场合,FTTP与其概念相当。

3、宽带光接入网应用类型的基本特征

  表1给出带宽接入网的4种应用类型的主要特征,各自适用于不同的网络条件和应用需求,共同服务于接入网的宽带化和光纤化演进的进程。具体配置模型和应用类型的选用,需要综合考虑各种因素,如用户类型、成本、现有线路资源、服务提供灵活性和业务类型等。

表1 宽带光接入网典型应用类型的主要特征

主要特征

FTTCab

FTTB/C

FTTH

FTTO

接入介质类型

光纤作为主干+金属线/无线作为末端

光纤作为主干+金属线/无线作为末端

全程光纤

全程光纤

光纤到达位置

交接箱

楼宇/分线盒

居民家庭

公司/办公室

光节点距离用户设备的参考布线距离

约几百米到1 km

约几百米

约几十米

约几十米

光纤段典型的物理拓扑类型

点对点、环形、星形

星形、树形、环形

星形、树形

点对点、环形、星形

光纤段采用的主要技术

主要采用MSTP和光纤直连,也可以采用xPON、点对点光以太网

主要采用xPON、光纤直连、点对点光以太网,也可以采用MSTP

主要采用xPON、点对点光以太网

主要采用MSTP、光纤直连、xPON,也可以采用点对点光以太网

金属线/无线段采用的主要技术

主要采用ADSL2+、ADSL、VDSL2,也可以采用WiFi、WiMax

主要采用VDSL2、ADSL2+、ADSL、以太网,也可以采用WiFi、WiMax

——

——

现有技术条件下典型的用户接入速率

下行最大25 Mbit/s(采用ADSL2+/VDSL2),上行最大1.8 Mbit/s(采用ADSL2+/VDSL2)

上下行最大100 Mbit/s(VDSL2/以太网)

上下行最大可超过100 Mbit/s

上下行最大可超过100 Mbit/s



4、宽带光接入网的技术发展

  4.1 当前宽带光接入网应用的技术

  目前,大量应用于宽带光接入网的技术主要是以EPON、GPON为代表的无源光网络技术。EPON是基于吉比特以太网的无源光网络技术,继承了以太网的低成本和易用性以及光网络的高带宽,是当前实现FTTH众多技术中性价比最高的一种。随着EPON国际标准IEEE802.3ah在2004年正式发布,EPON的产业联盟已经吸引了众多厂商的积极参与,从核心芯片、光模块到系统,EPON的产业链已经日趋成熟。EPON技术是一个由制造商驱动的解决方案,而GPON是一种按照消费者的准确需求设计、由运营商驱动的解决方案,其标准化主要由FSAN和ITU-T来推动。

  作为PON技术的两大代表,EPON和GPON技术在成本投入、支持速率等方面各有优劣。和GPON技术相比,EPON的技术门槛较低,核心芯片的设计难度较低,目前已经有不少芯片厂商加入了EPON芯片设计的阵营,其产业链更成熟。但是,GPON在技术上更具优势,它能支持多种速率等级,可支持上下行不对称速率,上行不一定要支持1 Gbit/s以上速率,因此与EPON只能支持对称1 Gbit/s单一速率相比,GPON的光器件选择余地更大。另外,GPON不仅能像EPON那样支持ClassA和B的ODN(光分配网)等级,还能支持ClassC,因此可支持高达1:128的分路比和长达20 km的传输距离。GPON无论是在传输汇聚层还是在业务适配层的效率都是最高的,因此在总效率和等效系统成本方面都有相当的优势。随着GPON技术的逐渐成熟,价格不太敏感但对技术有高要求的商业用户将真正成为GPON的用户群。所以,在今后一两年内,基于这两种技术的产品市场定位可能有所不同,从长远看,如果GPON能够在产业化方面取得突破性进展,市场空间更大。

  从理论上分析,GPON似乎比EPON更具优势,但就当前业内提供的各种EPON/GPON产品,通过实验室测试来看,EPON和GPON各有千秋:

  ●EPON/GPON设备的PON接口物理层参数都能较好地满

  足标准,可实现最大分路比1:32和最大传输距离20 km。

  ●只承载IP业务时,EPON设备的系统带宽容量下行可高于900 Mbit/s,上行可达到900 Mbit/s左右,除去线路编码对容量的影响,封装效率较高。但承载E1等TDM业务时,帧封装格式和同步定时会带来较大的开销,承载效率不高。

  ●EPON/GPON可实现光纤保护倒换功能,在全光纤保护倒换方式下,由于采用热备份方式,倒换过程中业务中断时间<50 ms,但在骨干光纤保护倒换方式下(即只保护OLT(光线路终端)和光分路器之间的光通道),由于ONU需要重新进行注册,倒换过程中业务中断时间远远>50 ms。

  ●当前EPON/GPON设备承载TDM业务(如E1、POTS)的实现方式各不相同,分别采用了不同的时钟同步方式,但E1业务传输延时、抖动特性均能满足要求。当同时承载TDM和IP业务时,即使在系统带宽拥塞条件下,仍能保证TDM业务QoS

  ●根据所采用的同步定时方式的不同,各厂商的EPON/GPON设备在E1时钟同步方面存在差异,但均无法容忍E1定时信号上的大幅度噪声,达不到PDH同步接口网络限值要求,但能满足E1业务接口的网络限值要求。EPON/GPON设备是否能应用于对定时要求严格的业务如移动基站互连,将取决于目前EPON/GPON上游网络内的同步定时情况,如果EPON/GPON上游网络提供的业务定时信号质量不好,EPON/GPON系统将无法吸收定时信号的噪声从而提供给下游网络较好的业务定时信号。

  ●在带宽管理能力方面,EPON设备均支持动态带宽分配功能(DBA),而目前的GPON设备仅支持静态带宽分配功能,在承载IP业务时系统带宽利用率不高。此外,EPON/GPON设备均具有限速功能,可采取一定的策略区分业务优先级并实现QoS保证。

  ●EPON/GPON设备具有多业务支持能力,可同时接入IP数据/视频、TDM数据/语音以及CATV视频业务,IP业务的承载效率较高。可支持多种以太网协议,能够基本满足业务开展需求。

  从成本的角度来看,无论采用何种PON,每用户的主要成本主要取决于ONT和OLT。GPON在作为新技术刚出现时,其ONT和OLT的成本会相对高一些。但是,目前GPON的核心芯片及光器件复杂度和技术指标已经与EPON相近,在相同的设备配置(如业务接口类型等)情况下,设备成本将主要取决于采购数量。根据业内人士预测从2006年下半年起。随着ONT和OLT器件成本的进一步优化和网络部署的规模化,GPON与EPON成本将更加接近。如表2所示,该比较基于1:32分路比,10 km传输距离,室内型ONU,仅支持数据业务的设备的前提。

表2 每线EPON与GPON的价格趋势比较(单位:欧元)

 

2005年

2006年

2007年

2008年

2009年

EPON

172

138

117

99

89

GPON

240

150

120

102

92



  4.2 宽带光接入网的新技术热点

  4.2.1 10 Gbit/s的xPON技术

  EPON主要用于提供高带宽业务接入能力,但传输速率为1 Gbit/s的EPON设备在10 km、1:32配置下,每个ONU用户只能获得约30 Mbit/s的下行接入速率,当采用更高的分路比时,用户获得的带宽将进一步降低,这对接入HDTV为代表的高带宽业务带来了一定的困难和限制。为此,IEEE提出研究传输速率为10 Gbit/s的EPON技术,以适应高分路比条件下的高带宽需求,与1 Gbit/s EPON类似,IEEE 10 Gbit/s EPON重点在物理层和MAC层方面进行标准化工作,其指导思想仍然是在降低10 Gbit/s EPON技术复杂度和牺牲指标的同时保证其技术和相关模块的可实现性和经济性。

  但业界目前对10 Gbit/s EPON的标准化工作仍然存在争议,原因是1 Gbit/s EPON目前在全球都没有太大规模的应用,而对于更大带宽10 Gbit/s EPON的需求更是遥遥无期,对其进行标准化工作似乎没有太大的必要性。ITU-T内部也有人提出对GPON进行10 Gbit/s速率的标准化工作,但遭到了很多代表的反对,原因就是因为业界现实的需求不太迫切。

  4.2.2 WDM-PON技术

  目前已经逐步商用化的光接入技术主要是以APON、EPON和GPON为代表的无源光网络(PON)技术,这几类传统PON技术的共同特点是:OLT和ONU之间通过光分路器分配光信号,上下行分别采用TDMA/TDM技术并且分别使用不同的固定波长进行数据传输。因为系统中引入光分路器带来了较大光衰耗,所以传统xPON技术在传输距离和分路比等方面都受到了限制。同时由于共享上行带宽,因此各ONU获得的上行带宽有限,对于今后HDTV等高带宽业务需求较难满足。针对这种情况,在接入网中引入波分复用技术(WDM)成为一种很好的解决方法,WDM-PON技术被视为其中较有代表性的一种技术。

  早期的WDM技术由于价格昂贵主要应用于骨干网和城域骨干网,随着WDM光器件价格的下降,小波数的WDM技术开始在接入网中应用。WDM-PON技术采用ONU独享上/下行波长的方式来传输数据信息,结合了WDM波长独享和PON树形结构的特点,在传输带宽、用户管理与信息安全、系统可靠性和可扩容性等方面都具有很大的优势。

  但目前相对其他宽带接入方式,WDM-PON初期投资大,近几年无法大规模推广。从长远来看,一方面WDM、DWDM技术在骨干网及城域网中得到了广泛的应用,必将促进WDM器件成熟,促使其价格下降;另一方面,用户对高带宽业务的需求必将不断增长,WDM技术将成为宽带接入的解决方案。WDM-PON系统关键器件的研究最近也取得了长足进步。大功率LED、AWG复用/解复用器发展迅速,价格也在迅速下降,这就意味着WDM-PON的应用要比原先预计的要早一些。

  WDM-PON目前有两种技术方向:固定分配波长方式和动态分配波长方式。动态分配波长方式技术难度更大,涉及的关键技术包括多波长光源、波分复用器、WDM接收机、波长监控和ONU光源等。动态分配波长方式的WDM-PON是行业研究的热点。

  国内外对WDM-PON技术研究方向如下:

  ●可靠稳定的无源波分复用器件。PLC(planar light circuit)技术在最近几年里发展十分迅猛。AWG(arrayed waveguide grating)是PLC技术的代表产品。在无源光网络中,通过使用温度自补偿的AWG可以实现可靠的波分复用器件。目前已经有数家公司能够提供成熟的产品。

  ●廉价的具有自适应能力的光发射器件。国际、国内的许多公司及科研单位正在研发适于WDM-PON光器件。比较成熟的技术包括注入锁定激光器和反射型半导体放大器等。

  ●简单的、低成本的ONT端光源技术。目前可行的ONT光源技术或其替代方案为光环回技术和频谱分割光源。可以在OLT中使用EDFA解决光环回技术的功率预算问题,另外钳制的F-P激光器或集成放大器LED等宽带光源技术逐渐成熟将有望提供ONT宽带光源。

  WDM-PON系统面临的最大困难在于器件成本过高,目前大多数研究都是处于实验室的理论研究,但是在光接入网方面表现抢眼的韩国最近开始测试并少量试用WDM-PON系统。其最大运营商KT与一家新兴器件公司Novera于2005年开始合作进行50 000户、16波的WDM-PON实验。Novera的突破在于使局端设备不需要多个激光器从而降低了系统成本,可能使用了波长锁定和温度稳定AWG技术。同时该公司预测利用特殊的光学技术,有可能将每用户成本降低到目前EPON每用户成本2倍以下,随着使用量的增长价格还会降低。

  目前,WDM-PON技术还不稳定,但随着相关器件技术成熟和用户带宽需求增长,将推动业界和市场对WDM-PON技术的持续关注。

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