寬帶光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢

寬帶接入網(wǎng)發(fā)展的狀況和主要應(yīng)用
    事實(shí)上,從電信發(fā)展歷史看,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)達(dá)到一定規(guī)模。各種應(yīng)用會自然產(chǎn)生,這也是所謂的邁特卡夫定律的威力所在。歷史上沒有一種技術(shù)生來就帶著一大堆應(yīng)用的,無論是移動通信還是互聯(lián)網(wǎng),其短信、瀏覽、網(wǎng)上聊天等關(guān)鍵應(yīng)用都是在用戶規(guī)模發(fā)展到一定程度后自然產(chǎn)生的,而不是事先刻意設(shè)計(jì)策劃出來的?！?
進(jìn)入21世紀(jì)以來,全球?qū)拵Ы尤刖W(wǎng)進(jìn)入了大發(fā)展階段。到2004年底,總用戶數(shù)已經(jīng)達(dá)到1.5億,成為電信史上發(fā)展最快的電信業(yè)務(wù)之一,甚至比移動業(yè)務(wù)還快。例如全球移動業(yè)務(wù)從1000萬發(fā)展到1億花了5.5年,而寬帶接入業(yè)務(wù)僅用了3.5年。按照IDC的預(yù)測,2007年全球?qū)拵Э傆脩艨梢赃_(dá)到2.09億,其中9.9,即大約2000萬用戶為光纖接入網(wǎng)。 
    亞太地區(qū),特別是韓國和日本是寬帶接入發(fā)展最迅猛的國家,韓國寬帶用戶總數(shù)已經(jīng)突破1000萬,寬帶普及率居世界第一,占據(jù)家庭的7互聯(lián)網(wǎng)的90%。日本政府也通過各種措施大力推進(jìn)寬帶發(fā)展,計(jì)劃2005年將寬帶用戶總數(shù)提高到3000萬,其中FTTH達(dá)到1 000萬。美國依然是世界最大的寬帶接入市場,總用戶數(shù)超過3000萬。美國FOC將寬帶業(yè)務(wù)定位為2003—2008年的六大目標(biāo)之一,事實(shí)上寬帶接入正成為美國普遍服務(wù)的下一個目標(biāo)。美國寬帶接入是以電纜電視和ADSL為主發(fā)展的,由于電信管制政策鼓勵采用新技術(shù)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)(例如FCC規(guī)定運(yùn)營商建設(shè)光纖接入網(wǎng)可以不受限于本地環(huán)路的非捆綁政策)以及競爭和業(yè)務(wù)增長的壓力,近來主導(dǎo)運(yùn)營商對光纖到駐地(FTTP)的發(fā)展十分積極。 
    就光纖接入網(wǎng),特別是光纖到駐地(FTTP)或光纖到家(FTTH)而言,全球已經(jīng)開始進(jìn)入啟動階段,僅美國就有270個FTTP項(xiàng)目,多半是地方政府、公共公司、房地產(chǎn)開發(fā)商和非主導(dǎo)電信運(yùn)營商的項(xiàng)目。主導(dǎo)運(yùn)營商也開始進(jìn)入該領(lǐng)域,其中Verizon計(jì)劃2005年完成300萬FTTP;SBC在其龐大的“光速”計(jì)劃中計(jì)劃2007年達(dá)1800萬FTTN,每戶具備速率20-39Mb/s,提供端到端的三重業(yè)務(wù)捆綁(tripte play)業(yè)務(wù)。日本是世界上推進(jìn)FTTH最激進(jìn)的國家,2.004年其光纖就已經(jīng)通達(dá)1800萬多戶家庭,但是用戶發(fā)展滯后,大約為200萬,2005年計(jì)劃發(fā)展1000萬。歐洲比較穩(wěn)健保守,到2004年FTTH總共敷設(shè)了50萬,有167個小項(xiàng)目或試驗(yàn)項(xiàng)目在進(jìn)行。 
    我國寬帶接入網(wǎng)在近兩年發(fā)展也十分迅速,據(jù)初步統(tǒng)計(jì),到2004年底我國寬帶用戶為2500萬,成為僅次于美國的第二大寬帶接入市場,其中主導(dǎo)技術(shù)是ADSL,大約占70%左右,其次是以太網(wǎng)技術(shù),還有少量寬帶無線接入和電纜調(diào)制解調(diào)器接入,對于FTTH技術(shù)還處在跟蹤階段,少數(shù)發(fā)達(dá)城市也已經(jīng)在開始考慮和試驗(yàn)各種FTTHI技術(shù)。
從寬帶應(yīng)用看,按照美國麥肯錫公司的最新分析,初期的寬帶應(yīng)用主要是高速上網(wǎng),可以使上網(wǎng)的時(shí)間增加約30%。此后,隨著業(yè)務(wù)的大規(guī)模拓展,開發(fā)新的業(yè)務(wù)成為繼續(xù)發(fā)展的動力。據(jù)美國BHK公司在2004年的調(diào)查結(jié)果顯示,2003年美國前五名的寬帶消費(fèi)是網(wǎng)上賭博、成人節(jié)目、游戲、音樂下載和點(diǎn)播電視,具有明顯的向消費(fèi)類傾斜的趨勢。 
    需要指出,討論應(yīng)用驅(qū)動需要注意一個基本認(rèn)識上的誤區(qū),即不能寄希望于人為事先研究開發(fā)出一二項(xiàng)所謂“殺手锏應(yīng)用”,推廣應(yīng)用。事實(shí)上,從電信發(fā)展歷史看,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)達(dá)到一定規(guī)模,各種應(yīng)用會自然產(chǎn)生,這也是所謂的邁特卡夫定律的威力所在。歷史上沒有一種技術(shù)生來就帶著一大堆應(yīng)用的,無論是移動通信還是互聯(lián)網(wǎng),其短信、瀏覽、網(wǎng)上聊天等關(guān)鍵應(yīng)用都是在用戶規(guī)模發(fā)展到一定程度后自然產(chǎn)生的,而不是事先刻意設(shè)計(jì)策劃出來的。

寬帶光纖接入網(wǎng)的優(yōu)勢 
    隨著光纖在長途網(wǎng)、城域網(wǎng)乃至接入網(wǎng)主干段的大量應(yīng)用,邏輯的發(fā)展趨勢將是繼續(xù)向接入網(wǎng)的配線段和引入線部分延伸,關(guān)鍵是推進(jìn)速度有多快?這將取決于多種因素,包括市場的需求、競爭的需要、應(yīng)用的刺激、技術(shù)的進(jìn)步,成本的下降和配套運(yùn)維系統(tǒng)的開發(fā)等等。我國2008年舉辦奧運(yùn)會和2010年舉辦世界博覽會這兩大事件將在一定程度上會推進(jìn)寬帶光纖接入網(wǎng)的發(fā)展。 
    下面將主要從系統(tǒng)技術(shù)的角度來分析幾種主要的寬帶光纖接入技術(shù)的特征、問題和發(fā)展趨勢。當(dāng)然,除了系統(tǒng)技術(shù)外,影響其應(yīng)用的因素很多,主要是業(yè)務(wù)和應(yīng)用以及管制政策。此外,各種配套元器件技術(shù)和敷設(shè)安裝測試技術(shù)也十分關(guān)鍵。目前低成本光源已有望實(shí)現(xiàn),850nm的VCSEL僅數(shù)美元,1310nm的VOSEL已有突破,速率達(dá)10Gb/s。PLC混合集成技術(shù),高密度低成本光纜及相關(guān)技術(shù),對彎曲不敏感的室內(nèi)用光纖,低成本無源器件,施工安裝技術(shù),自動光操作測試系統(tǒng)等也都是影響光接入網(wǎng)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素,需要有妥善的解決方案。

點(diǎn)到點(diǎn)有源以太網(wǎng)系統(tǒng) 
    由于計(jì)費(fèi)、質(zhì)量、管理、安全等多種因素,以太網(wǎng)作為公用網(wǎng)接入方式尚需進(jìn)一步改進(jìn)。 
    傳統(tǒng)以太網(wǎng)屬于用戶駐地網(wǎng)(cPN)。然而其應(yīng)用卻在向包括接入網(wǎng)在內(nèi)的其他公用網(wǎng)領(lǐng)域擴(kuò)展。歷史上,對于企事業(yè)用戶應(yīng)用環(huán)境,以太網(wǎng)技術(shù)一直是最流行的方法,目前已成為僅決于供電插口的第二大住宅和辦公室公用設(shè)施接口。采用以太網(wǎng)作為企事業(yè)用戶接入手段的主要原因是已有巨大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和長期的經(jīng)驗(yàn)知識、目前所有流行的操作系統(tǒng)和應(yīng)用也都是與以太網(wǎng)兼容的、性能價(jià)格比好、可擴(kuò)展性、容易安裝開通以及高可靠性等。
對于公用網(wǎng)住宅用戶應(yīng)用環(huán)境,點(diǎn)到點(diǎn)有源以太網(wǎng)系統(tǒng)采用有源業(yè)務(wù)集中點(diǎn)來替代無源點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng)的無源器件,使傳輸距離可以擴(kuò)展到1 20公里之遠(yuǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)是專用接入,帶寬有保證,每用戶可以獨(dú)享100Mb/s乃至1dbs;局端設(shè)備簡單便宜;傳輸距離長,服務(wù)區(qū)域大;成本隨用戶數(shù)的實(shí)際增長而線性增加,無需規(guī)劃,投資風(fēng)險(xiǎn)低,因而在低密度用戶分散地區(qū)成本較低。缺點(diǎn)是兩端設(shè)備和光纖設(shè)施專用,用戶不能共享局端設(shè)備和光纖,當(dāng)需求快速增長且用戶很密集時(shí),光纖和兩端設(shè)備數(shù)量及其成本以及空間需求也隨之迅速增加,因而不太適合高密集用戶區(qū)域。影響選擇以太網(wǎng)技術(shù)的另一個因素是傳統(tǒng)視頻業(yè)務(wù)的提供方式,例如美國地方貝爾公司都承諾提供傳統(tǒng)模擬RF視頻節(jié)目,而以太網(wǎng)和模擬視頻節(jié)目的混合是很困難的。這方面PON技術(shù)就比較容易。 
    由于計(jì)費(fèi)、質(zhì)量、管理、安全等多種因素,以太網(wǎng)作為公用網(wǎng)接入方式尚需進(jìn)一步改進(jìn)。主要是以太網(wǎng)技術(shù)的固有機(jī)制不提供端到端的包延時(shí)、包丟失率、帶寬控制,難以支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量,缺乏安全機(jī)制保證等。

點(diǎn)到多點(diǎn)無源,光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 
    隨著IP的崛起和發(fā)展,有人提出了EPON的概念,這一思想在以太網(wǎng)界獲得到了積極響應(yīng),在IEEE 802.3ah的旗幟下已經(jīng)形成了GEPON標(biāo)準(zhǔn)?！?

    1.無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 
    無源光網(wǎng)絡(luò)(PoN)是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò),其主要特點(diǎn)是在接入網(wǎng)中去掉了有源設(shè)備,從而避免了電磁干擾和雷電影響,減少了線路和外部設(shè)備的故障率,降低了相應(yīng)的運(yùn)維成本。其次,PON的業(yè)務(wù)透明性較好,帶寬寬,可適用于任何制式和速率的信號,能比較經(jīng)濟(jì)地支持模擬廣播電視業(yè)務(wù),具備三重業(yè)務(wù)功能(triple—play)。最后,由于其局端設(shè)備和光纖由用戶共享,因而線路成本較其他點(diǎn)到點(diǎn)通信方式要低,土建成本也可以明顯降低。特別是隨著光纖向用戶日益推進(jìn),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(shù)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,考慮采用PON技術(shù)后比較容易繼續(xù)提供傳統(tǒng)的模擬視頻節(jié)目,因而,多數(shù)美國地方貝爾公司傾向于PON技術(shù),而不是光以太網(wǎng)技術(shù)。
PON的主要缺點(diǎn)是一次性投入成本較高,因?yàn)榫侄斯饩€路終端OLT很貴,光纖和分路器等無源基礎(chǔ)設(shè)施又必須一次到位,這樣當(dāng)用戶數(shù)較少或用戶分布超過某一限定距離時(shí),每用戶的成本很高。另外,其樹型分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用戶不具備保護(hù)功能或保護(hù)功能成本較高,影響了大規(guī)模發(fā)展。

    2.APON和BPON 
    早期的窄帶無源光網(wǎng)絡(luò)是基于TDM的,性能價(jià)格比不好,已經(jīng)自然消亡。一個ATM化的無源光網(wǎng)絡(luò)(APON/BPON)可以利用ATM的集中和統(tǒng)計(jì)復(fù)用,再結(jié)合無源分路器對光纖和光線路終端的共享作用,使性能價(jià)格比有重要改進(jìn),目前在美國和日本等國已經(jīng)開始商用。
然而,目前實(shí)際APON/BPON的業(yè)務(wù)適配提供很復(fù)雜,業(yè)務(wù)提供能力有限,數(shù)據(jù)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,從長遠(yuǎn)的業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢看,APON的可用帶寬仍然不夠。以FTTC為例,盡管典型主干下行速率可達(dá)622Mb/s,但由于分路后,實(shí)際可分到每個用戶的帶寬將大大減小。按32路計(jì)算,每一個分支的可用帶寬僅剩19.SMb/s,再按10個用戶共享,則每個用戶僅能分得約2Mb/s的帶寬而已。顯然,這樣的性能價(jià)格比是無法滿足網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的長遠(yuǎn)發(fā)展需要的。

    3.EPON/GEPON 
    隨著IP的崛起和發(fā)展,有人提出了EPON的概念,即在與APON和BPON類似的結(jié)構(gòu)和O.983的基礎(chǔ)上,設(shè)法保留其精華部分—物理層PON;而以以太網(wǎng)代替ATM作為鏈路層協(xié)議,構(gòu)成一個可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業(yè)務(wù)能力的新的結(jié)合體-EPON。這一思想在以太網(wǎng)界獲得到了積極響應(yīng),在IEEE802。3ah的旗幟下已經(jīng)形成了GEPON標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際中,EPON和GEPON的基本差別就是標(biāo)準(zhǔn)化,前者往往指非標(biāo)設(shè)備,后者指符合IEEE 802.3ah,規(guī)范的設(shè)備。另外,GEPON的傳輸距離和分路比均比EPON有所減小。 
    EPON/GEPON與傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)以太網(wǎng)主要不同處在于工作于點(diǎn)到多點(diǎn)通信方式。其下行方向工作于TDM方式,數(shù)據(jù)流以變長以太幀方式廣播到ONU,每個ONU根據(jù)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(shí)隙的ONU數(shù)據(jù)流匯聚到公共光纖設(shè)施和OLT。此外,傳統(tǒng)以太網(wǎng)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(shí)和判決容易實(shí)現(xiàn)。而EPON/GEPOkI的ONU上行比特流是輪流發(fā)送的突發(fā)數(shù)據(jù)包,OLT的接收定時(shí)恢復(fù)、判決門限設(shè)置、測距和延時(shí)補(bǔ)償比較復(fù)雜。 
    從EPON/GEPON的結(jié)構(gòu)上看,其關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是極大地簡化了傳統(tǒng)的多層重迭網(wǎng)結(jié)構(gòu),主要特點(diǎn)有: 
    ——消除了ATM和SDH層,從而降低了初始成本和運(yùn)行成本; ——下行業(yè)務(wù)速率高達(dá)1Gb/s,允許支持更多用戶,每一用戶的帶寬可以更高,并能提供視頻業(yè)務(wù)能力和較好的QOS 
    ——硬件簡單,無須室外電子設(shè)備,使安裝部署工作得以簡化; 
    ——可以大量采用以太網(wǎng)技術(shù)成熟的芯片,實(shí)現(xiàn)較簡單,成本低 
    ——改進(jìn)了電路的靈活指配和業(yè)務(wù)的提供和重配置能力。 
    IEEE 802.3ah規(guī)范的GEPON技術(shù)的規(guī)范性好,上下行波長是1310和1490nm,上下行速率為1.25Gb/s,傳輸距離是10/20km,分路比是16,主要業(yè)務(wù)是數(shù)據(jù)和語聲,增加一個1550nm電視廣播波長后,成為語聲、數(shù)據(jù)和電視三合一的“triple—play”寬帶業(yè)務(wù)捆綁服務(wù),而這將是未來家庭業(yè)務(wù)的“殺手锏應(yīng)用”。 
    EPON/GEPON的主要缺點(diǎn)是效率低和難以支持以太網(wǎng)以外的業(yè)務(wù)。前者是由于采用8B/10B的線路編碼,引入20%的帶寬損失,再加上其他開銷,可用負(fù)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。再加上承載層效率、傳輸匯聚層效率、業(yè)務(wù)適配效率等原因,使EPON/GEPON總的傳輸效率很低,大約僅為GPON的半。

4.GPON 
    2001年,在IEEE積極制定EPON標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),FSAN組織開始發(fā)起制定速率超過1Gb/s的PON網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)一千兆以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(GPON),隨后,ITU-T也介入了這一新標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并于2003年1丹通過兩個有關(guān)GPON的新的標(biāo)準(zhǔn)G.984.1和G.984.2(速率提高到2.5Gb/s)。按照這一最新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,GPON可以提供1.244和2.488Gb/s的下行速率和所有標(biāo)準(zhǔn)的上行速率;傳輸距離至少達(dá)20公里,具有高速高效傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。而且,GPON采用了兩種封裝方式,除了傳統(tǒng)的ATM外,還在傳輸匯聚層采用了一個全新的基于sDH的標(biāo)準(zhǔn)通用組幀程序GFP,這是一種可以透明地高效地 
    將各種數(shù)據(jù)信號封裝進(jìn)現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡(luò)的通用標(biāo)準(zhǔn)信號適配映射技術(shù),可以適應(yīng)任何用戶信號格式和任何傳輸網(wǎng)絡(luò)制式,即可以按固有格式傳送語音、數(shù)據(jù)和視頻信號,無需附加ATM或P封裝層,全面體現(xiàn)了業(yè)務(wù)提供商對業(yè)務(wù)提供的靈活要求,而APON/BPON和EPON/GEPON對每種特定業(yè)務(wù)都需要提供特定的適配方法。由于采用GFP映射,GPON的傳輸匯聚層本質(zhì)上是同步的,使GPON可以支持端到端的定時(shí)和其他準(zhǔn)同步業(yè)務(wù),特別是可以直接高質(zhì)量地靈活地支持TDM業(yè)務(wù)。 
    從技術(shù)角度,GPON是BPON的繼承和發(fā)展。GPON繼承了BPON的很多基本特點(diǎn),例如兩者都使用同樣的OLT核,心技術(shù),使用同樣的物理光纖設(shè)施和光功率預(yù)算等。另一方面,GPON采用了一些最新的技術(shù)成果,除了最重要的GFP封裝外,還包括前向糾錯等新技術(shù)。 
    從提供的業(yè)務(wù)看,GPON不僅可以提供10/100Mb/s,1Gb/s的業(yè)務(wù),而且可以提供VLAN業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù),事實(shí)上可以適應(yīng)任何觀有業(yè)務(wù)和未來新業(yè)務(wù)的適配要求。總的看,GPON不是制造商驅(qū)動的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),而是一種運(yùn)營商驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn),因此具有更周到的運(yùn)營利益考慮,速率更高,可達(dá)2.4Gb/s;具有通用的映射格式,可適應(yīng)任何新老業(yè)務(wù);具有豐富的OAM&P功能;對各種業(yè)務(wù)均有很高的傳輸效率,即便對于TDM業(yè)務(wù)也能靈活高效低開銷傳送?？梢詭椭\(yùn)營商完成從傳統(tǒng)TDM語音電路向全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡,其缺點(diǎn)是依然保留有復(fù)雜的ATM層功能,成本偏高。 
    由于三種PON的主要成本(約70%)都是光接口,因而其硬件成本理應(yīng)相差不多,但是由于實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的差別,目前GEPON的難度最小,成本最低。但就傳輸效率而言,則GPON無論在擾碼效率、傳輸匯聚層效率、承載協(xié)議效率和業(yè)務(wù)適配效率方面都是最高的,因此其總效率最高。例如假設(shè)TDM業(yè)務(wù)占10%,而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占90%,則GPON的總效率為94%,而APON和GEPON分別為72%和49%。 
    GPON和EPON/GEPON面臨的共同挑戰(zhàn)有:怎樣才能在Ethemet,/GFP上有玖承載TDM業(yè)務(wù)并能提供電信級的服務(wù)質(zhì)量;其次,由于GPON和EPON/GEPON是點(diǎn)對多點(diǎn)的星形或樹形網(wǎng)絡(luò),需要通過一個1+1并經(jīng)過不同路由的光網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電信級的保護(hù)恢復(fù)要求,網(wǎng)絡(luò)成本將非常高;第三,目前GPON和EPON/GEPON設(shè)備成本主要受限于突發(fā)光發(fā)送/接收模塊以及核,心的控制模塊/芯片。這些模塊要么是技術(shù)不成熟無法商用,要么是價(jià)格昂貴還難以適應(yīng)市場需要;第四,GPON和EPON/GEPON的一次性投入成本較高,不太適合逐步投資擴(kuò)容的傳統(tǒng)電信建設(shè)模式,最適合完全新建或改建的密集用戶區(qū)域。

結(jié)束語 
    總的來看,光纖接入網(wǎng)代表了寬帶接入網(wǎng)的長遠(yuǎn)發(fā)展方向,各種寬帶光纖接入網(wǎng)都有其最佳使用場合和時(shí)機(jī),寬帶點(diǎn)到點(diǎn)有源以太網(wǎng)光纖系統(tǒng)適合在低密度用戶分散地區(qū)應(yīng)用,寬帶點(diǎn)到多點(diǎn)無源光纖系統(tǒng)最適合新建或改建的密集用戶區(qū)應(yīng)用。我國的發(fā)展趨勢將可能跨越APON、BPON和EPON階段,從寬帶點(diǎn)到點(diǎn)以太網(wǎng)光纖系統(tǒng)和GEPON開始,乃至較快地過渡到GPON階段。