光接入网技术研究 [复制链接]

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发表于 2004-12-10 12:36:00 |显示全部楼层

罗　娟1，卢　桦2，曹　阳1，尹建华1

 (1.武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072；2.烽火网络有限责任企业，湖北武汉430074)

　　摘　要：文章先容了宽带光纤接入网系统和其中的几种主流接入方式，并详细比较了几种接入技术在应用上的优缺点，最后给出了建议和展望.

　　关键词：接入网；有源光网络；无源光网络

　　光接入网(OAN)从技术上可分为两大类：有源光网络(AON)和无源光网络(PON).AON又可分为基于SDH的AON和基于PDH的AON.PON又可分为基于ATM的PON(APON)以及基于以太网的PON(EPON ).

　　1　宽带OAN系统

　　1.1　基于SDH系统的AON

　　随着骨干网传输容量不断增大，传输网的接入方式也越来越多样化.从技术上来看，接入层的相对带宽需求较小，需要提供IP、TDM和ATM等综合业务传送.以SDH为基础并能够提供IP、ATM传送与处理的系统将是解决接入层传送的主要方法，这种方式可低价地在一个业务提供点（POP）上提供高质量专线、ATM、IP 等业务的接入、传送和保护.

　　在接入网中应用SDH的主要优势在于：SDH可以提供理想的网络性能和业务可靠性；SDH的固有灵活性使得在发展极其迅速的蜂窝通信系统中采用SDH系统尤其适合.当然, 考虑到接入网对成本的高度敏感性和运行环境的恶劣性,适用于接入网的SDH设备必须是高度紧凑、低功耗和低成本的新型系统.

　　接入网用SDH的最新发展趋势是支撑IP接入，目前至少需要支撑以太网接口的映射，于是除了携带话音业务量以外，可以利用部分SDH净负荷来传送IP业务，从而使SDH也能支撑IP的接入.支撑的方式有多种，除了现有的点到点通信协议(PPP)方式外，还有在SDH上的链路接入规程(LAPS)和通用成帧规程(GFP)等方式.

　　Ethernet over SDH系统实现了一个IP数据包多交换光广域网，它本质上采用的是无连接网络机制，内在的全网状连接提供适合于分布式通信的无连接网络机制，为业务提供者节省大量的光带宽.Ethernet over SDH将以太网的二层交换灵活性和资源优化能力与现有的SDH光网络的大容量、高带宽效率和低协议开销相结合，从而得到一种高速、经济的数据接入解决方案.Ethernet over SDH 系统的帧映射过程采用的是LAPS协议帧，而不是PPP帧.它首先将以太网的MAC帧封装成LAPS协议帧，然后将LAPS协议帧映射到SDH帧中.Ethernet over SDH技术克服了传统SDH在数据传送上的局限性，为SDH的接入开拓了新天地.

　　1.2　PON

　　PON是一种纯介质网络，它能避免外部设备的电磁干扰和雷影片响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，同时可节省维护成本，是电信维护部门长期期待的技术.PON的业务透明性较好，原则上可适用于任何制式和速率的信号.特别是APON可以通过利用ATM的集中和统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使成本可望比传统的以电路交换为基础的PDH/SDH接入系统低20%～40%.

　　APON的业务开发是分阶段实施的，初期主要是VP专线业务.相对普通专线业务，APON提供的 VP专线业务设备成本低、体积小、省电、系统可靠稳定且性价比有一定优势.第2步实现一次群和二次群电路仿真业务，提供企业内部网的连接和企业电话和数据业务.第3步实现以太网接口，提供互联网上网业务和VLAN业务.以后再逐步扩展至其他业务，成为名符其实的全业务接入网系统.APON能否大量应用的一个重要因素是价格.目前APON产品的业务供给能力有限，成本过高，其市场前景由于ATM在全球范围的受挫而不确定，但其技术优势是明显的.特别是综合考虑运行维护成本，则在新建地区，高度竞争的地区或需要替代旧铜缆系统的地区，此时敷设PON系统，无论是光纤到路边(FTTC),还是光纤到大楼(FTTB)方式都是一种有远见的选择.

　　1.3　EPON

　　EPON是几种最佳的技术和网络结构的结合.EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网上提供多种业务.目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，从而成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法.10Gbit/s以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后一公里的解决方案.

　　在一个EPON中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络.在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU)与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，在协议的第二层，EPON采用成熟的全双工以太技术，使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需CDMA/CD，从而充分利用带宽.另外，EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON类似的QoS.

　　2　几种光接入方式

　　2.1　光纤分布网络(FDN)

　　FDN分为有源光纤网络和无源光纤网络.

　　无源光纤网络与有源光纤网络之间的区别在于它以一对光无源分路器取代了有源光纤网络中的远端光纤设备(ROLT).从而两者采用的传输协议也各不相同,有源光纤网络采用PDH或SDH传输协议，而无源光纤网络则必须采用TDMA或TCM方式.因此，无源光纤网络的传输距离及容量必然受到一定限制.另外，有源光纤网络还有技术简单、易于实现和组网能力强的特点.无源光纤网络的优越性在于不需要机房，降低了维护的工作量与费用.

　　2.2　光纤同轴混合网络(HFC)

　　HFC网是从有线电视(CATV)发展起来的.它可以提供CATV业务以及话音、数据和其他交互型业务.HFC网是一种以模拟频分复用技术为基础,综合应用模拟和数字传输技术、光纤和同轴电缆技术及射频技术的高度分布式智能宽带用户接入网络,是CATV和电话网结合的产物.HFC网络的覆盖范围可达100 km,而且传输信号的衰减小，噪声低,是理想的CATV 网络传输技术 .

　　HFC的典型结构采用光缆作为CATV的干线传输网络,以有线电视台前端为中心星形或环形分布,一直延伸到城市内居民区和办公小区以及郊区的县乡村,形成许多的光节点.从光节点开始,通过传统的同轴电缆将有线电视信号送到最终用户.

　　这种方式可充分利用CATV原有网络，建网快，造价低；同时由于同轴电缆的带宽较大，可作为宽带综合业务的接入平台.HFC是一种为有线电视运营机构所看好的技术.

　　2.3　光网络单元(ONU)

　　根据ONU在OAN中所处位置的不同，OAN又可分为FTTC、FTTB、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型.

　　在FTTC结构中，ONU设置在路边或电线杆的分线盒边.从ONU到各个用户之间采用双绞线铜缆;如传送宽带图象业务,则采用同轴电缆.FTTC的主要特点之一是引入线部分仍可采用现有的铜缆设施，可以推迟引入部分的光纤投资.从目前来看,FTTC在提供2 Mbit/s以下窄带业务时是OAN中最现实、最经济的方案.但如需提供窄带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想.

　　在FTTB结构中,ONU被直接放到楼内,再经多对双绞线分送各用户.FTTB与FTTC相比，光纤化程度进一步提高，因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区.

　　FTTO和FTTH结构均在路边设置无源光分路器，并将ONU移至用户的办公室或家中，是真正全透明的光纤网络.它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束，是OAN发展的理想模式和长远目标.

　　3　接入技术应用及比较

　　宽带接入网的建设起点是目前困扰电信运营商的主要问题之一,宽带化是发展方向,这是业界的共识，但从何着手?如何保证有效的投资回报率？这其中有许多值得探讨的地方.

　　虽然近几年数据业务的增长速率达到了40%，比话音年增长率10%的速率要高许多,但其实际的业务量占整个通信量的比率还是较低的，约为3%.从全国范围来看,地区的差异还是很大的，甚至一个城市内部的区域也存在着较大的发展不平衡，而且各个点发展也是不均衡的.所以在宽带数据接入网的规划和建设时，不能沿用固定的一种模式，而要根据实际情况采用相应的解决方案，同时又要充分考虑系统的可扩展性.当前在应用中有这样的倾向：IP担当骨干层的传输，如IP over SDH、IP over DWDM以及IP over Optical等,下一代的IP网络将是可以支撑全业务的网络.

　　随着近几年OAN的快速发展,已逐步实现了FTTC和FTTB,全光网络当然是最终的趋势.但在现阶段,FTTH还不现实,连接用户的最后几百米,也就是入户段的技术也是精彩纷呈.主要依据的传送媒质有:基于双绞线的xDSL技术、基于铜轴线的HFC技术、无线技术、光纤的APON/EPON技术以及以太网技术等.这5种主要技术各有其技术特点,同时也就决定了它们各自的应用场合.

　　3.1　xDSL

　　数字用户线（DSL）是基于普通电话线的宽带接入技术，它在同一对铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换设备，从而减轻了电话交换机的负担；而且无需拨号，一直在线，属于专线上网方式，因此使用DSL上网并不需要缴付额外的电话费.

　　xDSL中的“x”代表各种数字用户线技术，如非对称数字用户线（ADSL）、高速数字用户线（HDSL）和高速不对称数字用户线（VDSL）等.它们的主要区别在于上下行链路的对称性以及传输速率和有效距离有所不同.

　　ADSL是目前众多DSL技术中较为成熟的一种，其优点是带宽较大、连接简单和投资较小，因此发展很快.HDSL是利用两对或三对铜双绞线，为用户提供PDH一次群速率的双工数字连接.

　　VDSL是速率更高的ADSL，也有人称其为宽带数字用户线（BDSL）.VDSL系统一般用于光纤接入网中的最后一段入户连接，其传输距离只有100 m（155 Mbit/s时）到1 km（13 Mbit/s时），它的下行传输速率可达13、26、52 Mbit/s甚至155 Mbit/s.采用VDSL技术和以太网技术相结合的方案，可以解决IP接入方案的问题，用户不必重新布放高成本的5类双绞线，仅仅通过VDSL终端适配器，就可以接上Internet，通过普通电话线就可以传输高速以太网信号，而且也不用担心转向IP化接入会带来的问题.

　　3.2　HFC

　　Cable Modem是近几年发展起来的，主要用于有线电视网数据传输.目前大多数新建的有线电视网都采用HFC网络，其巨大的带宽和相对经济性使其对有线电视企业和新成立的电信公司很具吸引力.由于Cable Modem是作为一种在HFC网上提供数据业务的设备，因此它通常等同于HFC宽带接入技术.

　　对于HFC网上的Cable Modem，由于采用无连接技术，用户的PC机可以一直保持在线状态，无需拨号过程，且不占用电话.但从传统的有线电视网升级到HFC有很大的改造难度.首先，频带资源显然不足；其次，传统有线电视网上采用的都是单向放大器和相关设备，需要全部更换才能满足HFC的要求；再次，HFC接入方案采用分层树形结构，这种技术本身是一个共享型网络，这就意味着用户要和邻近用户分享带宽，所以HFC的理论传输速率也会受到影响.

　　HFC由于存在双向改造和漏斗效应,在用户相对集中且每光节点用户量在200户左右时是较佳的方案.

　　3.3　无线接入

　　无线通信技术有其灵活方便的特点，广泛应用于通信网的各个领域.

　　无线局域网利用无线射频(RF）技术在空中传输数据、话音和视频信号.作为传统布线网络的一种替代方案或延伸，无线局域网将企业和个人从办公桌边解放了出来，使他们可以随时随地获取信息.因此，无线局域网可以为各类企业以及他们的移动办公的员工带来很多好处.它的主要特点是：移动性、灵活性和易用性，并且具有合理的价格.至于安全方面的考虑，由于有最早是作为军事应用的这一背景，无线局域网通常内置的安全监测特性使其比大多数布线局域网都要安全得多.依靠复杂的加密技术，可以使非法的接收者截听无线局域网的流量信号异常困难.

　　无线局域网行业的发展现在已经到了一个关键的阶段.大家已经非常清楚地认识到，统一的无线系统（即可以混传语音、视频和数据的平台）将在今后20年内在信息访问方面占据主导地位.随着企业对高速、稳定且不间断的信息访问方式的需求日益急切，无线局域网厂商们正在考虑在具备大众吸引力的价位上提供创新且技术完善的解决方案.

　　3.4　光纤接入

　　光纤接入技术与其他接入技术相比，最大优势在于可用带宽宽，而且还有巨大潜力可以开发，在这方面其他接入技术根本无法与其相比.光纤接入网还有传输质量好、传输距离长、抗干扰能力强、网络可靠性高和节约管道资源等特点.另外，SDH和APON设备的标准化程度都比较高，有利于降低生产和运行维护成本.

　　当然，与其他接入技术相比，光纤接入网也存在一定的劣势.最大的问题是成本还比较高，尤其是光节点离用户越近，每个用户分摊的接入设备成本就越高.另外，与无线接入相比，光纤接入网还需要管道资源.这也是很多新兴运营商看好光纤接入技术，但又不得不选择无线接入技术的原因.

　　3.5　以太网

　　以太网技术对于企事业用户一直是最流行的接入方法，主要原因是已具备强大的网络基础和丰富的经验，而且目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的.由于以太网的帧格式和IP数据格式是一致的，用以太网传输IP数据业务，中间不需任何格式转换，因此以太网接入能够与IP网实现无缝结合，而且还具有优良的可扩展性.

　　由于性价比高、可扩展性强、容易安装开通以及可靠性高等，使宽带以太网接入技术成为新兴运营商的首选方案之一.然而，由于计费、管理以及有源器件多等因素，以太网作为居民用户的接入方式目前正在大力推广阶段，但随着城市智能化小区的建设，以太网接入也不失为一种较为理想的方案.

　　4　总结与展望

　　接入网的共同趋势都是逐渐将光纤化推向用户.FTTC将逐渐向FTTH发展,而HFC将逐渐从较大的节点向较小的节点发展,然后逐渐将光纤推进至分支点(FTTT)甚至实现FTTH.光纤到户后,就消除了FTTC中的金属引入线和HFC中的同轴电缆,避免了金属腐蚀等问题,接入网的瓶颈也随之消失.然而光纤到户将是一个漫长的过程,需要投入大量的资金和人力.因此多采用混合接入模式,例如HFC，将FTTC与VDSL技术相结合提供了光纤敷设成本、电子设备成本和提供的带宽能力方面的最佳平衡,也是一种比较现实、理想的宽带混合接入方案.

　　总之,随着接入网业务的不断增多，所需的网络带宽将会越来越宽,交互性越来越强,接入网的宽带化将是不可避免的趋势.接入网市场将会成为未来几年信息产业中最炙手可热的市场之一,人们的生活也将因之而改变.

　　参考文献 

　　［1］李效军.光接入网的现状与发展 [J].电子器件，1999(1):16-21.

　　［2］纪艳苹.光纤接入网在北京郊区的应用 [J].电信科技，2000(8):16-20.

　　［3］邬贺铨.宽带接入网 [J].中国数据通信，2002(1):1-5.

　　［4］何敬锁.有线接入网的主要技术比较及发展状况 [J].中国有线电视，2002(1):21 -23. 　

(摘自光通信研究)

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