宽带光纤接入网及其发展展望

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1 宽带接入网发展现状
    进入21世纪以来，全球宽带接入网进入了大发展阶段。到2004年一季度，宽带用户数已经超过1.12亿，其中亚太地区，特别是韩国和日本是发展最迅猛的国家，这与其政府的大力推动政策密不可分。韩国在2002年就达到了DSL大众用户市场的标准，即20%的电话线开通了DSL业务。经过了3年的大发展，宽带用户总数突破1 000万，宽带普及率达世界第一，宽带用户数占家庭数的70%，互联网用户的90%。


    日本政府通过各种措施大力推进宽带发展，目前宽带用户总数为1 500万，其中光纤到家(FTTH)用户数达120万，计划到2005年将宽带用户总数提高到3 000万，其中FTTH用户数达到1 000万。美国依然是世界最大的宽带接入市场，总用户数超过2 740万。美国FCC将宽带业务定位为2003—2008年的六大目标之一，计划制订一系列政策为其发展提供投资和创新环境，使所有美国公民都能获得宽带接入。美国宽带接入是以电缆电视和ADSL为主发展的，近来光纤到驻地(FTTP)也引起运营商的兴趣，成为近期FTTP的主要驱动力，传统电信企业中的Verizon企业态度最积极，计划在2004年敷设100万户。总体看，FTTH已经开始进入初期发展阶段。按照IDC的预测，2007年全球宽带总用户可以达到2.09亿，其中9.9%，即大约2 000万用户采用光纤接入。


    中国宽带接入网近两年发展十分迅速，据统计，到2003年底中国宽带上网用户为1 740万，宽带注册用户为1 010万。2001年到2003年，中国互联网宽带用户从200万增加到1 740万，年均增长率为385%。宽带用户增长率是上网用户增长率的5.7倍，说明中国宽带用户的发展进入高速增长期。


    从宽带应用看，按照美国麦肯锡企业的最新分析，初期的宽带应用主要是高速上网，可以使上网的时间增加约30%。此后，随着业务的大规模拓展，开发新的业务成为继续发展的动力。据美国RHK企业2004年1季度的调查结果显示，2003年美国前5名的宽带消费是网上赌博、成人节目、游戏、音乐下载和点播电视，具有明显的向消费类业务倾斜的趋势。韩国宽带应用的成功主要有两大因素：因素之一为政府的大力支撑，包括政策推进，政府资金的支撑，拨出15亿美金资助运营商建网，10亿美金低息贷款鼓励建网，开发200美金低价电脑扶贫以及开放健康的市场竞争环境；因素之二是丰富的在线应用和内容，教育与游戏结合形成的应用突破，使网民人均上网时间从每月17小时提高到44小时。


    需要指出，讨论应用驱动需要注意一个基本认识上的误区，即不能寄希翼于人为事先研究开发出一二项所谓“杀手锏应用”来推动应用。事实上，从电信发展历史看，当用户数达到一定规模后，各种应用会自然产生，也就是说遵循迈特卡夫定律。历史上没有一种技术生来就带着一大堆应用，无论是移动通信还是互联网，其短信、浏览、网上聊天等关键应用都是在用户规模发展到一定程度后自然产生的，而不是事先设计策划出来的。


2 宽带光纤接入网的优势
    宽带接入网的技术实现手段有多种，包括铜线上的DSL和以太网技术，同轴电缆上的HFC技术，光纤上的各种有源和无源技术和无线上的宽带接入技术等。当前各种宽带接入技术都在发展和应用，就世界范围看，固网电信企业是以ADSL为主发展的，据ATM论坛统计，2004年1季度全球已有7 340万ADSL宽带用户，其他宽带接入技术的量都不是很大。


    目前的ADSL技术是建立在铜线基础上的宽带接入技术，铜是世界性战略资源，随着国际铜缆价格持续攀升，以铜缆为基础的xDSL的线路成本越来越高；其次，作为有源设备，电磁干扰难以避免，维护成本越来越高。最后，随着全网的光纤化进程继续向用户侧延伸，端到端宽带连接的限制越来越集中在接入段。目前ADSL的上行1 Mb/s和下行8 Mb/s的连接速率无法满足高端用户的长远需求。尽管ADSL2和ADSL2+技术有望缓解这一压力，但速率和传输距离要想继续大幅度提高受到限制，不能指望有本质性突破。


    随着光纤在长途网、城域网乃至接入网主干段的大量应用，发展趋势将是继续向接入网的配线段和引入线部分延伸。推进速度有多快取决于多种因素，包括市场的需求、竞争的需要、应用的刺激、技术的进步、成本的下降和配套运维系统的开发等等。中国2008年举办奥林匹克运动会和2010年举办世界博览会这两大事件将在一定程度上推进宽带光纤接入网的发展。


3 点到点有源光纤接入网

3.1 宽带数字环路载波系统
    光纤接入网可以粗分为有源和无源两类，所谓的有源光接入网以前主要指第二代数字环路载波系统，即综合的数字环路载波系统(IDLC)。随着宽带业务的发展，DLC也在改进，以支撑DSL等宽带接入业务，构筑统一的宽、窄带综合接入平台，支撑向光纤到路边/光纤到家(FTTC/FTTH)的演进，国际上将其看作第三代数字环路载波系统或宽带数字环路载波系统(B-DLC)。其中又分为两种，一种是在原有IDLC基础上加宽带背板总线，支撑独立DSL接入；另一种是新设计的系统，所有用户接口都是POTS加DSL，而成本几乎没有明显变化，设备往往还集成了IP语音(VoIP)媒体网关，具有H.248控制协议和信令，可以由软交换直接控制，适合网络从传统电话网端局向软交换统一控制的宽带网过渡。


    传统DLC由于低用户密度区ADSL接入复用器(DSLAM)敷设缺位或DSL的传输距离和速率限制，只能支撑大约50%的用户。而B-DLC可以增加DSL的可用性，允许在所有有业务需求的地区都按需提供DSL业务。B-DLC是推动接入网在灵活点(交接箱处)融合的理想平台，可以按需以用户线为基础逐步实现向软交换的平滑过渡。这种技术在较低DSL密度下是比较经济的解决方案，密度转折点约为25%。对于大规模高密度DSL敷设，则DSLAM是理想的解决方案。然而，这种技术作为有源设备无法完全摆脱电磁干扰、雷影片响以及有源设备固有的维护问题，尽管会有发展，但不是接入网的最终解决方案。

3.2 点到点SDH/MSTP系统
    在接入网中应用SDH的主要优势在于可以提供理想的网络性能和业务可靠性。SDH的发展趋势是支撑以太网等业务接口的映射，逐渐发展成为多业务传送平台(MSTP)。基本思路是将多种不同业务直接或经过处理后再通过虚电路(VC)级联等方式映射进不同的SDH时隙，将SDH设备与二层乃至三层分组设备在物理上集成为一个实体，构成业务层和传送层一体化的SDH多业务节点，定位于网络的边缘。具体实施时相当于将SDH复用器、数字交叉连接器(DXC)、波分复用(WDM)终端、二层交换机乃至IP边缘路由器等多个独立的设备集成为一个MSTP网络设备，统一控制和管理。当然，这种融合不是一步到位的，随着业务的发展和技术的进展，近期可以先实现物理融合，再逐渐走向完全的功能融合，成为名副其实的融合节点。特别是集成了VC级联、通用组帧程序(GFP)、链路容量调整(LCAS)3种标准功能的新一代MSTP，不仅能增强自身灵活有效支撑数据业务的能力，而且可以将核心智能光网络的智能扩展到网络边缘，增强整个网络的智能范围和效率。


    MSTP的最新发展是将具有很好汇聚特性和优化的数据接入能力的弹性分组环(RPR)功能集成进来，较适合于城域网的接入层应用，特别是以太网业务带宽需求占绝对优势的场合。然而，由于RPR没有跨环标准，独立组大网的能力较弱。利用与MPLS相结合的方法可以使跨环业务流配置成同一个MPLS标记交换通道，从而实现多个RPR环业务的互通和端到端业务调度。利用MPLS还能提供基于全网的流量工程，实现空间重用和带宽保证，提供有QoS保证的端到端业务连接，加强支撑数据灵活联网的能力，应用范围则可以扩展到网状网等复杂拓扑的组网情况。但这种方案基于同步工作，抖动要求严，设备成本较高，而且灵活生成业务的能力不足，主要适用于局间或大企事业用户的点到点通信。

3.3 点到点有源以太网系统
    传统以太网技术不属于接入网范畴，而属于用户驻地网(CPN)领域。然而其应用却正在向包括接入网在内的其他公用网领域扩展。对于企事业用户应用环境，以太网技术一直是最流行的技术，目前已成为仅次于电源插口的第二大住宅和办公室公用设施接口。采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验常识，目前所有流行的操作系统和应用都与以太网兼容，性能价格比好，可扩展，容易安装开通以及具有高可靠性。


    对于公用网住宅用户应用环境，点到点有源以太网系统采用有源业务集中点来替代无源点到多点系统的无源器件，使传输距离可以扩展到160 km。主要优点是专用接入，带宽有保证(每用户可以独享100 Mb/s带宽)，局端设备简单，传输距离长，成本随用户数的实际增长而线性增加，因而在低密度用户分散地区成本较低。缺点是光纤设施专用，当需求快速增长且用户很密集时，空间需求和成本也随之迅速增加，因而不太适合高密集用户区域。


    由于计费、质量、管理、安全等因素，以太网作为公用网接入方式尚需进一步改进。主要是以太网技术的固有机制不提供端到端的包延时、包丢失率、带宽控制，难以支撑实时业务的服务质量，缺乏安全机制保证。
4 点到多点无源光网络系统

4.1 无源光网络技术
    无源光网络(PON)是一种很有吸引力的纯介质网络，其主要特点是避免了有源设备的电磁干扰和雷影片响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本。PON能比较经济地支撑语声、数据和电视业务，即具备三重业务功能。据美国贝尔企业报道，采用无源光网络后维护费用每年每线可节约50美金，是电信维护部门一直期待的适用技术；其次，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；最后，由于光发送机和光纤由用户共享，因而线路成本较其他点到点通信方式要低。随着光纤接口向用户日益推进，PON的综合优势越来越明显。PON的灵活组网能力和经济适用能力使其最适合于分散的小企业和居民用户，特别是那些用户区域较分散，而每一区域用户又相对集中的小面积密集用户地区。PON的主要缺点是一次性投入成本较高，因为局端光线路终端(OLT)很贵，光纤和分路器等无源基础设施又必须一次到位，这样当用户数较少或用户分布超过某一限定距离时，平均单用户成本很高；另外，PON的树型分支拓扑结构使用户不具备保护功能或保护功能成本较高，影响了大规模发展。

4.2 APON和BPON
    早期的窄带无源光网络是基于TDM的，性能价格比不好，已经自然消亡。ATM化的无源光网络/宽带无源光网络(APON/BPON)可以利用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，使性能价格比有重大改进。目前在美国和日本，APON/BPON已经开始商用，日本已经敷设了约50万线。
实际中APON/BPON的业务适配较困难，业务提供能力有限，数据传送速率和效率不高，成本较高，而且市场前景由于ATM的衰落而不确定。从长远的业务发展趋势看，APON的可用带宽仍然不够。以FTTC为例，尽管典型主干线路的下行速率可达622 Mb/s，但分路后，实际可分到每个用户的带宽将减小。按32路计算，每一个分支的可用带宽仅19.5 Mb/s，再按10个用户共享，则每个用户仅能分得约2 Mb/s的带宽。显然，这样的性能价格比无法满足网络和业务的长远发展需要。

4.3 EPON/GEPON
    近几年随着IP的崛起和发展，有人提出了以太网无源光网络(EPON)的概念，即在与APON、BPON类似结构和G.983标准的基础上，保留精华部分——物理层PON，而以以太网代替ATM作为链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新的结合体——EPON。这一思想在以太网界获得到了积极响应，在IEEE 802.3的旗帜下已经形成了初步标准——千兆比特以太网无源光网络(GEPON)。在实际应用中，EPON和GEPON的差别体现标准化方面，前者往往指非标设备，后者指符合IEEE 802.3ah规范的设备。而且GEPON的传输距离和分路比均比EPON有所减小。


    从EPON/GEPON的结构上看，主要优点是极大地简化了传统的多层重叠网络结构。
EPON/GEPON的特点有：

消除了ATM和SDH层，从而降低了初始成本和运行成本；
下行业务速率高达1 Gb/s，允许支撑更多用户，每一用户的带宽可以更高，并能提供视频业务能力和较好的QoS；
硬件简单，没有室外电子设备，使安装部署工作得以简化；
改进了电路的灵活指配和业务的提供与重配置能力。

    IEEE 802.3ah的GEPON技术规范性好，上、下行波长是1 310 nm和1 490 nm，上、下行速率为1.25 Gb/s，传输距离是20 km，分路比是16。主要业务是数据和语音，增加一个1 550 nm电视广播波长后，成为语声、数据和电视三合一的宽带业务捆绑服务，将是未来家庭业务的“杀手锏应用”。


    EPON/GEPON的主要缺点是效率低和难以支撑以太网以外的业务。EPON由于采用8B/10B的线路编码，引入的带宽损失为20%，而APON和千兆无源光网络(GPON)都采用NRZ扰码为线路码，没有带宽损失。再加上承载层效率、传输汇聚层效率和业务适配效率原因，使EPON总的传输效率很低，大约仅为GPON的一半。

4.4 GPON
    2001年，在IEEE积极制订EPON标准的同时，全业务接入网(FSAN)组织开始发起制订速率超过1 Gb/s的PON网络标准——千兆无源光网络(GPON)标准，随后，ITU-T也介入了这一新标准的制订工作，并于2003年1月通过两个有关GPON的新的标准：G.984.1和G.984.2(速率提高到2.5 Gb/s)。按照最新标准的规定，GPON可以提供1.244 Gb/s、2.488 Gb/s的下行速率和所有标准的上行速率，传输距离至少达到20 km，具有高速高效传输的特点。GPON还在传输汇聚层采用了一个全新的标准——GFP，这是一种可以透明高效地将各种数据信号封装进现有网络的开放的通用标准信号适配映射技术，可以适应任何用户信号格式和任何传输网络制式，全面体现了业务提供商对业务提供的灵活要求，而APON/BPON和EPON/GEPON对每种特定业务都需要提供特定的适配方法。由于采用GFP映射，GPON的传输汇聚层的信号是同步的，还使用标准SDH的125 ?滋s帧，因而使GPON可以直接支撑TDM业务。


    从提供的业务看，GPON不仅提供10 Mb/s、100 Mb/s、1 Gb/s的业务，而且可以提供虚拟局域网(VLAN)业务和语音业务，事实上可以适应任何现有业务和未来新业务的适配要求。GPON不是制造商驱动的技术标准，而是一种运营商驱动的标准，因此具有更周到的运营利益考虑，速率更高，可达2.4 Gb/s；具有通用的映射格式，可适应任何新老业务；具有完善的操作、管理、维护和配置(OAM&)能力；对各种业务均具有很高的传输效率，即便对于TDM业务也能高效无开销传送。


    由于3种PON技术都采用光接口，因而硬件成本应该相差不多，传输效率是主要区别。GPON无论在扰码效率、传输汇聚层效率、承载协议效率和业务适配效率方面都是最高的，因此其总效率最高，等效系统成本最低。假设TDM业务占10%，数据业务占90%，则GPON的总效率为94%，而APON和EPON分别为72%和49%。总体上看，GPON似乎应该具有更广阔的应用前景。


    GPON和EPON/GEPON面临的问题有：
    (1)服务质量问题，即怎样才能在Ethernet/GFP上有效承载TDM业务并提供电信级的服务质量。
    (2)网络成本问题。由于GPON和EPON/GEPON是点对多点的星形或树形网络，需要通过一个1+1备份并经过不同路由的光网络来实现电信级的保护恢复要求，网络成本非常高。
    (3)技术问题。目前GPON和EPON/GEPON的应用主要取决于突发光发送/接收模块以及核心的控制芯片/模块。这些模块要么是技术不成熟无法商用，要么是价格昂贵还难以适应市场需要。
    (4)资金投入问题。GPON和EPON/GEPON的一次性投入成本较高，不太适合逐步投资扩容的传统电信建设模式，比较适合完全新建或改建的密集用户区域。


5 结论
    各种宽带光纤接入网都有其最佳使用场合和时机，宽带点到点有源光纤系统最适合企事业用户，其中宽带数字环路载波系统适合从传统电话网向宽带网转型的过渡期应用，宽带点到点有源以太网光纤系统适合在低密度用户分散地区应用，宽带点到多点无源光纤系统最适合新建或改建的密集用户区应用。中国宽带光纤接入网的发展趋势是：可能跨越APON、BPON和EPON阶段，从宽带点到点以太网光纤系统和GEPON开始，较快地过渡到GPON阶段。