运营商眼中的FTTH网络

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随着住宅和商业用户对带宽的需求越来越大，电信运营商们开始意识到其陈旧的铜网接入基础设施已经有些力不从心了。电信行业已经发展到需要利用网络融合来满足用户对交互式多媒体的需求，而光纤接入网络正好能满足这一需求，光纤到户（FTTH, fiber to the home），作为目前全球发展速度最快的宽带接入技术，在亚洲、欧洲和北美地区的普及程度极其广泛。
   
本文将分析电信运营商为什么要敷设FTTH网络，并先容敷设FTTH网络时用到的协议和基础设施。接入方式如无源光网络、点对点网络以及异步传输模式（ATM, Asynchronous Transfer Mode）及以太网等多种支撑的协议和标准将在本文提及。此外，本文还对FTTH户外设备和技术进行详细阐述。本教程的最后一部分将比较各种类型的FTTx)，除了FTTH外，还包括FTTB（光纤到楼）、FTTC（光纤到路边）和FTTN（光纤到节点）等。

运营商为什么要敷设FTTH网络
        
进入21世纪以来，世界发生了翻天覆地的变化，最大的变化莫过于通信方式的转变，这种转变得益于两种技术：网络协议（IP）和光纤。现在，人们可以利用这两种技术实现利用一种通用协议提供语音、视频和数据等多种服务。
        
运营商现在正加速将多个服务通过捆绑式服务的方式提供给单个用户，因此，网络电话（VoIP）、网络电视（IPTV）和宽带成为了大家生活中的常见事物。但是，随着捆绑式服务和技术的发展，运营商越来越意识到其以前的网络（用来有效提供一种服务）已经不堪重负，而且在很多情况下都不能提供理想的服务。下图反映的是用户对带宽需求的预测，目前的网络能提供至少20Mbps的服务，而随着高清电视的流行、越来越高的网络连接速度和越来越多的网络服务，在未来3-5年，运营商则至少需要40Mbps的网络速率。

用户对带宽需求的预测

为了满足用户对带宽的迫切需求，运营商开始在接入网中更多地敷设光纤，在此过程中，运营商还发现，光纤距离用户越近，越能满足用户将来对带宽的需求，而且能使运营商接入网的对称带宽最大化，进而提供稳定的网络。业内将光纤接入到接入网络称为FTTH。

FTTH的基础架构
        
在接入网中部署光纤可以通过多种方式实现。事实上，很多光纤接入技术都通常被称为FTTx，但是，这些技术只是将光纤和双绞线或同轴电缆网络组合在一起，并没有FTTH网络的固有属性。
        
在FTTH网络中，整个接入网都部署的是光纤，而且通常有两种不同的部署方式，一种是点对点网络，一种是无源光网络。在点对点网络中，接入网中的各个用户都各自使用一根光纤，而在无源光网络中，多个用户（通常是16-32个用户）通过光分路器共享一根光纤。根据成本、带宽和网络组成部分的不同，点对点网络和无源光网络各有优缺点。
      
点对点网络的特点是每个用户都拥有单独的光纤和激光器，它是最简单的FTTH网络，有时，大家也称点对点网络为全光以太网网络。下图反映的是点对点网络的基本架构。在点对点网络中，光纤的一端接在用户端，一端接在局端的有源设备上。点对点网络的特点是使用有源电子器件，而且布线十分简单，适用于光纤资源十分丰富且不需要光纤共享或带宽共享的应用中。

点对点网络
        
无源光网络的特点是利用光分路器将光纤进行一次或多次分路，因此，多个用户可以共享一根光纤，通常，一根光纤可以供16-32个用户共享，也就是说，一组用户可以共享局端光纤的带宽。无源光网络中使用的光分路器可以将光纤中的信号进行2-32次分路，但是也给网络带来了较高的损耗，因此，考虑到网络的功率预算，必须限制光分路器的使用。基于这个原因，无源光网络涵盖的范围要比点对点网络（不使用光分路器）的涵盖范围要小一些。通常，一个无源光网络可到达的范围是以网络发射端为圆心的20km的范围之内。无源光网络的另一个特点是不需要使用电子设备，而是由一套成熟的标准支撑。下图反映的是无源光网络的基本架构。

无源光网络
        
运营商在部署无源光网络时，可以有多个选择，简单来讲，就是将光分路器集中分布还是级联分布，这两种部署方式各具特色。
        
在光分路器集中分布的无源光网络中，所有的光分路器都集中在一个地方（通常在一个无源机柜中）。运营商为了使局端端口的利用率最大化，通常使用1×32的光分路器。使光分路器集中分布能够最大化地利用光纤的分享容量，并将局端发射器的使用数量以及光分路器和光纤的使用数量降到最低。此外，光分路器集中分布还能更好地测量整个无源光网络的全部损耗，增加了网络的可靠性。一个1×32光分路器造成的损耗要比多个1×2、1×4、1×8和1×16光分路器造成的损耗要小，因此，使用1×32光分路器可以扩大光纤网络的涵盖范围。此外，光分路器集中分布还可以简化整个网络的故障定位和检修过程，从而减少劳动力成本支出。

光分路器集中分布
        
在光分路器级联分布的无源光网络中，光分路器是级联分布，级联分布的光分路器的分光比通常是1:4和1:8或1:2以及1:16的组合。光分路器级联的优点有接入点少、光纤数量少，这能节省用户分布稀疏地区的PON端口数。此外，因为端口数量少了，水平敷设的光纤和装光纤的机箱也相应减少，从而节省了成本，因此，光分路器的级联分布不仅是郊区的理想分布形式，而且是用户分布稀疏的城市内的理想分布形式。万事无绝对，最优解决方案通常根据预期的取用率的不同而不同：光分路器集中分布时，取用率低，光分路器端口的使用率较高。此外，对于联级分布来说，网络测试及故障位置要比集中分布难，因为测试仪器无法对光纤链路中的光分路器的排布进行检测，而且网络可靠性随着光器件的增加而受到影响。

光分路器级联分布

FTTH协议和标准
        
FTTH网络中使用的传输标准是以ATM和以太网技术为基础。现在，大部分点对点网络使用的都是以太网技术，而且受IEEE 803.2ah标准的规范。事实上，点对点网络是传统以太网络的延伸。点对点网络的带宽只受局端和室内发射器类型的影响。
        
无源光网络为运营商提供了大量的技术和协议选择，全业务接入网（FSAN, Full-Service Access Network）联盟引导着无源光网络发展的方向，它是在全球7个主要网络运营商的发起下宣布成立，目前共有50多名成员，联盟的宗旨是希翼能提出一种光接入解决方案并制定光接入网设备标准，根据该标准制定的设备应能够同时提供语音、数据和图像等业务能力。FSAN联盟先后发布了APON、BPON和GPON等PON系列标准，APON/BPON标准在1999年被ITU-T接纳为G.983.x系列标准，GPON标准在2003年被ITU接纳为G.984.x系列标准。下表反映的是各种PON标准的具体内容：

BPON（Broadband Passive Optical Network，宽带无源光网络）最初被称为ATM宽带无源光网络(APON)，是由FSAN委员会确定，被用于ATM第二层信号传输协议的最初的PON规范。采用APON这个术语导致用户相信只有ATM服务可以被提供给终端用户，因此，FSAN决定将上述术语扩展为宽带PON(BPON)。BPON系统提供包括以太网连接和图像传输在内的多种宽带服务。BPON基于ATM协议，上下行速度分别为155和622Mbps。
        
EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太网无源光网络），顾名思义，是基于以太网的PON技术。它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。EPON技术由IEEE802.3 EFM工作组进行标准化。2004年6月，IEEE802.3EFM工作组发布了EPON标准--IEEE802.3ah (2005年并入IEEE802.3-2005标准)。在该标准中将以太网和PON技术结合，在物理层采用PON技术，在数据链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现以太网接入。因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点:低成本、高带宽、扩展性强、与现有以太网兼容、方便管理等。
        
GPON（Gigabit Passive Optical Network，吉比特网无源光网络）提供了前所未有的高带宽，下行速率高达2.5Gbit/s，其非对称特性更能适应宽带数据业务市场。作为电信级的技术标准，GPON还规定了在接入网层面上的保护机制和完整的OAM功能。
FTTH组件
        
最早的FTTH网络是城域和长途网络的延伸版本，不久之后，FTTH就发展成为家喻户晓的网络产品。所有的FTTH网络都旨在将光纤带给用户，其布局与接入环境的独特属性密切相关。在FTTH的骨干网络中，光线路终端（OLT, optical line terminal）、光缆和光网络终端（ONT, optical network terminal）三个部分缺一不可。此外，还有其他一些组件。
        
OLT是光接入网的核心部件，相当于传统通信网中的交换机或路由器，同时也是一个多业务提供平台。一般放置在局端，提供面向用户的无源光纤网络的光纤接口。它一方面将承载各种业务的信号在局端进行汇聚，按照一定的信号格式送入接入网络以便向终端用户传输，另一方面将来自终端用户的信号按照业务类型分别送入各种业务网中。
        
光纤光缆负责将信号传输到用户，可以分为三个部分：供电线缆（位于局端）、配线线缆和引入线缆（连接用户网络和FTTH网络）。光缆作为一种媒介，其带宽只受OLT内发射器的限制，因此，带宽容量十分惊人，是未来接入网络的理想媒介。
        
ONT负责接收从OLT传输过来的光信号，并将其转换为可以被电话、电脑、电视或其他设备接收的电信号。此外，ONT还可以将IP数据反馈给OLT，因此，大家可以进行实时通话、随意调换电视的频道等。ONT通常和有电池的设备连接。
        
如上文所讨论的，点对点网络的特点是简单，它将网络中所需要的设备数量降到了最低，但是仍然包含本部分提到的OLT、光缆和ONT三个部分。无源光网络能更加有效地利用光纤和OLT中的发射器，因此，其构造比点对点网络要复杂一些。
        
在无源光网络中，除了OLT、光缆和ONT，还有一些其他的组件，这些组件是用来完善早期FTTH网络布局（如下图）中的成本和可靠性问题。在这些组件中，最重要的莫过于光分路器了。根据光分路器的不同分布结构，可以选择1×32、1×16、1×8、1×4、1×2等光分路器，而且光分路器几乎可以安装在接入网络的任何位置，但是，为了提高整个网络的效率，许多运营商选择将光分路器集中分布。光分路器聚集的地方通常被称为局部聚集点，供电线缆通常在这里结束，配线线缆通常在这里开始（各个用户开始在这里有各自的专有光缆）。当配线线缆到达用户附近时，会被接入到网络接入点，引入线缆（通常含有4根光纤）就是在这个地方被用来连接到用户的ONT上。

Figure 6. 无源光网络组件
        
在引入光缆和网络接入点领域，最新的一项创新就是使用连接器。传统网络通过光纤接续（机械接续或熔接）将所有接入组件中的光纤连接在一起，这样虽然不会对光纤网络造成太大的光损耗，但是接续成本也比较大。使用了连接器以后，成本就降低了，而且光纤网络的部署速度也极大地提高了。FTTH网络连接器是一种标准技术，受Telcordia GR-3120规范。

FTTH VS FTTx
        
现在，业内将光纤接入到接入网统称为“FTTx”，尽管各种FTTx的协议和架构都不尽相同，但是，还是会在一定程度上造成混淆。事实上，现在的一些数字用户环路和光纤同轴混合网也是可以被称作FTTx，因为这些网络中也有光纤的接入。最常见的FTTx有FTTH、FTTB、FTTC和FTTN。如下图所示，这4种FTTx的物理结构各不相同。

FTTx
        
正如上文所讨论的，FTTH将光纤接入到了各个用户的家里，室外的铜线也完全被光纤取代。FTTH目前能提供30-100Mbps的服务，但是，根据光纤的固有特性，FTTH能提供的带宽理论上是可以无限增长的。FTTB的室外部分使用的是点对点的网络架构，各个建筑或建筑群都有自己的专用光纤。在FTTB中，光纤的一端接在有源设备的远程终端上，如果建筑内使用的是Cat5光缆，就需要安装以太局域网络，提供10或100Mbps的共享带宽；如果建筑内使用的是双绞线，就需要使用DSL（数字用户线路）接入复用器作为远程终端，提供50Mbps的带宽服务。
        
在FTTC中，光纤距离用户大约500-1000英尺，一根光纤可供8-12个用户共用。FTTN的架构和FTTC相似，不同之处在于，FTTN的远程终端要离用户更远一些（5000英尺以上）。在FTTN中，一根光纤可供3-500个用户共用。FTTC和FTTN都利用现有的双绞线向用户提供服务，这两种网络架构的带宽受两个因素的影响：DSL技术和铜线的长度。VDSL（甚高比特率数字用户线）和VDSL2在长铜线上工作性能能达到最佳，通常用在FTTN中，而ADSL2（不对称数字用户线2）、ADSL2+和ADSL2++一般用在FTTC中。
        
光纤的接入程度直接影响到网络的带宽，进而影响到供应商提供服务的能力。正如上文提到的，各个运营商对带宽的需求都不太一样，但是都有上升的趋势。光纤距离用户越近，用户所能获得的带宽就越大，运营商在敷设光纤网络时，必须考虑到这一点。但是，如果将光纤接入到与用户足够近，就需要用光纤替代用户周边原有的铜线设施，这对用户来说是一个较大的支出；当然，如果用户在新建住宅区，周边已经敷设了光纤设施，就没有这种困扰了。

总结
        
为了克服铜线网络的限制，运营商通常会将光纤接入到接入网。在接入光纤时，运营商有多种选择，例如FTTB、FTTC和FTTN等。但是，现在大部分运营商都选择敷设FTTH网络，这是因为它不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。