宽带用户光纤接入网现状与标准化动向

tian7163

1.光纤用户现状


　　从世界范围上看，用户光纤在美国和日本发展的比较早，普及率相对来说也比较高，依据美国FTTH协会发表的数字，到2003年3月底美国FTTH的用户数为3.8万个家庭，同期日本公布的数据，日本约为30.5387万个家庭。日本是世界上光纤到户(FTTH)发展最快的国家，到2003年12月底，它的FTTH用户数已达到了89万户,仅用了几个月的时间,它的光纤用户数就翻了一番多,它是日本宽带用户发展最为迅猛的一种接入方式。就是日本,目前从绝对数量上说,FTTH的用户还不多,市场占有率还不高,仅占宽带用户总数的6.53%,但从发展势头上，它在日本发展最快，它的发展前景还是很美好的。如果将别的用户光纤接入方式一起计算的话，如FTTC(光纤到路边)、FTTB(光纤到大楼)、FTTA(光纤到公寓)等，那么现在就可以说，用户光纤接入已相当普遍了。但是只有实现了FTTH，才可以说真正实现了宽带光纤用户了，从全世界来看，FTTH还是个新生事物，目前还没有能成为主流的宽带用户接入方式，这主要是单位成本还比较高的缘故。

2.宽带光纤用户接入技术


　　对于宽带光纤接入技术来说，依据配线形态的不同，主要有两种方式，即单星型(SS: Single Star)和无源光网络(PON: Passive Optical Network)。对于SS方式来说，每户单独占用一纤(乒乓方式)或二纤，用光媒体变换器去实现通信; 对于PON方式来说，要在用户侧设置光网络单元(ONU: Optical Network Unit)和在局侧设置光线路终端(OLT: Optical Line Terminal)以及光星型耦合器，现在光星型耦合器最多可有32个分岐，光星型耦合器到OLT间用一根光纤(乒乓方式)或二根光纤，32个用户可以共用，它比SS方式节约光纤，这便于降低成本，因此，现在说到的用户光纤主要指PON方式。在PON方式中又分为B-PON(Broadband-PON)和G-PON(Ethernet-PON)两种，下面分别进行叙述。

3.在PON方式中的数据传输机理
　　在本方式中主要采用的技术是，在上行方向(用户到局侧)采用了数据同步发送技术，在下行方向(局侧到用户)采用了数据识别技术，下面分别进行说明。

4.B-PON系统
　　B-PON系统过去被称作ATM-PON(Asynchronous Transfer Mode base PON)系统，它是以ATM作为基本技术的PON系统，传输速率上行为155Mbit/s，下行传输速率为622 Mbit/s;以后又追加了上行传输速率可到622 Mbit/s，下行传输速率可到1.2Gbit/s，数据传送使用ATM信元。
现在关于B-PON的国际标准是ITU-T的G.983系列建议。


4.1 B-PON的波长配置

　　按照ITU-T G.983.1建议，一对光纤双向通信中，上行使用1260～1360nm的波长，下行使用1480～1580nm的波长，以防止上、下行通信的干扰。还有，关于下行方向的波长分配，ITU-T在G.983.3建议中，对数据通信的波长作了新的规定，现在OLT～ONU使用的波长规定为1480～1500nm，其余的波长规定为将来的业务用。在下行波长分配中，预留了数据通信和别的业务发展空间，这对现有通信不会产生影响，但为下行广播式通信地实现创造了条件。图3下部为图像通信形态，由于WDM的作用，实现了波分复用，可向多个用户提供图像服务。


4.2 B-PON的带宽控制
　　B-PON系统的一个重要特征就是它可以根据业务的需要去提供带宽。ITU-TG.983.1，2建议中，ONU~OLT的上行方向的带宽是固定的，它适合于专用线用户的通信，在这种方式下，某个ONU即使不进行数据传送，该ONU的带宽别的ONU也不能占用。


　　为了实现更高的带宽利用率，ITU-T推出了能够对上行带宽进行动态分配的(DBA: Dynamic Bandwidth Assignment)G.983.4建议，如图4(b)所示。


　　在动态带宽分配(DBA)方式中，由ONU发出的带宽要求，被送到OLT带宽要求管理模块，再经分配带宽计算模块计算，确定该ONU的上行带宽，同时带宽监视模块对各ONU的上行带宽进行监视，这样各ONU的上行带宽就会被自动进行更新，因为更新周期很短，所以可以说带宽大体上是实时变动的(动态带宽分配)。该方式的另一个优点就是可以保证最低带宽要求，它不单带宽利用率高，而且对业务的带宽控制成为可能，这就为重要业务的带宽给予了保证。


　　关于B-PON下行方向的通信，同前述的一样，OLT以广播方式向ONU发送数据，而每个ONU只能将属于自己的数据检索出来，并把别的数据进行丢弃。


5.G-PON系统
　　G-PON系统在ONU～OLT之间传输的不是ATM信元，而是以太网帧信息，目前从速率上主要有两种，即(G-PON: Gigabit Ethernet PON) Gbit/s和(E-PON)100Mbit/s。由于G-PON和计算机系统的亲和性较好，因此受到广泛地欢迎，这和B-PON相比，在应用上有很大方便，B-PON不能直接到桌面，而G-PON却可以直接到桌面，因此成为发展的重点。但是由于以太网帧长是可变的，因而对上行带宽进行动态控制就比较困难了，这是它的缺点。


5.1 G-PON的波长配置
　　和B-PON的G.983.3建议相同，对于E-PON的上行波长也是规定为1260~1360nm,下行波长规定为1480~1500nm，以防止上、下行方向间的干扰，还有与B-PON一样，在下行方向1500nm以上的波长段，考虑用作图像等通信用。


5.2 G-PON的带宽控制
　　关于G-PON的带宽控制，采用多点控制协议(MPCP: Multi Point Control Protocol)去实现，为了实现高带宽利用率、低时延，也和B-PON一样，采用了动态带宽分配(DBA)技术，动态带宽分配算法正在研讨中。


6.B-PON、G-PON标准化动向
　　B-PON、G-PON系统的标准化工作主要是由ITU-T去完成，从应用角度考虑，G-PON虽然起步较晚，但发展更快，它的标准化工作也基本上达到实用化水平。


6.1 B-PON的标准化工作
　　ITU-T到现在为止进行了各种用户光纤接入系统的标准化工作，它的代表就是B-PON的标准化。
　　B-PON是上行最大速率为155Mbit/s、下行最大速率为622Mbit/s的PON系统。它使用ATM信元，对于以太网业务和时分复用业务等形形色色的业务都能收容，它的标准化工作表示在G.983系列建议中，详见表1。


6.2 新标准诞生的必要性
　　在B-PON最新标准中，上行方向的最大速率为622Mbit/s、下行信号的最大速率为1.2Gbit/s。但是从物理层面上看，在上行方向的速率比622Mbit/s再高的话，在技术上就会给同步工作带来很大的难度，同时从应用角度来看，虽然B-PON也能收容IP等业务，但要经过转换，效率低，而且还不能够到桌面，为此，千兆比系统就应运而生，它的研究工作是由2001年4月开始的。


6.3 G-PON系统的标准化工作
　　因为新的光纤接入系统具有千兆比的传输容量，因此被称为G-PON，它的标准化工作可分为3个层次，详见图5。


6.3.1 G-PON业务应用 (GSR:G-PON Service Requirement)层


　　实际上通信企业对使用G-PON的要求，主要是承载业务、速率和光分配网络(ODN: Optical Distribution Network)等条件。


6.3.2 G-PON 传送 (GTC:G-PON Transmission Convergence Layer)层对PON区间的信号帧结构和OLT-ONU间的控制指令等的规定。


6.3.3 G-PON物理媒体层(GPM:G-PON Physical Medium Dependent) 对G-PON系统光收、发信规则(输出功率、眼图等)的规定。


　　像上述的那样，因为分成了3个独立子系统，所以就可以分别进行标准化工作，以及像后述的那样，容易实现与其它标准的配合，下面对上述3个子系统分别进行描述。


6.4 GSR
　　GSR是G-PON的业务应用层，是 G-PON系统所应该满足的业务条件，为了能够满足该条件就变成了对GPM和GTC地研讨了。依据美国、欧洲和日本等国的通信企业对GSR的研讨结果，得出的结论，它主要集中在要收容什么样的业务、必要的传输速率是多少、必要的传输距离是多少等。

　　对G-PON的基本要求是，在将来能够对B-PON系统进行置换，因此，G-PON也要能适应B-PON的条件要求，特别是用1对光纤可以收容所有的业务，即把收容全业务为目标。近年IP发展异军突起，数据终端设备(用户的PC机等)也要具备以太网接口成为主流，但是模拟电话和T1/E1专线业务作为通信企业的主要业务还没有改变，这就要求G-PON用1对光纤可完全能够收容IP数据、模拟电话和专线等。


　　作为传输速率，下行方向(OLT-ONU)规定为1.2G/2.4Gbit/s，上行方向规定为155M/622M/1.2G/2.4Gbit/s。由于IP业务、因特网接入是主流，而它的业务不对称性是很大的特点，所以下行方向的话务量就占到一大半。还有，若提高上行方向的传输速率，则必须提升使用的光发送、接受器件的性能，这就会使成本上升。因而，从实际情况出发，这就确定下行方向速率比上行方向速率高，作为GSR(General characteristicsfor Gigabit-capable Passive Optical Networks)标准的ITU-T G.984.1建议已于2003年3月完成。


6.5 GPM
　　GPM是G-PON物理媒体层(相当于OSI参考模型的第一层)，所谓物理媒体层实际上是由与光纤相连接的光/电变换器以及电信号的数据读取器等构成，它具有把在光纤上流通的光信号传送到2层进行数据处理以及将2层传送过来的数据信号转换成光信号的作用。


　　GPM光信号的速率依据OLT-ONU间的发送、接收电平差(功率预算)，按照ITU-T G.982的建议要求，将G-PON分成A/B/C等级别，并对各级别的发送、接收信号进行规定。但是， 在现阶段技术上对于上行信号为2.4Gbit/s的研讨还不够充分，这是留给今后的课题了。

　　还有像前述的那样，可以认为，伴随着传输速率地提高、光的收发模块高性能化，促使了设备成本上升。为了解决这个问题，追加了前向纠错(FEC:Forward Error Correction)这一种差错控制功能，作为任选项目，据此，低成本的光收、发模块地采用成为可能。


6.6 GTC
　　TC相当于OSI参考模型的第二层(传送层)，在GTC中规定了帧结构、OLT-ONU间的控制指令和为了安全加密功能等。对于G-PON像前述的那样，要求能将所有的业务都要很好地进行收容，无论是数据业务或是TDM业务，都采用了同样的数据包形式，它被称作为GEM(G-PON Encapsuration Method)的新的封装方法。用GEM去定义具有数个脉冲字头控制的可变帧长，并用该帧结构去传送数据业务和TDM业务。关于字头控制，现正在研究中。


　　PON的下行方向(OLT-ONU)是广播方式，因此为了确保情报不被他人盗窃的安全机能很重要，常见的就是信号加密。目前G-PON系统使用的加密方式是美国商务部标准技术局(NIST)颁布的AES(Advanced Encryption Standard)加密方法。但对加密方法的研究仍在继续，今后也可能会出现新的加密方法。


6.7 展望
　　第一层为物理媒体层，第二层为传送层，第三层为业务应用层。现在GSR(第三层)、GPM(第一层)的标准化工作已经完成了，而GTC和OMCI(OLT-ONU间的管理控制接口)的标准化工作正在完善中，FSAN(Full Service Access Network)和ITU-T正在对标准的完善加紧工作，预计G-PON将很快会成为宽带用户光纤接入网的主流。