浅析宽带光纤接入网的发展及技术比较

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  摘 要本文通过对宽带光纤接入网发展历程的回顾及分析,结合目前网络建设所采用的技术模式,分析宽带光纤接入网各种技术的特点、适用场景,并对各种技术模式进行了多方面的比较。
  关键词:宽带 接入网 光纤 PON AON
  【中图分类号】[TN929.18]
  宽带光纤接入网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为“无源光网络”的英文缩写,全称为:Passive Optical Network。EPON和GPON是两个主要的PON标准。
  1、常用的宽带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,这种方式可廉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。
  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。
  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电影响,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。目前,提到PON技术,主要是包括EPON和GPON两种技术制式。
  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)和光纤到户(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務的用户区。
  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。
  宽带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网络将是可以支持全业务的网络。
  接入网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PON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。
  3.2 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公司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。   3.3 无线接入
  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。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。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PON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。
  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。
  3.6 EPON与GPON的比较
  (1)速率:EPON 提供固定上下行1.25 Gbps,采用8b/10b线路编码,实际速率为1Gbps GPON支持多种速率等级,可以支持上下行不对称速率,下行2.5Gbps 或 1.25Gbps,上行1.25Gbps 或 622 Mbps,根据实际需求来决定上下行速率,选择相对应光模块,提高光器件速率价格比。
  (2)最大传送距离
  PON系统可支持的最大物理距离,当光分路比为1:16时,应支持20km的最大物理距离;当光分路比为1:32时,应支持10km的最大物理距离。但是,实际距离需根据配套衰耗及光缆质量有关。
  (3)分光比
  分光比即一个OLT端口(局端)带多少个ONU(用户端)EPON 标准定义最大分光比1:32。GPON标准定义最大分光比1:128。
  (4)QOS (Quality of Service)
  EPON在MAC层Ethernet包的包头增加了64字节的MPCP多点控制协议(multipointcontrolprotocol),MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP点到多点的拓扑结构,实现DBA动态带宽分配。 GPON则拥有更加完善的DBA,具有优秀QoS服务能力。
  (5)运营、维护 OAM
  EPON 没有对OAM进行过多的考虑,只是简单的定义了对ONT远端故障指示、环回和链路监测. 并且是可选支持。GPON在物理层定义了PLOAM(Physical Layer OAM),高层定义了OMCI(ONT Management and Control Interface),在多个层面进行OAM管理. PLOAM用于实现数据加密、状态检测、误码监视等功能. OMCI信道协议用来管理高层定义的业务,包括ONU的功能参数集、T-CONT业务种类与数量、QoS参数,请求配置信息和性能统计,自动通知系统的运行事件,实现OLT对ONT的配置、故障诊断、性能和安全的管理。
  (6)链路层封装和多业务支持
  EPON沿用了简单的以太网数据格式,只是在以太网包头增加了64字节的MPCP点到多点控制协议来实现EPON系统中的带宽分配,带宽轮讯,自动发现,测距等工作。对于数据业务以外的业务(如TDM同步业务)EPON通过电路仿真方式支持。GPON基于完全新的传输融合(TC)层,该子层能够完成对高层多样性业务的适配,GPON的TC层本质上是同步的,使用了标准的8kHz(125us)定长帧,这使GPON可以支持端到端的定时和其他准同步业务,特别是可以直接支持TDM业务。
  4、PON网络的实际应用
  (1)对于新建项目,包括酒店、商务楼,新建小区、政府企业、学校等,一般用户布放五类缆或双绞线,运营商为其提供光纤接入和设备安装,在楼宇和酒店机房、竖井安装PON ONU设备,连接其用户五类线。ONU设备通过光缆汇聚至分光器再上聯局端OLT设备。ONU端口配置原则上不超过所覆盖用户量的70%。
  酒店、商务楼宇:在竖井内安装分光器,在几个汇聚楼层竖井内安装ONU设备。
  新建小区:对于无管道资源的小区,通过与物业协商,在楼宇外侧打吊线,将ONU安装在单元门上方,分光器安装在小区适当位置,通过每个分光器覆盖用户数量确定分光器数量。有管道小区采用暗线方式接入。对于具备综合布线的住宅区采用FTTB(PON+LAN)方式进行建设;对于不具备综合布线条件的新建区域,采用FTTB(PON+DSL )的方式建设,实现对散户住宅楼光纤覆盖的建设。中、高档小区一般直接采用FTTH方式接入。
  政府企业、学校:在政府机关或学校弱点机房内安装分光器,在机关办公室或学校教研室内安装ONU设备,实现用户接入。
  企业联网:此类项目涉及企业一般分布整个城市,可在光交或接入网机房安装分光器,在企业内部安装小型ONU。
  (2)对于改造项目,包括小区改造、光进铜退等。由于因电缆逐渐老化、部分TDM交换机厂家不再售后服务等原因,存在着障碍多、维护量大的问题。通过逐步开展这些旧小区的改造,降低故障率,提高客户感知,实现高速率数据业务;此外,由于铜缆被盗现象严重,而且在一些竞争激烈的区域,急需提高带宽以稳定或扩展用户。
  小区改造:采用PON接入方式,无小区管道采用吊线方式接入,有管道采用暗线方式接入。   光进铜退:在用户比较集中城郊及农村地区,在原电缆交接箱附近安装PON口上行设备,或将多个小规模地区各自安装的PON设备汇聚到一个分光器。
  DSLAM改造:对于现有IP DSLAM节点,接入用户超过300戶以上、电缆老化、电缆距离超过1Km的用户小区,通过PON接入方式进行改造。对于现有ATM DSLAM节点,通过PON接入方式进行改造。
  5、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。随着光纤技术的发展及光器件的降价,逐步适合FTTH的光缆已经普及使用,已经实现真正意义上的光纤到户。
  而PON网络中,EPON和GPON各有优势,从性能指标上GPON要优于EPON,从成本上EPON目前要有优势。不妨在FTTH市场的启动初期,借助EPON的低成本和高成熟性迅速拓展用户,在达到一定规模后,部分高端用户可向GPON迁移。目前,部分设备厂家推出适合EPON和GPON的通用的设备平台,这也不失为一种好的方法,可以很好的保证设备的平滑演进和保护前期投资。
  另外,还有一点需要考虑,对于客户更高带宽的需求,需要考虑到如何能够实现不换平台即可实现从1GGPON/EPON向10GGPON/10GEPON的平滑升级,从业务升级、带宽管理、光模块的选择和波长的管理等各方面都需要在部署中考虑。
  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高,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。接入网技术的演进及网络组网方式将继续期待人们的关注。
  参考文献:
  《现代光纤通信技术》 译作者:吴翼平 出版社:国防工业出版社 出版日期:2004年1月
  《接入网技术》 作 者: 蒋青泉主编 出版社:人民邮电出版社 出版日期:2005-6-1。
  《宽带接入网络》 作 者: 李明琪编 出版社:科学出版社出版 日期:2002-3-1。
  《接入网技术》 著 作 者: 雷维礼 出版社: 清华大学出版社出版日期: 2008-6-30
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