宽带光纤接入网的发展与技术选择

1/12/2008来源:网络方案人气:4079

  首先简要介绍了宽带接入网的发展状况和主要应用,接下来重点分析比较了各种宽带点到点有源光纤系统和宽带点到多点无源光纤系统的特点和发展,最后指出我国的发展将可能跨越APON、BPON和EPON阶段,从宽带点到点以太网光纤系统和GEPON开始,乃至很快过渡到GPON阶段。

  韦乐平(国家863计划信息技术领域专家委员会委员,信息产业部通信科学技术委员会副主任,中国通信学会常务理事兼信息通信网络委员会主任、光通信委员会副主任,中国电信集团公司总工程师兼北京研究院院长。)

  一、宽带接入网的发展现状和应用

  进入21世纪以来,全球宽带接入网进入了一个大发展阶段,其中亚太地区,非凡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是密不可分的。韩国经过三年的大发展,宽带用户总数突破1 000万,宽带普及率达到世界第一,占家庭用户的70%,互联网用户的90%,市场规模达到40亿美元。日本政府也通过各种措施(包括eJapan、uJapan等一系列国家项目)大力推动宽带技术的发展,目前宽带用户总数为1 500万,其中光纤到户(FTTh)达到120万,计划到2005年将宽带用户总数提高到3 000万,其中FTTh达到1 000万。美国的宽带接入以电缆电视和ADSL为主,近来光纤到驻地(FTTP)已引起不少地方政府的爱好,成为近期FTTP发展的主要驱动力,传统电信公司中Verizon的态度最积极,计划在2004年敷设100万户。

  近两年我国宽带接入网的发展也十分迅速。据初步统计,到2003年底我国宽带上网用户达到1 740万, 宽带注册用户数为1 010万。2001~2003年, 我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, 说明我国宽带用户增长进入快速发展期。

  从宽带应用看,按照美国麦肯锡公司的最新分析,初期的宽带应用主要是高速上网,可以增加约30%的上网时间。此后,随着宽带业务的大规模拓展,开发新的业务将成为继续发展的动力。据美国RhK在2004年第一季度的调查结果显示,2003年美国前五名的宽带消费是网上赌博、成人节目、游戏、音乐下载和视频点播,具有明显的向消费类业务倾斜的趋势。韩国宽带市场的成功发展主要取决于两大因素:第一是政府的大力支持,包括政策推进、政府资金的支持等,例如韩国政府拨出15亿美元资助运营商建网,发放10亿美元低息贷款鼓励建网,开发200美元的低价电脑扶贫以及开放健康的市场竞争环境;第二是丰富的在线应用和内容,教育与游戏相结合形成的应用突破使网民的上网时间从每月17 h提高到44 h。

  需要指出,讨论应用驱动要防止进入一个基本熟悉上的误区,即不能寄希望于人为事先研究开发出一两项所谓的"杀手锏应用"来推广应用。事实上,从电信发展历史看,当网络用户数达到一定规模时,各种应用会自然产生,这也是所谓的迈特卡夫定律的威力所在。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、网上聊天等要害应用都是在用户规模发展到一定程度后自然产生的,而不是事先刻意设计和策划出来的。

  二、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,以及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,从世界范围看,电信公司是以ADSL为主发展的。根据ATM论坛的统计,2004年第一季度全球已有7 340多万ADSL宽带用户,其他宽带接入技术的用户量都不是很大。

  目前的ADSL技术是建立在铜线基础上的宽带接入技术,然而铜是世界性战略资源,所以随着国际铜缆价格的持续攀升,以铜缆为基础的xDSL的线路成本会越来越高;其次,作为有源设备,电磁干扰难以避免,维护成本也会越来越高;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将越来越集中在接入段,目前ADSL上行1 MBit/s和下行8 MBit/s的连接速率已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,但其速率和传输距离的继续大幅度提高是受限的,不能指望有本质性突破。显然,随着光纤在长途网、城域网乃至接入网主干段的大量应用,逻辑的发展趋势将是继续向接入网的配线段和引入线部分延伸,要害是推进速度有多快。这将取决于多种因素,包括市场的需求、竞争的需要、应用的刺激、技术的进步、成本的下降以及配套运维系统的开发,等等。我国举办2008年奥运会和2010年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。下面将重点从技术角度来分析几种主要宽带光纤接入技术的特征、问题和发展趋势。

  三、点到点有源光纤接入网

  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(DLC)系统,即综合的数字环路载波(IDLC)系统。随着宽带的发展,DLC也在进一步改进以支持DSL等宽带接入业务,构筑统一的宽窄带综合接入平台,支持向光纤到路边(FTTC)/FTTH的演进,国际上(例如heavy Reading)将其看作第三代DLC系统或宽带数字环路载波(B-DLC)系统。其中又分为两种:一种是在原有IDLC的基础上加宽带背板总线,支持独立DSL接入;另一种是新设计的系统,所有用户接口都是普通老式电话业务(POTS)加DSL,而成本几乎没有明显变化,设备往往还集成了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,适合网络在从传统电话网端局向软交换统一控制的宽带网过渡时期应用。


  传统DLC的缺陷是由于低用户密度区数字用户线接入复用设备(DSLAM)的敷设缺位或DSL的传输距离和速率限制而只能支持大约50%的用户。而B-DLC可以增加DSL的可用性,在所有有业务需求的地区都可以按需提供DSL业务。B-DLC也是推动接入网灵活点(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,转折点大约为25%左右,对于大规模高密度DSL敷设,则DSLAM是更理想的解决方案。然而,B-DLC技术作为有源设备仍然无法完全摆脱电磁干扰和雷电影响以及有源设备固有的维护问题,尽管在近中期会有发展,但不是接入网的长远解决方案。

  2.点到点同步数字系列/多业务传送平台系统

  在接入网中应用点到点同步数字系列(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的最新发展趋势是支持以太网等业务接口的映射,于是SDH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, 而将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)、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,统一控制和治理。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步,近期可以首先实现物理融合,中长期再走向完全的功能融合,成为名副其实的融合节点。非凡是集成了VC级联、通用成帧协议(GFP)、动态链路容量调整机制(LCAS)三种标准功能的新一代MSTP,不仅能大大增强自身灵活有效支持数据业务的能力,而且可以将核心智能光网络的智能特征扩展到网络边缘,增强整个网络的智能范围和效率。

  最新的发展则是将具有很好汇聚特性和优化数据接入能力的弹性分组环(RPR)功能集成进来,最适合于城域网的接入层应用,非凡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,若利用与MPLS相结合的方法可以使跨环业务流配置成同一个MPLS的标记交换通道,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保证的端到端的业务连接,加强了支持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的拓扑结构。鉴于这种方案基于同步工作,抖动要求严格,设备成本较高,而且灵活生成业务的能力不足,因此主要适用于局间或汇接点(POP)间,以及大型企事业用户的点到点通信。

  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。然而其应用领域却正在向包括接入网在内的其他公用网领域扩展。历史上,对于企事业用户应用环境,以太网技术一直是最流行的方法,目前已成为仅次于供电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知识,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,可扩展性强,轻易安装开通以及可靠性高等。

  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160km。主要优点是:专用接入,带宽有保证,每用户可以独享100 Mbit/s的接入速率,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,投资风险低,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、治理、安全等多种因素,以太网作为公用网接入方式尚需进一步改进,主要是因为以太网技术的固有机制不提供端到端的包时延、包丢失率和带宽控制,难以保证实时业务的服务质量,缺乏安全机制保证等。

  四、点到多点系统

  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电影响,减少了线路和外部设备的故障率,提高了系统的可靠性,同时节省了维护成本,并能比较经济地支持模拟广播电视业务,即具备三重功能(triple-play)。据美国贝尔运营公司报道,采用PON技术每年每线可节约50美元的维护费用,是电信维护部门长期期待的技术;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,由于其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低。非凡是随着光纤向用户日益推进,其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,非凡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,单用户成本就很高。另外,其树形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,影响了其大规模发展。

  2.ATM无源光网络和宽带无源光网络

  早期的窄带PON是基于TDM的,性能价格比低,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的集中和统计复用功能,再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用,使性能价格比有很大改进,目前在美国和日本等国已经开始商用,在日本已经敷设了约50万线。

  然而,目前实际APON/BPON的业务适配提供却很复杂,业务提供能力有限,数据传送速率和效率不高,成本较高,其市场前景由于ATM的衰落而变得很不确定。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,尽管典型主干下行速率可达622 Mbit/s,但分路后实际可分到每个用户的带宽将大大减小。按32路计算,每一个分支的可用带宽仅剩19.5 Mbit/s,再按10个用户共享计算,则每个用户仅能分到约2 Mbit/s。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。


  3.以太网无源光网络/千兆以太网无源光网络

  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和BPON类似的结构和G.983的基础上,设法保留其精华部分——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以太网无源光网络(GEPON)。在实际中,EPON和GEPON的基本差别就是标准化,前者往往指非标设备,后者指符合IEEE 802.3ah规范的设备。另外,GEPON的传输距离和分路比均比EPON有所减小。

  从EPON/GEPON的结构看,其要害优点是极大地简化了传统的多层重叠网络结构,主要特点有:

  ·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1G bit/s,答应支持更多用户,每用户带宽可以更高,并能提供视频业务能力和较好的QoS;

  ·硬件简单,无须室外电子设备,使安装部署工作得以简化;

  ·改进了电路的灵活指配以及业务的提供和重配置能力。

  IEEE 802.3ah规范的GEPON技术的规范性好,上下行波长分别是1 310 nm和1 490 nm,上下行速率为1.25Gbit/s,传输距离是10/20km,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,可提供语音、数据和电视三合一的所谓"triple-play"宽带业务捆绑服务,而这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持以太网以外的业务。前者是由于采用8B/10B的线路编码,有20%的带宽损失,而APON和GPON都采用不归零(NRZ)扰码为线路码,因此没有带宽损失。再加上承载层、传输汇聚层、业务适配效率等原因,使得EPON总的传输效率很低,大约仅为千兆无源光网络(GPON)的一半。

  4.千兆无源光网络

  2001年,在IEEE积极制订EPON标准的同时,全业务接入网络(FSAN)组织开始发起制订速率超过1 Gbit/s的PON网络标准——GPON。随后,ITU-T也介入到这一新标准的制订工作中来,并于2003年1月通过两个有关GPON的新标准G.984.1和G.984.2(速率提高到2.5G bit/s)。按照这一最新标准的规定,GPON可以提供1.244 Gbit/s和2.488 Gbit/s的下行速率以及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。而且,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、通用的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的传输汇聚层本质上是同步的,并使用标准SDH的125 μs帧,因而使得GPON可以直接支持TDM业务。

  从提供的业务看,GPON不仅可以提供10/100 MBit/s、1 Gbit/s的业务,而且可以提供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 Gbit/s;具有通用的映射格式,可适应任何新老业务;具有丰富的运行、治理、维护和配置(OAM&P)特点;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地传送。

  由于三种PON技术的主要成本都是来自光接口的成本,因而其硬件成本相差不多,传输效率是要害。GPON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等方面都是最高的,因此其总效率最高,等效系统成本最低。例如,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%。总的来看,GPON似乎应该具有更广阔、更长远的应用前景。

  GPON和EPON/GEPON面临的共同挑战有:首先怎样才能在以太网/GFP上有效承载TDM业务并能提供电信级的服务质量;其次,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"并经过不同路由的光网络来实现电信级的保护恢复要求,网络成本将非常高;第三,目前GPON和EPON/GEPON设备的成本主要受限于突发光发送/接收模块以及核心的控制模块/芯片。这些模块要么是技术不成熟无法商用,要么就是价格昂贵难以适应市场需要;第四,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,最适合完全新建或改建的密集用户区域。

  五、结语

  总的来看,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DLC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。我国的发展趋势将可能跨越APON、BPON和EPON阶段,从宽带点到点以太网光纤系统和GEPON开始,乃至很快过渡到GPON阶段。