寬帶光纖接入網的發展趨勢分析

周生華

摘要:本文重點分析了寬帶點到點有源以太網光纖系統和寬帶點到多無源光纖系統的特點和應用。最后提出我國光纖接入網的發展可能跨越APON、BPON和EPON階段,從寬帶點到點以太網光纖系統和GEPON開始,乃至最終過渡到GPON階段的初步設想。

關鍵詞:光纖接入網;發展

1 點到點有源以太網系統

由于計費、質量、管理、安全等多種因素,以太網作為公用網接入方式尚需進一步改進。

傳統以太網屬于用戶駐地網(cPN)。然而其應用卻在向包括接入網在內的其他公用網領域擴展。歷史上,對于企事業用戶應用環境,以太網技術一直是最流行的方法,目前已成為僅決于供電插口的第二大住宅和辦公室公用設施接口。采用以太網作為企事業用戶接入手段的主要原因是已有巨大的網絡基礎和長期的經驗知識、目前所有流行的操作系統和應用也都是與以太網兼容的、性能價格比好、可擴展性、容易安裝開通以及高可靠性等。

對于公用網住宅用戶應用環境,點到點有源以太網系統采用有源業務集中點來替代無源點到多點系統的無源器件,使傳輸距離可以擴展到1 20公里之遠。主要優點是專用接入,帶寬有保證,每用戶可以獨享100Mb/s乃至1dbs;局端設備簡單便宜;傳輸距離長,服務區域大;成本隨用戶數的實際增長而線性增加,無需規劃,投資風險低,因而在低密度用戶分散地區成本較低。缺點是兩端設備和光纖設施專用,用戶不能共享局端設備和光纖,當需求快速增長且用戶很密集時,光纖和兩端設備數量及其成本以及空間需求也隨之迅速增加,因而不太適合高密集用戶區域。影響選擇以太網技術的另一個因素是傳統視頻業務的提供方式,例如美國地方貝爾公司都承諾提供傳統模擬RF視頻節目,而以太網和模擬視頻節目的混合是很困難的。這方面PON技術就比較容易。

由于計費、質量、管理、安全等多種因素,以太網作為公用網接入方式尚需進一步改進。主要是以太網技術的固有機制不提供端到端的包延時、包丟失率、帶寬控制,難以支持實時業務的服務質量,缺乏安全機制保證等。

2 點到多點無源光網絡系統

隨著IP的崛起和發展,有人提出了EPON的概念,這一思想在以太網界獲得到了積極響應,在IEEE 802.3ah的旗幟下已經形成了GEPON標準。

2.1 無源光網絡技術

無源光網絡(PoN)是一種純介質網絡,其主要特點是在接入網中去掉了有源設備,從而避免了電磁干擾和雷電影響,減少了線路和外部設備的故障率,降低了相應的運維成本。其次,PON的業務透明性較好,帶寬寬,可適用于任何制式和速率的信號,能比較經濟地支持模擬廣播電視業務,具備三重業務功能(triple-play)。最后,由于其局端設備和光纖由用戶共享,因而線路成本較其他點到點通信方式要低,土建成本也可以明顯降低。特別是隨著光纖向用戶日益推進,其綜合優勢越來越明顯。PON的每用戶成本隨著分享OLT的用戶數量的增加而迅速下降,因而最適合于分散的小企業和居民用戶,特別是那些用戶區域較分散,而每一區域用戶又相對集中的小面積密集用戶地區,尤其是新建區域。最后,考慮采用PON技術后比較容易繼續提供傳統的模擬視頻節目,因而,多數美國地方貝爾公司傾向于PON技術,而不是光以太網技術。

PON的主要缺點是一次性投入成本較高,因為局端光線路終端OLT很貴,光纖和分路器等無源基礎設施又必須一次到位,這樣當用戶數較少或用戶分布超過某一限定距離時,每用戶的成本很高。另外,其樹型分支拓撲結構使用戶不具備保護功能或保護功能成本較高,影響了大規模發展。

2.2 APON和BPON

早期的窄帶無源光網絡是基于TDM的,性能價格比不好,已經自然消亡。一個ATM化的無源光網絡(APON/BPON)可以利用ATM的集中和統計復用,再結合無源分路器對光纖和光線路終端的共享作用,使性能價格比有重要改進,目前在美國和日本等國已經開始商用。

然而,目前實際APON/BPON的業務適配提供很復雜,業務提供能力有限,數據傳送速率和效率不高,成本較高,其市場前景由于ATM的衰落而黯淡。最后,從長遠的業務發展趨勢看,APON的可用帶寬仍然不夠。以FTTC為例,盡管典型主干下行速率可達622Mb/s,但由于分路后,實際可分到每個用戶的帶寬將大大減小。按32路計算,每一個分支的可用帶寬僅剩19.SMb/s,再按10個用戶共享,則每個用戶僅能分得約2Mb/s的帶寬而已。顯然,這樣的性能價格比是無法滿足網絡和業務的長遠發展需要的。

2.3 EPON/GEPON

隨著IP的崛起和發展,有人提出了EPON的概念,即在與APON和BPON類似的結構和O.983的基礎上,設法保留其精華部分-物理層PON;而以以太網代替ATM作為鏈路層協議,構成一個可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業務能力的新的結合體-EPON。這一思想在以太網界獲得到了積極響應,在IEEE802。3ah的旗幟下已經形成了GEPON標準。在實際中,EPON和GEPON的基本差別就是標準化,前者往往指非標設備,后者指符合IEEE 802.3ah,規范的設備。另外,GEPON的傳輸距離和分路比均比EPON有所減小。

EPON/GEPON與傳統點到點以太網主要不同處在于工作于點到多點通信方式。其下行方向工作于TDM方式,數據流以變長以太幀方式廣播到ONU,每個ONU根據以太幀的MAC地址,決定取舍。上行方向工作于TDMA方式,來自不同時隙的ONU數據流匯聚到公共光纖設施和OLT。此外,傳統以太網工作于連續光傳輸模式,在收發兩個方向都是連續的比特流,因此收端的定時和判決容易實現。而EPON/GEPOkI的ONU上行比特流是輪流發送的突發數據包,OLT的接收定時恢復、判決門限設置、測距和延時補償比較復雜。

從EPON/GEPON的結構上看,其關鍵優點是極大地簡化了傳統的多層重迭網結構,主要特點有:

——消除了ATM和SDH層,從而降低了初始成本和運行成本; ——下行業務速率高達1Gb/s,允許支持更多用戶,每一用戶的帶寬可以更高,并能提供視頻業務能力和較好的QOS——硬件簡單,無須室外電子設備,使安裝部署工作得以簡化; ——可以大量采用以太網技術成熟的芯片,實現較簡單,成本低;——改進了電路的靈活指配和業務的提供和重配置能力。

IEEE 802.3ah規范的GEPON技術的規范性好,上下行波長是1310和1490nm,上下行速率為1.25Gb/s,傳輸距離是10/20km,分路比是16,主要業務是數據和語聲,增加一個1550nm電視廣播波長后,成為語聲、數據和電視三合一的“triple-play”寬帶業務捆綁服務,而這將是未來家庭業務的“殺手锏應用”。

EPON/GEPON的主要缺點是效率低和難以支持以太網以外的業務。前者是由于采用8B/10B的線路編碼,引入20%的帶寬損失,再加上其他開銷,可用負荷僅50%左右,而APON和GPON都采用NRZ擾碼為線路碼,沒有帶寬損失。再加上承載層效率、傳輸匯聚層效率、業務適配效率等原因,使EPON/GEPON總的傳輸效率很低,大約僅為GPON的半。

2.4 GPON

由于三種PON的主要成本(約70%)都是光接口,因而其硬件成本理應相差不多,但是由于實現技術上的差別,目前GEPON的難度最小,成本最低。但就傳輸效率而言,則GPON無論在擾碼效率、傳輸匯聚層效率、承載協議效率和業務適配效率方面都是最高的,因此其總效率最高。例如假設TDM業務占10%,而數據業務占90%,則GPON的總效率為94%,而APON和GEPON分別為72%和49%。

GPON和EPON/GEPON面臨的共同挑戰有:怎樣才能在Ethemet,/GFP上有玖承載TDM業務并能提供電信級的服務質量;其次,由于GPON和EPON/GEPON是點對多點的星形或樹形網絡,需要通過一個1+1并經過不同路由的光網絡來實現電信級的保護恢復要求,網絡成本將非常高;第三,目前GPON和EPON/GEPON設備成本主要受限于突發光發送/接收模塊以及核,心的控制模塊/芯片。這些模塊要么是技術不成熟無法商用,要么是價格昂貴還難以適應市場需要;第四,GPON和EPON/GEPON的一次性投入成本較高,不太適合逐步投資擴容的傳統電信建設模式,最適合完全新建或改建的密集用戶區域。

3 結束語

總的來看,光纖接入網代表了寬帶接入網的長遠發展方向,各種寬帶光纖接入網都有其最佳使用場合和時機,寬帶點到點有源以太網光纖系統適合在低密度用戶分散地區應用,寬帶點到多點無源光纖系統最適合新建或改建的密集用戶區應用。我國的發展趨勢將可能跨越APON、BPON和EPON階段,從寬帶點到點以太網光纖系統和GEPON開始,乃至較快地過渡到GPON階段。