韋樂平
摘 要 隨著人們對寬帶視頻業務需求的持續增加和IPTV的發展，FTTH在我國的實際應用正日益趨近，光纖到家的理想已經不再是遙不可及的遠景。
本文首先介紹了光纖接入網的優勢，探討了點到點有源光以太網系統及點到多點無源光網絡系統的技術特點，最后對FTTH的發展進行了思考。
關鍵詞 FTTx 光纖接入 FTTH ADSL PON
1 光纖接入網的優勢
就世界范圍看，絕大多數電信公司依然是以ADSL為主發展寬帶接入的，然而，ADSL技術是建立在銅線基礎上的寬帶接入技術，銅是世界性戰略資源，隨著國際銅纜價格的持續快速攀升，以銅纜為基礎的xDSL的線路成本越來越高，而光纖的原材料是二氧化硅，在自然界取之不盡，用之不竭。事實上，當前光纖的市場價格已經低于普通銅線，況且其壽命還遠高于后者。在新輔用戶線路或者老電纜替換中，光纖已經成為更合理的選擇，特別是主干段乃至配線段。其次，作為有源設備，電磁干擾難以避免，維護成本越來越高。作為無源傳輸介質的光纖可以避免這類問題。最后，隨著全網的光纖化進程繼續向用戶側延伸，端到端寬帶連接的限制越來越集中在接入段，目前ADSL的上下行連接速率無法滿足高端用戶的長遠業務需求。盡管ADSL2+和VDSL2技術有望緩解這一壓力，但其速率和傳輸距離的繼續大幅度提高是有限的，不能指望有本質性突破。顯然，隨著光纖在長途網、城域網乃至接入網主干段的大量應用，符合邏輯的發展趨勢是將光纖繼續向接入網的配線段和引入線部分延伸，最終實現光纖到家。關鍵是推進速度有多快？演進方式是什么？這將取決于多種因素，包括市場業務的需求、競爭的需要、應用的刺激、技術的進步，成本的下降，配套運維系統的開發和維護策略等。
2 點到點有源光以太網系統
歷史上，在企事業用戶應用環境，以太網技術一直是最流行的方法，目前已成為僅次于供電插口的第二大住宅和辦公室公用設施接口。
對于公用網住宅用戶應用環境，點到點有源光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120km之遠。這種技術的主要優點是專用接入，帶寬有保證，每用戶可以獨享100Mbit/s乃至1Gbit/s；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，可預測，無需規劃，投資風險低，設備端口利用率較高，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分布密度很高時，光纖和兩端設備的數量及其成本以及空間需求也隨之迅速線性增加，因而不太適合高密集用戶區域。另外，有源光以太網要求多點供電和備用電源，網管管理的元件多，增加了供電和網管的復雜性。第三，從標準化的角度，有源光以太網并沒有一個單一的標準，而是利用多個相關標準，從而產生多種不兼容的解決方案，設備間的互操作性較差。可見，對于公眾用戶市場而言，點到點有源光以太網系統不是一個長遠的主流解決方案，而是一種過渡性解決方案。
3 點到多點無源光網絡系統
3.1 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，簡化了供電配置和網管復雜性，降低了運維成本。其次，PON的業務透明性較好，帶寬較寬，可適用于任何制式和速率的信號。第三，由于其局端設備和光纖由用戶共享，因而光纖線路長度和收發設備數量較少，成本較其他點到點通信方式要低。特別是隨著光纖向用戶日益推進，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，無源光網絡的標準化程度好，基本分為FSAN/ITU和IEEE兩大類，均可提供獨立可行的單一兼容解決方案。因而，我國運營商像多數歐美大型電信公司一樣，傾向于選擇PON技術，而不是點到點有源光以太網系統。
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，這樣當初期用戶數較少或用戶分布超過某一限定距離時，折合每用戶的成本較高，產生大量沉淀成本。另外，其樹型分支拓撲結構使用戶的保護功能成本較高，影響了企事業用戶的發展。
無源光網絡技術的一個重要趨勢是提供多種語音處理方式。為了支持從電路交換網向分組化網的平滑演進，同時規避不同地區分組化進程差異的風險，目前不僅希望無源光網絡可以在局端內置控制模塊，支持采用H.248/SIP協議的軟交換方式的VoIP業務。而且希望可以根據實際需要，在局端采用V5接口與PSTN網相連,提供傳統TDM語音業務。將來則還希望能支持采用SIP協議和IMS體系的VoIP業務。其發展趨勢則是從TDM到軟交換VoIP，最后到基于SIP和IMS的VoIP。
3.2 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敷設了約200萬線。
然而，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，從業務發展趨勢看，APON的可用帶寬仍然不夠，無法滿足網絡和業務的發展需要，不是一種有前瞻性的技術選擇。由于歷史原因，我國已有少量APON/BPON試驗網敷設，但不宜再繼續投資，而應適時地轉向EPON和GPON等新技術。
3.3 EPON
EPON主要基于IEEE802.3ah標準，與傳統點到點以太網主要不同處在于工作在點到多點通信方式。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的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；硬件簡單，協議熟悉，安裝部署工作得以簡化；可以采用成熟的以太網技術甚至芯片，實現簡單，成本低，符合全網分組化大趨勢；改進了電路的靈活指配和業務的提供和重配置能力；初步提供了一些安全機制，諸如VLAN、閉合用戶群、支持VPN和各種加密算法等。
IEEE 802.3ah規范的EPON技術的上下行波長是1310和1490nm，上下行速率均為1.25Gbit/s傳輸距離是10/20km，分路比是32/16，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、數據和電視的所謂三重業務捆綁服務，或者直接以IPTV方式提供集成的三重業務捆綁服務。對于傳送單一以太網業務而言，EPON確實是一種很好的解決方案，但是對于需要提供TDM專線業務和基于TDM的語音業務的情況，則還需要借助其它技術幫忙。EPON的最新發展趨勢是提供2.5Gbit/s的速率,從而可以使設備成本比1.25Gbit/s系統降低30％左右。
EPON的主要缺點是由于IEEE802.3ah只規定了MAC層和物理層，因而MAC層以上的標準靠制造商自行開發，因而帶來靈活性的同時也造成了設備互操作性差的缺點。其次，EPON的總效率較低，主要是由于采用8B/10B的線路編碼，引入20％的帶寬損失，再加上其他的額外開銷，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。GPON的GFP每幀封裝4～65535字節，遠大于以太網的幀負荷46～1500字節，平均開銷少，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總的傳輸效率較低，大約僅為GPON的一半。第三，由于EPON開始主要是以太網設備制造商驅動的標準，因而沒有充分考慮網絡運營商的運營需要，管理功能不夠豐富，但是已經比普通以太網有明顯改進，可以提供遠端故障指示、遠端環回控制和鏈路監視等三項基本管理功能，也能滿足基本管理功能。然而，EPON的網管擴展功能集卻是非標準化的，由廠家自行開發，難以確保互操作，需要重新統一規范。最后，由于在開始階段EPON自身的設計沒有考慮直接支持以太網以外的業務，因而需要采取一些額外的補救措施，因而對于主張多業務支持能力的傳統運營商來說是一個重要缺憾。
例如，語音和TDM業務在相當長時間內依然是運營商的重要贏利業務，為了在EPON上可靠地傳輸語音和TDM業務，必須采用一些EPON之外的輔助技術，目前主要有電路仿真業務（CES）和VoIP業務兩類。VoIP技術方案比較簡單，而且代表了未來的發展方向。但是由于種種原因，目前AG的價格較高，使整個建網成本還較高。此外無法提供E1和N64Kbit/s專線業務,依然需要E1接口，這些都會影響其發展。
3.4 GPON
千兆以太網無源光網絡(GPON)是ITU-T的標準，按照標準的規定，GPON可以靈活地提供多種對稱和非對稱上下行速率，傳輸距離至少達20km，系統分路比可以為1：16，1：32，1：64乃至1：128，在速率、速率靈活性、傳輸距離和分路比方面都比EPON有優勢。所需要的OLT也比EPON減少；其次，GPON采用了兩種適配方式，除了傳統的ATM外，還在傳輸匯聚層采用了一個全新的基于SDH的標準通用組幀程序GFP，這是一種可以透明地高效地將各種數據信號封裝進現有SDH網絡的通用標準信號適配映射技術，可以適應任何用戶信號格式和任何傳輸網絡制式，封裝效率高、業務靈活，全面體現了業務提供商對業務提供的靈活要求。第三，由于GPON的傳輸匯聚層本質上是同步的，使GPON可以很可靠地支持端到端的定時和其他準同步業務，ONU可以很容易提取到同步信號，可以直接高質量地支持實時的TDM話音業務，延時和抖動性能很好。而EPON在承載TDM業務方面沒有具體規定，導致廠家可以采用不同方法來承載，包括一層、二層和三層均可以，互操作性差，性能難以確保。第四，GPON具有電信級網絡所要求的豐富網管功能和保護機制，包括帶寬授權分配、動態帶寬分配、鏈路監測、保護倒換、密鑰交換和各種告警功能等，比EPON考慮周到。第五，在QoS方面，GPON可以通過精確調整各個業務流的時隙指針和長度、ONU的授權帶寬和授權周期來保證業務的帶寬和延時要求，而EPON主要利用優先級隊列結合DBA算法來保證帶寬和延時要求。然而，由于以太網數據包長度變化很大，抖動難以避免，只有靠網絡輕載或ONU數目不多時才能基本滿足不同業務的QoS要求。否則，EPON的QoS難以保證。第六，由于PON技術在下行方向是廣播方式的，因此存在安全隱患。為此，GPON采用了先進加密標準（AES），是目前世界上最先進的加密算法。EPON標準并沒有安全性方面的規范，都是廠家自己采用的方案，安全性不能確保，互操作更難以實施。
從提供的業務看，GPON不僅可以提供10/100Mbit/s，1Gbit/s的業務，而且可以提供VLAN業務和語音業務，事實上可以適應任何現有業務和未來新業務的適配要求。總的看，GPON不是制造商驅動的技術標準，而是一種運營商驅動的標準，因此具有更周到的運營利益考慮，速率更高，速率靈活性更大；具有通用的映射格式，可適應任何新老業務；具有豐富的OAM&P功能；對各種業務均有很高的傳輸效率，即便對于TDM業務也能靈活高效地傳送。可以幫助運營商完成從傳統TDM語音電路向全IP網絡的平滑過渡。
就設備成本而言,目前主要成本是各種電接口和協議處理轉換等，而這方面GPON和BPON要比EPON復雜。其次，就光模塊而言，由于GPON要滿足很高的突發同步時長指標，對于模塊的驅動電路和前后放大器芯片要求很高，還要滿足較高的功率預算，對于長距離傳輸，只能采用分布反饋激光器（DFB）發送機加雪崩光電二極管（APD）接收機或光電二極管（PIN）＋前向糾錯（FEC），其成本要高于EPON模塊的法布里－珀羅腔（FP）發送機和光電二極管（PIN）接收機，成品率也較低，因此整個光模塊成本較高。當然對于中短距離傳輸，GPON也可以采用FP發送機,價格上應該沒有明顯差別。另外，EPON已經進入量產階段，而GPON尚未進入大規模量產階段，因而使目前EPON在成本上有明顯優勢。考慮到未來GPON進入大規模量產后，其設備價格與EPON不應該有很大差異。
另一方面，從組網成本看，由于GPON的速率、分路比和傳輸效率均比EPON高約一倍，因而所需的局端設備OLT可以減少至少一半，可以支持的用戶數也多一倍，因而在整體組網成本上不見得比EPON高很多，甚至在有些場合下更便宜。
GPON的主要缺點是盡管ONU只需要支持ATM和GFP適配中的一種，但是OLT必須同時支持兩種，即依然必須保留有復雜的ATM層功能，再加上光模塊的技術難度較高，使設備成本較高。另外，GPON成熟度不如EPON，目前尚無專業芯片廠商推出真正商用的GPON核心芯片和光模塊，而EPON已經有多家，而且目前核心芯片已經發展到第三代單片系統（SoC）階段，光模塊的成本也已經降到接近普通千兆以太網的水平。
4 業務需求與網絡結構
在當前這樣一個十分復雜的宏觀局面下，業務需求是很難準確預測的。一般來說就未來5年左右的時間里，一個典型中國城市家庭的業務需求大致為：一路高清晰度數字電視（HDTV），約占6～10Mbit/s；兩路標準數字電視（SDTV），約占4～6Mbit/s；上網業務，約占2～6Mbit/s；兩路VoIP，約占200kbit/s，一路交互式游戲，約占300～800kbit/s；視頻通信，約占1～2Mbit/s。考慮必要的開銷并留有一定余量后，業務總帶寬大約至少有20～30Mbit/s。隨著時間的推移和各種高質量寬帶新業務需求的不斷出現，則長遠的帶寬需求可能會進一步擴展到50～100Mbit/s。有了這樣一個大體的業務帶寬要求后，室外網絡結構的配置方式實際上也就基本定型了。
室外網絡結構的形態主要隨ONT的設置位置不同而有下面一些不同基本形態：若將ONT設置在家里或小型商務辦公樓，稱為光纖到駐地（FTTP）或光纖到家（FTTH）；若將ONT設置在分線盒處，稱為光纖到路邊（FTTC）；若將ONT設置在小型公寓小樓處，稱為光纖到公寓小樓（FTTB），典型覆蓋用戶數和距離與FTTC很接近；若將ONT設置在交接箱或遠端設備處，稱為光纖到小區或光纖到節點（FTTN或FTTZ），可以覆蓋數百乃至上千用戶。隨著光纖與用戶距離的變大，每個用戶可以分得的帶寬也相應減少,但是每戶的建設成本也相應明顯降低。
因而，從全局看，FTTN是中近期內一個比較經濟的FTTx解決方案，也應該是當前的主推方案，其主要的應用場合包括：光纜資源緊張的商務區改造，擁有多種業務設備的小區機房的綜合接入改造，大客戶接入及無線覆蓋，新建開發園區和商務區的綜合接入等；FTTH則是一個長遠的理想解決方案，當前主要適于新建商務區和高檔住宅小區；而FTTC和FTTB介于兩者之間，是一個經濟性和前瞻性兼顧的中長期解決方案。FTTx的演進路線將是逐漸將光纖向用戶推近的過程，即從FTTN到FTTC和FTTB乃至最后到FTTH，當然這將是一個很長的過渡時期，這期間，在新建地區直接采用FTTC/FTTB/FTTH都將是一種可行的具有前瞻性的解決方案。
從采用的具體技術而言，每種技術都有其特定的適用場合和市場窗口，就我國的特定發展階段而言，則完全可以跨越APON和BPON階段，從寬帶點到點以太網光纖系統和EPON開始，逐步過渡到GPON階段。
5 FTTH發展的思考
FTTH并不是一種新觀念，已有28年歷史，二次發展契機。第一次1978年是法國、加拿大和日本。第二次1995年左右主要是美國和日本。兩次發展機遇全都由于成本太高，缺乏市場需求而夭折。由于技術的進步、某些國家的宏觀信息社會發展政策和電信監管政策的驅動，2004年起FTTH進入了第三次發展機遇期。
然而，盡管FTTH的設備價格已有大幅下降，但依然幾乎是ADSL的6倍，經營視頻業務的政策風險和市場風險依然很大，我國在2010年左右各種寬帶業務對接入帶寬的總需求還不大可能超過20～30Mbit/s,因而尚不具備FTTH大規模商用的客觀條件，目前主要處于現場試驗和試商用階段。但是對于新建高檔住宅區、小型商務辦公樓等新建區域和老電纜替換區域則完全可以開始規模商用了。
對于處于企業整體轉型的中國電信而言，FTTH已成為關系未來網絡和技術業務轉型的重要領域。中國電信本著“加強領導，積極試驗，適時總結，有序推廣”的指導方針，已經在4個省市開展FTTH現場試驗，為今后的大規模應用積累技術、規劃、業務、商用模式和運維等方面的綜合經驗。隨著人們對寬帶視頻業務需求的持續增加和IPTV的發展，FTTH在我國的實際應用正日益趨近，光纖到家的理想已經不再是遙不可及的遠景，但是足夠的耐性和全面扎實的準備不僅是不可或缺的，也是通向成功的唯一道路。
