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光纤到家(FTTH)曙光初现

浏览次数: 日期:2018-07-18 07:17

  石英单模光纤有损耗极低、频带极宽和抗电磁干扰等突出优点,是最好的信息传输物理媒质,自20世纪70年代发明以来,已经造就了一个光通信的纪元,现在全球80%的通信流量是通过光纤来承载的。光纤通信系统从局间中继起步,发展到长途干线(包括城市间通信和跨越大陆、海底的国际通信),再延伸到用户环路(Fiber in the Loop)。所谓光纤用户环路是把电话程控交换机的用户模块抽出来放到远端,两者之间用光纤连接,而远端模块与用户终端之间仍保持双绞铜线连接。另外,计算机数据业务和视频业务(如CATV)分别用非屏蔽双绞线同轴电缆传到用户终端。

  摘要:本文论述光纤到家(FTTH)的世界趋势。在简单回顾FTTH的早期尝试之后,指出了作为FTTH实现以前的各种过渡性的宽带接入方式的缺陷和光纤到家的必然趋势。接着分析了十五年来光通信领域导致FTTH的条件逐步成熟的巨大进步。介绍了近三年来FTTH在世界各国起步的实际情况及当前正在发展的关键技术。最后提出了中国广电人的对策。

  电信部门推行的FTTC(光纤到路边)+双绞线ADSL,在原理上下行速率可到8Mbps,上行速率可到1.5Mbps。但由于电话电缆各线对之间串音的限制,实际上一根电缆中只有很小一部分线对能用于ADSL,推广普及很不容易。而且容许速率随距离增大而降低,其带宽不足以实现全业务网。表1给出了各种宽带业务的带宽要求,ADSL不能满足其中大部分商业应用或消费应用的需求。

  为节省光纤网络资源,一点到多点的无源光网(PON:Passive Optical Network)是优选的物理拓扑,如图1所示。该网络由置于局端的光线路终端(OLT)、置于用户端的光网络单元(ONU)及两者之间的1:N光纤分配网(ODN)组成。N(N=16-32)个ONU共享一个OLT和长达10-20km的光纤干线,并利用波分复用器(WDM)工作于单纤双向传输方式。ODN是无源的,网络的户外线路上没有任何有源部件,敷设简单,不需供电和维护,这些都保证了网络的低成本。

  美国现在已有FTTH户数5万,预计2005年将达到2003年日本的规模。美国的CableModem用户数超过ADSL用户数几乎一倍,电信运营商看好EPON,把它作为扩大宽带用户,以便胜过CATV公司的新一代技术手段。最近美国三大电信运营商—南方贝尔、SBC、Verizon已经联合部署FTTH计划,并决定于2004年春天启动在犹他州盐湖城等18个城市的大规模的FTTH现场试验和商用。这项工程计划耗资4.7亿美元,是世界上最雄心勃勃的敷设光缆的行动。另外在加州的Truckee、Sacramento等城市,FTTH的工程也在计划之中。

  韩国现在是世界上宽带网络入户率最高的国家(约20%),FTTH正在启动,预计2004年会在光州市开始试点。他们发展FTTH将对世界宽带接入网的发展具有进一步的示范意义。

  数据网络公司提倡的FTTB(光纤到楼)+5类线局域网(LAN),在现有的以太网技术体制和速率下(例如100Mbps到楼,10Mbps到家),不能兼容电视业务,又存在信息私密性问题和住宅布线Mbps到家,带宽虽然足以支撑全业务网,但要保证家庭用户的信息私密性就必须在住宅楼内装设千兆位以太交换机并采用VLAN工作模式,使网络造价很高。从本质上看,传统以太网是局域网而不是接入网,它是一个点到点(peer to peer)的对等网络,没有网络管理,本来就是设计给办公室共享环境的,不满足面向公众用户的本地接入网的要求。

  由此可见,EPON与传统以太网的主要区别在于传统以太网是点到点(Peerto Peer)的对等网络,而EPON是点到多点的主从网络。传统千兆以太网工作于点到点的连续光传输模式,在收发两个方向上有连续的数据比特流,因此接收端的定时、判决等操作容易实现。EPON的上行运行则颇为不同,由于各个ONU的光发送机轮流发送,OLT光接收机收到的是突发的数据包,而且由于各个ONU的地理位置不同,发自不同ONU的光信号在到达OLT时强弱可能悬殊很大,到达延时也不同,这就要求OLT的光接收机必须工作于突发模式,能在光信号到达的800ns时间内完成时钟恢复、自动判决门限设置,并进行测距和延时补偿。

  在21世纪中国广播电视行业正面临新的发展机遇和各种新技术的挑战。有线电视的HFC网虽已覆盖1亿家庭,但网络的双向化遇到了很大的困难,进展缓慢。许多城市的广电部门宁肯用光纤、路由器、以太交换机另建一个IP网,用5类线入户,而不愿斥巨资去改造同轴电缆网。这就是说实际上我们的许多广电部门都拥有了HFC网和以太网两种接入手段(分立的A、B平台)。当进一步的发展要求HFC网缩小光节点规模的时候,广电人完全有可能采用融合电视业务的EPON新技术而将A、B平台统一起来。统一之后,同轴电缆在户外将被取消,一根光纤通给家庭,用户传输设备是一个具有RJ45数据接口、F型射频电视接口、RJ11电话接口的ONU,它实际上起一个住宅网关的作用。在这样的系统中取消了传统的射频放大器和CableNodem,ADSL也无用武之地。机顶盒则被集成进了电视机。用户终端设备是电脑、电视机和电话机。这是何等的经济,何等的简洁和何等的功能强大啊!而要达到这一美好境界,广电人需要更新思路,对FTTH新技术要不排斥(不要以为EPON仅是电信的事)和勤学习。在当前的HFC网扩充改造中特别要注意,下行广播电视光波长一定要转换为1550nmn,以便把1490nm /1310nm波长留给双向数据业务。

  美国AT&T Labs(原Bell实验室)对FTTH的思考相当深入,亦相当冷峻。讲座论文Fiber to the Home: Niche market or UniversalBroadbandAccess? 中作者认为:(1)FTTH需要满足各种业务特性的要求,而这是不容易的;(2)FTTH需要尽可能高的入户率,以降低每户成本,而初期入户率较难保证;(3)缺少一个商业模式是FTTH推进的障碍;(4)FTTH将在技术和经济两方面产生一种自然的垄断,这需要新的规则和立法的支持。现在只适于在某些局部垄断市场推广;(5)FTTH需要支撑性的关键应用的出现,这种应用要有对上行带宽的巨大的需求,仅仅有包括HDTV在内的数字视频广播还是不够的。这种关键应用要有较多的收入和较少的竞争;(6)可容许对物理设施的垄断,但对业务要开放,以促进开发和竞争。

  由于常规石英单模光纤的弯曲损耗大,融接不易,日本Fujikura公司和美国OFS公司已开发适于FTTH室内布线的对弯曲不敏感、连接损耗低的石英单模光纤。图2(b)为壕沟折射率单模光纤的折射率分布。这种光纤的弯曲损耗比常规单模光纤明显降低,而机械连接的损耗达到了常规单模光纤熔接的水平。

  ·英国Openreach宣布将携手华为诺基亚部署FTTH网络(7-11)·印度RJIL计划推出FTTH服务:继无线市场之后搅动固网市场(7-9)·毛谦:FTTH未来仍有发展空间,5G不会取代家庭光纤连接(6-13)

  Sprint就是一例。Sprint从1986年起就是FTTH概念的探索者和实践者。它在两年前就已得出结论:FTTH的网络成本和技术已适合于近期应用。所以在Sprint,关于FTTH的规划和工程,涉及户外网络设计、测试、客户服务系统、供应商选择和网络演变都已经开始,2002年8月第一个客户已经接入Sprint的FTTH平台。Sprint意识到FTTH平台的实现主要依靠它比现在的铜双绞线网络有低成本的潜力来驱动。另外,设计要求是FTTH须有优良的可靠性和便于安装。Sprint给出的总的FTTH设计准则如下:(1)支持传统电线)支持所有当前的消费者和小企业数据业务;(3)支持传统的广播娱乐视频业务;(4)必须满足所有从电路交换分组交换网络的要求;(5)在户外环境没有电子设备;(6)在户外没有光连接器;(7)采用光缆分配、安装和融接的传统方法;(8)每个住宅一根光纤;(9)采用传统的电话/视频业务接口—GR-303电线家庭电话接口、F型电视接口;(9)具有8小时电池备份为家庭电子设备供电;(10)必须达到与标准铜线网络相同的性能和可靠性指标。

  1998-2000年期间世界由因特网数据流量剧增引发了光纤热,人们把注意力集中在了密集波分复用(DWDM)光传送网及所需的器件、设备和技术上,大量敷设了多波长高速光纤骨干网,对以光插分复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)为典型功能设备的全光交换网也付予了极大的热情。相比之下光科技界对接入网关心不够。电信公司热衷于ADSL,CATV公司陶醉于HFC,数据网络公司推销5类线以太网,于是超前的骨干网与落后的接入网日益形成巨大的反差。由于接入网的带宽瓶颈没有克服,各种业务上不去,因特网泡沫破裂导致光泡沫破裂,大容量光纤干线大量闲置,巨大的投资不见回报,使世界于2001-2003年陷入了光产业的冬天,这个教训是深刻的。在反思中,政府决策者、投资家、工业领袖和科技工作者应当认识到,在热心发展多波长Tb/s光传送网的同时没有大力发展涉及千家万户的宽带接入网不能不说是一个历史的失误。

  EPON是一种新兴的、面向未来的宽带接入技术,它结合了Ethernet技术的简单性、光传输的高带宽,以及点到多点结构的低成本,实现经济的、可控制的、多业务的宽带接入。

  广播电视部门按FTTF(光纤到节点)模型建造的光纤同轴混合网(HFC)具有5-860MHz的带宽,利用频分复用可以兼容模拟和数字业务(包括电视、电话和数据)。经过对射频载波的调制数字业务由电缆调制解调器(Cable Modem)或机顶盒(STB)承载,一个上行、下行通道的传输速率可以分别达到41.0Mbps和53.6Mbps(按最新的DOCSIS 2.0标准分别采用256QAM和1024QAM调制)。但HFC存在上行频段拥塞和上行噪声干扰严重的问题,为了克服这些困难,只好把光节点规模逐步缩小,例如从20,000~2,000户缩小到500~300户。即使这样,由于上行带宽共享,在确保25dB载波干扰比的前提下,每户的平均传输速率最高只能达到136.5kb/s,这不足以支撑全业务网。

  长期以来人们一直在想,光纤这样好的传输介质为什么不把它延伸到家庭呢?实际上早在80年代后半期美国、加拿大、日本、法国、德国、英国就进行了数百个光纤到家的试验,一时间光纤岛、光纤城的新闻不绝于耳,但几年后都偃旗息鼓,盖因那时技术经济条件还不成熟,用户承受不起。于是实行战略退却,美国AT&T先后提出了非对称数字用户环路(ADSL)和光纤同轴混合网(HFC)的概念,用于构造宽带接入网,加上已经存在的计算机局域网LAN),这样就形成了在接入网区段电话、电视、数据三种技术体制并存的局面。

  中国广电到2002年拥有了覆盖一亿户家庭的光纤同轴混合网(HFC),后者已双向化的部分约有10%。各大中城市又与HFC网并列建立了规模不等的IP城域网和以太局域网,采用5类线入户。为了发展数字电视主业务,国家广电总局规划,到2005年,基本实现数字化的络要达到300个以上,用户规模达到3000万户。2010年要在东部发达地区基本普及数字电视。

  日本NTT公司是当前世界FTTH运动的领头羊。虽然高速(24Mb/s)ADSL是现在日本的主要宽带业务,但是有CATV运营商、电力公司和房产商参与的宽带竞争已经导致FTTH市场的开发。NTT接入网业务系统实验室在OFC’04的报告称,NTT最初的FTTH业务是1997年与CATV运营商联合发动的,NTT提供一根光纤把多频道电视信号传送到家庭。NTT的目的是让CATV运营商来分担光纤到家的费用,但这个主意没有得到CATV运营商的完全接受,开展这种业务的地域就没有得到充分的扩张。2000年NTT开始提供基于IP的FTTH业务,其中VLAN是第一项业务。2001年NTT广泛地发动了称为B-FLET的FTTH互联网接入业务,服务对象既有企业用户,又有住宅用户。依据目标用户的不同,B-FLET提供5种服务类型:商务型、基本繁忙用户型、家庭大用户型、公寓型和大楼型。起初由于收费较高,故服务范围有限。从2002年末起NTT降低了收费,服务区域就迅速扩大,FTTH用户数就高速增长起来。NTT的报告描述了日本高速接入市场的竞争环境、最近的FTTH条件、光接入系统EPON、相关技术(如成缆与布线方法)、实际敷设经验、研究开发课题等。NTT已经取得FTTH成功的经验,并已采用EPON做出了更大规模FTTH的发展规划。

  可以这样说,光纤到家(FTTH)和光纤到办公室(FTTO),或总称为光纤到用户终端(FTTP)的全光接入网是信息高速公路最初一英里的最终解决方案,是电话、电视、数据业务融合的最后归宿。它的实现对于推进人类社会信息化将具有划时代的意义。

  2000年11月美国IEEE成立了802.3EFM(以太第一英里)工作组,开始进行基于以太数据帧的接入网(EAN)的标准化。千兆以太接入网标准IEEE802.3ah的正式文本将在2004年6月诞生,内容包括点—点以太铜线链路、点—点以太光纤链路和点—多点以太无源光网Ethernet-PON(简称EPON)的全部通信协议。

  850nm垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的价格已可降到3-5美元。长波长VCSEL已取得技术突破。这种器件体积小,效率高,工作速率可达10Gbps,而成本很低,有望成为未来住宅微型双向光收发器的光源。

  在欧洲,意大利已有14.5万FTTH用户。瑞典有24.5万FTTH用户。荷兰正在鹿特丹和阿姆斯特丹实施两个FTTH工程,共有用户约60万户。在澳洲,澳大利亚有18个与FTTH有关的项目正在实施,并有FTTH的现场试验。

  综上所述,未来3-5年内中国的宽带接入网用户数将达到6000万户的规模,估计其中以太网的户数可占50%,这是FTTH的潜在市场。但是和光纤到家的世界新趋势相对照,中国光通信科技界、工业界、网络运营商和政府部门对FTTH的认识还是贫乏或粗浅的,较多的注意力放在了高速骨干网和城域网,而太少的注意力放在宽带接入网。殊不知,现在信息瓶颈不在核心网而在于接入网。核心网技术超前于社会需求,而接入网技术落后于社会需求,这已经是世界通病。

  在EPON上叠加TDM电话信号有两种方法。一种是带内方法,将E1数字信号(30路电话)封装进以太帧,与数据信号一道传送。另一种是带外方法,把E1数字信号与以太数据信号在物理层复接,然后通过EPON的光路发送。这个方法的关键优点是TDM信号不占用以太数据的带宽,也不需要打包、排优先级、缓存和流量管理,其结果是一个组合的Ethernet/TDM平台,比实现VoIP和TDMoIP简单和价廉,而且完全保证电话业务的业务质量(QoS)。

  (5)在一根入户光纤中融合数据、电视、电话三大类业务的技术已经开发以EPON为基础,采用粗间隔波分复用技术,人们可以容易地将射频电视信号叠加在统一光纤物理构造中。如图8所示,CATV信号用1550nm波长的光发送机发送,经掺铒光纤放大器(EDFA)放大,再通过WDM合波器在OLT的线nm波长的EPON下行光波混合。在ONU的线路侧,CATV光信号通过WDM分波器与EPON的下行光波分离,被CATV光接收机还原为CATV信号。这种把EPON和CATV网络结合起来的物理基础还在于两种网络都是一点到多点的网络,可以设计成具有同一的拓扑结构,如图9所示。

  中国已成为世界上宽带接入网增长最快的国家。到2003年底,中国电信网通已拥有宽带用户1000万户。中国电信的目标是建成适合全业务需求的、灵活可靠的宽带接入网。力争到2005年,中国电信的宽带用户数达到2000万户。为了实现这个目标,中国电信的规划已提出:继续大力推进接入网光纤化的进程,使光节点尽量靠近用户,在城市实现光纤到路边、光纤到小区、光纤到大楼,部分发达地区的农村实现光纤到乡镇和人口密集、经济条件好的村落;大力发展ADSL接入;积极推进以太网接入;对于其他宽带接入方式(包括VDSL、FTTH等),中国电信将密切关注研究的进展,并根据网络的实际情况和发展需要,选择适当的新技术开展网上试验。广东省电信公司已于2002年制定了发展EPON业务的规划。北京电信即将进行EPON试验,已决定为2008年奥运会建立FTTH小区。

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  日本一马当先,吹起了FTTH的号角。2002年1月FTTH户数只有1.2万户,第3季度发展到10万户,2003年3月已超过26万户,到2003年7月FTTH户数达到了53.1万户,年终达到了100万户。现在每一季度增加150万户,呈爆炸式增长。日本政府的IT战略总部在2001年1月宣布了“电子日本战略”,其目标是:在五年内使日本成为世界上最先进的IT国家。计划建立一个超高速的网络构造,使所有需要它的居民都能以可负担的费率享有30-100Mb/s的超高速接入,达到至少为3000万家庭提供高速接入,为1000万家庭提供超高速接入,其中773万家庭用光纤接入。日本宽带接入网的发展计划如图10所示。

  在从OLT到ONU的下行方向EPON工作于TDM方式,如图5所示。由变长(64-1518byte)以太帧构成的数据流从OLT广播到多个ONU,每个ONU根据以太帧所带有的MAC地址,确定该以太帧是被接收或被遗弃。在从ONU到OLT的上行方向EPON工作于TDMA方式,如图6所示。每个ONU的发送时隙由OLT安排,相互错开,使得各个ONU的数据包(包含1个或多个以太帧)汇合到公共光纤的时候,不会发生互相碰撞。在入网注册以后,每个ONU在OLT安排的时隙报告自己的用户数据队列情况(服务等级、队列长度等),OLT根据各个ONU的报告及既定策略给每个ONU安排发送时隙的起点和长度,实现动态带宽分配。

  上述三种接入方式来源于电话、电视和数据三网分立,如果任其推广下去,就会造成接入网的三网重叠,资源浪费,使用户不堪重负。既然上述三种接入网各有自己的问题而谁也取代不了谁,就应当寻找别的业务融合的道路。实际上在上述三种网络的发展过程中我们看到了一个共性,即光节点一天天向用户靠近,人们又一步步向FTTH逼近。

  为实现TDMA通信,EPON的802.3ah协议栈对千兆以太网协议栈作了修改和扩展。如图7所示,802.3ah协议栈增添了多点MAC控制(Multi-Point MAC Control)、运行管理维护(OAM)、点到点仿真(PtP Emulation)三个子层。实现802.3ah协议栈的IC芯片开始问世。

  美国一年一度的光纤通信会议(OFC)是世界光科技界和光产业界的晴雨表,在近年的OFC上,人们在呼吁要特别关注宽带接入网,认为它是光泡沫破裂后推动光产业复苏的原动力。关于光纤到家的议论逐渐增多。在OFC’2004上,FTTH成了一个热门话题。有一个专题讲座,又发表了20多篇论文,涉及新型室内光纤、光收发器、VCSEL、Ethernet-PONWDM-PON、FTTH敷设、FTTH规划等。

  从物理本质上说,唯一能够从根本上彻底解决宽带接入瓶颈的技术手段是全光接入网—光纤到楼(FTTB)和光纤到家(FTTH)。通过FTTH实现全业务光接入网是世界通信界人们的理想。

  由于以太网具有协议简单和市场普及率高的优势,在各种FTTH方式中,以太无源光网(EPON)无疑是最经济的、应用前景最好的方式,将在FTTH的逐步实施过程中扮演重要的角色。

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