走向客户端的光通信发展探讨

作者：樊自甫 李秉钧 万晓榆 来源：中国电信网

【导读】 随着客户端业务对带宽和质量需求的增加，当前光通信的一个特点是客户端已成为光通信最大的技术和市场空间。 本文从客户端入手，首先指出光通信走向客户端的发展趋势，分析了走向客户端的光通信的特点，接着介绍了几种走向客户端的技术途径，重点分析了PON在客户端光通信网络中的应用特点，最后对客户端接入的组网方式做了进一步的探讨。

1、光通信的一个发展趋势是走向客户端 

　　目前，光通信的发展热点是光网络向客户端延伸，推动这种延伸的市场动力体现在新业务对带宽和质量的需求，可以举出在以下几个方面上的表现。 

　　3G的发展与商用。3G为用户提供了更高的数据传输速率（室内静止传输速率可达2Mbit/s、室外步行传输速率为384kbit/s、室外车辆运行传输速率为144kbit/s）。相应地，接入带宽需要进一步的提高，如在RAN的Iub接口上倾向于采用基于STM-1的光接口。

　　基于IP的业务是另一个增长点。随着VoIP特别是各种基于PC的软终端的使用，人们可以方便地通过互联网实现音频和视频通信，多媒体业务的应用需要为客户提供更高的数据传输速率和服务质量（QoS），而这要求以带宽为保证。

　　增值业务也是一个增长点。例如移动IVR（Interactive Voice Response，互动式语音应答）业务，增值业务的使用对用户的接入带宽也提出了更高的要求。

　　以“triple play”为代表的多种业务的融合，提出更宽的带宽需求，促进光通信在用户端的应用。MPLS也正在逐步走向客户端，促进客户端业务的进一步增长。

　　由以上可以看出: 随着各种业务的发展，用户对带宽以及通信质量的要求，使得光通信正逐步走向客户端，客户端已成为光通信目前最大的发展空间。图1给出了光通信的主要技术发展趋势。

2、客户端光通信网络的特点

　　新一代客户端光通信网络是一个高效率、投资收益较为显著的网络，同时是一个以业务为取向的网络，表现为存在多种业务类型。表1给出了基本网络业务的一些特点，在每一种业务类型中随时会出现新的内容。

　　技术的发展和业务的多样化需求使人们改变了客户端光网络的传统观念，表2对新一代客户端光通信传送机制的主要变化做了简要归纳。

3、光通信走向客户端的技术途径

　　如前所述，客户端新业务需求的推动力在于对质量和带宽的不断增长的需求。光通信在走向客户端的过程中以不同的技术途径满足用户对质量和带宽的需求。

　　第一种技术途径是采用低价格PDH、SDH、MSTP等光传输设备作为用户数据的接入设备。一方面，按照客户端要求而开发的PDH、SDH、MSTP等，价格降低到可以为客户接受的水平，已逐渐成为光通信走向用户端的重要装备；另一方面是利用PDH、SDH、MSTP等设备作为接入的传输设备，一定程度上可以避免其他宽带接入技术（如xDSL、WLAN接入等）中存在的不足。例如，SDH等设备良好的生存性能，可以为用户数据提供50ms内的快速保护，尤其为企业用户所欢迎。

　　另外一种技术途径是基于FTTP、FTTH的光纤接入，此接入方式的优点不言而喻，业界主要关心的是“What Products，How Many，How Fast”的问题。据Dittberner Associates公司发布的预测报告称，到亿美元，2004约为37亿美元。该公司还预测亚太地区在2013年将成为全球最大的FTTH市场，总投资为120亿美元，占全球的52.8%。其中中国又占该地区的近一半，约46％。目前，FTTx已占全球宽带接入线路7.3%的市场，Point Topic于2004年9月份公布的资料显示，截至2004年7月底，全球的DSL增加量在过去12个月超过3000万条，增长率达66%，全球DSL线路累计有7800万条；Cable modem与其他的宽带接入方式则增加了39%，达到4500万条。去年光纤到楼（FTTB）的增长比较显著，截至7月底已有900万条线路，相当于7.3%的比例，而其他如固定无线接入以及卫星接入技术只占了宽带线路总数的0.3%左右 。例如武汉电信分公司 采用烽火研发的光接入设备，由电信运营商主导的“光纤到户”——数字家庭应用试点网在武汉开通，

　　目前已有200户家庭光纤到户（FTTH）业务用户。点网总投资360万元，首期容量408户。无源光网络PON是光纤直接到客户驻地的最受关注的技术实施途径。当然，除光纤接入外，在整个解决客户端宽带接入问题上，同时还xDSL、HFC以及无线接入等多种形式。

　　开拓高带宽的xDSL接入（包括FTTx＋xDSL接入方式）。ADSL可在一对双绞线上提供上行640kbit/s、下行8Mbit/s的宽带接入。ADSL2+和VDSL、UDSL的下行速率分别高达20Mbit/s和50～100Mbit/s，其中UDSL最多可保证3个高清晰度电视的传输，传输距离也可以达到4～6km。但是，与光纤接入相比，xDSL在带宽上仍有不足。

　　采用HFC接入。由于CATV网络覆盖较为广泛，而且同轴的带宽比铜线的带宽要宽得多，可以更大程度上满足用户在带宽上的需求。但是，HFC接入存在的问题，如HFC接入系统为树型结构，同轴的带宽是由所有用户公用的（相当于一个10Mbit/s的共享式总线型以太网），而且还有一部分带宽要用于传送电视节目，用于数据通信的带宽受到限制; 另外， 树型结构使其上行信号存在噪声积累。使用HFC接入需要解决双向通信关键是解决上行的通信。这里，我们可以采取下面两种解决方案，一种是另外使用一条线路，如电话线作为上行链路; 另一种是在频带中或目前未使用的高频部分门需要协调节目源、 分配节目源和数据以及数据传送的方式等问题。

4、PON在客户端光通信中的应用

　4.1 PON技术的发展

　　在客户端光通信中，人们的重点放在了PON技术上。目前，在用户的不断增加和吉比特交换的推动下，PON出现三头并进的局面。一个是符合ITU G.983的宽带PON（BPON），包含622Mbit/s下行链路和155Mbit/s上行链路各一条，还有第3个波长支持RF视频传输。

　　一个是符合IEEE 802.3ah的Gigabit Ethernet PON (GE-PON)，考虑克服BPON的缺点，采用吉比
特以太网技术，成为IP通过PON进入接入网络的平台。一个是符合ITU G.984的吉比特容量PON （GPON），具有高达2.4Gbit/s的速率，既可以支持以太，又可以支持ATM。

　　目前，国内部分高校和公司正在投入力量研究EPON、GEPON技术，并从实现传输汇聚（TC）功能（包括突发同步、测距、带宽分配、帧定界和帧同步、扰码和解扰码、比特间插奇偶校验BIP8、误码率（BER）控制和运行维护管理OAM等）入手提出了EPON系统专用芯片设计方案，因为要想做到低成本特别是ONU的低价格和免维护，一个关键的途径是开发并应用ASIC芯片。此外，还针对基于动态带宽分配的接入控制方式以及ONU的自动加入等相关问题进行进一步的研究。

　　目前PON的一个研究方向是SuperPON，其分支比可达2048单位，使用两级光放大器（位于交换局和馈线与配线之间，即分支点）使传输距离达到100km，为保证用户有足够的带宽，比特率也作了进一步的提高，下行2.5Gbit/s，上行311Mbit/s。下行方向采用EDFA光纤放大器，较为简单，但EDFA时间常数较长。上行方向位于馈线与配线之间（即分支点）处的上行放大器对来自多个ONU的输入进行接入（漏斗噪声的汇开辟一个上行通道。不管采用哪种方案，不同的运营部 合点）。

　4.2 PON的优越性

　　从PON的结构及其原理可以看出，PON具有下列优势：容易实现带宽共享，不仅适用于传统的电路复用也适合于统计复用; 采用分支器件使供电和连接更为简单，而且今后的速率升级也较为容易。

　　然而，这些优点是在克服诸多技术难点（从而产生一定的成本）的情况下才得以实现的。例如：在上行的TDMA复用采用的测距离技术方面，由于光缆中信号传输时间大约为5ns/m，而STM-1、STM-16、GE系统的比特周期分别只有6.4ns、0.4ns、0.8ns。可见随着速率的提高，测距和上行成帧的难度将会大幅度增加。

　　可以采用控制激光器， 使其在突发数据发送时开通的工作模式，来减少上行分支器漏斗效应的影响，但是，由于激光器的动态特性，当传输速率非常高的时候激光器的预偏置时间将变得非常小，加大了此工作模式的实际应用难度。如果使用放大器（用上行光放大器主要是为了增加分支器到OLT间主干通道的传输距离和增大分支器的分支比，除非成本和价格降到可以接受的程度，否则一般不会在ONU处使用光放大器），突发模式下EDFA时间常数太长而不理想。

　　我们希望的是相关技术措施可以工业化， 而且以尽可能少的成本来提高PON的性价比，这样PON的低价格优点便可以在组网中得到发挥。在FTTH引入PON的出发点是利用PON的低价格优势。由此目的，PON的主要应用有如下原则。

（1）接入网络靠客户的末端的部分；

（2）ONU服务的客户不强调要冗余或迂回保护；

（3）OLT可以设立在生存性能好的节点处，例如有迂回保护的节点；

（4）用户地理位置相对集中。

　4.3 PON下行网络的安全性能限制其应用 

　　PON的同一个分支下面的各个不同用户收到相同的信号，从时间分割的信号中分离自己的时间间隙。除非用户不属于OLT同一个分支的PON系统，否则信息的安全将得不到保证。

　　为此，需要在PON中引入适当的加密措施，但不能根本上解决问题。例如EPON，每半个字节使用了8bit的密钥去置换码。如果要采用穷举法窃听，只需要掌握一些截获的码文， 再一组一组地用可能的密钥对其进行试解密，最终获取码文的原始信息。作为一种对策，扰码密钥需要不断的更新，且更新周期一般小于1s。新密钥由ONU通过非广播式的上行链路定期发送给OLT，此处理形式安全问题可以得到很好解决吗？在扰码密钥更新间隔内，只要解密CPU的运算速度足够快，再加上正确的解密算法，利用一些常规设置的信息（如TCP/IP头），仍然可以获取原始信息。而且，PON的速率越高，单位时间截取的比特数越多，解密也将更为容易。

　　当然，随着加密技术在不断发展，我们不一定在物理层，也可以在其他数据层进行加密，一定程度上可以解决信息的安全问题。但是，额外采取的加密措施便成为PON在与其他接入技术的竞争中的不利因素（特别是价格）。

　　所以，在PON的组网中的另外一个应用原则是：在同一PON系统不安排特定竞争关系的用户或者不要求用户间对信息严格保密的客户群体; 同时， 需要向用户说明PON可能存在的隐患，也需要向用户说明采用的安全措施以及能够达到的安全水平等。

　4.4 PON广泛应用的前景

　　PON在与其他已存在的同种用途技术比较时，横向比较是预测其市场情景的主要方法之一。目前PDH、SDH、以太网设备已上市多年，价格上有一定的优势。例如，目前国内某公司的4个2Mbit/s复用的PDH每端口1000元左右；虽然ADSL在带宽和延伸距离方面不及PON，但ADSL已经有很大市场占有率，价格也相对较低。 只有系统的成本降到可以和目前成熟的技术相比时，PON具有的组网简单等优势才可以转化成产品的市场优势。所以说PON必须在产品化，并达到可以和已存在的接入技术平衡时，应用和普及才成为可能。

　　为了满足FTTx（主要为FTTP、FTTH）的应用需求，我们应要求PON能够做到：在带宽、质量和业务支持能力方面满足未来一段时期的需求; 对不同的客户类型进行分类，满足用户安全性能的要求; 综合比较，价格可以和目前已有的其他接入技术竞争，主要考虑SDH、PDH、光以太、同时也需要考虑xDSL、无线接入等非光接入方式。

　　需要说明一点的是，即使PON达到了大规模商用水平，也不可能统治FTTx，成为FTTx接入的唯一形式。例如，需要安全性能高的用户一般便不会采用PON。PON设备只能和其他产品进行混合组网。

5、客户端光通信网的组网考虑

　5.1 客户端光网络组网特点之一是各种技术相混合

　　在客户端光网络的组网中，PON存在着诸多优点，在其产品化后这些优点将会充分显示出来，但是PON的下行安全性能存在一些不足之处（如前所述）。虽然可以采取措施来克服，但就目前的技术水平来看，各种改进措施带来的成本会使PON的低价格优势也随之失去。PDH、基于SDH的MSTP以及以太网接入等技术不具备PON的优势，但它们的优势正好可以弥补PON的不足。而且，目前的市场占有情况不仅对这些接入方式继续占据接入市场较为有利，同时也会给PON的发展造成一定程度的挤压。

　　当然，客户端除光纤接入之外，还存在着其他多种接入形式。与光纤接入相比，DSL虽然在带宽和传输距离都无法相比，但是在今后一段时间内能够满足业务的传输需求，可以充分利用目前存在的大量铜线资源，因而在短时间内将继续存在。此外，在客户端接入领域我们也不能忽视无线接入的发展，相对于有线接入，无线接入以其快捷、接入灵活等特点已成为接入领域中一个重要的组成部分。因此，新一代客户端光网络会是一个各种技术混合应用的网络，上述内容作者用图2做了描述。

　5.2 客户端光通信组网特点之二是多种形式并存的重叠网络

　　从上面内容可以看出，由于接入的多样化特点，在客户端接入中将继续呈现多种接入形式并存的局面，不同的网络拓扑适用于不同的接入形式。如PON和HFC、xDSL采取发散状组网，没有保护，主要覆盖部分在居民用户， 而要求安全程度较高的那部分用户则采取环状组网。一般情况，这两种类型的用户在地理上是混合的而不是截然分开的。所以说，客户端光网络是一个多种技术并存、并且在地理上多种网络形式相互重叠的网络。

　　在客户端光网络的数据传输上面，总体来看，基于IP的传送机制将会占据相当大的部分，但是传统的SDH、PDH短时间内不会消亡，而且今后出现的各种新型传送机制也将进入客户端光通信网络中。

　　从运营的角度来看，运营商需要针对不同的业务分布情况，设计合理的网络分布结构，以避免出现“上得快，消失得也快”的局面。通常，一种新的技术体制以新面貌出现，人们更多地是看到其技术上的创新，而忽视了技术创新可能带来的经济效益方面的评估。此外，在选择新技术体制时，应该注意新技术并不能一夜之间就能替换原技术，例如，基于TDM的传输向基于IP的传输以及基于铜线的接入向基于光纤的接入发展时间是很长的。因而，我们要充分利用换代时间，发挥老技术、老装备、老网络的经济潜力，以实现投资收益最大化。

6、结束语

　　综上所述，目前光通信的发展热点是向客户端进行延伸，推动这种延伸的市场动力主要体现在新业务对带宽和质量的需求上。在延伸过程中主要的技术有基于SDH和PDH的多业务综合接入、基于分组和以太标准的接入、基于HFC的接入、基于铜线的xDSL接入，以及基于光传输的FTTx接入等。在光纤接入形式中PON技术有明显优势， 但是由于它的安全性能使它不可能全面占据接入网络。

　　技术的不同导致网络拓扑的不同，如果孤立地发展每种技术， 这样一来便会出现相互重叠的多种网络共同出现于用户端的局面。从20世纪90年代起，接入网络的发展呈现出反复兴衰的局面， 其中一个主要原因就是在发展某种技术时没有很好地执行对网络需求和经济收益的规划。为此，客户端接入的组网方式将是一个值得关注和研究的问题， 特别是在光纤接入中如何达到完整的FTTH、FTTP。从文中的分析可以预见未来的客户端光通信网络将是一个各种技术相融合的网络，呈现多种技术混合、不同拓扑重叠的局面。