FTTx的发展策略探讨

随着人们对宽带视频业务需求的持续增加和IPTV的发展，FTTH在我国的实际应用正日益趋近，光纤到家的理想已经不再是遥不可及的远景。本文首先介绍了光纤接入网的优势，探讨了点到点有源光以太网系统及点到多点无源光网络系统的技术特点，最后对FTTH的发展进行了思考。
     
1.光纤接入网的优势
就世界范围看，绝大多数电信公司依然是以ADSL为主发展宽带接入的，然而，ADSL技术是建立在铜线基础上的宽带接入技术，铜是世界性战略资源，随着国际铜缆价格的持续快速攀升，以铜缆为基础的xDSL的线路成本越来越高，而光纤的原材料是二氧化硅，在自然界取之不尽，用之不竭。事实上，当前光纤的市场价格已经低于普通铜线，况且其寿命还远高于后者。在新辅用户线路或者老电缆替换中，光纤已经成为更合理的选择，特别是主干段乃至配线段。其次，作为有源设备，电磁干扰难以避免，维护成本越来越高。作为无源传输介质的光纤可以避免这类问题。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越来越集中在接入段，目前ADSL的上下行连接速率无法满足高端用户的长远业务需求。尽管ADSL2+和VDSL2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有限的，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，符合逻辑的发展趋势是将光纤继续向接入网的配线段和引入线部分延伸，最终实现光纤到家。关键是推进速度有多快？演进方式是什么？这将取决于多种因素，包括市场业务的需求、竞争的需要、应用的刺激、技术的进步，成本的下降，配套运维系统的开发和维护策略等。

2.点到点有源光以太网系统
历史上，在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。
　　
对于公用网住宅用户应用环境，点到点有源光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120km之远。这种技术的主要优点是专用接入，带宽有保证，每用户可以独享100Mbit/s乃至1Gbit/s；局端设备简单便宜；传输距离长，服务区域大；成本随用户数的实际增长而线性增加，可预测，无需规划，投资风险低，设备端口利用率较高，因而在低密度用户分散地区成本较低。缺点是两端设备和光纤设施专用，用户不能共享局端设备和光纤，当需求快速增长且用户分布密度很高时，光纤和两端设备的数量及其成本以及空间需求也随之迅速线性增加，因而不太适合高密集用户区域。另外，有源光以太网要求多点供电和备用电源，网管管理的元件多，增加了供电和网管的复杂性。第三，从标准化的角度，有源光以太网并没有一个单一的标准，而是利用多个相关标准，从而产生多种不兼容的解决方案，设备间的互操作性较差。可见，对于公众用户市场而言，点到点有源光以太网系统不是一个长远的主流解决方案，而是一种过渡性解决方案。

3.点到多点无源光网络系统
3.1 无源光网络技术
无源光网络(PON)是一种纯介质网络，其主要特点是在接入网中去掉了有源设备，从而避免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，简化了供电配置和网管复杂性，降低了运维成本。其次，PON的业务透明性较好，带宽较宽，可适用于任何制式和速率的信号。第三，由于其局端设备和光纤由用户共享，因而光纤线路长度和收发设备数量较少，成本较其他点到点通信方式要低。特别是随着光纤向用户日益推进，PON的每用户成本随着分享OLT的用户数量的增加而迅速下降，因而最适合于分散的小企业和居民用户，特别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，尤其是新建区域。最后，无源光网络的标准化程度好，基本分为FSAN/ITU和IEEE两大类，均可提供独立可行的单一兼容解决方案。因而，我国运营商像多数欧美大型电信公司一样，倾向于选择PON技术，而不是点到点有源光以太网系统。
　　
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，这样当初期用户数较少或用户分布超过某一限定距离时，折合每用户的成本较高，产生大量沉淀成本。另外，其树型分支拓扑结构使用户的保护功能成本较高，影响了企事业用户的发展。
　　
无源光网络技术的一个重要趋势是提供多种语音处理方式。为了支持从电路交换网向分组化网的平滑演进，同时规避不同地区分组化进程差异的风险，目前不仅希望无源光网络可以在局端内置控制模块，支持采用H.248/SIP协议的软交换方式的VoIP业务。而且希望可以根据实际需要，在局端采用V5接口与PSTN网相连,提供传统TDM语音业务。将来则还希望能支持采用SIP协议和IMS体系的VoIP业务。其发展趋势则是从TDM到软交换VoIP，最后到基于SIP和IMS的VoIP。

3.2 APON和BPON
早期的窄带无源光网络是基于TDM的，性能价格比不好，已经自然消亡。一个 ATM 化的无源光网络(APON/BPON)可以利用ATM的集中和统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使性能价格比有重要改进，目前在美国和日本等国已经敷设了约200万线。
　　
然而，实际APON/BPON的业务适配提供很复杂，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的衰落而黯淡。最后，从业务发展趋势看，APON的可用带宽仍然不够，无法满足网络和业务的发展需要，不是一种有前瞻性的技术选择。由于历史原因，我国已有少量APON/BPON试验网敷设，但不宜再继续投资，而应适时地转向EPON和GPON等新技术。

3.3 EPON
EPON主要基于IEEE802.3ah标准，与传统点到点以太网主要不同处在于工作在点到多点通信方式。其下行方向工作于TDM方式，数据流以变长以太帧方式广播到ONU,每个ONU根据以太帧的MAC地址，决定取舍。上行方向工作于TDMA方式，来自不同时隙的ONU数据流汇聚到公共光纤设施和OLT。此外，传统以太网工作于连续光传输模式，在收发两个方向都是连续的比特流，因此收端的定时和判决容易实现。而EPON的上行比特流是轮流发送的突发数据包，OLT的接收定时恢复、判决门限设置、测距和延时补偿比较复杂。
　　
从EPON的结构上看，其关键优点是极大地简化了传统的多层重迭网结构，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；硬件简单，协议熟悉，安装部署工作得以简化；可以采用成熟的以太网技术甚至芯片，实现简单，成本低，符合全网分组化大趋势；改进了电路的灵活指配和业务的提供和重配置能力；初步提供了一些安全机制，诸如VLAN、闭合用户群、支持VPN和各种加密算法等。
　　
IEEE 802.3ah规范的EPON技术的上下行波长是1310和1490nm，上下行速率均为1.25Gbit/s传输距离是10/20km，分路比是32/16，主要业务是数据和语声，增加一个1550nm电视广播波长后，成为语声、数据和电视的所谓三重业务捆绑服务，或者直接以IPTV方式提供集成的三重业务捆绑服务。对于传送单一以太网业务而言，EPON确实是一种很好的解决方案，但是对于需要提供TDM专线业务和基于TDM的语音业务的情况，则还需要借助其它技术帮忙。EPON的最新发展趋势是提供2.5Gbit/s的速率,从而可以使设备成本比1.25Gbit/s系统降低30％左右。
　　
EPON的主要缺点是由于IEEE802.3ah只规定了MAC层和物理层，因而MAC层以上的标准靠制造商自行开发，因而带来灵活性的同时也造成了设备互操作性差的缺点。其次，EPON的总效率较低，主要是由于采用8B/10B的线路编码，引入20％的带宽损失，再加上其他的额外开销，可用负荷仅50％左右，而APON和GPON都采用NRZ扰码为线路码，没有带宽损失。GPON的GFP每帧封装4～65535字节，远大于以太网的帧负荷46～1500字节，平均开销少，再加上承载层效率、传输汇聚层效率、业务适配效率等原因，使EPON总的传输效率较低，大约仅为GPON的一半。第三，由于EPON开始主要是以太网设备制造商驱动的标准，因而没有充分考虑网络运营商的运营需要，管理功能不够丰富，但是已经比普通以太网有明显改进，可以提供远端故障指示、远端环回控制和链路监视等三项基本管理功能，也能满足基本管理功能。然而，EPON的网管扩展功能集却是非标准化的，由厂家自行开发，难以确保互操作，需要重新统一规范。最后，由于在开始阶段EPON自身的设计没有考虑直接支持以太网以外的业务，因而需要采取一些额外的补救措施，因而对于主张多业务支持能力的传统运营商来说是一个重要缺憾。
　　
例如，语音和TDM业务在相当长时间内依然是运营商的重要赢利业务，为了在EPON上可靠地传输语音和TDM业务，必须采用一些EPON之外的辅助技术，目前主要有电路仿真业务（CES）和VoIP业务两类。VoIP技术方案比较简单，而且代表了未来的发展方向。但是由于种种原因，目前AG的价格较高，使整个建网成本还较高。此外无法提供E1和N64Kbit/s专线业务,依然需要E1接口，这些都会影响其发展。

3.4 GPON
千兆以太网无源光网络(GPON)是ITU-T的标准，按照标准的规定，GPON可以灵活地提供多种对称和非对称上下行速率，传输距离至少达20km，系统分路比可以为1：16，1：32，1：64乃至1：128，在速率、速率灵活性、传输距离和分路比方面都比EPON有优势。所需要的OLT也比EPON减少；其次，GPON采用了两种适配方式，除了传统的ATM外，还在传输汇聚层采用了一个全新的基于SDH的标准通用组帧程序GFP，这是一种可以透明地高效地将各种数据信号封装进现有SDH网络的通用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，封装效率高、业务灵活，全面体现了业务提供商对业务提供的灵活要求。第三，由于GPON的传输汇聚层本质上是同步的，使GPON可以很可靠地支持端到端的定时和其他准同步业务，ONU可以很容易提取到同步信号，可以直接高质量地支持实时的TDM话音业务，延时和抖动性能很好。而EPON在承载TDM业务方面没有具体规定，导致厂家可以采用不同方法来承载，包括一层、二层和三层均可以，互操作性差，性能难以确保。第四，GPON具有电信级网络所要求的丰富网管功能和保护机制，包括带宽授权分配、动态带宽分配、链路监测、保护倒换、密钥交换和各种告警功能等，比EPON考虑周到。第五，在QoS方面，GPON可以通过精确调整各个业务流的时隙指针和长度、ONU的授权带宽和授权周期来保证业务的带宽和延时要求，而EPON主要利用优先级队列结合DBA算法来保证带宽和延时要求。然而，由于以太网数据包长度变化很大，抖动难以避免，只有靠网络轻载或ONU数目不多时才能基本满足不同业务的QoS要求。否则，EPON的QoS难以保证。第六，由于PON技术在下行方向是广播方式的，因此存在安全隐患。为此，GPON采用了先进加密标准（AES），是目前世界上最先进的加密算法。EPON标准并没有安全性方面的规范，都是厂家自己采用的方案，安全性不能确保，互操作更难以实施。
　　
从提供的业务看，GPON不仅可以提供10/100Mbit/s，1Gbit/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。总的看，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，速率灵活性更大；具有通用的映射格式，可适应任何新老业务；具有丰富的OAM&P功能；对各种业务均有很高的传输效率，即便对于TDM业务也能灵活高效地传送。可以帮助运营商完成从传统TDM语音电路向全IP网络的平滑过渡。
　　
就设备成本而言,目前主要成本是各种电接口和协议处理转换等，而这方面GPON和BPON要比EPON复杂。其次，就光模块而言，由于GPON要满足很高的突发同步时长指标，对于模块的驱动电路和前后放大器芯片要求很高，还要满足较高的功率预算，对于长距离传输，只能采用分布反馈激光器（DFB）发送机加雪崩光电二极管（APD）接收机或光电二极管（PIN）＋前向纠错（FEC），其成本要高于EPON模块的法布里－珀罗腔（FP）发送机和光电二极管（PIN）接收机，成品率也较低，因此整个光模块成本较高。当然对于中短距离传输，GPON也可以采用FP发送机,价格上应该没有明显差别。另外，EPON已经进入量产阶段，而GPON尚未进入大规模量产阶段，因而使目前EPON在成本上有明显优势。考虑到未来GPON进入大规模量产后，其设备价格与EPON不应该有很大差异。
　　
另一方面，从组网成本看，由于GPON的速率、分路比和传输效率均比EPON高约一倍，因而所需的局端设备OLT可以减少至少一半，可以支持的用户数也多一倍，因而在整体组网成本上不见得比EPON高很多，甚至在有些场合下更便宜。
　　
GPON的主要缺点是尽管ONU只需要支持ATM和GFP适配中的一种，但是OLT必须同时支持两种，即依然必须保留有复杂的ATM层功能，再加上光模块的技术难度较高，使设备成本较高。另外，GPON成熟度不如EPON，目前尚无专业芯片厂商推出真正商用的GPON核心芯片和光模块，而EPON已经有多家，而且目前核心芯片已经发展到第三代单片系统（SoC）阶段，光模块的成本也已经降到接近普通千兆以太网的水平。
4 业务需求与网络结构
　　
在当前这样一个十分复杂的宏观局面下，业务需求是很难准确预测的。一般来说就未来5年左右的时间里，一个典型中国城市家庭的业务需求大致为：一路高清晰度数字电视（HDTV），约占6～10Mbit/s；两路标准数字电视（SDTV），约占4～6Mbit/s；上网业务，约占2～6Mbit/s；两路VoIP，约占200kbit/s，一路交互式游戏，约占300～800kbit/s；视频通信，约占1～2Mbit/s。考虑必要的开销并留有一定余量后，业务总带宽大约至少有20～30Mbit/s。随着时间的推移和各种高质量宽带新业务需求的不断出现，则长远的带宽需求可能会进一步扩展到50～100Mbit/s。有了这样一个大体的业务带宽要求后，室外网络结构的配置方式实际上也就基本定型了。
　　
室外网络结构的形态主要随ONT的设置位置不同而有下面一些不同基本形态：若将ONT设置在家里或小型商务办公楼，称为光纤到驻地（FTTP）或光纤到家（FTTH）；若将ONT设置在分线盒处，称为光纤到路边（FTTC）；若将ONT设置在小型公寓小楼处，称为光纤到公寓小楼（FTTB），典型覆盖用户数和距离与FTTC很接近；若将ONT设置在交接箱或远端设备处，称为光纤到小区或光纤到节点（FTTN或FTTZ），可以覆盖数百乃至上千用户。随着光纤与用户距离的变大，每个用户可以分得的带宽也相应减少,但是每户的建设成本也相应明显降低。
　　
因而，从全局看，FTTN是中近期内一个比较经济的FTTx解决方案，也应该是当前的主推方案，其主要的应用场合包括：光缆资源紧张的商务区改造，拥有多种业务设备的小区机房的综合接入改造，大客户接入及无线覆盖，新建开发园区和商务区的综合接入等；FTTH则是一个长远的理想解决方案，当前主要适于新建商务区和高档住宅小区；而FTTC和FTTB介于两者之间，是一个经济性和前瞻性兼顾的中长期解决方案。FTTx的演进路线将是逐渐将光纤向用户推近的过程，即从FTTN到FTTC和FTTB乃至最后到FTTH，当然这将是一个很长的过渡时期，这期间，在新建地区直接采用FTTC/FTTB/FTTH都将是一种可行的具有前瞻性的解决方案。
　　
从采用的具体技术而言，每种技术都有其特定的适用场合和市场窗口，就我国的特定发展阶段而言，则完全可以跨越APON和BPON阶段，从宽带点到点以太网光纤系统和EPON开始，逐步过渡到GPON阶段。

5.FTTH发展的思考
FTTH并不是一种新观念，已有28年历史，二次发展契机。第一次1978年是法国、加拿大和日本。第二次1995年左右主要是美国和日本。两次发展机遇全都由于成本太高，缺乏市场需求而夭折。由于技术的进步、某些国家的宏观信息社会发展政策和电信监管政策的驱动，2004年起FTTH进入了第三次发展机遇期。
　　
然而，尽管FTTH的设备价格已有大幅下降，但依然几乎是ADSL的6倍，经营视频业务的政策风险和市场风险依然很大，我国在2010年左右各种宽带业务对接入带宽的总需求还不大可能超过20～30Mbit/s,因而尚不具备FTTH大规模商用的客观条件，目前主要处于现场试验和试商用阶段。但是对于新建高档住宅区、小型商务办公楼等新建区域和老电缆替换区域则完全可以开始规模商用了。
　　
对于处于企业整体转型的中国电信而言，FTTH已成为关系未来网络和技术业务转型的重要领域。中国电信本着“加强领导，积极试验，适时总结，有序推广”的指导方针，已经在4个省市开展FTTH现场试验，为今后的大规模应用积累技术、规划、业务、商用模式和运维等方面的综合经验。随着人们对宽带视频业务需求的持续增加和IPTV的发展，FTTH在我国的实际应用正日益趋近，光纤到家的理想已经不再是遥不可及的远景，但是足够的耐性和全面扎实的准备不仅是不可或缺的，也是通向成功的唯一道路。