面向未来的宽带接入技术

杨志伟 黄霞

　　信息技术发展到今天，全球都在致力于探讨下一代网络将会如何发展。尽管目前对于下一代网络的体系架构和内涵还处于研究当中，但多数专家认为，不管下一代网络如何发展，在下一代网络的服务层面必将是IP大同的世界。现实与趋势都表明，以IP为代表的数据业务终将会超越话音业务，并且将继续保持高速增长态势。同样，在传送层面上，高速率、大容量、抗干扰的光则将继续承担下一代基础网络最理想的传送媒介。事实上，随着DWDM技术及计算机技术的迅猛发展，骨干网和城域核心网已经得到了如同雨后春笋般的发展。在接入层面，一种集合了代表未来网络融合趋势的IP及无源光网络结构的EPON（Ethernet Passive Optical Network）技术浮出水面，并以其高带宽、能够与IP业务紧密结合保护运营商投资、有效利用已有信息基础设施而减少重复投资及便于向未来网络升级的诸多优势在层出不穷、百花齐放的接入技术中一枝独秀，不但被认为是下一代网络体系结构中全光接入网领域的最佳解决方案，还赢得了来自全球的设备制造商、基础网络运营商、标准组织及科研院校的广泛关注。

　　我有我优势

　　EPON技术兼具了无源光网络独特的网络结构优势和以太网传统的低成本优势。在光接入网技术中，无源光网络是一种很有吸引力的纯介质网络，可以有效避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，不仅可以提高系统的可靠性，同时也在一定程度上节约了维护成本，因而成为电信维护部门长期期待的一种技术。考虑到以太网的市场优势，EPON与以太网的兼容性成为其最大的优势之一。

　　近几年，由于IP应用的迅速崛起，以太网技术的发展也随之日新月异。从10M/100M、到1000M、10G甚至40G，速率呈数量级提高，应用环境也从局域网向城域网、核心网发展。EPON的思想同时继承了以太网的核心遗传因子，将以太网最核心、最本质的部分保留下来，并添加上多址接入和远距离传送的成分，使得传输距离和接入拓扑方面得以突破。源自以太网的简单本质和广泛的芯片支持，使得EPON产品被认为在接入领域得以具备更有竞争力的成本优势；其次，EPON产品上、下行对称1G的带宽，已大大高于目前的DSL、HFC、窄带PON等接入技术所能提供的带宽，而且EPON还可以轻松实现带宽到10G的平滑升级，这样的带宽容量完全可以满足未来几十年内的用户接入需求。另外，EPON除支持IP业务外，还可以支持传统电路业务，如POTS、E1/T1等，成为目前接入领域为数不多的综合业务接入技术之一。

　　事实上，在EPON出现之前，窄带PON和ATM-PON技术早已形成了规模应用。窄带PON作为传统PSTN网络的延伸，在国内外有约2000万线的应用。和EPON同属宽带PON的APON技术自1995年ATM技术的全盛时期出现，随后ITU和FSAN(Full Services Access Network)联盟建立了ATM标准，并把它作为在PON之上的第二层的帧封装技术，有许多设备供应商都开发了APON的产品，但始终没有得到大规模的应用。虽然EPON和APON都采用PON结构作为物理层的传输访问技术，然而两者在许多方面存在着巨大差异。与ATM-PON比较，EPON的速率可以轻松达到更高的一个数量级。由于难以提供OC-12以上的高带宽来满足突发式的光传送和接收需求，同时在ONU上也需要进行复杂的协议转换，所以APON的发展受到很大局限。从光传输的角度来说，ONU传送激光上行传输码速必须和PON的线速度成比例。由于距离的差异，OLT突发模式接收器只能有很短的时间(几个字节周期)来响应单个ONU的突发光传输以及调整相位和数据恢复。所有这些突发模式的传输都相当复杂而且设备昂贵。众所周知，5字节的ATM头相对于48字节的数据来说，将会带来超过10%的带宽损失。相反，在EPON系统中，由于高效的帧结构和对可变长度以太网MAC帧的灵活支持，协议所带来的带宽损失只有2%～3%。从数据处理方面来看，在APON中，用户数据必须要在协议转化(TDM用AAL1/2，数据包传输用AAL5)下传送。由于传输的制式是异步转移模式（ATM），信号在通过无源光网络之前，要将以太网帧先拆分成信元，通过无源光网络之后，再恢复以太网帧，这个信元拆装处理的较高成本难以避免; 同时这种转换对于高带宽也难以适应，执行这种功能的设备，包括一些相关的附属设备，如信元存储器、胶合逻辑等也给系统增加了不少成本。基于信元的无源光网络（ATM-PON）的优点是时间延迟较小，对于实时业务十分有利，但是交换和排队的成本过高，信元拆装的成本也较高。同时由于G.983标准的制定过多地考虑了与ATM有关的灵活性，使得光突发接收的器件成本较高。 从连接和流管理的方面来看，APON的ONU需要实现IP流和ATM虚连接(VPC或 VCC)相互间的映射功能。这同样需要额外的处理能力，从而导致更高的设备成本。另外，从总带宽上来说，APON能支持的比EPON少的多，那么每个ONU上的接口数量和连接的用户数也相应减少，相对来看，单端口的成本就增加了。因此，EPON相对于APON的经济性不言自明。

　　一路走来

　　EPON最初的发起创意来自于几个富有创新精神的专业人员，目的旨在摒除当前接入网方案中视频能力缺乏、带宽不充分、造价过高等消极因素，目前已得到了广泛使用。

　　美国电气与电子工程师学会（IEEE）于2000年底成立的EFM研究组（Ethernet in the First Mile Study Group）是EPON标准的研究组织。EFM研究组有几个主要的研究议题提交给EFM任务实施组，一是不小于10M以太网利用现有的铜线点到点地传送750米; 二是1000 Mbps以太网利用光纤点到点地传送10公里; 三是1000兆速率的以太网点到多点的光传送方案（即EPON），传输距离为10公里。来自世界各地的80个公司的200名技术人员参加了研究组的活动。

　　IEEE的EFM研究组在着手制定点到多点光网络的EPON标准时，将会协调FSAN和ITU-T在这方面的努力。因为G.983的FSAN标准文件并未排除非ATM协议，并且留有较大余地。这样，大部分G.983的现有内容都可得到有效引用，而IEEE 802.3 EFM小组则可以着重于研究和开发EPON的MAC协议，这是产生EPON标准的最快办法。几个著名大公司都支持EPON over APON，包括Cisco和Nortel。这些主要厂商也认为EPON是建立在为APON制定的G.983标准之上的。同样，主要的APON厂家，如Terawave公司也声称能兼容EPON传输，并会很快推出 Gigabit Ethernet和Gigabit PON接口。到目前为止，该组织已召开了十次工作会议，工作进展非常迅速。在EFM今年7月的会议上，标准主体的起草工作已经开始，预计在2003年的8月将会完成标准的最后确定。

　　国外已有多家公司推出了EPON产品。在国内，基于千兆以太网的无源光网络产品，还处于研发起步阶段。目前，该技术已列入十五“863”高新技术研究计划中，目标是在2003年11月底前研制完成基于千兆以太网（GbE）、可实用化的宽带无源光网络（EPON）系统，形成具有自主知识产权的EPON电路与光路技术。计划同时要求开展10Gbit/s EPON关键技术的并行研究，并提交相关专利和技术规范。

　　从业务提供来看，目前EPON产品主要有两类，一种只提供IP业务接入；另一种可提供IP业务和TDM业务的综合接入。从光纤化程度上来看，可分为基于FTTB/FTTC的EPON产品和基于FTTH的EPON产品。2001年底中国网通组织了宽带PON产品实验室内部测试。从测试结果来看，EPON系统对IP业务的支持能力相对APON和其它宽带PON产品要强，表现为VLAN业务提供灵活，个别产品增加了IP L3层路由及对QoS的支持;在带宽管理上，EPON相对于目前提供IP业务接入的路由器和交换也有很大优势，EPON可做到提供不同带宽控制的IP业务，个别产品还可以做到双向限制、最高、最低用户使用带宽，这对于目前苦于没有找到一个以相对经济的方式提供有带宽限制的接入工程网络的建设者，绝对是一个欣喜。当然，相对于APON的成熟性，现有的EPON仍存在缺陷，这集中反映在测距方面的功能还有待完善。

　　应用，最后的考官

　　宽带如何引向本地接入市场？ 基础电信运营商应通过建立宽带接入网的基础结构来刺激渴求高带宽的内容和应用的开发。EPON提供了一个理想的宽带接入平台。光纤直接入户使用户理论上获得了无限的带宽，即使在目前FTTH尚未普及时，使用EPON也使系统很容易升级和扩展，不需要网络规划师为用户预测未来的带宽需求。

　　电信运营商采用EPON可以降低运营成本，减少资金投入，增加利润。这表现在EPON可以用简单、易维护和长寿命的无源光耦合器取代有源电子部件；在中心局（CO）中节省光纤和端口空间；多家用户分担有源电子部件和激光器的费用；每条光纤传输了更多的服务，从而大大地减少了每个兆位的成本。通过在EPON系统中增加WDM层可进一步降低投资。

　　EPON还可以满足新一代城域网的要求和兼顾传统实践业务，在光网上通过以太网的形式直接架构宽带IP城域网，他能够很好地解决以下问题：

　　(1) 根据SLA、QoS，分配带宽；

　　(2) 提供基于TDM的传统电信业务(T1/E1，DS3及将来的STM1)，如租用专线等；

　　(3) 用作接入网集中器时，解决了同一楼内局域网不同用户之间的互相隔离、每个用户多业务流的分别管理(提高不同的QoS)，以及以多播方式提供视频广播、不对称的服务方式等问题；

　　(4) 光缆环路被切断时的保护和自愈恢复。可替代传统城域网IP和TDM两个分离接入平台，与弹性分组环（RPR）、基于TDM的多业务传送平台一起成为城域边缘传输技术的较好选择。

　　EPON下行时的点对多点结构提供了另一个关键优势: 它们适合于广播应用。在PON系统中，通过时分复用（TDM）或WDM技术可以轻松加载模拟或数字视频信号，以实现广播业务。

　　在远期规划中，EPON技术还可以作为光纤到户的应用平台。但是在最近几年内， EPON技术的优势将主要体现在为本地接入网最后一公里基于铜线或同轴电缆的各种解决方案提供经济、有效的支撑平台方面。比较现期广泛采用的接入技术如DSL、Cable、Modem、LMDS等， EPON技术能够弥补上述技术的不足，将光纤延伸到社区或路边。从而使得铜线、同轴电缆或无线系统在光纤最靠近用户的地方完成最后一公里的连接。因此EPON技术既缩短了骨干网同用户的距离，又能把光纤从骨干环网进一步延伸到用户。具有灵活网络拓扑结构的EPON可以方便地在楼宇密集、地形复杂的高科技园区、校园及大型小区实施，并能快速扩展新的楼宇用户。

　　在有线电视应用中，HFC网络一般都为树状分支形网络，此种线路特点与PON系统一致。在HFC光缆资源上建设接入网络，建议使用EPON系统，这样可以通过WDM技术在EPON系统传送传统视频信息，实现三网合一。

　　但EPON能否真正实现大规模应用，仍将面临一些挑战。一是标准化，有标准可依才能形成规模化生产，进一步降低成本，给运营商在设备选择上也提供了方便，反过来刺激他的应用；二是综合业务的支持，EPON可以很好地支持IP业务，但是EPON如何支持传统的语音接入、如何支持视频流的接入、如何支持TDM业务即IP业务的QoS，这些问题仍需EPON不断完善。

　　目前中国网通已经启动了EPON的网络实验工程，该工程以北京中关村大厦为中心点，采用PON特有的树状分支网络结构向方圆20公里的商业楼宇辐射。此次实验旨在全面验证EPON技术在接入网应用环境中的先进性与可行性，为现阶段网通的“CNC-Connected”楼宇接入工程提供一种有竞争力的多业务连接平台，并为下一代全光接入网络的建设提供全新的策略。

　　最后，特别需要一提的是，光纤到家庭方式（FTTH）目前正在悄然兴起。为了宣传、推动和加速FTTH的发展，美国新成立了FTTH协会，各社区都在采取行动为社区内FTTH的安装做好准备。在管制和税收方面已经或正在推出一些有利于促进在全国范围安装宽带设施和在农村地区开展服务的政策，并且要求采用以太网无源光网（EPON）技术来实施FTTH。可以预见的是，不久的将来，EPON 一定会成为宽带接入技术领域的重要成员。 （本文作者均来自中国网络通信有限公司，其中杨志伟先生为中国网络通信有限公司总工程师。）

摘自《网络世界在线》