无源光网络的发展趋势与展望

1、光纤接入网的优势

进入21世纪以来，全球宽带接入网进入了大发展阶段。按照Point-Topic公司的统计，到2005年底，全球宽带总用户已经达到2.09亿，其中DSL为1.386亿线，成为主导的宽带接入技术，线缆调制解调器约0.51亿线，成为第二大宽带接入技术，其他技术实际敷设量都不大，其中FTTx+LAN为1830万。简言之，世界绝大多数电信公司依然是以DSL技术为主发展宽带接入的，然而DSL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，随着铜缆价格的持续快速攀升（2006年上半年国内市场铜的价格上涨60%），以铜缆为基础的DSL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。在新铺设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、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，包括模拟广播电视业务。第三，由于其局端设备和光纤（从馈线段一直到引入线）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，土建成本也可明显降低。特别是随着光纤向用户日益推进，其综合优势越来越明显。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。而且还可以根据实际需要，在局端采用V5接口与PSTN相连，提供传统TDM语音业务。将来则还希望能支持采用SIP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、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。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。

4、EPON

随着IP的崛起和发展，有人提出了EPON的概念，即在与APON类似的结构和G.983的基础上，设法保留其精华部分——物理层PON，而以以太网代替ATM作为链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本的新的结合体——EPON。这一思想在以太网界获得到了积极响应，在IEEE 802.3ah的旗帜下已经形成了EPON标准。

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叠网结构，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、VPN和各种加密算法等。

IEEE802.3ah规范的EPON技术的上下行波长是131O nm和1490 nm，上下行速率均为1.25 Gbit/s，传输距离是10/20 km，分路比是32/16，主要业务是数据和语音，增加一个1550 nm电视广播波长后，成为语音、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2.5 Gbit/s的速率，从而可以使设备成本比1.25 Gbit/s系统降低30%左右，突破100美元/线的价格门槛。

EPON的主要缺点是由于IEEE802.3ah只规定了MAC层和物理层，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 byte，远大于以太网的帧负荷46-1500 byte，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，也能满足基本管理要求。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，语音业务在相当长时间内依然是运营商的重要赢利业务，必须能有效可靠地支持。目前主要有电路仿真业务（CES）和VoIP两类解决方案，与MPLS结合的伪线仿真（PWE）可以归入前者。电路仿真业务的基本思路是在分组网上搭建一个隧道，实现TDM电路。然而语音类TDM业务对系统的定时和同步有严格的要求，而EPON本质上是基于以太网的异步传送技术，没有全网同步的高精度时钟，需要利用现有TDM网的定时并采取一些特殊措施。在局端OLT侧，可以利用所连接的TDM设备时钟作为参考时钟。然而，由于EPON下行连续广播发送变长的以太帧，导致ONT很难周期性地获取下行TDM的净负荷数据。因此不仅需要在OLT和ONT设置较大的缓存空间，而且需要在ONT侧采用强大的时钟恢复机制来实现TDM业务，特别是E1和N×64 kbit/s的透传。目前倾向于采用自适应方式，即通过比较本地和远端时标或依据包的间隔变化速率或抖动缓存的填充水平来获取时钟并辅以一定的QoS保证技术。这种方式可以同时支持E1、N×64 kbit/s专线和普通语音业务，无需变动现有交换机和传输系统，时钟性能较好，已有多种商用芯片可用，性价比也较好。

另一种方式就是VoIP技术，这种方案中，EPON只需要保证延时和抖动性能即可，其他功能主要靠用户侧的IAD和局端的接入网关（AG）。该方案比较简单，且代表了未来的发展方向。但是目前接入网关成本较高，因此整个建网成本还较高，此外无法提供E1和N×64 kbit/s专线业务。

5、GPON

2001年，在IEEE制定EPON标准的同时，FSAN（全业务接入）组织开始发起制定速率超过1 Gbit/s的PON网络标准——吉比特以太网无源光网络（GPON），随后，ITU-T也介入了这一新标准的制定工作并于2003年1月通过两个有关GPON的新标准——G.984.1和G.984.2。

按照这一最新标准的规定，GPON可以灵活地提供多种对称和非对称上下行速率，实际上主导速率配置依然是1.244 Gbit/s和2.488 Gbit/s的上下行速率。传输距离至少达20 km，系统分路比可以为1:16、1:32、1:64乃至1:128，而EPON只提供1.25 Gbit/s对称速率，分路比最多为1:32。即GPON在速率、速率灵活性、传输距离和分路比方面有优势，所需要的OLT数量也比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通用成帧规程（GFP），这是一种可以透明、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，无需附加ATM或IP封装层，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，而APON/BPON和EPON对每种特定业务都需要提供特定的适配方法。第三，由于GPON采用GFP映射，其传输汇聚层本质上是同步的，还使用标准SDH的125μs固定帧，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语音业务，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，互操作性更容易实现。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（动态带宽分配）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，随意性较大，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 Mbit/s、100 Mbit/s、1 Gbit/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。

就设备成本分析而言，PON的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。例如按照美国Broadlight对于10 000户FTTP场景的分析，当每户速率为30 Mbit/s时，GPON每户成本可以比EPON低20%左右；随着每户速率的提升，其成本差异继续扩大，当每户速率为100 Mbit/s时，GPON每户成本可以比EPON低50%。

就传输效率而言，GPON没有EPON的8B/1OB编码效率损失，上行训练序列较短，也没有EPON的帧定界开销和调度开销，上行净通透量可望比EPON高300 Mbit/s。总之，在各种宽带PON技术中，GPON在扰码效率、传输汇聚层效率、承载协议效率和业务适配效率等方面都是最高的，总效率最高。例如假设TDM业务占10%，数据业务占90%，则GPON的总效率为94%，而APON和EPON分别为72%和49%。

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吉比特以太网的水平。

就TDM业务和语音业务的支持而言，GPON对于TDM业务E1接口的支持是天然的，对于语音业务的支持则有三种方式，即传统TDM方式、电路仿真业务和VoIP。GPON有固定的帧格式和125μs的帧周期，支持传统TDM方式很容易。电路仿真业务需要在TDM架构上再构建一个隧道，实现TDM电路。对于本身就有固定帧格式和帧周期的GPON而言，显得多余。VoIP方案中，GPON只需要保证延时和抖动性能即可，这很容易，其他功能主要靠用户侧的综合接入设备（IAD）和局端的接入网关。该方案比较简单，且代表了未来的发展方向。但是目前接入网关成本还较高。为了支持向分组化网的平滑演进和规避分组化进程差异的风险，目前还需要有多种语音支持方式以适应不同的应用需求，将来则主要支持VoIP业务即可。

6、WDM-PON

现有的各种PON技术都需要应用光分路器来分配光信号，从而引入很大的光信号衰减，限制了传统PON技术的传输距离和分路比。针对这一缺陷，可以有多种解决方案，WDM-PON技术是其中比较理想的解决方案之一。其基本原理就是在原有PON的树形结构基础上，应用WDM技术，从而为每个ONU分配独有的一对上/下行波长，使得WDM-PON技术在传输带宽、用户管理、信息安全、容量扩展性等方面具有很大的优势。

WDM-PON系统的典型分路比为20～40，在网络拓扑上属于虚拟的点到多点，实际的点到点方式；工作在连续模式；具有很好的业务透明性，二层可以承载任意协议；物理层采用WDM传输方式，基于WDM的分路器只引入几分贝的光信号衰减，避免了普通PON所带来的十几分贝光信号衰减和复杂TDMA方式，且具有容易升级换代的优点；WDM-PON可以提供上下行对称的2～40 Gbit/s总带宽，每个用户终端（可以是一个用户，也可以是一群用户）可以有100 Mbit/s～1 Gbit/s；WDM-PON系统的每个波长通道间完全隔离，消除了普通PON技术的安全性隐患。

WDM-PON系统的波长分配主要采用动态自适应分配方式，灵活性高，应用方便，但技术难度较大，目前比较成熟的是频谱分割技术和多模激光器选模技术。显然，WDM-PON系统的关键是光器件，特别是具有自适应能力的光发送器件和低成本波分复用器件等。此外，作为一种实际上的以太网点对点传输技术，必然也伴随有该技术的相应优缺点。简言之，WDM-PON系统在关键光器件没有本质性突破前，还只能处于研究开发阶段，但其潜在的优势已经吸引了业界的注意力和兴趣。

7、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6-10 Mbit/s；两路标准数字电视（SDTV），约占4～6 Mbit/s；上网业务，约占2～6 Mbit/s；两路VoIP，约占200 kbit/s，一路交互式游戏，约占300～800 kbit/s；视频通信，约占1-2 Mbit/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20～30 Mbit/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50～100 Mbit/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）或光纤到用户（FTTU）；若将ONT设置在分线盒处，称为光纤到路边（FTTC），典型覆盖几户到几十户，距离数百米；若将ONT设置在小型公寓小楼（几十户）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，距离1-1.5 km。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，例如按照北美的典型案例分析表明（小区384个用户），从FTTP（以太网和EPON）变为FTTC或FTTN，其每户的建设成本大约可以降低到1/10～1/5，当然相应能提供的每户带宽也会降低到1/4～1/2。从采用的技术看，通常FTTC、FTTB和FTTH采用PON技术，而FTTN则可以有多种技术选择，例如吉比特光以太网技术、SDH技术和PON技术等。

因而，从全局看，FTTN是中近期内一个比较经济的FTTx解决方案，也是当前的主推方案，其主要的应用场合包括有：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，期间也有必要关注WDM-PON的新发展及其应用。