光纖到家庭(FTTH)之FTTx技術

2019-11-04 22:46:02

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　　前言：光纖到家庭(FTTH)是20年來人們不斷追求的夢想和探索的技術方向，但由于成本、技術、需求等方面的障礙，至今還沒有得到大規模推廣與發展。然而，這種進展緩慢的局面最近有了很大的改觀。由于政策上的扶持和技術本身的發展，在沉寂多年后，FTTH再次成為熱點，步入快速發展期。目前所興起的各種相關寬帶應用如Voip、Online-game、E-learning、MOD (Multimedia on Demand)及智能家庭等所帶來生活的舒適與便利，
　　
　　HDTV所掀起的交互式高清楚度的收視革命都使得具有高帶寬、大容量、低損耗等優良特性的光纖成為將數據傳送到客戶端的媒質的必然選擇。正因為如此，很多有識之士把FTTx(非凡是光纖到家、光纖到駐地)視為光通信市場復蘇的重要轉折點。并且預計今后幾年，FTTH網將會有更大的發展。本文將對FTTx的劃分，實施的主要技術以及FTTx現在在世界各地的發展做一個綜合的介紹。
　　
　　一、FTTx劃分
　　FTTx技術主要用于接入網絡光纖化，范圍從區域電信機房的局端設備到用戶終端設備，局端設備為光線路終端(Optical Line Terminal; OLT)、用戶端設備為光網絡單元(Optical Network Unit; ONU)或光網絡終端(Optical Network Terminal; ONT)。根據光纖到用戶的距離來分類，如圖1所示，可分成光纖到交換箱(Fiber To The Cabinet; FTTCab)、光纖到路邊(Fiber To The Curb; FTTC)、光纖到大樓(Fiber To The Building; FTTB)及光纖到戶(Fiber To The Home; FTTH)等4種服務形態。美國運營商Verizon將FTTB及FTTH合稱光纖到駐地(Fiber To The PRemise; FTTP)。上述服務可統稱FTTx。
　　　光纖到家庭(FTTH)之FTTx技術（圖一）

　　圖1 FTTx示意圖
　　
　　FTTC為目前最主要的服務形式，主要是為住宅區的用戶作服務，將ONU設備放置于路邊機箱，利用ONU出來的同軸電纜傳送CATV信號或雙絞線傳送電話及上網服務。
　　
　　FTTB依服務對象區分有兩種，一種是公寓大廈的用戶服務，另一種是商業大樓的公司行號服務，兩種皆將ONU設置在大樓的地下室配線箱處，只是公寓大廈的ONU是FTTC的延伸，而商業大樓是為了中大型企業單位，必須提高傳輸的速率，以提供高速的數據、電子商務、視頻會議等寬帶服務。
　　
　　至于FTTH，ITU認為從光纖端頭的光電轉換器（或稱為媒體轉換器MC）到用戶桌面不超過100米的情況才是FTTH。FTTH將光纖的距離延伸到終端用戶家里，使得家庭內能提供各種不同的寬帶服務，如VOD、在家購物、在家上課等，提供更多的商機。若搭配WLAN技術，將使得寬帶與移動結合，則可以達到未來寬帶數字家庭的遠景。
　　
　　二、FTTx技術分類
　　光纖連接ONU主要有兩種方式，一種是點對點形式拓撲(Point to Point; P2P)，從中心局到每個用戶都用一根光纖；另外一種是使用點對多點形式拓撲方式(Point to Multi-Point; P2MP)的無源光網絡(Passive Optical Network; PON)，其拓撲結構如圖2所示。對于具有N個終端用戶的距離為M km的無保護FTTx系統，假如采用點到點的方案，需要2N個光收發器和NM km的光纖。但假如采用點到多點的方案，則需要N十1個光收發器、一個或多個(視N的大小)光分路器、和大約M km的光纖，在這一點上，采用點到多點的方案，大大地降低了光收發器的數量和光纖用量，并降低了中心局所需的機架空間，有著明顯的成本優勢。
　　　光纖到家庭(FTTH)之FTTx技術（圖二）

　　圖2 PON的拓撲結構
　　
　　1.點到點的FTTx解決方案
　　
　　點對點直接光纖連接具有輕易治理、沒有復雜的上行同步技術和終端自動識別等優點。另外上行的全部帶寬可被一個終端所用，這非常有利于帶寬的擴展。但是這些優點并不能抵消它在器件和光纖成本方面的劣勢。
　　
　　Ethernet + Media Converter就是一種過渡性的點對點FTTH方案，此種方案使用媒體轉換器（Media Converter；MC）方式將電信號轉換成光信號進行長距離的傳輸。其中MC是一個單純的光電/電光轉換器，它并不對信號包做加工，因此成本低廉。這種方案的好處是對于已有的電的Ethernet設備只需要加上MC即可。MC方式的拓撲結構如圖3所示。對于目前已經普及的100 Mbps Ethernet網絡而言，100 Mbps的速率也可滿足接入網的需求，不必更換支持光纖傳輸的網卡，只需要加上MC，這樣用戶可以減少升級的成本，是點對點FTTH方案過渡期間網絡的解決方案。由于其技術架構相當簡單、便宜并直接結合以太網絡而一度成為日本FTTH的主流，但在2004 OFC會議中，NTT宣稱將從現在起日本FTTH標案將采取點對多點(Point to Multi-Point, P2MP)架構的PON網絡模式，勢必將影響MC的未來。
　　　光纖到家庭(FTTH)之FTTx技術（圖三）

　　圖3 使用 Media Converter 2. 點到多點的FTTx解決方案
　　
　　在光接人網中，假如光配線網(ODN)全部由無源器件組成，不包括任何有源節點，則這種光接人網就是PON（圖2）。PON的架構主要是將從光纖線路終端設備OLT下行的光信號，通過一根光纖經由無源器件Splitter（光分路器），將光信號分路廣播給各用戶終端設備ONU/T，這樣就大幅減少網絡機房及設備維護的成本，更節省了大量光纜資源等建置成本，PON因而成為FTTH最新熱門技術。PON技術始于20世紀80年代初，目前市場上的PON產品按照其采用的技術，主要分為APON／BPON(ATM PON/寬帶PON)、EPON(以太網PON)和GPON(千兆比特PON)，其中，GPON是最新標準化和產品化的技術。不同PON技術有著不同的優缺點，如表1所示。
　　　光纖到家庭(FTTH)之FTTx技術（圖四）

　　表1 不同PON技術的差異
　　
　　PON作為一種接入網技術，定位在常說的“最后一公里”，也就是在服務提供商、電信局端和商業用戶或家庭用戶之間的解決方案。
　　
　　隨著寬帶應用越來越多，尤其是視頻和端到端應用的興起，人們對帶寬的需求越來越強烈。在北美，每個用戶的帶寬需求在5年內將達到20～50Mb/s，而在10年內將達到70Mb/s。在如此高的帶寬需求下，傳統的技術將無法勝任，而PON技術卻可以大顯身手。
　　
　　1987年英國電信公司的研究人員最早提出了PON的概念。下面對幾種分別進行介紹。
　　
　　APON是在1995年提出的，當時，ATM被期望為在局域網(LAN)、城域網(MAN)和主干網占據主要地位。各大電信設備制造商也研發出了APON產品，目前在北美、日本和歐洲都有APON產品的實際應用。然而APON經過多年的發展，并沒有很好的占領市場。主要原因是ATM協議復雜，APON的推廣受阻的影響，另外設備價格較高，相對于接入網市場來說還較昂貴。由于APON只能為用戶端提供ATM服務，2001年底FSAN更新網頁把APON改名為BPON，即“寬帶PON”， APON標準衍變成為能夠提供其他寬帶服務（如Ethernet接入、視頻廣播和高速專線等）的BPON標準。
　　
　　在局域網領域，Ethernet技術高速發展。Ethernet已經發展成為了一個廣為接受的標準，現在全球有超過400萬個以太端口，95％的LAN都是使用Ethernet技術。Ethernet技術發展很快，傳輸速率從 10 Mbit／s、100Mbit／s到1000Mbit／s、10 Gbit/s甚至40 Gbit／s，呈數量級提高；應用環境也從LAN向MAN、核心網發展。
　　
　　EPON就是是由IEEE 802．3工作組在2000年11月成立的EFM(Ethernet in the First Mile)研究小組提出的。EPON是幾個最佳的技術和網絡結構的結合。EPON以Ethernet為載體，采用點到多點結構、無源光纖傳輸方式，下行速率目前可達到10 Gbit／s，上行以突發的以太網包方式發送數據流。另外，EPON也提供一定的運行維護和治理(OAM)功能。
　　
　　EPON技術和現有的設備具有很好的兼容性。而且EPON還可以輕松實現帶寬到10 Gbit/s的平滑升級。新發展的服務質量(QoS)技術使以太網對語音、數據和圖像業務的支持成為可能。這些技術包括全雙工支持、優先級(p802.1p)和虛擬局域網(VLAN)。但目前Ethernet支持多業務的標準還沒有形成，它對非數據業務，尤其是TDM業務還不能很好地支持。另外，和GPON相比它的傳輸效率較低。
　　
　　2001年，FSAN組啟動了另外一項標準工作，旨在規范工作速率高于1Gbit／s的PON網絡．這項工作被稱為Gigabit PON(GPON)。GPON除了支持更高的速率之外，還要以很高的效率支持多種業務，提供豐富的OAM＆P功能和良好的擴展性。大多數先進國家運營商的代表，提出一整套“吉比特業務需求”(GSR)文檔，作為提交ITU-T的標準之一；反過來又成為提議和開發GPON解決方案的基礎。這說明GPON是一種按照消費者的準確需求設計、由運營商驅動的解決方案，是值得產品用戶信賴的。
　　
　　3. 光纖回路分類
　　
　　FTTx在傳輸層的設計中分為三類，分別是Duplex雙纖雙向回路，Simplex單纖雙向回路和Triplex單纖三向回路。其中雙纖回路是在OLT端和ONU端之間使用兩路光纖連接，一路為下行(Downstream)，信號由OLT端到ONU端；另一路為上行(Upstream)，信號由ONU端到OLT端。Simplex單纖回路又稱為Bidirectional，簡稱BIDI，這種方案只使用一條光纖連接OLT端和ONU端，并利用WDM方式，以不同波長的光信號分別傳送上行和下行的信號。這種利用WDM方式傳輸的單纖回路和Duplex雙纖回路相比可減少一半的光纖使用量，可以降低ONU用戶端的成本，但是使用單纖方式時在光收發模塊上要引入分光合光單元，架構比使用雙纖方式的光收發模塊復雜一點。BIDI上行信號選用1260至1360 nm波段的激光傳輸，下行則使用1480至1580 nm波段。而在雙纖回路中則是上下行都使用1310 nm波段傳送信號。圖4是這兩種情況的示意圖。
　　光纖到家庭(FTTH)之FTTx技術（圖五）