光纤到户（FTTH）的方案探讨

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光纤到户（FTTH）的方案探讨
[编辑：北京歌华有线电视网络股份有限企业 李少杰]

     “宽带”是当今社会使用频率最高的科技词汇之一，宽带是通往信息社会的高速公路，人们利用宽带网络从互联网上搜寻信息，互相交流，其高效、便捷、随时随地的特点也促进了信息社会的发展。目前，宽带技术五花八门，涉及多个行业，如电信的ADSL、广电的Cable Modem，社区以太网、电力线上网、无线局域网等技术都可以实现宽带接入。但是，随着用户对带宽需求的不断加大，这些技术将无法满足未来需求，铜缆受其自身性能的限制（频率越高，所产生的干扰越大），因此光通信技术将成为未来通信发展的趋势。早在20年前，光纤到户（FTTH）就已经被提出来，但由于当时技术复杂、成本太高等原因而无法进行大规模推广和应用，随着光电子技术的飞速发展，FTTH又重新成为热点，且发展速度有超出电缆的趋势。目前，很多发达国家在FTTH的发展上已经取得了很大进展，美国计划到2006年，装有FTTH的家庭数从2001年的89000户增加到265万户，年复合增长率为63%。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在社区内安装FTTH做好准备。英国电信有可能抛弃VDSL进而选择FTTH技术。日本政府将FTTH普及率视为国家信息化先进程度的标志，并制定了e-Japan计划不遗余力地推动FTTH的发展。"e-Japan"计划要求国内使用光纤线路的用户或家庭要达到整个宽带市场的1/3以上，日本的司法和建筑物管理机构甚至还联合出台了一份建议，提出在未来数年内，新建的楼宇和公寓都推荐使用光纤接入或无线接入线路。截止到2003年6月底，FTTH服务的用户数为458293线，与5月底相比增加了59957线。相比之下，ADSL用户的增长率则开始下降。另外，根据日本总务省在2004年4月底公布的数据显示，全日本的FTTH用户数已突破110万人口。

    我国在FTTH的建设方面相对比较晚，但随着一些试点项目的成功运作，FTTH也逐渐成为各大通信运营商重点关注的对象，预计在今后几年，FTTH将会是引领宽带网络的新一轮的热潮。下面本文针对光纤通信的特点和FTTH的几种方案进行比较分析，来为读者提供参考和帮助。

    一 光纤通信的特点

    光纤是光导纤维的简称，由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。它透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，光导纤维为传输介质的一种通信方式。

    目前，光通信使用的光波波长范围是在近红外区内，波长为0.8至1.8um。可分为短波长段（0.85um）和长波长段（1.31um和1.55um）。概括地说，光纤通信有以下优点：

    * 频带较宽：可达到近30THz；

    * 损耗小：目前使用的光纤均石英系列光纤，而且由于制成的石英玻璃介质的纯度极高，所以光纤的损耗极低，中继距离可以很长。这样，在通信线路中可以减少中继站的数量，降低成本且提高通信质量。

    * 不受电磁干扰：光纤电缆中传输的是光束，由于光束不受外界电磁干扰与影响，而且本身也不向外辐射信号，因此它适用于长距离的信息传输以及要求高度安全的场合。

    * 线径细、重量轻：由于光纤直径只有0.1mm左右，光缆成品要比金属电缆细，重量也轻，这样便于制造多芯光缆，提高线缆的空间利用率。

    * 资源丰富：光纤的主要成分是石英，因此制造光纤的材料资源丰富，制造成本也低。

    光纤本身也有缺点，如质地较脆，机械强度低就是它的致命弱点。稍不注意，就会折断于光缆外皮当中。光纤的接续比较困难，施工人员要有比较好的切断、连接、分路和耦合技术。

    二 FTTH的的主要解决方案

    首先先容一下文章中提到的一些名词。

    * 光线路终端（Optical Line Terminal; OLT）：位于电信机房的局端设备。

    * 光网络单元（Optical Network Unit; ONU）：用户端设备，后面可接局域网。

    * 光网络终端（Optical Network Terminal; ONT）：用户端设备，直接连到用户PC。

    * 媒体转换器（Media Converter；MC）：用于将电信号转换成光信号进行传输的设备。

    * 光配线网（ODN）：由光缆、光连接器等组成的网络。

    * 无源光网络 Passive Optical Network （PON）：光配线网（ODN）全部由无源器件组成。

    * APON/BPON（ATMPON/宽带PON）：基于ATM的无源光网络。

    * EPON（以太网PON）：基于以太网的无源光网络。

    * GPON（千兆比特PON）：千兆比特无源光网络。

    FTTH（光纤到户）是指将光网络单元（ONU）安装在住家用户或企业用户处，光纤连接ONU主要有两种方式，一种是点对点形式拓扑（Point to Point; P2P），从中心局到每个用户都用一根光纤；另外一种是使用点对多点形式拓扑方式（Point to Multi-Point; P2MP）的无源光网络（Passive Optical Network; PON）。

    1. 点到点的FTTH解决方案

    采用点到点的结构，从中心局到每个用户都用一根光纤。图1是最新建议草案G.ptp 100 Mbit/s基于以太网的点到点的系统配置。对于具有N个终端用户的距离为M km的无保护FTTH系统，如果采用点到点的方案，需要2N个光收发器和NM km的光纤。Ethernet + Media Converter就是一种过渡性的点对点FTTH方案，此种方案使用媒体转换器（Media Converter；MC）方式将电信号转换成光信号进行长距离的传输。其中MC是一个单纯的光电/电光转换器，它并不对信号包做加工，因此成本低廉。这种方案的好处是，对于已有的电的Ethernet设备只需要加上MC即可。对于目前已经普及的100 Mbps Ethernet网络而言，100 Mbps的速率也可满足接入网的需求，不必更换支撑光纤传输的网卡，只需要加上MC，这样用户可以减少升级的成本，是点对点FTTH方案过渡期间网络的解决方案。





   


    2. 点到多点的FTTH解决方案

    如上例，如采用点到多点的方案，则需N+1个光收发器、一个或多个（视N的大小）光分路器（OBD）、和大约M km的光纤，在这一点上，点到多点有着明显的成本优势；采用点到多点的方案，地降低了光收发器的数量和光纤用量，并降低了中心局所需的机架空间。

    虽然点对点直接光纤连接具有容易管理、没有复杂的上行同步技术和终端自动识别等优点。另外上行的全部带宽可被一个终端所用，这非常有利于带宽的扩展。但是这些优点并不能抵消它在器件和光纤成本方面的劣势，而且中心局也不会有足够大的空间来容纳数量庞大的光收发器。因此，对于用户数量较少或用户分布过远时，可考虑采用点到点的FTTH解决方案，而在大量密集的光纤入户时，采用点到多点的光纤接入手段。被认为是实现FTTH的主要技术，具有非常大的发展潜力。

    三 无源光网络PON技术的分析

    无源光网络（PON）技术是一种点到多点的光纤接入技术，它由局侧的OLT（光线路终端）、用户侧的ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）组成。一般其下行采用TDM广播方式、上行采用TDMA（时分多址接入）或WDMA（波分多址）方式，而且可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构（典型结构为树形结构）。所谓“无源”，是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光分路器等无源器件组成，因此无需租用机房、无需配备电源，降低了管理维护的成本，同时也节省了大量光缆资源等建置成本。

    目前市场上的PON产品按照其采用的技术，主要分为APON／BPON（ATM PON/宽带PON）、EPON（以太网PON）和GPON（千兆比特PON），其中，GPON是最新标准化和产品化的技术。不同PON技术有着不同的优缺点，如表1所示。







   


    APON技术在支撑多业务多速率、确保业务质量方面有着天然的优势，但也存在系统相对复杂，可提供带宽有限，网络升级困难等诸多不利因素。EPON/GEPON技术最明显的优势就是网络结构简单、易维护、成本低、速率高，且由于采用的是IP/Ethernet的协议，与应用广泛的以太网局域网互连时无需再进行协议转换，但其缺点也很明显，以太网存在的问题EPON也存在，如业务质量、网络安全问题，还存在一些如数据突发接收问题等等，还需要完善；另外EPON在以太网络封包的传输上是三者中效能最低的。EPON/GEPON技术主要面向对带宽要求高、对业务质量和网络安全要求不是太高、对成本敏感的以太网业务为主的中小型企事业单位的接入。如果成本能进一步下降，也可以作为FTTH的主要手段直接面向个人用户。

    GPON技术是一种新兴的技术，提供的传输速率是最高的，同时采用了“通用成帧协议”使其能将各种类型和速率的业务进行透明传输，使GPON在常规语音及数据传输上均优于APON和EPON/GEPON；它还具备较强的网络安全性，向用户提供的是电信级的服务，这个优点是EPON/GEPON暂时不具备的。缺点是成本相对较高，目前几乎无可选产品。它适合于少数对带宽要求高、需要提供电信级服务质量，且对成本不敏感的多业务需求的企事业单位的接入。

    由于IEEE的EPON标准化工作比ITU-T的GPON标准化工作开展得早，而且IEEE的关于Ethernet的802.3标准系列已经成为业界的最重要的标准，因此目前市场上已有的G比特级PON产品更多的是遵循EPON标准，严格遵循GPON标准的产品目前基本上还没有。EPON产品较GPON产品更广泛的另一个重要原因是因为EPON标准制定得更宽松，制造商在开发自己的产品时有更大的灵活性。

    EPON系统简单，且技术、产品相对GPON更加成熟，已成为覆盖最后一公里的宽带光纤接入技术首选，因此采用EPON技术具有节省机房投资、降低用户端设备成本、提高设备安全性、建网速度快、综合建网成本低等优点。

    四 FTTH的实现方案

    从产业链的角度看，EPON系统最核心部分——PON光发送/接收模块已经较成熟，核心TC控制模块已经规模生产（ASIC化），而GPON系统的相应核心模块还不太成熟，其核心TC控制模块目前仅处于FPGA阶段，还难于实现规模商用。

    虽然IEEE在制定EPON标准时主要考虑数据业务，基本上未考虑语音业务，但是鉴于目前运营商在布网规划时更注重要求接入网络应能同时提供数据和语音业务，因此除了少数EPON产品仅支撑数据业务外，许多EPON产品在IEEE标准基础上，在提供数据业务的同时采用预留带宽的方式提供语音业务。

    FTTH在传输层的设计中分为三类，分别是双纤双向回路，单纤双向回路和单纤三向回路。其中双纤回路是在OLT端和ONU端之间使用两路光纤连接，一路为下行，信号由OLT端到ONU端；另一路为上行，信号由ONU端到OLT端，双纤回路中上下行都使用1310 nm波段传送信号。单纤回路又称为Bidirectional，简称BiDi，这种方案只使用一条光纤连接OLT端和ONU端，并利用WDM方式，以不同波长的光信号分别传送上行和下行的信号。这种利用WDM方式传输的单纤回路和双纤回路相比可减少一半的光纤使用量，但是使用单纤方式时在光收发模块上要引入分光合光单元，架构比使用双纤方式的光收发模块复杂一点。采用单纤回路波分复用技术（下行1490nm，上行1310nm），仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，因此可降低OLT和主干光纤的成本压力。

    EPON还可采用三个波长的系统设计。三个波长的EPON系统可用于提供有线电视服务（CATV）或者密集波分复用。这种结构中，1490nm和1310nm波长分别用于下行和上行，而1550nm用于下行CATV信号的传输。采用这种设计，PON可以覆盖20km以内16个以上的光节点。三个波长EPON中也可以采用DWDM设计。这种设计采用光纤中1490nm下行、1310nm上行。1550nm窗口（1530nm到1565nm）允许DWDM信道在PON中透明传输，增加VOD、数字视频和带宽等功能。另外，考虑到大多数国内有线电视运营商采用1310nm的波长来传输有线电视信号，一些EPON设备也支撑用1310nm的波长传输CATV信号，这样可降低网络的建设成本。

    一个EPON系统由无源网络设备和有源网络设备组成：无源网络设备包括单模光缆、无源光分路器/耦合器、适配器、连接器和熔接头等。无源网络设备十分简单、稳定可靠、寿命长、易于维护、价格极低。有源网络设备包括中心局机架设备、光网络单元和设备管理系统（EMS）。中心局机架上插装光纤线路终端、网络界面模块（NIM）以及交换模块（SCM）。中心局机架设备提供EPON系统与服务提供应商核心的数据、视频和话音网络的接口。中心局机架上界面通常将与以下设备接口相连接：

    * 数字交叉连接（DCS），它传送未交换的或未本地交换的TDM流量到电话网络，普通的DCS界面包括DS1、DS3、STS-1和OC-3；

    * 语音网关，它传送本地交换的TDM/话音流量到公众交换电话网络（PSTN）；

    * IP路由器或ATM边缘交换机，它将数据流量引到核心数据网络；

    * 视频网络设备，它传送视频流量到核心视频网络。

    光网络单元（ONU）给用户提供数据、视频和电话网络与PON之间的接口。EPON独一无二的特征是：ONU中除了终接和转换光信号外，还提供2-3层交换功能，它允许在ONU中内置企业级路由器。EPON同样也适合用第三个波长传送模拟CATV信号或者IP视频。

    因为ONU在FTTH应用中，放置于用户节点处，而且成本不与众多用户共享，所以ONU的设计和成本成为EPON系统被接受和采用的关键，通常ONU在在FTTH应用中占成本的大约80%。

    设备管理系统管理PON中的不同设备，并向服务提供商核心运营网络提供接口。它的管理职责包括全程的查错、配置、记费、运行和安全（FCAPS）功能。

    光网络终端（ONT）是一种与国际电信联盟（ITU）G.983兼容的设备，并适用于住宅电话网络。该设备可支撑三段光纤波长；两段波长为1490 nm与1550nm的下行波段，以及一段波长为 1310nm的上行波段。借助OLT的支撑以及网络光预算解决方案，大家可在同一PON上最多安装32个ONT。

    ONT能支撑一至四个单独可寻址的POTS端口。此外，ONT还可支撑单个10/100BaseT以太网端口，能够提供不间断的高速因特网服务。为了提供完整的全业务接入网（FSAN）功能，ONT可通过同一根光纤传输有线电视服务。而后再将有线电视服务转换至大部分家庭都已安装的75Ohm同轴网络。为了支撑视频点播及其他先进的有线电视服务，ONT必须将有线机顶盒回程信道（return channel）转换成PON分组流（packet stream），以便通过上行光纤波长进行传输。

    OLT一般放置在运营商的端局机房，通过光纤连接到小区后再经过光分路器分路到多个ONU。每个GEPON系统需要一根端局到小区的光纤，可以连接32户用户。举例来说，一般小区规模按800户左右计算，如果FTTH用户覆盖率为10%到20%左右，即一个小区需要接入的用户数量为80到160户，这样，3到5个GEPON系统（支撑96到160户）就可以为整个小区的光纤到户用户提供业务。在这种情况下，需要从端局引3到5根光纤到小区。

    如果把OLT放在小区内，通过1或2个千兆上联端口连接到端局的汇聚交换机，干路光纤的需求量与以上方案基本相同。但还需要在小区内提供机房并解决供电及环境保证。另外，由于设备远离端局，运行维护不方便，会造成运维方面支出的提高。此外，一个小区的用户数量可能与OLT的支撑数量不匹配，如果把OLT放在小区机房内，很可能会造成一些OLT端口的闲置，造成设备合投资的浪费。如果把OLT放置在端局机房，则可以通过OLT连接多个小区，充分利用OLT的端口。

    从未来宽带业务的特点看，通信端局将起到越来越大的作用。未来的端局将是一个宽带交换中心，其作用不仅仅在于接入的汇聚，宽带交换中心也是一个重要的业务提供点，很多业务可以在这个位置直接提供，而不需要将用户的所有业务都送到一个集中的业务节点，从而极大的节省城域网的带宽开销。

    五 光纤布线

    目前，国内城域网敷设的大部分都是常规G.652光纤，所以，在光纤接入网方面所有光元件都应能与G.652光纤兼容，到目前为止，ITU-T并不打算在光接入网中采用其他光纤，因而G.652光纤将是主导的，甚至惟一的光纤类型。

    EPON的光网络是由光纤、光纤耦合器和光分离器构成。从OLT到ONU传输距离受到OLT、ONU的发射功率、接收灵敏度；光缆的长度；和光分路器的插入损耗影响。下面是这些设备的相关参数：

    OLT，ONU的光参数

    发射功率：＋2dB至+6dB 接收灵敏度-26dB

    光纤损耗：0.3db/公里

    光分路器损耗：理论上1×n光分路器的光损耗：＝10log（1/n）。

    以此计算：

    1×2的光分路器损耗-3db；

    1×4的光分路器损耗-6db；

    1×8的光分路器损耗-9db；

    1×16的光分路器损耗-12db；

    1×32的光分路器损耗-15db。

    但在实际的产品的损耗大于理论值。光分路器的级联和级数无关，和光分路器的损耗相关。例：假设OLT到ONU的距离10公里，使用两级光分路器，1个1×4和4个1×8构成。OLT、ONU的发射功率和接收灵敏度之间相差26db;光纤损耗：10×0.3=3db，光分路器损耗：10log（1/4）+10log（1/8）=15db。光网络损耗总和为：15＋3＝18db，这只是理论计算，但在实际网络中，还需要考虑使用耦合器和熔接等导致损耗增大，可以使用光功率计测试。在进行FTTH的网络设计时，要充分考虑光纤的各种损耗总和应满足相应设备的指标范围之内。

    六 总结

    全球多个国家正在大力推动光纤到户，我国也在积极推进此事，在有中国光谷之称的武汉市，FTTH试点项目正在进行大规模部署和实施，2004年11月份，全国首个“光纤到户”试点平台在武汉搭建成功，长飞企业宿舍区的158户家庭成为首批用户。按实际成本计算，平均每户家庭的安装费用在4000元至5000元之间，随着产品的日益成熟和量产，且这个标准还将会不断下降。在未来的几年中，随着“三网合一”进程的逐步加快，光纤到户的建设也将大规模展开，大家应抓住这个机遇，促进信息产业的发展和繁荣。