寬帶用戶光纖接入網現狀與標準化動向

1.光纖用戶現狀


　　從世界范圍上看，用戶光纖在美國和日本發(fā)展的比較早，普及率相對來說也比較高，依據美國FTTH協(xié)會發(fā)表的數字，到2003年3月底美國FTTH的用戶數為3.8萬個家庭，同期日本公布的數據，日本約為30.5387萬個家庭。日本是世界上光纖到戶(FTTH)發(fā)展最快的國家，到2003年12月底，它的FTTH用戶數已達到了89萬戶,僅用了幾個月的時間,它的光纖用戶數就翻了一番多,它是日本寬帶用戶發(fā)展最為迅猛的一種接入方式。就是日本,目前從絕對數量上說,FTTH的用戶還不多,市場占有率還不高,僅占寬帶用戶總數的6.53%,但從發(fā)展勢頭上，它在日本發(fā)展最快，它的發(fā)展前景還是很美好的。如果將別的用戶光纖接入方式一起計算的話，如FTTC(光纖到路邊)、FTTB(光纖到大樓)、FTTA(光纖到公寓)等，那么現在就可以說，用戶光纖接入已相當普遍了。但是只有實現了FTTH，才可以說真正實現了寬帶光纖用戶了，從全世界來看，FTTH還是個新生事物，目前還沒有能成為主流的寬帶用戶接入方式，這主要是單位成本還比較高的緣故。

2.寬帶光纖用戶接入技術


　　對于寬帶光纖接入技術來說，依據配線形態(tài)的不同，主要有兩種方式，即單星型(SS: Single Star)和無源光網絡(PON: Passive Optical Network)。對于SS方式來說，每戶單獨占用一纖(乒乓方式)或二纖，用光媒體變換器去實現通信; 對于PON方式來說，要在用戶側設置光網絡單元(ONU: Optical Network Unit)和在局側設置光線路終端(OLT: Optical Line Terminal)以及光星型耦合器，現在光星型耦合器最多可有32個分岐，光星型耦合器到OLT間用一根光纖(乒乓方式)或二根光纖，32個用戶可以共用，它比SS方式節(jié)約光纖，這便于降低成本，因此，現在說到的用戶光纖主要指PON方式。在PON方式中又分為B-PON(Broadband-PON)和G-PON(Ethernet-PON)兩種，下面分別進行敘述。

3.在PON方式中的數據傳輸機理
　　在本方式中主要采用的技術是，在上行方向(用戶到局側)采用了數據同步發(fā)送技術，在下行方向(局側到用戶)采用了數據識別技術，下面分別進行說明。

4.B-PON系統(tǒng)
　　B-PON系統(tǒng)過去被稱作ATM-PON(Asynchronous Transfer Mode base PON)系統(tǒng)，它是以ATM作為基本技術的PON系統(tǒng)，傳輸速率上行為155Mbit/s，下行傳輸速率為622 Mbit/s;以后又追加了上行傳輸速率可到622 Mbit/s，下行傳輸速率可到1.2Gbit/s，數據傳送使用ATM信元。
現在關于B-PON的國際標準是ITU-T的G.983系列建議。


4.1 B-PON的波長配置

　　按照ITU-T G.983.1建議，一對光纖雙向通信中，上行使用1260～1360nm的波長，下行使用1480～1580nm的波長，以防止上、下行通信的干擾。還有，關于下行方向的波長分配，ITU-T在G.983.3建議中，對數據通信的波長作了新的規(guī)定，現在OLT～ONU使用的波長規(guī)定為1480～1500nm，其余的波長規(guī)定為將來的業(yè)務用。在下行波長分配中，預留了數據通信和別的業(yè)務發(fā)展空間，這對現有通信不會產生影響，但為下行廣播式通信地實現創(chuàng)造了條件。圖3下部為圖像通信形態(tài)，由于WDM的作用，實現了波分復用，可向多個用戶提供圖像服務。


4.2 B-PON的帶寬控制
　　B-PON系統(tǒng)的一個重要特征就是它可以根據業(yè)務的需要去提供帶寬。ITU-TG.983.1，2建議中，ONU~OLT的上行方向的帶寬是固定的，它適合于專用線用戶的通信，在這種方式下，某個ONU即使不進行數據傳送，該ONU的帶寬別的ONU也不能占用。


　　為了實現更高的帶寬利用率，ITU-T推出了能夠對上行帶寬進行動態(tài)分配的(DBA: Dynamic Bandwidth Assignment)G.983.4建議，如圖4(b)所示。


　　在動態(tài)帶寬分配(DBA)方式中，由ONU發(fā)出的帶寬要求，被送到OLT帶寬要求管理模塊，再經分配帶寬計算模塊計算，確定該ONU的上行帶寬，同時帶寬監(jiān)視模塊對各ONU的上行帶寬進行監(jiān)視，這樣各ONU的上行帶寬就會被自動進行更新，因為更新周期很短，所以可以說帶寬大體上是實時變動的(動態(tài)帶寬分配)。該方式的另一個優(yōu)點就是可以保證最低帶寬要求，它不單帶寬利用率高，而且對業(yè)務的帶寬控制成為可能，這就為重要業(yè)務的帶寬給予了保證。


　　關于B-PON下行方向的通信，同前述的一樣，OLT以廣播方式向ONU發(fā)送數據，而每個ONU只能將屬于自己的數據檢索出來，并把別的數據進行丟棄。


5.G-PON系統(tǒng)
　　G-PON系統(tǒng)在ONU～OLT之間傳輸的不是ATM信元，而是以太網幀信息，目前從速率上主要有兩種，即(G-PON: Gigabit Ethernet PON) Gbit/s和(E-PON)100Mbit/s。由于G-PON和計算機系統(tǒng)的親和性較好，因此受到廣泛地歡迎，這和B-PON相比，在應用上有很大方便，B-PON不能直接到桌面，而G-PON卻可以直接到桌面，因此成為發(fā)展的重點。但是由于以太網幀長是可變的，因而對上行帶寬進行動態(tài)控制就比較困難了，這是它的缺點。


5.1 G-PON的波長配置
　　和B-PON的G.983.3建議相同，對于E-PON的上行波長也是規(guī)定為1260~1360nm,下行波長規(guī)定為1480~1500nm，以防止上、下行方向間的干擾，還有與B-PON一樣，在下行方向1500nm以上的波長段，考慮用作圖像等通信用。


5.2 G-PON的帶寬控制
　　關于G-PON的帶寬控制，采用多點控制協(xié)議(MPCP: Multi Point Control Protocol)去實現，為了實現高帶寬利用率、低時延，也和B-PON一樣，采用了動態(tài)帶寬分配(DBA)技術，動態(tài)帶寬分配算法正在研討中。


6.B-PON、G-PON標準化動向
　　B-PON、G-PON系統(tǒng)的標準化工作主要是由ITU-T去完成，從應用角度考慮，G-PON雖然起步較晚，但發(fā)展更快，它的標準化工作也基本上達到實用化水平。


6.1 B-PON的標準化工作
　　ITU-T到現在為止進行了各種用戶光纖接入系統(tǒng)的標準化工作，它的代表就是B-PON的標準化。
　　B-PON是上行最大速率為155Mbit/s、下行最大速率為622Mbit/s的PON系統(tǒng)。它使用ATM信元，對于以太網業(yè)務和時分復用業(yè)務等形形色色的業(yè)務都能收容，它的標準化工作表示在G.983系列建議中，詳見表1。


6.2 新標準誕生的必要性
　　在B-PON最新標準中，上行方向的最大速率為622Mbit/s、下行信號的最大速率為1.2Gbit/s。但是從物理層面上看，在上行方向的速率比622Mbit/s再高的話，在技術上就會給同步工作帶來很大的難度，同時從應用角度來看，雖然B-PON也能收容IP等業(yè)務，但要經過轉換，效率低，而且還不能夠到桌面，為此，千兆比系統(tǒng)就應運而生，它的研究工作是由2001年4月開始的。


6.3 G-PON系統(tǒng)的標準化工作
　　因為新的光纖接入系統(tǒng)具有千兆比的傳輸容量，因此被稱為G-PON，它的標準化工作可分為3個層次，詳見圖5。


6.3.1 G-PON業(yè)務應用 (GSR:G-PON Service Requirement)層


　　實際上通信公司對使用G-PON的要求，主要是承載業(yè)務、速率和光分配網絡(ODN: Optical Distribution Network)等條件。


6.3.2 G-PON 傳送 (GTC:G-PON Transmission Convergence Layer)層對PON區(qū)間的信號幀結構和OLT-ONU間的控制指令等的規(guī)定。


6.3.3 G-PON物理媒體層(GPM:G-PON Physical Medium Dependent) 對G-PON系統(tǒng)光收、發(fā)信規(guī)則(輸出功率、眼圖等)的規(guī)定。


　　像上述的那樣，因為分成了3個獨立子系統(tǒng)，所以就可以分別進行標準化工作，以及像后述的那樣，容易實現與其它標準的配合，下面對上述3個子系統(tǒng)分別進行描述。


6.4 GSR
　　GSR是G-PON的業(yè)務應用層，是 G-PON系統(tǒng)所應該滿足的業(yè)務條件，為了能夠滿足該條件就變成了對GPM和GTC地研討了。依據美國、歐洲和日本等國的通信公司對GSR的研討結果，得出的結論，它主要集中在要收容什么樣的業(yè)務、必要的傳輸速率是多少、必要的傳輸距離是多少等。

　　對G-PON的基本要求是，在將來能夠對B-PON系統(tǒng)進行置換，因此，G-PON也要能適應B-PON的條件要求，特別是用1對光纖可以收容所有的業(yè)務，即把收容全業(yè)務為目標。近年IP發(fā)展異軍突起，數據終端設備(用戶的PC機等)也要具備以太網接口成為主流，但是模擬電話和T1/E1專線業(yè)務作為通信公司的主要業(yè)務還沒有改變，這就要求G-PON用1對光纖可完全能夠收容IP數據、模擬電話和專線等。


　　作為傳輸速率，下行方向(OLT-ONU)規(guī)定為1.2G/2.4Gbit/s，上行方向規(guī)定為155M/622M/1.2G/2.4Gbit/s。由于IP業(yè)務、因特網接入是主流，而它的業(yè)務不對稱性是很大的特點，所以下行方向的話務量就占到一大半。還有，若提高上行方向的傳輸速率，則必須提升使用的光發(fā)送、接受器件的性能，這就會使成本上升。因而，從實際情況出發(fā)，這就確定下行方向速率比上行方向速率高，作為GSR(General characteristicsfor Gigabit-capable Passive Optical Networks)標準的ITU-T G.984.1建議已于2003年3月完成。


6.5 GPM
　　GPM是G-PON物理媒體層(相當于OSI參考模型的第一層)，所謂物理媒體層實際上是由與光纖相連接的光/電變換器以及電信號的數據讀取器等構成，它具有把在光纖上流通的光信號傳送到2層進行數據處理以及將2層傳送過來的數據信號轉換成光信號的作用。


　　GPM光信號的速率依據OLT-ONU間的發(fā)送、接收電平差(功率預算)，按照ITU-T G.982的建議要求，將G-PON分成A/B/C等級別，并對各級別的發(fā)送、接收信號進行規(guī)定。但是， 在現階段技術上對于上行信號為2.4Gbit/s的研討還不夠充分，這是留給今后的課題了。

　　還有像前述的那樣，可以認為，伴隨著傳輸速率地提高、光的收發(fā)模塊高性能化，促使了設備成本上升。為了解決這個問題，追加了前向糾錯(FEC:Forward Error Correction)這一種差錯控制功能，作為任選項目，據此，低成本的光收、發(fā)模塊地采用成為可能。


6.6 GTC
　　TC相當于OSI參考模型的第二層(傳送層)，在GTC中規(guī)定了幀結構、OLT-ONU間的控制指令和為了安全加密功能等。對于G-PON像前述的那樣，要求能將所有的業(yè)務都要很好地進行收容，無論是數據業(yè)務或是TDM業(yè)務，都采用了同樣的數據包形式，它被稱作為GEM(G-PON Encapsuration Method)的新的封裝方法。用GEM去定義具有數個脈沖字頭控制的可變幀長，并用該幀結構去傳送數據業(yè)務和TDM業(yè)務。關于字頭控制，現正在研究中。


　　PON的下行方向(OLT-ONU)是廣播方式，因此為了確保情報不被他人盜竊的安全機能很重要，常見的就是信號加密。目前G-PON系統(tǒng)使用的加密方式是美國商務部標準技術局(NIST)頒布的AES(Advanced Encryption Standard)加密方法。但對加密方法的研究仍在繼續(xù)，今后也可能會出現新的加密方法。


6.7 展望
　　第一層為物理媒體層，第二層為傳送層，第三層為業(yè)務應用層�，F在GSR(第三層)、GPM(第一層)的標準化工作已經完成了，而GTC和OMCI(OLT-ONU間的管理控制接口)的標準化工作正在完善中，FSAN(Full Service Access Network)和ITU-T正在對標準的完善加緊工作，預計G-PON將很快會成為寬帶用戶光纖接入網的主流。