面向未來的寬帶接入技術(shù)

楊志偉 黃霞

　　信息技術(shù)發(fā)展到今天，全球都在致力于探討下一代網(wǎng)絡(luò)將會(huì)如何發(fā)展。盡管目前對(duì)于下一代網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)和內(nèi)涵還處于研究當(dāng)中，但多數(shù)專家認(rèn)為，不管下一代網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)展，在下一代網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)層面必將是IP大同的世界。現(xiàn)實(shí)與趨勢(shì)都表明，以IP為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終將會(huì)超越話音業(yè)務(wù)，并且將繼續(xù)保持高速增長態(tài)勢(shì)。同樣，在傳送層面上，高速率、大容量、抗干擾的光則將繼續(xù)承擔(dān)下一代基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)最理想的傳送媒介。事實(shí)上，隨著DWDM技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，骨干網(wǎng)和城域核心網(wǎng)已經(jīng)得到了如同雨后春筍般的發(fā)展。在接入層面，一種集合了代表未來網(wǎng)絡(luò)融合趨勢(shì)的IP及無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的EPON（Ethernet Passive Optical Network）技術(shù)浮出水面，并以其高帶寬、能夠與IP業(yè)務(wù)緊密結(jié)合保護(hù)運(yùn)營商投資、有效利用已有信息基礎(chǔ)設(shè)施而減少重復(fù)投資及便于向未來網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的諸多優(yōu)勢(shì)在層出不窮、百花齊放的接入技術(shù)中一枝獨(dú)秀，不但被認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中全光接入網(wǎng)領(lǐng)域的最佳解決方案，還贏得了來自全球的設(shè)備制造商、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、標(biāo)準(zhǔn)組織及科研院校的廣泛關(guān)注。

　　我有我優(yōu)勢(shì)

　　EPON技術(shù)兼具了無源光網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和以太網(wǎng)傳統(tǒng)的低成本優(yōu)勢(shì)。在光接入網(wǎng)技術(shù)中，無源光網(wǎng)絡(luò)是一種很有吸引力的純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，可以有效避免外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設(shè)備的故障率，不僅可以提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也在一定程度上節(jié)約了維護(hù)成本，因而成為電信維護(hù)部門長期期待的一種技術(shù)�？紤]到以太網(wǎng)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，EPON與以太網(wǎng)的兼容性成為其最大的優(yōu)勢(shì)之一。

　　近幾年，由于IP應(yīng)用的迅速崛起，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也隨之日新月異。從10M/100M、到1000M、10G甚至40G，速率呈數(shù)量級(jí)提高，應(yīng)用環(huán)境也從局域網(wǎng)向城域網(wǎng)、核心網(wǎng)發(fā)展。EPON的思想同時(shí)繼承了以太網(wǎng)的核心遺傳因子，將以太網(wǎng)最核心、最本質(zhì)的部分保留下來，并添加上多址接入和遠(yuǎn)距離傳送的成分，使得傳輸距離和接入拓?fù)浞矫娴靡酝黄�。源自以太網(wǎng)的簡(jiǎn)單本質(zhì)和廣泛的芯片支持，使得EPON產(chǎn)品被認(rèn)為在接入領(lǐng)域得以具備更有競(jìng)爭(zhēng)力的成本優(yōu)勢(shì)；其次，EPON產(chǎn)品上、下行對(duì)稱1G的帶寬，已大大高于目前的DSL、HFC、窄帶PON等接入技術(shù)所能提供的帶寬，而且EPON還可以輕松實(shí)現(xiàn)帶寬到10G的平滑升級(jí)，這樣的帶寬容量完全可以滿足未來幾十年內(nèi)的用戶接入需求。另外，EPON除支持IP業(yè)務(wù)外，還可以支持傳統(tǒng)電路業(yè)務(wù)，如POTS、E1/T1等，成為目前接入領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的綜合業(yè)務(wù)接入技術(shù)之一。

　　事實(shí)上，在EPON出現(xiàn)之前，窄帶PON和ATM-PON技術(shù)早已形成了規(guī)模應(yīng)用。窄帶PON作為傳統(tǒng)PSTN網(wǎng)絡(luò)的延伸，在國內(nèi)外有約2000萬線的應(yīng)用。和EPON同屬寬帶PON的APON技術(shù)自1995年ATM技術(shù)的全盛時(shí)期出現(xiàn)，隨后ITU和FSAN(Full Services Access Network)聯(lián)盟建立了ATM標(biāo)準(zhǔn)，并把它作為在PON之上的第二層的幀封裝技術(shù)，有許多設(shè)備供應(yīng)商都開發(fā)了APON的產(chǎn)品，但始終沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。雖然EPON和APON都采用PON結(jié)構(gòu)作為物理層的傳輸訪問技術(shù)，然而兩者在許多方面存在著巨大差異。與ATM-PON比較，EPON的速率可以輕松達(dá)到更高的一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于難以提供OC-12以上的高帶寬來滿足突發(fā)式的光傳送和接收需求，同時(shí)在ONU上也需要進(jìn)行復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，所以APON的發(fā)展受到很大局限。從光傳輸?shù)慕嵌葋碚f，ONU傳送激光上行傳輸碼速必須和PON的線速度成比例。由于距離的差異，OLT突發(fā)模式接收器只能有很短的時(shí)間(幾個(gè)字節(jié)周期)來響應(yīng)單個(gè)ONU的突發(fā)光傳輸以及調(diào)整相位和數(shù)據(jù)恢復(fù)。所有這些突發(fā)模式的傳輸都相當(dāng)復(fù)雜而且設(shè)備昂貴。眾所周知，5字節(jié)的ATM頭相對(duì)于48字節(jié)的數(shù)據(jù)來說，將會(huì)帶來超過10%的帶寬損失。相反，在EPON系統(tǒng)中，由于高效的幀結(jié)構(gòu)和對(duì)可變長度以太網(wǎng)MAC幀的靈活支持，協(xié)議所帶來的帶寬損失只有2%～3%。從數(shù)據(jù)處理方面來看，在APON中，用戶數(shù)據(jù)必須要在協(xié)議轉(zhuǎn)化(TDM用AAL1/2，數(shù)據(jù)包傳輸用AAL5)下傳送。由于傳輸?shù)闹剖绞钱惒睫D(zhuǎn)移模式（ATM），信號(hào)在通過無源光網(wǎng)絡(luò)之前，要將以太網(wǎng)幀先拆分成信元，通過無源光網(wǎng)絡(luò)之后，再恢復(fù)以太網(wǎng)幀，這個(gè)信元拆裝處理的較高成本難以避免; 同時(shí)這種轉(zhuǎn)換對(duì)于高帶寬也難以適應(yīng)，執(zhí)行這種功能的設(shè)備，包括一些相關(guān)的附屬設(shè)備，如信元存儲(chǔ)器、膠合邏輯等也給系統(tǒng)增加了不少成本�；�于信元的無源光網(wǎng)絡(luò)（ATM-PON）的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間延遲較小，對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)十分有利，但是交換和排隊(duì)的成本過高，信元拆裝的成本也較高。同時(shí)由于G.983標(biāo)準(zhǔn)的制定過多地考慮了與ATM有關(guān)的靈活性，使得光突發(fā)接收的器件成本較高。 從連接和流管理的方面來看，APON的ONU需要實(shí)現(xiàn)IP流和ATM虛連接(VPC或 VCC)相互間的映射功能。這同樣需要額外的處理能力，從而導(dǎo)致更高的設(shè)備成本。另外，從總帶寬上來說，APON能支持的比EPON少的多，那么每個(gè)ONU上的接口數(shù)量和連接的用戶數(shù)也相應(yīng)減少，相對(duì)來看，單端口的成本就增加了。因此，EPON相對(duì)于APON的經(jīng)濟(jì)性不言自明。

　　一路走來

　　EPON最初的發(fā)起創(chuàng)意來自于幾個(gè)富有創(chuàng)新精神的專業(yè)人員，目的旨在摒除當(dāng)前接入網(wǎng)方案中視頻能力缺乏、帶寬不充分、造價(jià)過高等消極因素，目前已得到了廣泛使用。

　　美國電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）于2000年底成立的EFM研究組（Ethernet in the First Mile Study Group）是EPON標(biāo)準(zhǔn)的研究組織。EFM研究組有幾個(gè)主要的研究議題提交給EFM任務(wù)實(shí)施組，一是不小于10M以太網(wǎng)利用現(xiàn)有的銅線點(diǎn)到點(diǎn)地傳送750米; 二是1000 Mbps以太網(wǎng)利用光纖點(diǎn)到點(diǎn)地傳送10公里; 三是1000兆速率的以太網(wǎng)點(diǎn)到多點(diǎn)的光傳送方案（即EPON），傳輸距離為10公里。來自世界各地的80個(gè)公司的200名技術(shù)人員參加了研究組的活動(dòng)。

　　IEEE的EFM研究組在著手制定點(diǎn)到多點(diǎn)光網(wǎng)絡(luò)的EPON標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將會(huì)協(xié)調(diào)FSAN和ITU-T在這方面的努力。因?yàn)镚.983的FSAN標(biāo)準(zhǔn)文件并未排除非ATM協(xié)議，并且留有較大余地。這樣，大部分G.983的現(xiàn)有內(nèi)容都可得到有效引用，而IEEE 802.3 EFM小組則可以著重于研究和開發(fā)EPON的MAC協(xié)議，這是產(chǎn)生EPON標(biāo)準(zhǔn)的最快辦法。幾個(gè)著名大公司都支持EPON over APON，包括Cisco和Nortel。這些主要廠商也認(rèn)為EPON是建立在為APON制定的G.983標(biāo)準(zhǔn)之上的。同樣，主要的APON廠家，如Terawave公司也聲稱能兼容EPON傳輸，并會(huì)很快推出 Gigabit Ethernet和Gigabit PON接口。到目前為止，該組織已召開了十次工作會(huì)議，工作進(jìn)展非常迅速。在EFM今年7月的會(huì)議上，標(biāo)準(zhǔn)主體的起草工作已經(jīng)開始，預(yù)計(jì)在2003年的8月將會(huì)完成標(biāo)準(zhǔn)的最后確定。

　　國外已有多家公司推出了EPON產(chǎn)品。在國內(nèi)，基于千兆以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，還處于研發(fā)起步階段。目前，該技術(shù)已列入十五“863”高新技術(shù)研究計(jì)劃中，目標(biāo)是在2003年11月底前研制完成基于千兆以太網(wǎng)（GbE）、可實(shí)用化的寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）系統(tǒng)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPON電路與光路技術(shù)。計(jì)劃同時(shí)要求開展10Gbit/s EPON關(guān)鍵技術(shù)的并行研究，并提交相關(guān)專利和技術(shù)規(guī)范。

　　從業(yè)務(wù)提供來看，目前EPON產(chǎn)品主要有兩類，一種只提供IP業(yè)務(wù)接入；另一種可提供IP業(yè)務(wù)和TDM業(yè)務(wù)的綜合接入。從光纖化程度上來看，可分為基于FTTB/FTTC的EPON產(chǎn)品和基于FTTH的EPON產(chǎn)品。2001年底中國網(wǎng)通組織了寬帶PON產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果來看，EPON系統(tǒng)對(duì)IP業(yè)務(wù)的支持能力相對(duì)APON和其它寬帶PON產(chǎn)品要強(qiáng)，表現(xiàn)為VLAN業(yè)務(wù)提供靈活，個(gè)別產(chǎn)品增加了IP L3層路由及對(duì)QoS的支持;在帶寬管理上，EPON相對(duì)于目前提供IP業(yè)務(wù)接入的路由器和交換也有很大優(yōu)勢(shì)，EPON可做到提供不同帶寬控制的IP業(yè)務(wù)，個(gè)別產(chǎn)品還可以做到雙向限制、最高、最低用戶使用帶寬，這對(duì)于目前苦于沒有找到一個(gè)以相對(duì)經(jīng)濟(jì)的方式提供有帶寬限制的接入工程網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)者，絕對(duì)是一個(gè)欣喜。當(dāng)然，相對(duì)于APON的成熟性，現(xiàn)有的EPON仍存在缺陷，這集中反映在測(cè)距方面的功能還有待完善。

　　應(yīng)用，最后的考官

　　寬帶如何引向本地接入市場(chǎng)？ 基礎(chǔ)電信運(yùn)營商應(yīng)通過建立寬帶接入網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來刺激渴求高帶寬的內(nèi)容和應(yīng)用的開發(fā)。EPON提供了一個(gè)理想的寬帶接入平臺(tái)。光纖直接入戶使用戶理論上獲得了無限的帶寬，即使在目前FTTH尚未普及時(shí)，使用EPON也使系統(tǒng)很容易升級(jí)和擴(kuò)展，不需要網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃師為用戶預(yù)測(cè)未來的帶寬需求。

　　電信運(yùn)營商采用EPON可以降低運(yùn)營成本，減少資金投入，增加利潤。這表現(xiàn)在EPON可以用簡(jiǎn)單、易維護(hù)和長壽命的無源光耦合器取代有源電子部件；在中心局（CO）中節(jié)省光纖和端口空間；多家用戶分擔(dān)有源電子部件和激光器的費(fèi)用；每條光纖傳輸了更多的服務(wù)，從而大大地減少了每個(gè)兆位的成本。通過在EPON系統(tǒng)中增加WDM層可進(jìn)一步降低投資。

　　EPON還可以滿足新一代城域網(wǎng)的要求和兼顧傳統(tǒng)實(shí)踐業(yè)務(wù)，在光網(wǎng)上通過以太網(wǎng)的形式直接架構(gòu)寬帶IP城域網(wǎng)，他能夠很好地解決以下問題：

　　(1) 根據(jù)SLA、QoS，分配帶寬；

　　(2) 提供基于TDM的傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)(T1/E1，DS3及將來的STM1)，如租用專線等；

　　(3) 用作接入網(wǎng)集中器時(shí)，解決了同一樓內(nèi)局域網(wǎng)不同用戶之間的互相隔離、每個(gè)用戶多業(yè)務(wù)流的分別管理(提高不同的QoS)，以及以多播方式提供視頻廣播、不對(duì)稱的服務(wù)方式等問題；

　　(4) 光纜環(huán)路被切斷時(shí)的保護(hù)和自愈恢復(fù)�？商娲鷤鹘y(tǒng)城域網(wǎng)IP和TDM兩個(gè)分離接入平臺(tái)，與彈性分組環(huán)（RPR）、基于TDM的多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)一起成為城域邊緣傳輸技術(shù)的較好選擇。

　　EPON下行時(shí)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)提供了另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì): 它們適合于廣播應(yīng)用。在PON系統(tǒng)中，通過時(shí)分復(fù)用（TDM）或WDM技術(shù)可以輕松加載模擬或數(shù)字視頻信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)廣播業(yè)務(wù)。

　　在遠(yuǎn)期規(guī)劃中，EPON技術(shù)還可以作為光纖到戶的應(yīng)用平臺(tái)。但是在最近幾年內(nèi)， EPON技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將主要體現(xiàn)在為本地接入網(wǎng)最后一公里基于銅線或同軸電纜的各種解決方案提供經(jīng)濟(jì)、有效的支撐平臺(tái)方面。比較現(xiàn)期廣泛采用的接入技術(shù)如DSL、Cable、Modem、LMDS等， EPON技術(shù)能夠彌補(bǔ)上述技術(shù)的不足，將光纖延伸到社區(qū)或路邊。從而使得銅線、同軸電纜或無線系統(tǒng)在光纖最靠近用戶的地方完成最后一公里的連接。因此EPON技術(shù)既縮短了骨干網(wǎng)同用戶的距離，又能把光纖從骨干環(huán)網(wǎng)進(jìn)一步延伸到用戶。具有靈活網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的EPON可以方便地在樓宇密集、地形復(fù)雜的高科技園區(qū)、校園及大型小區(qū)實(shí)施，并能快速擴(kuò)展新的樓宇用戶。

　　在有線電視應(yīng)用中，HFC網(wǎng)絡(luò)一般都為樹狀分支形網(wǎng)絡(luò)，此種線路特點(diǎn)與PON系統(tǒng)一致。在HFC光纜資源上建設(shè)接入網(wǎng)絡(luò)，建議使用EPON系統(tǒng)，這樣可以通過WDM技術(shù)在EPON系統(tǒng)傳送傳統(tǒng)視頻信息，實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一。

　　但EPON能否真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，仍將面臨一些挑戰(zhàn)。一是標(biāo)準(zhǔn)化，有標(biāo)準(zhǔn)可依才能形成規(guī)模化生產(chǎn)，進(jìn)一步降低成本，給運(yùn)營商在設(shè)備選擇上也提供了方便，反過來刺激他的應(yīng)用；二是綜合業(yè)務(wù)的支持，EPON可以很好地支持IP業(yè)務(wù)，但是EPON如何支持傳統(tǒng)的語音接入、如何支持視頻流的接入、如何支持TDM業(yè)務(wù)即IP業(yè)務(wù)的QoS，這些問題仍需EPON不斷完善。

　　目前中國網(wǎng)通已經(jīng)啟動(dòng)了EPON的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)工程，該工程以北京中關(guān)村大廈為中心點(diǎn)，采用PON特有的樹狀分支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向方圓20公里的商業(yè)樓宇輻射。此次實(shí)驗(yàn)旨在全面驗(yàn)證EPON技術(shù)在接入網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中的先進(jìn)性與可行性，為現(xiàn)階段網(wǎng)通的“CNC-Connected”樓宇接入工程提供一種有競(jìng)爭(zhēng)力的多業(yè)務(wù)連接平臺(tái)，并為下一代全光接入網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供全新的策略。

　　最后，特別需要一提的是，光纖到家庭方式（FTTH）目前正在悄然興起。為了宣傳、推動(dòng)和加速FTTH的發(fā)展，美國新成立了FTTH協(xié)會(huì)，各社區(qū)都在采取行動(dòng)為社區(qū)內(nèi)FTTH的安裝做好準(zhǔn)備。在管制和稅收方面已經(jīng)或正在推出一些有利于促進(jìn)在全國范圍安裝寬帶設(shè)施和在農(nóng)村地區(qū)開展服務(wù)的政策，并且要求采用以太網(wǎng)無源光網(wǎng)（EPON）技術(shù)來實(shí)施FTTH�？梢灶A(yù)見的是，不久的將來，EPON 一定會(huì)成為寬帶接入技術(shù)領(lǐng)域的重要成員。 （本文作者均來自中國網(wǎng)絡(luò)通信有限公司，其中楊志偉先生為中國網(wǎng)絡(luò)通信有限公司總工程師。）

摘自《網(wǎng)絡(luò)世界在線》