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宽带接入技术的发展与应用(四)

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2003-9-14 18:13:18 周志敏

本篇将介绍光纤接入技术 。

10.光纤接入技术

所谓光接入网(OAN)就是采用光纤传输技术的接入网,泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常,OAN指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统,将来应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。在北美,美国贝尔通信研究所规范了一种称为光纤环路系统(FITL)的概念,其实质和目的与ITU-T所规定的OAN基本一致,只是具体规范稍有差异因而泛指时OAN和FITL两者可以等效使用,不作区分。

光纤由于其大容量、保密性好、不怕干扰和雷击、重量轻等诸多优点,正在得到迅速发展和应用。主干网线路迅速光纤化,光纤在接入网中的广泛应用也是一种必然趋势。光纤接入技术实际就是在接入网中全部或部分采用光纤传输介质,构成光纤用户环路(FITL),或称光纤接入网(OAN),实现用户高性能宽带接入的一种方案。根据ONU所设置的位置,光纤接入网分为光纤到户(FTTH)、光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到办公室(FTTO)、光纤到楼层(FTTF)、光纤到小区(FTTZ)等几种类型,其中FTTH将是未来宽带接入网发展的最终形式。

10.1光纤接入网的网络结构

从光纤接入网的网络结构看,按接入网室外传输设施中是否含有源设备,OAN又可以划分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON),前者采用光分路器分路,后者采用电复用器分路,两者均在发展,但多数国家和国际电联标准部(ITU-T)更注重推动PON的发展,ITU-T第15研究组已于1996年6月通过了第一个有关PON的国际建议G.982,不少国家也已开始或准备开始在接入网中大量引入OAN系统。目前商用的PON系统主要是窄带PON(2Mbit/s以下业务),宽带PON(BPON)尚处于研究试验阶段,但发展势头很猛,值得密切注视。

有源光纤网络(AON)也存在几种形式,其中一种是以光纤替代原有的铜线主干网,从交换局通过光纤用V5接口连接到远端单元,然后经铜线分配到各终端用户,提高了复用率。这种技术本质上还是一种窄带技术,不能适应高速业务的需求。另外一种形式就是有源双星(ADS)光纤接入网结构。采用有源光节点可降低对光器件的要求,采用性能低、价格便宜的光器件,但是初期投资较大,作为有源设备存在电磁信号干扰、雷击以及有源设备固有的维护问题,因而有源光纤接入网不是接入网长远的发展方向。

目前光纤接入网几乎都采用无源光纤网络(PON)结构,PON成为光纤接入网的发展趋势,它采用无源光节点将信号传送给终端用户,初期投资少、维护简单,易于扩展,结构灵活,只是要求采用性能好、带宽宽的光器件,大量的费用将在宽带业务开展后支出。和AON相比,由于无源光节点损耗较大,因此传输距离较短,另外还需解决信号的同步和复用等问题。PON中ONU到OLT的上行信号的传输,多采用时分多址(TDMA)、波分多址(WDMA)或码分多址(CDMA)等先进的多址传输技术。PON中上、下行信号的传输复用技术主要有:传统的时分复用技术(TDM PON),由OLT向ONU发送定时信号,保证OLT和ONU间严格的定时关系;频分复用技术(FDM PON);波分复用技术(WDMPON),不同信号采用不同波长的光信号传输,对波长的稳定性要求极高,是目前正积极研究应用的复用方法;ATM PON(APON),是一种基于ATM信元的TDM/TDMA技术,由于ATM在实现不同业务的复用以及适应不同带宽方面的灵活性,使APON成为一种结合ATM多业务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能力的比较理想的长远解决方案,是未来宽带接入技术的发展方向,其标准遵循ITU-TG.983建议。

OAN和FITL概念的提出正是为了达到将上述大规模用户接入网投资和花费逐渐转向光纤的目的。总的看,在电信网中引入OAN或FITL的最基本的目标有两条。

首先是为了减少铜缆网的维护运行费用和故障率。其次是为了支持开发新业务,特别是多媒体和宽带新业务,从而加强竞争力,增加新业务收入,补偿建设光用户接入网所需的新投资。近年来由于光器件价格的持续稳定下降而铜缆价格的持续上升,光接入网的初装费用也已经可以与传统铜缆网相比,在传输距离大约为(2~3)km以上时已低于传统铜缆网。

除了上述两个基本目标外,采用光接入网可以满足用户希望较快提供业务,改进业务质量和可用性的要求,也可以节约城市拥挤不堪的地下管道空间,延长传输复盖距离,适应扩大的本地交换区等其他目的,其结果当然也把接入网的数字化进一步推向了用户。简言之,采用光接入网已经成为解决电信发展瓶颈的主要途径,其应用场合,不仅最适合那些新建的用户区,而且也是对需要更新的现有铜缆网的主要代替手段。

10.2 OAN和FITL的设计目标

OAN和FITL的主要设计目标有三条:

10.2.1首先主要是为小企事业单位和居民住宅用户设计的,因而可以看作是一种小型的数字环路载波系统。这一点不仅与传统的大容量点到点光纤传输系统不同,也与数字环路载波系统不同,从而引入了不少新的特点。

10.2.2其次光接入网的引入不应依赖于交换机的类型,既要能与现有模拟交换机或数字交换机兼容,也应能与新的数字交换机兼容,即能工作于多厂家,多类型交换机环境。

10.2.3最后光接入网必须能提供所有原来铜缆网所能提供的业务(主要为2Mbit/S以下速率的业务),将来还应能升级提供图像和数据等新的宽带业务。

综上可知,OAN不是传统的光纤传输系统,而是一种针对接入网环境所设计的特殊的光纤传输系统。尽管有人将之称为小型数字环路载波系统(DLC),其实两者在设计思想、结构、成本和应用环境等方面都有不少差别。

10.3光接入网系统接入方式

从光接入网系统接入方式看,FITL有三类接入方式:

10.3.1综合的FITL系统。这类系统的主要特点是通过一个开放的高速数字接口与数字交换机相连。由于接口是开放的因而FITL系统与交换机制造厂商无关,可以工作在多厂家环境,有利于将竞争机制引入接入网,从而降低了用户接入网成本。这种方式代表了FITL的主要发展方向。

目前这类标准开放接口有两大类,一类是美国贝尔通信研究所为综合的数字环路载波(IDLC)系统提出的TR-303开放接口。该接口采用嵌入的OAM通路,增加一些为支持FITL系统所需要的功能,以后将成为综合的FITL系统的开放接口。另一类是ITU-T提出的V.5.1和V.5.2开放接口,后者比前者仅多了集中和保护功能。这类接口将成为OAN的标准开放式数字接口。遗憾的是两者间都互不兼容。

10.3.2通用的FITL系统。这类系统在FITL和交换机之间需要应用一个局内终端设备,在北美称之为局端(COT)。其功能是进行数模转换并将来自FITL系统的信号分解为单个的话带信号,以音频接口方式经音频主配线架与交换机相连。由于接口是音频话带接口,因而这种方式适合于任何交换机环境,包括模拟交换机和尚不具备标准开放接口的数字交换机。然而,由于需要增加局内终端设备、音频主配线架和用户交换终端,因而这种方式的成本和维护费用要比综合的FITL系统高。其好处是通用性。

10.3.3专用交换机的FITL系统。这类系统与交换机之间不存在开放的标准接口,而是工厂自行开发的专用内部接口,因而交换机和FITL系统必须由同一制造厂家生产。这不是今后发展方向,将逐渐淘汰。

ITU-T建议G.982提出了一个与业务和应用无关的光接入网功能参考配置示例。尽管参考配置是以无源光网络(PON)为例的,但原则上也适用其他配置结构,例如将参考配置中无源光分路器用电复用器代替就成了有源双星形结构。

从给定网络接口(V接口)到单个用户接口(T接口)之间的传输手段的总和称为无源光接入链路。利用这一概念可以方便地进行功能和规程的描述以及规定网络需要。通常,光接入链路的用户侧和网络侧是不一样的,因而是非对称的。光接入传输系统可以看作是一种使用光纤的具体实现手段,用以支持接入链路。于是,光接入网(OAN)可以定义为共享同样网络侧接口且由光接入传输系统支持的一系列接入链路,由光线路终端(OLT)、光配线网(ODN)、光网络单元(ONU)及适配功能(AF)组成,可能包含若干与同一OLT相连的ODN。

10.4应用类型

按照ONU在光接入网中所处的具体位置不同,可以将OAN划分为三种基本不同的应用类型。下面分别简介各自的优点和缺点以及适用场合。

10.4.1光纤到路边(FTTC)。在FTTC结构中,ONU设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒处,即DP点,有时也可能设置在交接箱处,即FP点,但通常为前者。此时从ONU到各个用户之间的部分仍为双绞线铜缆。若要传送宽带图像业务,则这一部分可能会需要同轴电缆。这样FTTC将比传统的DLC系统的光纤化程度更靠近用户,增加了更多的光缆共享部分,有人将之看作一种小型的DLC系统。

FTTC结构主要适用于点到点或点到多点的树形分支拓扑。用户为居民住宅用户和小企事业用户,典型用户数在128个以下,经济用户数正逐渐降低至8~32个乃至4个左右。还有一种称为光纤到远端(FTTR)的结构,实际是FTTC的一种变形,只是将ONU的位置移到远离用户的远端(RT)处,可以服务更多的用户(多于256个),从而降低了成本。其因而特别适用于点到点或环形结构。FTTC结构的主要特点可以概括如下:

在FTTC结构中引入线部分是用户专用的,现有铜缆设施仍能利用,因而可以推迟引入线部分(有时甚至配线部分,取决于ONU位置)的光纤投资,具有较好的经济性。

预先敷设了一条很靠近用户的潜在宽带传输链路,一旦有宽带业务需要,可以很快地将光纤引至用户处,实现光纤到家的战略目标。同样,如果考虑到经济性需要也可以用同轴电缆将宽带业务提供给用户。

由于其光纤化程度已十分靠近用户,因而可以较充分地享受光纤化所带来的一系列优点,诸如节省管道空间,易于维护,传输距离长,带宽大等。

由于FTTC结构是一种光缆/铜缆混合系统,最后一段仍然为铜缆,还有室外有源设备需要维护,从维护运行的观点仍不理想。但是如果综合考虑初始投资和年维护运行费用的话,FTTC结构在提供2Mbit/s以下窄带业务时仍然是OAN中最现实,最经济的。然而对于将来需要同时提供窄带和宽带业务时,这种结构就不够理想了,届时初期对窄带业务合适的光功率预算值对以后的宽带业务就不够了,可能不得不减少节点数和用户数,或者采用1.5μm波长区来传宽带业务。还有一种方案是干脆将宽带业务放在独立的光纤中传输,例如采用HFC结构,此时在HFC上传模拟或数字图像业务,而FTTC主要用来传窄带交互型业务,具有一定灵活性和独立性,但需要有两套基本独立的基础设施。

10.4.2光纤到楼(FTTB)。FTTB也可以看作是FTTC的一种变型,不同处在于将ONU直接放到楼内(通常为居民住宅公寓或小企事业单位办公楼),再经多对双绞线将业务分送给各个用户。FTTB是一种点到多点结构,通常不用于点到点结构。FTTB的光纤化程度比FTTC更进一步,光纤已敷到楼,因而更适于高密度用户区,也更接近于长远发展目标,预计会获得越来越广泛的应用,特别是那些新建工业区或居民楼以及与宽带传输系统共处一地的场合。

需要注意有些文献将FTTB理解为光纤到办公楼或商务楼是不准确的,这里B表示Buliding而非Bisenes,而且Building主要指公寓楼。若为光纤到办公大楼,则称FTTO。

10.4.3光纤到家(FTTH)和光纤到办公室(FTTO)。在原来的FTTC结构中,如果将设置在路边的ONU换成无源光分路器,然后将ONU移到用户家即为FTTH结构。如果将ONU放在大企事业用户(公司、大学、研究所、政府机关等等)终端设备处并能提供一定范围的灵活的业务,则构成所谓的光纤到办公室(FTTO)结构。由于大企事业单位所需业务量大,因而FTTO结构在经济上比较容易成功,发展很快。考虑到FTTO也是一种纯光纤连接网络,因而可以归入与FTTH一类的结构。然而,由于两者的应用场合不同,结构特点也不同。FTTO主要用于大企事业用户,业务量需求大,因而结构上适于点到点或环形结构。而FTTH用于居民住宅用户,业务量需求很小,因而经济的结构必须是点到多点方式。

总的看,FTTH结构是一种全光纤网,即从本地交换机一直到用户全部为光连接,中间没有任何铜缆,也没有有源电子设备,是真正全透明的网络。其主要特点可以总结如下:

由于整个用户接入网是全透明光网络,因而对传输制式(例如POH或SDH,数字或模拟等)、带宽、波长和传输技术没有任何限制,适于引入新业务,是一种最理想的业务透明网络,是用户接入网发展的长远目标。

由于本地交换机与用户之间没有任何有源电子设备,ONU安装在住户处,因而环境条件比户外不可控条件大为改善,可以采用低成本元器件。同时,ONU可以本地供电,不仅供电成本比网络远供方式可以降低约一个量级,而且故障率也大大减少。最后,维护安装测试工作也得以简化,维护成本可以降低,是网络运营者长期以来一直追求的理想网络目标。

综上所述,一个全光纤的FTTH网在战略上具有十分重要的位置。然而主要由于经济的原因目前尚不能立即实现光纤到家,影响这一目标实现的因素很复杂,有系统成本的因素、竞争的需要、政策法规的影响以及新技术的推动等。随着时间的推移,光纤光缆和光元器件成本在稳步下降;各种宽带业务的需求正在逐步呈现;现有铜缆网的维护运行负担的增加在不断推动网络运营者转向光纤网;各国电信政策法规管制的逐渐放开越来越有利于FTTH的实施;各种新技术,诸如新型环路用激光器的出现,平面光波电路(PLC)的发展,光纤放大器的问世,波分复用和频分复用以及数字集成和压缩技术的进展都在积极推动FTTH的实现。有理由相信,在接入网中较大规模引入FTTH的时机已不太遥远了。

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