宽带接入与EPON技术

宽带接入与EPON技术

    时代的精彩离不开Internet，Internet的精彩离不开宽带。目前的宽带接入方式综合来看，技术上比较成熟的主流技术为以下几种：一，基于电话网用户线的，以ADSL为代表的xDSL（数字用户线）技术；二，基于有线电视网的HFC（混合光纤同轴网）宽带接入；三，快速以太网；四，固定无线接入方式LMDS（本地多点分配系统）；五，光纤接入。目前这几种接入技术在我国电信市场中都有应用。


一、基于电话网用户线的ADSL接入技术


      ADSL的全称是Asymmetric Digital Subscriber Line，中文意思是“非对称数字用户线路”。它是DSL（Digital Subscriber Line，即数字用户线路，是以铜质电话线为传输介质的传输技术组合）技术的一种。它以现有普通电话线为传输介质，能够在普通电话线，即铜双绞线上提供高达8Mbit/s的高速下行速率，上行速率可达1Mbit/s，传输距离则达到3000m—5000m。可以与普通电话共存于一条电话线上，使上网与接听、拨打电话互不影响。适用范围：城区电话用户群落，或人口相对密集的小区或写字楼、商厦，传输距离在5公里以内。
    发展ADSL技术有利于保护其已有投资，充分利用现有的铜缆资源，能够在正常开通现有话音业务的同时提供宽带增值业务。另外，ADSL的技术和产品已经比较成熟，价格也在不断下降。对于中国电信这样拥有超过1.35亿电话用户的运营商来说，市场潜力巨大。举个例子，假如今后5年内有10%的电话用户能使用ADSL的话，那么这个市场的用户数就将超出1000万，这无疑将是一个可观的巨大市场。
    目前ADSL应用方式主要有两种：交换局端DSLAM 接入，小型DSLAM+ADSL的方式。
    在交换局点设置大容量局端DSLAM（Digital Subscriber Line Access Multiplexer），用户端ADSL Modem通过电话线路直接接入交换局端DSLAM。这种方式可以利用已有的电话线路资源，最快的满足用户的宽带业务的需求。其最突出的优点是，从网络结构上将话音和数据流量分离，有效缓解由于用户上网对电话网造成的巨大负荷。
    小型DSLAM设备可多台级联，支持单点扩容，保证用户发展的灵活扩张能力；采用IP技术架构，避免了ATM网络建设和扩容导致的高昂成本，支持IP组播业务并提供上行百兆（电口或者光口），支持线速转发。具有布置快速灵活、不占机房面积、综合低成本接入、可以提高放号率等诸多优势，适合宽带边缘市场。在端局DSLAM覆盖不到的区域和线路质量差导致宽带无法覆盖的情况下，在这些“盲区”内放置小型DSLAM。小型DSLAM靠近用户端，通过城区内丰富的光纤资源与较近的端局连接，连接铜缆距离较短，线间的串扰小，可解决出线率低、远距离传输速率低的问题。
    随着县乡经济的快速发展和县乡居民收入的普遍提高，这些地区对宽带数据业务的需求量也在迅速增长。ADSL会逐步向县城、乡镇等区域延伸。这些区域市场往往距离比较远、用户数较少、环境较恶劣，如果采用大容量的设备会造成投资过大、维护管理复杂、放号率低、投资回收困难。因此，采用灵活的小型DSLAM +ADSL接入设备成为最佳的选择。


二、基于有线电视网的HFC（混合光纤同轴网）宽带接入


     HFC+Cable Modem的接入方式可以充分利用现有丰富的有线电视网资源。在有线电视网所能延伸到的地方，都可以推广HFC+Cable Modem的接入方式。这种接入在人口密集的地方较容易实现，相对成本也小。人口相对密集的小区，每个光点用户量在200户左右效果比较好。具体实现需要基于双向的有线电视传输网络，工程实现需要的时间要跟据网络的规模和复杂情况而定，用户要有Cable Modem，并在有线电视前端加上一套Cable modem的头端设备即可通过电视管理人员的配置下上网。HFC+Cable Modem接入方式的不足之处是：在接入和主干间需要模数转换，带宽共享随容量增加而指标变坏，同轴电缆部分为树状结构，容易产生噪声积累，影响系统质量；下行和上行频率存在干扰，滤波技术难度大。


三、快速以太网


     快速以太网接入由于与IP网的无缝结合和优良的可扩展性而具备很多天然优势，该技术能够提供高速Internet服务，分组话音和视频业务，而费用远远低于HFC，xDSL。由于技术迅速地更新换代，xDSL和Cable Modem的使用寿命较短，业务扩展性差，快速以太网接入系统主要组成部分一般具有更长的生命周期。但以太网的建设需要单独铺线，初期投资大，施工麻烦；10/100m以太网五类线接入传输距离有限，接入交换机数量众多、零散，网络管理和维护复杂，线路不够安全。
    电信在大力推广ADSL接入的同时也意识到以太网接入的重要性，积极推进以太网的接入。因为以太网接入可以利用小区、大楼内的综合布线系统，通过FTTx+LAN的方式将用户接入IP网或ATM网边缘节点。这种方式设备成本低，可扩展性强。LAN接入采用五类非屏蔽双绞线作为接入线路，将以太网插口布到桌边，给用户提供电话、电视和数据等宽带接入端口。接入带宽为10Mb/s或100Mb/s，完全能够满足用户对宽带接入的需求。
    在用户楼内已布有双绞线而光纤未能到达的地方，为了快速抢占市场，还可采取ADSL＋LAN的综合模式接入。该方式利用原有电话线路和双绞线资源，充分保护运营商已有投资，用户采用五类线接入网卡就能够实现宽带接入，灵活便捷。


四、固定无线接入方式LMDS（本地多点分配系统）


   LMDS是一种微波宽带系统，它工作在微波频率的高端20GHz-40GHz，组网灵活方便，使用成本低，它的技术优点很突出：通信带宽高、提供业务多、有完善的网管系统，方便用户对网络的监控。但基础建设费用庞大，lmds通过若干个蜂窝服务区来提供业务，每个服务区至少需要建立一个基站，固定或移动用户远端通过基站接入骨干网，当规模经营时，需要建设大量基站；用户比较少时，成本无法降低。因此适用于专业人士，对普通家庭用户则没有必要。虽然这种接入方式在投入成本上相对于其他几种接入方式来说并不具有明显的优势，它铺网快、见效早，除了可供新本地电信运营商快速独立提供业务外，还是已有本地网的业务经营者弥补现有有线网络不足时的很好的补充。


五、光纤接入方式


     从总的发展趋势看,在接入网中馈线光纤必将代替馈线电缆，直接向用户挺进，实现纯光纤接入，即光纤到家（FTTH）方式。这种方式光纤直通用户家中，一般仅需要一至二条用户线，是长远的发展方向和最终的接入网解决方案。目前的实际应用中，部分实现光纤化，光纤只到路边的业务接入点(SAP)。在该处通过光网络单元（ONU），完成光/电转换和分接等功能，然后通过多种方式接入用户家中。光纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN，即FTTx+ADSL、FTTx+Cable和FTTx+LAN等方式接入用户家中。
    光纤接入网（OAN）是采用光纤传输技术的接入网，即本地交换局和用户之间全部或部分采用光纤传输的通信系统。光纤接入网又可划分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON)，其中无源光网络PON发展更快些。
   PON(无源光网络)是指ODN(光配线网)中不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金可以等到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无需另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。PON的复杂性在于信号处理技术。在下行方向上，交换机发出的信号是按广播式发给所有的用户。在上行方向上，各ONU必须采用某种多址接入协议，如TDMA(Time Division Multiple Access)协议，才能完成共享传输通道信息访问。
    目前用于宽带接入的PON技术主要有：ATM PON(APON)和Ethernet PON(EPON)。
  APON是20世纪90年代中期开发完成的，当时为了制定一个基于光纤能够为商业用户和居民用户提供包括IP数据、视频、以太网等服务的标准，顺理成章地选择ATM和PON分别作为网络协议和网络平台，因为ATM被看作是能够提供各种类型通信的唯一协议，而PON是最经济的宽带光纤解决方案。APON可以通过利用ATM的集中和统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用，使成本比传统的、以电路交换为基础的PDH/SDH接入系统低20～40%。
  随着IP技术的不断完善，大多数的运营商已经将IP技术作为数据网络的主要承载技术。由此也衍生出大量以以太网技术为基础的接入技术。同时由于以太技术的高速发展，使得ATM技术完全退出了局域网。因此把简单经济的以太技术与PON的传输结构结合起来的Ethernet over PON概念，自2000年开始引起技术界和网络运营商的广泛重视。在IEEE802.3 EFM（Ethernet for the First Mile）会议上，加速了EPON的标准化工作。
    EPON是几种最佳的技术和网络结构的结合。EPON采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。目前，IP／Ethernet应用占到整个局域网通信的95％以上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，将成为连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法。
    EPON不需任何复杂的协议，光信号就能精确地传送到最终用户，来自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络。在物理层，EPON使用1000BASE的以太PHY，同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各ONU与OLT之间突发性数据通信和实时的TDM通信。在协议的第二层，EPON采用成熟的全双工以太技术。使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据报，因此没有碰撞，不需CDMA/CD，从而充分利用带宽。另外，EP0N通过在MAC层中实现802.1p来提供与APON类似的QoS。
    一个典型的Ethernet over PON系统由OLT、ONU、POS组成。OLT（Optical Line Terminal）放在中心机房，ONU（Optical Network Unit）放在网络接口单元附近或与其合为一体。POS（Passive Optical Splitter）是无源光纤分支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据并集中上行数据。OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源光纤网络的光纤接口。根据以太网向城域和广域发展的趋势，OLT上将提供多个Gbit／s和10Gbit／s的以太接口，支持WDM传输。OLT还支持ATM、FR以及OC3／12／48／192等速率的SONET的连接。如果需要支持传统的TDM话音，普通电话线（POTS）和其他类型的TDM通信（T1／E1）可以被复用连接到附接口，OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoS／SLA的不同要求进行带宽分配，网络安全和管理配置。OLT根据需要可以配置多块OLT（Optical Line Card），OLC与多个ONU通过POS连接，POS是一个简单设备，它不需要电源，可以置于全天候的环境中，一般一个POS的分线率为8、16或32，并可以多级连接。在EPON中，OLT到ONU间的距离最大可达20km，如果使用光纤放大器（有源中继器），距离还可以扩展。
    EPON中的ONU采用了技术成熟而又经济的以太网络协议，在中带宽和高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第二层第三层交换功能。这种类型的ONU可以通过层叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽。因为都使用以太协议，在通信的过程中，就不再需要协议转换，实现ONU对用户数据的透明传送。ONU也支持其他传统的TDM协议，而且不会增加设计和操作的复杂性。在更高带宽的ONU中，将提供大量的以太接口和多个T1／E1接口。当然，对于光纤到家（FTTH）的接入方式，ONU和NIU可以被集成在一个简单的设备中，不需要交换功能，从而可以在极低的成本下给终端用户分配所需的带宽。
远程业务分配控制（remote provisioning）管理可以让运营商通过对用户不同时段的不同业务需求做出响应，这样可以提高用户满意度。运营商可以通过中心管理系统（central management syste）对OLT、ONU等所有网络单元设备进行管理，还可以为用户提供可管理的CPE业务，系统可以很灵活地根据用户的需要来动态分配带宽，
   EPON的优点主要表现在：
  (1)相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大；EPON系统对局端资源占用很少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高；EPON系统是面向未来的技术，大多数EPON系统都是一个多业务平台，对于向全IP网络过渡是一个很好的选择。
  (2)提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。
  (3)服务范围大。EPON作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省CO的资源，服务大量用户。
  (4)带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON可以通过DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分配，并保证每个用户的QoS。
   但是作为一种新技术，如何进入市场和被市场所认可，取决于很多方面。EPON产品在严格意义上还没有标准。其次是诸如测距、同步等一些技术难点的解决方案的成熟和突发性光器件成本的进一步降低。
本文之前所论述的几种接入方案均提供了某种形式的宽带，但是每个都有其局限性。DSL技术由于其距离上的限制，也限制了大量用户的使用。而Cable的运营者在建设宽带Cable的必要基础设施上比较缓慢，而且这种网络拓扑在提供可靠的QoS上也存在一些问题。而EPON系统可以提供DSL、LAN、Cable Modem等接入方式无法提供的高质量的宽带。这非常适合于FTTB模式，接入到中小型甚至大型商业用户。
在当前的情况下，EPON技术大多会以一种与其他技术相结合的姿态进入市场。FTTB/FTTC+DSL，FTTB/FTTC+LAN都是不错的选择。DSL和LAN是目前中国宽带的两种主要接入方式。但DSL的距离限制挡住了大量的客户，传统的LAN技术也难以灵活地提供和保证用户的带宽。采用EPON技术，不仅可以通过无源传输网络直接连接到服务区域，再进行DSL或LAN扩展，从而为大范围用户提供服务，而且可以集中进行管理和带宽分配。当把ONU集成到DSLAM，使用EP0N能使DSL突破传统的1500m的距离，从而增加约50％的用户，DSL可以到达的范围和其潜在的用户群都会大大增加。通过集成ONU到CMTS（Cable Modem Termination System），EPON可以用来给现有的Cable连接提供带宽，而且可以实现真正的交互式服务，同时降低建设和运营成本。EPON技术还可以用来给固定的无线发射塔提供带宽，很好地解决无线接入技术中如何将上行数据汇集到CO的问题。
  从运营商和服务提供商的角度来看，EPON系统可以带来多方面的好处，包括降低安装、管理和运营成本，提高投资回报率，增加新的赢利机会，长期保持竞争优势等。在适当的场合，适时地采用EPON系统，无论对于原有的运营商还是新兴的运营商，都将是一个明智的选择。