光接入网讲座

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光接入网讲座
　　第一讲　光接入网概述
　　摘要：本讲首先讨论了光接入网的基本概念和应用环境，然后介绍系统接入方式，接下来重点讲述系统参考配置和应用类型，最后分别简要介绍其业务支持能力和配置结构的选择。
　　关键词：光接入网 无源光网络
1 光接入网的基本概念和应用环境
　　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。
　　根据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，其中德国走得最快，已敷设了大约1500 000线。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。
　　总体上看，目前的接入网仍然主要是铜缆网，约占94%左右，携带的业务主要是电话业务。铜缆网的故障率很高，维护运行成本也很高，仅美国贝尔电话运营公司每年用于其用户铜缆网维护运行和满足新用户增长要求的花费就达30亿美元。在光通信时代，花费巨额费用去维护运行一个将要淘汰的铜缆网实在是迫不得已之举。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。据估算，采用光用户接入网后，每年的维护运行和供给成本可以比传统铜缆网节约至少每线50美元。对于1亿用户线相当每年可以节约50亿美元，20年累计可达1000亿美元，已完全可以用这笔费用来弥补将铜缆网转变为光缆网所需的新投资，当然故障率也可降低。
　　　　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。
　　OAN和FITL的主要设计目标有三条： 　　　　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。
　　　　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。
　　　　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。
2 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：
　　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。
　　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。
　　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。这往往是迫不得已的方法，不是发展方向，将逐渐淘汰。
3 参考配置和应用类型
　　3.1 功能参考配置
　　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，如图1所示。尽管图示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，例如将图中无源光分路器用电复用器代替就成了有源双星形结构。
　　图中从给定网络接口（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，光接入键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。
　　下面先对几个主要功能块的作用作一简要介绍。
　　OLT的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并经一个或多个ODN与用户侧的ONU通信，OLT与ONU的关系为主从通信关系。在北美，OLT称为局用数字终端（HDT）。OLT可以分离交换和非交换业务，管理来自ONU的信令和监控信息，为ONU和本身提供维护和供给功能。OLT可以直接设置在本地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器接口。OLT在物理上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在一个设备内。
　　ODN为OLT与ONU之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分配。ODN是由无源光元体（诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等）组成的纯无源的光配线网，呈树形—分支结构。
　　ONU的作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于ODN的用户侧。ONU的主要功能是终结来自ODN的光纤处理光信号并为多个小企事业用户和居民住宅用户提供业务接口。ONU的网络侧是光接口而用户侧是电接口，因此ONU需要有光/电和电/光转换功能，还要完成对语声信号的数/模和模/数转换、复用、信令处理和维护管理功能。其位置有很大灵活性，既可以设置在用户住宅处，也可以设置在DP处甚至FP处，按照ONU在用户接入网中所处的位置不同，可以将OAN划分为三种基本不同的应用类型，即光纤到路边（FTTC），光纤到楼（FTTB）以及光纤到办公室（FTTO）和光纤到家（FTTH）。
　　AF为ONU和用户设备提供适配功能，具体物理实现则既可以包含在ONU内，也可以完全独立。以FTTC为例，ONU与基本速率NTI（相当AF）在物理上就是分开的。
　　图中发送参考点S是紧靠在发送机（ONU或OLT）光连接器后的光纤点；而接收参考点R是紧靠在接收机（ONU或OLT）光连接器前的光纤点；a参考点是ONU与AF之间的参考点；V参考点是用户接入网与业务节点间参考点；T参考点是用户网络接口参考点；Q3是网管接口。
　　3.2 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，如图2所示。下面分别讲述各自的优点和缺点以及适用场合。
　　3.2.1 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。由于FTTR具有的业务量处理能力，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总结如下：
　　　　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。
　　3.2.2 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，也更接近于长官远发展目标，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，详见后。
　　3.2.3 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。以下的讨论将以FTTH为主进行。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。
　　　　由于只有当光纤直接通达住户，每个用户才真正有了名副其实的宽带链路，B-ISDN的实现才有了最终的保证，采用各种WDM或FDM技术真正发掘光纤巨大潜在带宽的工作才有可能。
　　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；来自同行，特别是CATV公司的竞争压力正迫使电话公司可能提前实施FTTH网以便保证长远的宽带业务收入；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，人们对FTTH的兴趣又在重新增加。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。
4 业务支持能力
　　OAN是一种为双向交互式业务而设计的系统，初期主要支持2Mbit/s以下速率的业务，基本业务有下面7类：
　　　　普通电话（POTS）；
　　　　租用线；
　　　　分组数据；
　　　　ISDN基本速率接入（BRA）；
　　　　ISDN一次群速率接入（PRA）；
　　　　n×64kbit/s；
　　　　2Mbit/s（成帧和不成帧）。
　　除了上述7种基本窄带业务外，还有其他一些可能支持的业务，特别是在将来应能支持宽带业务，诸如单向广播式业务（如CATV业务），双向交互式业务（如VOD或数据通信业务）等，而且还可能支持模拟广播式业务。例如有些国家就计划在近期利用1.5μm波长开放几十路模拟方式的副载波复用（SCM）电视节目。
5 配置结构的选择
　　光接入网的配置结构选择取决于众多的因素，十分复杂，需要详细分析比较和综合计算，下面仅列出几个基本考虑的因素和原则，供读者思考。
（1）用户类型
　　用户类型是配置结构选择所要首先考虑的因素，定位不准自然不会有合理的选择。通常，不同的用户类型往往需要配置不同的结构，例如企事业用户所需的用户线数目总是大于居民住宅用户， 因而FTTO和FTTC都可用于这类用户，前者适于业务量要求较大的大企业用户，而后者主要适用于小企事业和户和居民住宅用户。居民住宅用户通常只需要一二根用户电话线而已，因而必须采用具有较大共享能力的结构，例如FTTC、FTTB和FTTR。FTTC更适于分散用户，而FTTB更适于集中的公寓住宅用户。从长远看，则FTTH是方向。
（2）成本
　　成本是用户接入网技术能否成功的关键，成本高低在很大程度上取决于ONU成本究竟能在多大程度上为用户共享分担。显然，FTTH共享程度最低，用户侧需要安装专用于一个用户的ONU，其初装费用和维护成本都最高。美国Raynet公司的成本模型计算结果表明，当ONU能为24～32个用户共享时成本最佳。与FTTC和FTTB相比，FTTH的成本要高得多，目前计划安装FTTH的原因只能是其他非成本考虑因素。在相当一段时间内，FTTC和FTTB将成为最经济可行的居民用户线解决方案。对于大企事业用户，由于所需用户线数量大，平均每线的成本下降，因而FTTO结构是最经济可行的方案。像城市的新建办公大楼、饭店和大公司现在就可直接采用FTTO结构，而没必要再敷设大量铜缆用户线了。
在考虑成本时，不仅要考虑初始成本，还要考虑整个寿命期的成本，包括将来线路增长或整修的花费以及运营成本（供给、维护和供电等）。这样一来，FTTH的好处就显示出来了。按照美国贝尔通信研究所的研究结果，尽管FTTH的初始成本比FTTC要高很多，但供电成本可以节约75%至90%，供给成本可以节约20%以上，业务保证成本可以节约25%至40%，因而总的寿命期成本已可以与其他方式相比。
（3）与本地交换的综合
　　随着交换技术和光纤传输技术进展，特别是光纤传输成本的大幅度下降，多数电话公司正在重新组织配置接入网，主要趋势是减少本地交换机的数量增加交换机容量，扩大接入网的覆盖范围，而安装光接入网往往构成上述网络重新配置计划的一部分。如果能将远端交换和集中功能综合在ONU内，将使上述网络重新配置计划比较容易实现。然而此时ONU必须能为较大数量的用户服务才具有经济性，初步研究分析结果表明，一个ONU应能服务256个用户才比较经济可行。此时，SDH环形结构可以将综合FTTC/FTTB/FTTR接入网联成一体。
（4）服务灵活性
　　服务灵活性往往是企事业用户特别重视的特性。FTTO结构可以快速、灵活地按请求提供或切断业务，十分适合企事业用户的活动特性。通常，随着共享ONU的用户数的减少，能为每个用户提供特殊服务的能力会相应增加。对于大企事业用户，又由于业务量需求量大，因而FTTO提供了最灵活的服务。
（5）业务类型
　　从长远的观点看，光接入网必须能提供宽带图像业务，包括交互型和分配型的图像业务。显然，适于提供交互型低速业务（电话和数据）的配置结构未必能适于提供宽带图像业务，尤其是分配型图像业务。这方面，纯光的FTTH和FTTO结构具有最好的业务透明性。此外，ONU设置的位置越靠近用户的地方，将来的升级更新越容易。当然还有其他的考虑因素，这儿就不能　　细说了。