进一步优化FTTH无源光网络

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光纤到户（FTTH）网络作为未来的接入网络在等待了25年之后，终于在美国开始大范围地部署了。近几年内，FTTH的持续增长主要由非传统运营商推动，如公用事业公司、市政当局、房屋开发商以及一些竞争性本地交换运营商。然而，现在有很多独立本地交换运 营商和至少一个老牌运营商已经开始选择FTTH了，无论在新建楼宇或者重建楼宇时他们都会考虑部署FTTH。这种变化的发生有经济上的原因也有技术上的原因，这些原因都和室外设备（OSP）的革新有着密切的关系，改新降低了安装FTTH的人力以及有源电设备的成本。

FTTH初装费的大部分是安装室外设备的劳务费（图1）。其次是中心机房（CO）或者头端（HE）和用户前端（CPE）的有源电设备的成本，即使在无源光网络（PON）中也是如此，虽然在PON中这些有源电设备是多用户共用的，在室外没有其他有源器件。剩下的就是CO/HE和室外设备中无源器件的成本了。图1告诉我们，通过降低前两项成本有可能将总成本大幅度降低。

劳务费主要由两部分组成：装配、测试、维修的时间，以及安装工的计时费用。计时费用的高低主要取决于安装的技术难度和设备中所需安装部件的多少。室外设备和网络结构的最新进步已经使运营商们可以大幅度地降低这些劳务费用。图2显示了一个FTTH网络的基本组成部分。其中包括馈线、配线、入户线和一些主要节点：本地汇聚点（LCP）、网络接入点（NAP）以及在用户前端的网络接口设备（NID）。

过去，安装网络时都使用一些传统技术，如在现场熔接光纤。如今，在LCP机柜、NAP、入户光缆以及NID中使用的更为先进的器件大多是在工厂熔接好的，这节约了劳务成本。由于大多数硬件（如光端机）和光缆的集成，使得技术人员只需要一个步骤就能安装好整个链路。此外，很明显，室外设备的结构在很大程度上影响了FTTH的部署成本和复杂度。

让我们来进一步分析一下这些因素。现场熔接需要高级技工、昂贵的设备以及大量的时间，特别是如果在某个地方只有很少的几处需要熔接，那单位成本就显得非常之高。然而新型的在工厂熔接好的光连接器就可以取代这种现场熔接技术。这种光连接器不受环境影响，而且更加牢固，能承受更高的应力，在入户光缆配件和光端机中使用可以让新用户更方便、快捷、可靠地接入网络。近来的安装已经显示，使用这种新型连接器能比传统安装方法（也就是熔接光缆的方法）节约最多50%的时间。因为不需要重新进入NAP终端和复杂的设备，安装工也无需特殊训练，所以劳务费也能降低了最多40%。

新一代室外设备技术又将预先端接光纤的方案向前推进了一步。带有固定连接器的光端机在出厂前就已经与菊花形配线光缆连接好了，通常连接8或10根光纤。如今，现场安装的时间只有过去的七分之一了。这种方法需要的安装工更少，使用的设备更便宜，其优越性已经被证实了。

PON一般使用星型级连结构（如ITU-T G.983和G.984或IEEE 802.3ah标准）。运营商们可以使用不同的配置方案。如图3所示，如果总共需要32条支路，可以在LCP设置一个1×8的光分路器，然后在NAP设置一个1×4耦合器/分路器，也可以直接在LCP设置一个1×32的分路器。前一种方案通常称作多级分路（DS）结构，后一种称为一级分路（CS）结构。

CS结构较DS结构有四个主要的优点，这也正是大多数PON选用了CS结构的原因：

● 在网络中实现单点维护。通过一台OTDR就可以对LCP到CO/HE和LCP到住户的两个方向进行测试。而在DS结构中，有一个耦合器/分路器设置在NAP中，那么在检修时就得增加对配线和入户线的检查。

● 分路器端口利用率高。在DS方案中，安装在NAP中的耦合器/分路器有可能在一个较长的时期内都用不上，或者是永远也用不上。而在CS方案中，在LCP处的耦合器/分路器的端口就可以逐个地分配给用户，直到它们全部被用上。

● 耦合器/分路器端口成本低。通常，1×4耦合器/分路器的每端口成本要比1×8耦合器/分路器每端口成本要高，同样，1×8的也比1×16的要高。如果采用DS结构，平均每个端口的成本可能要高出40%。

●光损耗最小。同价格上的比较相类似，耦合器/分路器的串连通常比单级器件带来更大的插入损耗，当然这也跟每个耦合器/分路器以及连接器的性能有关，一般会增加1.5dB的损耗。

LCP机柜的结构也应使检测工作和新增耦合器/分路器的工作尽量简单、快捷、可靠。

有源设备的成本

虽然FTTH网络有多种结构可供选择，但从整体成本来看，PON是一种非常高效的结构。然而，这项技术也存在着很多技术上的局限性，其网络的覆盖范围和提供的服务需要进一步优化。

PON有两个基本特性：

● 之所以称为“无源”网络，是因为仅在网络两端（也就是CO和用户端）存在着有源器件（放大器、光收发器、传输介质转换器等）。

● 其高效性在于功率共享，也就是同一光信号由多个用户共享。

这两个特性清楚地表明，光功率的充分利用是PON性能的关键。由CO或CPE提供的光功率必须能够补偿所有的损耗，包括所有的器件、连接器、接头以及光纤自身的损耗，并且还要有足够的余量使接收机能接收到。这部分余量可以通过以下两种方法来提高。

一是降低网络中每个器件的损耗。当使用预先端接好的器件时，光连接器就成了一个非常关键的因素。为每一个光连接器规定一个最大插入损耗是非常必要的，比如，标准SC-UPC连接器的插入损耗为0.2dB，低损耗SC-UPC为0.1dB，SC-APC连接器为0.3dB或0.15dB。连接器的可靠性也非常重要。另外，还要明确分路器在各种环境条件下的损耗。

二是提高发射光功率。室外设备的改进就有助于此。比如，标准单模光纤存在一个物理极限，称作受激布里渊散射（SBS），当高功率光信号在光纤中产生声波时就会产生SBS现象，而在传输模拟视频信号时就需要高功率光信号。SBS导致折射率发生变化，使光信号反向散射。因此当光功率到达产生SBS的水平时，光信号将衰减得很利害，用户的电视信号也就明显地减弱了。

网络中各种器件的光功率损耗，以及它们的总和与普通单模光纤（SMF）发生SBS的功率的比较。如图所示，SMF的SBS限制了光功率的提高幅度。一些比较草率的视频信号光损耗预算往往没有充分地考虑目前市场上能买到的传输设备对信号的真正要求，也没有考虑所有无源器件对剩余光功率损耗预算的影响。而将所有的信号需求、器件损耗、设计余量都考虑进去以后，就会发现室外设备的总损耗太大，无法保证视频信号的质量。

光纤的SBS现象限制了PON的功率预算，使得发射机的发射功率不能超过某个最大值，从而就限制了网络的最大覆盖范围。如果能够解决光纤的SBS问题，那么光纤就可以传输更大的光功率，也就降低了对各种室外设备损耗的要求，增加了选用器件的灵活性。

随着光纤设计技术的不断发展，将产生SBS的功率阈值提高已经成为可能，因此首要任务是开发一种能向后兼容所有已安装的SMF的新型光纤。这个问题最终得到了解决，新型光纤在保证向后兼容性的同时将SBS功率阈值提高了3dB，图4也显示了使用这种新型光纤给系统带来的额外功率，这也进一步缓解了SBS问题。

低损耗连接器和高SBS阈值光纤的发展推进了光功率和损耗预算问题的解决，使得CO/HE设备可以覆盖更大的区域和更多的用户。然而关键在于如何将这两项进步融入现有的实际系统中，这就要求它们向后兼容现有网络。

多种选择

灵活性、可靠性不断提升的同时找到最节约成本的方案：

● 预先端接的入户光缆使用的连接器是密封的，更加坚固，能承受更大的应力，而且不需要安装人员进入用户的住宅。这些进步可以缩短最多50%的安装时间，节约最多40%的劳务费。

● 在工厂就与配线光缆连接好的光端机可以将安装FTTH配线部分的时间缩短最多80%。

● CS结构简化了网络的检测和维护，可以将耦合器/分路器的每端口成本降低最多40%。

● 低损耗连接器为每个连接器设置了一个插入损耗上限，这使网络规划时能考虑到最差情形，从而使网络更可靠。这项技术扩大了网络的覆盖范围，使得运营商们能够更快地收回有源设备的成本。

● 高SBS阈值且与标准单模光纤完全兼容的全波段光纤解决了功率限制的问题，简化了PON的部署。并且延长了网络的传输距离、覆盖范围，提高了电设备的利用率，因此降低了平摊到每个用户的成本。

劳务费占据了光纤到户网络初装成本的一半。而无源器件仅占15%，优化网络和器件结构可以降低劳动力和电设备的成本。

通常PON由以下几部分组成：安装着光线路终端的交换中心，安装着光分路器的本地汇聚点以及网络接口设备，这些通常也称作光网络单元。所谓的无源室外设备指的就是在交换中心和网络接口设备之间的所有设备。

PON的结构具有很大的灵活性。尽量减少分路器可以降低成本、简化维修。

功率预算需要补偿PON中所有器件的损耗，但其总功率必须在普通单模光纤的SBS阈值以下。目前新型光纤的SBS阈值有所提高，因此可以适用于需要传输更大光功率的场合。