面向未來的寬帶接入技術

2019-11-03 09:11:08

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供稿：網友

楊志偉黃霞　　信息技術發展到今天，全球都在致力于探討下一代網絡將會如何發展。盡管目前對于下一代網絡的體系架構和內涵還處于研究當中，但多數專家認為，不管下一代網絡如何發展，在下一代網絡的服務層面必將是ip大同的世界。現實與趨勢都表明，以IP為代表的數據業務終將會超越話音業務，并且將繼續保持高速增長態勢。同樣，在傳送層面上，高速率、大容量、抗干擾的光則將繼續承擔下一代基礎網絡最理想的傳送媒介。事實上，隨著DWDM技術及計算機技術的迅猛發展，骨干網和城域核心網已經得到了如同雨后春筍般的發展。在接入層面，一種集合了代表未來網絡融合趨勢的IP及無源光網絡結構的EPON（Ethernet Passive Optical Network）技術浮出水面，并以其高帶寬、能夠與IP業務緊密結合保護運營商投資、有效利用已有信息基礎設施而減少重復投資及便于向未來網絡升級的諸多優勢在層出不窮、百花齊放的接入技術中一枝獨秀，不但被認為是下一代網絡體系結構中全光接入網領域的最佳解決方案，還贏得了來自全球的設備制造商、基礎網絡運營商、標準組織及科研院校的廣泛關注。

　　我有我優勢

　　EPON技術兼具了無源光網絡獨特的網絡結構優勢和以太網傳統的低成本優勢。在光接入網技術中，無源光網絡是一種很有吸引力的純介質網絡，可以有效避免外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設備的故障率，不僅可以提高系統的可靠性，同時也在一定程度上節約了維護成本，因而成為電信維護部門長期期待的一種技術。考慮到以太網的市場優勢，EPON與以太網的兼容性成為其最大的優勢之一。

　　近幾年，由于IP應用的迅速崛起，以太網技術的發展也隨之日新月異。從10M/100M、到1000M、10G甚至40G，速率呈數量級提高，應用環境也從局域網向城域網、核心網發展。EPON的思想同時繼承了以太網的核心遺傳因子，將以太網最核心、最本質的部分保留下來，并添加上多址接入和遠距離傳送的成分，使得傳輸距離和接入拓撲方面得以突破。源自以太網的簡單本質和廣泛的芯片支持，使得EPON產品被認為在接入領域得以具備更有競爭力的成本優勢；其次，EPON產品上、下行對稱1G的帶寬，已大大高于目前的DSL、HFC、窄帶PON等接入技術所能提供的帶寬，而且EPON還可以輕松實現帶寬到10G的平滑升級，這樣的帶寬容量完全可以滿足未來幾十年內的用戶接入需求。另外，EPON除支持IP業務外，還可以支持傳統電路業務，如POTS、E1/T1等，成為目前接入領域為數不多的綜合業務接入技術之一。

　　事實上，在EPON出現之前，窄帶PON和ATM-PON技術早已形成了規模應用。窄帶PON作為傳統PSTN網絡的延伸，在國內外有約2000萬線的應用。和EPON同屬寬帶PON的APON技術自1995年ATM技術的全盛時期出現，隨后ITU和FSAN(Full Services access Network)聯盟建立了ATM標準，并把它作為在PON之上的第二層的幀封裝技術，有許多設備供應商都開發了APON的產品，但始終沒有得到大規模的應用。雖然EPON和APON都采用PON結構作為物理層的傳輸訪問技術，然而兩者在許多方面存在著巨大差異。與ATM-PON比較，EPON的速率可以輕松達到更高的一個數量級。由于難以提供OC-12以上的高帶寬來滿足突發式的光傳送和接收需求，同時在ONU上也需要進行復雜的協議轉換，所以APON的發展受到很大局限。從光傳輸的角度來說，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突發模式接收器只能有很短的時間(幾個字節周期)來響應單個ONU的突發光傳輸以及調整相位和數據恢復。所有這些突發模式的傳輸都相當復雜而且設備昂貴。眾所周知，5字節的ATM頭相對于48字節的數據來說，將會帶來超過10%的帶寬損失。相反，在EPON系統中，由于高效的幀結構和對可變長度以太網MAC幀的靈活支持，協議所帶來的帶寬損失只有2%～3%。從數據處理方面來看，在APON中，用戶數據必須要在協議轉化(TDM用AAL1/2，數據包傳輸用AAL5)下傳送。由于傳輸的制式是異步轉移模式（ATM），信號在通過無源光網絡之前，要將以太網幀先拆分成信元，通過無源光網絡之后，再恢復以太網幀，這個信元拆裝處理的較高成本難以避免; 同時這種轉換對于高帶寬也難以適應，執行這種功能的設備，包括一些相關的附屬設備，如信元存儲器、膠合邏輯等也給系統增加了不少成本。基于信元的無源光網絡（ATM-PON）的優點是時間延遲較小，對于實時業務十分有利，但是交換和排隊的成本過高，信元拆裝的成本也較高。同時由于G.983標準的制定過多地考慮了與ATM有關的靈活性，使得光突發接收的器件成本較高。從連接和流管理的方面來看，APON的ONU需要實現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，從而導致更高的設備成本。另外，從總帶寬上來說，APON能支持的比EPON少的多，那么每個ONU上的接口數量和連接的用戶數也相應減少，相對來看，單端口的成本就增加了。因此，EPON相對于APON的經濟性不言自明。

　　一路走來

　　EPON最初的發起創意來自于幾個富有創新精神的專業人員，目的旨在摒除當前接入網方案中視頻能力缺乏、帶寬不充分、造價過高等消極因素，目前已得到了廣泛使用。

　　美國電氣與電子工程師學會（IEEE）于2000年底成立的EFM研究組（Ethernet in the First Mile Study Group）是EPON標準的研究組織。EFM研究組有幾個主要的研究議題提交給EFM任務實施組，一是不小于10M以太網利用現有的銅線點到點地傳送750米; 二是1000 Mbps以太網利用光纖點到點地傳送10公里; 三是1000兆速率的以太網點到多點的光傳送方案（即EPON），傳輸距離為10公里。來自世界各地的80個公司的200名技術人員參加了研究組的活動。

　　IEEE的EFM研究組在著手制定點到多點光網絡的EPON標準時，將會協調FSAN和ITU-T在這方面的努力。因為G.983的FSAN標準文件并未排除非ATM協議，并且留有較大余地。這樣，大部分G.983的現有內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EPON的MAC協議，這是產生EPON標準的最快辦法。幾個著名大公司都支持EPON over APON，包括Cisco和Nortel。這些主要廠商也認為EPON是建立在為APON制定的G.983標準之上的。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議，工作進展非常迅速。在EFM今年7月的會議上，標準主體的起草工作已經開始，預計在2003年的8月將會完成標準的最后確定。

　　國外已有多家公司推出了EPON產品。在國內，基于千兆以太網的無源光網絡產品，還處于研發起步階段。目前，該技術已列入十五“863”高新技術研究計劃中，目標是在2003年11月底前研制完成基于千兆以太網（GbE）、可實用化的寬帶無源光網絡（EPON）系統，形成具有自主知識產權的EPON電路與光路技術。計劃同時要求開展10Gbit/s EPON關鍵技術的并行研究，并提交相關專利和技術規范。

　　從業務提供來看，目前EPON產品主要有兩類，一種只提供IP業務接入；另一種可提供IP業務和TDM業務的綜合接入。從光纖化程度上來看，可分為基于FTTB/FTTC的EPON產品和基于FTTH的EPON產品。2001年底中國網通組織了寬帶PON產品實驗室內部測試。從測試結果來看，EPON系統對IP業務的支持能力相對APON和其它寬帶PON產品要強，表現為VLAN業務提供靈活，個別產品增加了IP L3層路由及對QoS的支持;在帶寬管理上，EPON相對于目前提供IP業務接入的路由器和交換也有很大優勢，EPON可做到提供不同帶寬控制的IP業務，個別產品還可以做到雙向限制、最高、最低用戶使用帶寬，這對于目前苦于沒有找到一個以相對經濟的方式提供有帶寬限制的接入工程網絡的建設者，絕對是一個欣喜。當然，相對于APON的成熟性，現有的EPON仍存在缺陷，這集中反映在測距方面的功能還有待完善。

　　應用，最后的考官

　　寬帶如何引向本地接入市場？基礎電信運營商應通過建立寬帶接入網的基礎結構來刺激渴求高帶寬的內容和應用的開發。EPON提供了一個理想的寬帶接入平臺。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，使用EPON也使系統很容易升級和擴展，不需要網絡規劃師為用戶預測未來的帶寬需求。

　　電信運營商采用EPON可以降低運營成本，減少資金投入，增加利潤。這表現在EPON可以用簡單、易維護和長壽命的無源光耦合器取代有源電子部件；在中心局（CO）中節省光纖和端口空間；多家用戶分擔有源電子部件和激光器的費用；每條光纖傳輸了更多的服務，從而大大地減少了每個兆位的成本。通過在EPON系統中增加WDM層可進一步降低投資。

　　EPON還可以滿足新一代城域網的要求和兼顧傳統實踐業務，在光網上通過以太網的形式直接架構寬帶IP城域網，他能夠很好地解決以下問題：

　　(1) 根據SLA、QoS，分配帶寬；

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

　　(3) 用作接入網集中器時，解決了同一樓內局域網不同用戶之間的互相隔離、每個用戶多業務流的分別管理(提高不同的QoS)，以及以多播方式提供視頻廣播、不對稱的服務方式等問題；

　　(4) 光纜環路被切斷時的保護和自愈恢復。可替代傳統城域網IP和TDM兩個分離接入平臺，與彈性分組環（RPR）、基于TDM的多業務傳送平臺一起成為城域邊緣傳輸技術的較好選擇。

　　EPON下行時的點對多點結構提供了另一個關鍵優勢: 它們適合于廣播應用。在PON系統中，通過時分復用（TDM）或WDM技術可以輕松加載模擬或數字視頻信號，以實現廣播業務。

　　在遠期規劃中，EPON技術還可以作為光纖到戶的應用平臺。但是在最近幾年內， EPON技術的優勢將主要體現在為本地接入網最后一公里基于銅線或同軸電纜的各種解決方案提供經濟、有效的支撐平臺方面。比較現期廣泛采用的接入技術如DSL、Cable、Modem、LMDS等， EPON技術能夠彌補上述技術的不足，將光纖延伸到社區或路邊。從而使得銅線、同軸電纜或無線系統在光纖最靠近用戶的地方完成最后一公里的連接。因此EPON技術既縮短了骨干網同用戶的距離，又能把光纖從骨干環網進一步延伸到用戶。具有靈活網絡拓撲結構的EPON可以方便地在樓宇密集、地形復雜的高科技園區、校園及大型小區實施，并能快速擴展新的樓宇用戶。

　　在有線電視應用中，HFC網絡一般都為樹狀分支形網絡，此種線路特點與PON系統一致。在HFC光纜資源上建設接入網絡，建議使用EPON系統，這樣可以通過WDM技術在EPON系統傳送傳統視頻信息，實現三網合一。

　　但EPON能否真正實現大規模應用，仍將面臨一些挑戰。一是標準化，有標準可依才能形成規模化生產，進一步降低成本，給運營商在設備選擇上也提供了方便，反過來刺激他的應用；二是綜合業務的支持，EPON可以很好地支持IP業務，但是EPON如何支持傳統的語音接入、如何支持視頻流的接入、如何支持TDM業務即IP業務的QoS，這些問題仍需EPON不斷完善。

　　目前中國網通已經啟動了EPON的網絡實驗工程，該工程以北京中關村大廈為中心點，采用PON特有的樹狀分支網絡結構向方圓20公里的商業樓宇輻射。此次實驗旨在全面驗證EPON技術在接入網應用環境中的先進性與可行性，為現階段網通的“CNC-Connected”樓宇接入工程提供一種有競爭力的多業務連接平臺，并為下一代全光接入網絡的建設提供全新的策略。

　　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、推動和加速FTTH的發展，美國新成立了FTTH協會，各社區都在采取行動為社區內FTTH的安裝做好準備。在管制和稅收方面已經或正在推出一些有利于促進在全國范圍安裝寬帶設施和在農村地區開展服務的政策，并且要求采用以太網無源光網（EPON）技術來實施FTTH。可以預見的是，不久的將來，EPON 一定會成為寬帶接入技術領域的重要成員。（本文作者均來自中國網絡通信有限公司，其中楊志偉先生為中國網絡通信有限公司總工程師。）

摘自《網絡世界在線》

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