韋樂平
摘 要 文章首先分析了寬帶接入網發展的主要驅動力，并簡要介紹其發展狀況和主要應用。然后分析了寬帶點到點有源光纖系統和寬帶點到多點無源光纖系統的特點和發展狀況。最后著重指出各種寬帶光纖接入網都有其最佳使用場合和時機，寬帶點到點有源光纖系統最適合企事業用戶，其中寬帶數字環路載波系統適合從傳統電話網向寬帶網轉型的過渡期應用；寬帶點到點有源以太網光纖系統適合在低密度用戶分散地區應用；寬帶點到多點無源光纖系統最適合新建或改建的密集用戶區應用。我國的發展可能跨越APON、BPON和EPON階段，從寬帶點到點以太網光纖系統和GEPON開始，乃至很快過渡到GPON階段。
關鍵詞 寬帶 光纖 接入網
寬帶接入網發展的驅動力
長期以來，接入網一直是電信網領域中耗資最大、技術變化最慢、成本最敏感、法規影響最大和運行環境最惡劣的老大難領域。當核心網和用戶駐地網頻繁地更換和應用各種現代新技術時，接入網領域仍然基本維持著原始的模擬技術和窄帶接入技術為主的局面。顯然，接入網正日益成為全網進一步發展的瓶頸。
隨著核心網迅速向太比特網演進和用戶駐地網迅速向吉比特網演進，中間的接入網正經歷有史以來最劇烈的變化，即向寬帶化轉型，主要的驅動力有六個方面：
·新業務、新收入和新商務模式的需要；
·技術進步和創新的驅動；
·有線電視或其他新興電信公司的競爭壓力；
·實現全網端到端寬帶連接的需要；
·政府的管制和政策的影響；
·寬帶對世界經濟發展的巨大拉動作用。
首先， 由于IP和移動業務的分流，傳統電信運營商固定網中與話音有關的一切，包括用戶數、通話時長和業務收入都在走下坡路。美國2000年后電話主線持續下降，每年減少250萬，2003年則比2002年減少了470萬線。日本NTT幾年內用戶線減少了1 000萬線。西歐前十位運營商的固網有90％出現了收入負增長局面。顯然，作為新的業務增長點，寬帶接入及其應用已經成為維系固網可持續發展的出路和未來。
第二，近幾年來，由于微電子、光電子、軟件技術、系統技術方面所帶來的巨大進步使各種寬帶接入技術的實現成為可能，而且其成本持續不斷地下降，在客觀上為寬帶接入的發展準備了物理條件。
第三，由于電信市場的全面開放，電信公司已經或即將面臨有線電視公司或新興電信公司在寬帶數據和電話業務方面的激烈競爭。為了保留已有用戶，爭取新用戶，電信公司不得不開始大規模敷設寬帶接入網。
第四，目前核心網正在迅速向太比特網演進，實用化波分復用系統的容量已達1 600Gbit/s。另一方面，用戶側終端的速率也在突飛猛進，低成本千兆比以太網將局域網的速率提高了一個量級，10Gbit/s以太網也已經普遍應用。這種用戶接入的寬帶化和IP化趨勢也反映在普通居民用戶群中，從電子郵件到Web瀏覽乃至視頻業務，帶寬要求正以幾倍、幾十倍的速度增長。然而，面對核心網和用戶側帶寬的快速增長，接入網已經成為全網實現端到端寬帶連接的最后瓶頸，接入網的寬帶化和IP化將成為本世紀初接入網發展的主要大趨勢。
第五，政府的管制和政策也會在相當程度上影響寬帶接入的發展，諸如消除法律障礙、放松管制、制定產業鼓勵和稅收鼓勵政策、加速折舊政策等。例如，韓國將發展寬帶接入作為國策，大力倡導并給予各種政策傾斜，花了三年時間，就成為世界上寬帶接入發展最快的國家。
第六，寬帶接入網本身及其巨大的業務應用潛力對世界經濟發展具有巨大的拉動作用，有可能創造出萬億美元的世界性新市場。
寬帶接入網發展的狀況和應用
進入21世紀以來，全球寬帶接入網進入了大發展階段，其中亞太地區，特別是韓國和日本是發展最迅猛的國家，這與其政府的大力推動政策密不可分。韓國經過了三年的大發展，寬帶用戶總數突破1 000萬，寬帶普及率達世界第一，占據家庭的70％，互聯網的90％，市場規模達40億美元。日本政府也通過各種措施（包括eJapan，uJapan等一系列國家項目）大力推進寬帶發展，目前寬帶用戶總數為1 500萬，其中FTTH達120萬，計劃2005年將寬帶用戶總數提高到3 000萬，其中FTTH達到1 000萬。美國的寬帶接入是以電纜電視和ADSL為主發展的，近來光纖到駐地（FTTP）也引起不少地方政府的興趣，成為近期FTTP的主要驅動力。傳統電信公司中的Verizon態度最積極，計劃在今年敷設100萬戶。
我國寬帶接入網在近兩年發展也十分迅速，據初步統計，到2003年底我國寬帶上網用戶達1 740萬，寬帶注冊用戶達1 010萬。2001年到2003年， 我國互聯網寬帶用戶從200萬增加到1 740萬，年均增長率385%。寬帶用戶增長率是上網用戶增長率的5.7倍， 說明我國寬帶用戶增長進入高速發展期。
在寬帶應用方面，按照美國麥肯錫公司的最新分析，初期的寬帶應用主要是高速上網，可以使上網的時間增加約30%。此后，隨著業務的大規模拓展，開發新業務成為繼續發展的動力。美國RHK在2004年一季度的調查結果顯示，2003年美國前五名的寬帶消費是網上賭博、成人節目、游戲、音樂下載和點播電視，具有明顯的向消費類傾斜的趨勢。韓國寬帶發展的成功主要有兩大因素，因素之一為政府的大力支持，包括政策推進，政府資金的支持。韓國政府撥出15億美元資助運營商建網，10億美元低息貸款鼓勵建網，開發200美元的低價電腦扶貧以及開放健康的市場競爭環境。成功因素之二是豐富的在線應用和內容，教育與游戲結合形成的應用突破，使網民上網時間從每月17小時提高到44小時。
需要指出，討論應用驅動需要注意一個基本認識上的誤區，即不能寄希望于人為地事先研究開發出一兩項所謂“殺手锏應用”，再推廣應用。事實上，從電信發展歷史看，當網絡用戶數達到一定規模，各種應用會自然產生，這也是邁特卡夫定律的威力所在。歷史上沒有一種技術生來就帶著一大堆應用，無論是移動通信還是互聯網，其短信、瀏覽、網上聊天等關鍵應用都是在用戶規模發展到一定程度后自然產生的，而不是事先刻意設計策劃出來的。
寬帶光纖接入網的優勢
寬帶接入網的技術實現手段有多種，包括銅線上的DSL和以太網技術，同軸電纜上的HFC技術，光纖上的各種有源、無源技術和無線上的寬帶接入技術等。當前各種寬帶接入技術都在發展和應用，就世界范圍看，電信公司是以ADSL為主發展的。根據ATM論壇統計，2004年一季度全球已有7 340多萬ADSL寬帶用戶，其他寬帶接入技術的數量都不是很大。
然而，目前的ADSL技術是建立在銅線基礎上的寬帶接入技術，銅是世界性戰略資源，隨著國際銅纜價格持續攀升，以銅纜為基礎的xDSL線路成本越來越高。其次，作為有源設備，電磁干擾難以避免，維護成本越來越高。最后，隨著全網的光纖化進程繼續向用戶側延伸，端到端寬帶連接的限制越來越集中在接入段。目前ADSL的上行1Mbit/s和下行8Mbit/s的連接速率無法滿足高端用戶的長遠需求。盡管ADSL2和ADSL2+技術有望緩解這一壓力，但其速率和傳輸距離的繼續大幅度提高是受限的，不能指望有本質性突破。顯然，隨著光纖在長途網、城域網乃至接入網主干段的大量應用，邏輯的發展趨勢將是繼續向接入網的配線段和引入線部分延伸，關鍵是推進速度有多快，這將取決于多種因素，包括市場的需求、競爭的需要、應用的刺激、技術的進步，成本的下降和配套運維系統的開發，等等。我國2008年舉辦奧運會和2010年舉辦世界博覽會這兩大事件將在一定程度上推進寬帶光纖接入網的發展。下面主要從技術的角度來分析幾種主要的寬帶光纖接入技術的特征、面臨的問題和發展趨勢。
點到點有源光纖接入網
1．寬帶數字環路載波系統
光纖接入網可以粗分為有源和無源兩類。所謂有源光接入網以前主要指第二代數字環路載波系統DLC，即綜合的數字環路載波系統（IDLC）。隨著寬帶的發展，DLC也在進一步改進以支持DSL等寬帶接入業務，構筑統一的寬窄帶綜合接入平臺，支持向FTTC/FTTH的演進，國際上（例如Heavy Reading）將其看作第三代數字環路載波系統或寬帶數字環路載波系統（B-DLC）。其中又分為兩種，一種是原有IDLC基礎上加寬帶背板總線，支持獨立DSL接入。另一種是新設計的系統，所有用戶接口都是POTS加DSL，而成本幾乎沒有明顯變化，設備往往還集成了VoIP媒體網關，具有H248控制協議和信令，可以由軟交換直接控制，適合網絡從傳統電話網端局向軟交換統一控制的寬帶網的過渡期應用。
傳統DLC的缺陷是由于低用戶密度區DSLAM的敷設缺位或DSL的傳輸距離和速率限制，只能支持大約50％的用戶。而B-DLC可以增加DSL的可用性，允許在所有有業務需求的地區按需提供DSL業務。B-DLC也是推動接入網靈活點（交接箱處）融合的理想平臺，可以按需以用戶線為基礎逐步實現向軟交換的平滑過渡。這種技術在較低DSL密度下是比較經濟的解決方案，轉折點大約為25％左右。對于大規模高密度DSL敷設，則DSLAM是更理想的解決方案。
然而，這種技術作為有源設備仍然無法完全擺脫電磁干擾和雷電影響，以及有源設備固有的維護問題，盡管在中近期會有所發展，但不是接入網的長遠解決方案。
2．點到點SDH/MSTP系統
在接入網中應用SDH的主要優勢在于可以提供理想的網絡性能和業務可靠性。SDH的最新發展趨勢是支持以太網等業務接口的映射，于是SDH逐漸發展成為多業務傳送平臺（MSTP），基本思路是將多種不同業務直接或經過處理后再通過VC級聯等方式映射進不同的SDH時隙， 而將SDH設備與二層乃至三層分組設備在物理上集成為一個實體，構成業務層和傳送層一體化的SDH多業務節點，定位于網絡的邊緣。具體實施時相當于將SDH復用器、數字交叉連接器(DXC)、WDM終端、二層交換機乃至IP邊緣路由器等多個獨立的設備集成為一個MSTP網絡設備，統一控制和管理。當然，這種融合不是一步到位的，隨著業務的發展和技術的進展，近期可以首先實現物理融合，最后再走向完全的功能融合，成為名副其實的融合節點。特別是集成了VC級聯，GFP，LCAS三種標準功能的新一代MSTP，不僅能大大增強自身靈活有效地支持數據業務的能力，而且可以將核心智能光網絡的智能擴展到網絡邊緣，增強整個網絡的智能范圍和效率。
最新的發展則是將具有很好匯聚特性和優化的數據接入能力的彈性分組環（RPR）功能集成進來，最適合于城域網的接入層應用，特別是在以太網業務帶寬需求占絕對優勢的場合。然而，由于RPR沒有跨環標準，獨立組大網的能力較弱，若利用與MPLS相結合的方法可以使跨環業務流配置成同一個MPLS標記交換通道，從而實現多個RPR環業務的互通和端到端業務調度。利用MPLS還能提供基于全網的流量工程，實現空間重用和帶寬保證，提供有QoS保證的端到端業務連接，加強了支持數據靈活聯網的能力，應用范圍則可以擴展到網狀網等復雜拓撲結構。
由于這種方案基于同步工作，對抖動要求嚴，且設備成本較高；其次，靈活生成業務的能力不足，因此主要適用于局間或POP間，以及大的企事業用戶的點到點通信。
3．點到點有源以太網系統
傳統以太網屬于用戶駐地網（CPN）。然而其應用卻在向包括接入網在內的其他公用網領域擴展。歷史上，對于企事業用戶應用環境，以太網技術一直是最流行的方法，目前已成為僅次于供電插口的第二大住宅和辦公室公用設施接口。采用以太網作為企事業用戶接入手段的主要原因是已有巨大的網絡基礎和長期的經驗知識，目前所有流行的操作系統和應用也都與以太網相兼容、性能價格比好、具有可擴展性、容易安裝開通以及具有高可靠性等特點。
對于公用網住宅用戶應用環境，點到點有源以太網系統采用有源業務集中點來替代無源點到多點系統的無源器件，使傳輸距離可以擴展到160公里之遠。主要優點是專用接入，帶寬有保證，每用戶可以獨享100Mbit/s，局端設備簡單，傳輸距離長，成本隨用戶數的實際增長而線性增加，投資風險低，因而在低密度、用戶分散地區成本較低。缺點是光纖設施專用，當需求快速增長且用戶很密集時，空間需求和成本也隨之迅速增加，因而不太適合高密集用戶區域。
由于計費、質量、管理、安全等多種因素， 以太網作為公用網接入方式尚需進一步改進。主要是以太網技術的固有機制不提供端到端的包延時、包丟失率、帶寬控制，難以支持實時業務的服務質量，缺乏安全機制保證等。
點到多點無源光網絡系統
1．無源光網絡技術
無源光網絡（PON）是一種很有吸引力的純介質網絡，其主要特點是避免了有源設備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，提高了系統可靠性，同時節省了維護成本。還能比較經濟地支持模擬廣播電視業務，即具備三重功能（triple－play）。據美國貝爾運營公司報道，采用無源光網絡后每年每線可節約維護費用50美元，是電信維護部門長期期待的技術。其次，PON的業務透明性較好，原則上可適用于任何制式和速率的信號。最后，由于其光發送機和光纖由用戶共享，因而線路成本較其他點到點通信方式要低，特別是隨著光纖向用戶日益推進，其綜合優勢越來越明顯。PON的靈活組網能力和經濟適用能力使其最適合于分散的小企業和居民用戶，特別是那些用戶區域較分散，而每一區域用戶又相對集中的小面積密集用戶地區。
PON的主要缺點是一次性投入成本較高，因為局端光線路終端OLT很貴，光纖和分路器等無源基礎設施又必須一次到位，這樣當用戶數較少或用戶分布超過某一限定距離時，單用戶成本很高。另外，其樹型分支拓撲結構使用戶不具備保護功能或保護功能成本較高，影響了大規模發展。
2．APON和BPON
早期的窄帶無源光網絡是基于TDM的，性能價格比不好，已經自然消亡。一個 ATM 化的無源光網絡（APON/BPON）可以利用ATM的集中和統計復用，再結合無源分路器對光纖和光線路終端的共享作用，使性能價格比有重要改進。目前該技術在美國和日本等國已經開始商用，在日本已經敷設了約50萬線。
然而，目前實際APON/BPON的業務適配提供很復雜，業務提供能力有限，數據傳送速率和效率不高，成本較高，其市場前景由于ATM的衰落而不確定。最后，從長遠的業務發展趨勢看，APON的可用帶寬仍然不夠。以FTTC為例，盡管典型主干下行速率可達622Mbit/s，但由于分路后，實際可分到每個用戶的帶寬將大大減小。按32路計算，每一個分支的可用帶寬僅剩19.5Mbit/s， 再按10個用戶共享，則每個用戶僅能分得約2Mbit/s的帶寬而已。顯然，這樣的性能價格比是無法滿足網絡和業務的長遠發展需要的。
3. EPON/GEPON
近幾年隨著IP的崛起和發展，有人提出了EPON的概念，即在與APON和BPON類似的結構和G.983的基礎上，設法保留其精華部分---物理層PON，而以以太網代替ATM作為鏈路層協議，構成一個可以提供更大帶寬、更低成本和更寬業務能力的新的結合體---EPON。這一思想在以太網界得到了積極響應，在IEEE802.3的旗幟下已經形成了初步標準GEPON。在實際中，EPON和GEPON的基本差別就是標準化，前者往往指非標設備，后者指符合IEEE802.3ah規范的設備。另外，GEPON的傳輸距離和分路比均比EPON有所減小。
從EPON/GEPON的結構上看，其關鍵優點是極大地簡化了傳統的多層重迭網結構，主要特點有：
·消除了ATM和SDH層，從而降低了初始成本和運行成本；
·下行業務速率高達1Gbit/s，允許支持更多用戶，每一用戶的帶寬可以更高，并能提供視頻業務能力和較好的QoS；
·硬件簡單，無須室外電子設備，使安裝部署工作得以簡化；
·改進了電路的靈活指配、業務的提供和重配置能力。
IEEE802.3ah規范的GEPON技術的規范性好，上下行波長是 1 310nm和1 490nm，上下行速率為1.25Gbit/s，傳輸距離是10/20km，分路比是16，主要業務是數據和語聲；增加一個1 550nm電視廣播波長后，成為語聲、數據和電視三合一的所謂“triple play”寬帶業務捆綁服務，而這將是未來家庭業務的“殺手锏應用”。
EPON/GEPON的主要缺點是效率低和難以支持以太網以外的業務。前者是由于采用8B/10B的線路編碼，引入20％的帶寬損失；而APON和GPON都采用NRZ擾碼為線路碼，沒有帶寬損失。再加上承載層、傳輸匯聚層、業務適配效率等原因，使EPON總的傳輸效率很低，大約僅為GPON的一半。
4. GPON
2001年，在IEEE積極制定EPON標準的同時，FSAN組織開始發起制定速率超過1Gbit/s的PON網絡標準---千兆以太網無源光網絡（GPON）；隨后，ITU-T也介入了這一新標準的制定工作，并于2003年1月通過兩個有關GPON的新標準G.984.1和G.984.2（速率提高到2.5Gbit/s）。按照這一最新標準的規定，GPON可以提供1.244Gbit/s與2.488Gbit/s的下行速率和所有標準的上行速率，傳輸距離至少達20公里，具有高速、高效傳輸的特點。而且，GPON還在傳輸匯聚層采用了一個全新的標準通用組幀程序GFP，這是一種可以透明、高效地將各種數據信號封裝進現有網絡的開放的通用標準信號適配映射技術，可以適應任何用戶信號格式和任何傳輸網絡制式，全面體現了業務提供商對業務提供的靈活性要求，而APON/BPON和EPON/GEPON對每種特定業務都需要提供特定的適配方法。由于采用GFP映射，GPON的傳輸匯聚層本質上是同步的，還使用標準SDH的125μs幀，因而使GPON可以直接支持TDM業務。
從提供的業務看，GPON不僅可以提供10/100Mbit/s，1Gbit/s的業務，而且可以提供VLAN業務和語音業務，事實上可以適應任何現有業務和未來新業務的適配要求。GPON不是制造商驅動的技術標準，而是一種運營商驅動的標準，因此具有更周到的運營利益考慮，速率更高，可達2.4Gbit/s；具有通用的映射格式，可適應任何新老業務；具有豐富的OAM&P特點；對各種業務均具有很高的傳輸效率，即便對于TDM業務也能高效無開銷地傳送。
由于三種PON的主要成本都是光接口，因而其硬件成本相差不多，而傳輸效率是關鍵。GPON無論在擾碼效率、傳輸匯聚層效率、承載協議效率和業務適配效率方面都是最高的，因此其總效率最高，等效系統成本最低。例如假設TDM業務占10％，而數據業務占90％，則GPON的總效率為94％，而APON和EPON分別為72％和49％。總的看，GPON似乎應該具有更廣闊長遠的應用前景。
GPON和EPON/GEPON面臨的共同挑戰有：怎樣才能在Ethernet/GFP上有效承載TDM業務并提供電信級的服務質量；其次，由于GPON和EPON/GEPON是點對多點的星形或樹形網絡，需要通過一個1+1并經過不同路由的光網絡來實現電信級的保護恢復要求，網絡成本將非常高；第三，目前GPON和EPON/GEPON設備成本主要受限于突發光發送/接收模塊以及核心的控制模塊/芯片，這些模塊要么是技術不成熟無法商用，要么是價格昂貴難以適應市場需要；第四，GPON和EPON/GEPON的一次性投入成本較高，不太適合逐步投資擴容的傳統電信建設模式，最適合完全新建或改建的密集用戶區域。
結束語
總的看，各種寬帶光纖接入網都有其最佳使用場合和時機。寬帶點到點有源光纖系統最適合企事業用戶，其中寬帶數字環路載波系統適合從傳統電話網向寬帶網轉型的過渡期應用；寬帶點到點有源以太網光纖系統適合在低密度用戶分散地區應用；寬帶點到多點無源光纖系統最適合新建或改建的密集用戶區應用。我國的發展趨勢將可能跨越APON、BPON和EPON階段，從寬帶點到點以太網光纖系統和GEPON開始，乃至很快過渡到GPON階段。 非標設備，后者指符合IEEE802.3ah規范的設備。另外，GEPON的傳輸距離和分路比均比EPON有所減小。
韋樂平：現任國家863計劃信息技術領域專家委員會委員，信息產業部通信科學技術委員會副主任，中國通信學會常務理事兼信息通信網絡委員會主任和光通信委員會副主任，中國電信集團公司總工程師兼北京研究院院長。
