FTTx技术

   10/19/2004,作者：钟源
前言：
    光纤到家庭(FTTH)是20年来人们不断追求的梦想和探索的技术方向，但由于成本、技术、需求等方面的障碍，至今还没有得到大规模推广与发展。然而，这种进展缓慢的局面最近有了很大的改观。由于政策上的扶持和技术本身的发展，在沉寂多年后，FTTH再次成为热点，步入快速发展期。目前所兴起的各种相关宽带应用如VoIP、Online-game、E-learning、MOD (Multimedia on Demand)及智能家庭等所带来生活的舒适与便利， HDTV所掀起的交互式高清晰度的收视革命都使得具有高带宽、大容量、低损耗等优良特性的光纤成为将数据传送到客户端的媒质的必然选择。正因为如此，很多有识之士把FTTx(特别是光纤到家、光纤到驻地)视为光通信市场复苏的重要转折点。并且预计今后几年，FTTH网将会有更大的发展。本文将对FTTx的划分，实施的主要技术以及FTTx现在在世界各地的发展做一个综合的介绍。
一、FTTx划分
    FTTx技术主要用于接入网络光纤化，范围从区域电信机房的局端设备到用户终端设备，局端设备为光线路终端(Optical Line Terminal; OLT)、用户端设备为光网络单元(Optical Network Unit; ONU)或光网络终端(Optical Network Terminal; ONT)。根据光纤到用户的距离来分类，如图1所示，可分成光纤到交换箱(Fiber To The Cabinet; FTTCab)、光纤到路边(Fiber To The Curb; FTTC)、光纤到大楼(Fiber To The Building; FTTB)及光纤到户(Fiber To The Home; FTTH)等4种服务形态。美国运营商Verizon将FTTB及FTTH合称光纤到驻地(Fiber To The Premise; FTTP)。上述服务可统称FTTx。
　　　　
　　　图1 FTTx示意图（来源：Nayna Networks Inc., 2003）（文献3）

　　FTTC为目前最主要的服务形式，主要是为住宅区的用户作服务，将ONU设备放置于路边机箱，利用ONU出来的同轴电缆传送CATV信号或双绞线传送电话及上网服务。
　　FTTB依服务对象区分有两种，一种是公寓大厦的用户服务，另一种是商业大楼的公司行号服务，两种皆将ONU设置在大楼的地下室配线箱处，只是公寓大厦的ONU是FTTC的延伸，而商业大楼是为了中大型企业单位，必须提高传输的速率，以提供高速的数据、电子商务、视频会议等宽带服务。
　　至于FTTH，ITU认为从光纤端头的光电转换器（或称为媒体转换器MC）到用户桌面不超过100米的情况才是FTTH。FTTH将光纤的距离延伸到终端用户家里，使得家庭内能提供各种不同的宽带服务，如VOD、在家购物、在家上课等，提供更多的商机。若搭配WLAN技术，将使得宽带与移动结合，则可以达到未来宽带数字家庭的远景。
二、FTTx技术分类
    光纤连接ONU主要有两种方式，一种是点对点形式拓扑(Point to Point; P2P)，从中心局到每个用户都用一根光纤；另外一种是使用点对多点形式拓扑方式(Point to Multi-Point; P2MP)的无源光网络(Passive Optical Network; PON)，其拓扑结构如图2所示。对于具有N个终端用户的距离为M km的无保护FTTx系统，如果采用点到点的方案，需要2N个光收发器和NM km的光纤。但如果采用点到多点的方案，则需要N十1个光收发器、一个或多个(视N的大小)光分路器、和大约M km的光纤，在这一点上，采用点到多点的方案，大大地降低了光收发器的数量和光纤用量，并降低了中心局所需的机架空间，有着明显的成本优势。
           
    图2 PON的拓扑结构（来源：NTT Access Network Service Systems Lab V.1 N.7 Oct. 2003）（文献3）

1.点到点的FTTx解决方案
点对点直接光纤连接具有容易管理、没有复杂的上行同步技术和终端自动识别等优点。另外上行的全部带宽可被一个终端所用，这非常有利于带宽的扩展。但是这些优点并不能抵消它在器件和光纤成本方面的劣势。
    Ethernet + Media Converter就是一种过渡性的点对点FTTH方案，此种方案使用媒体转换器（Media Converter；MC）方式将电信号转换成光信号进行长距离的传输。其中MC是一个单纯的光电/电光转换器，它并不对信号包做加工，因此成本低廉。这种方案的好处是对于已有的电的Ethernet设备只需要加上MC即可。MC方式的拓扑结构如图3所示。对于目前已经普及的100 Mbps Ethernet网络而言，100 Mbps的速率也可满足接入网的需求，不必更换支持光纤传输的网卡，只需要加上MC，这样用户可以减少升级的成本，是点对点FTTH方案过渡期间网络的解决方案。由于其技术架构相当简单、便宜并直接结合以太网络而一度成为日本FTTH的主流，但在2004 OFC会议中，NTT宣称将从现在起日本FTTH标案将采取点对多点(Point to Multi-Point, P2MP)架构的PON网络模式，势必将影响MC的未来。
          
   图3 使用 Media Converter 示意图（来源：新通訊雜誌2004年七月號）（文献3）

2. 点到多点的FTTx解决方案
    在光接人网中，如果光配线网(ODN)全部由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接人网就是PON（图2）。PON的架构主要是将从光纤线路终端设备OLT下行的光信号，通过一根光纤经由无源器件Splitter（光分路器），将光信号分路广播给各用户终端设备ONU/T，这样就大幅减少网络机房及设备维护的成本，更节省了大量光缆资源等建置成本，PON因而成为FTTH最新热门技术。PON技术始于20世纪80年代初，目前市场上的PON产品按照其采用的技术，主要分为APON／BPON(ATM PON/宽带PON)、EPON(以太网PON)和GPON(千兆比特PON)，其中，GPON是最新标准化和产品化的技术。不同PON技术有着不同的优缺点，如表1所示。
          
     表1 不同PON技术的差异（来源：www.fttx.org.tw）（文献3）
 
    PON作为一种接入网技术，定位在常说的“最后一公里”，也就是在服务提供商、电信局端和商业用户或家庭用户之间的解决方案。 随着宽带应用越来越多，尤其是视频和端到端应用的兴起，人们对带宽的需求越来越强烈。在北美，每个用户的带宽需求在5年内将达到20～50Mb/s，而在10年内将达到70Mb/s。在如此高的带宽需求下，传统的技术将无法胜任，而PON技术却可以大显身手。 
    1987年英国电信公司的研究人员最早提出了PON的概念。下面对几种分别进行介绍。   
    APON是在1995年提出的，当时，ATM被期望为在局域网(LAN)、城域网(MAN)和主干网占据主要地位。各大电信设备制造商也研发出了APON产品，目前在北美、日本和欧洲都有APON产品的实际应用。然而APON经过多年的发展，并没有很好的占领市场。主要原因是ATM协议复杂，APON的推广受阻的影响，另外设备价格较高，相对于接入网市场来说还较昂贵。由于APON只能为用户端提供ATM服务，2001年底FSAN更新网页把APON改名为BPON，即“宽带PON”， APON标准衍变成为能够提供其他宽带服务（如Ethernet接入、视频广播和高速专线等）的BPON标准。
    在局域网领域，Ethernet技术高速发展。Ethernet已经发展成为了一个广为接受的标准，现在全球有超过400万个以太端口，95％的LAN都是使用Ethernet技术。Ethernet技术发展很快，传输速率从  10 Mbit／s、100 Mbit／s到1000Mbit／s、10 Gbit/s甚至40 Gbit／s，呈数量级提高；应用环境也从LAN向MAN、核心网发展。
    EPON就是是由IEEE 802．3工作组在2000年11月成立的EFM(Ethernet in the First Mile)研究小组提出的。EPON是几个最佳的技术和网络结构的结合。EPON以Ethernet为载体，采用点到多点结构、无源光纤传输方式，下行速率目前可达到10 Gbit／s，上行以突发的以太网包方式发送数据流。另外，EPON也提供一定的运行维护和管理(OAM)功能。
EPON技术和现有的设备具有很好的兼容性。而且EPON还可以轻松实现带宽到10 Gbit/s的平滑升级。新发展的服务质量(QoS)技术使以太网对语音、数据和图像业务的支持成为可能。这些技术包括全双工支持、优先级(p802.1p)和虚拟局域网(VLAN)。但目前Ethernet支持多业务的标准还没有形成，它对非数据业务，尤其是TDM业务还不能很好地支持。另外，和GPON相比它的传输效率较低。
    2001年，FSAN组启动了另外一项标准工作，旨在规范工作速率高于1Gbit／s的PON网络．这项工作被称为Gigabit PON(GPON)。GPON除了支持更高的速率之外，还要以很高的效率支持多种业务，提供丰富的OAM＆P功能和良好的扩展性。大多数先进国家运营商的代表，提出一整套“吉比特业务需求”(GSR)文档，作为提交ITU-T的标准之一；反过来又成为提议和开发GPON解决方案的基础。这说明GPON是一种按照消费者的准确需求设计、由运营商驱动的解决方案，是值得产品用户信赖的。
3. 光纤回路分类
    FTTx在传输层的设计中分为三类，分別是Duplex双纤双向回路，Simplex单纤双向回路和Triplex单纤三向回路。其中双纤回路是在OLT端和ONU端之间使用两路光纤连接，一路为下行(Downstream)，信号由OLT端到ONU端；另一路为上行(Upstream)，信号由ONU端到OLT端。Simplex单纤回路又称为Bidirectional，简称BIDI，这种方案只使用一条光纤连接OLT端和ONU端，并利用WDM方式，以不同波长的光信号分別传送上行和下行的信号。这种利用WDM方式传输的单纤回路和Duplex双纤回路相比可减少一半的光纤使用量，可以降低ONU用户端的成本，但是使用单纤方式时在光收发模块上要引入分光合光单元，架构比使用双纤方式的光收发模块复杂一点。BIDI上行信号选用1260至1360 nm波段的激光传输，下行则使用1480至1580 nm波段。而在双纤回路中则是上下行都使用1310 nm波段传送信号。图4是这两种情况的示意图。
                    
            
 图4 (a) Duplex双纤回路，(b)Simplex单纤回路（来源：新通訊雜誌2004年七月號）（文献3）
   在2004年中国光电产业论坛上，赵梓森院士等多位专家都认为，未来的广电市场将是推动FTTH在中国发展的主力军，因此采用三波长的PON比较方便，其中一个波长（1550nm）传输广播电视，2个波长（1310/1490nm）传输上下行数据，这就需要所谓的Triplex架构。而Triplexer也就成为FTTH系统需要的一种关键元器件，烽火科技集团根据市场需要又迅速推出单纤三向光电产品，主要应用在FTTC（光纤到小区）、FTTB（光纤到大楼）、FTTH（光纤到家）中。图5为他们推出的Triplex网络拓扑结构图、Triplexer器件原理图和真实器件照片。
       
       
    图5 Triplex架构（来源：文献7）、Triplexer器件原理和器件照片（来源：光迅公司Triplexer产品说明书）

三、FTTx的发展现状
1  国际进展
    美国因幅员广阔及Cable TV市场强大，要实现FTTH所花费的各项建设成本同亚洲国家相比来得吃力。美国在1995年电信运营商根据市场需求推动，但由于成本过高，内容服务不足，推行效果不佳。但2001年宽带通讯热潮之后，搭配数字内容服务的增加，开始有较大的成长。2003年6月美国三大运营商Verizon、SBC与BellSouth共同发表声明建设FTTP计划的RFP(Requests for Proposal)，3家运营商的FTTP计划是属于BPON标准，此计划预计将使得美国本土及全球中下游厂商受益。据美国光纤提供商Corning Inc.进行的调查显示，至2004年2月份，美国共有96个地区的约18万个家庭将FTTH用光纤铺设到家。美国Verizon于2003年12月份公布的一项计划表明，将在2004年底前使FTTH服务用户数达到100万线路，并且在2005年底前使累计用户数达到300万线路。该公司2004年3月份已开始实际采购ONU等设备。SBC也表示将加速FTTH网络的建设，为1800万美国家庭在2到3年内提供高速数据，视频和语音服务。SBC过去曾经计划在5年内完成该网络。BellSouth也表示将在2005年实现40%的用户实现基于光纤平台的连接。如果计划顺利实施，到2005年底美国的FTTH服务用户数将接近日本。
    美国国内一家进步团体日前宣布成立一个非赢利性组织——全美光纤社团（FOCUS），该组织的成立旨在向消费者宣传光纤接入网给提升生活质量所带来的种种好处，让那些购房业主和商业用户了解FTTx给生活和工作带来的便利。截止到2004年4月，全美已经拥有128 个光纤社区，FOCUS的成立无疑为FTTx在美国的发展添了一把火。
    欧洲曾经是光纤接入网实验与部署最早的地区，德国、英国在20世纪80年代末就开始FTTH的计划，但由于需求不足与技术之不成熟，致使失败。到2002年，欧洲瑞典B2和美大利E．biscom两个运营商各有十多万的FTTH用户。到2004年欧洲其它地方的FTTH市场将会开始缓步激活，在荷兰，由于KPN电信与众多的DSL和有线运营商之间的激烈竞争有可能产生一个全国性产业联盟，来共享FTTH网络，荷兰目前正在评估一个遍布全国的FTTH网络工程。而在欧洲其它地方，瑞典、希腊、挪威和丹麦已经进行了一些FTTH网络铺设，预计在未来将会有更多网络的投入运营。
          
       图6 日本FTTH宽带发展 (Source：MPHPT2004/04) （文献3）
    日本是世界上对FTTH最热衷的国家，在FTTH上一直非常领先，他们于20世纪90年代初曾经发布过覆盖全国的宏伟的宽带综合业务数字网(B—ISDN)计划，其中接人网主要采用FTTH。但是，由于技术与经济的原因，日本的B—ISDN计划在20世纪90年代中期推迟并被随后的E—Japan等计划所代替。尽管如此，日本在光接入网上的领先程度一直没有变化。， 2002年10月，日本第二大运营商Yahoo BB利用FTTB-based ADSL技术提供宽带线路推出内容包含VoIP、BB TV、VOD及Wireless LAN的数字服务，内容丰富且价格便宜，压倒日本电信电话公司(NTT)，成为日本电信网络市场的最大服务供货商。作为FTTH全球领军人物的NTT为了扭转局面则决心利用FTTH与ADSL较量，而成为近年光通讯的盛事并吸引世人的注目。运营商得到日本政府所提供的各种优惠的建设措施，进而节省成本之后，让FTTH价格逼近ADSL的价格，促使民众采用高速便宜的FTTH。图6是日本FTTH宽带在2002年1月到2004年3月的发展。现在日本是全球FTTH发展最好的国家，据日本总务省公布的截至2004年8月30日，日本FTTH用户为160.1432万，并且自2004年以来，当月增加数稳定在8万以上。NTT宣称2004年底前日本所有FTTH运营商的用户数将突破200万用户。现在NTT的FTTH网络架构主要以MC架构所组成，但在2004 OFC会议中，NTT宣称从现在起日本FTTH标案将采取P2MP架构的PON网络模式，预料未来将影响现在FTTH供应链上的厂商，尤其是台湾、大陆。
          
      图7 KT的宽带技术发展趋势(Source: IEEE Communication Magazine December 2003) （文献3）

　　韩国在1996年亚洲金融风暴后，藉由电子化政策大力推动宽带及移动通讯基础建设，企图在网络内容时代成为引领全球趋势的领导国家。如今韩国在宽带普及率及所享用带宽上，已大幅拉开与其它国家间的差距，是世界上宽带普及率最高的国家。
    韩国成功模式主要也是和日本雷同，利用政府的政策引导措施、市场进入与完全自由竞争、娱乐与在线游戏需求大增等因素发展，使得FTTx网络迅速发展，从而韩国也成为FTTH发展全球重要的指针国。主要运营商韩国电信KT并利用韩国特殊的地形人口结构—密集型公寓大楼与高度集中的城域化人口，衍生最佳解决方案就是FTTC-based EoVDSL技术，客户端速度达26Mbps。在FTTH方面，KT到2003年11月才开始进行实地试验（Field Test）。其首席执行官兼总裁Lee Yong-Kyung在OFC 2004上发表的演讲中表示，"本公司为在 2006年内开通商用服务进行准备。计划在2010年，FTTH的家庭普及率超过70％"，表明虽然FTTH起步晚但将迎头赶上的决心。图7是韩国电信KT的宽带技术发展趋势。
2  国内发展情况
    目前中国国内电信运营商FTTx的进展以FTTB(C)+LAN为主要方式，利用FTTX（光纤到小区）+LAN(网线到户)的宽带接入方式实现“千兆到小区、百兆到大楼、十兆到桌面”的宽带接入方案，小区内的交换机和局端交换机以光纤相连，小区内采用综合布线，用户上网速率可达10M/100Mbps。适合相对集中的住宅小区、智能大厦、现代写字楼使用。2003年占宽带上网用户的比例为35％，用户数达358万，主要提供商有中国电信、中国网通、中国联通、中国铁通和长城宽带，主要采用光有源点对点SDH接入、ATM接入或Ethernet接入技术。而在FTTH/FTTP进展上，2004年国内确定五个光纤试点城市，包括武汉、北京、长沙等，其中，以PON接入技术发展最受关注，运营商在2004年将以进行各种PON的现场试验(Field Trial)为主，预计于2005年开始推广商用。
    各运营商中以中国网通与长城宽带有较明确的试点与合作计划，中国网通采用Salira EPON设备，于2001年七月开始计划EPON商用化试验，2002年9月起在北京中关村等地进行试点，此外，2004年配合长飞公司，进行中国光谷FTTH示范工程；长城宽带则在2003年8月开始与日商富士通合作EPON的布建，建立首个与设备商合作的发展模式。表2列出了目前中国FTTH市场供应商采用的技术和产品。
表2 目前中国市场FTTH技术\产品供应商（来源：www.iccsz.com）
          
    2004年国内已经开始出现较完整的FTTH示范计划，验证FTTH技术和产品的成熟性，未来大规模应用FTTH打下基础，其中，湖北省公安县的“四网合一”光纤到户(FTTH)综合业务宽带光接入系统示范网络工程，以及武汉市的中国光谷FTTH示范工程为各种国内已实施的试点计划中网络设计较全面者，不仅实现高速传输与多项电信业务整合，亦规划应用内容的提供和费用的收取，尝试为未来的FTTH商用化找出适切的运营模式。
    中国电信等主要运营商目前力推ADSL，而FTTH为另一种宽带接入技术，在与ADSL竞争内部资源分配时处于较不利的地位，造成示范工程的进行多由光通讯厂商或其它电信服务商主持，运营商则为被动配合角色，缺乏美、日运营商那样全盘的资源整合与推广，国内FTTH推广力度还不够强劲。
    FTTH除了提供高带宽外，更重要的是运营商能提供什么具体服务内容让用户需求更高的带宽，使得在既有宽带接入技术无法满足之下，自然推动用户走向光纤到户。然而，根据CNNIC2003年中国互联网用户使用调查报告，用户上网经常使用的服务比例最高为电子信箱（88％），其次为搜寻引擎（61％）、看新闻（59％），这些服务所需之带宽小，而高带宽服务如视频会议（0.4％）、VOD点播（3.5％）、多媒体娱乐（7.8％）使用之比例则偏低。因此，在ADSL已可满足现有带宽使用量的市场环境下，高带宽服务普及情况成为国内FTTH进展快慢的观察重点。
2003年9月在北京召开了无源光网络研讨会，12月在广州成立的中国FTTH论坛，呼吁中国境内所有厂商、运营商、政府共同制定适合中国国情的FTTH标准，2004的中国光电产业论坛也将FTTH列为重点考虑议题，以此来推动中国的FTTH发展和应用。在2008年北京奥运与2010年上海世博会皆注重网络带宽与联机品质情况下，以北京奥运为例，直至2008年预估将投资66亿美金于网络升级与改造上，预期这两项盛会将成为未来几年带动国内FTTH发展的重要契机。
四、结语
    ＦＴＴＨ一直被认为是宽带接入网发展的最终形式，光纤接入技术在面世20年以后终于开始进入快速发展和实用的阶段。国外咨询机构IDC预测全球光纤接入用户数将于2007年增长到2亿，占宽带用户的9．9％。光纤到户这个美丽梦想正在一步步向我们逼进。

参考文献：
1.www.c-fol.net：有关FTTx的文章和新闻
2.www.iccsz.com：有关FTTx的文章和新闻
3.www.fttx.org.tw：“FTTx技術簡介”，“FTTx發展緣起與現況”，“竄起中的EFM”，“寬頻通訊新焦點：A/B/GPON”
4.“FTTH的最新进展与趋势”，李勇，钮海明，光通信研究，2004，n2
5.“APON和EPON在竞争中发展”，白木，周洁，世界电信网络
6.“接入网和光纤到家庭的发展动向”，赵梓森，光通信技术论坛报告摘要
7.“FTTH的网络结构和实现方案”，王建利