李勇1，钮海明2
（1.武汉邮电科学研究院，湖北 武汉430074；2. 浙江省电信实业集团公司，浙江 杭州310012）
摘要：光纤到家庭(FTTH)一直是光纤接入不断追求和探索的技术方向，随着国家政策的扶持、运营商竞争的需要、对收入的追求，以及设备本身价格的下降，FTTH出现可迅速发展的势头.文章综述了FTTH所走过的历程和最新进展，分析了FTTH发展的主要解决方案，并对FTTH的发展趋势提出了自己的观点.
关键词：光纤通信；光纤到家庭；宽带接入；光接入网
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网再次成为热点，步入快速发展期.新技术、新设备、新的网络建设计划不断推出，引起了业界的关注.很多有识之士把FTTH网(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.预计今后几年，FTTH网还将会有更大的发展.
1 FTTH的发展历程与最新进展
FTTH是光纤接入网发展的一种最终形式，光纤接入网(统称FTTx)以光网络单元(ONU)的位置所在，分为FTTH、光纤到大楼(FTTB)、光纤到驻地(FTTP)和光纤到路边(FTTC)等几种情况.光纤接入网的正式名称是光纤用户环路(FITL，Fiber in the loop)，对于住宅或者建筑物来讲，用光纤连接用户，主要有两种方式：一种是用光纤直接连接每个家庭或大楼；另一种是采用无源光网络(PON)技术，用分光器把光信号进行分支，一根光纤为多个用户提供服务.
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，其中接入网主要采用FTTH.NTT曾经设想通过著名的π系统将广大用户接入，并期望在2000年实现光纤到家.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.
日本是全球FTTH发展最好的国家，截至2003年6月30日，用户为45.8万，并且有加速发展的趋势.表1是日本总务省对包括FTTH及各种宽带接入网的统计数据，按照发展趋势，到2005年以后，光纤接入将超过数字用户线(DSL).
2 光纤接入网基本概念和模型
光纤在接入网中也占有传输媒介的主导位置，特别是当带宽成为业务瓶颈的时候. 光纤接入是指局端与用户之间以光纤作为传输媒体.在光接入网（OAN）中若光配线网（ODN）全部由无源器件组成，不包括任何有源节点，则这种光接入网就是PON.根据技术体制，则可分为PDH光接入技术、SDH光接入技术、ATM光接入技术和以太网光接入技术等.图1是OAN的参考配置.光线路终端(OLT)为ODN提供网络接口并连至一个或多个ODN.ODN为OLT和光网络单元(ONU)提供传输手段.ONU为OAN提供用户侧接口并和ODN相连.
3 FTTH的解决方案与发展趋势
各种光纤接入技术都可能用作FTTH的解决方案，表2是目前几个国家FTTH的应用情况比较.光纤接入技术包括有源光网络和无源光网络.有源光网络技术和产品有初期的SLIC（Subscriber Line Interface Circuit）和后来的DLC（Digital Loop Carrier）、IDLC（Integrated Digital Loop Carrier）等，国际电信联盟提出的基于PDH的灵活复用和基于SDH的灵活复用也属于有源光接入技术.现在也有把波分复用(WDM)技术用于光接入网的.实际上，包括目前应用较广泛的点到点(PTP）的MC，都属于有源光纤接入.
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(ATMPON/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.
以下为PON技术的发展历程：
1983年,BT实验室首先发明了PON；
1999年,ITU批准APON／BPONFSAN标准G.983x；
2001年,IEEE802.3工作组成立第一英里以太网(EFM)研究小组，致力于制定EPON接入技术.
2003年,ITU批准GPONFSAN标准G.984,美国出台宽带网新政策，鼓励运营商建设光纤接入网.
下面对其中的几种FTTH的解决方案分别进行介绍.
3.1点到点的FTTH解决方案
采用点到点的结构，从中心局到每个用户都用一根光纤.图2是最新建议草案G.ptp 100 Mbit/s基于以太网的点到点的系统配置.对于具有N个终端用户的距离为M km的无保护FTTH系统，如果采用点到点的方案，需要2 N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N+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,点到多点有着明显的成本优势.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.
当然，点到点系统避免了复杂的上行同步技术和终端自动识别技术.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.但这些优点远不能抵消它在器件和光纤成本方面的劣势.
3.2 EPON的FTTH解决方案
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.然而从那以后，以太网技术发展超过了ATM.现在以太网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都是使用以太网技术.以太网技术发展很快，传输速率从10 Mbit/s/100 Mbit/s、到1 000Mbit/s、10 Gbit/s甚至40Gbit/s，呈数量级提高；应用环境也从LAN向MAN、核心网发展.
EPON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以以太网为载体，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.
和传统的以太网相比，EPON主要增加了两部分功能：位于媒体接入控制(MAC)层之下的仿真子层和被作为MAC层一部分的多点控制协议（MPCP）.仿真子层使得下面的点到多点网络在协议上层看来象是多个点到点链路，这一点是通过在每一个分组的开始加上逻辑链路标识（LLID）以取代2个字节的前导来实现的.
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.lp）和虚拟局域网（VLAN）.但目前以太网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.
实现EPON也需要突破一些技术难点，例如：
· 因为PON是一种点到多点的物理和逻辑拓扑结构，而传统的以太网是点到点的协议，如何在点到多点的EPON中传送点到点的以太网协议，是以太网应解决的技术问题，通过对MAC的改造可以实现.
· 必须解决点到多点的光系统中突发模式传送的问题.
· PON中不同ONU与OLT的距离相差较大，如何解决到达OLT光信号强度的巨大偏差问题.如何解决非授权ONU的累积噪声对授权ONU发出的光信号的干扰问题.
· EPON中带宽共享和动态带宽分配的处理.
· 如何解决窄带话音和宽带业务在EPON中的兼容等.
3.3 GPON的FTTH解决方案
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1 Gbit/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ITUT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.在GSR文档中所列举的要求主要有以下几点：
(1) 支持全方位服务—包括话音（TDM、PDH和SONET/SDH）、Ethernet（10/100 BaseT）、ATM、专线等等.
(2) 物理覆盖至少20 km，协定内逻辑支持范围60 km.
(3) 支持同一种协定下的多种速率模式，包括同步622 Mbit/s、同步1.25 Gbit/s、以及不同步的下行2.5 Gbit/s、上行1.25 Gbit/s及更多（将来可达到同步2.5 Gbit/s）.
(4) 针对点对点的服务管理需提供OAM&P（Operation、Administration、Provisioning）的能力.
(5) 针对PON下行流量是以广播传送之特点，提供协定层的安全保护机制.
采用通用组帧程序（GFP）将各种业务流（包括TDM和分组）封装在长度为125 ns的帧中；高效无开销地传输原始TDM业务流.由于GFP提供了一种简单、有效的在同步传输网上传输不同业务的方法，是一个理想的GPON TC层的协议.此外，GFP采用标准的SONET 8 kHz（125 ns）帧，能很好地支持TDM业务.长期以来，困扰FTTH大规模推广的主要问题之一，就是FTTH的费用.从目前的情况来看，FTTH的建设成本已降到100$/户以下.日本的NTT公司对FTTH使用100Mbit/s以太网接口的用户，所收取的月租费是11000日元，而日本东京电力公司的FTTH用户每月只须交9 800日元，这种资费对于日本的家庭来说是相当便宜的了.据调查，我国大部分家庭的承受能力在80～100元之间.因此FTTH的推广开始受到许多国家的政府和许多运营公司的重视，将逐步形成建设的高潮.
光纤接入网在面世20年以后，终于迈开大步向前发展.国外咨询机构IDC的最新预测表明，全球光纤接入用户数将从2002年的16．8万增长到2007年的2亿，将占到宽带用户的9.9％.光纤接入这个梦想正在一步步走向现实.但奇怪的是，在FTTH发达的日本等国，PON在光接入网中所占的比例并不大，倒是点对点的光纤接入成为主流.这是我们在关注GPON的发展时必须进一步思考的问题.
参考文献
［1］ITU T Rec. G.983.11998, Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON)[S].
［2］ITU T SG15 COM15 92 G.984.1 2003, General characteristics for Gigabit
capable Passive Optical Networks (GPON) [S].
摘自 光通信研究
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