光纤到户的技术选择

光纤到户的技术选择
上网时间：2006年02月27日
如今在新建宽带通信系统时，我们可以使用光纤网络实现电话、电
视、互联网接入综合服务。

光网络的带宽可以处理当前的所有应用以及未来需要的任何应用。

不过，光网络的价格和安装成本都很高。

多年来，光纤和光部件的价格不断下降，但是仍然比铜电缆的价格高。

由于光网络成本很高，所以我们不得不继续使用传统的铜双绞线电话设施和较新的混合光缆电视网络。

但是，我们正在逐渐接近这些系统的使用极限。

尽管传统POTS(简易老式电话系统)双绞线在DSL应用上非常成功，但在不久的将来也要寿终正寝。

真正的宽带需要速度更快的网络。

同轴电缆能够传送接近1GHz的信号，因此在美国，有线电视系统在宽带接入方面保持着领先地位。

区域性贝尔运营公司(RBOC)的解决方案是一种成本较低的传统光网络，即无源光网络(PON)。

PON是一种不需要昂贵的光电光(OEO)中间电子部件的点对多点树或者
说星形拓扑光纤网络。

这种网络仅在链路的两端使用电子部件，一端为运营商的中心机房，另一端为用户。

无源分路器(耦合器)可以把信号分送到最多32个节点(有些系统可达64个节点)，最大输送距离20km(有时可更远)。

这种连接也称为光分配网络(ODN)、“last mile”(最后一英里)或“first mile”(第
一英里)。

这种连接还可以称为光纤到户(FTTx)，其中x为家庭、公司、路边或用户。

这是又一次把宽带接入家庭和小型办公室/家庭办公室(SOHO)的尝试。

现在，电信运营商终于开始认真对待宽带，他们开始逐渐使用PON 代替老式双绞线。

如今，区域性贝尔运营公司(RBOC)的生存和持续竞争力可谓危机四伏。

过去几十年来，这些公司慢慢失去用户。

越来越多的用户转到无线系统或诸如有线电视系统VoIP等其他电话连接。

随着VoIP的推出，传统运营商失去了更多用户。

何况，传统运营商也不能充分利用视频点播(VOD)、游戏等许多已有的宽带应用进行盈利。

虽然DSL为许多运营商提供了生存机会，但是也即将达到极限。

新型ADSL2+/2++可以提高网络速度，但速度仍然有限。

而光纤则能够为现在和将来需要的所有服务提供足够的带宽。

美国正在落后于其他国家和地区，在电子技术方面失去了重大机会。

亚洲已经在消费电子产品方面处于领先地位。

在蜂窝电话方面，亚洲也处于领先地位，甚至欧洲也远远超过美国。

现在宽带也是这样。

由于其过度的限制性甚至愚蠢的电信法规和政策，美国再次落后。

不过，现在SBC、Bell South、Verizon等主要运营商开始认识到自己的生存危机，因此也许我们能够赶上去。

随着PON的到来，也许我们可以实现费用可接受的三重服务(语音、视频和数据)。

PON技术
PON概念已经出现了几十年，第一个PON是于二十世纪八十年代早期在
欧洲建成的。

其高昂的成本限制了PON在美国的使用。

美国运营商都转而使用DSL和有线电视系统提供宽带连接。

不过，多年来PON一直在持续发展，出现了许多标准。

首先是电信服务提供商组织Full Service Access Network(FSAN)最先开发的APON，即基于ATM的PON。

该标准使用所有电话运营商都采用的成熟的异步传输模式(ATM)数据包传输系统。

数据以53字节包的形式传输，其中48字节为数据，5字节为系统数据消耗。

基本速率为155.52Mb/s，不过在大多数系统中都扩展到622.08Mb/s。

另一种称为宽带PON(BPON)的更先进版本是目前大多数美国PON系统的主要目标标准。

该标准包括视频传输，能够处理以太网业务。

ITU-T标准G.983.x包括了APON和BPON。

图1显示了BPON系统的主要组件。

运营商的中心机房(CO)是光线路终端(OLT)。

该设备处理与远程站点即光网络设备(ONU)或光网络终端(ONT)之间的通信。

OLT和ONU之间是ODN。

ODN由用作分路器的无源光设备组成。

分路器是双向通信的，因此也称为组合器。

分路器只是将光功率分配给两个或多个输出端。

无源分路器有多种，包括1:2、1:4、1:8、1:16和1:32，也有更高级的。

通常，功率被平均分配到各个输出端。

不过，也有不对称分路器，这种分路器可以根据系统需要不均匀地分配功率。

分路器价格低廉，工作可靠，不需要维护。

大多数已有或提议的系统都在OLT使用1:4分路器、在现场使用1:8分路器为32个用户提供光纤接入。

尽管BPON最多可以支持64个用户，但在早期系统中上限通常为32个用户。

在中心机房，OLT使用波分多路复用(WDM)进行发送和接收。

系统使用1490-nm激光把数据和语音发送给所有用户，下载速度为622Mb/s。

在提供视频的中心机房，还提供另外的1550-nm激光光路。

在组合器上，视频信号和语音、数据一起被多路转换到光纤上。

系统使用有线电视系统采用
的标准模拟格式传送视频信号。

系统通过时分多路复用用户将用户到中心机房的向上流量送至回到OLT的一个1310-nm信道上。

OLT精确地控制时间，以保证所有用户都能得到一个时间片而不受距离差异的影响。

该系统总的上传速度为155Mb/s。

另一个主要的PON标准是Ethernet PON(EPON)。

这个标准也称为“Ethernet in the first mile”(EFM)，是Ethernet umbrella (802.3ah)下的一个IEEE标准。

6月份，这个协议得到正式批准，该协议使用与BPON类似的拓扑结构和方法。

网络配置与图1中的BPON ODN相似。

不同的是，在这种网络结构中，包括语音、数据和视频在内的所有信息都以最大1518字节的标准以太网包传输，最高速度可达1.25Gb/s。

EPON使用1490-nm 激光进行语音、视频和数据的向下传输。

视频是数字的，而在BPON中是模拟的。

传输距离最长为20km，每条光纤最多32个用户。

每个用户的最终接收数据速率为10或100Mb/s。

使用1310-nm激光传输向上数据，也采用以太网包的方式，最高速率为1.25Gb/s。

日本、韩国和其他亚洲国家的FTHx都选用了EPON。

与ATM相比，这种协议更简单、数据包消耗更小，因此成本更低，并且与IP网络完全兼容。

这种协议的缺点是还没有完全解决QoS和供应问题。

许多厂商开始着手解决或者已经通过专利设计解决了这些问题。

主要的美国运营商无疑将先采用APON/BPON，但是EPON很可能也会在某些地区分得一杯羹并逐渐推广。

将来，在北美BPON和EPON很可能会共存。

最后，GPON，即千兆位PON是BPON的一个超集或者说扩展，可提供
1.25和
2.5Gb/s的对称速率。

FSAN组织已经定义了一套标准，这套标准有望在今年晚些时候被ITU-T采纳定为G.984.x标准。

GPON采用封装方法，这使它与协议无关，既支持传统TDM，也支持所有基于包的协议。

铺设光纤网络的成本较高，因此PON可能会先从Greenfield开发区(新建)和住宅小区开始发展。

将采用高架线以最大程度地降低成本。

地下铺设光缆的成本非常高。

在实现PON入户的过程中可能会采用一种混合技术。

在这种方法中，光缆将铺设到路边的一个光缆盒，然后通过标准本地双绞线回路，利用高级DSL连接入户。

这种使用VDSL或ADSL2+的短途铜线链路可提供高达50Mb/s的速率，能够满足许多宽带应用。

现在，PON技术已经成熟，有望最终替代旧式的铜线基础设施。

市场调查公司iSuppli预计，PON的大规模发展将从2006年开始。

该公司预计，2009年前，电缆调制解调器和xDSL仍将保持主导地位，同时，从2006年开始，PON将迎来10到15年的快速发展期。

PON产品
由于网络是无源的，因此除了安装之外，PON几乎不需要任何其他工作，因此极具吸引力。

而且，半导体厂商还为更快速、更简单地建设中心机房和用户端设备提供了各种各样的芯片。

早期的一些PON设备厂商使用ASIC制造OLT和ONT设备，而最新的专用芯片会加快PON设备市场的增长并降低产品价格。

第一个市售PON芯片是Freescale Semiconductor公司在去年下半年推出
的MC92701。

BPON终端层设备是在用户端ONT盒内使用的设备。

这种设备与一个Freescale PowerQUICC通信处理器和多个外置内存芯片共同构成一个完整的ONT盒。

该芯片符合ITU-T G.983标准，支持动态带宽分配(DBA)，因此能够提供服务质量(QoS)控制和峰值带宽分配。

时钟与数据恢复(CDR)电路和时钟PLL都集成在芯片上，使用一个外部19.44-MHz 晶体。

现在，这种芯片市面有售。

图2是Freescale公司的最新BPON芯片?D?D 系统芯片
(SoC)MPC8340BPON。

这种器件以Freescale公司的e300 PowerPC核心处理器为基础，e300 PowerPC是该公司最近推出的MPC8349E PowerQUICC II Pro通信处理器系列的基础。

MPC8340BPON的e300核心的时钟频率为266MHz，带有32kb的指令高速缓存和32kb的数据高速缓存。

该芯片内还有一个DDR SDRAM内存控制器、三个10/100 Ethernet控制器、双UART、I2C总线支持、串行外设接口电路(SPI)、中断控制器、一个通用I/O、ATM适配层5(AAL5)和Utopia接口电路。

该芯片承担所有ATM信元处理，提供全面的操作、管理和维护(OAM)支持。

该芯片的BPON部分是由以前的MC92701器件发展而来的。

芯片上集成的CDR和时钟PLL能够很好地适应常见的光纤三功器模块。

MPC8340BPON芯片降低了BPON机顶盒的部件成本，缩短了产品研发时间。

该芯片的封装尺寸为27x27mm。

首批样品将于2004年第四季度推出。

Broadlight是又一家提供BPON产品的公司，该公司为系统的OLT和ONU 端提供光收发器，还提供介质访问控制(MAC)芯片和ITU-U G.983.3 APON 软件堆栈。

该公司的器件XN230是一种BPON兼容的ONU用户端芯片。

Broadlight最近推出了用于中心机房的基于BPON的控制器芯片XL230(图3)。

该芯片支持155和622 Mb/s的向下传输速率和1.244 Gb/s的扩展向
下传输速率。

芯片上集成了触发CDR和SERDES。

该芯片采用的一种正在申请专利的动态带宽分配方法使其能够更好地利用向上带宽。

该芯片有可选电平的2/3 Utopia接口电路。

该芯片可与Broadlight公司收发器真正无缝集成。

该芯片支持多达63个ONU。

Broadlight正在与Broadcom合作开发全面的解决方案和参考设计。

例如，该公司的XN230芯片能够与Broadcom公司的家居用网关芯片BCM6349和BCM3341 VoIP芯片协同工作。

这两家公司正在密切开展合作。

Ikanos通信公司认为铜线连接将是入户的最佳选择。

该公司的快速DSL
系列芯片集能够提供比普通DSL芯片集更高的性能。

Fx芯片组专门用于向下终端位于ONU的BPON系统，其中，ONU通过标准本地铜线回路与用户端ONT通信。

Fx 7030芯片组可提供最高70Mb/s的向下传输速率和30Mb/s的向上传输速率，Fx10050芯片组能够提供100Mb/s的向下传输速率和50Mb/s的向上传输速率。

各芯片都可以在较低速率下提供对称速度。

这两种器件都提供4个端口，还提供ATM Utopia level 2和Ethernet(XMII)接口电路。

这些芯片组用在ONU、OLT、交换机、路由器和光纤集中器内。

Fx10050S芯片组专门用于用户端设备，可提供100Mb/s的向下传输速率和50Mb/s的向上传输速率，也可以提供50Mb/s的对称速率。

该芯片与Fx7030和Fx10050共同工作。

该芯片有一个用于以太网应用的内置主机。

所有这些器件都有一个集成前端(IFE)，该前端集成了线路驱动器、可变增益放大器、低杂讯放大器、相关滤波器以及其他一些离散电路，从而最大程度地减少了所需的外部组件。

有些公司看好BPON，而有些公司则青睐国际市场上的EPON。

以Passave 为例。

他们的初始目标市场是日本和美国以外的其他地区。

他们已经向亚洲市场供应了数万个PON端口。

他们的主要产品是PAS5001和
PAS6001-B。

PAS5001将以太网介质访问控制器(MAC)和EPON协议管理功能集成在一个芯片上。

该芯片专门用于中心机房的OLT。

该芯片与802.3ah完全兼容，支持多达127个ONU，具有所有标准接口电路的ARM9核心。

该芯片有一个内置128位AES加密电路。

图4是这种芯片的ONU 参考设计。

系统的ONU侧的功能可以通过PAS6001-B实现。

接口电路包括1.25Gb/s 全双工收发TBI接口电路、全双工10/100 MII或1000 Mb/s的GMII/TBI，用于与标准交换机IC或PHY芯片连接。

这两种芯片提供可编程动态带宽分配功能。

Centillium通信公司也正在进入EPON领域。

该公司最近推出的Colt芯片专门用于制作EPON系统中心机房的OLT。

Centillium公司的Mustang芯片的目标是用户端ONU盒。

这两种芯片都完全与IEEE 802.3ah兼容，都使用一个板载MIPS处理器。

Colt OLT提供802.1d桥接、802.1q可配置VLAN、用于过滤多点传送和广播的IGMP(Internet组管理协议)、内置加密与解密以及动态带宽分配功能。

Mustang芯片用于用户端ONU盒，具
备Colt的基本功能。

该芯片还提供MII/GMII端口。

时钟与数据恢复(CDR)和SERDES也是芯片上集成的。

这些协议芯片可与Centillium Zeus、Apollo等收发器芯片协同工作。

Zeus 物理媒体设备(PDM)专门用于多点传送，它有一个全面集成的激光二极管驱动器、限幅放大器、155和622 Mb/s CDR以及一个双数字转换器。

数据传输速率范围为125Mb/s到1.25Gb/s。

这种触发模式设备可用在APON/BPON或EPON系统的OLT或ONU内。

设备还提供符合SFF-8472标准的数字诊断监测。

Apollo芯片是用于点对点光系统的PMD。

Centillium公司的Unicorn芯片是一个宽带服务处理器(BSP)，用于实现用户端设备内的全套桥接电路或路由器。

除了快速MIPS处理器外，该芯片还有一个基于Internet协议的语音(VoIP)服务的DSP。

该芯片支持4个语音信道，有一个用于PCM的TDM总线。

Unicorn提供IPsec硬件加密，还提供完全DES、3DES和AES加密。

该芯片还提供了包头处理和IKE 用软件。

该芯片有两个以太网10/100端口、USB、UART、GPIO和SPI 接口电路。

所有芯片都提供内置的标准EJTAG/JTAG支持。

现在，该公司提供Apollo PMD样品，并且将在第三季度末提供Colt、Mustang、Unicorn 和Zeus样品。

无源光网络产品供应商也正在宣扬大规模部署PON的前景。

大多数供应商已经生产出分路器/组合器产品，并且许多供应商正在为这一潜在的市场设计新产品。

尽管PON内的大多数分路器都将是固定设备，但是Lynx Photonics Networks公司认为，在大型网络内将使用远程控制的可编程分
路器。

使用静态分路器可以大幅度降低网络成本和提高网络可靠性。

设计的关键是仔细选择分路比和在需要的位置使用分路器。

这需要调查和规划，不过随着系统扩展，日后可能会发现调查和规划结果与实际之间存在差异。

人口结构的变化和需求的波动使我们无法事先准确确定网络布局。

随着需求的增长，很可能需要修改、增添或升级系统，以消除初始PON的设计偏差。

铺设新光缆和增强系统将是非常昂贵的，而且会导致系统停工，需要很长的供应时间。

Lynx Photonics Networks公司的新型可编程分路器则可以解决这个问题。

新型产品Lynx LL-3560是一个远程控制可再配置的PON分路器，它使运营商可以根据不断变化的需求重新配置PON。

通过在中心机房、区域分配中心等网络的战略位置使用这种设备，运营商可以在网络扩建时调整各网络支路之间的光功率分配。

供应将变得快速、简单、便宜。

LL-3560使用Lynx公司的平面光波导技术以及热光式交换器和分路器。

分路比可以微调，最高分辨率可达1%。

人们都在猜测PON的前景，我认为将非常乐观。

传统电信运营商和消费者都已经为PON的到来做好了准备。

我认为随着时间的推移，PON将取得成功。

宽带无线接入(BWA)业务也正在快速发展，预计最快明年就会推出。

不过我认为，BWA只能对PON构成极小的竞争，而且也是对宽带应用的一个刺激。

BWA将真正满足小城镇和乡村地区的需求。

请关注我将在今年晚些时候发表的关于宽带无线专题的特别报告。

需要更多信息？
Broadlight Inc.
Centillium Communications Inc.
Ethernet in the First Mile Alliance (EFMA)
Freescale Full Service Agreement Network (FSAN)
IEEE
www.ieee802/
Ikanos Communications
国际工程联合会
/online/tutorials/
国际电信联盟
www.itu.int/ITU-T/
iSuppli Corp.
Lynx Photonic Networks
Metro Ethernet论坛
Passave Inc.
无源光网论坛(PONF)
作者：Louis E. Frenzel。