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选择FTTH架构需从长计议
作者:Wolfgang Fischer,思科 发布时间:2007-09-11 09:17:12 来源:《光波通信》2007年8/9月

  运营商往往根据眼前的应用而不是未来的需求部署宽带设施。例如,视频流被广泛认为是最耗费带宽的应用,当用户的业务需求包括一路高清电视、几路标清电视,再加上因特网浏览时,那么很长一段时间内20-25Mbps的带宽就已经绰绰有余了。但是对历史数据分析的结果却显示带宽需求在很长时间内呈指数增长。事实上现在已经有宽带运营商为其用户提供1Gbps的带宽了,欧洲一些国家也部署了相当数量的每户100Mbps的宽带网络。这样高的带宽只能通过FTTH来实现。tfQ光波通信
有一些应用对峰值带宽的要求很高,比如:tfQ光波通信
l 大视频文件的下载、浏览、编辑或后期加工tfQ光波通信
l 协同视频编缉或者其他形式的巨型文件的远程协同处理tfQ光波通信
l 远程参与,包括多路并发的视频、语音、应用软件业务tfQ光波通信
这些应用中绝大多数都是突发数据,在短时间内要求非常高的带宽。这些业务可以共享公共汇聚和骨干网络的带宽。相比之下,流应用比如视频广播、视频点播以及VOIP则需要在整个通信时间内保证带宽。tfQ光波通信
另一个要考虑的问题是对称的业务流越来越多。原来的视频流和网页浏览等以客户端-服务器形式工作的业务大多对带宽的要求是非对称的。而对等文件共享、电子邮件、远程协作、VOIP和其他一些创新业务固有的流量对称性使带宽需求的性质发生了变化。tfQ光波通信
汇聚和核心网络的升级相对容易,不需要很多的额外投资就可以承载增加的带宽。然而对于接入部分的设备,带宽的承载能力相对固定,投资的时候必须好好考虑。所以网络规划人员必须考察一下现在性价比高的接入技术是否会成为未来网络带宽的瓶颈。

FTTH架构tfQ光波通信
建设FTTH网络是非常消耗人工的,相应的费用也非常昂贵。经验表明FTTH的部署费用中大部分是外线工程费用,而光缆费用只占其中的一小部分。也就是说只要开始进行外线工程,实际上光缆的使用量多少对于整个工程费用而言影响很小。tfQ光波通信
另外,FTTH网络中的电器件的寿命为几年,而光缆则至少有30年的寿命。由于光缆的长寿命和铺设光缆的昂贵人工成本,光缆铺设前一定要做适当的设计,一旦光缆铺设完毕,再要变动就非常昂贵了。tfQ光波通信
所以,FTTH架构的选择是非常重要的。星形架构为每个端点和局点之间提供专用的光纤(一般使用单模单纤传输100Base-BX或者1000Base-BX以太网信号)。局端一般会放置交换机,用户端则可以是住宅、公寓或者多层单元楼地下室的交换机,再由这台交换机通向楼中的各个房间,可以选择适当的传输技术。tfQ光波通信
采用PON架构部署FTTH的主要特点是使用无源光分路器来分配光纤到各个用户家中或者单元楼的地下室。使用的光分路器分光比为1:64甚至可以达到1:128。

PON的优势和问题tfQ光波通信
和点对点的光纤方案相比,PON网络架构还是有一些优势的,虽然这些优势现在已经显得不像原先那么引人注目了。tfQ光波通信
对于光分路器和中心机房或者汇聚站点之间光纤的节省是PON网络FTTH架构的最显著优势。如果业务提供商在中心局点和一些街道配线箱之间有多余的光纤资源,那么这种方案可以避免挖开街道重新铺设光缆。tfQ光波通信
在没有现成的光缆设施可以利用或者建设新区的时候,光纤的节省并不是那么重要,因为如果需要重新开沟或者可以利用现有的地下管道的话,多出来的那些光纤成本其实是可以忽略的。tfQ光波通信
点对点以太网光接入网中每个用户都有一条专用的光纤,这就注定了点对点光纤网络会比多个用户共享一条光纤要昂贵。不过大量的项目经验却给我们揭示了另外一面,专用以太网光端口的价格和高昂的PON端口价格相比还是比较有竞争力的。因为以太网端口在企业和业务提供商网络中应用广泛,销售已成规模,因此价格比较便宜;而GPON是专用的技术,还没有达到量产,所以价格很高。tfQ光波通信
假设FTTH网络的用户开通率是100%,PON架构下,局点处的设备会比以太网点对点FTTH架构少很多。不过如果考虑实际开通率肯定低于100%(后面会专门讨论这个话题),

就会得到不同的结论。产生差异的主要原因是PON架构下即使只发展一个用户也需要OLT端增加PON端口,这样OLT的端口数不会因为开通率的降低而降低。tfQ光波通信
如果没有新型的光配线架可以在局点接受从外部进入的数千根光纤,大量光纤的管理会非常困难。目前工艺水平的设备每个机架最多可以容纳2000根光纤。tfQ光波通信
依据这个数据,以《光波通信》今年第2期《加油,GPON》一文中的一个16000用户的局点为例,需要5个机架来放置有源以太网交换机(实际应用中,GPON端口最多带32个用户,以现在的工艺水平,GPON设备需要占用6个机架)。上述计算假设开通率为30%,这是全球FTTH部署中的典型比例。很多业务提供商都使用这个比例来进行小规模的部署,一方面比较保险,另外按这个比例部署会具有很高的灵活性。tfQ光波通信
同时,业务提供商要部署PON网络也会遇到不少问题。tfQ光波通信
共享带宽。PON光纤树上的带宽为很多用户所共享,以便降低每用户的成本。GPON在下行方向提供2.5G的带宽,所以在带宽需求呈指数增长的情况下,是无法满足未来长期的业务需求的。另外,有些带宽需要为流媒体业务预留,进一步减少了共享带宽。tfQ光波通信
加密。由于PON是一个共享媒体的技术,所以所有的数据流都需要加密。加密就要对每个包增加包头处理信息,这降低了PON的可用比特率。

tfQ光波通信
工作速率高。也是因为PON网络共享媒质的特点,每个端点(ONT/OLT)都必须工作在很高的速率。即使有的用户只够买了100M的带宽,所有的用户都必需工作在2.5Gbps的速率。电路和光路工作在25倍于实际需要的速率下,会显著增加成本。尤其在系统容量不高的时候。tfQ光波通信
高光功率要求。每个1:2的光分路器都会造成3.4dB的光功率损失。所以1:64的光分路器会把光功率降低20.4dB(相当于110倍)。所以在PON网络中,假设传输距离相同,所有光转发器需要提供110倍于以太网FTTH的光功率。tfQ光波通信
本地环路开放。PON网络并不能立即实现本地环路开放(LLU)要求,因为一根光纤连接了很多用户,所以在物理上是无法实现的,只能在逻辑上实现。PON的这种特性决定了只能由接入业务提供商提供的流量控制来实现,而不能直接通过接入线路实现本地环路开放。欧洲很多最新的FTTH部署明确要求一定形式的LLU,虽然还没有变成强制的规定,但它提供了新的商机。tfQ光波通信
PON光分路器的灵活部署理论上可以通过把光分路器和配线箱中的光配线架结合起来实现。这一点对于开通率不可预知的情况是很有吸引力的。比如建筑内的光纤接入,又比如规定必须实现LLU的时候。在有LLU要求的时候,配线箱内为每个业务提供商配置一个分路器,还有通向汇聚点的主干光纤。tfQ光波通信
不过,这种灵活性的代价是增加了光分配网络的建设维护成本,每个用户的变化都要工程师在配线箱实地配置光纤线路。tfQ光波通信
用户距离。业务提供商在用户驻地进行业务部署的时候很少能达到100%的开通率,通常开通率大约为30%,这就是说PON的结构并没有得到充分的利用,而OLT设备的用户均摊成本大大增加。一个解决方法是使用远端光配线架,如上面讨论LLU的段落所述。不过这样做造成的成本增加很难由PON使用率的提高来弥补。tfQ光波通信
故障诊断和维护。使用标准的光时域反射仪(OTDR)很难定位光分路器和用户终端之间的任何光纤链路问题,因为光分路器之后的不连续点不是唯一的,这使PON网络内部的故障诊断变得十分复杂,增加了运行维护成本。tfQ光波通信
恢复能力。如果恶意攻击者向光纤中注入连续光,整个光纤树上所有用户的业务都会瘫痪,并且很难追查到攻击者。tfQ光波通信
技术演进。在未来的某个时刻,现在部署的PON网络设备总会需要升级到另外一种技术以提供更高的带宽。IEEE和ITU-T都正在制定10G PON网络的标准,这些新的设备不太可能具有后向兼容的能力。也就是说需要从一种PON网络演进到另外一种PON网络,所有的端点设备都需要替换。

以太网FTTH的优势tfQ光波通信
以太网FTTH和PON相比也具有优势,比如,一根直连的光纤可以提供几乎无限带宽,为未来业务开展和带宽需求的增加提供最灵活的应对方案。典型的以太网FTTH部署使用的是较为廉价的单模光纤100Base-BX或者1000Base-BX技术,最长覆盖距离是10公里。如果要支持更长的距离,市场上也有容许更高功率预算的光模块。tfQ光波通信
另外,只有开通业务的用户才会在局端占用以太网FTTH接入交换机的端口。所以随着用户数量的增加,用户线卡可以以很小的粒度增加。而在PON架构下,连接第一个用户需要的OLT端口相比以太网FTTH交换机上的端口要贵很多,只有在同一PON端口下挂很多用户的时候,每用户成本才能降低。tfQ光波通信
因为以太网FTTH使用的单模光纤对于技术和速率来说适应性较强,把用户升级到更高的速率非常简单,并且不会影响到别的用户。这就意味着一个用户现在有一个百兆以太网接口,明年他只要把原来局端设备的光纤连到另一个交换机端口上,然后替换掉家中的终端即可完成升级。所有其他以太网FTTH接入网的用户都不会受到这个变动的任何影响。tfQ光波通信
本地环路开放是以太网FTTH架构固有的优势。tfQ光波通信
在物理层面上,独享的光纤是当今最为安全的媒体,尤其是和任何共享媒体相比。另外业务提供商一侧的以太网交换机经过专门设计,具备物理接口层和逻辑用户的隔离能力,是高度安全的,足以预防任何入侵。tfQ光波通信
最后,虽然对于这两种架构的直接比较还没有什么现成的数据,不过,很明显以太网FTTH的运维成本会比PON FTTH要低。表中提供了主要项目的对比。tfQ光波通信
刚才讨论中不曾涉及的一个方面是施工过程中线缆的断裂对网络产生的影响。从以太网架构的角度,最坏的情况是含有上百根光纤的主干馈线光缆断裂,PON网络需要的主干光纤数量要少很多,因此相比之下,以太网FTTH架构的光缆维修时间将会长很多,不过使用带状光缆,整个光缆可以一次熔接,把维修时间降低了一个数量级,而且,和现今的铜缆一样,业务运营商对他们的主干光缆的保护也是很成功的。

从长计议tfQ光波通信
部署光纤接入网现在主要有几种技术。这些技术标准的成熟和设备的可用为业务提供商进行低风险的部署提供了可能。tfQ光波通信
欧洲部署的FTTH多半都是基于以太网点对点技术的,有些是早先部署的以太环网。PON技术在欧洲还难以出头,因为欧洲FTTH部署的主要动力来源于市府当局、公用事业单位和房地产公司。在以太网FTTH的部署中最重要的因素主要是商业模式的灵活性和对未来业务的支持能力。tfQ光波通信
住宅区的光纤部署是一个应该持续30到40年的投资,欧洲的FTTH部署方案有其自己的优点,但PON也会在某些条件下找到自己的位置,比如当需要节省土建工程成本而只能铺设少量光纤时。不过节省光纤的PON FTTH部署方案在没有后续投资的时候,会严重影响未来对昂贵的光纤基础设施的利用。

表:与运营费用相关的问题

  
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