[圖]光纖到家（FTTH）曙光初現

 林如儉 北京凌云光子技術有限公司首席科學家

　　摘要：本文論述光纖到家（FTTH）的世界趨勢。在簡單回顧FTTH的早期嘗試之后，指出了作為FTTH實現以前的各種過渡性的寬帶接入方式的缺陷和光纖到家的必然趨勢。接著分析了十五年來光通信領域導致FTTH的條件逐步成熟的巨大進步。介紹了近三年來FTTH在世界各國起步的實際情況及當前正在發展的關鍵技術。最后提出了中國廣電人的對策。

　　關鍵詞：寬帶接入網，光纖到家，無源光網，以太網，ADSL，HFC

　　一、歷史的回顧

　　石英單模光纖有損耗極低、頻帶極寬和抗電磁干擾等突出優點，是最好的信息傳輸物理媒質，自20世紀70年代發明以來，已經造就了一個光通信的紀元，現在全球80%的通信流量是通過光纖來承載的。光纖通信系統從局間中繼起步，發展到長途干線（包括城市間通信和跨越大陸、海底的國際通信），再延伸到用戶環路（Fiber in the Loop）。所謂光纖用戶環路是把電話程控交換機的用戶模塊抽出來放到遠端，兩者之間用光纖連接，而遠端模塊與用戶終端之間仍保持雙絞銅線連接。另外，計算機數據業務和視頻業務（如CATV）分別用非屏蔽雙絞線和同軸電纜傳到用戶終端。

　　長期以來人們一直在想，光纖這樣好的傳輸介質為什么不把它延伸到家庭呢？實際上早在80年代后半期美國、加拿大、日本、法國、德國、英國就進行了數百個光纖到家的試驗，一時間光纖島、光纖城的新聞不絕于耳，但幾年后都偃旗息鼓，蓋因那時技術經濟條件還不成熟，用戶承受不起。于是實行戰略退卻，美國AT&T先后提出了非對稱數字用戶環路(ADSL)和光纖同軸混合網(HFC)的概念,用于構造寬帶接入網,加上已經存在的計算機局域網(LAN),這樣就形成了在接入網區段電話、電視、數據三種技術體制并存的局面。

　　電信部門推行的FTTC(光纖到路邊)+雙絞線ADSL，在原理上下行速率可到8Mbps,上行速率可到1.5Mbps。但由于電話電纜各線對之間串音的限制，實際上一根電纜中只有很小一部分線對能用于ADSL，推廣普及很不容易。而且容許速率隨距離增大而降低,其帶寬不足以實現全業務網。表1給出了各種寬帶業務的帶寬要求，ADSL不能滿足其中大部分商業應用或消費應用的需求。

　　廣播電視部門按FTTF(光纖到節點)模型建造的光纖同軸混合網(HFC)具有5-860MHz的帶寬，利用頻分復用可以兼容模擬和數字業務（包括電視、電話和數據）。經過對射頻載波的調制數字業務由電纜調制解調器（Cable Modem）或機頂盒（STB）承載，一個上行、下行通道的傳輸速率可以分別達到41.0Mbps和53.6Mbps（按最新的DOCSIS 2.0標準分別采用256QAM和1024QAM調制）。但HFC存在上行頻段擁塞和上行噪聲干擾嚴重的問題，為了克服這些困難，只好把光節點規模逐步縮小,例如從20,000~2,000戶縮小到500~300戶。即使這樣，由于上行帶寬共享，在確保25dB載波干擾比的前提下，每戶的平均傳輸速率最高只能達到136.5kb/s，這不足以支撐全業務網。

　　數據網絡公司提倡的FTTB（光纖到樓）＋5類線局域網（LAN），在現有的以太網技術體制和速率下（例如100Mbps到樓，10Mbps到家），不能兼容電視業務，又存在信息私密性問題和住宅布線方面的困難。即使采用1,000 Mbps到樓，10Mbps到家，帶寬雖然足以支撐全業務網，但要保證家庭用戶的信息私密性就必須在住宅樓內裝設千兆位以太交換機并采用VLAN工作模式，使網絡造價很高。從本質上看，傳統以太網是局域網而不是接入網，它是一個點到點（peer to peer）的對等網絡，沒有網絡管理，本來就是設計給辦公室共享環境的，不滿足面向公眾用戶的本地接入網的要求。

　　1998-2000年期間世界由因特網數據流量劇增引發了光纖熱，人們把注意力集中在了密集波分復用（DWDM）光傳送網及所需的器件、設備和技術上，大量敷設了多波長高速光纖骨干網，對以光插分復用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）為典型功能設備的全光交換網也付予了極大的熱情。相比之下光科技界對接入網關心不夠。電信公司熱衷于ADSL，CATV公司陶醉于HFC，數據網絡公司推銷5類線以太網，于是超前的骨干網與落后的接入網日益形成巨大的反差。由于接入網的帶寬瓶頸沒有克服，各種業務上不去，因特網泡沫破裂導致光泡沫破裂，大容量光纖干線大量閑置，巨大的投資不見回報，使世界于2001-2003年陷入了光產業的冬天，這個教訓是深刻的。在反思中，政府決策者、投資家、工業領袖和科技工作者應當認識到，在熱心發展多波長Tb/s光傳送網的同時沒有大力發展涉及千家萬戶的寬帶接入網不能不說是一個歷史的失誤。

　　上述三種接入方式來源于電話、電視和數據三網分立，如果任其推廣下去，就會造成接入網的三網重疊，資源浪費，使用戶不堪重負。既然上述三種接入網各有自己的問題而誰也取代不了誰，就應當尋找別的業務融合的道路。實際上在上述三種網絡的發展過程中我們看到了一個共性，即光節點一天天向用戶靠近，人們又一步步向FTTH逼近。

　　從物理本質上說，唯一能夠從根本上徹底解決寬帶接入瓶頸的技術手段是全光接入網—光纖到樓(FTTB)和光纖到家（FTTH）。通過FTTH實現全業務光接入網是世界通信界人們的理想。

　　可以這樣說，光纖到家（FTTH）和光纖到辦公室（FTTO），或總稱為光纖到用戶終端（FTTP）的全光接入網是信息高速公路最初一英里的最終解決方案，是電話、電視、數據業務融合的最后歸宿。它的實現對于推進人類社會信息化將具有劃時代的意義。

　　二、不斷進步的光傳輸技術正在為實施全光接入做準備

　?。?）對FTTH可行性的再認識（重新評估）已經啟動

　　美國一年一度的光纖通信會議（OFC）是世界光科技界和光產業界的晴雨表，在近年的OFC上，人們在呼吁要特別關注寬帶接入網，認為它是光泡沫破裂后推動光產業復蘇的原動力。關于光纖到家的議論逐漸增多。在OFC’2004上，FTTH成了一個熱門話題。有一個專題講座，又發表了20多篇論文，涉及新型室內光纖、光收發器、VCSEL、Ethernet-PON、WDM-PON、FTTH敷設、FTTH規劃等。

　　美國AT&T Labs（原Bell實驗室）對FTTH的思考相當深入，亦相當冷峻。講座論文Fiber to the Home: Niche market or Universal Broadband Access? 中作者認為：（1）FTTH需要滿足各種業務特性的要求，而這是不容易的；（2）FTTH需要盡可能高的入戶率，以降低每戶成本，而初期入戶率較難保證；（3）缺少一個商業模式是FTTH推進的障礙；（4）FTTH將在技術和經濟兩方面產生一種自然的壟斷，這需要新的規則和立法的支持?，F在只適于在某些局部壟斷市場推廣；（5）FTTH需要支撐性的關鍵應用的出現，這種應用要有對上行帶寬的巨大的需求，僅僅有包括HDTV在內的數字視頻廣播還是不夠的。這種關鍵應用要有較多的收入和較少的競爭；（6）可容許對物理設施的壟斷，但對業務要開放，以促進開發和競爭。

　　美國也有對FTTH持積極態度的網絡運營商，原屬AT&T的本地電話公司

　　Sprint就是一例。Sprint從1986年起就是FTTH概念的探索者和實踐者。它在兩年前就已得出結論：FTTH的網絡成本和技術已適合于近期應用。所以在Sprint，關于FTTH的規劃和工程，涉及戶外網絡設計、測試、客戶服務系統、供應商選擇和網絡演變都已經開始，2002年8月第一個客戶已經接入Sprint的FTTH平臺。Sprint意識到FTTH平臺的實現主要依靠它比現在的銅雙絞線網絡有低成本的潛力來驅動。另外，設計要求是FTTH須有優良的可靠性和便于安裝。Sprint給出的總的FTTH設計準則如下：（1）支持傳統電話業務；（2）支持所有當前的消費者和小企業數據業務；（3）支持傳統的廣播娛樂視頻業務；（4）必須滿足所有從電路交換到分組交換網絡的要求；（5）在戶外環境沒有電子設備；（6）在戶外沒有光連接器；（7）采用光纜分配、安裝和融接的傳統方法；（8）每個住宅一根光纖；（9）采用傳統的電話/視頻業務接口—GR-303電話交換機接口、RJ -11家庭電話接口、F型電視接口；（9）具有8小時電池備份為家庭電子設備供電；（10）必須達到與標準銅線網絡相同的性能和可靠性指標。

　　日本NTT公司是當前世界FTTH運動的領頭羊。雖然高速（24Mb/s）ADSL是現在日本的主要寬帶業務，但是有CATV運營商、電力公司和房產商參與的寬帶競爭已經導致FTTH市場的開發。NTT接入網業務系統實驗室在OFC’04的報告稱，NTT最初的FTTH業務是1997年與CATV運營商聯合發動的，NTT提供一根光纖把多頻道電視信號傳送到家庭。NTT的目的是讓CATV運營商來分擔光纖到家的費用，但這個主意沒有得到CATV運營商的完全接受，開展這種業務的地域就沒有得到充分的擴張。2000年NTT開始提供基于IP的FTTH業務，其中VLAN是第一項業務。2001年NTT廣泛地發動了稱為B-FLET的FTTH互聯網接入業務，服務對象既有企業用戶，又有住宅用戶。依據目標用戶的不同，B-FLET提供5種服務類型：商務型、基本繁忙用戶型、家庭大用戶型、公寓型和大樓型。起初由于收費較高，故服務范圍有限。從2002年末起NTT降低了收費，服務區域就迅速擴大，FTTH用戶數就高速增長起來。NTT的報告描述了日本高速接入市場的競爭環境、最近的FTTH條件、光接入系統EPON、相關技術（如成纜與布線方法）、實際敷設經驗、研究開發課題等。NTT已經取得FTTH成功的經驗，并已采用EPON做出了更大規模FTTH的發展規劃。

　?。?）經濟價廉的網絡拓撲已被研究

　　為節省光纖網絡資源，一點到多點的無源光網（PON：Passive Optical Network）是優選的物理拓撲，如圖1所示。該網絡由置于局端的光線路終端（OLT）、置于用戶端的光網絡單元（ONU）及兩者之間的1：N光纖分配網（ODN）組成。N（N=16-32）個ONU共享一個OLT和長達10-20km的光纖干線，并利用波分復用器（WDM）工作于單纖雙向傳輸方式。ODN是無源的，網絡的戶外線路上沒有任何有源部件，敷設簡單，不需供電和維護，這些都保證了網絡的低成本。

　　圖1 經濟的無源光網（PON）物理構造

　?。?）工業界已經獲得許多朝向FTTH的技術進步

　　石英光纖的價格已經降到$0.011/m，比電纜還便宜。

　　由于常規石英單模光纖的彎曲損耗大，融接不易，日本Fujikura公司和美國OFS公司已開發適于FTTH室內布線的對彎曲不敏感、連接損耗低的石英單模光纖。圖2（b）為壕溝折射率單模光纖的折射率分布。這種光纖的彎曲損耗比常規單模光纖明顯降低，而機械連接的損耗達到了常規單模光纖熔接的水平。

　　圖2 單模光纖的折射率分布

　　850nm垂直腔表面發射激光器（VCSEL）的價格已可降到3-5美元。長波長VCSEL已取得技術突破。這種器件體積小，效率高，工作速率可達10Gbps，而成本很低，有望成為未來住宅微型雙向光收發器的光源。

　　各種瞄向住宅應用的小型、低價的光收發器（Transceiver）紛紛出現，圖3-圖4是兩個例子。

　?。?）與FTTH有關的通信規約正在制訂

　　1998年歐洲首先推出關于ATM-PON（簡稱APON）的ITU-T G983.1建議。APON的數據幀基于ATM信元，下行（從OLT到ONU）、下行（從ONU到OLT）傳輸速率分別為622Mbps和155Mbps。2002年ITU-T又提出了能工作于千兆速率的GPON。

　　2000年11月美國IEEE成立了802.3EFM(以太第一英里)工作組，開始進行基于以太數據幀的接入網（EAN）的標準化。千兆以太接入網標準IEEE802.3ah的正式文本將在2004年6月誕生，內容包括點—點以太銅線鏈路、點—點以太光纖鏈路和點—多點以太無源光網Ethernet-PON（簡稱EPON）的全部通信協議。

　　在從OLT到ONU的下行方向EPON工作于TDM方式，如圖5所示。由變長（64-1518byte）以太幀構成的數據流從OLT廣播到多個ONU，每個ONU根據以太幀所帶有的MAC地址，確定該以太幀是被接收或被遺棄。在從ONU到OLT的上行方向EPON工作于TDMA方式，如圖6所示。每個ONU的發送時隙由OLT安排，相互錯開，使得各個ONU的數據包（包含1個或多個以太幀）匯合到公共光纖的時候，不會發生互相碰撞。在入網注冊以后，每個ONU在OLT安排的時隙報告自己的用戶數據隊列情況（服務等級、隊列長度等），OLT根據各個ONU的報告及既定策略給每個ONU安排發送時隙的起點和長度，實現動態帶寬分配。

　　由此可見，EPON與傳統以太網的主要區別在于傳統以太網是點到點（Peerto Peer）的對等網絡，而EPON是點到多點的主從網絡。傳統千兆以太網工作于點到點的連續光傳輸模式，在收發兩個方向上有連續的數據比特流，因此接收端的定時、判決等操作容易實現。EPON的上行運行則頗為不同，由于各個ONU的光發送機輪流發送，OLT光接收機收到的是突發的數據包，而且由于各個ONU的地理位置不同，發自不同ONU的光信號在到達OLT時強弱可能懸殊很大，到達延時也不同，這就要求OLT的光接收機必須工作于突發模式，能在光信號到達的800ns時間內完成時鐘恢復、自動判決門限設置，并進行測距和延時補償。

　　為實現TDMA通信，EPON的802.3ah協議棧對千兆以太網協議棧作了修改和擴展。如圖7所示，802.3ah協議棧增添了多點MAC控制（Multi-Point MAC Control）、運行管理維護（OAM）、點到點仿真（PtP Emulation）三個子層。實現802.3ah協議棧的IC芯片開始問世。

　　圖7 IEEE802.3ah協議棧

　　EPON是一種新興的、面向未來的寬帶接入技術，它結合了Ethernet技術的簡單性、光傳輸的高帶寬，以及點到多點結構的低成本，實現經濟的、可控制的、多業務的寬帶接入。

　　同期又出現了工作于波分多址方式的WDM-PON。

　　由于以太網具有協議簡單和市場普及率高的優勢，在各種FTTH方式中，以太無源光網（EPON）無疑是最經濟的、應用前景最好的方式，將在FTTH的逐步實施過程中扮演重要的角色。

　?。?）在一根入戶光纖中融合數據、電視、電話三大類業務的技術已經開發以EPON為基礎，采用粗間隔波分復用技術，人們可以容易地將射頻電視信號疊加在統一光纖物理構造中。如圖8所示，CATV信號用1550nm波長的光發送機發送，經摻鉺光纖放大器（EDFA）放大，再通過WDM合波器在OLT的線路側與1490nm波長的EPON下行光波混合。在ONU的線路側，CATV光信號通過WDM分波器與EPON的下行光波分離，被CATV光接收機還原為CATV信號。這種把EPON和CATV網絡結合起來的物理基礎還在于兩種網絡都是一點到多點的網絡，可以設計成具有同一的拓撲結構，如圖9所示。

　　圖9 EPON的網絡拓撲

　　在EPON上疊加TDM電話信號有兩種方法。一種是帶內方法，將E1數字信號（30路電話）封裝進以太幀，與數據信號一道傳送。另一種是帶外方法，把E1數字信號與以太數據信號在物理層復接，然后通過EPON的光路發送。這個方法的關鍵優點是TDM信號不占用以太數據的帶寬，也不需要打包、排優先級、緩存和流量管理，其結果是一個組合的Ethernet/TDM平臺，比實現VoIP和TDMoIP簡單和價廉，而且完全保證電話業務的業務質量（QoS）。

　　三、FTTH終于啟動

　　經過十余年的彷徨，FTTH終于提上了世界上各國的議事日程。

　　日本一馬當先，吹起了FTTH的號角。2002年1月FTTH戶數只有1.2萬戶，第3季度發展到10萬戶，2003年3月已超過26萬戶，到2003年7月FTTH戶數達到了53.1萬戶，年終達到了100萬戶?，F在每一季度增加150萬戶，呈爆炸式增長。日本政府的IT戰略總部在2001年1月宣布了“電子日本戰略”，其目標是：在五年內使日本成為世界上最先進的IT國家。計劃建立一個超高速的網絡構造，使所有需要它的居民都能以可負擔的費率享有30-100Mb/s的超高速接入，達到至少為3000萬家庭提供高速接入，為1000萬家庭提供超高速接入，其中773萬家庭用光纖接入。日本寬帶接入網的發展計劃如圖10所示。

　　圖10 日本各種寬帶用戶的數量

　　美國現在已有FTTH戶數5萬，預計2005年將達到2003年日本的規模。美國的Cable Modem用戶數超過ADSL用戶數幾乎一倍，電信運營商看好EPON，把它作為擴大寬帶用戶，以便勝過CATV公司的新一代技術手段。最近美國三大電信運營商—南方貝爾、SBC、Verizon已經聯合部署FTTH計劃，并決定于2004年春天啟動在猶他州鹽湖城等18個城市的大規模的FTTH現場試驗和商用。這項工程計劃耗資4.7億美元，是世界上最雄心勃勃的敷設光纜的行動。另外在加州的Truckee、Sacramento等城市，FTTH的工程也在計劃之中。

　　韓國現在是世界上寬帶網絡入戶率最高的國家（約20%），FTTH正在啟動，預計2004年會在光州市開始試點。他們發展FTTH將對世界寬帶接入網的發展具有進一步的示范意義。

　　在歐洲，意大利已有14.5萬FTTH用戶。瑞典有24.5萬FTTH用戶。荷蘭正在鹿特丹和阿姆斯特丹實施兩個FTTH工程，共有用戶約60萬戶。在澳洲，澳大利亞有18個與FTTH有關的項目正在實施，并有FTTH的現場試驗。

　　四、中國怎么辦？

　　世界寄望中國。為世界光產業生產商帶來希望的主要地區之一是中國。

　　中國已成為世界上寬帶接入網增長最快的國家。到2003年底，中國電信和網通已擁有寬帶用戶1000萬戶。中國電信的目標是建成適合全業務需求的、靈活可靠的寬帶接入網。力爭到2005年，中國電信的寬帶用戶數達到2000萬戶。為了實現這個目標，中國電信的規劃已提出：繼續大力推進接入網光纖化的進程，使光節點盡量靠近用戶，在城市實現光纖到路邊、光纖到小區、光纖到大樓，部分發達地區的農村實現光纖到鄉鎮和人口密集、經濟條件好的村落；大力發展ADSL接入；積極推進以太網接入；對于其他寬帶接入方式（包括VDSL、FTTH等），中國電信將密切關注研究的進展，并根據網絡的實際情況和發展需要，選擇適當的新技術開展網上試驗。廣東省電信公司已于2002年制定了發展EPON業務的規劃。北京電信即將進行EPON試驗，已決定為2008年奧運會建立FTTH小區。

　　中國廣電到2002年擁有了覆蓋一億戶家庭的光纖同軸混合網（HFC），后者已雙向化的部分約有10%。各大中城市又與HFC網并列建立了規模不等的IP城域網和以太局域網，采用5類線入戶。為了發展數字電視主業務，國家廣電總局規劃，到2005年，基本實現數字化的有線電視本地網絡要達到300個以上，用戶規模達到3000萬戶。2010年要在東部發達地區基本普及數字電視。

　　長城寬帶計劃的在3-5年內將寬帶用戶數擴大到1000萬戶。

　　綜上所述，未來3－5年內中國的寬帶接入網用戶數將達到6000萬戶的規模，估計其中以太網的戶數可占50%，這是FTTH的潛在市場。但是和光纖到家的世界新趨勢相對照，中國光通信科技界、工業界、網絡運營商和政府部門對FTTH的認識還是貧乏或粗淺的，較多的注意力放在了高速骨干網和城域網，而太少的注意力放在寬帶接入網。殊不知，現在信息瓶頸不在核心網而在于接入網。核心網技術超前于社會需求，而接入網技術落后于社會需求，這已經是世界通病。

　　不能對FTTH的世界新趨勢視而不見。不要停留在“FTTH還很遙遠”的舊思維上。

　　在21世紀中國廣播電視行業正面臨新的發展機遇和各種新技術的挑戰。有線電視的HFC網雖已覆蓋1億家庭，但網絡的雙向化遇到了很大的困難，進展緩慢。許多城市的廣電部門寧肯用光纖、路由器、以太交換機另建一個IP網，用5類線入戶，而不愿斥巨資去改造同軸電纜網。這就是說實際上我們的許多廣電部門都擁有了HFC網和以太網兩種接入手段（分立的A、B平臺）。當進一步的發展要求HFC網縮小光節點規模的時候，廣電人完全有可能采用融合電視業務的EPON新技術而將A、B平臺統一起來。統一之后，同軸電纜在戶外將被取消，一根光纖通給家庭，用戶傳輸設備是一個具有RJ45數據接口、F型射頻電視接口、RJ11電話接口的ONU，它實際上起一個住宅網關的作用。在這樣的系統中取消了傳統的射頻放大器和Cable Nodem，ADSL也無用武之地。機頂盒則被集成進了電視機。用戶終端設備是電腦、電視機和電話機。這是何等的經濟，何等的簡潔和何等的功能強大??！而要達到這一美好境界，廣電人需要更新思路，對FTTH新技術要不排斥（不要以為EPON僅是電信的事）和勤學習。在當前的HFC網擴充改造中特別要注意，下行廣播電視光波長一定要轉換為1550nmn，以便把1490nm /1310nm波長留給雙向數據業務。

　　
摘自　光纖新聞網