PON在宽带接入网中的应用方案

　　摘要：在业务、组网成本、技术、竞争等多方面驱动下，光纤直接接入商业用户并提供综合业务接入成为接入网发展的方向。PON作为一种新兴技术，具有高带宽、节省远端有源机房、便于维护、业务部署迅速等特点，将在宽带接入网中得到广泛应用。

　　接入网市场的需求

　　接入网是电信通信网的重要组成部分，经验表明，接入网的投资往往占到运营商投资总额的50％。它直接面对终用户提供各种业务，需要适应不同用户对业务种类、质量、性能、带宽等各方面不同的要求。这些末端需求的复杂性，也导致了接入网技术的多样性。当前，接入网的发展被以下因素所驱动：

　　业务驱动

　　随着互联网和移动通信的迅速发展，一方面，占固网运营商业务收入近70％的语音业务被严重分流；另一方面，宽带接入和基于宽带的业务发展势头迅猛。世界各大运营商都提出了向“综合信息服务商”转型的战略，法国电信预言，今后语音收入只会占运营商收入的10％，而70％以上的收入将来源于宽带增值业务。国内两大固网运营商中国电信和中国网通也不约而同地提出了大力发展宽带增值业务的转型思路，并发布了针对商业用户的“商务领航”和“商务宽带ePower”的服务品牌。目前提供的宽带增值业务包括企业邮箱、门户网站、网络存储；另外还提供丰富的在线软件服务，包括网络杀毒，ERP系统、CRM、SCM等各类增值软件服务。

　　这些宽带增值业务必然对网络接入的双向带宽、时延、信号质量提出了更高的要求，传统的ADSL方式必然难以满足这方面的需求。光纤直接入商业用户，可以为用户提供双向高带宽，低时延，高质量的宽带接入，为提供各类增值业务提供一个强大的网络基础。

　　成本驱动

　　近年来，一方面，铜作为战略资源，其价格一再上涨，近3年内价格上涨了5倍，令铜缆的价格也一升再升；另一方面，随着光纤制造工艺的成熟和规模化生产，光纤的价格一再下降，已经到了“和面条一样便宜”的水平。在这种反差下，很多运营商发现铺设一公里电缆的造价甚至超过了一公里光缆的造价加上相关光设备的价格，而且光纤链路的维护成本也大大地域铜缆。因此，运营商在新建网络时，将光纤不断地向用户端进行延伸，“光进铜退”的演进更加迅速。

　　技术驱动

　　在接入网层面，越来越多的新的光传输技术也在不断涌现，已有的光传输设备价格也不断下降，让运营商有了更多的选择。EPON作为光接入网的新型技术，在2004年标准发布的一年多时间内，光器件成本已经下降了70％，光设备成本已经下降了50％，产品和设备都已经完全成熟可用。GPON产品也开始逐步成熟。这些技术的发展和成熟都为FTTX的技术方案扫清了障碍。

　　竞争驱动

　　随着电信运营的逐步开放，这个领域的竞争也日趋激烈。如何使用更低的投资，更低的维护成本，为客户提供更多、更高质量的业务，为客户更快速、更灵活地发放业务成了各固网运营商的首要问题。目前，某些运营商已经开始对商业用户使用光纤直接入户，提供高质量、高带宽、综合业务接入，作为差异化的竞争手段去向客户提供业务，并获得了很大成功。

　　综合上面各方面的因素，我们可以发现接入网的建设正在向光纤直接入户，提供综合业务接入的方向迅速发展。而在这个趋势中，PON作为一种重要的接入技术，必将在今后的FTTX建设中发挥主流作用。

　　PON技术介绍

　　GPON —— 2001年，FSAN组启动了一项光网络的标准工作，旨在规范工作速率高于1Gbps的PON网络。GPON(Gigabit-Capable PON) 早由FSAN组织于2002年9月提出， ITU-T在此基础上于2003年3月完成了ITU-T G.984.1 和G.984.2的制定，2004年2 月和6月完成了G.984.3的标准化。从而终形成了GPON的标准族。

　　GPON采用了125us的帧结构，从业务支持上可以用GEM封装承载以太网、ATM、E1等业务。GPON的速率比较灵活，从下行1.25G/上行155M，到2.5G对称速率。为了有效支持多业务承载和更高的性能，GPON中对光接口方面的规定非常苛刻，比如整个光链路损耗比EPON的25dB提高5dB，消光比也从EPON的6dB提高到10dB，下行发送速率比EPON也提高一倍。这些直接导致GPON的ONU光模块必须采用DFB激光器和APD接收机，这将大大提高光模块的成本。据国内外主流PON光模块厂商估计，即使进入规模生产，满足GPON 2.4G/1.25G的ONU光模块价格至少是EPON的光模块价格2倍以上。不仅如此，对于PON光模块实现难度的突发模式，EPON要求512ns的突发时间，GPON则要求在96bits（也就是80ns）内完成，大大增加了光器件和上层同步电路的设计难度和成本。突发时间的苛刻要求让众多光模块厂商一筹莫展，只能按照各自的能力推出relax版本的GPON OLT光模块。但该参数一旦放松，将会大大影响GPON的上行传输效率。另外，GPON为了提高性能，放弃了已经在SDH中广泛使用的GFP封装，而使用了新的GEM封装，这使芯片厂商无法使用已经非常成熟的模块，延缓了GPON技术成熟的时间。目前发布的代GPON商业芯片中，还没有能直接支持在GEM封装上支持TDM业务的，一些系统厂商采用了和EPON一样的方式，在IP层或以太网层进行TDM业务仿真，这实际上背离了GPON标准的初衷。

　　另一方面，IEEE也于2001年开始了EPON标准的制定，并在2004年6月发布了终EPON标准。EPON标准的线路速率为对称1.25G，采用8B/10B编码，有效业务承载速率为1G。由于EPON地继承了原有以太网协议，只是增加了MPCP层做点到多点的MAC仿真，大大简化了EPON的设计难度。因此虽然EPON和GPON的标准发布时间相当，但EPON的芯片和系统都已经非常成熟，并得到了广泛应用，从价格上看，单以太网的ONU在国内的价格已经到了1300左右。目前，EPON仅在日本的用量每个月超过30万线。除此之外，新的2倍速EPON标准或10倍速EPON标准（数据率分别为2G和10G）还在制定中，而且会和原有EPON兼容。预计满足10G标准的EPON系统价格应该和今后的GPON价格相当。

　　EPON的标准范围只局限于OAM层、MAC层和物理层，虽然没有定义上层业务和管理的具体承载方式，但并不是说EPON缺乏多业务承载能力和OAM特性。事实上，在EPON的标准上层，可以很容易承载E1、TDM语音等多业务，国内多家厂商都有相关的成熟产品。另外，EPON的OAM管理协议也预留了足够的扩展空间，为将来提供更多管理特性提供了基础。

　　对于线路保护，无论是EPON和GPON都有主干保护和全保护两种方式。

　　下图给出了主干保护的示意，通过增加局端一个PON光口，可以实现主干光纤的1＋1保护。该保护方式的优点是成本低，但是支路光纤不能保护，适用于单级分路，或者远端ONU分布相对集中（比如小区宽带、商业区接入）。

　　下图给出了全保护的组网拓扑。该方式下，所有ONU的都带2个光口，局端OLT增加一个保护PON口。下图中两中组网拓扑在逻辑上是等价的，但大家一般更习惯采用下面的“伪环”方式组网。该方案的特点是所有光纤链路都得到保护，而且在局端还可以实现跨盘保护，即PON0和PON1可位于不同插卡上，这样还可以对设备故障进行保护。除此之外，格林威尔还提出了“弹性保护倒换”的概念，也就是在全保护拓扑下，当光纤链路正常时，两个PON口可以同时工作，实现2G的宽带业务接入；当光纤链路发生中断，ONU再根据光口通断情况进行切换，这样可以大大提高冗余光链路的利用效率。

　　其实，对于运营商而言，关注更多的是PON的业务承载能力、性价比和产品成熟度。目前EPON产品在这方面明显好于GPON，而二者在业务承载和组网方式上也没有什么不同，因此我们下面的方案介绍会以EPON为例。

　　商业用户宽带接入的EPON解决方案

　　图2给出了南方发达地区某个运营商原有的商业用户的接入网建方式。运营商一般会在商业区或工业园区附件设立远端机房，该机房通过光纤接入到城域机房。然后再从远端机房铺设铜缆或光缆解决客户的业务接入。

　　图2 商业用户接入的传统方式

　　应该说这种组网方式是比较普遍的，但在目前强大的竞争和客户压力下，作为一个弱势运营商，其面临的问题有：

　　建设投资：该组网方式前期需要投入大量资金进行机房建设，比如机房设备、机架、空调、供电、备用电池等。而客户和业务的发展却是缓慢增长，导致投资回收期较长。另外，对于某些区域，如果有多家运营商入住，导致接入率不高，可能连机房投资都无法回收。

　　运营维护：该组网方式将导致大量远端机房，这些远端机房一般无人值守，机房条件差，出现故障难以维护。而且，运营商还需要为机房支付房租、电费。另外，由于弱势运营商的维护人员也相对较少，面对大量的远端机房，很容易出现运维不及时，而遭到客户的投诉甚至退网。

　　客户响应：目前固网运营商竞争激烈，快速的客户响应和业务部署能力是该运营商市场竞争的基础。使用该方式进行网络建设，如果附近没有机房设施，就无法快速地响应用户的业务接入，大大影响了其市场开拓计划。

　　业务能力：由于大量采用铜缆到用户的方式进行建设，业务质量、带宽提供能力有限，无法为客户提供差异化竞争能力，该运营商不得不陷入和其他运营商的价格战中，导致用户ARPU值下降。

　　如果采用PON的方式进行组网，就可以完全解决该运营商的难题。如图3所示，采用PON的方式组网，可将光纤直接拉到终用户，为今后的业务开展提供坚实的网络基础。另外，PON将使用无源光分路器实现多个用户的业务收敛，替代原来的远端机房，大大节省建设投资和运维投资。

　　图3 商业用户接入网的PON方式

　　格林威尔公司依托长期在APON、EPON、以及GPON上的技术积累，为该客户提供了全面的基于EPON的接入网优化方案和全系列的EasyPath产品线。

　　图4 基于EasyPath的FTTP解决方案

　　在该解决方案中，EasyPath在局端可以提供小容量的OLT EP3002，也可以提供大容量OLT的GFA6700；在远端EasyPath可以提供只需要宽带接入的单以太网ONU EP1101，也可以为大客户接入提供FE＋4E1的EP1102，还可以提供2FE＋N×POTS＋E1/V35的综合接入ONU GT861。对于宽带业务，局端OLT将多个远端用户的宽带业务通过内部无阻塞的交换平台进行汇聚，接入城域宽带IP网；对于大客户专线接入的E1/V35，EasyPath可以提供32路E1或STM－1接口和城域传输网对接；对于语音业务，EasyPath的远端GT861可以提供32路语音的接入，并可以灵活插卡式扩容，Easypath在局端不仅可以提供PRI、V5.2、SS7等多种信令接口和传统PSTN对接，将来还可以顺利升级到NGN接口，保护客户的设备投资。EasyPath利用独有的技术，在芯片级进行TDM专线和语音业务进行仿真，可以严格满足TDM业务时延和抖动的相关要求，实现真正的综合业务接入。另外，EasyPath还提供独有的1＋1干线光纤保护，可实现50ms的保护倒换时间，以的成本地保证了网络的可靠性。

　　建设投资：使用EasyPath组网，一个城域机房就可以利用EPON覆盖20km的范围，无需进行远端机房的建设，大大减小了网络建设费用。

　　运营维护：由于EasyPath的组网，无需远端机房，减小了网络层级，再加上EasyPath端到端的告警和故障管理，智能故障分析，大大提高了网络的运维效率。另外，由于在接入网使用一种技术进行语音、宽带、专线的综合业务接入，不仅缩减了设备投资，减少了设备数量，也大大简化了业务配置和排故的流程。

　　客户响应：使用了Easypath的接入方案后，客户通过在远端放置光分路器的方式，路边每一个光交接箱都成了运营商的“机房资源”。利用这些无源“机房”，客户可以为用户快速开通业务，大大提高了用户的满意度。另外，作为一个竞争性运营商，由于在成熟写字楼中缺乏机房和铜缆资源，以往很难在这些地方开展业务。但现在，客户可以利用EasyPath为这些商业用户提供光纤到户的业务接入。

　　业务能力：由于EasyPath的高达1G的双向干线带宽，光纤到户的综合业务接入能力，可以为用户提供全业务接入。并在这个高质量、高带宽的光纤接入平台上，该运营商还开展了大量宽带增值服务，不仅提高了客户的业务收入、提供了差异化的竞争优势，而且还提高了用户忠诚度。

　　通过使用EasyPath对客户的接入方式进行了优化后，极大地提高了其业务提供能力、减小了运营维护成本、缩短了投资回收周期，增强了客户的市场竞争力。

　　居民用户宽带接入的EPON解决方案

　　近年来，宽带接入业务在国内高速增长，成为固网运营商业务发展的一大亮度。居民用户的宽带接入方式以ADSL和FTTB＋LAN方式为主，这二者的技术比较如下：

　　从比较中可以发现，无论是价格还是性能，都是FTTB＋LAN占优。但是FTTB＋LAN的覆盖范围只有100米，初期投资时需要设置大量楼道设备箱，当接入率较低时，FTTB＋LAN的成本反而高于ADSL。再加上FTTB＋LAN在老小区需要重新铺设线缆，因此目前国内的宽带接入还是以ADSL为主。但是，随着网络应用从web1.0到web2.0的转变，随着多媒体文件共享、博客、网络游戏等应用的发展，人们对上行带宽的要求也将越来越高；另一方面，随着IPTV、基于NGN的VoIP、宽带电话、视频电话业务的普及，居民用户的宽带接入率会越来越高，此时FTTB＋LAN无疑是更好的宽带接入选择，尤其是对于新建小区。事实上，许多城市的新建小区目前都能提供FTTB＋LAN的宽带接入，一些发达城市甚至将5类线入户作为住宅的建设标准。

　　传统的FTTB＋LAN的解决方案如图5：局端机房通过光纤到小区机房的汇聚交换机，汇聚交换机的电信号通过集中式光纤收发器（MC）发送到远端楼道交接箱，再接入楼道交换机，终接到用户。在这种接入方式下，网络接入需要通过局端－》汇聚交换机－》集中型MC－》楼道MC－》楼道交换机－》用户，网络层级太多，任何一个环节出现问题都会导致用户业务中断，大大降低了网络的可靠性，也给故障排查带来困难。另外，这种百兆到楼道的接入方式，即使按照下挂24口交换机计算，每户的带宽也就4M左右，不利于今后开展IPTV、HDTV等增值业务。

　　图5 传统的FTTB＋LAN解决方案

　　采用格林威尔EasyPath的EPON产品对原有接入方式进行优化后，新的接入方案如图6所示。局端机房放置大容量OLT GFA6700，光纤到小区后通过光分路器接到远端楼道交接箱内的ONU GT81x（GT81x产品系列包括8FE的GT812、24FE的GT813和单GE接口的GT816），这些集成交换的ONU直接就能提供多路以太网接入终用户。

　　图6 EasyPath的EPON＋LAN解决方案

　　千兆高速业务性能

　　EPON的标准是千兆带宽，EasyPath的GT81x系列均采用千兆上联接口，可以实现千兆到楼道的带宽性能。另外，对于今后即将开展的IPTV业务而言，EasyPath利用EPON的树状拓扑结构和下行广播的特点，可以高效地支持各种组播业务。图7给出了传统交换机实现组播的原理的示例：小区汇聚交换机通过IGMP帧听获取组播频道和端口的对应表，当交换机收到下行组播包后，交换机查看有多少端口订阅了该组播频道，然后将组播包复制多份，从端口发送出。图7的示例中，由于端口1，2，3订阅了频道1，因此所有频道1的包将被复制3份，分别发往端口1，2，3。

　　图7 传统交换机实现组播业务的原理

　　而EPON下行本来就是广播介质，因此在EPON标准制定时，专门在其LLID中定义了SCB（Single Copy and Broadcast）位。当OLT收到组播包时，只需要简单地在该包头的LLID中加入SCB位，无需复制、只需要转发一份就可以了。由于EPON下行的广播特性，所有ONU都能收到该数据包，ONU识别出数据包中SCB位，因此不会将其简单过滤，而是查询通过IGMP帧听建立的组播表，看是否需要该频道的包。这种组播方式，充分利用了EPON的技术特点，大大节省了EPON的干线带宽，提高了组播效率。

　　图8 EPON实现组播业务的原理

　　以提供100个普通TV频道，每个需要带宽3M，10个高清TV，每个需要带宽15M计算，这些频道对带宽消耗的总和才450M，多只占用EPON下行带宽的50％。而如果使用传统MC＋LAN的方式，如果一个楼道内有超过6户在看高清TV，那百兆的带宽已经不够用了。

　　简洁的网络结构

　　与原有MC+LAN的网络层级多，业务管理和配置困难相比，EPON＋LAN的组网方式大大简化了网络的层级，局端OLT－》ONU－》用户，EasyPath系统直接连接了远端用户和城域汇聚节点。从管理维护上，EasyPath可以实现端到端的业务配置和管理，远端ONU可以实现业务感知，智能区分不同的业务种类，为每种业务制定不同的QoS策略；EasyPath可以实现带宽的动态分配，在效率和公平上取得平衡；EasyPath拥有的丰富的OAM管理特性，可以集中管理所有的远端ONU，并通过各种性能告警和故障定位机制，迅速判断故障点，提高运维效率。

　　更低的建设和维护成本

　　设备投资看，以一个下联20个24口交换的小区为例，MC＋LAN方式：带上联光口汇聚交换机＋20台24FE的楼道交换机＋20对双纤百兆MC，价格约为10000＋20×3000＋20×1000＝90000。采用EPON方案，OLT的PON光口＋20台ONU GT813，价格约为10000＋20×3000＝70000，比双纤MC＋LAN方案便宜30％。更何况EPON方案还是千兆到楼道，如果MC＋LAN也采用全千兆汇聚交换机＋千兆MC＋千兆上联楼道交换机，那设备成本更会是EPON方案的数倍。

　　另外，传统MC＋LAN还需要小区机房，图9给出了一个典型的小区机房的照片。该机房的设备机架上放置了一台48口汇聚交换机，4台集中型MC，旁边还放置了一台UPS和一些备用电池。如果采用EPON＋LAN方式，只需要一个无源光分路器就可以替代照片上所有的设备，还可以节省机房的房租、电费、机房维护费用。

　　图9 EPON方式节省小区机房

　　更灵活的升级潜力

　　EPON＋LAN方式还留下了充分的升级空间：对上，我们可以通过增加OLT的PON光口（只需增加15％的投资），就可以将小区上联带宽增加到2G，无需更换ONU设备；对下，EPON的高达1：64的分路比，还可以为一些高端客户开展FTTH业务，实现FTTB＋FTTH的混合组网。

　　总结：

　　商业用户接入方案总结

　　小区宽带方案总结

　　总的来说，EPON方案为运营商的宽带接入网提供了全新的建设思路，它以更宽的带宽、更低的建设成本和运维成本、综合业务接入能力、快速业务部署能力赢得了越来越多的运营商的认可，并得到了越来越广泛的部署。

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