全业务接入网

发布: 2010-10-20 14:27 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

全业务接入网（付军、李树新）
摘要本文介绍了全业务接入网（FSAN）的网络结构，讨论了其中的的关键技术；ATM无源
光网络（APON）设计、APON帧结构以及WDM和EDFA在网络中的应用，最后提出了自己的建
议。
  关键词  全业务接入网  APON  TDMA
1.引言
    随着社会的发展，电信市场的开放以及宽带新业务的不断涌现，已逐步形成了电信网、
CATV网和计算机网三大网络并存的局面，而如何经济、高效地构建满足用户需要的接入网
络更是成为竞争的焦点。各类住处产业公司纷纷提出了各种接入网络构建形式，以期在日
趋激烈的竞争中占据一席之地。例如：有线电视公司希望利用HFC（混合光纤／同轴电缆）
技术，而电信运营商则倾向于光接入网技术或XSAL来开展宽带接入。但是单一的网络形式
难以满足用户对多种业务的接入要求，因此国际上提出了利用渗透式的统一接入网络系统
一一全业务接入网（FSAN）来透明实现包括话音、视像、多媒体数据等所有业务的接入。
    从组网形式上看，FSAN并不是一种独立于其它接入网的新型网络结构，而是旨在利用
已有的一些接入网技术来实现全业务接入。该接入网不仅应能支持窄带、宽带以及交互式
定带业务，而日还应支持目前尚未定义的一些新业务，因而要求技术上的先进性和可扩展
性；另一方面，应能降低建设费用。
2、三种典型的接入网组建方式及其局限
    目前最常见的电信业务主要有三种：话音、CATV和Internet，其网络参考配置。我们
首先分析这三种业务的接入组网形式，以设计出全业务接入网的网络结构。
    xDSL技术是基于原有的电话双绞线而提供的一种宽带接入手段，其典型的接入速率为：
HDSL利用二对双绞线能提供2Mbit／s的对称速率；ADSL利用一对双绞线，可提供的速率下
行为6－8Mbit／s，上行为640kbit／s；VDSL是XDSL技术中最为先进的数字调制技术，其
上下行速率可达26Mbit/s。虽然这种方式组网较为灵活，但是相对于光接入技术，XDSL所
能提供的接入带宽毕竟有限，仅能实现话音、数据以及几路视频业务的接入，发展潜力不
大。
    HFC和基于PON（无源光网络）的FTTC是发展前景更为广阔的两种接入方式。两者都是
利用光纤光将信号送入光节点，然后通过O／E变换后由铜介质将信号送给用户，但是两者
也存在较大区别；首先，从信号接入方式看，HFC采用模拟频带传输，下行信号多采用FDM
（频分复用）／SCM（副载波复用）方式，而FTTC采用数字基带传输，信号间多采用TDM
（时分复用）方式；其次，在电缆网结构方面，HFC多采用树形分支结构，而FTTC在光节
点和各用户终端间多采用星形或总线形连接；再次，HFC业务传送具有不对称性，上行信
道带宽5-50MHZ，下行带定50-750MHZ，FTTC由于采用数字基带传输方式，因而就传输线路
而言并不存在上下行带宽的限制。
    总之，与FTTC相比较，HFC在传送模拟CATV信号方面具有很大优势，但是在开展话音、
数据接入方面可靠性较差，特别是上行信道易受噪声“漏斗”效应的影响以及频带窄从而
引起信号间的串扰，此外，模拟信道对数字业务的开展也存在一定的影响。但是如果HFC
是在现有的VATV网的基础上建设，将在成上具有很大优势，而FTTC采用PON技术，提高了
通信传输质量，解决了上行传输中的带宽问题，但FTTC的最大问题是不支持模拟分配式视
像业务CATV业务的传送。因此必须优化组合出一种新的网络量结构，以方便地支持所有业
务的接入。
3、全业务接入网的网络结构
    全业务接入网的网络拓扑结构，其特点是：采用WDM（波分复用）将数字通信信号和
模拟CATV信号在馈线段混传；采用ATM作为数字多媒体住处的交换平台；利用HFC和FTTC中
的PON（无源光网络）分别实现模拟电视和数字通信信号的分配。
    全业务接入网是由一个宽带数字双向传输系统和一个单向HFC模拟视像传输系统组成。
其中，HFC网主要是通过改造已有的CATV网，采用模拟副载波复用技术（SCM）实现59路
CATV信号的传输，并给OUN供电；宽带数字双向传输系统的上行速率为STM－1（1.55Mbit
/S），下行速率为 STM－1或STM－2（622Mbit／S），传送数字多媒体住处数字混合信号
分别采用1310nm和1550nm波长并通过WDM在主干光纤环网中传输，ATM作为数字接入网统
一的交换平台，实现多媒体住处的交换、复用和传输，而模拟视像信号首先通过光纤传
至靠近用户的服务小区，并由光放大器进行功率补偿，通过光／电变换与电放大，再由
同轴电缆广播网将射频信号传送用户。
    目前考虑到价格因素，一般较少采用FTTH方式，最后的用户引入线部分多用钢媒质
的传输线。如果引入线是基于原先的电话双绞线，可利用ADSL、VDSL等数字调制技术，
以满足宽带数据以及几路视频信号的接入要求。
4 FSAN组网的关键技术
4.1 APON系统
    在无源光网络（PON）上实现基于ATM信元的传输，即APON技术，采用基于信元的传
输系统主要是由于ATM为点到多点的传输系统的复用和多路接入方式提供了很好的基础，
这种结构允许接入网中的多个用户共享整个带宽，如果只需交互型业务（包括VOD），
一般采用155Mbit/s的下行速率，如果还需传送分配型业务，可将下行速率增加到622Mb
it/s。
    在APON中，考虑传输的可靠性，采用双纤双工传输，系统带宽扩容可采用TDM方式，
进一步可考虑用WDM技术。这种“点到多点”多分支的APON结构特别适合本来将大量出
现的下行分配型数字视频业务，如MPEG视频流等。信元通过ATM信头的VPI／VCI进行二
级寻址，并根据不同业务的QOS进行不同的转接处理。例如，对于话音业务，必须考虑
减小处理时延，以满足话音业务的时延不超过1ms的限制；对于同样对时延要求严格而
且自信量大的视像业务（如VOD）则在APON系统中应普遍采用永久性VP连接，以简化连
接信令和呼叫处理过程。
4.2上行通信中采用的技术
    为了最人限度地利用频谱，APON给每个ONU都分配相同的频谱，这样有可能在同一
时刻当多个ONU往上行信道发信息时发生冲突，从而在上行通信中引入了TDMA（时分多
址接入）方式。
    其机理为：APON系统通过OLT控制时隙划分，从而保证同一时刻仅有一个ONU发出
上行信号，除去极少量的保护时间和同步等开销外，频带几乎全部利用；此外，TDMA
能更有效地利用各种数字技术，在预分配和按申请分配方面具有更地灵活性，尤其适
合基于信元分组方式的ATM信元在上行信道中的传输。但在上行通信中也面临下面三个
问题。
4.2.1测距技术
    由于APON工作于点到点的方式，到达接入节点的上行传输时延差异造成各个ONU的
上行时隙交叠，从而可能导致不同的ATM信元流发生碰撞。因此引入了测距技术对由于
物理传输机制弓没的时延差异进行补偿，以确保不OUN所发出的信号能够在OLT处准确
地复用到一起。
    测距包括静态测距和动态测距，前者用在新的ONU的安装调测阶段，以补偿ONU与
中心接收机的时延差异；后者应用于系统运行过程中，以进一步地高精度连续核准各
个ONU上行信道由于温度、光电器件老化等对信道传输特性的影响。
4.2.2突发信元的高速同步
    由于上行方向的信元在光分路器上进行时分交织复用，为了尽可能地减小连续信
元音的开销，获得最大的可用带宽，必须提出～种快速的同步方法；而且由于测距的
距离是有限的，因此要在连续的突发之间留一段保护时间（精度可定在±bit）。这
样，将每个突发信元的第一比特置于±1bit的保护时间内，中心局的接收机要能在空
发信息的第一个比特出现时迅速建立起同步，因此在传送帧结构中需加入同步保护字。
    使用锁柏环并在每个突发前加一个足够长的报头可实现上行突发信号的高速同步，
如利用附加抽样技术。在APON系统中，时钟相位的校准是通过一个3bit的调谐抽头延
迟线来实现的，在每个APON信头插入3bit来恢复正确的时钟相让，对于一个理想的时
钟提取电路存在2dB的劣化。
    每个ONU到中心接收机的路径损耗不同，因此所接收到的上行光功率将存在较大
的动态范围。一方面要求接收机能以最快速度动态调定“0、“1bit电平门限，另一
方面则要求ONU的发射机根据该节点的光路损耗情况自动调节，以降低接收机动态范
围。因此，针对前者，OLT中应采用具有自适应功能的光接收机，在一定衰耗范围内
维持恒定的传输电平值；对于后者，为了实现发射机的光功率电平调节和接收机的快
速门限设置，在每个上行ATM信元流中指示开销。
4.3 APON信元的帧结构
    在FSAN中，其上、下行信道的ATM信元被打包成所谓的APON帧，每53个信元组成
一个APON帧。为了尽可能提高有效负载的传输效率，就应尽量缩短信头长度。研究和
实践均证明，一个8bit的信头已足够为一个ATM信元提供所需功能。在上行APON帧的
信头中，2bit用于保护时间，3bit用于光功率电平调节，另外3bit用于时钟相位校准。
    这样，一个字节的开销足可以保证一个ATM信元在APON中的传输，即一个APON信
元长度为54byte，其中非ATM信元的传输开销占1／54。对于上行信道，来自各个NT
（网络终端）的用户数据由相应的AAL或CLAD适配成ATM格式，所形成的ATM信元再由
ONU装配成APON格式，然后进入传输系统；对于下行信道，从传输系统接收到的ATM
信无根据它们的VPI／VCI值进行分路，然后再转换成原数据送给用户。
4.4备类接口技术
    FSAN需要在一个通用平台上采用分层结构，以方便对所有网络业务的分布式管
理，各个设备之间的接口实现无缝连接将是一个关键。按ITU－T的规定，一个全业
务接入网的分层结构和接口配置，在系统中需要配置网管接口（Q3）、传输接口、
交换接口，以及各类用户接口。
4.5 WDM和EDFA的应用
    虽然WDM能透明传输所承载的业务流，但在全业务接入网中需要考虑的一个重要
问题是数字信号和模拟CATV信号间的串扰。由于在同一光纤中数、横信号的功率相
差二个数量级，因此在系统中应采用高隔离度的WDM器件。
    目前，1310nm／1550nm双窗口器件应用已很成熟，价格也较为便宜；另外，该
双窗口的隔离度也可以做足够大以抑制不同波长信号的串扰。
    利用1550nm波长传送模拟现像信号，结合EDFA可增大信号的覆盖范围。同时进
一步考虑EDFA对无源光分路网络中的功率补偿作用；假设单模光纤的传输损耗为0.2
dB／km，一个EDFA的出纤功率为+22dB（160mw），分为四路输出并忽略插入损耗，
则每路的光功率为+16dB（40m）。这样，通过EDFA输出光功率分路，可覆盖4个光
节点，每个光节点到EDFA的距离约为80且出纤功率为1mw，从而降低了整个网络的
成本并提高了可靠性。
    当无中断距离超过10km时，普通的单模光纤在1550nm窗口的色散将对CSO（二
阶合成）产生严重影响，为了进一步延长传输距离，应采取一些特殊的措施来改善
CSO，如使用G.653的色散位移光张（DSF），或利用色散补偿光纤对旬散进行负补
偿。
5、FSAN的发展及我们对策
    价格因素是接入网建设的一个敏感问题，因此建设FSAN应尽量考虑降低成本，
提供给用户最大的性能／价格比。目前，由于光纤制造技术的发展使得其价格大大
降低，VLSI技术的发展使得商用和家用的ONU的价格不断降低；此外，标准的制定
也将促使FSAN大规模的实施从而将大大减少用户成本。
    由于FSAN将电信网和CATV网合二为一，两套网络可共用光缆、管孔等基本设
施，避免了重复投资；通过改造已有的CATV网作为FSAN的模拟视像传输通道并向
APON供电，更进一步地节约了成本。另外，FSAN采用ATM技术保证了向未来多媒体
数字业务的良好过渡，同时也能方便地开展原有的一些业务（如模拟CATV），因
此与ADSL、HFC、FTTC以及SDV（交换式数字视频）相比较，无论在传输容量、性
能以及支持多种业务（特别是对我国目前应用最多的宽带业务模拟CATV业务）方
面将具有更大的优势。
    另外，考虑到虽然数字CATV是广播式电视的发展方向，但在目前模拟制式的
电视信号仍占统治地位的情况下，通过改造已敷设的CATV网以传送模拟视像信号，
不失为一种较好的方法，因此，在FSAN系统中保留了单向HFC传输系统；随着压
缩技术和硬件成本的不断下降，再逐步过渡到利用APON系统接入数字CATV业务。
    中国信息产业部的成立对我们构建统一的国家信息全业务接入网提供了契机，
原有体制上的一些敏感问题正逐步得到解决。目前应充分利用电信部门已建的大
量双续铜线和正在建设的一些FTTC，以及广电部部门基于HFC的CATV网、统一规划，
协调管理，构建一个能实现全业务接入的平台。尽管网络在运营初期利用率较低，
但随着业务的不断发展，其经济效益将越来越好。
    当然FSAN的发展也存在一系列问题，如网管系统的设计、简化的MAC协议的制
定等，但是随技术的发展，相信这些问题都将逐步得到解决。