光纖技術與接入網絡

     摘要：文中闡述了21世紀光纖網絡的主流技術，介紹銅
線接入、光纖接入、HFC網、無線接入、以太網接入等幾種寬帶接
入網技術,并對它們進行比較、分析和展望。，并從網絡技術發展
的總體趨勢，探討了網絡接入的前沿技術。
關鍵詞：光纖網絡  接入網絡  接入技術
1.光纖網絡的主流技術
1.1.光纖新技術
　　光纖制作技術現已基本成熟，現已大量生產，當今普遍采用
的是零色散波長λ0=1.3μm 的單模光纖,而零色散波長λ0=1.55
μm 的單模光纖已研制成功,并已進入實用階段,它在1.55μm波長
的衰減很小,約0.22dB/km,所以更適合于長距離大容量,是長距離骨干網的優選傳輸介質。目前，為了適應
干線和局域網的不同發展要求，已研制出非零散光纖、低色散斜率光纖、大有效面積光纖、無水峰光纖等
新型光纖。而人們對超長波光纖的研究，其傳輸距離理論上可達到數千公里，可以達到無中繼傳輸距離，
但其仍處于一種理論探討階段。
1.2.光纖放大器
　　1550nm摻餌（Er）光纖放大器（EDFA），摻餌光纖放大器為數字、模擬以及相干光通信的中繼器，可
傳輸不同的碼率，并可以同時傳輸若干波長的光信號。在光纖網絡升級中，由模擬信號轉換為數字信號、
由低碼率改為高碼率，系統采用光波復用技術擴容時，都不必改變摻餌放大器的線路和設備。摻餌放大器
可作為光接收機的前置放大器，光發射機的后置放大器及光源器件的補償放大器。
1.3.寬帶接入
　　針對不同環境下的商業用戶和居民用戶有多種寬帶接入的解決方案。接入系統主要完成三大功能：高
速傳輸、復用/路由、網絡延伸。目前，接入系統的主流技術有，ADSL技術其能在雙絞銅線上經濟地傳輸每
秒幾兆比特的信息，它即支持傳統的話音業務，又支持面向數據的因特網接入，局端ADSL接入復用設備將
數據流量復用后，選路到分組網絡，將話音流量傳送給PSTN、ISDN或其它分組網絡。
　　Cable modem能在光纖同軸混合網中提供高速數據通信，它將同軸電纜傳輸帶寬劃分為上行通道和下行
通道，因而能提供VOC在線娛樂、因特網接入等業務，同時也能提供PSTN業務。固定無線接入系統在智能天
線和接收機等方面采用了許多高新技術，是接入技術中的一種創新方式，也是目前接入技術中最不確定的
一種方式，仍需在今后的實踐中進一步的探索。而光接入系統能提供足夠的帶寬，支持目前可預見的各種
業務，但目前尚有技術和經濟等問題需進一步的在產品開發及技術上創新，以使其成為21世紀網絡接入系
統的主流技術。
1.4.硅技術
　　光網絡技術的創新進一步需要從石英光纖維到復合半導體設備等一整套元件，其中包括激光器、傳感
器、及調制解調器等。為滿足這些廣泛的功能要求，針對低成本電子設備發展起來的硅技術正在挺進光電
學領域，目前，對光學的硅化處理正沿著兩條分別被稱為硅光實驗室（SIOB）及微電機械系統（MEMS）的
道路不斷創新。
　　SIOB技術是在一個硅晶片上，無源器件與激光器和傳感器可以集成在活字支撐架上，上面連接著各種
各樣的元件，對于小型模塊，采用SIOB技術制造的光學集成電路有足夠的密度。SIOB技術已被應用于集成
激光器、光電傳感器、無源波分割器、WDM濾波器、無光光纖吸球狀透鏡附加體、旋轉鏡、光學轉向元件，
以及電積金屬等。
　　MEMS是一種微小的堅固機械部件，其尺寸通常小于1毫米。MEMS具有驚人的豐富功能，并可于復雜芯片
實現集成，目前MEMS技術仍處于研究階段，科學家試圖利用硅芯片本身制造出用于光學通信的帶有可移動
部件的元件，該項技術有著廣闊的發展前景，此技術應用將使光網絡產生質的飛躍。
　　光網絡的發展與創新需要從石英纖維到復合半導體設備等整套元件，而硅技術正在挺進光電學領域，
并在這一領域不斷創新，現已形成“硅光電技術”這一交叉科學，為硅光電技術的發展奠定了理論基礎，
現已發展成為推動光網絡快速發展動力。
　　硅技術自80年代中期以來，硅基片及其處理技術已趨于成熟，因硅具有人們渴望得到的許多物理特
性，如其折射率穩定，并易于控制，在一個硅晶片上，無源器件與激光器和傳感器可以集成在活字支撐架
上，采用SioB 技術制造的光學集成電路已具有足夠的密度，對于單一晶片進行處理即可生產出大量芯片，
多種功能已經集成在芯片上。SioB技術已被廣泛應用于集成激光器、光電傳感器、無光光纖導分割器、WDM
濾波器、無光光纖以及球狀透鏡附加體、旋轉鏡、光學轉向元件以及電積金屬等。
　　從90年代中期開始，集成光電技術就開始應用于通信網絡，如Dragone路由器，一種在DWDM系統中合并
和路由波長信道的光集成電路，現已從8信道發展為72信道，與此同時微電機系統（MEMS）是一種微小的堅
固機械部件，微電機系統制造可以通過外延生長，其圖案形成和蝕刻處理等，集成電路制造技術在基片上
完成，深信在21世紀微電機系統這一硅光電領域的創新技術，在不久的將來應用于下一代光網絡。
2.接入網
　　所謂接入網是指交換局到用戶終端之間的所有機線設備(接入網的物理位置),其中主干系統為傳統的電
纜和光纜,一般長數公里;配線系統也可能是電纜和光纜,其長度一般為幾百米；而引入線通常長幾米到幾十
米。
　　ITU-T規定,接入網是指由業務接點接口(SNI)和相關用戶網絡接口(UNI)之間的一系列傳送實體(諸如線
路設施和傳輸設施)所組成,為傳送數據業務提供所需傳送承受能力的實施系統,它可以經由Q3接口進行配置
和管理。傳送實體提供必要的傳送承載能力,對用戶信令是透明的,不作處理。它可以被看做與業務和應用
無關的傳送網,主要完成交叉連接、復用和傳輸功能,一般不含交換功能。
　　網絡接入方式的結構,統稱為網絡的接入技術,其發生在連接網絡與用戶的最后一段路程,網絡的接入部
分是目前最有希望大幅提高網絡性能的環節。對本地環路網來說這是一個瓶頸，全球擁有上億條用戶接入
線，因其功能有限阻礙著網絡用戶業務的發展，而與用戶線路另一端的高性能設備形成了鮮明的反差。隨
著電子技術和光電技術的迅速發展，數字電子系統（從個人計算機到網絡交換機或路由器）以及信息傳輸
設備性能都在快速穩步的增長，為解決這一環路瓶頸提供了廣闊的發展前景。由于在本地環路銅線上傳輸
的仍然是模擬信號，人們仍然使用著狹窄的無線電頻道穿越擁擠的無線電頻譜。
　　目前如何大規模拓寬網絡接入的瓶頸為全球現有的7.5億條接入線提供超寬頻帶,已是當前網絡技術發
展的焦點,瓶頸是相對的,一對金屬線可以提供支持雙向交談的足夠容量,但傳統的銅線所能提供的帶寬,對
高性能的數據網絡和因特網來說的確有些勉為其難,數據用戶不僅希望與對方交談,而希望通過視頻會議系
統看到對方的虛擬影像,所以對傳統的接入技術(接入方式、接入布線)提出高性能的要求，以突破網絡接入
環節的瓶頸。以增加網絡最后一段路程中的帶寬，在大范圍達到并滿足用戶在家庭或小型辦公室的通信要
求的基本前提。
　　而局部環路的瓶頸是由今天提供的較低比特率造成的，事實上，除了本地環路的帶寬限制外，當前的
數據網絡技術已足以保證提供運動圖像和其它高帶寬服務。
3.接入技術
　　從總的考慮,接入技術可以分為有線接入技術和無線接入技術兩大類,有線接入技術又可分為銅線接入
技術和光纖接入技術兩類。
3.1銅線接入技術
　　銅線接入的著眼點主要是考慮如何利用當前通信網中約占總傳輸長度1/3的用戶線部分。當前的銅線接
入技術主要有:高速數字用戶線(HDSL)技術、不對稱數字用戶線(ADSL )技術以及甚高比特率數字用戶環線
(VDSL)技術等。
　　HDSL系統采用2B1Q線路碼型,利用回波抵消、自適應濾波、信號處理等多項技術解決了在一對普通用戶
線上雙向傳輸1.168Mbps信息,兩對用戶線上傳輸2.048Mbps信息的能力。
　　HDSL的優點是充分利用現有電纜實現擴容,并可以解決少量用戶傳輸384kbps和2048 kbps寬帶信號的要
求。其缺點是目前還不能傳輸2048kbps以上的信息,傳輸距離限于6～10千米以內。
　　ADSL主要用來傳輸不對稱的交互性寬帶業務。和HDSL一樣,ADSL也是力圖提高普通用戶線的高頻傳輸能
力。所謂“不對稱”指的是這類系統上行方向(從用戶終端向交換機的發送方向)與下行方向(從交換機向用
戶終端的發送方向)的信息速率不對稱。其上行方向可傳送64kbps～384kbps的數字信號;其下行方向可傳送
1.5Mbps～6Mbps的圖像和寬帶圖文信號。
　　傳輸距離可達3千米～4千米。ADSL的主要用途是提供視頻點播(VOD)業務。每個6 Mbps帶寬的ADSL可傳
送2～3套MPEG-Ⅱ或4套MPEG-I數字圖像信號。ADSL采用離散多頻傳輸編碼和無載波調幅、調相技術。從技
術角度看,它解決了交換機到用戶傳輸不對稱的交互式寬帶業務的方法,在光纖接入網建成之前,如果需要發
展家庭點播電視、家庭電視教育、遠程醫療等視像業務時,使用ADSL解決散居用戶的寬帶業務需要,只需利
用原有銅線的傳輸能力而不需要改造現有的用戶環路。但ADSL對寬帶業務來說只能作為一種過度性方法。
　　VDSL是鑒于現有ADSL技術在提供圖像業務方面的寬帶十分有限以及經濟上的成本偏高的弱點而開發
的。普通模擬電話線不需更動,圖像信號由端局的HDT圖像接口經饋線光纖送給遠端,速率可以為STM-4或更
高,圖像業務既可以是由ATM信元所攜帶的MPEG-Ⅱ信號,又可以是純MPEG-Ⅱ信息流。在遠端,VDSL的線路卡
可以讀取信頭或分組頭并將所要的信元或分組拷貝給下行方向的目的地用戶雙絞線。遠端收發機模塊帶一
個普通電話業務耦合器(實際為一個異頻雙工器又稱普通電話業務分路器)負責將各種信號耦合進現有雙絞
線銅纜。
3.2光纖接入技術
　　光纖通信具有通信容量大、質量高、性能穩定、防電磁干擾、保密性強等優點。它在干線通信方面已
有廣泛體現。在接入網中,光纖接入也將成為發展重點。
　　當前有多種光纖接入方式,即:
　　3.2.1.FTTR光纖敷設到遠端接點;
　　3.2.2.FTTB光纖敷設到辦公大樓;
　　3.2.3.FTTC光纖敷設到路邊;
　　3.2.4.FTTZ光纖敷設到用戶小區;
　　3.2.5.FTTH光纖敷設到每個家庭。
　　這些光纖接入方式主要以主干系統和配線系統的交界點——光網絡單元(ONU)的位置來劃分。這里的ON
U相當于目前用戶線中的交接箱。從技術角度來看,FTTR、FTTB、FTTC 、FTTZ基本接近,沒有實質性區別。
從運營角度看,當前業務量最大、用戶需求最迫切的是FTTB。目前,FTTH還是成本較高,多數用戶難于接受。
3.3光纖同軸電纜混合接入(HFC)
　　HFC網是以有線電視(CATV)發展起來的。它可以提供CATV業務以及話音、數據和其他交互型業務。HFC
網是一種以模擬頻分復用技術為基礎,綜合應用模擬和數字傳輸技術、光纖和同軸電纜技術、射頻技術的高
度分布式智能寬帶用戶接入網絡,是CATV和電話網結合的產物。HFC網絡的覆蓋范圍可達100千米,而且傳輸
信號的衰減小、噪聲低,是理想的CATV 網絡傳輸技術。
　　HFC的典型結構采用光纜作為CATV的干線傳輸網絡,以有線電視臺前端為中心星形或環形分布,一直延伸
到城市的市內居民和辦公小區以及郊區的縣鄉村,形成許多的光節點。從光節點開始,通過傳統的同軸電纜
將有線電視信號送到最終用戶。
3.4無線接入
　　無線通信技術有其靈活方便的特點,廣泛應用于通信網的各個領域。下面對無線用戶環路(WLL)作簡要
介紹。
　　無線用戶環路是一種提供基本電話業務的數字無線接入系統,是目前應用最廣泛的一種無線接入技術。
其網絡側有標準的有線接入2線模擬接口或2Mbps數字接口,可直接與本地交換機相連;在用戶側與普通電話
相連,其主要特點是以無線技術為傳輸媒介向用戶提供固定終端業務服務。無線用戶環路上的用戶基本上是
固定終端用戶或移動性有限的終端用戶。無線用戶環路的目標是提供與有線接入網相同的業務種類和更廣
闊的服務范圍。
　　無線用戶環路由三部分組成,即控制中心、基站和用戶終端設備。一般,無線用戶環路與PSTN網相連作
為它的一部分。無線用戶環路的接入方式很多,可以是頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)或碼分多址(CDMA)
等。
3.5以太網接入
　　近幾年發展起來的建立在五類線基礎上的以太網接入對傳統的銅線和電纜接入發起了新的挑戰。這種
接入方式是通過一般的網絡設備,例如交換機,集線器等將同一幢樓內的用戶連成一個局域網,再與外界光纖
主干網相連。這種接入方式承襲了Internet的連接方式,構架在天然的數字系統的基礎上,與將來三網合一
的必然趨勢棗IP網絡緊密結合,具有很大的發展空間。然而就應用方面來說,以太網接入方式還處于探索階
段,覆蓋范圍比較小。因為用戶的終端設備千變萬化,可能是數字的,也可能是模擬的,不僅僅局限于電腦,所
以不能夠照搬電腦接入網絡的連接方式。
4.接入系統
4.1.AnyMedia接入系統 
　　AnyMedia是一個真正全球化的產品,其支持所有相關的國際標準,該系統綜合了適用北美地區TR303/TR0
8交換接口以及國際通用的V5.1/V5.2接口。AnyMedia系統集成寬帶容量可以將數據和視頻服務作為融合在
一起的電話和寬帶系統的一部分或現有的網絡覆蓋，從而使服務方案的設計更加方便，并具有更高的性能
價格比。
　　AnyMedia接入系統使光纖的應用得以深入網絡，并在所有配置下可簡化系統的操作，它建立在AIP接入
接口平臺上支持傳統的銅纜、雙絞線，實現光纖到點、光纖到邊緣。采用ATM無源光纖網（PON0）的光纖到
家庭（FTTH），以及無線接入回路等多種接入拓撲結構。
　　AnyMedia的設計允許隨意將一個應用插入應用框架內，并具有以下多種強化接入功能：
　　4.1.1.內置寬帶容量,允許系統采用ATM技術支持目前的高速數據網和因特網及視頻接入。
　　4.1.2.ADSL功能,可將系統配置在現有遠程交換或其它接入系統,提供基于ATM寬帶能力的數字用戶專用
線接入多路復用器(DSLAM)。
　　4.1.3.可縮擴性能,用戶可靈活構建從可容20?0網絡單元的小型網絡到可容多達600個單元的大型網
絡。
　　4.1.4.語音內和數據分離,系統可將先融入ATM業務流的語音與ADSL數據分離開來,并在不同的信道上將
其路由,以減少網絡的阻塞。
　　AnyMedia接入系統是面對未來基于ATM寬帶服務提供基礎的同時，又支持低成本窄帶服務，為用戶的應
用提供了最大的靈活性。
　　4.2.PathStar接入服務器
　　PathStar接入服務器是為AnyMedia接入系統提供的特性與優勢分組交換方案需求而開發的技術創新產
品，其獨特的設計可在IP網上提供低價可靠的本地和遠程服務。PathStar接入服務器是建立在AIP接入接口
平臺上的，將諸如Inferno操作系統和Line Card操作系統等貝爾軟件與朗訊的互聯接入技術集成為一體。
　　PathStar接入服務器滿足了對集成化的語音及數據網的用戶接入的需求,將傳統電路交換的功能和特點
與高級分組路由技術相互集成,使端對端數據解決方案與IP上的語音解決方案(VOIP)同時得以實現。PathSt
ar接入服務器是一種完全的多功能裝置，它可終止本地用戶回路，處理呼叫、路由，包括語音和數據的TC
P/IP分組，提供路由與交換功能，交互連接數據和語音網絡。
　　PathStar使純IP語音數據網的建造成為可能，它同樣可以應用于架構一個語音網絡，以提供與ATM網絡
及PSTN網絡的互聯，這樣應用的靈活性為具有電路交換基礎結構的部門提供了一條遷移途徑，同時為通常
使用IP的用戶提供一個自如切換PSTN性能。同時可提供諸如POTS和ISDN等窄帶接口，但其重點在于最新ADS
L服務所需的寬帶接口上。它支持過去的PSTN接口，包括DS1基本速率接口及信道化的DS3。并為數據網的通
信提供了大量的局域網（LAN）和廣域網（WAN）互聯方式，作為一種邊緣工具，它支持在基于TCP/IP分組
網上融合語音和數據所需的全部配置，也能作為一種IA ESS變換復位應用于常規網絡。隨著向基于分組的
結構演進，其PathStar接入服務器是一種非常經濟的解決方案，也是一種很自然的進步。PathStar的應用
推廣將有助于推進當前的電路交換網，以更有效的傳輸增長的信號量負載，并創新綜合語音數據網。
5.接入技術展望
　　接入網市場是多種新舊技術共存競爭、多種傳輸手段共存競爭、多種傳輸體制共存競爭的領域,其中還
受到政策和法規的影響。采用何種類型的接入網應該根據具體情況而定。
　　就電信網絡而言,它已經積累了幾十年,具備了龐大的雙絞線網絡,采用ADSL技術將是較好的選擇。ADSL
已經是成熟的技術,在北美地區已經得到廣泛的應用,正在提供著良好的服務。
　　就有線電視系統而言,主要靠電纜接入用戶。有線電視在我國雖然起步較晚,然而發展迅速,目前我國已
經有8000萬有線電視用戶,高達1Gbps的帶寬是電纜系統最大的優勢。基于光纖棗銅纜構架上的HFC網絡將是
有線電視接入網的最佳選擇。然而要提供交互式數據通信,HFC網絡就面臨著雙向改造。國內密集的居住人
群以及電纜老化等問題使回傳系統產生棘手的漏斗噪聲問題,使雙向改造不易進行,用戶群只能限于較小的
范圍內。人們已經想了各種方法來解決這些問題。無線接入網將在低密度的分散小用戶群領域、急需電話
用戶線的地區以及有地理障礙的地區占有日益重要的地位。對于正在建設固定有線接入網的地區,無線接入
可作為過渡手段迅速提供新用戶線,一旦有線接入網建成后,無線接入系統可以移往別處使用。農村網環境
下則無線一點多址技術具有經濟性和靈活性。
　　接入網的共同趨勢都是逐漸將光纖化推向用戶。FTTC將逐漸向FTTH方向發展,而HFC 將逐漸從較大的節
點向較小的節點發展,然后逐漸將光纖推進至分支點(FTTT)甚至實現F TTH。光纖到戶后,就消除了FTTC中的
金屬引入線和HFC中的同軸電纜,避免了金屬腐蝕等問題,接入網的瓶頸也隨之消失。然而光纖到戶將是一個
漫長的過程,需要投入大量的資金和人力。因此多采用混合接入模式,例如HFC是一種混合模式,將FTTC與VDS
L技術相結合提供了光纖敷設成本、電子設備成本和提供的帶寬能力方面的最佳平衡,也是一種比較現實理
想的寬帶混合接入方案。
　　總之,隨著接入網業務的不斷增多,例如視頻點播(VOD)、遠程教育、遠程醫療、交互式圖像游戲等業務
的興起,所需的網絡帶寬將會越來越寬,交互性越來越強,接入網的寬帶化將是不可避免的趨勢。接入網市場
將會成為未來幾年信息產業中最炙手可熱的市場之一,人們的生活也將因之而改變。