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单纤三波 ——有线光纤到户可选技术方案之一

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    发表于 2016-8-17 06:56:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    消息来自- 北京
    单纤三波
    ——有线光纤到户可选技术方案之一
      
    东方有线网络有限公司
    贺文虎

    1  光纤到户的基本定义

    光纤到户(FTTH)是一种光纤接入用户家中将光网络单元(ONU)安装在用户家中的接入方式,是光接入方式中除FTTD(光纤到桌面)外最靠近用户的接入网应用类型。FTTH的技术特点是提供了更大的带宽,增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性,降低了对环境和供电等条件要求,也降低了安装与运行难度。
       
    光纤接入是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体的通信传输方式。光纤接入可以分为有源光接入和无源光接入两种,而根据光纤网络接近用户家庭的程度,可分为FTTC、FTTZ、FTTO、FTTF、FTTH等。
       
    光纤到户FTTH的主要优势:从局端到用户端信号传输上基本可以依托无源网络;传输带宽较宽,传输长距离衰减小,便于运营商的大规模运用;能灵活支持各类网络协议。

    2  光纤到户实现方式与主要技术原理

    FTTH技术方案直接决定FTTH设备的制造成本。目前,FTTH接入技术主要有两大类:基于无源光网络接入技术的EPON和GPON,基于小区有源交换接入的FiberP2P技术,其中广泛应用的技术为PON技术。
       
    PON系统由ONU、OLT和无源光分配网等组成。OLT为接入网提供网络侧与核心网之间的接口,通过ODN与各ONU连接,作为PON系统的核心功能设备。ONU分为有源光网络单元和无源光网络单元,可集成数据、电视、语音等业务。ODN是OLT与ONU之间仅有光纤、光分路器等光无源器件。
       
    在工作原理上,PON技术从局端到用户端的下行方向:OLT发出的以太网数据包经过1:n的无源光分路器或几级分路器以广播方式传送到每一个ONU;从用户端到局端的上行方向上:由于无源光合路器的方向特性,任何一个ONU通过不同的时隙将发出的数据包送达OLT,而不到达其他的ONU。

    3  国内运营商光纤到户建设情况

    3.1  电信运营商光纤到户实施进度
       
    2015年5月28日,中国电信发布消息称:目前光纤到户已达1.8亿个家庭户,上海电信光纤到户建设规范中光纤到户采用EPON技术。中国移动也在积极推进光纤到户进程。2015年到2016年中国移动光纤采购需求轻松突破1亿芯公里,占到当时全世界需求的30%。2015年9月,中国联通在河南商丘召开的全光网络推进会宣布,截至2015年7月底已在全国39个市(区)建成了全光网络,光纤到户覆盖家庭达到1.18亿户,中国联通光纤到户建设规范中建议使用EPON
    或GPON技术。

    3.2  广电有线行业光纤到户建设现况
       
    广电有线行业受政策鼓励和宽带提速与“光进铜退”趋势的推动,FTTH也已成为有线运营商双向网络改造和建设的技术方案和必然趋势。
       
    一方面,随着高清、超高清和OTT等新业务的出现,有线运营商对于带宽的需求愈演愈烈,而FTTH能够提供更高的传输带宽、更远的传输距离和更低的维护成本。
       
    另一方面,目前有线运营商主要采用DOCSIS或PON+C-DOCSIS、PON+EoC等技术方案进行双向HFC网络改造,基本上已实现或者可实现FTTB,拥有光纤到小区或楼栋的线路资源,同时积累了一定的光纤设计、建设和维护经验,已具备建设FTTH网络的条件。
       
    再有,住房与城乡建设部、工业和信息化部联合发出通知,要求贯彻落实此前出台的《住宅区和住宅建筑内光纤到户通信设施工程设计规范》及《住宅区和住宅建筑内光纤到户通信设施工程施工及验收规范》两项国家标准。自2013年4月1日起新建住宅区和住宅建筑的通信设施应采用光纤到户方式建设,广电行业实施光纤到户建设也因此有其紧迫性。

    4  广电有线光纤到户的实施方案

    广电行业不同于电信行业,在光纤到户过程中需要考虑传统有线电视或有线数字电视的传输问题,如何确保基本电视业务的平滑过渡,与数据信号同步传输以及传输可靠性与安全播出要求是其推进光纤到户实施的关键点和主要难点。

    按照2015年11月广电总局科技司《有线电视网络光纤到户(有线光纤到户)技术白皮书》(下称《白皮书》)定义,有线电视网络光纤到户是指通过光纤媒质连接有线电视网络接入网头端和家庭住宅的接入方式。《白皮书》中推荐的典型的有线光纤到户技术方案,包括RF-Overlay、I-PON和RFoG,其中每个方案又提供了双纤接入与单纤接入两种技术选择,共6种方案。考虑到光纤到户过程的循序渐进,《白皮书》对双纤接入方案进行了重点讨论。

    5  双纤与单纤方案比较

    根据《白皮书》中提到的为更好保证系统扩展能力,建议ODN采用双纤设计。当广播电视业务和宽带接入业务在不同的光通道上传输时,OBN和OIN分别采用独立ODN可以更好地解决波长间串扰的问题。单纤方案的特点是光纤共用,利于节省光纤资源。

    5.1  双纤的几种方案
       
    ODN双纤部署模型,包括:RF- Overlay两纤三波组网方案;I-PON两纤三波组网方案;RFoG双纤组网方案。

    5.2  单纤方式传输
       
    RF-Overlay、I-PON和RFoG都可以采用单纤三波组网方案,在单纤三波组网方案中,OLT通过波分复用/光合波器将广播电视光波长和PON的下行数据传输波长复用在一起,同时在上行方向分离出PON上行数据传输波长。ONU端通过内置波分复用/光分波器将广播电视光波长和PON下行数据传输波长分离,同时在上行方向插入PON上行数据传输波长。ONU分别通过RF接口和以太网接口提供给机顶盒或内置机顶盒模块的电视和PC终端、融合终端或者家庭网关等设备。

    综上可以总结出,单纤三波方案的特点是主体光纤共用,节省光纤资源,为了保证广播电视信号与数据信号不相互干扰,波分复用/光分波器的隔离度要求高(要达到35dB以上),而双纤三波方案技术难度小,易于实施,利于光纤到户推进的平滑过渡。

    6  光纤到户的室内布线方案

    6.1  两纤入户方案
       
    两纤入户指从末级分光点到用户家里通过两芯皮线光缆连接的入户方式,在有线电视网络具有独立管道资源的条件下,可以选择两纤入户方式。

    6.2  单纤进户方案
       
    单纤入户指从末级分光点到用户家里通过两芯皮线光缆连接的入户方式,其中一芯在线使用,一芯备份,在线光纤同时传输有线电视信号与数据业务信号,通过终端分波器分离。
       
    单纤进户组网过程中,光纤接入用户家中后通过放置在客厅综合接入箱内的分波器将光信号分离,然后经入户型ONU和用户接收机,通过室内已经布好的网线和同轴连接各房间的用户终端。

    6.3  分配网改造与建设过渡方案
       
    有线光纤到户分配网改造或建设是一个过程,存在同轴和光纤同时入户的场景。在以下情况下,可以采用光缆+同轴两线同时入户的方式。

    在光缆+同轴双线入户情况下,业务在接入网中可以通过光纤分配网络传输,也可以通过同轴分配网络传输,如通过光纤分配网络传输宽带接入信号,通过同轴分配网络传输广播电视信号。
       
    如果广播电视业务和宽带接入业务都通过光纤承载,同轴分配网络可用于区域内无线多点覆盖或家庭内业务分发。
       
    光缆+同轴双线入户过渡方案中,光缆建议采用两芯皮线光缆,其中一芯用于数据信号传输,另一芯作为备用。

    6.4  向“光纤到桌面”过渡
       
    FTTH方案总体上还是个过渡方案,最终的“全光网”应该是光纤到桌面(FTTD),将用户室内的线路也“全光化”。以FTTH建设成果为基础,在综合接入箱中放置分光器,用户室内通过升级铺设皮线光纤到各所需位置,实现光纤到桌面,通过智能网关终端“一体机”实现收视、上网与语音等全业务功能。

    7  光纤到户的技术方案建议

    7.1  整体方案
       
    单纤三波方式RF-Overlay(1550nm+PON)首先实现光纤到户。同时在设计上做好“光纤到桌面”规划,即FTTD,将光纤延伸至用户终端,实现真正意义上的“全光网络”。

    7.2  接入网结构
       
    利用原有双向网改造与NGB改造的干线光缆资源,继续敷设入户光纤,在机房进行电视信号与PON信号合波。传输中先采用二级分光:小区光缆交接箱次级分光,用户楼栋或楼层后级分光。今后发展到光纤到桌面,可在用户家中设置分路器,扩展为三级分光。

    7.3  机房头端网络结构
       
    对于有线数字电视信号,分中心机房将前端机房电视信号进行接收、分配,转换为1550nm光信号,通过二级光放大,与PON信号合波,以单纤三波方式通过全光网传输给用户。
       
    对于PON信号,分中心为PON头端机房,安装OLT设备,PON信号经合波后与有线电视光信号传输给用户。
       
    机房需要设置有线电视信号光接收机、射频分配系统、1550nm光发机、EDFA光放大器、有线电视光分路器;OLT设备、光纤合波器。

    7.4  接入网光链路计算
       
    机房合波信号后采用二级分光,小区光缆交接箱次级分光8分路,用户楼栋或楼层16分路分光;今后发展到光纤到桌面,在用户家中设置光4分路器,改为三级分光结构。
       
    每个合波器后带128户光纤到户,或32~64户光纤到桌面用户。一个512户的小区需要机房至光节点4芯光纤,可以利用原双向HFC网的光纤资源。
       
    有线电视信号传输使用1550nm波长,通过EDFA光放大器进行二级放大后,输入光纤功率达到23dBm,如:1550 -23EDFA(光功率输出,≥23dBm),接收机最低接收功率为-18dBm,则有线信号EDFA之后链路损耗允许41dB(包含插入损耗、分光损耗与光纤衰耗)合波器后链路损耗在在27.2dB左右,合波器输入有线电视信号光功率9.2dBm。
       
    目前主流的OLT光功率指标:1490nm波长发送光功率一般在+7~+2dBm;主流的Oun光功率指标:1490nm波长接收光功率一般在-8~-24dBm;1310nm波长发送光功率一般在+4~-1dBm,1310nm波长接收光功率在-6~-27dBm。因此1490nm波长允许链路损耗在31dB以内,1310nm波长允许链路损耗也在31dB以内。

    分中心机房一般覆盖约12万用户,光缆距离在7~8千米左右,链路损耗在5dB左右,两级光分路,分路损耗24.3dB,合波器之后光通道链路损耗在29.3dB左右,工程余量1.2dB。

    7.5  接入网络设备计算
       
    按照每个有线电视光口覆盖128户、每个PON后覆盖128户,每个分中心机房12万用户规模,至少需要937个有线电视信号光端口和937个PON端口。
       
    有线电视信号两级光放大,需要937个光端口需要二级23db EDFA 放大器60台,二级16分路器60台。一级23dB EDFA光放大器2台,一级32分路器2台,相应1550nm光发机2台。
       
    在PON系统方面,按照单端口128户覆盖,每台OLT可以满配96个PON口,需要10台OLT。此外,机房还需要配置光合波器937台。

    7.6  单纤到户目前的问题

    (1)设备技术要求高
       
    目前单纤到户对设备技术要求高,因为采用三波方式传输信号:1550nm波长传输有线电视信号,1490nm和1310nm波长分别传输PON的下行和上行信号,所以需要使用光合波和分波器在机房与用户端用于信号分离,对光合波和分波器技术指标要求高,对三波长信号指标要求严格,不然会造成信号串扰。性能优良的器件造价高,光分波器是用户端设备,数量巨大,在经济上对成本敏感,如何把握性价平衡,在论证与设计时须重点规划。采用合波器与分波器在光链路上有一定的损耗,增加了光链路损耗,不利于远距离传输。
       
    单PON口覆盖用户数小,造成OLT设备需要配置数量大,机房资源占用严重,设备采购成本高,且目前ONU带宽多为1000M以上,存在带宽冗余过度的问题。目前EPON的最大ONU终端覆盖是64端,GPON最大终端数为128端,相较与小区规模,单PON口覆盖用户规模仍偏小,主要是因PON器件链路总损耗范围在31dB内,不能进行大比例的分光,造成覆盖用户规模小,PON头端设备配置数量多,占用有限的机房资源以及干线光缆资源。同时ONU上联为GE上联或2.5G上联,对于光纤到户以及光纤到桌面的应用,目前的带宽资源又嫌浪费。
       
    目前单纤到户设备在光波之间尚有串扰问题,技术成熟度需进一步提高,高性能产品价格高昂,不利于大规模铺开建设。由于相关系统设备成熟度需进一步提高,对设备维护提出了更高的要求。为避免产生波间干扰,需要对各信号进行动态实施监控与即时调优,对系统网管系统与维护人员技能都提出了很高要求。尽量降低技术实现难度,这也是广电总局力推双纤入户方式的主要原因之一。

    (2)单纤入户建设成本高
       
    有线电视传输中,12万用户覆盖需要机房配置两级EDFA放大器60多台,EDFA设备及分光器需要较多,占用较多机房资源。
       
    目前PON设备中EPON口最大覆盖64个ONU,2.5GGPON口最大覆盖128个ONU。一个512户小区需要4个PON对资源占用较大。2.5GPON口成本单价也较高。每个小区至少需要4芯光纤才能实现覆盖,对干线光缆资源消耗较多。

    目前,建设投资成本高还表现在:因为在入户段无论单纤还是双纤接入方式,接入的皮线光纤皆按照2芯敷设,因此入户线缆成本相同,而单纤入户在用户端布置的分波器成本在每个60元左右,由于终端按照百万计,数百万的用户规模对成本影响大,若考虑光纤到桌面的要求,则建设数量在千万级,对投资影响较大。若传输有线电视信号为1310nm波长设备的,需要更换为1550nm设备,涉及重新建设问题。

    8  单纤到户的优势与展望

    8.1  单纤到户的技术优势
       
    单纤入户方式最主要的优势在于节省光纤资源,易于业务扩容。单纤方式可以节约大量的光纤资源,尤其是宝贵的干线光缆资源。目前发达地区光缆敷设的成本很高,在不能使用架空线敷设光缆时,管道光缆每公里的造价在20万元左右,光网络建设费用占光纤到户成本的50%以上,单纤方式可以比双纤方式节约一半光纤链路资源,经济效益客观,且可以保留更多的资源开展业务扩容,扩容周期远小于需要外线建设的工程。
       
    单纤到户的光缆网线路维护压力远低于双纤方式,避免了双纤方式传输不同信号对工程建设、线路维护带来的巨大压力。单纤入户每根光纤传输的信号相同,即使个别光纤秩序错误,尤其是最末级分光器后入户光纤错误对用户影响也很小。

    当然采用信号单纤传输方式到户,在实际敷设中入户皮线光缆仍应采用双纤方式,一方面可以作为备纤使用;另一方面,可以作为今后用户端扩容或业务的拓展的资源预留。

    8.2  单纤到户的展望
       
    单纤到户由于所有信号一同传输,在用户端简单增加光分路器后,通过简单扩容,利用机房端与用户端的预留资源,容易实现光纤到桌面FTTD,真正建成端到端的全光网。以维护经验来说,用户端的故障占了全部故障的50%,其中用户室内线路的故障又占了全部故障的13%,可见用户室内射频网络问题占了故障的很大比例,且整改困难。若能实现光纤到桌面,因传输线路的全光化,线路可靠性与可维护性将大大增加。
       
    同时实现全光网后,用户终端处的带宽在可预见的一段时期将完全满足业务需求,光纤链路带宽以“TB”计的潜力,今后网络的提升与扩容将主要集中于两端有源设备性能提升上,线路带宽资源将不再是业务瓶颈。
       
    目前建设全光网所需成本较高,主要表现在局端资源投入大,用户室内光纤链路敷设升级难度大,终端设备成本较高,但以现代技术进步趋势预期,按照“摩尔定律”设备性能提高和成本下降将在未来几年内达到可承受的范围,PON口覆盖用户数量的增大应该不是很难解决的问题,2~3年内应该能够实现。目前光纤到户应用的速率1000M的带宽存在一定过度冗余问题,开发每端低带宽100M左右接入带宽,而覆盖用户较多的PON设备还是可能实现的。
       
    目前已经出现分波器与射频光接收一体机,体积小,信号满足桌面使用,该类设备将电视信号直接转为射频输出,数据信号经分波后仍采用光纤输出,待今后几年性能逐步成熟,产品产业化,有线行业的进一步整合,实现光纤到桌面将是未来发展方向。
       
    由于光纤资源高带宽以及几乎无限的扩容潜力,从行业竞争来说,争夺“最后15m”的用户网络,实现光纤入户甚至光纤到桌面,关系到经营电视、电信、数据业务运营商的生死存亡,占领了该领域,就有了话语权,失去该阵地的企业或行业将会陷入致命绝境,因此广电行业必需抱团开展研究,尽快实施光纤到户以及光纤到桌面建设。

    本文刊登于《有线电视技术》
    2016年第8期第51—53页
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