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光纤入户(FTTH,Fiber To The Home)

      家庭上网的网络接入问题,常常形象的称为“最后一公里”问题。当电信公司改造其庞大的网络,从长途骨干网一直到各个端局,使之能更好的传输数据,发现碰到了大麻烦——如何改造从端局到各个家庭的电话线?到各个家庭的电话线的长度一般不超过一公里,“最后一公里”就是从此得来。把电话线换成光纤,实现光纤入户是个不错的主意。考虑到光纤的诸多优良特性,这毫无疑问是“最后一公里”问题最佳解决方案。遗憾的是,这个美好的愿望,当时只是空想。因为这理想中的工程,其成本和工程量是当时无法想象的。
      国内家庭上网仍然以ADSL为主,不过,从长远来看,ADSL可能像电话拨号上网一样是种过渡技术。随着光纤铺设技术的进步,铺设光纤的成本和复杂度大大降低,把电话线换成光纤,实现光纤入户已经不再是梦想。一些发达国家,比如日本,FTTH的普及率已经相当高。截至2007年9月底,其FTTH用户已达1050万。同时,日本国内ADSL用户逐渐萎缩,到2008年上半年,FTTH用户可能超过ADSL用户。日本政府还计划在2010年实现100%的光纤覆盖率。在国内,无论是中国电信还是中国网通都已开始了FTTH的试验,一部分幸运的用户已经享受到了FTTH带来的高速上网体验。FTTH取代ADSL只是个时间的问题。
      FTTH不仅仅是用来传输IP数据,FTTH的另一个目标是实现三网合一:电话网、有线电视网、数据网三网合一。由于光纤的带宽极高,容纳三网的带宽没有任何问题,这可以省去分别铺设电话线、有线电视线、数据线的麻烦。
      FTTH有多种实现方式,目前最流行的是EPON。PON(Passive Optical Network)是无源光纤网络的英文缩写,是一种光纤组网技术。前面介绍了各种光纤以太网,不过这些光纤以太网一般用于LAN的主干,很少直接连接桌面用户。“纯粹”的光纤LAN应该是这样的:只使用光纤作为连接媒体,并且直接连接桌面用户。要做到这一点,必须引入合适的光纤分路设备。当然可以通过带光口的HUB或者交换机来分配光纤,不过这么做,实际上经历了一个光-电-光的转换过程,算不上纯粹的光纤LAN了。纯粹的光纤LAN希望信号到达桌面用户前,完全以光的形式传输,中间不需要转化为电信号。全光纤LAN发展比较缓慢主要原因是早期光纤比较贵,没有什么人想到要发展光分路设备。在光分路设备出现之前,组建全光纤LAN的唯一选择是采用环网的方式组网,FDDI就是一个光纤LAN的例子。现在铺设光纤的成本便宜多了,组建全光纤LAN经济上不是什么大的问题,光分路技术开始迅速发展。其实要实现光分路非常简单,利用简单的光学原理就可以实现。请看下图:

将光纤连接到一个硅柱上,当某条光纤上有光信号时,它的光会照亮硅柱,于是其它光纤都可以收到它的信号。这样可以很方便地组建一个以硅柱为中心的星型广播网络,类似10Base-T以太网。这个硅柱还有一个特点,它不需要电能,或者说是无源的(不用电源的意思),它只是将输入光的能量重新分配一次。相应地,需要通过光-电-光转换实现光分路的设备称为有源光分路器。当然,这种光分路器效果并不怎么好,它有两个问题:一衰减太大,二是无法保证将输入光线均匀地分配到各个光纤中。
      目前有两种类型的实用光分路器:一种是传统光无源器件厂家利用传统的拉锥耦合器工艺生产的熔融拉锥式光纤分路器(Fused Fiber Splitter),一种是基于光学集成技术生产的平面光波导分路器(PLC Splitter)。它们实现光分路的原理是这样的:在单模光纤传导光信号的时候,光的能量并不完全是集中在纤芯中传播,有少量是通过靠近纤芯的包层中传播的,如果两根光纤的纤芯足够靠近的话,在一根光纤中传输的光的就可以进入另外一根光纤,光信号在两根光纤中得到重新的分配。熔融拉锥技术是将两根或多根光纤捆在一起,然后在拉锥机上熔融拉伸,并实时监控分光比的变化,分光比达到要求后结束熔融拉伸,其中一端保留一根光纤(其余剪掉)作为输入端,另一端则作多路输出端。平面光波导分路器是用半导体工艺制作光波导分支器件,分路的功能在芯片上完成,然后,在芯片两端分别耦合封装输入端和输出端多通道光纤阵列。熔融拉锥式光纤分路器价格低廉,但是各项性能远不能和平面光波导分路器,适合在要求不高的场合使用;平面光波导分路器价格高,性能好,适合用在要求高的场合。
      EPON(Ethernet Passive Optical Network)是PON技术的一种,是物理层的PON技术和数据链路层的Ethernet技术的结合。EPON使用以太网的帧格式封装数据,可以理解为在PON网络上运行以太网协议。EPON由2000年11月成立的EFM(Ethernet in the First Mile)工作组提出,并在IEEE 802.3ah标准中进行规范。EPON可提供上下行对称1.25Gbps线路传输速率,下行线路速率为10Gbps的系统也正在积极研究中。为了支持三网合一,EPON使用了波分复用(WDM)技术。下行的数据/语音信号使用1490nm波长,上行的数据/语音信号使用1310nm的波长。下行有线电视信号使用1550mn的波长,很明显,有线电视信号只需要下行的通道,不需要上行的通道。
      FTTH可以彻底解决“最后一公里”的带宽瓶颈问题。目前的ADSL虽然能满足大部分应用对带宽的需要,但对于高质量多媒体信息传输还难以应付,而FTTH完全可以胜任。即使对于普通应用,FTTH也能大幅提高数据传输率,带来更好的上网体验。目前仍有些问题阻碍FTTH的推广:一是成本问题,虽然FTTH的成本比当初低了很多,仍然比ADSL高得多,对于我国这样一个发展中国家,普通用户还难以接受;二是城域网带宽的问题。FTTH最终要通过城域网接入Internet,不大规模提高城域网带宽,FTTH的高带宽特性也就无法充分发挥出来。

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