網絡的最后一公里

【摘要】如何解決最后一公里的接入是所要面臨的最大問題。

【關鍵詞】接入；DWDM；無源光纖網絡；帶寬；以太網

今天，我們已經能非常成功地跨越一個國家傳輸數據——事實上，也是跨越世界。由于光纖制造和放大技術的進步，距離將不再是問題。同時，DWDM（密集波分多路復用）技術的不斷進步意味著橫貫大陸的（或橫貫海洋的）光纖將提供接近無窮的容量。然而實際的挑戰在于最后一公里——即從你的家或辦公室到公用網的距離。也即是通常所說的第五代光網絡。這個挑戰就是要尋求一些解決方案，能既經濟又足夠有力和靈活地將數據從城市中的某一個房間轉移到你的臥室或辦公室中。遺憾的是，現在沒有一項技術能完全達到這個目標。它們都缺少一些實質的因素。高速銅纜技術表面上能使用已經安裝好的銅纜線路設備進行較快的配置，但裝好的線路通常不適用于高速傳輸，每個用戶的最高性能甚至只有2Mbit/s左右。在銅纜不能使用的地方，供應商通常使用寬帶無線技術，它能達到非常高的數據比特率，但往往以距離為代價，并受天氣狀況的影響。

1.網絡運營商正面臨的挑戰

本地網絡所面臨的動態變化與城域網或長途網絡所面臨的變化不大相同。在網絡的核心處，容量占主導地位，但在網絡的外圍，基礎網絡的建設費用，設備、材料的價格占主導地位。試想一下如果設備能夠省下鋪設一條新光纜的費用（這個工程很容易達到上億元），那么設備的費用就真正地可以忽落了。那么所有的問題都集中在增加每根光纖的容量。然而城市或地區網絡的情況又不盡相同，由于網絡運營商要將網絡擴展到家庭附近，必然就出現很多的設備為并不多的用戶服務，此時設備的單元費用也就變的極其重要。在不同網絡之間不僅設備費用發生變化，帶寬間隔、提供的設備接口和網絡覆蓋距離都發生變化，如圖所示：

不同網絡設備的要求

骨干網絡將一個地區的幾百萬用戶連接在一起以處理非常大組塊的容量。就運營商預測的各種業務級別而言，他們一般期望最小運行容量在160到320個波長之間。但是由于業務達到了網絡的邊緣，這些需求開始急劇下降。因為用戶較少，城域核心網只運行在32個波長到64個波長之間，而在城域接入網運營商只期望16個波長。

類似地，這些網絡的接口容量和提供服務類型方面也很不一樣。長途網處理非常大的業務流量，其范圍從10Gbit/s到40Gbit/s。這種情況非常適用于起始波長為2.5Gbit/s的DWDM。但是由于業務達到了網絡的邊緣，這些需求開始急劇下降。因為用戶較少，城域核心網支持的業務容量降到2.5到10Gbit/s之間，城域接入網容量則降到2.5 Gbit/s以下。

對于單個家庭的用戶并不能從波長的容量中得到好處。例如，一個五口之家，在繁重的情況下使用網絡，即使是使用網絡的很多狀態，你發現兩人在收看高品質視頻電視所需帶寬是20 Mbit/s（目前沒有使用數字電視信號的地方還無法實現），一人在瀏覽網頁所需帶寬是5 Mbit/s，兩人在玩游戲所需帶寬是4 Mbit/s，加上后臺文件傳輸的20 Mbit/s，一個家庭的使用帶寬也不會達到50 Mbit/s。相對而言，今天一個波長名義上可以傳送2.5 Gbit/s的容量，是用戶所需容量的幾十倍。

在本地接入中，接口和服務的類型也大不相同。對于典型的數據需求，用戶必須能接入一個以太網的網絡；對于語音需求，用戶必須能接入一個T1或T3的網絡。在特殊情況下，為了能接入一個存儲區域網絡（SAN）或實現高速主機的連通性，他們可能需要處理光纖信道業務。那么，所面臨的挑戰就是提供相應的設備以適用所有不同的業務需求。到那時，在長途網或城域網上傳輸的業務只不過是比特的一個序列而已。

長途傳輸所要求的大距離使得這些系統所能達到范圍變得非常關鍵。長途傳輸在使用放大器前通常能達到80公里。城域網系統則大不相同。一個像上海這樣的大城市也只有幾百平方公里。放大器是需要的，但并不是緊要的。由于大部分的使用者居住在中心局周圍的幾公里內，接入網中的放大器是浪費金錢。

2.今天的最后一公里

今天的住宅接入網和企業接入網是明天網絡的關鍵。直到高速本地接入就位，用戶才能從新的娛樂和商業服務中產生業務需求，這種需求將繼續推動公用網的發展。企業接入網和住宅接入網面臨的挑戰各不相同。

讓我們從企業接入網開始講起。今天的商業建筑面臨的主要是接入問題。大多數建筑（75%）缺乏任何一種光纖接入。更甚者，那些有光纖接入的建筑一般也是從SONET骨干網上獲取服務。SONET非常適用于語音通信，但其嚴格的層次結構使它不適合處理性質不斷改變的企業數據業務。運營商不再浪費他們骨干網上的容量來承載比最小的STS-1幀還小的幀。

今天的商業通信可以用多種不同方式鋪設線路如圖所示。大型建筑或校園可以在其地下室安置一個SONET ATM，并將語音PBX路由器和ATM交換機連接到ADM的端口。具有更小配置的ADM可以放置在中心局，在那里它們與數字交叉互連器（DCS）相連。DCS將有一套端口連接到電話交換機上，從那里再連接到外界設備上，這條線路最終將作為一個數字連接而中止，就像T1線路中止于CUS/DUS或復用器一樣。同時，另一套DCS端口將從DCS連到路由器和ATM交換機，從那里再連接到外界設備上，這些設備又將與建筑中的網絡基礎設施相連。在那一點，另一個復用器或CSU/DSU將終止該連接。

商用的最后一公里

住宅網絡則大不相同。家庭通過銅纜線路連接到電話網絡上，這條線路將終止于一個ADM（增減多路復用）。對有線電視網絡的接入則是通過接到家庭中的同軸電纜。電視信號通過同軸設備傳送到另一端，在那里它們被分離出來并恢復相應的內容。

企業和家庭這兩個市場都在發展，RBOCs和CLECs主要通過數字線路（DSL）提供高速的數據接入。由于DSL有許多不同的類型，其最高速度很難預測，而且其性能取決于線路的狀況。異步DSL（ADSL）作為最廣泛配置的DSL技術，下行到用戶的速度理論上可以達到8.192Mbit/s，上行到網絡供應商的速度達到768Kbit/s。實際上，它通常達到的最高性能遠底于這個數字。這些數字比起光速可能少得可憐，但請記住，ADSL不需要新的線路，這才是關鍵。新設備將是另一個問題，一個ADSL調制解調器典型地是從計算機中接受以太網信號，并將其轉化為ATM信元或HDLC幀，并送入ADSL線路的上行信道。在運營商端，一個DSLAM或DSL接入復用器從線路上接收DSL信號，并將其送入數據或語音網絡中。DSLAM還接收輸入信號并通過較快的下行信道將其送到用戶家中。如下圖所示：

配置了DSL的家庭

通過新興的VDSL（較高數據速率數字用戶線路）規范可以實現更高的速率。理論上VDSL最大下行速率將達到52Mbit/s，在線路上以對稱的26Mbit/s速度達到300米的距離。

但是兩種DSL實現所存在的最大問題是使它們工作在它們的標稱速度上?，F實世界的線路條件（如橋式分接頭和延伸線）影響著DSL的速度。速率是自適用的，當與DSLAM之間的距離增加時，DSL的性能會下降。此外VDSL還產生了它自己分攤的問題，例如干擾問題。如果將VDSL線路散布在地面上，它就好比一根天線，會把發送或接收的能量轉化為業余無線電波段。防止這種干擾會進一步限制線路距離。另一個問題是客戶端房屋設備的設計。對系統管理性、可靠性、調整限制和移動性的關注使人們喜愛像ADSL和ISDN這樣的方案，其中該設備帶有供電裝置，并能像集線器一樣運行?？梢栽谶@種集線器中插入多個設備來得到對VDSL鏈路的接入，這非常像一個LAN。

然而對費用的考慮使人們偏愛便宜的、無源的網絡接口，這種方式通過類似局域網的方式將VDSL接口安裝于客戶設備和上行復用器中。在這里，費用是相當重要的，因為位于路邊的VDSL裝置只服務于少數用戶，而這些裝置（例如光纖鏈路、接口和設備機架）的費用由用戶分攤，因此，VDSL相對于ADSL而言費用要少得多，但ADSL的DSLAM可以安裝于CO（通信中心）中，并且可以服務更多用戶。

ADSL的理論上行線路和實際上行線路性能對比

ADSL的理論下行線路和實際下行線路性能對比

為了使用戶能夠節省費用，目前大部分運營商都采取這樣的措施，無需將光纖引入每個家庭，只是通過光纖代替部分同軸電纜并在每一端使用獨立的電纜引線就能解決這些問題。使用這些新設備可以每500個到2000個家庭設置一個光纖節點，并利用同軸電纜從節點分支到每個家庭。每個節點的功能就相當于以太網交換機，將每組家庭連接到以太網絡中。通過這樣的設置，每個光纖節點分配到一定的上行通路。設置了以太網址的電纜調制解調器被安裝到每個家庭中。調制解調器從一個端點取得以太網數據，將這些信號調制到載波頻率上，然后送到電纜網絡，無論何種以太網絡，接入到網絡時都是需要調整的。數據通過上行線路達到頭端，在那里解調信號并接入網絡。當頭端向調制解調器輸送數據時，其過程是類似的。

追求效率的今天，電纜調制解調器技術面臨著挑戰。需要高速接入的商業通信，在用戶猛增的時候，每個用戶可用的帶寬將減少并極不穩定。

如果沒有現成的光纖基礎設施并且銅纜基礎設施不適用于DSL，那該怎么辦﹖他們可以使用固定無線技術，擴頻、LMDS（本地多點分配系統）和MMDS（多點多通道分配系統）都提供了無線的、更優于調制解調器的速度。這些無線網絡和有線網絡一樣，其結構要么是兩個設備共享帶寬的點到點連接，要么是網絡中用戶共享帶寬的點到點連接。所不同的是其工作頻率、吞吐量和范圍。

和光網絡一樣，無線網絡工作在一定的波長范圍內。當然光網絡使用光纖的容量，無線網絡使用無線電頻譜的容量。這個頻譜被分割并再細分成以頻率定義的波段。一些波段無需執照，另一些波段則需要特殊的執照才能在其上工作。

擴頻網絡工作在大約2.5GHz的、無需執照的波段上。這類產品多數被使用相同頻率的、基于IEEE 802.11標準的無線LAN采用。盡管這些設備理論上可以達到11Mbit/s，但實際的性能要低得多，使用半徑達8公里的蜂窩技術最高可以達到6Mbit/s的速度，然后這個容量還要以每個用戶256Kbit/s的性能在用戶中共享。

MMDS由于使用在2.1GHz到2.7GHz間的、需要執照的頻帶，因而具有更好的性能。執照持有者可以獨占72MHz或36Mbit/s的理論帶寬，每個蜂窩的半徑達到45公里。但是系統容量必須在蜂窩的使用者中共享。早期設備聲稱其最高性能能達到下行5Mbit/s，上行256Kbit/s（盡管512Kbit/s~1Mbit/s是更典型的下行性能），并以一定的價格提供給普通用戶或商業用戶。

流行的MMDS實現要求視野內可見的線路；用戶家中的天線必須能“看到”中心站，這就限制了它在某些地區的使用。MMDS的改進使被稱為準視距線路的通信成為可能，允許其PEER AROUND。

只有使用能以高頻率運行的技術，才能達到光速。LMDS使用以27.5GHz和31.5GHz運行的、需要執照的技術。為用戶提供更大的空間。

3.明天的最后一公里

銅纜調制解調器和寬帶無線通過相近的術語DSL為寬帶數據提供了可行的臨時通道。由于業務需求增加，需要新的技術。甚至像VDSL一樣能利用現存的銅纜提供很高數據速率的技術，也必須找到一種解決方案，既能使設備接近用戶，又能足夠經濟地達到其最大性能。光設備廠商通過三條途徑來提供這新的最后一公里。一些廠商在接入網中使用城域核心網的WDM技術。專有的WDM方案將光纖擴展到用戶家中，然后在不同波長上承載不同業務。。更突出的是無源光纖網絡（PON），它通過消除主動的（或有源的）器件而達到更低費用。當然，PON要求安裝光纖設備?，F在只有少量用戶已經做到光纖到家庭。設備安裝對企業來說不成問題，因為據估計，75%的用戶集中在光纖末尾一公里內。自由空間光通信（FSO）則試圖以無線網絡提供類似于光網絡的技術，它通過大氣可以達到10Gbit/s的速度，但它的使用主要限制在點到點的連接上，受到嚴格的距離限制并對天氣狀況非常敏感。

在科學技術高速發展的今天，網絡最后一公里的接入顯得尤其重要。因為對于任何一種新生事物，我們關心的不是它表面的東西，而是它的實用性。通過以上對最后一公里接入的介紹我們不難看出，PON通過從基礎設施中消除有源設備而減少了費用。在未來很長一段時間內，降低支持PON網絡設備的費用將是我們共同的努力方向。就是說PON將是我們的最佳選擇?！?/p>

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文