宽带接入技术和接入网的发展演进

韩国舞族

    中国电股份有限企业北京研究院 韩印虎

    宽带是固网运营商战略转型的关键，宽带接入网需要适应业务转型的需求，通过网络和技术转型为业务转型提供基础和先导。体现在业务层面要求宽带接入网络具有提供高的网络带宽，能同时承载语音、视频、数据、互联网等业务，并能根据客户和应用需求，提供差异化服务的能力。本文将从宽带接入网的网络结构、业务支撑能力、宽带接入设备和技术发展趋势等方面讨论宽带接入网在网络和技术方面的转型问题。

    一、宽带接入技术将呈现多技术融合发展的局面

    宽带接入技术总体上将朝着高带宽方向发展。与此同时，用户需求的多样化决定了宽带接入将长期呈现多种接入技术的融合与协调发展的局面。

    1.未来几年内ADSL2+/VDSL2技术仍是主流的宽带接入技术

    ADSL2+技术经过几年的发展，已发展成熟并逐步取代传统ADSL技术，成为目前主流的宽带接入技术。ADSL2+在2km范围内可提供10M以上的下行带宽，目前可以满足多数宽带业务的需要。

    伴随ADSL2+技术日趋成熟的同时，支撑高速接入的DMTVDSL技术有了新的进展，VDSL2标准于2006年2月得到进一步完善，在芯片商、设备商和运营商的共同推动下，目前该技术已取得一定进展，预计年中会推出测试版本，但从ADSL2+设备的发展历程来看其规模商用乐观估计要到2007年。VDSL2将调制方式定为DMT，支撑高达100M的双向对称速率，并能与ADSL、ADSL2+和DMT调制的VDSL1兼容，将是DSL技术的发展方向。

    需要指出的是，在长距情况下（大于1.5km），由于高频衰减十分严重，VDSL2传输性能与ADSL2+相当，但由于VDSL2芯片需要处理比ADSL2+芯片高得多的频谱，其成本高于ADSL2+，在长距应用环境下VDSL2技术没有优势。总之，ADSL2+将用于长距接入，VDSL2主要用于短距高速接入，两种技术将互为补充，在未来几年内仍是主流的宽带接入技术。

    2.GEPON/GPON光纤接入技术将获得一定发展

    光纤接入适应网络融合和业务转型的大趋势，是宽带固定接入的发展方向，而GEPON和GPON无源技术又将是光纤接入的主要方式。GEPON技术相对较简单，技术和设备都较成熟，但目前对TDM业务的支撑能力还有限；GPON技术的多业务承载、OAM和保护等能力都强于GEPON，值得期待，但目前技术和设备都不成熟，设备成本也高。GEPON和GPON的抉择将很大程度上取决于设备价格、业务需求等多方因素。

    目前各运营商正组织有关GEPON、GPON的测试和业务试验。经过试验和试商用后GEPON/GPON光纤接入技术将以FTTN和FTTP方式取得一定发展，FTTN＋VDSL2/ADSL2+将是PON发展的一种重要形式。但从技术成熟度、综合成本、业务需求、光缆布放和维护等方面考虑，从DSL技术完全过渡到光纤接入还需要相当长一段时间。

    3.WLAN/WiMax将作为重要补充手段满足网络和业务融合需要

    WiMax和WLAN作为重要补充手段，将配合有限接入技术实现多元化宽带无缝接入网络。主要体现在：WLAN/WiMax用于热点覆盖；WLAN作为家庭联网的主要方式，提供灵活接入；WiMax提供游牧式移动接入服务；利用WiMax的广覆盖性解决光纤难以覆盖的郊区、农村接入问题。

    二、宽带接入设备朝高带宽、综合化方向发展

    按照多业务融合发展的要求，宽带接入设备将基于GE架构，在同一设备上支撑ADSL2+、VDSL2、GEPON/GPON、WiMax/WLAN等多种接入技术，支撑H.248/SIP等功能。这种代表未来发展方向的综合宽带接入设备对于运营商而言，将极大地方便运营商的业务开展和网络建设与演进，与此同时，设备商也可以通过一套设备去应对运营商的各种业务需求，从某种程度上降低研发成本、规避投资风险。

    为了满足用户的高带宽、多样化业务需求，发展演进的宽带接入网网络结构更加清晰简化。本部分将从宽带业务发展需求、宽带接入网与电信城域网的关系和宽带接入网目标网络结构三方面对宽带接入网网络结构加以详细论述。

    1.宽带业务发展需求

    业务转型和宽带业务的不断发展对电信网络提出了许多新需求，要求网络能适应业务的持续快速发展，提供几M至几十M的网络带宽；能适应用户对业务的综合化需求同时承载VoIP语音、视频、组播、专线、数据等业务；能够区分、感知用户和业务，并提供不同QoS等级；能实现对用户和业务的集中提供和控制。

    2.宽带接入网与城域网

    宽带接入网是城域网的重要组成部分，主要负责用户接入和用户数据的二层汇聚。

    (1)城域网发展目标

    城域网发展演进的总体目标是以业务为导向，充分满足业务转型需求和业务发展需要，具有很强的适应性和可扩展性。具体体现在以下几个方面，在网络层次方面，网络层次更加清晰化，分为物理和逻辑层次清晰的三层路由骨干城域网络和二层宽带接入网络；在网络结构方面，网络结构扁平化，形成大容量、少节点、广覆盖、级联级数少的网络结构；在服务质量保证方面，具有服务区分和感知能力，为不同用户和业务提供相应的QoS保证；在用户和业务控制方面，城域网将形成清晰的业务控制层，实现用户和业务的集中控制和管理；在设备方面，设备将能适应城域网业务和网络发展，满足相应的功能、性能、管理维护诸方面的要求。

    (2)宽带接入网在城域网中的位置

    如图1所示，为了充分满足新业务发展需要，发展演进后的城域网将由骨干城域网和宽带接入网两部分组成。其中，骨干城域网是三层路由网络，由业务控制设备和路由器组成，网络层次上分为业务控制和核心两层。业务控制层由BRAS（宽带接入服务器）和SR（业务路由器）构成，完成用户业务的集中提供和控制；业务控制层以下、用户终端以上的纯二层网络为宽带接入网，由汇聚设备和用户接入设备组成。



图1 城域网目标结构示意图

    3.宽带接入网目标网络结构

    发展演进的宽带接入网目标网络结构更加清晰、合理，分为二层汇聚网络和用户接入网络两个层次。用户接入网络主要包括LAN接入网、xDSL接入网、PON、SDH/MSTP/裸光纤等专线接入网。其中，LAN接入网由园区交换机、楼道交换机组成，xDSL接入网由ATM上行和以太上行两类DSLAM设备组成。

    二层汇聚网络主要包括汇聚用户接入网业务的ATM交换网、以太交换网、MSTP网络等。其中，ATM交换网主要用于实现ATM上行DSLAM设备的汇聚，由于ATM上行DSLAM设备应用的减少，ATM交换网的规模将逐渐缩小。以太交换网主要用于以太上行DSLAM设备、LAN接入网园区交换机、PON接入设备和部分大客户业务的接入和汇聚。以太网交换网可由多级汇接交换机组成，当用户接入网业务流量大或上联端口为GE，以太交换网交换机级数将简化成一级，以保证高的网络带宽和业务性能。MSTP网络主要用于大客户业务接入和汇聚以及少量缺乏光纤资源、带宽需求较低区域DSLAM设备、LAN接入网园区交换机的业务透传或汇聚。

    为确保用户享有足够的带宽，保证各种业务的服务质量，宽带接入网网络结构层次将逐渐简化，从业务接入控制点到用户终端之间的设备层次，不包括业务接入控制点和用户终端在内，理想情况下不超过三级。随着高带宽、多类增值业务的发展，宽带接入网的网络层次还将进一步简化。

    三、宽带接入网络业务支撑能力

    1.业务类型与接入方式

    通过骨干城域网中业务接入控制点不同功能模块和宽带接入网不同接入方式的组合，接入网可提供多种业务类型。其中，BRAS结合DSL、以太网、PON、MSTP/SDH/裸光纤多种接入方式，主要提供拨号接入互联网业务、专线接入互联网业务、拨号接入L2/L3MPLSVPN业务、专线接入L2/L3MPLS VPN业务和组播类业务；SR结合多种接入方式，主要提供组播和专线业务，包括组播业务、专线接入互联网业务、专线接入L2/L3 MPLS VPN业务等。

    对于诸如IPTV组播业务的提供，通常将SR作为组播业务控制点实现IPTV组播业务的集中提供和控制。当BRAS支撑DHCPServer、PIM、IGMP等功能且满足组播业务开展所要求的性能时，BRAS也可用于实现组播业务的控制。

    2.多业务差异化服务能力

    宽带接入网将主要通过高带宽轻载，并采用802.1P的QoS技术，提供多业务支撑能力，并针对不同业务类型提供差异化服务功能。

    (1)多业务承载

    宽带接入网对多业务的承载，目前主要有多逻辑通道和单逻辑通道两种解决方案，多逻辑通道方案需要为每种业务分配不同的逻辑通道；单逻辑通道方案是多种业务共有一个逻辑通道。

    多逻辑通道实现简单，目前技术也较成熟，不足之处在于业务扩展能力差，对于新出现的业务必须事先为其分配好逻辑通道，或者在业务出现时重新规划逻辑通道。多逻辑通道适合于业务发展初期阶段。

    单逻辑通道实现较为复杂，对设备功能要求高，要求从家庭网关设备开始就需要具有业务感知能力，并能提供不同的QoS等级服务，目前技术还不成熟，但其扩展性好，业务开展灵活，是业务承载的理想解决方案。

    (2)用户接入网多业务差异化服务能力

    xDSL接入设备主要从两方面确保差异化服务功能，一方面在DSLAM设备上限制DSL链路带宽来控制用户的上下行流量；另一方面，在上行方向，根据不同业务的VLANID，区别用户业务等级，打上相应的CoS标记，其中，VoIP业务优先级最高，IPTV业务优先级次之，互联网业务最低，并在设备出口实现相应的优先级调度。

    LAN接入交换机主要是通过园区交换机提供差异化服务功能，楼道交换机由于价格因素，一般不具有差异化服务能力，主要通过高带宽轻载实现与园区交换机之间的业务质量保证。园区交换机在上行方向对VoIP、IPTV等高等级业务打上相应的CoS标记，并配置严格优先级队列保证其优先转发，对互联网业务采取尽力而为转发。

    (3)二层汇聚网络多业务差异化服务能力

    以太交换网，识别园区交换机和DSLAM为数据包加上的CoS标记，将高等级业务映射进严格优先级队列，对低等级业务尽力而为转发。

    MSTP传输汇聚网，在上行方向根据VLANID区别用户业务等级，可通过两种方案提供差异化服务功能。其一，VoIP、IPTV等高等级业务和其它低等级业务在同一VC通道中传输，通过设置保证带宽（CIR设置）来保证VoIP、IPTV等业务的带宽需求，其它低等级业务共享竞争带宽；其二，为VoIP、IPTV等高优先级业务分配独立VC通道来满足QoS要求。采用保证带宽方式的方案一有利于提高网络资源利用率，在高等级业务不需要全部保证带宽时，剩余带宽可以被低等级业务使用，但此方案未能从物理上严格区分服务等级；分配独立VC通道的方案二可从物理上保证高等级业务的带宽，但高等级业务占有的VC通道即使未被占满，剩余的带宽也不能被低等级业务使用，存在网络资源浪费问题，因而需要对高等级业务所需带宽进行较为精确的估算。应结合用户业务需求和网络能力对两种方案进行灵活选择。

    (4)IPTV组播业务支撑能力

    城域网要承载IPTV业务，关键在于对组播功能的支撑，能保证业务所需的网络带宽和相应的QoS等级。为了减轻业务控制点和宽带接入网络的压力，作为城域网重要组成部分的宽带接入网，必须具备组播业务支撑能力，具有实现面向用户的组播复制功能，要求以太汇聚交换机、MSTP和用户接入设备支撑IGMPSnooping功能。

    为了实现用户的统一控制和集中管理，组播用户的接入认证和IGMP报文的终结由业务接入控制点实现，同时由于IPTV业务应用中，用户对频道切换时间比较敏感（小于1s），用户组播业务复制设备DSLAM和楼道交换机，作为面向用户组播数据复制点，须支撑IGMP快速离开机制（IGMPFASTLEAVE）和基于端口的组播组访问控制功能，以实现节目预览和频道快速切换等功能。

    3.用户标识和端口溯源性

    实现用户惟一标识和端口的可溯源性是宽带业务顺利开展的前提。对于ATM交换网汇聚的ATM上行DSLAM设备，可通过ATMPVC惟一标识用户，根据用户IP地址反查用户端口信息，实现用户端口的惟一标识和可溯源性。对于以太交换网汇聚的以太上行DSLAM设备和远区交换机，需要借助VLANID进行用户标识和定位，但VLANID受4k数量的限制，实际使用中难以做到为每个用户分配一个独立的VLAN ID。目前主要有两类方案解决以太上行接入设备的用户标识和端口溯源问题，一是借助设备物理端口；二是扩展VLAN ID，突破4k数量的限制。

    (1)利用物理端口实现用户标识和端口溯源

    当BRAS单端口接入用户超过4k个时，就不能依靠VLANID实现用户标识和定位。此时，可以借助设备物理端口来实现用户的惟一标识和定位。对于DSLAM设备在通过物理端口实现用户惟一标识和定位方面已较成熟，而LAN接入交换机由于目前不是主流接入方式，厂商和运营商很少考虑其用户惟一标识和定位问题，目前主要还是通过为用户分配不同的VLANID来解决。

    关于DSLAM通过物理端口实现用户惟一标识和定位主要有VBAS、PPPoE+和DHCPOption82三种方案。

    VBAS方案定义了一种协议，即VBAS协议，规定BRAS设备和IP-DSLAM设备之间交换宽带用户接入端口信息的方法，其核心思想是在认证工作流程中，增加一个BRAS与IP-DSLAM之间交互用户物理端口信息的过程。VBAS适用于各种认证方式。该方案的优点在于较易实现，只需对IP-DSLAM、BRAS和RadiusServer进行App升级，可以保护现网投资。

    PPPoE+是DSL论坛针对PPPoE认证方式，推荐的用于解决DSLAM用户惟一标识的方案，其核心思想是对PPPoE协议进行扩展，将PPPoE协议中被忽略的“TAGType”属性用于标识用户的物理端口信息。PPPoE＋解决方案同VBAS方案的基本思路一致，容易实现，只需对DSLAM、BRAS和RadiusServer进行App升级即可，可以很好地保护现网投资。

    DHCPOption82也是DSL论坛针对DHCP+Web认证方式，推荐的用于解决DSLAM设备用户惟一标识的方案，其核心思想是在DHCP连接建立阶段，DSLAM设备将用户物理端口信息插入DHCPDiscovery消息中，传给BRAS设备。DHCPOption82解决方案容易实现，只需对DSLAM、BRAS和Radius Server 进行App升级即可，可以很好地保护现网投资。

    (2)扩展VLANID的VLAN Stacking技术

    VLANStacking通过对VLAN进行扩展，支撑4096×4096个VLANID，可实现每个用户一个VLAN，并根据不同的VLAN进行业务控制和调度。其实现原理是，面向用户接入的DSLAM设备、用户接入交换机和MSTP设备将用户打上内层VLAN标签，划分到不同的VLAN；在与BRAS或SR相连的以太汇聚交换机上启用VLANStacking功能，将不同的DSLAM设备、用户接入交换机、MSTP设备打上外层VLAN标签；在业务接入控制层，由支撑VLAN Stacking功能的业务控制点设备打开内外层VLAN标签，实现用户标识和定位。

    (3)方案比较与选择

    利用物理端口方实现用户标识和定位，容易解决VLANID不足时的用户标识和定位问题，但由于不能做到每个用户一个VLANID，技术本身不能实现用户隔离，在实施QoS方面也存在局限性。QinQ技术本质上是通过为每个用户分配一个惟一的VLANID来标识和定位用户，可以将其内外层标签对比成ATM的VC和VP，是解决用户惟一标识和定位的理想方案。但由于现网接入设备的VLAN支撑能力有限，且汇聚交换机和业务控制点设备对QinQ技术的支撑较弱， VBAS 、PPPoE+、DHCP Option82等物理端口技术作为过渡方案将在一定时期内用于用户标识和定位。