FTTx產業交流會--FTTx Alliance Taiwan

近年來隨著網路的上各式各樣的應用發展，網路的頻寬似乎永遠無法滿足消費者的胃口，從Modem、ISDN到現在的ADSL以及Cable Modem，用戶端(First Mile/Last Mile)的設備頻寬無疑是目前寬頻網路發展的瓶頸，除了速度無法提昇之外，寬頻服務的價格也一直是使用者很重的負擔。從ISP的角度來看，為了提供用戶端各式各樣的接取技術，不僅需要許多不同的系統設備，各個不同系統之間的維護也是一項不小的開銷，如果將大家所熟悉的Ethernet(乙太網路)，從固網路業者的機房直接的拉到家中，那Ethernet的訊務就可以直接接到用戶端的電腦，省去了多餘的接取設備，頻寬也可以從10Mbps開始起跳。EFM(Ethernet First Mile)就是因應這樣的需求而發展的一種技術。

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineer, INC) 的802.3ah以及EFMA(Ethernet First Mile Alliance) 是目前推展EFM技術規格發展的兩大主要組織，其中IEEE制定相關的技術，而EFMA則負責相關技術的推廣。在這一篇文章中將會分別介紹EFM的長處、技術與發展現況。

EFM技術

以系統架構來區分，EFM主要分為三種技術，分別為使用雙絞銅線的EFMC(Ethernet First Mile Copper)、由局端(CO)至各用戶端(CPE)分別使用獨立點對點光纖的EFMF P2P (Ethernet First Mile Fiber Point-to-Point)架構及CO端至各CPE端使用點對多點式光纖架構，以被動式光纖網路技術EPON(Ethernet Passive Optical Network)為主的EFMF P2MP(Ethernet First Mile Fiber Point to Multi-Point) 等三種主要的系統。在文章後面的各章節中，我們將會分別描述這三種EFM的架構與它們所使用的相關技術。

EFM Copper

圖2是台灣寬頻上網的成長現況，由圖中可以看出ADSL 是目前最受歡迎的寬頻接取技術。在IEEE 802.3ah中所定義的EFMC，就是將Ethernet的訊務透過現有的雙絞線(CAT 3)來傳輸。目前台灣的電話線路普及率已超過百分之百，幾乎每個家庭都有，甚至於兩支以上的電話，而這也是在第一哩(First Mile or Last Mile)的網路中分佈最廣的傳輸介質。所以運用DSL技術，我們將可以在現存的電話網路上提供用戶Ethernet的服務。對於目前同樣在第一哩中普及率也高的有線電視網路(Cable TV)而言，雖然Cable Modem的技術發展也有一段時間，然而因為Cable Modem無法提供固定的頻寬給所有的使用者，所有的用戶必需共享上下行的頻寬，且在Cable上的某一部分頻寬還要用來傳輸有線電視的訊號，上行(Upstream)頻寬更是遠小於下行(Downstream)頻寬，這也是為何EFMC要運用EoDSL的技術而非Cable Modem技數來傳送Ethernet訊務的原因。

目前在DSL上傳輸Ethernet的訊務還需要透過ATM(Asynchronous Transport Mode)的協定來傳送，但是這樣使用ATM固定一個封包(Cell) 為53個位元來傳送Ethernet不固定長度的封包，是一種比較沒效率的頻寬利用。若將ATM這一層協定拿掉，則Ethernet的訊務可以直接透過DSL的技術，將用戶端的資料送到ISP業者，將大幅提昇頻寬的利用率。EFMC最大的優點就是利用現有的電話雙絞線來傳送Ethernet的訊務，和另外兩項EFM技術比較起來，省去了佈放光纖的麻煩，但缺點是受限於目前DSL的技術與銅線的頻寬限制，因此速度與傳輸距離目前仍比不上另外兩項技術。

圖3是EFMC及EFMF的用戶數比較，可以看到EFMC的用戶數目前還是佔大宗，然而EFMF的成者率則是一年比一年高。目前有許多如ADSL、HDSL、SDSL、HSDSL及VDSL等的xDSL技術，而在IEEE 802.3ah的標準中則是選擇運用VDSL技術來傳送Ethernet的訊務。然而目前的問題是在VDSL的調變方式有兩大支持陣營，分別對使用QAM或DMA的技術在爭辯中。依照目前的趨勢發展，QAM 勝出的機率將較DMA來得大。雖然VDSL的傳輸速率較高，但它的傳輸距離卻比起其它xDSL技術來得短，因此IEEE 802.3ah的標準中可能會依照傳輸的距離，分別運用VDSL以及其他的xDSL(ADSL+ 或是SHDSL)技術來傳輸。

表1列出EFMC的不同傳輸等級，依照不同的傳輸距離來決定上下行的資料傳輸率。圖4以及圖5分別為不同xDSL的頻寬分佈以及xDSL的傳輸距離關係圖。由圖中可以看出VDSL是所有xDSL技術中傳輸速度最快的，但是傳輸距離也最短，因此當xDSL要延伸它的距離時，光纖就可以在此時發揮它的優點。

圖6是xDSL在都會大樓或是公寓大廈中的運用拓蹼圖，在大樓中可以簡單的運用已存在的電話雙絞線來架設VDSL的網路，這就是xDSL技術低建置成本最大的優勢。

EFM Fiber Point-to-point

光纖點對點的EFM架構可視為將原有的銅線置換成光纖，由CO到每個CPE端分別以獨立的光纖連結，獨立的線路可簡化用戶迴路的複雜度，並確保每一個用戶的頻寬不會受到其它用戶的干擾。EFM訂定了兩類，分別為100 Mbps及1000 Mbps流量的EFMF點對點光纖迴路標準，而其中又個別具有兩種光傳輸層的網路設計，分別是Duplex雙光纖及Simplex單光纖迴路設計。其中雙光纖迴路設計即每個CO端與CPE端間使用兩路光纖連接，一路為下行(Downstream)，信號由CO端至CPE端；另一路為上行(Upstream)，信號由CPE端至CO端。在100 Mbps的位元速率下的標準為100BASE-LX，1000 Mbps則為1000BASE-LX，這部份的標準參考了IEEE 802.3z的技術，但光信號在單模光纖中的最長傳送距離為10公里，比802.3z規範的5公里長上一倍。

而Simplex單光纖回路又稱為Bidirectional，簡稱BIDI，則是只使用一條光纖連接個別的CO與CPE端，並利用WDM分波多工的方式，以不同波長的光訊號分別載送上下行的信號，其標準在100 Mbps與1000 Mbps的位元率下分別有100BASE-BX及1000BASE-BX兩種。這種利用WDM方式傳送的單光纖迴路相較於同樣為點對點的Duplex雙光纖迴路可減低一半的光纖使用量，而由於利用WDM方式區分上下行信號，對於考量降低CPE用戶端成本，上行信號方面則選擇使用1260至1360 nm波段的雷射發射機，CO端的下行則是使用1480至1580 nm波段來傳送，有別於上下行皆使用1310 nm波段傳送的雙光纖迴路系統。無論是那一類型的100 Mbps或1000 Mbps點對點光纖用戶迴路，規範最長的傳送距離皆為10公里。

圖7是這兩種點對點EFMF的架構圖，BIDI架構上由於使用WDM傳輸技術，因此在光收發模組上必需特別加上分光及耦光的元件，架構會比雙光纖的收發模組來得複雜些。表2及表3分別是對於這兩類EFMF點對點光纖迴路中的光發射機及光接收機特性的規範。

對於過渡性產品，可採取使用Media Converter (MC)方式將原有電的Ethernet訊號轉換成光的訊號進行傳送。這個設計的好處是對於既有已安裝電的Ethernet設備只需加上MC，即可以轉換為光信號進行長距離的傳送。尤其對於目前普及的100 Mbps Ethernet 網路而言，不必為了能使用光纖傳送而必須更換支援光纖傳輸的網路卡及交換器等設備，接取端的用戶可減低昇級的成本，且100 Mbps的速率也可滿足接取網的需求。MC是一個單純的光電轉換器，只是將電的訊號直接轉成光調變，或將光轉回電調變，並不對信號資料及封包做加工，因此成本低廉，是EFM Fiber P2P過渡期間網路的解決方案。

EFM Fiber Point to multi-point (EPON)

EPON是一種點對多點的網路架構，包含一個CO端的設備OLT（Optical Line Terminal）與至多16個CPE用戶端的設備ONU（Optical Network Unit），由OLT接出的光纖經過一個被動元件Splitter分為多條光纖連接到ONU，在光纖中，上行（ONU到OLT）與下行（OLT到ONU）的訊號分別跑在不同的波長以避免互相干擾，因此在OLT與ONU設備中，有WDM元件來作多工與解多工的動作。

(a) Single splitter topology

(b) Tree-and-branch topology

EPON網路在下傳資料時是採用廣播的方式傳送，如圖11 (a)，OLT傳送的封包經過Splitter後，會使所有的ONU收到相同的封包，每個ONU再將不屬於自己的封包剔除。而在上傳資料時，如圖11 (b)，為了避免封包的碰撞，因此採用TDM的方式傳送，由OLT分配每一個ONU能夠傳送資料的時段，每一個ONU只能在分配到的時段中傳送資料，由於EPON沒有封包分割與重組的機制，因此當傳送資料的時段中，所剩的時間不足以傳送下一個封包時，只能等到下一個時段再傳送。

EPON網路是以LLID（Logical Link ID）與在OLT的多個MAC作到點對點模擬（Point to Point Emulation）的網路，如圖12 (a)所示，每一個ONU在OLT中都有一個對應的MAC，同時每一個ONU都有自己的LLID，當OLT要傳送資料給ONU 1時，會透過ONU 1對應的MAC傳送，同時OLT的PtPE會在封包中插入ONU 1的LLID，ONU的PtPE會檢查封包的LLID，只有與自己的相符時，才會往上傳送給MAC。當ONU要上傳資料給OLT時，如圖12 (b)所示，ONU的PtPE會在封包中插入ONU的LLID，OLT則會依照封包中的LLID將封包傳給ONU對應的MAC。

EPON網路以MPCP（Multi-Point Control Protocol）通訊協定來達到ONU的自動發現（Auto Discovery）與動態頻寬分配（Dynamic Bandwidth Allocation），MPCP的封包格式如圖13所示，其中的Timestamp用來計算RTT，LLID則如圖14所示，插在802.3封包的preamble部分，MPCP的opcode如表1所示，依照opcode的不同分為5種：

GATE

由OLT傳送給ONU，用來告訴ONU從什麼時候開始傳送資料，以及可以傳送多久的時間。

REPORT

由ONU傳送給OLT，依照802.1q用來告訴OLT它需要多大的頻寬，另外還有keep alive的作用。

REGISTER_REQ

REGISTER_ACK

ONU的自動發現的流程如圖15所示，首先OLT發出廣播的Discovery GATE訊息，其中帶著Discovery window，告訴新加入的ONU什麼時候可以註冊，新加入的ONU收到後，在進入Discovery window之後，為了避免多個新加入的ONU同時註冊導致碰撞，因此要等一段Random delay之後，再發出REGISTER_REQ訊息跟OLT註冊，OLT收到後，會發出REGISTER訊息，其中帶著分配給該ONU的LLID，接著OLT再發出標準的GATE訊息，然後ONU回REGISTER_ACT給OLT，至此完成ONU的自動發現。

圖16中，不同ONU到OLT的距離可能不同，因此封包傳送的時間也會不一樣，如此在OLT分配各ONU的傳送時間時，可能會造成ONU上傳封包的碰撞，避免此問題的方法稱為Ranging，OLT必須知道各個ONU封包傳送的RTT（Round-Trip-Time），如此一來，在OLT分配各ONU的傳送時間時，透過RTT的修正，可以使不同的ONU到OLT的距離視同等距離。

RTT的計算方法請參考圖17，每當OLT傳送GATE訊息給特定ONU後，當收到該ONU回應的REPORT訊息後，就能計算出該ONU的RTT。OLT在傳送GATE訊息給ONU時，會將OLT的時間T1放入GATE訊息的Timestamp欄位中，當ONU收到該GATE訊息時，便將其時間設為T1，當要傳送REPORT訊息給OLT時，會將當時的時間T2放入REPORT訊息的Timestamp欄位中，假設OLT收到該REPORT訊息的時間為T3，則RTT為：

由於每一個MPCP封包都有Timestamp欄位，因此OLT可以隨時修正每一個ONU的RTT。

MPCP透過GATE跟REPORT訊息以Gating機制來達成動態分配頻寬的目的，圖18中OLT發出的GATE訊息會告訴ONU可以從什麼時候開始（Start）傳送訊息，以及可以傳送多久的時間（Length），ONU收到該訊息後，會等到Start再開始傳送資料，直到Start + Length，此外，ONU也可以考慮其內部queue的狀態以REPORT訊息向OLT提出頻寬的需求，OLT可以依照各個ONU提出的需求以及傳送資料時間的使用率來動態分配各個ONU的頻寬，另外，REPORT訊息也有keep alive的作用，當某個ONU很久沒有發出REPORT訊息時，OLT便可以將其視為已經移出網路。

EPON的標準目前由IEEE 802.3ah工作小組制定中，最新的草案為3.1版（2004年2月），預計於2004年7月完成，IEEE 802.3ah定義的EPON頻寬為1 Gbps，光纖的最大傳送距離為20公里，splitter最大為1:16。

Conclusion

由於Ethernet提供了用戶端與固網業者很大的方便性，加上Ethernet又是目前最普及的網路接取技術，可以想見的未來EFM是寬頻接取技術中不可或缺的一部分。目前由於EFMC中的系統的主要的晶片組接掌握在國外大廠的手中，而EFMF以及EPON的系統價格又取決於光的收發元件中，筆者認為台灣的光電業者可以切入運用於EFM中的光學元件，而EFMC則需要與國外的晶片組大廠進行合作，來取得EFMC的商機。

Reference

作者簡介

畢業於中山大學光電工程研究所博士班，目前任職於電通所光通訊網路技術部系統工程師。專長為光通訊網路系統及光網路監控技術。

畢業於國立中正大學電機所，現任於工研院電通所光通訊網路技術部工程師。專長於數位IC設計、高速電路設計及光通訊網路。

畢業於國立中央大學機械工程研究所控制組，現任職於工研院電通究所光通訊網路技術部系統工程師。專長為視窗程式設計、手術定位系統、自動光學檢測、嵌入式系統設計與網路傳輸系統。

Introduction