过去三十年来，随着信息技术的飞速发展，终端用户对高质量、高速电信服务的需求日益增长。这种需求来自社会各界——从大大小小的企业到希望在家中使用网络的个人。通常，用户只需要宽带（即高速）互联网接入。“宽带”和“高速”这两个术语严格来说是指比拨号上网速度更快的任何接入方式。这些术语的确切含义取决于其使用语境。
许多政府认为，高质量、高速的电信服务对于其国家在21世纪的经济发展至关重要。这常被比作20世纪高速公路的发展。此外，经济合作与发展组织（OECD）目前会发布各国宽带普及率和终端用户使用情况的统计数据和排名。因此，宽带部署被视为衡量一个国家经济发展水平及其未来增长潜力的指标。这一切都表明，电信服务已成为现代社会日常生活中不可或缺的一部分。
如今，绝大多数宽带用户都是通过共享现有电话或电视网络的“最后一公里”电缆来接入网络。这导致上传速度介于 128 Kbps 到 1 Mbps 之间，下载速度约为 6 Mbps（实际上，标称下载速度更高，但由于多个用户共享带宽，实际速度可能更快）。现在的问题是，终端用户对带宽的需求已经开始超过第一代宽带的容量。目前已经有用户提出需要高达 100 Mbps 的带宽。.
如此巨大的容量（相对于当前水平而言）需要彻底的技术变革，而这种变革将成为未来发展的基础。虽然存在几种可以提供普遍高速接入的技术方案，但主要问题在于成本。在电话系统中，接入网的成本占总网络成本的70%之多。就日常维护而言，网络接入部分的运营和维护成本甚至可能超过总运营成本的70%。
任何新的网络接入方式都必须同时支持现有服务。显然，互联网是万维网和电子邮件的技术基础，现有服务（例如电话甚至有线电视）迅速迁移到互联网似乎势在必行。然而，这种情况尚未发生，距离完全过渡还需要很多年。
目前有几种潜在的架构方案可以在一定程度上满足需求。当然，它们各有优势，也都伴随着一定的成本。
理想的解决方案是通过专用光纤对将每个终端用户直接连接到交换中心（PBX）。这可以满足所有可预见的需求，因此尽管初始成本较高，但从长远来看也是一项不错的投资。
另一种解决方案是通过缩短用户与交换中心之间的距离，在现有铜质电话线上实现更高的速度。这就是所谓的FTTx解决方案（“光纤到x”——这里的“x”表示中间连接点可以位于不同的位置，只要它距离终端用户不超过500米即可）。为了实现这一点，必须在现有交换中心和终端用户之间的某个位置安装设备机房（机柜）。这些机柜可以位于街道上、合适的建筑物内或用户的房产内。虽然这种方案的成本远低于完全铺设光纤，但其速度仅能满足当前的互联网接入需求，而且日常维护成本可能相当高。
射频解决方案可以提供解决方案——事实上也确实如此。但问题在于可用带宽不足。对于少量用户来说，这种方案可行且非常经济，但并不适合在人口密集的城市中广泛应用。类似于移动电话网络的蜂窝架构或许是一个合适的解决方案。然而，要实现这一点，需要在终端用户附近部署大量基站。这些基站需要通过光纤连接，并且需要强大的电源和大型天线。实际上，由于各种原因，包括对辐射风险的政治担忧，实施这种方案会非常复杂。
在大多数情况下，最经济的解决方案是全球光纤方案。每个终端用户都通过光纤连接，这些光纤通过位于街道上的无源光分路器互连。在交换中心，一对光纤可以连接32个（或更多）用户。由于需要在每个终端用户位置安装新的光纤，该方案的安装成本较高，但远低于之前设想的“理想”方案。此外，其日常维护成本低，并且（如有需要）未来可以替换为“理想”架构。目前，该方案有多种变体，统称为PON（无源光网络）。目前最合适的PON是GPON（千兆PON）。毫无疑问，基于PON的方案是唯一能够以合理成本满足未来20年或更长时间内可预见需求的架构。然而，FTTx也能满足当前的需求，并且为未来向PON演进“敞开了大门”。
无论采用何种架构，接入网都必须使用光纤。真正的挑战在于如何设计一种既能满足当前用户需求，又能为未来发展（技术中立）铺平道路，且价格合理的网络。.
面向当前和未来的应用
所有提出的网络技术都必须关注任何类型潜在用户的需求。
住宅网络：
鉴于其庞大的用户规模，家庭网络连接或许是最普遍的应用。它涵盖了广泛的应用，包括报警控制（数据传输量极小）、电子邮件、互联网接入（万维网）、电话、传统有线电视、视频点播等等。其中许多应用正在经历自然增长。例如，如今的网站包含大量Flash动画以及音频和视频内容，因此更快的网络连接有助于浏览网页，并帮助人们节省工作和生活中的时间。
另一个经常被提及的带宽密集型应用是视频点播。过去，人们认为（并测试过）视频点播是通过服务提供商和用户之间的连接来控制视频（各种类型的电影）的传输。然而，值得注意的是，利用现有技术，可以建立一种替代架构，将整部电影（可能3到4GB）作为一个文件发送到用户机顶盒中的硬盘驱动器。这样，用户就可以像观看任何预录节目一样观看电影。这种架构无需用户与网络同步，简化了服务提供商的传输系统。要实现高清电视内容的流畅播放，至少需要 10 Mbps 的连接速度，而超过 100 Mbps 的速度则效率更高。我们
甚至可以设想，IPTV 将成为家庭电视广播的主要方式。目前，直播的电视节目并不多（实际上只有体育和新闻节目），大部分都是预先录制的。如果未来出现这种情况，观众可以查看当前可用的节目菜单，将其下载到机顶盒，然后从机顶盒播放。处理少量直播节目需要特定的机制，但一些人已经预测这将是电视的未来。
然而，推动家庭高速互联网连接需求的不仅仅是娱乐；企业也需要高速互联网连接，因为不断上涨的交通运输社会、环境和经济成本正促使越来越多的人每周至少部分时间在家办公。
企业（无论规模大小）的
特点是终端用户数量庞大、交易数据量相对较小，以及对响应时间要求极高。这就需要快速的网络接入。随着视频电话和视频会议等应用的日趋成熟，越来越多的应用开始使用图形技术，这一趋势仍在不断发展。许多企业面临的人口结构挑战是它们位于工业园区，由于成本高昂且需求有限，有线电视运营商不在这些区域部署网络，导致许多企业无法获得宽带接入，而宽带接入在私人家庭中却非常普及。
医院、大学和学校：
这些用户与大型企业的用户类似，只是近年来他们开始使用数据可视化应用程序。计算机断层扫描和“科学可视化”需要传输非常大的文件，而且必须在相对较短的时间内完成。
在医学领域，目前最热门的应用是那些允许专家进行远程诊断或会诊的应用程序，即使他们与患者相距数百甚至数千公里。即使是像X光片这样简单的图像也必须以高分辨率传输，因为正如这些专家所说，他们需要尽可能提高图像质量。远程会诊也是如此，医生解释说，视频必须足够清晰才能清楚地观察患者。看似微不足道的信息，例如患者的病史，在紧急情况下可能至关重要。当人们前往急诊室时，他们通常远离自己的家庭医生，因此能够获取他们的病史可能决定生死。因此，将医疗记录（例如X光片、CT扫描等）上传到网上以便紧急情况下随时随地获取，是非常有必要的。
此外，不久之后，可视化技术将会广泛应用于课堂教学，甚至我们在家中玩的游戏中。
移动基础设施
移动电话（和数据）网络通过短程无线电连接（通常小于一公里）将最终用户连接起来。这意味着覆盖区域内分布着大量基站。所有这些基站都必须连接到骨干数据和电话网络。过去，这是通过光纤、微波链路和铜缆实现的。随着移动网络的不断发展和扩展（尤其是在提供互联网接入方面），移动基站现在需要高速上行链路连接。当然，这些连接可以集成（或至少重新部署）到其他网络设备中。
当前需求
表 1 概述了现有应用的带宽需求。
现有电话网络。
早期的电话网络采用开放式电路连接，这种方法非常适合实现预期目标。然而，即使用户数量不多，也需要大片户外区域来架设电线杆。此外，据计算，为西方国家更多人口提供电话服务所需的铜量将超过所有已知铜矿的储量。
传统电话接入网络的架构（图 1）如下：
一对相对较细的导线（0.4-0.8毫米）为每个终端用户到交换中心建立了一条专用的连续路径，交换中心通常位于半径约4公里的范围内，有时通过更粗的电缆可达6公里。
进出交换中心的电缆包含大约600对铜线，有时甚至更多。
这些电缆通常埋在地下，并连接到位于街道上的“接线盒”。在接线盒处，每对导线都被隔离，并连接到另一对输出导线。
每对导线都承载着模拟电话信号和低压直流电，传输到接收电话。在大多数网络中，线路会提供更高的电压以使电话振铃。这通常允许用户在紧急情况下使用电话，即使主电源被切断。
对于独栋住宅，通常只需要一对导线即可建立连接。相反，在拥有多个住宅或单元的建筑物中，通常使用多对导线。
中心局和终端用户之间的网络完全是被动的。虽然电缆传输电力，但信号路径中没有任何有源元件。这是电话网络可靠性高的原因之一。——
交换中心通常是相当大的建筑物，有技术人员和维护人员全天候驻守。
利用现有电话线接入宽带（xDSL）
数字用户线路/环路（DSL）是用于描述一系列技术的通用服务名称，这些技术允许使用现有电话线传输宽带数据（每秒数兆比特）。在此上下文中，所使用的电话线是电话双绞线（TTP），由两根铜线组成，以点对点方式连接在电话交换机和最终用户之间。通常，最终用户是私人住宅或小型企业，但也可以是任何拥有模拟电话线的场所。在许多国家，ADSL 是宽带互联网接入的主要技术。
DSL协议有多种。提到xDSL时，“x”可以用来指代该通用协议族中的任何组件。最广泛使用的DSL是ADSL（非对称数字用户线路）。之所以称为非对称，是因为其传输速度会根据数据传输方向而变化。其配置如图2所示。最值得注意的是，连接用户和中心局的TTP（终端指针）是电话网络和宽带数据连接之间唯一共享的组件。
这是一个非常重要的特性。“扩展”电话电路（或“本地环路”）设计于20世纪，用于为模拟电话提供连接。这些电路的所有特性（最大长度、物理拓扑结构、电缆粗细、绝缘材料等）都是由当时的电话通信经济因素决定的。作为高速宽带数字信号的传输媒介，该系统远非理想。
每种协议都有其特定的特性。以下总结了其中一些特性：
非对称数字用户线路 (ADSL)
最初设计用于为家庭提供宽带互联网接入。该标准规定的最大数据传输速度为下载速度 6 Mbps 和上传速度 640 Kbps。然而，该标准允许设备制造商有一定的灵活性，以提供更高的速度。尽管如此，实际可达到的最大速度通常会受到距离或线路质量的影响。距离越远，最大数据传输速度越低。用户实际可用的速度也可能因服务套餐的不同而有所差异。例如，服务提供商可能会以不同的价格提供 1.5 Mbps、3 Mbps 和 6 Mbps 的服务。
ADSL-Lite：
ADSL 的一个问题是模拟电话和宽带数据共用同一条线路。在有多个电话插座的建筑物中，这意味着需要在电话线上安装一个（无源）分离器来分离语音和数据，这就需要铺设新的数据线缆。缺点是安装分离器和新线缆需要技术人员，从而导致相当可观的额外成本。ADSL
-Lite 协议旨在允许用户直接在自己的设备（例如电话和调制解调器）上安装简单的、提供的滤波器。在某些情况下，甚至不需要这些滤波器。这省去了技术人员的参与（从而降低了成本），但数据传输速度也显著降低。其最大速度为下载 1.5 Mbps 和上传 512 Kbps。
有线电视网络（HFC）
图 3 显示了传输有线电视所需的标准网络架构。这被称为 HFC 网络（混合光纤同轴电缆网络）：
- 光纤从中心机房延伸至位于街道上的配线箱。配线箱与中心机房之间通过一对单模光纤连接。-
射频 (RF) 信号以模拟信号的方式在光纤中传输。这减少了光纤节点所需的设备数量，但需要使用较为专业的（线性响应的）光收发器。-
在光纤节点，信号从光纤中回收、放大，并通过同轴电缆传输。-
在用户端，电缆被分接，部分信号通过一段专用的短同轴电缆传输至最终用户。-
光纤节点与中心机房之间的距离可达 50-70 公里，因此即使在大城市，也只需要一到两个中心机房。- 光纤
节点包含一些有源电子元件，这意味着它们会传输电力。因此，当怀疑出现问题时，技术人员必须检查节点以确定问题所在。
有线电视网络的一个与技术无关但却是其本质特征的方面是，其主要目标是提供娱乐，因此大多数用户只会投入有限的资金。在许多国家，这导致了低成本的安装和相应的低质量服务，通常表现为故障后漫长的修复时间。“毕竟，这只是娱乐而已。”
值得注意的是，目前的网络结构与稍后将讨论的VDSL或PON网络并没有太大区别。唯一的区别在于用户接入的“最后500米”。
通过HFC网络实现宽带连接：
用于连接用户到HFC网络的同轴电缆是一种非常合适的通信方式。它能够处理非常宽的信号带宽。目前，有线电视运营商通常通过现有电缆提供宽带（互联网）和传统电话服务。
宽带服务的实现是通过分配电缆中未使用的频段。提供接入服务的主要技术挑战在于这些电缆是“总线”。这意味着许多用户共享一个信道，并且必须为上行连接部署接入仲裁协议。虽然广告宣传的速度通常为30 Mbps，但这指的是整个用户组共享的总速度。为了简化和公平起见，用户的上传速度通常限制在128 Kbps。当然，每条电缆可以有多个共享信道，每个信道对应一组用户，因为如果信道过载，网络运营商可以相对容易地“将电缆的一部分切成两段”，从而提供两条光纤上传连接，而不是一条。该系统在用户数量较少时运行良好，但如果用户数量过多，服务质量可能会出现严重问题。
射频连接：
宽带互联网接入也可以利用无线电技术实现；事实上，许多地方已经采用了这种方式。无线电技术的问题在于可用的无线电频谱非常有限，因此大规模使用无线电会很快耗尽可用带宽。然而，我们可以构建蜂窝网络（类似于移动电话网络）。在短距离内以最小功率传输，可以重复使用相同的频率。这种架构需要类似于FTTx的架构，并且也需要使用光纤电缆连接大量基站，从而构建一个庞大的网络。尽管如此，在高楼林立的城市地区、山区等地，无线电传播仍然面临诸多挑战。在实际应用中，天线的部署往往十分困难。
当前网络环境：
历史上第一个广泛普及的通信网络是电话网络。即使在今天，它仍然可以被视为人类创造过的规模最大、最复杂的机器。相比之下，有线电视网络最初是由一些希望改善电视接收效果的小社区开发的，因此他们安装了共享天线。在美国，这些网络至今仍被称为 CATV（社区天线电视）。
计算机网络出现后，最早的用户是愿意为特殊定制服务付费的大公司。当时的普遍接入速度很慢，而且使用的是现有的电话线路。为了实现更高的速度（宽带），人们在大多数交换机房安装设备，从而构建了新的网络。接入是通过共享从交换机房到现有有线电视或电话服务的“最后一公里”电缆来实现的。
现在的主要问题是用户希望获得更快的速度，因此与现有服务共享接入已不再适用。然而，在用户位置安装新线缆（任何类型的线缆）的成本很高，更换所有现有线缆也十分复杂。外部工程（例如挖开街道）费用极其昂贵。基于无线电的技术或许可行，但可用带宽的限制似乎使其在城市地区难以广泛应用。.
从长远来看（20年），原则上唯一的选择是用光纤完全替换现有的铜缆。然而，也可以使用FTTc（光纤到机柜）等技术对现有设施进行升级。这一点至关重要，因为它能以远低于理想方案的成本满足当前需求，而且所有新布线都可以在未来升级到“最终”方案时重复使用。务必
记住，任何提出的解决方案都必须能够长期使用，并在需要时可以升级。此外，所提出的解决方案应逐步安装，并与其他服务（例如电源线）并行运行。
物理环境：
在考虑网络需求时，许多人只想到建在独立地块上的独栋住宅。但在大多数国家，这种类型的住宅更多的是例外而非普遍现象。
目前许多人居住在公寓楼或多户住宅中。
在美国和欧洲，城市郊区存在大片半乡村地区，房屋之间相隔数百甚至数千米。
从理论上讲，大型公寓楼的服务成本较低，因为费用可以分摊。然而，大型公寓楼通常位于铺设接入电缆成本极高的街道上。此外，在许多国家，服务提供商在用户家中安装设备会受到法律问题的制约。
小型企业与住宅物业具有类似的特点。
许多位于主要都市区以外的大型公司也需要网络服务。
法律、政治和商业环境：
在大多数国家，法律限制会影响网络特性。例如，在美国，各种法律界定并限制了有线电视公司和电话运营商的角色。在其他国家，政府制定了旨在促进服务提供商之间竞争的法律。这些规则和法律假定未来将继续使用现有技术，并在很大程度上决定了网络发展的可能选择。
超高速FTTx-DSL（VDSL）：
现有的ADSL网络运行良好，但许多用户认为速度需要显著提升。如前所述，ADSL链路的最大速度很大程度上取决于链路长度（这是铜缆环境的特性）。那么为什么不缩短链路长度呢？其思路是在现有电缆路径上的某个位置设置一个装有有源设备的机柜。上行链路的铜缆（多对）被光纤取代，而连接到用户的铜缆连接则保持不变。DSL设备就安装在机柜内。这种架构通常被称为FTTx，其中的“x”可以代表任何字母（例如机柜、路边、节点等）。VDSL
的传输距离相对较短，介于350米到1.5公里之间，下载速度最高可达52 Mbps，上传速度最高可达2.3 Mbps。目前领先的VDSL-2技术提供更高的速度和更远的传输距离，更重要的是，它与用户现有的ADSL设备兼容。
需要注意的是，上述速度和距离很大程度上取决于现有电缆的特性。在某些情况下，实际距离可能略大于所示数值，而在另一些情况下，实际距离可能要短得多。此外，务必记住，多对电缆中某一对线的传输特性可能与相邻线对的传输特性不同。
FTTx技术的主要优势在于，虽然它需要从中心机房到配线架铺设光纤，但却节省了在用户端安装新电缆的成本。
然而，它并非完美无缺，因为：
- 这需要在每个街角安装通电的设备柜。由于需要电话接入，这些设备柜必须配备高度可靠的电源。-
成本可能很高，因为服务全球50个最大城市中的任何一个都需要2000到5000个设备柜。然而，虽然这种基础设施并非面向未来，但如果在安装时就制定了未来向纯光纤基础设施迁移的合理计划，就可以最大限度地减少不必要的开支。-
街道上安装的运行设备意味着高昂的持续维护成本。-
在许多情况下，现有的铜缆可能足以承载预期的速度，但在其他情况下则不然。当大量用户使用VDSL时，系统能否正常运行令人担忧。目前，技术人员会为ADSL或VDSL选择最高质量的电缆对，而将质量较低的电缆对留给传统电话用户。如果所有人都使用xDSL，预计许多（或大部分）现有电缆将无法使用。
光纤到户 (FTTH) 或 PON 位置
如果您需要为一栋拥有约 100 套单元的大型公寓楼提供服务，何不直接将光纤铺设到楼内并安装 VDSL 节点呢？这样可以避免在楼内重新布线，从而节省大量成本。当然，楼宇业主必须配合，并预留一个安全的房间用于设备安装。
这种方案通常被称为 FTTH 或 FTTB，与 FTTC 方案基本相同，只是接入点的位置不同。然而，由于最终连接到用户的链路很短，并且通常由独立的线缆组成，因此网络质量非常出色，服务也十分优质。对于独栋住宅来说，这种方案的成本可能过高，但对于服务大量公寓楼而言，则极具吸引力。
如前所述，从大多数角度来看，从每个用户到中心局的点对点光纤连接都是理想的技术方案，但成本是个问题。这样的方案可以为每个用户提供每秒数千兆比特的数据容量，足以满足任何可预见的需求。而无源光网络 (PON) 则提供了一种容量绰绰有余且价格更低的解决方案。PON
的
基本原理是构建一种光网络基础设施，利用无源光分路器将多个用户连接到中心局的单根光纤上。
上图 4 展示了基本的 PON 配置。分路器将信号分成几路，分别发送给每个用户。但需要注意的是，光信号并非电信号。分路器与稳压器截然不同。不过，由于它们都会显著降低光信号强度（双向），因此可以认为它们具有相似之处。如果上述配置采用电子方式而非光纤方式，则可以支持数百甚至数千个用户。由于采用的是光纤方式，目前的用户数上限
为 32 个，尽管在某些情况下可以达到 64 个（GPON）。
这种建筑风格最重要的特点如下：
由于无需外部机柜，网络配置和操作更加简便。分路器的安装方式与目前配线架的安装方式类似。
无需对光网络单元/终端 (ONU/ONT) 进行改造即可升级网络接入能力，以满足未来宽带和多媒体服务的发展需求。
由于该系统现场没有有源电子元件，因此维护非常简便。光纤安装完毕后，除非受到外部因素影响，否则系统将持续运行。
根据具体的PON系统，最终用户与光线路终端 (OLT) 之间的距离可达20公里。目前，一个大城市可能需要多达500个交换机。而采用PON系统后，所需的交换机数量将大幅减少，仅为12到20个。这意味着运营成本将显著降低。
PON 运行协议：
所有当前的 PON 系统都以某种形式利用共享光纤。从交换中心的角度来看，许多终端用户连接到同一根光纤。这带来了显著的成本优势，因为中心局所需的线路终端数量大大减少。然而，这种情况要求对链路的使用和管理进行严格规范。虽然可以使用多种波长的光（波分复用）来“分流”光纤，但采用电子方式实现成本要低得多。例如，由于所有用户都通过同一信道传输上行数据，因此需要一个控制协议来确保一次只有一个用户传输数据。此外，还需要一个故障排除和设备维护协议。
实用网络：总结与结论。
2007年6月，西欧和美国50%的家庭接入了宽带互联网。在美国，大多数用户通过连接到有线电视网络的有线调制解调器接入互联网。在大多数欧洲国家，DSL是最普及的接入方式，每个国家都有超过75%的用户接入DSL。
在美国，大约有150万用户使用各种类型的FTTx试点网络（包括PON）。在日本和韩国，约40%的用户主要连接到PON网络。在中国，大约有1500万FTTx用户已注册。显然，FTTx和PON技术的使用在全球范围内正呈爆炸式增长。
对电信服务的需求已达到顶峰，仅仅增加电话或有线电视网络的升级已无法满足这一需求。用新技术完全取代电话网络需要巨额投资，这与用户愿意或能够支付的费用不符。
网络运营商和政府必须明确当前的实际需求水平，预测近期需求，并考虑20年后的潜在情况。他们需要确定长期所需的技术，并改进网络开发和改造，同时考虑到未来所需的架构。
Patrick Gähwiler，Reichle & De-Massari AG (R&M)
