寬帶接入網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應用研究

  ICC訊 過(guò)去十年間，我國寬帶接入網(wǎng)取得長(cháng)足發(fā)展，“光進(jìn)銅退”等系列舉措推動(dòng)寬帶接入網(wǎng)光纖化，目前已步入全光接入初期發(fā)展階段。10G-PON(無(wú)源光網(wǎng)絡(luò ))、FTTR(光纖到房間)以及Wi-Fi 6等高速接入技術(shù)，為高清視頻、VR/AR(虛擬現實(shí)/增強現實(shí))提供了堅實(shí)的承載底座，寬帶接入網(wǎng)絡(luò )規模不斷擴大，應用程度加速深化。

  然而，隨著(zhù)新型業(yè)務(wù)的發(fā)展，如XR(擴展現實(shí))、裸眼3D、超高清機器視覺(jué)質(zhì)檢等應用場(chǎng)景，對網(wǎng)絡(luò )超大容量、低時(shí)延、低抖動(dòng)、高穩定等需求持續升級，寬帶接入網(wǎng)還將進(jìn)一步發(fā)展演進(jìn)，其技術(shù)發(fā)展和應用趨勢還有待梳理和研究。

  寬帶接入網(wǎng)發(fā)展現狀

  當前，新一代寬帶接入網(wǎng)包含10G-PON、FTTR以及Wi-Fi 6等高速接入技術(shù)，作為千兆光網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，新一代寬帶接入網(wǎng)在提高人民生活水平、促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )數字化轉型等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。自2021年政府工作報告首次提出“加大5G網(wǎng)絡(luò )和千兆光網(wǎng)建設力度，豐富應用場(chǎng)景”以來(lái)，國家信息通信頂層設計和產(chǎn)業(yè)政策均在加快推進(jìn)千兆光網(wǎng)發(fā)展?！稊底种袊w建設布局規劃》提出要“加快5G網(wǎng)絡(luò )與千兆光網(wǎng)協(xié)同建設”，旨在夯實(shí)數字中國建設基礎，打通數字基礎設施“大動(dòng)脈”。

  如圖1所示，截至2023年6月，我國已建設具備千兆網(wǎng)絡(luò )服務(wù)能力的10G-PON端口數達到2029萬(wàn)個(gè)，相比去年同期增長(cháng)近一倍，具備覆蓋超過(guò)5億戶(hù)家庭的能力，網(wǎng)絡(luò )規模和覆蓋水平全球第一。FTTR用戶(hù)規模也在同步擴大，據Omdia預測，到今年末，我國FTTR用戶(hù)規模將達到700萬(wàn)戶(hù)。

圖1我國10G-PON端口數量增長(cháng)情況(2021.6—2023.6)

  與此同時(shí)，新一代寬帶接入網(wǎng)正加速賦能千行百業(yè)，相關(guān)應用涵蓋了新型信息消費、行業(yè)融合應用、社會(huì )民生服務(wù)三大領(lǐng)域，具體包括工業(yè)制造、智慧醫療、智慧教育、數字政務(wù)、AR/VR、超高清視頻、能源/礦山、數字金融、智慧家庭等多個(gè)應用方向，輻射了我國國民經(jīng)濟的主要行業(yè)和產(chǎn)業(yè)。

  新型業(yè)務(wù)驅動(dòng)寬帶接入能力不斷升級

  從工業(yè)制造、中小微企業(yè)辦公以及家庭等場(chǎng)景中的相關(guān)應用類(lèi)型考慮，寬帶接入主要滿(mǎn)足高可靠、大帶寬、確定性低時(shí)延、精準定位四大業(yè)務(wù)需求?；谝陨纤拇髽I(yè)務(wù)需求，結合未來(lái)新型業(yè)務(wù)應用方向，可將寬帶接入應用分為以下五大類(lèi)。

  一是增強型超大帶寬、低時(shí)延交互類(lèi)應用，主要包括XR、元宇宙等業(yè)務(wù)。超高清視頻內容、VR/AR等技術(shù)發(fā)展促進(jìn)元宇宙應用和產(chǎn)業(yè)成熟，當前8K micro-LED技術(shù)應用于VR/AR頭顯，在120Hz高幀率情況下，其基礎上下行大帶寬需求超過(guò)400Mbit/s，空口時(shí)延小于1ms，端到端往返時(shí)延小于20ms。

  二是高可靠泛在連接感知類(lèi)應用，主要包括物聯(lián)網(wǎng)各類(lèi)傳感器數據回傳業(yè)務(wù)。例如，智慧家庭中各種環(huán)境傳感器室內全覆蓋，數據回傳可靠性要求大于99.99%;在工業(yè)生產(chǎn)制造場(chǎng)景下，工業(yè)類(lèi)傳感器在車(chē)間內重點(diǎn)覆蓋，其搜集的數據關(guān)系到生產(chǎn)安全，因此可靠性要求大于99.999%。

  三是低速移動(dòng)精準定位類(lèi)應用，主要包括人員和車(chē)輛定位。對于各種類(lèi)型室內人員定位，例如機場(chǎng)航站樓與商場(chǎng)導航服務(wù)，人員定位精度須小于10cm;在智能制造行業(yè)中，智能化無(wú)人運輸車(chē)要實(shí)現實(shí)時(shí)定位跟蹤，因此其定位精度應小于1cm。

  四是高可靠確定性低時(shí)延控制類(lèi)應用，主要包括智能制造中機器遠程控制指令以及一些礦山場(chǎng)景下的遠程掘進(jìn)控制等應用。為保障工業(yè)制造中遠程控制的實(shí)時(shí)性、可靠性、穩定性，控制信號應具備超低時(shí)延、超高可靠特性。在工業(yè)精準制造中，機器控制信號要求空口時(shí)延小于100?，端到端時(shí)延小于1ms，抖動(dòng)小于1?，可靠性達到99.9999%。

  五是超大上行超高分辨率監測類(lèi)應用，主要包括自動(dòng)光學(xué)智能質(zhì)檢以及家庭/園區高清安防等應用。當前高端裝備制造行業(yè)對生產(chǎn)部件的品控要求極高，而先進(jìn)的光學(xué)高精度智能質(zhì)檢要求60幀4K標準單相機連續拍攝，因此其對上行帶寬的要求超過(guò)800Mbit/s，且端到端傳輸時(shí)延小于20ms。

  上述五大典型應用將驅動(dòng)寬帶接入邁向泛在萬(wàn)兆、微秒級時(shí)延以及超高可靠(99.9999%)的“光聯(lián)萬(wàn)物”時(shí)代。如圖2所示，基于“50G-PON+FTTR+VLC(可見(jiàn)光)/Wi-Fi 7”的“PON+2.0”萬(wàn)兆全光接入將是未來(lái)十年實(shí)現超寬智慧的關(guān)鍵解決方案。

  圖2 基于“50G-PON+FTTR+VLC(可見(jiàn)光)/Wi-Fi 7”的“PON+2.0”萬(wàn)兆全光接入方案

  下一代寬帶接入關(guān)鍵技術(shù)

  高速光纖接入技術(shù)

  光接入網(wǎng)目前正由10G-PON向50G-PON發(fā)展。50G-PON能夠提供高達50Gbit/s的下行接入速率，以及至少10Gbit/s的上行接入速率。當前，50G-PON標準趨于成熟，業(yè)界已就50G-PON作為下一代高速光接入技術(shù)達成共識，對稱(chēng)速率50G-PON標準于2022年底在ITU-T獲得通過(guò)。相較10G-PON的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)應用，50G-PON落地應用面臨更大挑戰，一是其功率預算相比10G-PON提升近5倍，在現網(wǎng)應用普遍實(shí)現32dB預算功率還存在挑戰;二是色散補償相對更嚴格，50G-PON色散容限僅不到10G-PON的1/25;三是器件封裝要求更高，需要更好的功耗散熱性能。

  同時(shí)，ITU-T也已啟動(dòng)更高速率PON的技術(shù)預研，研究單波長(cháng)50Gbit/s以上的“點(diǎn)到多點(diǎn)”光接入系統要求和傳輸技術(shù)，需要重點(diǎn)關(guān)注預期的系統容量、共存要求、容量和鏈路功率預算之間的平衡。從實(shí)現技術(shù)的角度出發(fā)，相干調制是實(shí)現更高速率PON的關(guān)鍵技術(shù)路徑，新的調制解調方案有待研究。

  光纖也逐步向企業(yè)和家庭內部網(wǎng)絡(luò )延伸(即FTTR)，側重于突破“最后10m”有線(xiàn)接入瓶頸，實(shí)現企業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò )全光化，為高品質(zhì)業(yè)務(wù)承載以及無(wú)線(xiàn)AP(接入點(diǎn))間的高效協(xié)同提供堅實(shí)的網(wǎng)絡(luò )基礎。ITU-T目前正在就FTTR技術(shù)的總體、物理層、數據鏈路層和管理等方面開(kāi)展系列標準的制定工作，基于無(wú)源分光器的“點(diǎn)到多點(diǎn)”FTTR架構與需求已經(jīng)明確，能夠復用當前PON產(chǎn)業(yè)鏈，以較低的成本實(shí)現室內組網(wǎng)。

  新型無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)

  移動(dòng)終端設備接入還是離不開(kāi)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)，Wi-Fi 7與可見(jiàn)光通信(VLC)作為新型無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，將協(xié)同接入終端設備，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)傳輸需求，為未來(lái)新興寬帶應用提供超大帶寬、低時(shí)延的末端無(wú)線(xiàn)接入能力。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基礎上進(jìn)一步提升關(guān)鍵接入能力，包括多鏈路機制、多無(wú)線(xiàn)資源分配、QoS差異化管理與嚴格服務(wù)周期，峰值接入速率接近6Gbit/s。

  VLC工作波長(cháng)為380nm—790nm，天然具有超大帶寬傳輸能力，能夠與Wi-Fi7協(xié)同為終端接入提供大容量傳輸通道。VLC相關(guān)標準歷經(jīng)10余年的發(fā)展，目前主要有兩種路線(xiàn)，一種是復用Wi-Fi鏈路層，采用CSMA/CD(具有沖突避免的載波監聽(tīng)多址接入)方式接入業(yè)務(wù)，實(shí)現成本低，但難以滿(mǎn)足低時(shí)延與抖動(dòng)要求;另一種面向VLC重新設計鏈路層，采用TDMA(時(shí)分復用多址)接入，能夠滿(mǎn)足確定性低時(shí)延傳輸需求。

  網(wǎng)絡(luò )管理與資源分配技術(shù)

  (1)“50G-PON+FTTR”的端到端切片技術(shù)

  不同應用對網(wǎng)絡(luò )要求具有明顯差異，因此識別服務(wù)和應用類(lèi)型，并依據網(wǎng)絡(luò )性能需求對不同的業(yè)務(wù)配置差異化的網(wǎng)絡(luò )資源，構建相應的網(wǎng)絡(luò )切片，能夠使業(yè)務(wù)傳輸彼此不受影響，有效保證業(yè)務(wù)服務(wù)體驗，并提高網(wǎng)絡(luò )資源利用效率。通過(guò)業(yè)務(wù)感知，利用人工智能技術(shù)識別業(yè)務(wù)體驗訴求，并基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)和資源全景圖，對PON網(wǎng)絡(luò )以及FTTR網(wǎng)絡(luò )預留相應的網(wǎng)絡(luò )資源。同時(shí)在無(wú)線(xiàn)接入側，通過(guò)Wi-Fi 7的多無(wú)線(xiàn)資源單元(MRU)預留機制以及VLC的TDMA接入方式，為終端提供確定性的空口傳輸資源。

  (2)多點(diǎn)協(xié)同與集中管控架構

  當前，ITU-T正開(kāi)展光與無(wú)線(xiàn)協(xié)同控制管理接口、FTTR主從光網(wǎng)絡(luò )單元(ONU)控制管理接口的研究。在單個(gè)ONU側，通過(guò)光與無(wú)線(xiàn)協(xié)同控制管理接口，將FTTR與無(wú)線(xiàn)AP連接起來(lái)，FTTR主從ONU控制管理接口為主從ONU設備間的控制信息交互提供可靠通道。兩種接口相互配合，共同構建起中心化的光與無(wú)線(xiàn)協(xié)同管控架構，為端到端業(yè)務(wù)保障提供全局控制視野。

  基于中心化光與無(wú)線(xiàn)協(xié)同管控架構，能夠實(shí)現多個(gè)無(wú)線(xiàn)AP間的協(xié)作，包括流量卸載、負載均衡、多點(diǎn)協(xié)同增強等能力，從而進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò )服務(wù)性能。例如，在主從ONU側，通過(guò)光與無(wú)線(xiàn)協(xié)同管理接口實(shí)現Wi-Fi 7與VLC間的協(xié)同，通過(guò)VLC實(shí)現Wi-Fi 7高峰值流量下的業(yè)務(wù)負載;在多個(gè)Wi-Fi 7 AP間，當用戶(hù)終端移動(dòng)時(shí)，通過(guò)主從ONU控制管理接口進(jìn)行跨區切換的信息交互，可以實(shí)現用戶(hù)在A(yíng)P間的無(wú)縫漫游，或是用戶(hù)終端在多個(gè)無(wú)線(xiàn)AP邊緣，利用多點(diǎn)協(xié)同機制(CoMP)實(shí)現用戶(hù)終端在A(yíng)P邊緣的接收信號增強。

  (3)確定性差異化資源調度機制

  針對差異化服務(wù)需求的業(yè)務(wù)應用，“50G-PON+FTTR”的光線(xiàn)路終端(OLT)以及ONU具備層次化QoS調度技術(shù)，能夠基于IEEE 802.1Qbu所定義的幀搶占功能和基于IEEE 802.1Qci所定義的入口流檢測功能，優(yōu)化上下行業(yè)務(wù)傳輸的時(shí)延與抖動(dòng)性能。在下行方向，還可以通過(guò)FlexE或OTN等時(shí)隙化技術(shù)，保障下行方向的低時(shí)延與抖動(dòng)。

  面向未來(lái)，下一代寬帶接入網(wǎng)將支持更大帶寬、更高確定性、更高并發(fā)，推動(dòng)更多應用趨于成熟。在信息消費領(lǐng)域，將賦能數字生活，推動(dòng)8K超高清視頻、XR、元宇宙、沉浸式視頻直播等新型媒體應用深入千家萬(wàn)戶(hù);在行業(yè)融合應用領(lǐng)域，將推動(dòng)3D自動(dòng)光學(xué)質(zhì)檢(AOI)向高端制造行業(yè)加速普及，并將有力支撐數字孿生工廠(chǎng)等大數據應用，賦能先進(jìn)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展;在社會(huì )民生服務(wù)領(lǐng)域，將推動(dòng)數字城市向智慧城市升級，支撐云VR在線(xiàn)教育、虛擬實(shí)訓等新形式教學(xué)應用，賦能優(yōu)質(zhì)醫療資源入云共享，極大提升民生服務(wù)水平。

  同時(shí)，下一代寬帶接入網(wǎng)還將助力移動(dòng)通信能力提升。針對B5G/6G高頻段小微蜂窩通信覆蓋范圍小等問(wèn)題，新型全光接入將助力小微蜂窩回傳，推動(dòng)小微蜂窩在重點(diǎn)室內場(chǎng)所密集部署。

作者：中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所 朱鵬飛 胡志杰 王澤玨 程強 李少暉