寬帶接入網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究

  過去十年間，我國寬帶接入網(wǎng)取得長足發(fā)展，“光進銅退”等系列舉措推動寬帶接入網(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(xiàn)實/增強現(xiàn)實)提供了堅實的承載底座，寬帶接入網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大，應(yīng)用程度加速深化。

  然而，隨著新型業(yè)務(wù)的發(fā)展，如XR(擴展現(xiàn)實)、裸眼3D、超高清機器視覺質(zhì)檢等應(yīng)用場景，對網(wǎng)絡(luò)超大容量、低時延、低抖動、高穩(wěn)定等需求持續(xù)升級，寬帶接入網(wǎng)還將進一步發(fā)展演進，其技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用趨勢還有待梳理和研究。

  寬帶接入網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

  當(dāng)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、促進經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)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(shè)力度，豐富應(yīng)用場景”以來，國家信息通信頂層設(shè)計和產(chǎn)業(yè)政策均在加快推進千兆光網(wǎng)發(fā)展。《數(shù)字中國整體建設(shè)布局規(guī)劃》提出要“加快5G網(wǎng)絡(luò)與千兆光網(wǎng)協(xié)同建設(shè)”，旨在夯實數(shù)字中國建設(shè)基礎(chǔ)，打通數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施“大動脈”。

  如圖1所示，截至2023年6月，我國已建設(shè)具備千兆網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的10G-PON端口數(shù)達到2029萬個，相比去年同期增長近一倍，具備覆蓋超過5億戶家庭的能力，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和覆蓋水平全球第一。FTTR用戶規(guī)模也在同步擴大，據(jù)Omdia預(yù)測，到今年末，我國FTTR用戶規(guī)模將達到700萬戶。

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

  與此同時，新一代寬帶接入網(wǎng)正加速賦能千行百業(yè)，相關(guān)應(yīng)用涵蓋了新型信息消費、行業(yè)融合應(yīng)用、社會民生服務(wù)三大領(lǐng)域，具體包括工業(yè)制造、智慧醫(yī)療、智慧教育、數(shù)字政務(wù)、AR/VR、超高清視頻、能源/礦山、數(shù)字金融、智慧家庭等多個應(yīng)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(qū)動寬帶接入能力不斷升級

  從工業(yè)制造、中小微企業(yè)辦公以及家庭等場景中的相關(guān)應(yīng)用類型考慮，寬帶接入主要滿足高可靠、大帶寬、確定性低時延、精準定位四大業(yè)務(wù)需求。基于以上四大業(yè)務(wù)需求，結(jié)合未來新型業(yè)務(wù)應(yīng)用方向，可將寬帶接入應(yīng)用分為以下五大類。

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

  二是高可靠泛在連接感知類應(yīng)用，主要包括物聯(lián)網(wǎng)各類傳感器數(shù)據(jù)回傳業(yè)務(wù)。例如，智慧家庭中各種環(huán)境傳感器室內(nèi)全覆蓋，數(shù)據(jù)回傳可靠性要求大于99.99%;在工業(yè)生產(chǎn)制造場景下，工業(yè)類傳感器在車間內(nèi)重點覆蓋，其搜集的數(shù)據(jù)關(guān)系到生產(chǎn)安全，因此可靠性要求大于99.999%。

  三是低速移動精準定位類應(yīng)用，主要包括人員和車輛定位。對于各種類型室內(nèi)人員定位，例如機場航站樓與商場導(dǎo)航服務(wù)，人員定位精度須小于10cm;在智能制造行業(yè)中，智能化無人運輸車要實現(xiàn)實時定位跟蹤，因此其定位精度應(yīng)小于1cm。

  四是高可靠確定性低時延控制類應(yīng)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景下的遠程掘進控制等應(yīng)用。為保障工業(yè)制造中遠程控制的實時性、可靠性、穩(wěn)定性，控制信號應(yīng)具備超低時延、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延小于100?，端到端時延小于1ms，抖動小于1?，可靠性達到99.9999%。

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

  上述五大典型應(yīng)用將驅(qū)動寬帶接入邁向泛在萬兆、微秒級時延以及超高可靠(99.9999%)的“光聯(lián)萬物”時代。如圖2所示，基于“50G-PON+FTTR+VLC(可見光)/Wi-Fi 7”的“PON+2.0”萬兆全光接入將是未來十年實現(xiàn)超寬智慧的關(guān)鍵解決方案。

圖2 基于“50G-PON+FTTR+VLC(可見光)/Wi-Fi 7”的“PON+2.0”萬兆全光接入方案

  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(dāng)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，對稱速率50G-PON標準于2022年底在ITU-T獲得通過。相較10G-PON的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)應(yīng)用，50G-PON落地應(yīng)用面臨更大挑戰(zhàn)，一是其功率預(yù)算相比10G-PON提升近5倍，在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用普遍實現(xiàn)32dB預(yù)算功率還存在挑戰(zhàn);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，ITU-T也已啟動更高速率PON的技術(shù)預(yù)研，研究單波長50Gbit/s以上的“點到多點”光接入系統(tǒng)要求和傳輸技術(shù)，需要重點關(guān)注預(yù)期的系統(tǒng)容量、共存要求、容量和鏈路功率預(yù)算之間的平衡。從實現(xiàn)技術(shù)的角度出發(fā)，相干調(diào)制是實現(xiàn)更高速率PON的關(guān)鍵技術(shù)路徑，新的調(diào)制解調(diào)方案有待研究。

  光纖也逐步向企業(yè)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)延伸(即FTTR)，側(cè)重于突破“最后10m”有線接入瓶頸，實現(xiàn)企業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò)全光化，為高品質(zhì)業(yè)務(wù)承載以及無線AP(接入點)間的高效協(xié)同提供堅實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。ITU-T目前正在就FTTR技術(shù)的總體、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和管理等方面開展系列標準的制定工作，基于無源分光器的“點到多點”FTTR架構(gòu)與需求已經(jīng)明確，能夠復(fù)用當(dāng)前PON產(chǎn)業(yè)鏈，以較低的成本實現(xiàn)室內(nèi)組網(wǎng)。

  新型無線接入技術(shù)

  移動終端設(shè)備接入還是離不開無線接入網(wǎng)，Wi-Fi 7與可見光通信(VLC)作為新型無線接入技術(shù)，將協(xié)同接入終端設(shè)備，滿足不同場景下的業(yè)務(wù)傳輸需求，為未來新興寬帶應(yīng)用提供超大帶寬、低時延的末端無線接入能力。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基礎(chǔ)上進一步提升關(guān)鍵接入能力，包括多鏈路機制、多無線資源分配、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，一種是復(fù)用Wi-Fi鏈路層，采用CSMA/CD(具有沖突避免的載波監(jiān)聽多址接入)方式接入業(yè)務(wù)，實現(xiàn)成本低，但難以滿足低時延與抖動要求;另一種面向VLC重新設(shè)計鏈路層，采用TDMA(時分復(fù)用多址)接入，能夠滿足確定性低時延傳輸需求。

  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(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)要求具有明顯差異，因此識別服務(wù)和應(yīng)用類型，并依據(jù)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(gòu)建相應(yīng)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，并基于實時網(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(yù)留相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源。同時在無線接入側(cè)，通過Wi-Fi 7的多無線資源單元(MRU)預(yù)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)多點協(xié)同與集中管控架構(gòu)

  當(dāng)前，ITU-T正開展光與無線協(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ONU側(cè)，通過光與無線協(xié)同控制管理接口，將FTTR與無線AP連接起來，F(xiàn)TTR主從ONU控制管理接口為主從ONU設(shè)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(gòu)建起中心化的光與無線協(xié)同管控架構(gòu)，為端到端業(yè)務(wù)保障提供全局控制視野。

  基于中心化光與無線協(xié)同管控架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個無線AP間的協(xié)作，包括流量卸載、負載均衡、多點協(xié)同增強等能力，從而進一步提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能。例如，在主從ONU側(cè)，通過光與無線協(xié)同管理接口實現(xiàn)Wi-Fi 7與VLC間的協(xié)同，通過VLC實現(xiàn)Wi-Fi 7高峰值流量下的業(yè)務(wù)負載;在多個Wi-Fi 7 AP間，當(dāng)用戶終端移動時，通過主從ONU控制管理接口進行跨區(qū)切換的信息交互，可以實現(xiàn)用戶在AP間的無縫漫游，或是用戶終端在多個無線AP邊緣，利用多點協(xié)同機制(CoMP)實現(xiàn)用戶終端在AP邊緣的接收信號增強。

  (3)確定性差異化資源調(diào)度機制

  針對差異化服務(wù)需求的業(yè)務(wù)應(yīng)用，“50G-PON+FTTR”的光線路終端(OLT)以及ONU具備層次化QoS調(diào)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?shù)臅r延與抖動性能。在下行方向，還可以通過FlexE或OTN等時隙化技術(shù)，保障下行方向的低時延與抖動。

  面向未來，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)，推動更多應(yīng)用趨于成熟。在信息消費領(lǐng)域，將賦能數(shù)字生活，推動8K超高清視頻、XR、元宇宙、沉浸式視頻直播等新型媒體應(yīng)用深入千家萬戶;在行業(yè)融合應(yīng)用領(lǐng)域，將推動3D自動光學(xué)質(zhì)檢(AOI)向高端制造行業(yè)加速普及，并將有力支撐數(shù)字孿生工廠等大數(shù)據(jù)應(yīng)用，賦能先進制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展;在社會民生服務(wù)領(lǐng)域，將推動數(shù)字城市向智慧城市升級，支撐云VR在線教育、虛擬實訓(xùn)等新形式教學(xué)應(yīng)用，賦能優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源入云共享，極大提升民生服務(wù)水平。

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

  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