低時(shí)延增強(qiáng)，為光接入網(wǎng)提供確定性低時(shí)延

  隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的興起以及5G網(wǎng)絡(luò)的逐步部署，網(wǎng)絡(luò)大帶寬和低時(shí)延性能越來(lái)越受到重視。時(shí)延敏感型的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)將隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程逐步深入家庭與政企行業(yè)，如4K/8K、AR/VR等高質(zhì)量視頻應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)IoT海量連接場(chǎng)景等，都要求網(wǎng)絡(luò)具有極低的確定性時(shí)延來(lái)保障業(yè)務(wù)連接質(zhì)量。企業(yè)傳統(tǒng)的ICT業(yè)務(wù)逐漸向云業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型，大量分布式計(jì)算逐漸在金融技術(shù)、公共安全等領(lǐng)域得到應(yīng)用，低時(shí)延是各數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行協(xié)同工作的基礎(chǔ)。超低時(shí)延作為5G時(shí)代的三大應(yīng)用場(chǎng)景之一，未來(lái)也將成為接入網(wǎng)的必備場(chǎng)景，為運(yùn)營(yíng)商進(jìn)入各垂直行業(yè)奠定基礎(chǔ)。

  國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ITU IMT-2020系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最早指出，在5G超低時(shí)延場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)用戶面的端到端雙向時(shí)延要從4G時(shí)代的20ms降低至1ms。2018年10月，ITU-T也將光接入網(wǎng)的低時(shí)延需求采納進(jìn)下一代光接入網(wǎng)技術(shù)50G-PON G.9804.1的標(biāo)準(zhǔn)中。

  端到端時(shí)延由多段路徑上的時(shí)延累加而成，僅靠單獨(dú)優(yōu)化某一局部的時(shí)延無(wú)法滿足1ms的極致時(shí)延要求，因此超低時(shí)延的實(shí)現(xiàn)需要各段路徑同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。研究認(rèn)為，在工業(yè)控制場(chǎng)景中，光接入網(wǎng)部分的端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延需要降低至500μs，才能滿足應(yīng)用需求。然而，目前光接入網(wǎng)PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)延下限并不能滿足新業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的時(shí)延需求，如何降低接入網(wǎng)時(shí)延成為運(yùn)營(yíng)商下一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

  面對(duì)未來(lái)低時(shí)延接入場(chǎng)景的需求，中興通訊提出創(chuàng)新的低時(shí)延增強(qiáng)解決方案(見(jiàn)圖1)。通過(guò)改進(jìn)原有標(biāo)準(zhǔn)PON機(jī)制或引入WDM獨(dú)立波長(zhǎng)疊加機(jī)制，降低接入網(wǎng)時(shí)延，推動(dòng)接入網(wǎng)在確定性低時(shí)延場(chǎng)景的發(fā)展和演進(jìn)。

圖1 通過(guò)PON技術(shù)優(yōu)化和引入WDM機(jī)制改進(jìn)PON網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

  改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的PON機(jī)制

  光接入網(wǎng)的時(shí)延包括上行時(shí)延和下行時(shí)延，上/下行時(shí)延又分別由幾個(gè)部分組成，包括OLT轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、ONU轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、光纖傳輸時(shí)延、動(dòng)態(tài)帶寬分配和ONU輪詢過(guò)程產(chǎn)生的時(shí)延，以及ONU開(kāi)窗注冊(cè)流程造成的不確定性時(shí)延。以上行時(shí)延為例，傳輸距離在20km左右的光接入網(wǎng)時(shí)延在1.5ms~2.5ms之間，無(wú)法滿足5G時(shí)代光接入網(wǎng)的低時(shí)延要求。

  針對(duì)PON標(biāo)準(zhǔn)在優(yōu)化時(shí)延性能時(shí)天然存在的機(jī)制上的限制，中興通訊進(jìn)行了相關(guān)研究和實(shí)踐，通過(guò)優(yōu)化傳統(tǒng)PON網(wǎng)絡(luò)機(jī)制來(lái)降低時(shí)延。

  中興通訊低時(shí)延增強(qiáng)方案通過(guò)固定帶寬分配機(jī)制、縮短O(píng)NU輪詢周期及帶外開(kāi)窗引入第三方波長(zhǎng)等機(jī)制來(lái)降低時(shí)延。

  - 固定帶寬分配機(jī)制(Fixed Bandwidth Allocation，F(xiàn)BA)

  通過(guò)固定帶寬分配機(jī)制代替PON標(biāo)準(zhǔn)中的動(dòng)態(tài)帶寬分配機(jī)制(Dynamic Bandwidth Allocation，DBA)，消除原有動(dòng)態(tài)帶寬機(jī)制中存在的ONU帶寬申請(qǐng)、OLT帶寬分配及下發(fā)過(guò)程，降低接入網(wǎng)時(shí)延。

  - 縮短O(píng)NU輪詢周期

  通過(guò)軟件升級(jí)配置，將ONU傳輸數(shù)據(jù)的4個(gè)輪詢周期(每個(gè)周期125μs)降低至1個(gè)，減少時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的等待時(shí)間，進(jìn)而降低接入網(wǎng)時(shí)延。

  - 帶外開(kāi)窗，引入第三波長(zhǎng)

  光接入網(wǎng)時(shí)延的不確定性是由OLT不定期靜默所有下掛ONU、檢查新ONU上線并進(jìn)行注冊(cè)等過(guò)程引起的。中興通訊低時(shí)延增強(qiáng)采用第三波長(zhǎng)負(fù)責(zé)新ONU的發(fā)現(xiàn)與注冊(cè)過(guò)程，獲得確定性低時(shí)延。

  2020年，中興通訊與蘇州移動(dòng)合作，通過(guò)優(yōu)化PON網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，綜合運(yùn)用低時(shí)延技術(shù)，將PON的最大時(shí)延降低為原來(lái)的1/6以下，從而使得PON系統(tǒng)不僅具備高帶寬能力，還被賦予了更低時(shí)延能力。

  引入WDM獨(dú)立疊加波長(zhǎng)機(jī)制

  在PON機(jī)制的優(yōu)化方案中，通過(guò)引入FBA機(jī)制和降低ONU輪詢周期來(lái)降低時(shí)延的過(guò)程中將不可避免地增大帶寬開(kāi)銷(xiāo)，減小PON口的帶寬利用率。為了平衡網(wǎng)絡(luò)帶寬與效率之間的關(guān)系，低時(shí)延增強(qiáng)在Combo PON的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入WDM獨(dú)立疊加波長(zhǎng)，創(chuàng)新性推出Combo PON Plus方案。

  Combo PON Plus解決方案通過(guò)獨(dú)立波長(zhǎng)疊加機(jī)制，在PON網(wǎng)絡(luò)中引入WDM技術(shù)，提供確定極致低時(shí)延。創(chuàng)新的Combo PON Plus線卡一個(gè)端口含5個(gè)波長(zhǎng)通道，其中2個(gè)波長(zhǎng)通道分別用于GPON和10G PON，提供兩種速率的FTTx固定接入，ONU終端按需靈活部署，實(shí)現(xiàn)GPON向10G PON的平滑升級(jí)。另外3個(gè)通道分別用于1個(gè)10G/25G WDM波長(zhǎng)，提供10/25Gbps帶寬，無(wú)傳輸距離下的端到端時(shí)延低至0.399μs，相對(duì)20km光纖傳輸時(shí)延100μs可忽略不計(jì)，滿足光接入網(wǎng)在云專(zhuān)線、5G基站接入、工業(yè)互聯(lián)等場(chǎng)景的應(yīng)用要求。

  WDM獨(dú)立疊加波長(zhǎng)接入無(wú)DBA調(diào)度、ONU輪詢及開(kāi)窗過(guò)程，提供確定極致低時(shí)延接入。邏輯上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸可避免流氓ONU的干擾，提高網(wǎng)絡(luò)安全性。此外Combo PON Plus方案可重用現(xiàn)網(wǎng)已部署的FTTx資源于5G的傳輸通道，如FTTx網(wǎng)絡(luò)的接入機(jī)房、ODF、主干光纖及其管道、配線光纖及其管道、街邊柜/室外柜等空閑資源，滿足5G建設(shè)過(guò)程中運(yùn)營(yíng)商對(duì)大量光纖和機(jī)房資源的需求，同時(shí)縮短業(yè)務(wù)發(fā)放時(shí)間，助力運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行以資源共享、節(jié)約建網(wǎng)為目標(biāo)的綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)建設(shè)。

  在新基建戰(zhàn)略的助推下，各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求迫切，數(shù)字化進(jìn)程持續(xù)深入。中興通訊作為行業(yè)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，致力于創(chuàng)新方案的研究，在低時(shí)延領(lǐng)域積極探索。通過(guò)對(duì)原有PON技術(shù)的不斷迭代與優(yōu)化，在接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)極致的確定性低時(shí)延，滿足各行各業(yè)對(duì)低時(shí)延的需求，助力運(yùn)營(yíng)商在垂直行業(yè)獲得更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

  作者：中興通訊 王新盛