寬帶接入網技術發(fā)展與應用研究

  過去十年間，我國寬帶接入網取得長足發(fā)展，“光進銅退”等系列舉措推動寬帶接入網光纖化，目前已步入全光接入初期發(fā)展階段。10G-PON(無源光網絡)、FTTR(光纖到房間)以及Wi-Fi 6等高速接入技術，為高清視頻、VR/AR(虛擬現實/增強現實)提供了堅實的承載底座，寬帶接入網絡規(guī)模不斷擴大，應用程度加速深化。

  然而，隨著新型業(yè)務的發(fā)展，如XR(擴展現實)、裸眼3D、超高清機器視覺質檢等應用場景，對網絡超大容量、低時延、低抖動、高穩(wěn)定等需求持續(xù)升級，寬帶接入網還將進一步發(fā)展演進，其技術發(fā)展和應用趨勢還有待梳理和研究。

  寬帶接入網發(fā)展現狀

  當前，新一代寬帶接入網包含10G-PON、FTTR以及Wi-Fi 6等高速接入技術，作為千兆光網的關鍵組成部分，新一代寬帶接入網在提高人民生活水平、促進經濟社會數字化轉型等方面發(fā)揮了關鍵作用。自2021年政府工作報告首次提出“加大5G網絡和千兆光網建設力度，豐富應用場景”以來，國家信息通信頂層設計和產業(yè)政策均在加快推進千兆光網發(fā)展?！稊底种袊w建設布局規(guī)劃》提出要“加快5G網絡與千兆光網協同建設”，旨在夯實數字中國建設基礎，打通數字基礎設施“大動脈”。

  如圖1所示，截至2023年6月，我國已建設具備千兆網絡服務能力的10G-PON端口數達到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，網絡規(guī)模和覆蓋水平全球第一。FTTR用戶規(guī)模也在同步擴大，據Omdia預測，到今年末，我國FTTR用戶規(guī)模將達到700萬戶。

圖1我國10G-PON端口數量增長情況(2021.6—2023.6)

  與此同時，新一代寬帶接入網正加速賦能千行百業(yè)，相關應用涵蓋了新型信息消費、行業(yè)融合應用、社會民生服務三大領域，具體包括工業(yè)制造、智慧醫(yī)療、智慧教育、數字政務、AR/VR、超高清視頻、能源/礦山、數字金融、智慧家庭等多個應用方向，輻射了我國國民經濟的主要行業(yè)和產業(yè)。

  新型業(yè)務驅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應用類型考慮，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)務需求?；谝陨纤拇髽I(yè)務需求，結合未來新型業(yè)務應用方向，可將寬帶接入應用分為以下五大類。

  一是增強型超大帶寬、低時延交互類應用，主要包括XR、元宇宙等業(yè)務。超高清視頻內容、VR/AR等技術發(fā)展促進元宇宙應用和產業(yè)成熟，當前8K micro-LED技術應用于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用，主要包括物聯網各類傳感器數據回傳業(yè)務。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)生產制造場景下，工業(yè)類傳感器在車間內重點覆蓋，其搜集的數據關系到生產安全，因此可靠性要求大于99.999%。

  三是低速移動精準定位類應用，主要包括人員和車輛定位。對于各種類型室內人員定位，例如機場航站樓與商場導航服務，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實時定位跟蹤，因此其定位精度應小于1cm。

  四是高可靠確定性低時延控制類應用，主要包括智能制造中機器遠程控制指令以及一些礦山場景下的遠程掘進控制等應用。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)測類應用，主要包括自動光學智能質檢以及家庭/園區(qū)高清安防等應用。當前高端裝備制造行業(yè)對生產部件的品控要求極高，而先進的光學高精度智能質檢要求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。

  上述五大典型應用將驅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超寬智慧的關鍵解決方案。

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

  下一代寬帶接入關鍵技術

  高速光纖接入技術

  光接入網目前正由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的產業(yè)和技術應用，50G-PON落地應用面臨更大挑戰(zhàn)，一是其功率預算相比10G-PON提升近5倍，在現網應用普遍實現32dB預算功率還存在挑戰(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的技術預研，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，需要重點關注預期的系統(tǒng)容量、共存要求、容量和鏈路功率預算之間的平衡。從實現技術的角度出發(fā)，相干調制是實現更高速率PON的關鍵技術路徑，新的調制解調方案有待研究。

  光纖也逐步向企業(yè)和家庭內部網絡延伸(即FTTR)，側重于突破“最后10m”有線接入瓶頸，實現企業(yè)和家庭網絡全光化，為高品質業(yè)務承載以及無線AP(接入點)間的高效協同提供堅實的網絡基礎。ITU-T目前正在就FTTR技術的總體、物理層、數據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架構與需求已經明確，能夠復用當前PON產業(yè)鏈，以較低的成本實現室內組網。

  新型無線接入技術

  移動終端設備接入還是離不開無線接入網，Wi-Fi 7與可見光通信(VLC)作為新型無線接入技術，將協同接入終端設備，滿足不同場景下的業(yè)務傳輸需求，為未來新興寬帶應用提供超大帶寬、低時延的末端無線接入能力。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基礎上進一步提升關鍵接入能力，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協同為終端接入提供大容量傳輸通道。VLC相關標準歷經10余年的發(fā)展，目前主要有兩種路線，一種是復用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，實現成本低，但難以滿足低時延與抖動要求;另一種面向VLC重新設計鏈路層，采用TDMA(時分復用多址)接入，能夠滿足確定性低時延傳輸需求。

  網絡管理與資源分配技術

  (1)“50G-PON+FTTR”的端到端切片技術

  不同應用對網絡要求具有明顯差異，因此識別服務和應用類型，并依據網絡性能需求對不同的業(yè)務配置差異化的網絡資源，構建相應的網絡切片，能夠使業(yè)務傳輸彼此不受影響，有效保證業(yè)務服務體驗，并提高網絡資源利用效率。通過業(yè)務感知，利用人工智能技術識別業(yè)務體驗訴求，并基于實時網絡狀態(tài)和資源全景圖，對PON網絡以及FTTR網絡預留相應的網絡資源。同時在無線接入側，通過Wi-Fi 7的多無線資源單元(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)多點協同與集中管控架構

  當前，ITU-T正開展光與無線協同控制管理接口、FTTR主從光網絡單元(ONU)控制管理接口的研究。在單個ONU側，通過光與無線協同控制管理接口，將FTTR與無線AP連接起來，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線協同管控架構，為端到端業(yè)務保障提供全局控制視野。

  基于中心化光與無線協同管控架構，能夠實現多個無線AP間的協作，包括流量卸載、負載均衡、多點協同增強等能力，從而進一步提高網絡服務性能。例如，在主從ONU側，通過光與無線協同管理接口實現Wi-Fi 7與VLC間的協同，通過VLC實現Wi-Fi 7高峰值流量下的業(yè)務負載;在多個Wi-Fi 7 AP間，當用戶終端移動時，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，利用多點協同機制(CoMP)實現用戶終端在AP邊緣的接收信號增強。

  (3)確定性差異化資源調度機制

  針對差異化服務需求的業(yè)務應用，“50G-PON+FTTR”的光線路終端(OLT)以及ONU具備層次化QoS調度技術，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)務傳輸的時延與抖動性能。在下行方向，還可以通過FlexE或OTN等時隙化技術，保障下行方向的低時延與抖動。

  面向未來，下一代寬帶接入網將支持更大帶寬、更高確定性、更高并發(fā)，推動更多應用趨于成熟。在信息消費領域，將賦能數字生活，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用深入千家萬戶;在行業(yè)融合應用領域，將推動3D自動光學質檢(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等大數據應用，賦能先進制造業(yè)高質量發(fā)展;在社會民生服務領域，將推動數字城市向智慧城市升級，支撐云VR在線教育、虛擬實訓等新形式教學應用，賦能優(yōu)質醫(yī)療資源入云共享，極大提升民生服務水平。

  同時，下一代寬帶接入網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場所密集部署。

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