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(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(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))提供了堅(jiān)實(shí)的承載底座，寬帶接入網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)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(kuò)展現(xiàn)實(shí))、裸眼3D、超高清機(jī)器視覺質(zhì)檢等應(yīng)用場景，對網(wǎng)絡(luò)超大容量、低時(shí)延、低抖動(dòng)、高穩(wěn)定等需求持續(xù)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(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(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(bào)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(jì)和產(chǎn)業(yè)政策均在加快推進(jìn)千兆光網(wǎng)發(fā)展?！稊?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(shí)數(shù)字中國建設(shè)基礎(chǔ)，打通數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施“大動(dòng)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(dá)到2029萬個(gè)，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(kuò)大，據(jù)Omdia預(yù)測，到今年末，我國FTTR用戶規(guī)模將達(dá)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(shí)，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(fèi)、行業(yè)融合應(yīng)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(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(gè)應(yīng)用方向，輻射了我國國民經(jīng)濟(jì)的主要行業(yè)和產(chǎn)業(yè)。

  新型業(yè)務(wù)驅(qū)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(shí)延、精準(zhǔn)定位四大業(yè)務(wù)需求?；谝陨纤拇髽I(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(qiáng)型超大帶寬、低時(shí)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(jìn)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(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(diǎn)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(dòng)精準(zhǔn)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(jī)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(yùn)輸車要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)延控制類應(yīng)用，主要包括智能制造中機(jī)器遠(yuǎn)程控制指令以及一些礦山場景下的遠(yuǎn)程掘進(jìn)控制等應(yīng)用。為保障工業(yè)制造中遠(yuǎn)程控制的實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性，控制信號應(yīng)具備超低時(shí)延、超高可靠特性。在工業(yè)精準(zhǔn)制造中，機(jī)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(dá)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(dòng)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(jìn)的光學(xué)高精度智能質(zhì)檢要求60幀4K標(biāo)準(zhǔn)單相機(jī)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(shí)延小于20ms。

  上述五大典型應(yīng)用將驅(qū)動(dòng)寬帶接入邁向泛在萬兆、微秒級時(shí)延以及超高可靠(99.9999%)的“光聯(lián)萬物”時(shí)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(shí)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)成共識，對稱速率50G-PON標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)32dB預(yù)算功率還存在挑戰(zhàn);二是色散補(bǔ)償相對更嚴(yán)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(yù)研，研究單波長50Gbit/s以上的“點(diǎn)到多點(diǎn)”光接入系統(tǒng)要求和傳輸技術(shù)，需要重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)的角度出發(fā)，相干調(diào)制是實(shí)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(shí)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(diǎn))間的高效協(xié)同提供堅(jiān)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的制定工作，基于無源分光器的“點(diǎn)到多點(diǎn)”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(shí)現(xiàn)室內(nèi)組網(wǎng)。

  新型無線接入技術(shù)

  移動(dòng)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(shí)延的末端無線接入能力。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升關(guān)鍵接入能力，包括多鏈路機(jī)制、多無線資源分配、QoS差異化管理與嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)成本低，但難以滿足低時(shí)延與抖動(dòng)要求;另一種面向VLC重新設(shè)計(jì)鏈路層，采用TDMA(時(shí)分復(fù)用多址)接入，能夠滿足確定性低時(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(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(yàn)，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(yàn)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(yù)留相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源。同時(shí)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(jī)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(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(gè)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(gè)無線AP間的協(xié)作，包括流量卸載、負(fù)載均衡、多點(diǎn)協(xié)同增強(qiáng)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(cè)，通過光與無線協(xié)同管理接口實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 7與VLC間的協(xié)同，通過VLC實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 7高峰值流量下的業(yè)務(wù)負(fù)載;在多個(gè)Wi-Fi 7 AP間，當(dāng)用戶終端移動(dòng)時(shí)，通過主從ONU控制管理接口進(jìn)行跨區(qū)切換的信息交互，可以實(shí)現(xiàn)用戶在AP間的無縫漫游，或是用戶終端在多個(gè)無線AP邊緣，利用多點(diǎn)協(xié)同機(jī)制(CoMP)實(shí)現(xiàn)用戶終端在AP邊緣的接收信號增強(qiáng)。

  (3)確定性差異化資源調(diào)度機(jī)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(shí)延與抖動(dòng)性能。在下行方向，還可以通過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，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(yīng)用趨于成熟。在信息消費(fèi)領(lǐng)域，將賦能數(shù)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(yīng)用深入千家萬戶;在行業(yè)融合應(yīng)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(shù)字孿生工廠等大數(shù)據(jù)應(yīng)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(shù)字城市向智慧城市升級，支撐云VR在線教育、虛擬實(shí)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(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(nèi)場所密集部署。

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