算力網(wǎng)絡(luò)時代光接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)演進

史杏崗

（天元瑞信通信技術(shù)股份有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

《國家十四五規(guī)劃》明確指出，加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國，打造數(shù)字經(jīng)濟新優(yōu)勢，加快數(shù)字社會建設(shè)步伐，提高數(shù)字政府建設(shè)水平，營造良好數(shù)字生態(tài)；加快建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施，加快5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；渴?，用戶普及率提高到56%，推廣升級千兆光纖網(wǎng)絡(luò)?！吨袊苿铀懔W(wǎng)絡(luò)白皮書》明確指出，中國移動深化創(chuàng)世界一流“力量大廈”戰(zhàn)略，積極構(gòu)建“連接+算力+能力”的新型信息服務(wù)體系，制定了算力網(wǎng)絡(luò)總體發(fā)展策略，提出了算力網(wǎng)絡(luò)全新發(fā)展計劃。明確了算網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施層、編排管理層和運營服務(wù)層的三層體系架構(gòu)，提出泛在協(xié)同、融合統(tǒng)一和一體內(nèi)生的3個發(fā)展階段[1]。

因此，千兆智能接入網(wǎng)是新型基礎(chǔ)設(shè)施的重要構(gòu)成，也是“算力網(wǎng)絡(luò)”發(fā)展的基礎(chǔ)保障。光接入網(wǎng)將承載端-邊、端-云的入算連接，按需保障算網(wǎng)服務(wù)對確定性時延及帶寬的要求。

1 面向算力網(wǎng)絡(luò)PON技術(shù)發(fā)展趨勢

接入網(wǎng)作為接入運營商網(wǎng)絡(luò)的最末端，在提升光接入網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力的同時，還需要融合網(wǎng)絡(luò)感知和網(wǎng)絡(luò)切片能力，支撐面向服務(wù)的差異化鏈路資源的隔離、匹配和路徑調(diào)度的優(yōu)化，需從以下3個方面進行提升。

（1）進一步縮小光網(wǎng)至用戶的距離，光纖到房（Fiber-To-The-Home，F(xiàn)TTH）向光纖到房間（Fiber-To-The-Room，F(xiàn)TTR）演進。基于強管控維的FTTR創(chuàng)新架構(gòu)支撐光接入網(wǎng)服務(wù)能力向客戶側(cè)延伸，保障運營商算力服務(wù)能力。

（2）提升全光接入性能，全面部署10G PON，并逐步向 50G 無源光纖網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）升級，提升網(wǎng)絡(luò)計入帶寬。創(chuàng)新跨層協(xié)同動態(tài)寬帶分配（Dynamically Bandwidth Assignment，DBA）調(diào)度、ComboDAW、隊列調(diào)度等機制全面優(yōu)化光接入時延和確定性。

（3）增強智能感知，引入Telemetry秒級采集機制，充分挖掘網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)感知和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量可視、分析和調(diào)優(yōu)，奠定算網(wǎng)協(xié)同和網(wǎng)絡(luò)自治基礎(chǔ) 。

2 下一代PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進程

2018年，ITU/FSAN啟動了基于單波長50G PON標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，命名為 G.HSP（G.Higher Speed PON）。

2019年，50G PON的總體需求 G.9804.1發(fā)布，明確了單波長時分復(fù)用技術(shù)（Time-Division Multiplexing，TDM） PON架構(gòu)以及上下行速率組合。此外，50G PON需要滿足與10G PON以及存量光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）的共存平滑演進。

2021年，ITU-T 50G PON系列標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，系列標(biāo)準(zhǔn)包括總體需求標(biāo)準(zhǔn)修訂G.9804.1 Amd1、通用協(xié)議層標(biāo)準(zhǔn)G.9804.2以及物理層標(biāo)準(zhǔn)G.9804.3。這標(biāo)志著50G PON已經(jīng)完成基礎(chǔ)功能的標(biāo)準(zhǔn)化，為下一步的產(chǎn)品研發(fā)和解決方案落地驗證奠定了基礎(chǔ)。

3 50G PON關(guān)鍵技術(shù)及進展

3.1 50G PON協(xié)議層需求

新業(yè)務(wù)、新場景對PON網(wǎng)絡(luò)時延特性提出了嚴(yán)苛要求，50G PON需要優(yōu)化TC層并支持網(wǎng)絡(luò)切片來實現(xiàn)更低傳輸時延[2]。

面向5G小站回傳以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型場景對PON線路提出嚴(yán)格時延要求，如圖1所示；面向多業(yè)務(wù)承載，PON切片能力需求強烈，保障高價值業(yè)務(wù)的時延需求。

圖1 新業(yè)務(wù)對時延的要求

3.2 50G PON協(xié)議層關(guān)鍵技術(shù)及進展

引入單幀多突發(fā)及帶外開窗技術(shù)，PON系統(tǒng)引入的最大時延可由原來的1 ms降至200 μs，甚至更低。

后續(xù)將開展時延特性和帶寬效率協(xié)同演進的新型DBA機制以及獨立注冊通道機制下業(yè)務(wù)通道和注冊通道協(xié)同工作與信息交互機制。

3.3 PON可作為一體化小站的回傳

5G小站商用化進程加速，利用PON網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)勢，50G PON可作為5G一體化小站主要回傳方案，新場景對PON系統(tǒng)時延和時間同步精度提出新的要求,如圖2所示。

圖2 小站回傳及關(guān)鍵指標(biāo)要求

4 縮小用戶接入點距離

隨著千兆業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，光接入網(wǎng)絡(luò)更加需要延伸，接近終端接入。因此，光纖到戶（FTTH）需要延伸到用戶的每一個房間（FTTR），從而構(gòu)建家庭內(nèi)部千兆無縫覆蓋、低時延、無縫漫游的真千兆能力，實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)無處不在，算力無所不達”。

4.1 FTTH組網(wǎng)方案的缺點

FTTH組網(wǎng)方案的缺點如下：（1）在千兆智能網(wǎng)關(guān)+AP架構(gòu)下，網(wǎng)線已成為家庭網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸；（2）Wi-Fi的功率以及工作頻率的影響，家庭全千兆全屋覆蓋能力不足；（3）網(wǎng)關(guān)+AP Wi-Fi設(shè)備間協(xié)同能力弱，Wi-Fi不支持漫游或漫游體驗差。

4.2 FTTR技術(shù)的優(yōu)點

進一步“光進銅退”，加速光纖向最后“黃金十米”延伸，實現(xiàn)光接入網(wǎng)端到端千兆無縫覆蓋，是滿足后續(xù)算網(wǎng)服務(wù)入算問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是光接入網(wǎng)發(fā)展的重要方向。FTTR技術(shù)的優(yōu)點如下：（1）滿足網(wǎng)絡(luò)側(cè)大帶寬能力直達用戶設(shè)備訴求，光纖延伸至房間，結(jié)合Wi-Fi6千兆能力，實現(xiàn)房間內(nèi)千兆無縫覆蓋，做強管道能力；（2）滿足用戶設(shè)備的移動訴求，光纖+分布式Wi-Fi架構(gòu)，實現(xiàn)無縫漫游；（3）滿足強交互業(yè)務(wù)的低時延端到端保障，光纖傳輸時延低，Wi-Fi+光融合調(diào)度[3,4]。

4.3 FTTR的應(yīng)用場景

FTTR的應(yīng)用場景較多，各場景對帶寬以及物理覆蓋能力等要求各異，技術(shù)方案制定時需綜合考慮。

2C場景：傳統(tǒng)家庭場景，針對別墅等高價值場景提供穩(wěn)定可靠的接入、Wi-Fi全覆蓋、無縫漫游等增值服務(wù)，如圖3所示。

圖3 2C業(yè)務(wù)示意

2B場景：寫字樓、酒店等，針對辦公場景，需求同傳統(tǒng)家庭場景，但終端接入數(shù)量、帶寬和功率預(yù)算需求相應(yīng)提高；針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景，需要端到端低時延和抖動，如圖4所示。

圖4 2B業(yè)務(wù)示意

專線/承載場景：以專線/5G小站承載場景為主，如圖5所示。

圖5 專線/承載場景示意

4.4 FTTR技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進展

根據(jù)目前情況，F(xiàn)TTR國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由中國移動牽頭主導(dǎo)，現(xiàn)并已立項，當(dāng)前還處在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的初級階段；各運營商都在積極推進FTTR試商用，但是面臨可選擇產(chǎn)品少以及價格高的難題；目前FTTR內(nèi)部都是非標(biāo)實現(xiàn)，且未與光線路終端（Optical Line Termination，OLT）實現(xiàn)解耦，規(guī)模部署存在網(wǎng)絡(luò)隱患。FTTR標(biāo)準(zhǔn)劃分及進展如表1。

表1 FTTR標(biāo)準(zhǔn)劃分及進展

4.5 FTTR的架構(gòu)構(gòu)想

業(yè)務(wù)和技術(shù)要求家庭Wi-Fi走向FTTR架構(gòu)，在極致體驗下需進一步和PON協(xié)同。

Wi-Fi維度：極致體驗訴求，要求家庭網(wǎng)絡(luò)提供1張高品質(zhì)Wi-Fi網(wǎng)；整網(wǎng)調(diào)優(yōu)技術(shù)演進：信道調(diào)優(yōu)，功率調(diào)優(yōu)，AP間負載均衡，頻譜資源管理（避讓干擾）；單點技術(shù)優(yōu)化：增強隊列調(diào)度和RU調(diào)度的協(xié)同，優(yōu)化無線多媒體（Wireless Multimedia，WMM）與正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），提升吞吐量和時延，如圖6所示。

圖6 Wi-Fi維度示意

網(wǎng)絡(luò)維度：技術(shù)演進要求1張網(wǎng)管理，提供品質(zhì)體驗；FTTR接口將網(wǎng)絡(luò)層和Native OAM能力引入到家庭網(wǎng)絡(luò)；增強業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）能力，南北向和東西向之間，南北向不同業(yè)務(wù)之間；支持原生管控維能力構(gòu)建以及管控集中帶來的協(xié)同性增強，支撐整網(wǎng)調(diào)優(yōu)，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)維度示意

4.6 FTTR的關(guān)鍵技術(shù)

4.6.1 FTTR的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1張網(wǎng)要求架構(gòu)由網(wǎng)元管理向網(wǎng)絡(luò)（多網(wǎng)元）管理演進，F(xiàn)TTR內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)接口支撐網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)精細化管控維，包括高效的數(shù)據(jù)采集能力，支持有線寬帶網(wǎng)絡(luò)向自治演進對大數(shù)據(jù)底座的要求。

FTTR網(wǎng)絡(luò)接口引入后，支撐構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)新能力，解決寬帶業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)管控維難題。

原生管控維能力：FTTR設(shè)備新增Mf接口，同時適當(dāng)擴展原有的Me接口，打造原生的管控維能力。

新能力：由于具備原生的管控維護能力，通過上層平臺，可以實現(xiàn)FTTH+FTTR全場景的QoS和差異化保障能力[5-7]。

高效數(shù)據(jù)采集：采用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT） 協(xié) 議 實 現(xiàn) 家 庭網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，基于大數(shù)據(jù)和人工智能（Artificial Intelligence，AI）分析實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的智能運維 。

4.6.2 FTTR物理層和協(xié)議層技術(shù)要求

FTTR需重點研究物理層和協(xié)議層關(guān)鍵技術(shù)，并針對局域網(wǎng)場景+Wi-Fi組網(wǎng)需求全新設(shè)計系統(tǒng)技術(shù)方案，實現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)。

光模塊技術(shù)。（1）速率，F(xiàn)TTR面向局域網(wǎng)組網(wǎng)，對標(biāo)以太網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)按照對稱速率設(shè)計，速率演進規(guī)格需進一步按需研究。（2）功率預(yù)算，針對不同場景需求重新設(shè)計功率預(yù)算。面向家庭，支持等比/不等比分光，最大分光比1:16；面向企寬，最大分光比可能需要1:32；家庭網(wǎng)絡(luò)中，需考慮光模塊的發(fā)射功率對人眼的安全。（3）波長面臨多樣選擇，既要考慮光器件產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)用，1310/1490 nm最新一代寬帶無源光纖網(wǎng)絡(luò)（Gigabit-Caoable PON，GPON）產(chǎn)業(yè)鏈，1530/1550 nm 粗波分復(fù)用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）傳輸產(chǎn)業(yè)鏈，甚至更低成本的VCSEL激光器；還要考慮FTTR主設(shè)備對接入網(wǎng)無影響，防止主設(shè)備上聯(lián)口和下聯(lián)口混插，可能導(dǎo)致影響接入網(wǎng)(同一PON下的)其他家庭的光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（Optical Network Termind，ONT）掉線。

協(xié)議層技術(shù)。（1）需支持對稱速率，東西向+南北向流量并存；（2）面向局域網(wǎng)進行功能優(yōu)化如FEC和加密簡化等；（3）開窗、DBA調(diào)度優(yōu)化、時分復(fù)用（Time Division Multiple Access，TDMA）光層調(diào)度與Wi-Fi的MAC調(diào)度協(xié)同等，最終優(yōu)化局域網(wǎng)時延；（4）動態(tài)優(yōu)化多Wi-Fi接入時干擾和無序調(diào)度問題，提升吞吐量和時延性能，實現(xiàn)光+WLAN協(xié)同調(diào)度管理；（5）從網(wǎng)關(guān)即插即用，自動配置 。

4.7 FTTR管理接口

實現(xiàn)FTTR原生管控能力，需新增FTTR網(wǎng)絡(luò)管理接口并輕量擴展Me接口。

Mf接口實現(xiàn)FTTR網(wǎng)絡(luò)全量管理，接口標(biāo)準(zhǔn)化，具備解耦能力；擴展原有Me接口，支持對FTTR網(wǎng)絡(luò)的光路管理。Me接口為原生光通道，可靠性及穩(wěn)定性最高。接口標(biāo)準(zhǔn)化，具備解耦能力。

Mf接口設(shè)計考慮：實現(xiàn)主、從1張網(wǎng)強管理，同時針對多點Wi-Fi接入進行全局優(yōu)化；支持高性能數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)底座，滿足向網(wǎng)絡(luò)自治演進；構(gòu)建QoS和差異化保障能力。

Me接口設(shè)計考慮：光層原生管理通道，可靠性最高，不依賴上層業(yè)務(wù)（Mf依賴上層業(yè)務(wù)，可以基于Me創(chuàng)建Mf、同時Me提供Mf的可靠性保障）；ONU管理控制通道（ONU Management and Control Channel，OMCC）原生的運維機制健全；支持高性能數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)底座；構(gòu)建QoS和差異化保障能力 。

5 結(jié) 論

總之來說，進入算力網(wǎng)絡(luò)時代，接入網(wǎng)是優(yōu)越算力網(wǎng)絡(luò)的最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)之一，未來50 G PON也是PON網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。目前部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)等都在制定中，同時物理層的關(guān)鍵技術(shù)也在研發(fā)，很多器件有望在年內(nèi)完成發(fā)布。50 G PON技術(shù)離人們越來越近，同時也是各運營商跟進的重中之重。另外，F(xiàn)TTR技術(shù)作為縮短用戶接入距離的接入方式，將影響運營商的算力網(wǎng)絡(luò)感知，是各運營商關(guān)注的重點技術(shù)，誰能先普及FTTR技術(shù)，誰就能贏得優(yōu)質(zhì)的算力網(wǎng)絡(luò)，提升用戶感知，贏得用戶。