新型家庭全光網技術

王新余/WANG Xinyu，孔雪/KONG Xue，賀峰/HE Feng

（中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057 ）

1 FTTR背景和概念

近幾年，居家辦公、在線網課、網紅直播、4K/8K 超高清視頻、增強現實（AR）/虛擬現實（VR）[1-2]、云游戲等新業(yè)務層出不窮，對網絡的帶寬、時延、抖動等都提出了更高的要求?；緦拵б褵o法滿足現代家庭的多元業(yè)務需求。

在中國“雙千兆”戰(zhàn)略和“十四五”規(guī)劃的明確指引下，光纖入戶要向用戶端進一步延伸，以實現光纖到房間（FTTR）、到桌面、到機器[3]。

在業(yè)務和政策的雙輪驅動下，家庭全光網絡FTTR相關技術應運而生。FTTR 將光纖部署進一步延伸到家庭和小微企業(yè)內部的房間，實現全屋超千兆的網絡覆蓋?；跓o源光網絡（PON）點到多點（P2MP）物理架構，FTTR 由主網關、從網關和室內光纖分布式網絡（ODN）3部分組成。主網關上行連接光線路終端（OLT）的PON口，下行經分光器及光纖連接多個從網關，為每個區(qū)域提供高速可靠的網絡，實現全屋高質量的網絡覆蓋。

2 FTTR技術創(chuàng)新研究

中興通訊圍繞FTTR開展了深入研究，目前已實現多項技術創(chuàng)新。其中，有些技術創(chuàng)新已取得專利認證，有些創(chuàng)新技術已經在實際產品中落地應用。

FTTR 技術主要分為底層技術、網絡管理技術、業(yè)務保障技術三大類，如圖1所示?；诤诵能浻布芰退惴▌?chuàng)新，我們做了一系列的技術創(chuàng)新和方案改進。

▲圖1 FTTR技術架構

2.1 底層技術

2.1.1 芯片技術

FTTR 是基于P2MP 架構的家庭PON 網絡技術。相比于傳統(tǒng)家庭網關，主網關具備類OLT功能，對下掛從網關具有光路拓展、從網關注冊和業(yè)務分配等局端主控功能。這對主網關內核心芯片的架構設計、處理能力、功能擴展等都提出了更高的要求。

中興通訊研制的PON芯片能夠匹配主從網關的P2MP架構和技術功能。目前中興通訊已研發(fā)多款FTTR PON 芯片，是首家支持XGS-PON/XG-PON/10G-EPON/GPON 全系列上行制式的廠商。當前，FTTR 主網關采用現場可編程門陣列（FPGA）芯片，實現主網關的OLT化功能，但這種方式存在功耗大、成本高等問題。因此，中興通訊已啟動新一代芯片的開發(fā)。新一代芯片設計功耗更低、成本更優(yōu)，可幫助FTTR技術實現大規(guī)模推廣應用。

2.1.2 光纜與連接技術

相比于傳統(tǒng)的寬帶入戶，FTTR需整體考慮室內ODN的網絡規(guī)劃和布線施工，這也是FTTR技術得以落地商用的重要環(huán)節(jié)。ODN 網規(guī)主要分為普通場景和大戶型場景。普通場景不超過4個房間，采用1∶4的單級ODN，可支持4個從網關的接入；大戶型場景包括大平層、復式、別墅等，房間數大多超過4 個，采用不等比分光的多級級聯ODN（例如1∶5 分光器級聯，最多可支持4 級級聯、16個從網關接入）。

為了滿足不同戶型的ODN 布線需求，可采用彎曲損耗不敏感的G.657.A2或G.657.B3 光纖。施工方式具體包括暗管和明線兩種：對于新裝修房屋，可采用蝶形光纜進行暗管施工，利用管道內舊線纜抽拉引導布放，或者借助橄欖頭彈簧穿管器進行穿管；對于已裝修房屋，可視情況采用暗管或明線施工，明線施工采用隱形光纜和短線槽部署，以確保整體家居的美觀度。

據此，中興通訊編制了《家庭光纖施工技術白皮書》，詳擬了FTTR 標準化的網絡規(guī)劃和施工步驟，提供了工程物料、輔助工具的詳細清單，以及施工常見問題（FAQ）等，解決了落地推廣中ODN 布線施工難的問題。

2.2 網絡管理技術

FTTR 技術架構使家庭組網演變成了一個小型網絡接入系統(tǒng)。如何實現對從網關的可管理、可檢測、可運維，是FTTR能否成功推向市場的關鍵。

FTTR 遠程管理由3 個管理單元組成：接入網網元管理單元、網關管理單元、網絡管理單元。其中，接入網網元管理單元負責FTTR網絡PON層的管理，網關管理單元負責主網關的網關業(yè)務功能管理，網絡管理單元負責FTTR網絡的管理。三者協(xié)同管理，實現FTTR網絡的主動管理、主動診斷、主動質差和智能調優(yōu)。

2.2.1 接入網網元管理單元

接入網網元管理單元基于OLT 代理方式實現PON 層的管理，采用光網絡單元管理控制接口（OMCI）/操作管理維護（OAM）協(xié)議[4]。傳統(tǒng)光纖到戶（FTTH）的OLT 管理模型只能管理主網關，無法管理從網關。對此，中興通訊提出兩大創(chuàng)新技術，使OLT可直接管理從網關，并擁有網關的注冊、動態(tài)帶寬分配（DBA）、告警、性能統(tǒng)計、組播、版本升級等功能。

1）定義了主網關下聯PON 口與從網關的OMCI 管理模型，如圖2 所示。通過光網絡單元管理控制通道（OMCC）（PON原生OAM通道），OMCI消息直通從網關，從而實現OLT 對主網關下聯PON口和從網關的全管理。

▲圖2 主網關下聯PON口與從網關的光網絡單元管理控制接口管理模型

2）定義了用戶網絡接口（UNI）PON Interface ME 和Sub ONU Control ME。OLT 發(fā)現從網關并建立直接管理通道。OLT 負責下行，主網關負責上行，在發(fā)送信息前，先發(fā)送點燈消息，以告知后續(xù)信息所屬，如圖3所示。此項創(chuàng)新技術不僅降低了FTTR PON層的管理復雜度，還提升了管理效率。相關成果已形成專利[5]。

2.2.3 網絡管理單元

上述兩個管理單元主要是單個網關設備層面的管理，無法進行FTTR網絡的管理運維。中興通訊研發(fā)的智能管理云平臺可實現FTTR 網絡兩個方面的管理：一是FTTR 主從一張網的網絡管理，該管理主要基于消息隊列遙測傳輸（MQTT）/JSON（JS 對象簡譜）協(xié)議，包括網絡拓撲管理、Wi-Fi 信息管理和配置；二是FTTR 主從一張網的性能數據采集管理，該管理基于MQTT/GPB（gRPC ProtoBuf 編碼格式）協(xié)議，包括信息協(xié)同收集、性能與告警上報、協(xié)同漫游與調優(yōu)、交互式網絡電視（IPTV）業(yè)務配置和版本升級。

▲圖4 FTTR網關管理平臺架構創(chuàng)新

如圖5所示，我們創(chuàng)新定義了主從網關管理插件，通過主網關代管從網關的方式，實現智能管理平臺對主從一張網的管理，采用OMCC和高性能編碼協(xié)議GPB，自定義結構化數據傳遞，保證了同步的實時性。GPB協(xié)議對采集的帶寬需求僅為JSON協(xié)議的1/3，因此大大減少了對主網關下聯PON口帶寬的占用。

▲圖5 中興通訊智能管理平臺

此項創(chuàng)新技術填補了FTTR網絡管理的空白，提高了管理能力和效率，相關成果已形成專利[7]。

2.3 業(yè)務保障技術

2.3.1 漫游控制技術

無線接入終端（STA）在Wi-Fi 網絡中移動時，可以在各網關接入點（AP）之間無縫切換。這解決了大戶型家庭和小微企業(yè)場景下的Wi-Fi全覆蓋問題。當用戶終端在家中隨意移動時，如何確保網絡不掉線和業(yè)務不中斷？對此，基于多AP協(xié)同與整網感知技術，中興通訊創(chuàng)新性地提出了智能決策技術與快速切換技術，實現STA的全域無縫漫游，業(yè)務不中斷，用戶無感知。

智能決策技術主要解決“何時漫游”與“漫向何處”的問題，采用動態(tài)檢測技術，結合STA漫游歷史，綜合判斷漫游時機，并預防漫游乒乓現象的發(fā)生，如圖6（a）。漫游目標的決策是FTTR 漫游技術的核心，會直接影響用戶的接入帶寬。對此，我們提出五維評分體系，以決策出最佳漫游目標。

1）接收信號強度指示（RSSI）策略。如圖6（b），當在網絡中移動時，STA 與不同AP 之間的信號強度持續(xù)變化。該策略基于整網感知技術，綜合多個AP 與STA 的測量信息，選擇信號質量較好的AP作為切換目標。

2）負載均衡策略。如圖6（c），當AP 或射頻的接入用戶數較FTTR 組網網關較多，容易多時，單用戶的上網速率會大幅下降。負載均衡策略會平衡STA 在AP 及射頻上的分布，提升網絡的利用率。

3）流量分布均衡。如圖6（d），部分用戶在進行大數據傳輸時會占據大量的帶寬，此時選擇流量較小的AP進行漫游，可避免單AP上的傳輸競爭。

4）層級策略。如圖6（e），FTTR 存在多級組網或無線組網的情況。對于處于尾端層級的無線組網AP，接入體驗相對較差。因此在進行漫游決策時，應盡量避免選擇此類AP。

5）5 GHz頻段優(yōu)先策略。大量的實測和分析研究表明，5 GHz 頻段的接入體驗在多數時候都優(yōu)于2.4 GHz 頻段。因此，在同等條件下可優(yōu)先選擇漫游到5 GHz頻段。

快速切換技術主要解決漫游過程中“不切換”和“切換慢”的問題。獨創(chuàng)的STA 切換模型能夠分析STA 頻段、802.11 k/v/r、Wi-Fi 模式等，判斷最優(yōu)的漫游切換方式；結合組網協(xié)同，選取最小的信道集合進行802.11k 測量掃描，如圖6（f），將漫游切換時延降低到20 ms。

▲圖6 漫游決策與切換

上述漫游控制技術方案已經在實際產品中落地應用，其中部分研究成果已形成專利[8-9]。

2.3.2 容量擴張技術

未來，智慧家庭場景會有多終端同時接入網絡的情況，例如中小企業(yè)中兩三百個終端同時接入網絡。這就需要擴展傳統(tǒng)網絡的容量，在大量數據報文高并發(fā)下，保障FTTR的網絡性能。

終端接入流程如圖7所示。在第一階段，系統(tǒng)在終端接入后進行動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）地址獲取和域名系統(tǒng)（DNS）處理，通過協(xié)議棧處理業(yè)務報文，構建連接；在第二階段，系統(tǒng)對報文進行加速處理（先軟加速后硬加速）。

▲圖7 終端接入及報文轉發(fā)流程

1） 連接構建優(yōu)化

終端接入時以IPv4網絡為主。我們對DHCP地址分配和DNS轉發(fā)兩個關鍵技術進行改進，優(yōu)化了接入流程，提升了效率。

當大量終端接入時，DHCP 地址分配過程會出現大量discovery 消息堆積，導致超時且無法完成DHCP 地址分配。為此，我們提出了兩項研究改進：

一是采用報文分類隊列調度技術。我們將DHCP報文按類型分類（如discovery、request 等）并將其納入不同隊列，隨后按照一定權重出隊列（優(yōu)先處理request，然后處理discovery），以此解決消息堆積導致的超時問題。當DHCP地址池容量超過C類地址段時，可采用跨段分配機制，擴充地址容量。

二是采用三重重復地址檢測技術。相比于傳統(tǒng)的單種重復檢測技術，我們使用地址解析協(xié)議（ARP）檢測、網際報文控制協(xié)議（ICMP）檢測和鄰居表信息對要分配的地址進行三重重復檢測。該方法能大幅提高地址可用性的檢測準確度，兼容有線和無線多種鏈路，匹配原先網絡的地址狀態(tài)。

在DNS 轉發(fā)處理上，我們通過3 個方面的優(yōu)化來提升DNS轉發(fā)性能：

一是DNS 程序的flowcache 和dnscache 容量擴展：flowcache 容量擴大到原先的4 倍，單DNS 請求記錄調整為原先1/4，并進行Hash查找優(yōu)化；dnscache容量也擴大到原來的4倍，采用環(huán)形隊列和Hash查找方式。

二是DNS 轉發(fā)路徑優(yōu)化：配置數據預讀，降低頻繁讀取文件，提升查找效率。

三是DNS 功能模塊化標準化：注入DNS 解析流程，減少DNS重復解析。

2）報文加速優(yōu)化

我們改進了加速條目容量和快速查詢算法，實現了FTTR網絡的容量擴充和性能提升。

軟加速將報文直接轉發(fā)，避免走協(xié)議棧。我們將軟加速的連接跟蹤數和條目增加到原來的8倍，同時引入環(huán)形隊列和Hash 算法以實現快速查找。軟加速學習到連接條目后，將其配置到硬加速。報文直接經硬件轉發(fā)，不通過CPU。將硬加速條目數也擴大8 倍，采用Hash 算法快速查詢，可避免通過五元組在整個表中進行對比。

2.3.3 業(yè)務感知應用識別技術

面對日益豐富的家庭應用，應用流量的精確控制是網絡管理面臨的重大挑戰(zhàn)。精確識別是實現精確控制的必要前提。業(yè)務感知應用識別技術[10]通過提取報文中特定字段或報文的行為特征，與業(yè)務感知特征庫進行匹配，進而識別應用。相比于傳統(tǒng)的協(xié)議識別技術，該技術適用范圍更廣，智能化程度更高。

中興通訊研發(fā)了業(yè)務感知應用識別插件ZXDPI。ZXDPI持續(xù)從互聯網應用中提取常見應用的特征，并將其存儲到智能管理云平臺的業(yè)務感知特征庫中。特征庫保持動態(tài)更新，避免APP應用對深度包檢測（DPI）插件的反制。FTTR網關也定期同步，動態(tài)加載新增的特征庫。當業(yè)務流量進入網絡后，ZXDPI進行應用分類和業(yè)務流分析，將分析結果和網關的特征庫進行對比，識別出該應用程序，進而實施精細化服務質量（QoS）策略控制。

目前該技術實現了游戲、視頻、辦公、支付、社交5類應用的智能管控，已經在實際產品中落地應用。

2.3.4 綠色節(jié)能

FTTR 組網網關較多，容易出現流量不均衡的情況。有些從網關的業(yè)務流量大，有些從網關的流量較小甚至沒有流量。對此，我們開發(fā)了綠色節(jié)能機制，對整網流量進行動態(tài)智能分析，在用戶無感知的情況下實施節(jié)能控制，實現網絡負載均衡和整體能耗最低，如圖8所示。主網關定時獲取所有從網關的業(yè)務信息，計算出整網的業(yè)務分配和從網關的資源占用情況，并制定業(yè)務平衡調整策略；從網關調整好自身業(yè)務，并執(zhí)行節(jié)能控制。如果從網關的業(yè)務情況發(fā)生變化，從網關可及時退出節(jié)能控制，以確保不影響用戶的業(yè)務。

▲圖8 綠色節(jié)能機制流程圖

基于大量的研究測試，我們形成了3個層面的節(jié)能控制措施：

1）LAN口層面：進行快速以太網切換或關停操作。

2）Wi-Fi層面：進行多輸入多輸出（MIMO）切換或關停操作。

3）芯片層面：進行降頻或復位操作。通過多輪優(yōu)化與驗證，我們將FTTR網關的功耗降低了50%。

2.3.5 分段測速

目前，多數家庭網絡報障多為“上網慢”“卡頓”等，運營商無法定位具體的故障原因。我們研發(fā)了FTTR分段測速方案，將網絡分為主網關出口至服務器、主網關至從網關和各網關至用戶終端，以測試各分段網絡的速率。通過速率對比，該方案能夠實現故障快速定界，從而找出故障原因。

分段測速方案如圖9 所示，主從網關之間采用iPerf 測速。原先的方案需要經過整個協(xié)議棧，并且中央處理器（CPU）全程參與。這導致CPU滿載，只能測到線速的25%，影響網絡診斷的準確性。對此，我們設法減少CPU的參與，使主網關到從網關的測速能達到下行線速值，從網關到主網關的測速能到上行線速值。

▲圖9 分段測速方案

FTTR 分段測速方案已經在實際產品中落地應用，實現了運維零上門、用戶零操作。該方案不僅能夠實現對故障的快速定界定位，還可以實現全網批量測速、問題批量整改。

3 FTTR的機遇與挑戰(zhàn)

隨著各類新興應用的發(fā)展，家庭網絡也在飛速演進，FTTR 勢必會面臨諸多挑戰(zhàn)。中興通訊在持續(xù)思考和探索，不斷推動FTTR技術的創(chuàng)新發(fā)展。

在底層技術方面，我們已經啟動新一代FTTR PON芯片的研發(fā)，以更好適配未來FTTR 的產品競爭力和網絡技術要求。針對落地推廣中面臨的ODN布線施工難題，我們已研發(fā)出面板式從網關和吸頂式從網關，并有多種安裝部署方案可供選擇。

在網絡管理方面，基于FTTH管理平臺，我們研發(fā)了中興智能管理云平臺，實現了FTTR網絡管理。目前該平臺還存在標準規(guī)范上的不足，無法管理到FTTR 的每一個層面。因此，對于FTTR的管理標準，我們將逐步細化和優(yōu)化。

在業(yè)務保障方面，當前FTTR 技術實現了300 STA 并發(fā)場景，未來會突破300 STA接入能力。因此我們還需要進一步研究網絡擴容和性能優(yōu)化方案，不斷提高智能業(yè)務感知應用技術的識別效率，擴大應用范圍，以實現更多家庭和企業(yè)復雜網絡中業(yè)務流量的精確管控。

在網絡演進方面，10G PON 向50G PON 演進，會給FTTR 提供更高的帶寬。在Wi-Fi 6 向Wi-Fi 7 的演進中，除了具有更高的速率外，Wi-Fi 7 引入了多鏈路設備（MLD）技術，把傳統(tǒng)的Wi-Fi單鏈路改造成多鏈路，在射頻鏈路上增加了冗余，未來升級到Wi-Fi 7 的FTTR 可以更好地實現無縫漫游。

4 結束語

繼FTTH 的巨大成功之后，FTTR開啟了第二次光纖革命。中興通訊在芯片和連接技術、網絡管理平臺、業(yè)務保障機制等方面實現了多項技術創(chuàng)新，為用戶提供高速網絡和極致體驗，助力運營商打造高質量的家庭千兆網絡。未來，我們將持續(xù)進行FTTR 技術攻關，探索與FTTR 相結合的前沿技術和創(chuàng)新應用，推動家庭全光新基建，筑基智慧家庭新未來。

致謝

本文得到中興通訊股份有限公司李二潔、羊兆磊、武云飛、董志華、石宏宇的幫助，在此表示感謝！