全光萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景分析

摘要：文章圍繞全光萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景這一主題，闡述全光萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)以及萬(wàn)兆時(shí)代在家庭業(yè)務(wù)、行業(yè)應(yīng)用、城市建設(shè)方面的應(yīng)用場(chǎng)景，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)萬(wàn)兆技術(shù)對(duì)人們生活帶來(lái)的新體驗(yàn)及各應(yīng)用對(duì)寬帶建設(shè)提出的需求，以期為該領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞： 萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)；50G PON；云網(wǎng)融合

一、引言

2024年2月，工業(yè)和信息化部公布了2023年千兆城市建設(shè)情況，全年新增97個(gè)城市達(dá)到千兆城市標(biāo)準(zhǔn)，完成千兆城市總結(jié)評(píng)估工作，重點(diǎn)場(chǎng)所5G網(wǎng)絡(luò)通達(dá)率超99.5％。就在千兆寬帶推進(jìn)時(shí)，下一代萬(wàn)兆寬帶也處于技術(shù)試點(diǎn)和應(yīng)用探索階段。萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)不僅能夠提供比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)快近百倍的網(wǎng)絡(luò)速度服務(wù)，還具備更穩(wěn)定的傳輸質(zhì)量，可以最大程度地滿足用戶日常生活中對(duì)各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，如智能家居控制、視頻點(diǎn)播、VR在線游戲、遠(yuǎn)程辦公等。此外，萬(wàn)兆光網(wǎng)呈現(xiàn)的全光連接、超高帶寬、云網(wǎng)融合、智能化和極致體驗(yàn)等趨勢(shì)[1]，既能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)連接需要，又能夠支持行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用，更加速了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)變。

二、家庭萬(wàn)兆數(shù)字生活

萬(wàn)兆技術(shù)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)將加速家庭新業(yè)務(wù)落地，如沉浸式交互視頻類應(yīng)用、萬(wàn)兆家庭云網(wǎng)新業(yè)務(wù)及3D光感知。

（一）沉浸式交互視頻類應(yīng)用

家庭高帶寬業(yè)務(wù)一直是圍繞高清大屏展開的，萬(wàn)兆時(shí)代的發(fā)展方向如下：更高品質(zhì)、沉浸感的大屏顯示，裸眼3D顯示、自由視角觀影及直播。

萬(wàn)兆時(shí)代，主流大屏的分辨率將達(dá)到8K。目前，8K產(chǎn)業(yè)鏈正在逐漸成熟，并在國(guó)家政策的引導(dǎo)下加速發(fā)展。從終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到內(nèi)容制作、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已形成了完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。預(yù)期到2024年末，8K應(yīng)用將逐漸進(jìn)入家庭。此外，幀率和色深也將在一定程度上影響高清視頻的沉浸感，不同體驗(yàn)等級(jí)的典型值如表1所示。

大部分場(chǎng)景下，8K已接近人眼的分辨極限。8K之后，大屏分辨率進(jìn)一步發(fā)展動(dòng)力可能來(lái)自于裸眼3D。為了保持8K體驗(yàn)，同時(shí)產(chǎn)生上下、左右各三個(gè)視點(diǎn)就需要32K分辨率的底屏。不同體驗(yàn)等級(jí)的裸眼3D顯示屏典型值如表2所示。

自由視角視頻作為一種具備沉浸式體驗(yàn)的類VR應(yīng)用，近年來(lái)得到了快速發(fā)展，有望帶來(lái)全新的網(wǎng)絡(luò)觀影模式，并成為家庭寬帶訴求的重要來(lái)源。自由視角視頻在圖像采集端使用幾十個(gè)攝像機(jī)，同時(shí)從不同角度拍攝同一場(chǎng)景，終端用戶通過(guò)滑動(dòng)屏幕、遙控器或者搖動(dòng)手機(jī)選擇觀看角度。為了保證視角切換流暢，新視角視頻流需要在50毫秒內(nèi)完成切換。對(duì)于普通8K視頻，一般需要初始緩存70M～75M的比特?cái)?shù)據(jù)，因此推算將產(chǎn)生17.6 Gbps峰值帶寬，這需要萬(wàn)兆接入承載。

此外，未來(lái)大屏將被全場(chǎng)景地集成在不同產(chǎn)品中，如集成4K大屏的VR動(dòng)感單車、座艙式辦公椅、智能臥艙、智能桌面等，大屏間的交互和信息融合將進(jìn)一步推高并發(fā)帶寬的需求。

（二）萬(wàn)兆家庭云網(wǎng)新業(yè)務(wù)

萬(wàn)兆云網(wǎng)給家庭寬帶用戶帶來(lái)極速、安全、共享的云存儲(chǔ)服務(wù)。首先，萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)能夠提供極致的云存儲(chǔ)體驗(yàn)。由于其出口帶寬接近存儲(chǔ)介質(zhì)讀寫速率上限，萬(wàn)兆云存儲(chǔ)能夠提供與本地存儲(chǔ)無(wú)異的極致讀寫速率，可以提升如極速終端備份、SMB/NFS文件共享、家庭多媒體中心的使用體驗(yàn)等。其次，萬(wàn)兆云網(wǎng)能夠提供更好的數(shù)據(jù)安全。大二層的內(nèi)網(wǎng)架構(gòu)降低了數(shù)據(jù)從家庭到云存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)，更好地保護(hù)了家庭隱私數(shù)據(jù)。最后，萬(wàn)兆云網(wǎng)能夠作為家庭設(shè)備的高速數(shù)據(jù)緩存。家用攝像頭、傳感器、機(jī)器人產(chǎn)生的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以直接存入邊緣云，作為數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段的緩存，等待家庭IDC計(jì)算任務(wù)調(diào)用。

萬(wàn)兆云網(wǎng)還帶來(lái)了強(qiáng)交互業(yè)務(wù)的體驗(yàn)升級(jí)，如云游戲。帶寬是影響大屏云游戲體驗(yàn)的重要因素[2]。當(dāng)前基于IDC的云游戲運(yùn)營(yíng)架構(gòu)使用高壓縮比算法（如H.264，300倍壓縮）壓縮原始視頻流，以減小IDC出口帶寬，降低成本。然而，此類算法的壓縮/解壓縮過(guò)程近40毫秒，無(wú)法保證云游戲畫面順暢的時(shí)延要求（RTT小于20毫秒）。帶寬、時(shí)延、成本的制約，限制了大屏云游戲的發(fā)展。而萬(wàn)兆家庭云網(wǎng)提供了新的可能：使用淺壓縮算法，甚至無(wú)壓縮推流。定量來(lái)說(shuō)，原始4K視頻流在淺壓縮算法處理下，RTT可以縮減至10毫秒內(nèi)，代價(jià)是輸出碼率提升至近1Gbps，占用1.5Gbps網(wǎng)絡(luò)帶寬，即淺壓縮算法將帶寬轉(zhuǎn)換為低時(shí)延特性。另外，萬(wàn)兆接入技術(shù)能夠降低每比特率成本，這將加速大屏云游戲形成從內(nèi)容到設(shè)備的商業(yè)正循環(huán)，推動(dòng)商業(yè)模式落地。相同的邏輯也可以應(yīng)用于其他強(qiáng)交互視頻類業(yè)務(wù)，如云電腦、云健身、云XR等，帶來(lái)使用體驗(yàn)的全面提升。

（三）3D光感知

3D光感知是一種基于固態(tài)紅外激光雷達(dá)的光學(xué)感知技術(shù)。采集的數(shù)據(jù)是三維離散點(diǎn)陣。由于點(diǎn)陣間隔在厘米量級(jí)，無(wú)法識(shí)別明顯的人臉特征，很好地保護(hù)了個(gè)人隱私，消除了使用者的心理負(fù)擔(dān)。同時(shí)也天然適配數(shù)據(jù)安全上云，而無(wú)需在本地做額外的數(shù)據(jù)預(yù)處理。3D光感知采集的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)通常很難高度壓縮。根據(jù)實(shí)測(cè)，一路實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)消耗300-550Mbps帶寬?？紤]家庭使用場(chǎng)景，需要若干3D光感知前端同步使用，其并發(fā)流量需要用萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)承載上云。

3D光感知回傳數(shù)據(jù)結(jié)合萬(wàn)兆家庭云網(wǎng)還能產(chǎn)生新的業(yè)務(wù)：跌倒預(yù)警和分類、慢性疾病及行為跟蹤、家電手勢(shì)控制、攝像頭聯(lián)動(dòng)、云游戲及云健身動(dòng)作捕捉、智慧家庭家電聯(lián)動(dòng)的感動(dòng)等。

三、 行業(yè)萬(wàn)兆數(shù)字轉(zhuǎn)型

萬(wàn)兆接入技術(shù)的部署將加速千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，如教育轉(zhuǎn)型的XR電教室、商務(wù)領(lǐng)域的企業(yè)云網(wǎng)、醫(yī)療領(lǐng)域的全光院區(qū)及工業(yè)領(lǐng)域的AI質(zhì)檢等。

（一）園區(qū)辦公

企業(yè)云網(wǎng)業(yè)務(wù)和Wi-Fi 7升級(jí)是驅(qū)動(dòng)萬(wàn)兆光接入在企業(yè)部署的兩大因素。

企業(yè)通過(guò)應(yīng)用上云和算力租用，可以快速開局，降低TCO。這對(duì)于小微企業(yè)和初創(chuàng)公司降低初期投入非常重要，尤其是強(qiáng)計(jì)算依賴的行業(yè)，如建筑設(shè)計(jì)、影視動(dòng)畫、芯片設(shè)計(jì)等。此外，應(yīng)用的云化還有利于企業(yè)快速集成第三方服務(wù)到業(yè)務(wù)流程，如數(shù)據(jù)挖掘、AI訓(xùn)練和推理等；也有利于服務(wù)提供商以功能顆粒度提供服務(wù)許可，按時(shí)按需收費(fèi)。但企業(yè)數(shù)據(jù)上云涉及關(guān)鍵數(shù)據(jù)外移風(fēng)險(xiǎn)，不符合“原始數(shù)據(jù)不出域”的原則。

萬(wàn)兆企業(yè)云網(wǎng)解決方案：對(duì)于企業(yè)核心數(shù)據(jù)資產(chǎn)，企業(yè)可將核心數(shù)據(jù)保留在本地。所有在遠(yuǎn)端參與計(jì)算的核心數(shù)據(jù)直接從本地讀取，“隨用隨傳，即用即刪”，無(wú)需在公司外備份，既滿足低成本算力租用需求，又能保證企業(yè)數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全。對(duì)于企業(yè)非核心或非原始數(shù)據(jù)，如日常管理數(shù)據(jù)、協(xié)作文檔、數(shù)據(jù)共享、圖像渲染中間文件、AI模型數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)容災(zāi)備份，萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)能保障邊緣云NAS與企業(yè)間的極速數(shù)據(jù)傳輸，提升使用體驗(yàn)，加速企業(yè)上云。

萬(wàn)兆部署的動(dòng)力還來(lái)自園區(qū)[3]、樓宇的Wi-Fi 7覆蓋升級(jí)。隨著新型辦公終端的應(yīng)用，如裸眼3D平板、AR眼鏡、MR桌面，網(wǎng)絡(luò)需要更高的無(wú)線接入帶寬和更小的漫游時(shí)延來(lái)保證使用體驗(yàn)。典型的三頻Wi-Fi 7傳輸速率近8Gbps，其并發(fā)回傳數(shù)據(jù)需要萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)承載。

（二）全光醫(yī)院

全光醫(yī)院數(shù)字化依賴萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)高帶寬、高可靠、低時(shí)延、綜合承載等特性[4]。

醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的高帶寬需求主要來(lái)自醫(yī)學(xué)影像傳輸。一方面，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)設(shè)備升級(jí)，采集數(shù)據(jù)量急劇增加。一次半身CT掃描數(shù)據(jù)可達(dá)近10GB。另一方面，多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，通常需要超過(guò)1Gbps的傳輸帶寬。此外，新技術(shù)的應(yīng)用也推動(dòng)了院區(qū)帶寬需求，如3D光感知的應(yīng)用。

醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的高可靠需求主要來(lái)自生命維護(hù)和外科手術(shù)相關(guān)的設(shè)備。萬(wàn)兆光網(wǎng)絡(luò)由于抗電磁干擾特性及帶寬換可靠性能力，能滿足醫(yī)院的高可靠性需求。

醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)對(duì)低時(shí)延的要求一方面來(lái)自實(shí)時(shí)接入式影像、手術(shù)輔助；另一方面來(lái)自3D閱片技術(shù)的革新。與云渲染類似，為使閱片體驗(yàn)自然順暢，視角轉(zhuǎn)換和渲染層選取的RTT要小于20毫秒，通過(guò)大帶寬換取低時(shí)延的方式能夠滿足需求。

出于隔離標(biāo)準(zhǔn)考慮，醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)組成。不同業(yè)務(wù)、部分的數(shù)據(jù)相互隔離，設(shè)備冗余、管理復(fù)雜。50G PON技術(shù)具備兩方面優(yōu)勢(shì)：一方面，ODN點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，極大簡(jiǎn)化了組網(wǎng)和設(shè)備部署；另一方面，通過(guò)芯片級(jí)硬切片，可將ODN分割成物理隔離的獨(dú)立子網(wǎng)，不同業(yè)務(wù)間互不干擾，做到“一網(wǎng)多用，極簡(jiǎn)運(yùn)維”。

（三）工業(yè)制造

萬(wàn)兆接入的工業(yè)應(yīng)用聚焦在萬(wàn)兆工業(yè)云網(wǎng)新業(yè)務(wù)，以AI質(zhì)檢升級(jí)為例。使用工業(yè)相機(jī)和機(jī)器視覺(jué)算法的AI質(zhì)檢能降低人力投入，提高生產(chǎn)效率。但傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)算法通用性不強(qiáng)，針對(duì)特定任務(wù)，需大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，成本高。隨著AI通用預(yù)訓(xùn)練模型不斷完善，基于人工智能的AI質(zhì)檢有望落地，提升工業(yè)質(zhì)檢的通用性：一方面，AI質(zhì)檢使用通用視覺(jué)預(yù)訓(xùn)練大模型的本地蒸餾和小樣本二次訓(xùn)練，獲得更加精準(zhǔn)的任務(wù)匹配、更強(qiáng)的場(chǎng)景適應(yīng)性和可復(fù)制的低成本算法解決方案。另一方面，AI質(zhì)檢能更具需求，生成多任務(wù)模型，以同時(shí)識(shí)別不同類型目標(biāo)，并隨著數(shù)據(jù)累積不斷迭代完善模型性能。

萬(wàn)兆工業(yè)云網(wǎng)解決方案：工廠通過(guò)萬(wàn)兆工業(yè)光網(wǎng)[5]，將原始圖像數(shù)據(jù)（20Gbps/產(chǎn)線）無(wú)壓縮地傳輸至本地存儲(chǔ)設(shè)備。在租用邊緣節(jié)點(diǎn)算力的情況下，原始數(shù)據(jù)從本地設(shè)備向園區(qū)內(nèi)或更上層的邊緣算力節(jié)點(diǎn)按需傳輸。由于萬(wàn)兆傳輸帶寬，數(shù)據(jù)隨傳隨用，無(wú)需在遠(yuǎn)端備份。邊緣節(jié)點(diǎn)完成模型推理、大模型整理及本地模型場(chǎng)景適配與更新，并生成可對(duì)外變現(xiàn)的各類模型組建。這既解決了低成本算力可獲得性，又保障了企業(yè)原始數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全及數(shù)據(jù)變現(xiàn)。

四、 城市萬(wàn)兆數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施

對(duì)一個(gè)城市的全域精細(xì)化管理，同時(shí)做到速度、精度、溫度并存，是一件極其挑戰(zhàn)的事情。以萬(wàn)兆為代表的信息基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)將給超大城市治理體系和治理能力帶來(lái)全新的理念和更高效的手段，推動(dòng)城市數(shù)字化發(fā)展。

（一）區(qū)域性萬(wàn)兆行業(yè)專網(wǎng)和政務(wù)外網(wǎng)綜合承載

數(shù)字城市的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)依賴政務(wù)網(wǎng)絡(luò)及區(qū)域行業(yè)專網(wǎng)的高效可靠連接。市、區(qū)、街道各級(jí)政務(wù)、警務(wù)、公共服務(wù)站點(diǎn)位置接近，且組織結(jié)構(gòu)多為樹狀分支。與之類似的有各類行業(yè)專網(wǎng)，如醫(yī)療聯(lián)合體、銀行分支機(jī)構(gòu)等。萬(wàn)兆接入技術(shù)在城市區(qū)域性信息綜合承載領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：一方面，PON接入網(wǎng)點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c行業(yè)站點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)和位置分布匹配，借助萬(wàn)兆接入綜合承載能力，多機(jī)構(gòu)可方便地共享網(wǎng)絡(luò)資源，做到“一網(wǎng)多用，極簡(jiǎn)運(yùn)維”，降低建網(wǎng)及運(yùn)營(yíng)成本。另一方面，不同行業(yè)、機(jī)構(gòu)站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)隔離，50G PON大帶寬及硬切片技術(shù)能提供芯片級(jí)時(shí)隙隔離，充足的帶寬保證了各切片擁有足夠的專屬帶寬資源。

（二）城市智慧綜合桿

城市綜合桿作為智慧交通和數(shù)字城市的重要組成部分，能提升對(duì)城市運(yùn)行狀態(tài)的感知、監(jiān)測(cè)、預(yù)警能力，為城市治理提供全新手段。而城市綜合桿與萬(wàn)兆城市云網(wǎng)融合將成為面向未來(lái)的城市數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。

城市智慧綜合桿的基本功能單元包括視頻、無(wú)線、感知、照明、顯示、環(huán)境傳感、應(yīng)急系統(tǒng)等，根據(jù)場(chǎng)景有不同的組合。其中，感知單元可以是用于全天候車流檢測(cè)的毫米波雷達(dá)，也可以是用于路口精確感知和道路建筑物建模的激光雷達(dá)；無(wú)線通信單元既可以是針對(duì)高速車路協(xié)同的5G RSU，也可以是高密度公共覆蓋的Wi-Fi熱點(diǎn)，或是針對(duì)城市低功耗傳感器的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。

在智慧交通應(yīng)用中，綜合桿將道路、路口實(shí)時(shí)信息匯聚、回傳至萬(wàn)兆城市云網(wǎng)的邊緣節(jié)點(diǎn)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，定位道路擁堵根源，并及時(shí)通過(guò)如交通燈控制、交警干預(yù)、潮汐車道變換及路況廣播等手段，實(shí)現(xiàn)疏堵。綜合桿上部署RSU后，可為全天候、全場(chǎng)景的無(wú)人駕駛提供高速數(shù)據(jù)連接。通過(guò)全市統(tǒng)一的“城市大腦”，可以進(jìn)一步提供道路態(tài)勢(shì)感知、擁堵預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)性引流，實(shí)現(xiàn)“零干預(yù)”疏堵。

城市物聯(lián)應(yīng)用中，綜合桿可以作為感知節(jié)點(diǎn)，集成微型氣象站、環(huán)境監(jiān)測(cè)站等環(huán)境監(jiān)測(cè)感知設(shè)施；作為匯聚節(jié)點(diǎn)，收集桿站周邊的傳感器數(shù)據(jù)，甚至向傳感器提供能量。在未來(lái)，以城市綜合桿為感知層的城市物聯(lián)系統(tǒng)將構(gòu)建一個(gè)全息的數(shù)字孿生城市平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出元宇宙之城。

五、結(jié)束語(yǔ)

萬(wàn)兆時(shí)代家庭數(shù)字生活、行業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型和城市數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的典型應(yīng)用需求需要寬帶網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步升級(jí)[6]。萬(wàn)兆光網(wǎng)呈現(xiàn)出的全光連接、超高帶寬、云網(wǎng)融合、智能化和極致體驗(yàn)等特點(diǎn)，可以服務(wù)各行業(yè)的新業(yè)務(wù)升級(jí)，更高帶寬的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)是下一代通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的必然趨勢(shì)。

作者單位：梁娟" " 武漢交通職業(yè)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院

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