家庭光纖組網技術方案探討

馬智勇

（中國電信股份有限公司上海分公司，上海200120）

1 引言

工業和信息化部《2020年前三季度通信業經濟運行情況》數據顯示，截至2020年9月國內FTTH/FTTO（fibre to the home/fibre to the office，光纖到戶/光纖到辦公室）用戶數量為4.45億戶，占固定互聯網寬帶接入用戶總數的93.5%，1 000 Mbit/s及以上接入速率的固定互聯網寬帶接入用戶達4 250 000戶。根據上海市經濟和信息化委員會、市通信管理局《上?！半p千兆寬帶城市”加速度三年行動計劃（2021—2023年）》 要求，2022年上海市新增家庭及企業寬帶用戶套餐原則上500 Mbit/s起步，2023年上海市新增家庭及企業用戶套餐原則上1 000 Mbit/s起步，至 2023年年底，千兆用戶達到百萬級。家庭千兆寬帶接入的普及已觸手可及，家庭內部網絡亟待能力提升以支持千兆及以上速率傳輸。

國內5G移動通信系統工作在至少2.1 GHz頻段，其無線信號室內穿墻衰減大，在當前的基站密度下，5G還不足以穩定承載家庭千兆接入。Wi-Fi（wireless fidelity，無線保真）工作于ISM（industrial scientific medical，工業科學醫學）開放頻段，易受穿墻衰減、信道擁擠、鄰居干擾等因素影響，即便是使用Wi-Fi 6也無法保證能夠穩定實現家庭千兆骨干網。Wi-Fi更適合用于在家庭骨干網絡的末端提供無線高速接入。

家庭內部“有線”網絡的承載能力是家庭高帶寬速率體驗的基石。光纖因其線徑?。ㄒ撞渴穑勖L（超20年）、成本低（約0.2元/m）、高容量（可至少高達Tbit/s級）等特點，使其勝過電話線、電力線、同軸線、以太網線，成為更優的家庭內部有線組網介質。

本文將家庭內部有線網絡劃分為“FTTH入戶段”和“家庭內部組網段”分別討論，如圖1所示?！癋TTH入戶段”是FTTH入戶光纜進入用戶住宅后，至家庭網關之間的光纜延伸段。“家庭內部組網段”是家庭網關至用戶住宅內各組網終端、各個房間網絡接入點或用戶終端之間的有線網絡延伸段。下文首先針對“家庭內部組網段”的光纖組網分析討論了基于ITU-T標準的“G.hn光組網方案”、參考PON（passive optical network，無源光網絡）接入網技術的“類接入網方案”、基于IEEE標準的“光以太網P2P方案”，然后針對“FTTH入戶段”的入戶光纜成端位置也給出了優化建議。

圖1 FTTH場景下家庭內部網絡組成示意圖

2 家庭內部組網段的光纖網絡方案

2.1 G.hn光組網方案

G.hn是由ITU-T（ITU Telecommunication Standardization Sector，國際電信聯盟電信標準化部門）編制，利用電話線、同軸線、電力線、光纖等傳輸介質實現家庭內部組網的國際標準，包括G.9960、G.9961等系列規范書[1-2]。G.hn定義了域（domain）的概念，將組網節點分為域主節點（domain master）、域從節點（node），如圖2所示。域主節點負責從節點準入、傳輸介質的訪問、QoS（quality of service，服務質量）、域間通信等域管理功能。G.hn各節點以TDM（time division multiplexing，時分復用）方式，通過MAC Cycle（media access control cycle，介質訪問控制周期）調度實現各節點對傳輸介質的共享，如圖3所示。每個介質訪問控制周期都包含多個時隙，其中至少一個時隙被分配給域主節點用于傳輸域管理信息和MAP（medium access plan，介質訪問規劃），其余為TXOP（transmission opportunity，數據傳輸時機），被分配給各個從節點發送數據。

圖2 G.hn網絡架構參考模型

在光纖組網方面，G.9960在 Annex F中定義了基于塑料光纖的組網技術參數，包括：中心波長為640～660 nm，最大光發射功率為0 dBm，最小接收靈敏度為-20 dBm，以及子載波間隔195.3125 kHz分別對應512個子載波的100 MHz帶寬、1 024個子載波的200 MHz帶寬的兩套OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復用）傳輸配置參數等。理論上，G.hn光纖組網物理層傳輸速率可超過1 Gbit/s。

2012年，Genexis、Teleconnect等多方合作，采用芯徑為1 mm的SI-POF（Step Index POF階躍折射率塑料光纖），首次實現了G.hn光纖組網[3]。受限于產業鏈條件，實驗采用的是80 MHz帶寬、3 202個子載波、24.41 kHz子載波間隔的G.hn同軸線OFDM傳輸配置參數。實驗中采用有限幾個1:2光分路器和G.hn光處理模組，通過光分路器正向、反向級聯實現了G.hn雙纖傳輸、單纖傳輸，搭建了P2P（point to point，點到點）、P2MP（point to multi-point，點到多點）拓撲，模擬了1個主節點、2個從節點的家庭場景，以1 518 byte分組長度測得192 Mbit/s吞吐性能，首次演示了G.hn光纖組網的文件傳輸和視頻承載。

圖3 G.hn介質訪問規劃控制的示意圖

近年，G.hn產業鏈關注點集中在電力線、電話線、同軸線傳輸，基于這3種介質的解決方案目前都已有規模應用。但在光纖介質方面，截至2021年2月，產業鏈上仍未推出AFE（analog front end，模擬前端）芯片，因此該方案在產品化方面暫無進展。

2.2 類接入網方案

類接入網方案是將FTTH接入網技術方案下沉應用到家庭內部，參考了PON技術架構，由主網關、光分路器、從設備組成，如圖4所示。其中，主網關提供類似PON系統中OLT（optical line terminal，光線路終端）的功能，從設備具備PON系統中ONU（optical network unit，光網絡單元）功能。類接入網方案以WDM（wavelength division multiplexing，波分復用）方式實現單纖雙向傳輸。以GPON（gigabit-capable passive optical network，吉比特無源光網絡）為例：下行光波長為1 490 nm、上行光波長為1 310 nm；GPON class B+的最大光發射功率為5 dBm，最小接收靈敏度為-27 dBm。在下行方向上，主網關以廣播方式發送數據，每個從設備只接收處理自己需接收的報文。在上行方向上，由主網關統一管理，各從設備以TDM方式將報文發送給主網關。

圖4 P2MP光組網示意圖

類接入網方案中主網關的一個下聯光口通過光分路器與多臺從設備實現P2MP物理連接。可以根據從設備的數量選擇1:4、1:8、1:16等不同的分光比。根據實際安裝條件，也可以采用幾個光分路器級聯方式安裝，此時也可以選擇不等比分光，使級聯光口比非級聯光口輸出更高的功率。

應用P2MP方案時需注意如下兩點：

（1）多個從設備接入到主網關的同一個下聯光口，共享該光口的轉發帶寬。以GPON光口為例，假設一個下聯光口連接了9個從設備，那么這9個從設備共享該GPON光口的下行為2.5 Gbit/s、上行為1.25 Gbit/s的物理層吞吐量。

（2）光分路器分支數量、級聯個數、不等比分光等都會影響主網關下聯光口至每個光信息點的插入損耗。為了保證網絡中所有光接收機正常工作，需要核算各光接入點位的光功率預算。

類接入網方案光纖、光纜的選用可參照FTTH接入網。G.657A2（最小彎曲半徑為7.5 mm）和G.657B3（最小彎曲半徑為5 mm）的室內蝶形光纜都可使用。

類接入網方案與FTTH PON接入網方案的差異在于：前者只運行在一個家庭網絡內，信息點數少，光傳輸距離在200 m以內；后者為多個租戶提供電信級有保障的寬帶接入，最遠光傳輸距離為20 km。因此，類接入網方案對于設備準入、密鑰安全、網絡保護、綜合管控以及傳輸距離等方面的需求會弱化。為了降低實現成本和系統復雜度，必然需要在傳統PON的基礎上進行精簡和調整。但目前缺乏標準化的指引，不同的理解、關注點和設計思路會導致不同的精簡方案，甚至會增加私有定義。華為在2020年推出的家庭光纖組網方案就是類接入網方案的具體實現。

2.3 光以太網P2P方案

光以太網P2P方案是在主網關和從設備之間構建光纖以太網。不同從設備與主網關的不同光口實現P2P光纖直連，采用以太網光模塊，從設備獨享該光口帶寬，如圖5所示。在從設備數量小于主網關下聯光口數量時，不需要增加額外設備既可以組網。在從設備數量大于主網關光口數量時，可按需引入光交換機。

圖5 點到點光組網示意圖

家庭內光以太組網的傳輸距離短，發送端和接收端光口直連，光功率衰減很小，應降低光模塊發光功率以滿足光模塊的最小接收靈敏度和最大飽和光功率的參數要求。通常千兆光以太網光口最大光發射功率為-3 dBm，最小接收靈敏度為-19 dBm。

家庭光以太網P2P方案遵循IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣電子工程師學會）802.3z、IEEE 802.3ah等標準[4-5]?？晒┻x擇的千兆光模塊有1 000 BASE-LX、1 000 BASE-SX、1 000 BASE-BX等規格。其中，1 000 BASE-LX、1 000 BASE-SX需通過兩根光纖分別進行接收和發送，而1 000 BASE-BX采用2個波長可通過WDM方式在一根光纖中進行數據雙向傳輸。

可供光以太網P2P方案選擇的光纖包括單模石英光纖（中心波長為1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm）、多模石英光纖（中心波長為850 nm、1 300 nm）、塑料光纖（中心波長為850 nm、1 300 nm）（注：塑料光纖也可工作在650 nm波長，但IEEE并未定義在千兆光以太網中使用該波長）。這3類光纖在傳輸距離、最高帶寬、彎曲半徑、接續技術、發光光源、成纜尺寸等方面存在差異。在遠距離、高速傳輸時采用單模光纖；在短距離較多節點本地互連時可采用多模光纖；在注重柔韌性好、重量輕、易接續、耐震動等場景中會使用塑料光纖，例如傳感器、飛機、汽車應用等。這3類光纖都可適用于家庭光以太網。考慮家庭內部節點數規模、墻內穿管布放光纜的數量等因素，并且為了給傳輸能力預留更大的提升空間，筆者更傾向于推薦單模、單纖雙向、光纜尺寸小的1 000 BASE-BX方案來構建家庭光以太網。

2020年中國電信上海公司與中興聯合研制發布了家庭光以太網P2P方案產品[6]。

2.4 “家庭內部組網段”的光網方案展望

G.hn光組網方案產業鏈推進相對滯后，但作為ITU-T的家庭組網標準，其影響力和接受度具有獨特優勢，其在電話線、電力線、同軸線方面的產業化積累也有助于光組網產品的啟動和推廣。因此，在后續家庭全光纖組網應用和標準化的過程中，G.hn必然是一個重要的備選方案，至少在ITU-T層面討論家庭光纖組網時是無法繞過G.hn的。

光以太網經過多年的應用和技術積累，基帶芯片和光模塊成熟，產業鏈資源豐富，有助于光以太網向家庭光組網拓展，為家庭網關、家用組網AP、智能家電、家用交換機等產品集成光以太網技術提供了便利條件?；贗EEE以太網標準，光以太P2P組網方案也比較容易實現產品之間的兼容、互通，進而打造完整的家庭光以太網網絡設備生態。

目前僅有單廠商提供類接入網方案產品。雖然參照了既有的PON接入網技術，但也涉及私有化裁剪和自定義。那么，A廠商的主網關和B廠商的從設備無法共同組網。在相當長的一段時間內，將形成主網關和從設備的單供應商綁定局面。因為多數電信行業外的廠商（例如家用AP、家電、家庭物聯網等）不熟悉PON接入網的OLT、ONU技術，一定時間內，類接入網方案供應商范圍可能只局限在電信行業內的少數廠商。在當前國際上動輒對個別廠商封鎖、打壓，以及全球芯片緊缺的大背景下，類接入網方案的可選供應商范圍狹窄、設備不互通、單供應商綁定會增加設備采購、供貨環節的不確定性，提高運維、用戶服務的風險和成本。因此，標準化及在此基礎上的互通性是類接入網方案亟待解決的問題。這也提醒運營商和已獲得先發優勢的廠商，應在以技術封閉獲取市場主導和以技術開放繁榮生態之間權衡利弊，恰當地做出選擇。

從成本角度對比光以太網P2P方案和類接入網方案，在千兆速率級的家庭光纖組網場景下，前者的光模塊價格低于后者，前者的光模數量需求略多于后者，后者需引入光分路器。以1主網關+2從設備組網為例，當采用BOB（bi-directional optical sub-assembly on board，雙向光模組在板）設計時，光以太網P2P方案、類接入網方案的設備成本相當，市場應用初期設備成本在2 000元數量級，后續隨著產業鏈的陸續跟進和生產規模的擴大，價格將逐步降低。

未來，上述3個方案都將是家庭內部組網段光網方案的強有力競爭者。方案共存，互相借鑒，彼此競爭也有利于推動方案完善、產業鏈發展和成本下降。政府部門、運營商、設備廠商、配件廠商也將合作推進方案的試驗、完善、標準化探索和技術成果轉化。表1匯總了本文對上述3個方案的對比。

表1 “家庭內部組網段”的光網方案對比

3 “FTTH入戶段”的光網優化

家庭網關是“FTTH入戶段”和“家庭內部組網段”之間的連接點，如圖1所示。家庭網關不僅具備較高的有線網絡轉發能力，也內置了Wi-Fi接入點功能。理想環境下Wi-Fi 5在5G頻段、80 MHz頻寬、2發2收配置時的應用層吞吐可以達到數百兆比特每秒。最新一代家庭網關已經集成了2.4 GHz/5 GHz雙頻、160 MHz頻寬的Wi-Fi 6模塊，理想環境下應用層吞吐可超過1 Gbit/s。通常情況下，入戶光纜成端于家庭信息箱，家庭網關被放置在家庭信息箱內。沒有家庭信息箱的用戶對入戶光纜成端和網關擺放位置的選擇因為缺乏指導往往會比較隨意。對于入戶光纜成端在何處，很多用戶都忽略了一點，那就是家庭網關位置會影響其無線性能的發揮。

家庭網關放在信息箱內外Wi-Fi信號強度的實驗室測得值對比見表2。數據顯示，將家庭網關放置信息箱外，手機接收的Wi-Fi信號強度提升13 dB（金屬門信息箱）。筆者也針對用戶住宅內不同家庭網關擺放位置對其Wi-Fi接入速率的影響進行了測試，如圖6所示，家庭網關置于金屬門信息箱內（位置1）、家庭網關就近置于信息箱外（位置2）、家庭網關置于客廳電視柜（位置3），各房間的5G頻段、80 MHz頻寬、2發2收、Wi-Fi5應用層吞吐量測試結果如圖7所示。數據顯示，將家庭網關由信息箱內改放到客廳電視柜上，客廳、飯廳等用戶主要活動區域的Wi-Fi網速基本能提升百兆以上。

表2 家庭網關位于信息箱內外Wi-Fi信號強度測得值

由此可見，在“FTTH入戶段”適當延伸入戶光纜，將家庭網關布放在客廳理想位置，基本可實現對中小房型用戶主要活動區域內的較好Wi-Fi覆蓋，其覆蓋效果與單個組網AP可比；對于需要多個組網AP實現Wi-Fi全覆蓋的大房型，也有助于減少1個組網AP的需求。

圖6 家庭網關不同擺放位置示意圖

圖7 家庭網關不同擺放位置的Wi-Fi吞吐量

因此，針對“FTTH入戶段”，筆者建議的實施方案為：將入戶光纜進行適當延伸，入戶光纜的端接以及家庭網關的安裝位置宜選擇住宅建筑戶內中心區域，一般為客廳；入戶光纜宜就近端接于家庭網關安裝位置附近，終結于墻面的光纖面板上，通過光跳線連接至家庭網關；同時，為了實現住宅內其他有線聯網終端接入家庭網關，可由客廳入戶光纜成端位置回拉線纜至信息箱或住宅其他房間。2019年至今，中國電信上海公司已開展了數千用戶的“FTTH入戶段”的光網優化試點，對用戶無線接入速率感知的提升效果顯著，相關技術方案已于2020年納入上海市信息家電行業協會團體標準[7]。后續將擴大此方案在家庭光纖組網中的應用。

4 結束語

家庭上網、辦公、信息化推動了對家庭網絡高帶寬承載能力提出了更高的需求，家庭千兆寬帶接入即將普及。家庭光纖組網成為智慧家庭組網演進重要方向。本文將家庭內部有線網絡分為“FTTH入戶段”和“家庭內部組網段”分別討論。針對“家庭內部組網段”的光纖組網，本文介紹了基于ITU-T標準的“G.hn光組網方案”、參考PON接入網技術的“類接入網方案”、基于IEEE標準的“光以太網P2P方案”等家庭光纖組網方案，從技術特點、標準化、產業鏈發展情況等進行了分析、對比和展望，后續將多方合作推進家庭光纖組網方案的試驗、完善、標準化探索和技術成果轉化。針對“FTTH入戶段”，本文闡述了網關位置優化、入戶光纜延伸成端的價值和實施建議，試驗數據證明通過“FTTH入戶段”光纜延伸成端到客廳，可以顯著提升家庭網關Wi-Fi網絡覆蓋范圍和接入速率體驗，值得在家庭光纖組網中擴大應用。