全光智慧城市關(guān)鍵技術(shù)探討

［劉杰］

1 前言

2020 年11 月，國家信息中心正式發(fā)布了《全光智慧城市白皮書》（以下簡稱“白皮書”）。白皮書結(jié)合智慧城市建設(shè)需求和全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，提出了全光智慧城市的發(fā)展理念。隨著F5G（第五代固定寬帶網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的提出、技術(shù)特性和代表性技術(shù)的明確，使得F5G 技術(shù)成為建設(shè)全光智慧城市的基石。

白皮書旨在加速全光基礎(chǔ)設(shè)施的部署與升級，以高質(zhì)量聯(lián)接構(gòu)筑城市智慧，推動基于F5G 的智慧城市創(chuàng)新應(yīng)用場景。F5G 將賦能智慧城市開啟全光時(shí)代，構(gòu)建城市“1 ms”時(shí)延圈，實(shí)現(xiàn)確定性的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。

2 F5G 概述

2020 年2 月，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）宣布成立第五代固定網(wǎng)絡(luò)工作組（ETSI ISG F5G），工作組共有10家成員，分別為：eG4U 協(xié)會、葡萄牙電信、土耳其電信、德國Fraunhofer 電信學(xué)院、意大利電信、盧森堡電信、中國電信、中國信通院、中國信科、華為。自成立以后，工作組進(jìn)一步壯大，現(xiàn)已發(fā)展到40 多家成員。

F5G 全稱為：第五代固定網(wǎng)絡(luò)（The 5th generation Fixed networks）。在F5G 工作組成立之前，固定網(wǎng)絡(luò)并沒有明確的代級劃分。隨著F5G 關(guān)鍵技術(shù)的明確，業(yè)界對F1G～G4G 進(jìn)行了重新劃分及定義，至此固定網(wǎng)絡(luò)代級劃分得到確定。具體劃分如表1 所示。

表1 固定網(wǎng)絡(luò)代級劃分信息表

第三、四代固定網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是“光進(jìn)銅退”和“光纖到戶”。對于第五代固定網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)5G 工作組成立之初，就提出了“光聯(lián)萬物（Fiber to Everywhere）”的產(chǎn)業(yè)愿景，并定義了3 種F5G 的目標(biāo)服務(wù)場景：

（1）住宅

對于云VR、8K 高清視頻等業(yè)務(wù)，只有家庭接入帶寬達(dá)到1 Gbit/s，端到端網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)得到保證，才能實(shí)現(xiàn)良好的客戶體驗(yàn)（QoE）。

（2）商業(yè)

與園區(qū)客戶一樣，他們對寬帶網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)質(zhì)量和安全性都有更高的要求。因此，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將要求提供高質(zhì)量的寬帶接入和專線溢價(jià)服務(wù)。隨著公有云服務(wù)（如PaaS）的快速普及，運(yùn)營商需要向越來越多的企業(yè)提供高帶寬、高質(zhì)量的寬帶網(wǎng)絡(luò)，使企業(yè)能夠接入云。

（3）垂直行業(yè)

智慧城市將擁有許多設(shè)備，如智能監(jiān)控和智能燈桿，每個都需要寬帶連接，網(wǎng)絡(luò)必須為這些設(shè)備提供訪問能力，并滿足帶寬和延遲的要求。

智能制造（如工業(yè)4.0），一個統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡(luò)可以用來支持3 個獨(dú)立的具有不同要求的服務(wù)：生產(chǎn)線制造（生產(chǎn)網(wǎng)）、辦公系統(tǒng)（辦公網(wǎng)）和園區(qū)設(shè)備（園區(qū)網(wǎng)，包括閉路電視和訪問控制）。生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)需要超可靠和超低延遲的連接，辦公網(wǎng)絡(luò)需要對稱的高帶寬，園區(qū)網(wǎng)必須提供大量的連接和方便的維護(hù)。

F5G 的主要商業(yè)驅(qū)動因素本質(zhì)上是由速度、密度和延遲3 個維度構(gòu)成，而這3 個維度是基于eFBB、FFC 和GRE 三個技術(shù)特性實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)5G 商業(yè)驅(qū)動因素如圖1 所示，F(xiàn)5G 技術(shù)特性如圖2 所示。

圖1 F5G 商業(yè)驅(qū)動因素

圖2 F5G 技術(shù)特性

（1）eFBB（enhanced fixed broadband，增強(qiáng)型固定寬帶）

與F4G 光纖寬帶相比，F(xiàn)5G 進(jìn)一步增加了10 倍以上的帶寬。以10G PON 為代表的光纖訪問技術(shù)提供了這種改進(jìn)。每個用戶的網(wǎng)絡(luò)帶寬具有對稱的千兆上行和下行帶寬能力。Wi-Fi6 技術(shù)用于打破最后10 米千兆連接的瓶頸。用戶可以有效地連接到數(shù)據(jù)中心，并享受高帶寬體驗(yàn)。

（2）FFC（full-fiber connection，全光聯(lián)接）

F5G 使用全覆蓋的光纖基礎(chǔ)設(shè)施來支持無處不在的連接，包括家庭連接、機(jī)器連接和每個房間之間的連接，支持垂直行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展。業(yè)務(wù)場景的擴(kuò)展和連接數(shù)量百倍的增加，開啟了全光聯(lián)接時(shí)代。

（3）GRE（guaranteed reliable experience，極致體驗(yàn)）

憑借光纖獨(dú)有的高品質(zhì)傳輸能力，支持幾乎零丟包、微秒級延遲和抖動，配合人工智能和大數(shù)據(jù)的智能運(yùn)維，滿足用戶對極致體驗(yàn)的需求。

3 F5G 代表性技術(shù)

F5G 的代表性技術(shù)包含：10G PON、Wi-Fi6、200G/400G、OXC、NG OTN 等。

（1）10G PON

PON 是一種采用點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，由以下三部分組成：局端光線路終端（OLT）、光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）和用戶側(cè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 PON 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

OLT 可以是一個L2 交換機(jī)或L3 路由器，提供網(wǎng)絡(luò)集中和接入；ODN 為無源光分配網(wǎng)，主要為OLT 和ONU之間提供光傳輸?shù)奈锢砉饫w通道；ONU 位于用戶側(cè)，用于接入用戶設(shè)備。PON下行采用1 490 nm波長，廣播方式；上行采用1 310 nm 波長，點(diǎn)到點(diǎn)方式。

PON 技術(shù)經(jīng)歷了EPON、GPON、10G PON 等3 個階段，現(xiàn)在國內(nèi)各大運(yùn)營商傾力打造的“三千兆”（千兆5G+千兆WiFi+千兆寬帶）全場景立體化高速率的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，當(dāng)中的“千兆寬帶”就是基于10G PON 技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口10 Gbit/s，用戶側(cè)接口1 Gbit/s）。

（2）Wi-Fi6

IEEE 802.11 是針對WIFI 技術(shù)制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，第一個版本發(fā)表于1997 年，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層和物理層。到目前為止已經(jīng)發(fā)展到第六代WIFI 技術(shù)，其主要標(biāo)準(zhǔn)間的技術(shù)屬性對比如表2 所示。

表2 WIFI 技術(shù)對比表

當(dāng)前國內(nèi)各大運(yùn)營商傾力打造的“三千兆”（千兆5G+千兆WiFi+千兆寬帶）全場景立體化高速率的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，當(dāng)中的“千兆WiFi”指的就是Wi-Fi 6。另外，在人流量巨大的室內(nèi)場所，Wi-Fi 6 也可以作為5G 信號的補(bǔ)充來使用。

（3）200G/400G

200G/400G 指的是200G/400G 波分復(fù)用技術(shù)，主要應(yīng)用在骨干傳輸網(wǎng)，其基本技術(shù)原理為：將一束調(diào)制過的光（相干光）劃分為80～120 個波道，每個波道的速率為200 Gbit/s/400 Gbit/s，單束光可接入的帶寬=波道數(shù)*單波道速率=80（96/120）*200G（400G）。波分復(fù)用技術(shù)的演進(jìn)路線分別為2.5G、10G、40G、100G、200G、400G 等等，其演進(jìn)規(guī)律基本符合摩爾定律。

在超100G 時(shí)代，波分復(fù)用技術(shù)主要有3 個維度：波道數(shù)、單通道速率、QAM 調(diào)制技術(shù)，其關(guān)系如圖4 所示。

圖4 波分復(fù)用技術(shù)關(guān)系圖

波道數(shù)指的是把一束可用光劃分為多少個可用光波長的數(shù)量，波道數(shù)=可用頻率范圍/波道間隔。在當(dāng)前技術(shù)下，能被波分復(fù)用技術(shù)使用的光源頻率有C 波段和C++波段，因此光源頻率可用范圍有限。在當(dāng)前技術(shù)下，波道間隔有50 GHz、75 GHz、100 GHz、150 GHz 等。波長間隔的取定，就好比高速公路行駛的車輛，當(dāng)車速越快，車輛間的間隔越大就越安全。同理，單波速率越高，波道的間隔就需要越寬，否則就得犧牲傳輸距離。

單波道速率由單通道速率、QAM 調(diào)制技術(shù)和相干接收技術(shù)（PDM）決定。單通道速率當(dāng)前有25G 和50G（100G業(yè)界暫時(shí)還沒有），由于有開銷等其他數(shù)據(jù)，因此單通道波特率為32G 和64G；QAM 調(diào)制技術(shù)有BPSK（2QAM）、QPSK（4QAM）、16QAM、64QAM 等，2QAM 調(diào) 制 單通道攜帶1bit 數(shù)據(jù)，4QAM 攜帶2 bit 數(shù)據(jù)，16QAM 攜帶3bit數(shù)據(jù)，64QAM攜帶4 bit數(shù)據(jù)，以2的N次方依次類推；相干接收技術(shù)（PDM）指的是把單通道調(diào)制成垂直的2 路信號，可以理解為攜帶2 bit 數(shù)據(jù)。

因此單波道速率=單通道速率*QAM 調(diào)制技術(shù)數(shù)據(jù)位數(shù)*2，當(dāng)前超100G 波分復(fù)用技術(shù)已商用的情況如表3所示。

表3 超100G 技術(shù)商用情況表

OXC 全稱為光交叉連接（optical cross-connect），是波分復(fù)用技術(shù)的一部分，其技術(shù)的本質(zhì)為“WSS+光背板”技術(shù)。

（4）OXC

WSS 全稱為波長選擇開頭（Wavelength Selective Switch），是一種把束光分成N 束光或把N 束光合并成一束光的器件。WSS 與分路器/合路器的區(qū)別在于：首先WSS 對光信號幾乎沒損耗，其次WSS 可以對波道信號按需選取。而一個110 的分路器出來的每路光信號強(qiáng)度只有原始信號強(qiáng)度的1/10，而且每路光信號與原始信號一樣。

由多個WSS 相互聯(lián)接就可以組成一個光交叉矩陣，既可以在線路側(cè)完成光層轉(zhuǎn)發(fā)，也可以在本地側(cè)完成業(yè)務(wù)落地和電層中繼，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 WSS 光交叉矩陣結(jié)構(gòu)圖

隨著WSS 的維度（當(dāng)前最高維度為32 維）越來越大，WSS 互聯(lián)的光跳纖數(shù)量也越發(fā)的龐大，光交叉矩陣高度集成的需求變得愈發(fā)迫切，OXC 應(yīng)運(yùn)而生。

OXC 的光背板技術(shù)原理就是把光跳纖類似于印刷電路板一樣，將其印刷到光背板上，然后預(yù)留光接口給線路側(cè)和本地側(cè)WSS 使用。與此同時(shí)，線路側(cè)WSS 與波分設(shè)備的部分板卡集成在一起變成光線路板，本地側(cè)WSS 組集成在一起變成光支路板。光背板技術(shù)原理較簡單，難的是制造工藝。

OXC 技術(shù)的應(yīng)用使得全光交叉網(wǎng)絡(luò)得到升級，實(shí)現(xiàn)無纖化、光端口全互聯(lián)。

（5）NG OTN

NG OTN 全稱為下一代光傳送網(wǎng)（Next Generation Optical Transport Network）。NG OTN 在國內(nèi)三大運(yùn)營商的名稱有細(xì)微的差別，其中中國移動為NG-OTN，中國電信為M-OTN，中國聯(lián)通為SD-OTN，其技術(shù)核心均大致相同。

光傳送網(wǎng)的發(fā)展共經(jīng)歷了5 代，其代表技術(shù)如表4所示。

表4 光傳送網(wǎng)代表技術(shù)

OTN、PeOTN、NG OTN 的區(qū)別如圖6 所示。

圖6 OTN、PeOTN、NG OTN 的區(qū)別

NG OTN 創(chuàng)新性的引入具備靈活帶寬調(diào)整能力的光業(yè)務(wù)單元（OSU：Optical Service Unit）技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對2 Mbit/s～100 Gbit/s 級粒度業(yè)務(wù)的高效承載，補(bǔ)齊了傳統(tǒng)OTN 技術(shù)在小顆粒業(yè)務(wù)承載效率方面的短板，有利于降低設(shè)備復(fù)雜度和成本，簡化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維。同時(shí)基于硬管道安全隔離的屬性，提供穩(wěn)定的低時(shí)延、靈活可調(diào)可控能力，可以有效地匹配高品質(zhì)專線入云業(yè)務(wù)的差異化需求，是面向高品質(zhì)云網(wǎng)融合應(yīng)用的最佳承載技術(shù)。

4 低時(shí)延分析

F5G 強(qiáng)調(diào)的速度、密度和延遲3 個因素，其中速度和密度在接入端由10GPN、Wi-Fi 6、NG OTN 等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)，速度在長途傳輸層由200G/400G+OXC 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)，延遲（即時(shí)延）主要與光傳送網(wǎng)絡(luò)的光路長度相關(guān)，較低的時(shí)延可使用戶獲得極佳的體驗(yàn)，下面重點(diǎn)分析一下時(shí)延。

光傳送網(wǎng)絡(luò)時(shí)延指的是業(yè)務(wù)從接入端傳送到業(yè)務(wù)落地端所花費(fèi)的時(shí)間，共分為兩種：光路傳輸時(shí)延、業(yè)務(wù)處理時(shí)延。

（1）傳輸時(shí)延

光傳送網(wǎng)絡(luò)在物理上是由承載在光纖之上，其光路傳輸?shù)臅r(shí)延主要與光路傳輸距離相關(guān)，另一部分就是光放大器（OA）時(shí)延。

光在真空中的折射率為1，光速為c=30 萬公里/秒。光在其他介質(zhì)傳送時(shí)，假設(shè)介質(zhì)的折射率為n,那么光在該介質(zhì)的速度就降為v=c/n。光纖的折射率大約為1.48，計(jì)算傳送時(shí)延時(shí)，可以按1.5 計(jì)取，因此光在光纖中的傳輸速度近似為v=c/1.5=20 萬公里/秒，即1 公里的光纖時(shí)延為5 μs。另外每個光放大器（OA）的時(shí)延大約為0.25 μs。

（2）處理時(shí)延

在波分復(fù)用系統(tǒng)中，處理時(shí)延主要體現(xiàn)在電層設(shè)備上，包括電中繼、支線路合一單板收發(fā)處理、電交叉處理（含支線路分離板處理），處理時(shí)延=業(yè)務(wù)解/封裝時(shí)延+電交叉時(shí)延*2+FEC 編/解碼時(shí)延。其中：業(yè)務(wù)解/封裝時(shí)延可以按10 μs 估算，交叉時(shí)延*2 可以按2 μs 估算，F(xiàn)EC 編/解碼可以按50 μs 估算。

因此在無電中繼的情況下，業(yè)務(wù)的處理時(shí)延=10*2+2+50*2=122 μs，如果要實(shí)現(xiàn)1 ms 時(shí)延圈的目標(biāo)，那么光傳送網(wǎng)的范圍要控制在（1 000-122）/5=175 km 以內(nèi)。

（3）時(shí)延優(yōu)化建議

綜合上述分析，在全光傳送網(wǎng)絡(luò)層面，引起時(shí)延的最大因素就是光路的距離，因此優(yōu)化時(shí)延的關(guān)鍵在于縮短光纜的長度。

在省際、城際的骨干傳送網(wǎng)絡(luò)層面，應(yīng)充分利用高鐵、高速公路、國道等的管道資源，加大光纜的投資建設(shè)，加強(qiáng)共建共享的力度，通盤考慮，逐步優(yōu)化、打造低時(shí)延光纜網(wǎng)。在城域范圍內(nèi)，隨著城市建設(shè)的日益加快，城區(qū)的范圍越來越大，打造“1 ms 時(shí)延圈”的目標(biāo)任重而道。因此城域范圍內(nèi)的光纜建設(shè)應(yīng)結(jié)合城市發(fā)展和建設(shè)的方向，同步建設(shè)與布置，與此同時(shí)加強(qiáng)共建共享的力度，在減少道路施工開挖的同時(shí)，能夠最大限度地構(gòu)造低時(shí)延光纜網(wǎng)。

5 結(jié)語

全光網(wǎng)2.0 時(shí)代已經(jīng)到來，F(xiàn)5G 全光傳送網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了智慧城市的軀體，輔以云計(jì)算、AI、算力、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等等技術(shù)賦予城市智慧的大腦，未來人類社會必將會走向高度智能化道路。