算力網絡時代光接入網關鍵技術演進

史杏崗

（天元瑞信通信技術股份有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

《國家十四五規劃》明確指出，加快數字化發展，建設數字中國，打造數字經濟新優勢，加快數字社會建設步伐，提高數字政府建設水平，營造良好數字生態；加快建設新型基礎設施，加快5G網絡規模化部署，用戶普及率提高到56%，推廣升級千兆光纖網絡。《中國移動算力網絡白皮書》明確指出，中國移動深化創世界一流“力量大廈”戰略，積極構建“連接+算力+能力”的新型信息服務體系，制定了算力網絡總體發展策略，提出了算力網絡全新發展計劃。明確了算網基礎設施層、編排管理層和運營服務層的三層體系架構，提出泛在協同、融合統一和一體內生的3個發展階段[1]。

因此，千兆智能接入網是新型基礎設施的重要構成，也是“算力網絡”發展的基礎保障。光接入網將承載端-邊、端-云的入算連接，按需保障算網服務對確定性時延及帶寬的要求。

1 面向算力網絡PON技術發展趨勢

接入網作為接入運營商網絡的最末端，在提升光接入網絡帶寬、時延等網絡基礎能力的同時，還需要融合網絡感知和網絡切片能力，支撐面向服務的差異化鏈路資源的隔離、匹配和路徑調度的優化，需從以下3個方面進行提升。

（1）進一步縮小光網至用戶的距離，光纖到房（Fiber-To-The-Home，FTTH）向光纖到房間（Fiber-To-The-Room，FTTR）演進。基于強管控維的FTTR創新架構支撐光接入網服務能力向客戶側延伸，保障運營商算力服務能力。

（2）提升全光接入性能，全面部署10G PON，并逐步向 50G 無源光纖網絡（Passive Optical Network，PON）升級，提升網絡計入帶寬。創新跨層協同動態寬帶分配（Dynamically Bandwidth Assignment，DBA）調度、ComboDAW、隊列調度等機制全面優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，充分挖掘網絡和業務數據，實現業務感知和網絡質量可視、分析和調優，奠定算網協同和網絡自治基礎 。

2 下一代PON技術標準進程

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

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

2021年，ITU-T 50G PON系列標準正式發布，系列標準包括總體需求標準修訂G.9804.1 Amd1、通用協議層標準G.9804.2以及物理層標準G.9804.3。這標志著50G PON已經完成基礎功能的標準化，為下一步的產品研發和解決方案落地驗證奠定了基礎。

3 50G PON關鍵技術及進展

3.1 50G PON協議層需求

新業務、新場景對PON網絡時延特性提出了嚴苛要求，50G PON需要優化TC層并支持網絡切片來實現更低傳輸時延[2]。

面向5G小站回傳以及工業互聯網等新型場景對PON線路提出嚴格時延要求，如圖1所示；面向多業務承載，PON切片能力需求強烈，保障高價值業務的時延需求。

圖1 新業務對時延的要求

3.2 50G PON協議層關鍵技術及進展

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

后續將開展時延特性和帶寬效率協同演進的新型DBA機制以及獨立注冊通道機制下業務通道和注冊通道協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網絡覆蓋優勢，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 小站回傳及關鍵指標要求

4 縮小用戶接入點距離

隨著千兆業務的快速發展，光接入網絡更加需要延伸，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），從而構建家庭內部千兆無縫覆蓋、低時延、無縫漫游的真千兆能力，實現“網絡無處不在，算力無所不達”。

4.1 FTTH組網方案的缺點

FTTH組網方案的缺點如下：（1）在千兆智能網關+AP架構下，網線已成為家庭網絡發展的瓶頸；（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）網關+AP Wi-Fi設備間協同能力弱，Wi-Fi不支持漫游或漫游體驗差。

4.2 FTTR技術的優點

進一步“光進銅退”，加速光纖向最后“黃金十米”延伸，實現光接入網端到端千兆無縫覆蓋，是滿足后續算網服務入算問題的關鍵環節，也是光接入網發展的重要方向。FTTR技術的優點如下：（1）滿足網絡側大帶寬能力直達用戶設備訴求，光纖延伸至房間，結合Wi-Fi6千兆能力，實現房間內千兆無縫覆蓋，做強管道能力；（2）滿足用戶設備的移動訴求，光纖+分布式Wi-Fi架構，實現無縫漫游；（3）滿足強交互業務的低時延端到端保障，光纖傳輸時延低，Wi-Fi+光融合調度[3,4]。

4.3 FTTR的應用場景

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

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

圖3 2C業務示意

2B場景：寫字樓、酒店等，針對辦公場景，需求同傳統家庭場景，但終端接入數量、帶寬和功率預算需求相應提高；針對工業物聯網場景，需要端到端低時延和抖動，如圖4所示。

圖4 2B業務示意

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技術和產業進展

根據目前情況，FTTR國際標準和行業標準由中國移動牽頭主導，現并已立項，當前還處在技術標準化的初級階段；各運營商都在積極推進FTTR試商用，但是面臨可選擇產品少以及價格高的難題；目前FTTR內部都是非標實現，且未與光線路終端（Optical Line Termination，OLT）實現解耦，規模部署存在網絡隱患。FTTR標準劃分及進展如表1。

表1 FTTR標準劃分及進展

4.5 FTTR的架構構想

業務和技術要求家庭Wi-Fi走向FTTR架構，在極致體驗下需進一步和PON協同。

Wi-Fi維度：極致體驗訴求，要求家庭網絡提供1張高品質Wi-Fi網；整網調優技術演進：信道調優，功率調優，AP間負載均衡，頻譜資源管理（避讓干擾）；單點技術優化：增強隊列調度和RU調度的協同，優化無線多媒體（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

網絡維度：技術演進要求1張網管理，提供品質體驗；FTTR接口將網絡層和Native OAM能力引入到家庭網絡；增強業務的服務質量（Quality of Service，QoS）能力，南北向和東西向之間，南北向不同業務之間；支持原生管控維能力構建以及管控集中帶來的協同性增強，支撐整網調優，如圖7所示。

圖7 網絡維度示意

4.6 FTTR的關鍵技術

4.6.1 FTTR的網絡架構

1張網要求架構由網元管理向網絡（多網元）管理演進，FTTR內部的網絡接口支撐網絡實現精細化管控維，包括高效的數據采集能力，支持有線寬帶網絡向自治演進對大數據底座的要求。

FTTR網絡接口引入后，支撐構建網絡新能力，解決寬帶業務網絡管控維難題。

原生管控維能力：FTTR設備新增Mf接口，同時適當擴展原有的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FTTH+FTTR全場景的QoS和差異化保障能力[5-7]。

高效數據采集：采用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT） 協 議 實 現 家 庭網絡數據采集，基于大數據和人工智能（Artificial Intelligence，AI）分析實現家庭網絡的智能運維 。

4.6.2 FTTR物理層和協議層技術要求

FTTR需重點研究物理層和協議層關鍵技術，并針對局域網場景+Wi-Fi組網需求全新設計系統技術方案，實現系統性能最優。

光模塊技術。（1）速率，FTTR面向局域網組網，對標以太網技術，系統按照對稱速率設計，速率演進規格需進一步按需研究。（2）功率預算，針對不同場景需求重新設計功率預算。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；家庭網絡中，需考慮光模塊的發射功率對人眼的安全。（3）波長面臨多樣選擇，既要考慮光器件產業鏈復用，1310/1490 nm最新一代寬帶無源光纖網絡（Gigabit-Caoable PON，GPON）產業鏈，1530/1550 nm 粗波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）傳輸產業鏈，甚至更低成本的VCSEL激光器；還要考慮FTTR主設備對接入網無影響，防止主設備上聯口和下聯口混插，可能導致影響接入網(同一PON下的)其他家庭的光網絡設備（Optical Network Termind，ONT）掉線。

協議層技術。（1）需支持對稱速率，東西向+南北向流量并存；（2）面向局域網進行功能優化如FEC和加密簡化等；（3）開窗、DBA調度優化、時分復用（Time Division Multiple Access，TDMA）光層調度與Wi-Fi的MAC調度協同等，最終優化局域網時延；（4）動態優化多Wi-Fi接入時干擾和無序調度問題，提升吞吐量和時延性能，實現光+WLAN協同調度管理；（5）從網關即插即用，自動配置 。

4.7 FTTR管理接口

實現FTTR原生管控能力，需新增FTTR網絡管理接口并輕量擴展Me接口。

Mf接口實現FTTR網絡全量管理，接口標準化，具備解耦能力；擴展原有Me接口，支持對FTTR網絡的光路管理。Me接口為原生光通道，可靠性及穩定性最高。接口標準化，具備解耦能力。

Mf接口設計考慮：實現主、從1張網強管理，同時針對多點Wi-Fi接入進行全局優化；支持高性能數據采集，構建家庭網絡大數據底座，滿足向網絡自治演進；構建QoS和差異化保障能力。

Me接口設計考慮：光層原生管理通道，可靠性最高，不依賴上層業務（Mf依賴上層業務，可以基于Me創建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；支持高性能數據采集，構建家庭網絡大數據底座；構建QoS和差異化保障能力 。

5 結 論

總之來說，進入算力網絡時代，接入網是優越算力網絡的最基礎的網絡之一，未來50 G PON也是PON網絡的發展方向。目前部分行業標準、國際標準等都在制定中，同時物理層的關鍵技術也在研發，很多器件有望在年內完成發布。50 G PON技術離人們越來越近，同時也是各運營商跟進的重中之重。另外，FTTR技術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絡感知，是各運營商關注的重點技術，誰能先普及FTTR技術，誰就能贏得優質的算力網絡，提升用戶感知，贏得用戶。