F5G時代PON技術(shù)的演進(jìn)方向和策略

范 立

(中國移動通信集團(tuán)上海有限公司，上海 200042)

0 引言

F5G與移動5G共同構(gòu)建了國內(nèi)運(yùn)營商“雙千兆”接入的基石，是我國新基建建設(shè)的重要組成部分。而PON技術(shù)作為F5G的代表技術(shù)，也在不斷演進(jìn)升級，在承載現(xiàn)有海量用戶的同時，滿足未來各種類型業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的新需求。因此，需要進(jìn)一步梳理確立PON網(wǎng)絡(luò)的升級路徑，框定和指導(dǎo)F5G時代的固網(wǎng)投資建設(shè)方向。

1 F5G概念與特點

1.1 F5G的定義

隨著移動5G的迅速普及，固網(wǎng)也對應(yīng)推出了F5G的概念。F5G面向千兆級別帶寬的低時延、大連接的固網(wǎng)場景，助力我國新基建建設(shè)。

與以往的固網(wǎng)技術(shù)相比，F(xiàn)5G采用10G PON為代表的技術(shù)，倡導(dǎo)“光聯(lián)萬物”，具備千兆超寬的接入能力，如表1所示。

表1 各代固網(wǎng)接入技術(shù)速率

1.2 F5G的特點

與5G的增強(qiáng)型移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMMB)，大規(guī)模機(jī)器類型通信(Massive MachineType Communication，mMTC)，超高可靠與低時延通信(Ultra reliable and low latency communication，uRLLC)三大場景特征類似，F(xiàn)5G也提出了3個關(guān)鍵特點。分別是全光聯(lián)接(Full-Fiber Connection，F(xiàn)FC)，增強(qiáng)型固定寬帶(Enhanced Fixed Broadband，eFBB)和極致體驗(Guaranteed Reliable Experience，GRE)[1]。

其中FFC主要通過光聯(lián)萬物的光纖接入(Fiber to the X，F(xiàn)TTx)技術(shù)以及新型的光分配網(wǎng)(Optical Distribution Network，ODN)架構(gòu)工藝和技術(shù)實現(xiàn)。

eFBB目前通過10 G PON，WiFi6的高帶寬低成本的演進(jìn)，以及200 G/400 G 光傳送網(wǎng)(Optical Transport Network，OTN)的大帶寬和高性能實現(xiàn)。

GRE則通過采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)等可編程技術(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)的敏捷性、互通性，提升業(yè)務(wù)質(zhì)量。

通過這些特性，F(xiàn)5G具備了確定的大帶寬、海量的連接和低時延零丟包等特點，可以提供覆蓋廣泛的高品質(zhì)固網(wǎng)連接，未來將實現(xiàn)每平方公里10萬級別的連接覆蓋，10倍于上一代網(wǎng)絡(luò)的帶寬和穩(wěn)定可靠性。

1.3 F5G的價值

4K/8K以及3D高清視頻，VR和AR的應(yīng)用等需要大帶寬、低時延網(wǎng)絡(luò)的支撐，工業(yè)企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)則要求新的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)能在安全、網(wǎng)絡(luò)性能、業(yè)務(wù)接入能力等方面全面超越現(xiàn)有的以太網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)全光、扁平的網(wǎng)絡(luò)連接。這些都是F5G的應(yīng)用價值所在。

與5G相比，F(xiàn)5G缺乏可移動性，連接數(shù)較少。但全光固網(wǎng)帶來了高帶寬、低時延、低抖動、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)勢，使得F5G在包括金融、能源、交通、政府等行業(yè)的一些數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)用方面要更具優(yōu)勢。

F5G和5G是我國新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心。通過F5G和5G的融合，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力與網(wǎng)絡(luò)連接能力的一體化，為我國未來各類業(yè)務(wù)的泛在連接和承載提供了堅實的數(shù)字底座。

2 PON技術(shù)在F5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

2.1 F5G的發(fā)展需求

在新基建的浪潮下，F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)將漸進(jìn)提升優(yōu)化，應(yīng)對各類新型互聯(lián)網(wǎng)的需求和變化。

在網(wǎng)絡(luò)層面上，不斷涌現(xiàn)的新型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正推動電信網(wǎng)絡(luò)的升級換代，多個層面的網(wǎng)絡(luò)都要求采用云化方式進(jìn)行部署，由此帶來的流向不確定性需要F5G具備穩(wěn)定的架構(gòu)來應(yīng)對。

在業(yè)務(wù)層面上，疫情加速了我國數(shù)字化的進(jìn)程，各行各業(yè)由傳統(tǒng)的線下向線上轉(zhuǎn)移，特別是辦公、政務(wù)、醫(yī)療、教育等行業(yè)的云化需求，要求F5G網(wǎng)絡(luò)能夠滿足此類高品質(zhì)業(yè)務(wù)的承載。同時，各行業(yè)的工業(yè)信息化和自動化需求要求能夠以較低的成本實現(xiàn)工業(yè)級的網(wǎng)絡(luò)部署需求，實現(xiàn)對智能制造生產(chǎn)線的工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集分析、視頻監(jiān)控等功能。

為滿足上述需求，F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段的技術(shù)實現(xiàn)包括以10G PON，WiFi6為基礎(chǔ)的千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)，以200G/400G單載波技術(shù)為基礎(chǔ)的光傳送網(wǎng)絡(luò)。而未來下一代的演進(jìn)方向則是50G PON，WiFi7和800G OTN等。其中，PON技術(shù)作為固網(wǎng)的代表技術(shù)，在其中承擔(dān)著核心作用。

2.2 PON發(fā)展現(xiàn)狀

依托大帶寬、長距離和光層流量統(tǒng)計復(fù)用的優(yōu)點，PON在運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)部署中取得了巨大的成功。依托國內(nèi)建立的廣泛的光纜資源和規(guī)模龐大的用戶覆蓋，PON網(wǎng)絡(luò)簡單、高效地滿足了互聯(lián)網(wǎng)時代的業(yè)務(wù)需求。其中家庭寬帶和PON專線是兩大主要的應(yīng)用場景。目前，PON家庭寬帶已進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展時期，每年新增1 400萬左右的家寬用戶。而PON專線則為各類中小型集客用戶提供了各類高性價比的語音、互聯(lián)網(wǎng)專線解決方案。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)各運(yùn)營商的PON專線占比已超過80%。

截至2020年4月，國內(nèi)已部署各類FTTH/FTTO端口8.8億個，占比93%；各類FTTH/FTTO用戶達(dá)到4.54億，占比94%。隨著國務(wù)院常務(wù)會明確“雙G雙提”目標(biāo)的部署落實，固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶網(wǎng)絡(luò)提速卓有成效，固定帶寬邁入千兆時代。100Mbps及以上接入速率的接入用戶占比達(dá)到85.4%。

2.3 PON發(fā)展趨勢

根據(jù)國家部署，國務(wù)院常務(wù)會議明確提出了“雙G雙提”的目標(biāo)，國內(nèi)各大運(yùn)營商均將千兆寬帶的建設(shè)和發(fā)展作為近期的發(fā)力重點，構(gòu)建支撐我國新型基礎(chǔ)設(shè)施的“數(shù)字底座”。作為F5G中面向用戶的PON網(wǎng)絡(luò)也順應(yīng)發(fā)展趨勢，不斷演進(jìn)，滿足用戶的各類需求。

對于家庭寬帶而言，除了千兆帶寬之外，還對網(wǎng)絡(luò)提出了高品質(zhì)需求。從傳統(tǒng)的電話、上網(wǎng)、電視業(yè)務(wù)逐漸擴(kuò)展到各類體驗敏感的剛需業(yè)務(wù)，如游戲、居家辦公、線上學(xué)習(xí)、云網(wǎng)超帶寬等。這要求PON網(wǎng)絡(luò)具備完善的故障預(yù)警能力，及時快速地故障定位和排障，以及能夠?qū)崟r對用戶體驗指標(biāo)進(jìn)行檢測，以保障用戶的體驗。

而對于PON專線來說，現(xiàn)有PON網(wǎng)絡(luò)在保持低成本、易部署、廣覆蓋的特點之外，還需滿足企業(yè)用戶提升專線品質(zhì)的需求，以及業(yè)務(wù)上云的趨勢。PON專線將從傳統(tǒng)的主要滿足小型和微型企業(yè)覆蓋，擴(kuò)展到可服務(wù)更高價值的客戶；從傳統(tǒng)的通過城域數(shù)據(jù)網(wǎng)入云轉(zhuǎn)為通過OTN網(wǎng)絡(luò)“一跳入云”，以保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的確定性。

3 下一代PON技術(shù)發(fā)展

3.1 技術(shù)路線選擇

PON技術(shù)的主要發(fā)展目標(biāo)是增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力。主要是從網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)切片兩個維度著手，提升有線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力。

為滿足F5G下千兆業(yè)務(wù)時代對于家寬、中小微型企業(yè)、5G小基站以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多種場景的差異化接入承載需求，PON系統(tǒng)在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)已升級到10G PON的基礎(chǔ)上，繼續(xù)向著下一代PON網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

從下一代PON網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)路線選擇上來看，主要存在25G PON和50G PON兩種路線。經(jīng)過充分研究討論，由于25G PON相較10G PON來說帶寬提升較小，近似于同代技術(shù)。因此，目前業(yè)內(nèi)均將50G PON作為下一代PON選定的主流技術(shù)，實現(xiàn)4倍以上的帶寬能力提升，滿足PON網(wǎng)絡(luò)代際演進(jìn)的需求。

3.2 技術(shù)能力

50G PON采用下行時分復(fù)用(time-division multi-plexing，TDM)，上行時分多址(time-division multiple acces，TDMA)的架構(gòu)，具備下行50G，上行12.5G/25G/50G的線路速率，同時支持不同光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)速率組合，滿足家庭客戶、普通政企客戶及高端政企客戶的不同需求。網(wǎng)絡(luò)方面，具備同PON口下，50G PON ONU與10G PON ONU共存的能力，支持現(xiàn)網(wǎng)的平滑演進(jìn)，兼容現(xiàn)有的ODN網(wǎng)絡(luò)，并通過低時延滿足國內(nèi)運(yùn)營商5G一體化小站的接入回傳和實時應(yīng)用。

除了帶寬的提升，受業(yè)務(wù)驅(qū)動，以50G PON為代表的下一代PON還將具備端到端的切片管理能力。現(xiàn)有的PON網(wǎng)絡(luò)受限于前期研發(fā)部署的需求，主要承載對于安全性和性能要求較低的上網(wǎng)業(yè)務(wù)，承載理念是盡力而為。在面向新型5G等業(yè)務(wù)接入時，將成為端到端網(wǎng)絡(luò)切片的能力瓶頸。而下一代PON網(wǎng)絡(luò)在未來仍然需要低成本提供盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)能力。另外，還要為一些特殊業(yè)務(wù)需求提供滿足帶寬隔離、低時延的硬管道的網(wǎng)絡(luò)切片能力。

50G PON的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)高速高功率光預(yù)算，主要解決的方案一方面通過在收端或發(fā)端設(shè)置半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)，從而增加接收靈敏度和發(fā)射功率，進(jìn)而實現(xiàn)鏈路光功率預(yù)算的提升；另一方面，通過包括均衡算法與FEC(Forward Error Correction，前向糾錯)編解碼的DSP(Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理)接收算法技術(shù)，提升設(shè)備的接收性能[2]。

3.3 演進(jìn)部署策略

50G PON的部署可采用以下兩個原則進(jìn)行：

(1)通過波長規(guī)劃來回收利用間隔一代的PON網(wǎng)絡(luò)波長，而與鄰代的波長共存。如通過回收GPON的波長用于50G PON，同時與10G PON分波共存，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)。

(2)通過功率預(yù)算來兼容現(xiàn)網(wǎng)的ODN網(wǎng)絡(luò)。即保持原有的分光比不變，通過簡化和統(tǒng)一終端ONU設(shè)備的復(fù)雜度，更換局端OLT相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的整體升級演進(jìn)，降低更新無源設(shè)備產(chǎn)生的管線建設(shè)成本。

根據(jù)上述原則，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)PON網(wǎng)絡(luò)的部署現(xiàn)狀，規(guī)劃50G PON的演進(jìn)部署策略。

當(dāng)前，我國各運(yùn)營商的PON網(wǎng)絡(luò)正處于10G PON的大規(guī)模商用階段。10G PON歸一化地引入三模Combo，進(jìn)一步降低了建設(shè)成本，降低了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運(yùn)維的復(fù)雜度。各運(yùn)營商通過對原有GPON/EPON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行升級改造，實現(xiàn)向10G PON網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)，滿足大規(guī)模高帶寬業(yè)務(wù)的接入[3]。

而下一代50G PON規(guī)模部署時，需要進(jìn)一步整合現(xiàn)有的兩條PON路線的產(chǎn)業(yè)鏈，同時兼容原有的ODN網(wǎng)絡(luò)，滿足從10G PON逐步平滑演進(jìn)的需求。具體實現(xiàn)時，在結(jié)構(gòu)層面上繼續(xù)利用原有網(wǎng)絡(luò)和新增光纜、分光器、ODF等無源基礎(chǔ)資源的部署，并仍將主要依托Combo PON的機(jī)制作為演進(jìn)的路線，將原先部署的10G EPON和10G GPON進(jìn)行融合共存。

從歷史上看，PON網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要由帶寬驅(qū)動。PON技術(shù)每一代的演進(jìn)，線路帶寬提升一般都不低于4～5倍，而代際之間PON的規(guī)模部署通常間隔5～7年。預(yù)計下一代50G PON網(wǎng)絡(luò)部署將在2022年后啟動。

4 PON技術(shù)演進(jìn)展望

PON網(wǎng)絡(luò)滿足了數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時代的業(yè)務(wù)需求，得到了廣泛的部署。未來，隨著新業(yè)務(wù)和新應(yīng)用場景的涌現(xiàn)，除了網(wǎng)絡(luò)帶寬持續(xù)提升之外，用戶對于時延、抖動、安全隔離等方面都提出了更高的需求[4]。

總結(jié)過去的發(fā)展規(guī)律，預(yù)期后續(xù)的后50G PON技術(shù)的演進(jìn)將基于以下兩點。

4.1 基于現(xiàn)有已部署的ODN網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)

ODN網(wǎng)絡(luò)屬于有線接入網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，相關(guān)的投資占比在70%以上。為了保證前期投資的成本和網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)，未來的PON網(wǎng)絡(luò)需要繼續(xù)采用點到多點的技術(shù)應(yīng)用于ODN網(wǎng)絡(luò)上。

4.2 成本與能耗成倍降低

PON網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)勢就是低成本的高帶寬解決方案。未來的PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)若要得到更加廣泛的應(yīng)用和演進(jìn)，需要在代際的單比特成本和能耗上有著指數(shù)級的優(yōu)化降低，才具備海量部署的可行性。

5 結(jié)語

從PON，10G PON到50G PON，各代PON網(wǎng)絡(luò)一脈相承，具備可持續(xù)演進(jìn)的能力,并且滿足帶寬躍升大、系統(tǒng)架構(gòu)簡單、設(shè)備成本低、開發(fā)難度低、標(biāo)準(zhǔn)融合好等特點。在過去，PON網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)運(yùn)營商中的大規(guī)模部署有效支撐了F5G時代各項業(yè)務(wù)的展開。未來，PON網(wǎng)絡(luò)將持續(xù)助力下一代固網(wǎng)寬帶的高速發(fā)展。