全光萬兆網絡應用場景分析

摘要：文章圍繞全光萬兆網絡應用場景這一主題，闡述全光萬兆網絡的特點以及萬兆時代在家庭業務、行業應用、城市建設方面的應用場景，并在此基礎上總結萬兆技術對人們生活帶來的新體驗及各應用對寬帶建設提出的需求，以期為該領域的相關研究提供參考。

關鍵詞： 萬兆網絡；50G PON；云網融合

一、引言

2024年2月，工業和信息化部公布了2023年千兆城市建設情況，全年新增97個城市達到千兆城市標準，完成千兆城市總結評估工作，重點場所5G網絡通達率超99.5％。就在千兆寬帶推進時，下一代萬兆寬帶也處于技術試點和應用探索階段。萬兆網絡不僅能夠提供比傳統網絡快近百倍的網絡速度服務，還具備更穩定的傳輸質量，可以最大程度地滿足用戶日常生活中對各項網絡服務需求，如智能家居控制、視頻點播、VR在線游戲、遠程辦公等。此外，萬兆光網呈現的全光連接、超高帶寬、云網融合、智能化和極致體驗等趨勢[1]，既能夠滿足物聯網、工業互聯網等新型基礎設施的網絡連接需要，又能夠支持行業數字化應用，更加速了傳統產業向網絡化、數字化、智能化方向轉變。

二、家庭萬兆數字生活

萬兆技術帶來的網絡升級將加速家庭新業務落地，如沉浸式交互視頻類應用、萬兆家庭云網新業務及3D光感知。

（一）沉浸式交互視頻類應用

家庭高帶寬業務一直是圍繞高清大屏展開的，萬兆時代的發展方向如下：更高品質、沉浸感的大屏顯示，裸眼3D顯示、自由視角觀影及直播。

萬兆時代，主流大屏的分辨率將達到8K。目前，8K產業鏈正在逐漸成熟，并在國家政策的引導下加速發展。從終端、網絡設備到內容制作、技術標準已形成了完整的產業生態。預期到2024年末，8K應用將逐漸進入家庭。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，不同體驗等級的典型值如表1所示。

大部分場景下，8K已接近人眼的分辨極限。8K之后，大屏分辨率進一步發展動力可能來自于裸眼3D。為了保持8K體驗，同時產生上下、左右各三個視點就需要32K分辨率的底屏。不同體驗等級的裸眼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的類VR應用，近年來得到了快速發展，有望帶來全新的網絡觀影模式，并成為家庭寬帶訴求的重要來源。自由視角視頻在圖像采集端使用幾十個攝像機，同時從不同角度拍攝同一場景，終端用戶通過滑動屏幕、遙控器或者搖動手機選擇觀看角度。為了保證視角切換流暢，新視角視頻流需要在50毫秒內完成切換。對于普通8K視頻，一般需要初始緩存70M～75M的比特數據，因此推算將產生17.6 Gbps峰值帶寬，這需要萬兆接入承載。

此外，未來大屏將被全場景地集成在不同產品中，如集成4K大屏的VR動感單車、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一步推高并發帶寬的需求。

（二）萬兆家庭云網新業務

萬兆云網給家庭寬帶用戶帶來極速、安全、共享的云存儲服務。首先，萬兆網絡存儲能夠提供極致的云存儲體驗。由于其出口帶寬接近存儲介質讀寫速率上限，萬兆云存儲能夠提供與本地存儲無異的極致讀寫速率，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等。其次，萬兆云網能夠提供更好的數據安全。大二層的內網架構降低了數據從家庭到云存儲的數據泄露風險，更好地保護了家庭隱私數據。最后，萬兆云網能夠作為家庭設備的高速數據緩存。家用攝像頭、傳感器、機器人產生的海量實時數據可以直接存入邊緣云，作為數據采集及數據準備階段的緩存，等待家庭IDC計算任務調用。

萬兆云網還帶來了強交互業務的體驗升級，如云游戲。帶寬是影響大屏云游戲體驗的重要因素[2]。當前基于IDC的云游戲運營架構使用高壓縮比算法（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/解壓縮過程近40毫秒，無法保證云游戲畫面順暢的時延要求（RTT小于20毫秒）。帶寬、時延、成本的制約，限制了大屏云游戲的發展。而萬兆家庭云網提供了新的可能：使用淺壓縮算法，甚至無壓縮推流。定量來說，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，代價是輸出碼率提升至近1Gbps，占用1.5Gbps網絡帶寬，即淺壓縮算法將帶寬轉換為低時延特性。另外，萬兆接入技術能夠降低每比特率成本，這將加速大屏云游戲形成從內容到設備的商業正循環，推動商業模式落地。相同的邏輯也可以應用于其他強交互視頻類業務，如云電腦、云健身、云XR等，帶來使用體驗的全面提升。

（三）3D光感知

3D光感知是一種基于固態紅外激光雷達的光學感知技術。采集的數據是三維離散點陣。由于點陣間隔在厘米量級，無法識別明顯的人臉特征，很好地保護了個人隱私，消除了使用者的心理負擔。同時也天然適配數據安全上云，而無需在本地做額外的數據預處理。3D光感知采集的點陣數據通常很難高度壓縮。根據實測，一路實時回傳數據消耗300-550Mbps帶寬。考慮家庭使用場景，需要若干3D光感知前端同步使用，其并發流量需要用萬兆網絡承載上云。

3D光感知回傳數據結合萬兆家庭云網還能產生新的業務：跌倒預警和分類、慢性疾病及行為跟蹤、家電手勢控制、攝像頭聯動、云游戲及云健身動作捕捉、智慧家庭家電聯動的感動等。

三、 行業萬兆數字轉型

萬兆接入技術的部署將加速千行百業的數字化轉型，如教育轉型的XR電教室、商務領域的企業云網、醫療領域的全光院區及工業領域的AI質檢等。

（一）園區辦公

企業云網業務和Wi-Fi 7升級是驅動萬兆光接入在企業部署的兩大因素。

企業通過應用上云和算力租用，可以快速開局，降低TCO。這對于小微企業和初創公司降低初期投入非常重要，尤其是強計算依賴的行業，如建筑設計、影視動畫、芯片設計等。此外，應用的云化還有利于企業快速集成第三方服務到業務流程，如數據挖掘、AI訓練和推理等；也有利于服務提供商以功能顆粒度提供服務許可，按時按需收費。但企業數據上云涉及關鍵數據外移風險，不符合“原始數據不出域”的原則。

萬兆企業云網解決方案：對于企業核心數據資產，企業可將核心數據保留在本地。所有在遠端參與計算的核心數據直接從本地讀取，“隨用隨傳，即用即刪”，無需在公司外備份，既滿足低成本算力租用需求，又能保證企業數據資產安全。對于企業非核心或非原始數據，如日常管理數據、協作文檔、數據共享、圖像渲染中間文件、AI模型數據緩存、數據容災備份，萬兆網絡能保障邊緣云NAS與企業間的極速數據傳輸，提升使用體驗，加速企業上云。

萬兆部署的動力還來自園區[3]、樓宇的Wi-Fi 7覆蓋升級。隨著新型辦公終端的應用，如裸眼3D平板、AR眼鏡、MR桌面，網絡需要更高的無線接入帶寬和更小的漫游時延來保證使用體驗。典型的三頻Wi-Fi 7傳輸速率近8Gbps，其并發回傳數據需要萬兆網絡承載。

（二）全光醫院

全光醫院數字化依賴萬兆網絡高帶寬、高可靠、低時延、綜合承載等特性[4]。

醫院網絡的高帶寬需求主要來自醫學影像傳輸。一方面，傳統醫學設備升級，采集數據量急劇增加。一次半身CT掃描數據可達近10GB。另一方面，多模態醫學影像技術發展進一步推動了網絡帶寬需求，通常需要超過1Gbps的傳輸帶寬。此外，新技術的應用也推動了院區帶寬需求，如3D光感知的應用。

醫院網絡的高可靠需求主要來自生命維護和外科手術相關的設備。萬兆光網絡由于抗電磁干擾特性及帶寬換可靠性能力，能滿足醫院的高可靠性需求。

醫院網絡對低時延的要求一方面來自實時接入式影像、手術輔助；另一方面來自3D閱片技術的革新。與云渲染類似，為使閱片體驗自然順暢，視角轉換和渲染層選取的RTT要小于20毫秒，通過大帶寬換取低時延的方式能夠滿足需求。

出于隔離標準考慮，醫院網絡由多個獨立網絡組成。不同業務、部分的數據相互隔離，設備冗余、管理復雜。50G PON技術具備兩方面優勢：一方面，ODN點到多點的網絡拓撲，極大簡化了組網和設備部署；另一方面，通過芯片級硬切片，可將ODN分割成物理隔離的獨立子網，不同業務間互不干擾，做到“一網多用，極簡運維”。

（三）工業制造

萬兆接入的工業應用聚焦在萬兆工業云網新業務，以AI質檢升級為例。使用工業相機和機器視覺算法的AI質檢能降低人力投入，提高生產效率。但傳統機器視覺算法通用性不強，針對特定任務，需大量數據訓練，成本高。隨著AI通用預訓練模型不斷完善，基于人工智能的AI質檢有望落地，提升工業質檢的通用性：一方面，AI質檢使用通用視覺預訓練大模型的本地蒸餾和小樣本二次訓練，獲得更加精準的任務匹配、更強的場景適應性和可復制的低成本算法解決方案。另一方面，AI質檢能更具需求，生成多任務模型，以同時識別不同類型目標，并隨著數據累積不斷迭代完善模型性能。

萬兆工業云網解決方案：工廠通過萬兆工業光網[5]，將原始圖像數據（20Gbps/產線）無壓縮地傳輸至本地存儲設備。在租用邊緣節點算力的情況下，原始數據從本地設備向園區內或更上層的邊緣算力節點按需傳輸。由于萬兆傳輸帶寬，數據隨傳隨用，無需在遠端備份。邊緣節點完成模型推理、大模型整理及本地模型場景適配與更新，并生成可對外變現的各類模型組建。這既解決了低成本算力可獲得性，又保障了企業原始數據資產的安全及數據變現。

四、 城市萬兆數字基礎設施

對一個城市的全域精細化管理，同時做到速度、精度、溫度并存，是一件極其挑戰的事情。以萬兆為代表的信息基礎設施升級將給超大城市治理體系和治理能力帶來全新的理念和更高效的手段，推動城市數字化發展。

（一）區域性萬兆行業專網和政務外網綜合承載

數字城市的平穩運轉依賴政務網絡及區域行業專網的高效可靠連接。市、區、街道各級政務、警務、公共服務站點位置接近，且組織結構多為樹狀分支。與之類似的有各類行業專網，如醫療聯合體、銀行分支機構等。萬兆接入技術在城市區域性信息綜合承載領域有獨特優勢：一方面，PON接入網點到多點網絡拓撲與行業站點的組織結構和位置分布匹配，借助萬兆接入綜合承載能力，多機構可方便地共享網絡資源，做到“一網多用，極簡運維”，降低建網及運營成本。另一方面，不同行業、機構站點間的數據傳輸應隔離，50G PON大帶寬及硬切片技術能提供芯片級時隙隔離，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字城市的重要組成部分，能提升對城市運行狀態的感知、監測、預警能力，為城市治理提供全新手段。而城市綜合桿與萬兆城市云網融合將成為面向未來的城市數字基礎設施。

城市智慧綜合桿的基本功能單元包括視頻、無線、感知、照明、顯示、環境傳感、應急系統等，根據場景有不同的組合。其中，感知單元可以是用于全天候車流檢測的毫米波雷達，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；無線通信單元既可以是針對高速車路協同的5G RSU，也可以是高密度公共覆蓋的Wi-Fi熱點，或是針對城市低功耗傳感器的物聯網關。

在智慧交通應用中，綜合桿將道路、路口實時信息匯聚、回傳至萬兆城市云網的邊緣節點，通過大數據分析，定位道路擁堵根源，并及時通過如交通燈控制、交警干預、潮汐車道變換及路況廣播等手段，實現疏堵。綜合桿上部署RSU后，可為全天候、全場景的無人駕駛提供高速數據連接。通過全市統一的“城市大腦”，可以進一步提供道路態勢感知、擁堵預測和預測性引流，實現“零干預”疏堵。

城市物聯應用中，綜合桿可以作為感知節點，集成微型氣象站、環境監測站等環境監測感知設施；作為匯聚節點，收集桿站周邊的傳感器數據，甚至向傳感器提供能量。在未來，以城市綜合桿為感知層的城市物聯系統將構建一個全息的數字孿生城市平臺，并在此基礎上發展出元宇宙之城。

五、結束語

萬兆時代家庭數字生活、行業數字轉型和城市數字基礎設施等領域的典型應用需求需要寬帶網絡的進一步升級[6]。萬兆光網呈現出的全光連接、超高帶寬、云網融合、智能化和極致體驗等特點，可以服務各行業的新業務升級，更高帶寬的寬帶接入網絡是下一代通信網絡建設的必然趨勢。

作者單位：梁娟" " 武漢交通職業學院電子與信息工程學院

參考文獻

[1]張蘇慧.萬兆城市建設提上日程 運營商引領融合創新[N].通信信息報.2024.2.28.

[2]何均均，王江舟，楊倩.基于云網絡的家寬游戲感知提升研究[J]. 江蘇通信， 2022，38（02）： 48-50.

[3]晁杰，葛廣洲，楊光.關于智慧校園全光網建設的探討與應用[J]. 中國有線電視. 2022，30（07）：49-52.

[4]黎永東.F5G全光網在轉化醫學中心應用的研究[J].數字通信世界， 2023，19（10）：116-118.

[5]李硯博，姚麗英.礦山企業5G及萬兆工業環網建設實踐[J]. 現代工業經濟和信息化， 2023，13（10）：214-216.

[6]陳濱，胡搏，惠紹明. 5G時代全光網2.0承載需求與未來展望[J]. 信息通信. 2020，34（08）：242-243.