宽带接入网技术发展与应用研究

  过去十年间，我国宽带接入网取得长足发展，“光进铜退”等系列举措推动宽带接入网光纤化，目前已步入全光接入初期发展阶段。10G-PON(无源光网络)、FTTR(光纤到房间)以及Wi-Fi 6等高速接入技术，为高清视频、VR/AR(虚拟现实/增强现实)提供了坚实的承载底座，宽带接入网络规模不断扩大，应用程度加速深化。

  然而，随着新型业务的发展，如XR(扩展现实)、裸眼3D、超高清机器视觉质检等应用场景，对网络超大容量、低时延、低抖动、高稳定等需求持续升级，宽带接入网还将进一步发展演进，其技术发展和应用趋势还有待梳理和研究。

  宽带接入网发展现状

  当前，新一代宽带接入网包含10G-PON、FTTR以及Wi-Fi 6等高速接入技术，作为千兆光网的关键组成部分，新一代宽带接入网在提高人民生活水平、促进经济社会数字化转型等方面发挥了关键作用。自2021年政府工作报告首次提出“加大5G网络和千兆光网建设力度，丰富应用场景”以来，国家信息通信顶层设计和产业政策均在加快推进千兆光网发展。《数字中国整体建设布局规划》提出要“加快5G网络与千兆光网协同建设”，旨在夯实数字中国建设基础，打通数字基础设施“大动脉”。

  如图1所示，截至2023年6月，我国已建设具备千兆网络服务能力的10G-PON端口数达到2029万个，相比去年同期增长近一倍，具备覆盖超过5亿户家庭的能力，网络规模和覆盖水平全球第一。FTTR用户规模也在同步扩大，据Omdia预测，到今年末，我国FTTR用户规模将达到700万户。

图1我国10G-PON端口数量增长情况(2021.6—2023.6)

  与此同时，新一代宽带接入网正加速赋能千行百业，相关应用涵盖了新型信息消费、行业融合应用、社会民生服务三大领域，具体包括工业制造、智慧医疗、智慧教育、数字政务、AR/VR、超高清视频、能源/矿山、数字金融、智慧家庭等多个应用方向，辐射了我国国民经济的主要行业和产业。

  新型业务驱动宽带接入能力不断升级

  从工业制造、中小微企业办公以及家庭等场景中的相关应用类型考虑，宽带接入主要满足高可靠、大带宽、确定性低时延、精准定位四大业务需求。基于以上四大业务需求，结合未来新型业务应用方向，可将宽带接入应用分为以下五大类。

  一是增强型超大带宽、低时延交互类应用，主要包括XR、元宇宙等业务。超高清视频内容、VR/AR等技术发展促进元宇宙应用和产业成熟，当前8K micro-LED技术应用于VR/AR头显，在120Hz高帧率情况下，其基础上下行大带宽需求超过400Mbit/s，空口时延小于1ms，端到端往返时延小于20ms。

  二是高可靠泛在连接感知类应用，主要包括物联网各类传感器数据回传业务。例如，智慧家庭中各种环境传感器室内全覆盖，数据回传可靠性要求大于99.99%;在工业生产制造场景下，工业类传感器在车间内重点覆盖，其搜集的数据关系到生产安全，因此可靠性要求大于99.999%。

  三是低速移动精准定位类应用，主要包括人员和车辆定位。对于各种类型室内人员定位，例如机场航站楼与商场导航服务，人员定位精度须小于10cm;在智能制造行业中，智能化无人运输车要实现实时定位跟踪，因此其定位精度应小于1cm。

  四是高可靠确定性低时延控制类应用，主要包括智能制造中机器远程控制指令以及一些矿山场景下的远程掘进控制等应用。为保障工业制造中远程控制的实时性、可靠性、稳定性，控制信号应具备超低时延、超高可靠特性。在工业精准制造中，机器控制信号要求空口时延小于100?，端到端时延小于1ms，抖动小于1?，可靠性达到99.9999%。

  五是超大上行超高分辨率监测类应用，主要包括自动光学智能质检以及家庭/园区高清安防等应用。当前高端装备制造行业对生产部件的品控要求极高，而先进的光学高精度智能质检要求60帧4K标准单相机连续拍摄，因此其对上行带宽的要求超过800Mbit/s，且端到端传输时延小于20ms。

  上述五大典型应用将驱动宽带接入迈向泛在万兆、微秒级时延以及超高可靠(99.9999%)的“光联万物”时代。如图2所示，基于“50G-PON+FTTR+VLC(可见光)/Wi-Fi 7”的“PON+2.0”万兆全光接入将是未来十年实现超宽智慧的关键解决方案。

图2 基于“50G-PON+FTTR+VLC(可见光)/Wi-Fi 7”的“PON+2.0”万兆全光接入方案

  下一代宽带接入关键技术

  高速光纤接入技术

  光接入网目前正由10G-PON向50G-PON发展。50G-PON能够提供高达50Gbit/s的下行接入速率，以及至少10Gbit/s的上行接入速率。当前，50G-PON标准趋于成熟，业界已就50G-PON作为下一代高速光接入技术达成共识，对称速率50G-PON标准于2022年底在ITU-T获得通过。相较10G-PON的产业和技术应用，50G-PON落地应用面临更大挑战，一是其功率预算相比10G-PON提升近5倍，在现网应用普遍实现32dB预算功率还存在挑战;二是色散补偿相对更严格，50G-PON色散容限仅不到10G-PON的1/25;三是器件封装要求更高，需要更好的功耗散热性能。

  同时，ITU-T也已启动更高速率PON的技术预研，研究单波长50Gbit/s以上的“点到多点”光接入系统要求和传输技术，需要重点关注预期的系统容量、共存要求、容量和链路功率预算之间的平衡。从实现技术的角度出发，相干调制是实现更高速率PON的关键技术路径，新的调制解调方案有待研究。

  光纤也逐步向企业和家庭内部网络延伸(即FTTR)，侧重于突破“最后10m”有线接入瓶颈，实现企业和家庭网络全光化，为高品质业务承载以及无线AP(接入点)间的高效协同提供坚实的网络基础。ITU-T目前正在就FTTR技术的总体、物理层、数据链路层和管理等方面开展系列标准的制定工作，基于无源分光器的“点到多点”FTTR架构与需求已经明确，能够复用当前PON产业链，以较低的成本实现室内组网。

  新型无线接入技术

  移动终端设备接入还是离不开无线接入网，Wi-Fi 7与可见光通信(VLC)作为新型无线接入技术，将协同接入终端设备，满足不同场景下的业务传输需求，为未来新兴宽带应用提供超大带宽、低时延的末端无线接入能力。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基础上进一步提升关键接入能力，包括多链路机制、多无线资源分配、QoS差异化管理与严格服务周期，峰值接入速率接近6Gbit/s。

  VLC工作波长为380nm—790nm，天然具有超大带宽传输能力，能够与Wi-Fi7协同为终端接入提供大容量传输通道。VLC相关标准历经10余年的发展，目前主要有两种路线，一种是复用Wi-Fi链路层，采用CSMA/CD(具有冲突避免的载波监听多址接入)方式接入业务，实现成本低，但难以满足低时延与抖动要求;另一种面向VLC重新设计链路层，采用TDMA(时分复用多址)接入，能够满足确定性低时延传输需求。

  网络管理与资源分配技术

  (1)“50G-PON+FTTR”的端到端切片技术

  不同应用对网络要求具有明显差异，因此识别服务和应用类型，并依据网络性能需求对不同的业务配置差异化的网络资源，构建相应的网络切片，能够使业务传输彼此不受影响，有效保证业务服务体验，并提高网络资源利用效率。通过业务感知，利用人工智能技术识别业务体验诉求，并基于实时网络状态和资源全景图，对PON网络以及FTTR网络预留相应的网络资源。同时在无线接入侧，通过Wi-Fi 7的多无线资源单元(MRU)预留机制以及VLC的TDMA接入方式，为终端提供确定性的空口传输资源。

  (2)多点协同与集中管控架构

  当前，ITU-T正开展光与无线协同控制管理接口、FTTR主从光网络单元(ONU)控制管理接口的研究。在单个ONU侧，通过光与无线协同控制管理接口，将FTTR与无线AP连接起来，FTTR主从ONU控制管理接口为主从ONU设备间的控制信息交互提供可靠通道。两种接口相互配合，共同构建起中心化的光与无线协同管控架构，为端到端业务保障提供全局控制视野。

  基于中心化光与无线协同管控架构，能够实现多个无线AP间的协作，包括流量卸载、负载均衡、多点协同增强等能力，从而进一步提高网络服务性能。例如，在主从ONU侧，通过光与无线协同管理接口实现Wi-Fi 7与VLC间的协同，通过VLC实现Wi-Fi 7高峰值流量下的业务负载;在多个Wi-Fi 7 AP间，当用户终端移动时，通过主从ONU控制管理接口进行跨区切换的信息交互，可以实现用户在AP间的无缝漫游，或是用户终端在多个无线AP边缘，利用多点协同机制(CoMP)实现用户终端在AP边缘的接收信号增强。

  (3)确定性差异化资源调度机制

  针对差异化服务需求的业务应用，“50G-PON+FTTR”的光线路终端(OLT)以及ONU具备层次化QoS调度技术，能够基于IEEE 802.1Qbu所定义的帧抢占功能和基于IEEE 802.1Qci所定义的入口流检测功能，优化上下行业务传输的时延与抖动性能。在下行方向，还可以通过FlexE或OTN等时隙化技术，保障下行方向的低时延与抖动。

  面向未来，下一代宽带接入网将支持更大带宽、更高确定性、更高并发，推动更多应用趋于成熟。在信息消费领域，将赋能数字生活，推动8K超高清视频、XR、元宇宙、沉浸式视频直播等新型媒体应用深入千家万户;在行业融合应用领域，将推动3D自动光学质检(AOI)向高端制造行业加速普及，并将有力支撑数字孪生工厂等大数据应用，赋能先进制造业高质量发展;在社会民生服务领域，将推动数字城市向智慧城市升级，支撑云VR在线教育、虚拟实训等新形式教学应用，赋能优质医疗资源入云共享，极大提升民生服务水平。

  同时，下一代宽带接入网还将助力移动通信能力提升。针对B5G/6G高频段小微蜂窝通信覆盖范围小等问题，新型全光接入将助力小微蜂窝回传，推动小微蜂窝在重点室内场所密集部署。

  作者：中国信息通信研究院技术与标准研究所 朱鹏飞 胡志杰 王泽珏 程强 李少晖