千兆宽带光网技术和业务的发展

2021-07-21 来源:中国联通研究院 贾武 程海瑞 孙越

面对各类新兴业务的不断出现,宽带接入网络技术将继续向更大速率、更多波长、更低时延方向演进,同时结合各类软件定义网络(Software Defined NetworkSDN/网络功能虚拟化(Network Functions VirtualizationNFV)及大数据技术,我国也在规建维优一体化方面取得了长足的进步。运营商正在推动千兆宽带光网向最优化承载4K/8K等超高清视频、VR/AR5G小微基站等新兴业务的精品宽带接入网转型。

一、发展概述

(一)FTTx网络大规模建设已基本完成,宽带业务市场竞争激烈

经过近年来的大规模光改和精准建设,根据工业和信息化部于2021126日发布的数据,截至2020年年底,我国互联网宽带接入端口数量达到9.46亿个,其中,光纤接入(FTTH/O)端口达到8.8亿个,占比由2019年年末的91.3%提升至93%3家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数达到4.84亿户,其中光纤接入(FTTH/O)用户达到4.54亿户,占比由2019年年末的92.9%提升到93.9%,远高于全球平均的67.5%。光纤接入速率稳步提升,截至2020年年底,我国100Mbit/s及以上接入速率的固定互联网宽带接入用户总数达4.35亿户,占固定宽带用户总数的89.9%,占比较2019年年末提高了4.5个百分点。千兆网络的覆盖范围不断扩大,1000Mbit/s及以上接入速率的用户数达到640万户,比2019年年末净增553万户。根据目前的固定宽带用户数与光纤端口数之比,以及监测的宽带用户平均流量来分析,固定宽带网络的大规模建设已基本完成,后续需要结合具体的市场发展需求进行精准建设,以有效控制资本投入(Capital ExpenditureCAPEX)并提升网络效能。

目前国内宽带接入市场竞争激烈,中国信息通信研究院发布的《中国信息消费发展态势报告(2020年)》显示,截至20208月,我国固定宽带月户均支出为35.3元,较2017年年底下降19.2%,较2019年同期下降1.4%;移动流量平均资费水平从2017年年底的22.3/GB下降至4.1/GB,降幅达81.8%。市场主要表现如下所述。

一是各运营商业务和技术的同质性强,价格竞争较为激烈。

二是客户忠诚度低,宽带市场已趋于饱和,价格敏感性的占比较高,客户对服务质量要求呈上升趋势。

三是替代品初具苗头,随着各种不限流量套餐和2I(面向互联网)套餐推出,移动宽带流量资费进一步下降,部分客户开始采用移动互联网代替固网宽带。

基于上述原因,相对于宽带网络建设的大规模投入而言,部分运营商开通传统业务的固网宽带用户的增长规模低于预期。

(二)宽带接入网技术继续向超大带宽和多业务分级承载方向探索

下一代无源光纤网络(Passive Optical NetworkPON)技术体制的选择涉及现网的平滑演进,关系到对已规模部署的10G PON投资的保护。20181月,中国运营商推动50G TDM PONITU-T SG15全会上立项,它具备以下主要参数:能重用现网ODN并与10G PON共存;单波下行速率达到50Gbit/s,上行速率包括单波10Gbit/s/25Gbit/s/50Gbit/s等多个选项。该立项确保了下一代接入网主力设备能够具备充分的能力被提升,届时10G PON设备能够共存和平滑演进以充分保护投资,并能够积极应对5G小微基站承载等多种未来应用场景。IEEE10GE PON设备可以与ITU-T50G TDM PON通过共用同一光模块的“Combo”方式或单独的分合波器件来实现共存,即不再保留和新部署10GE PON OLT设备,结束接入网产业链ITU-T系列和IEEE系列长期分化的局面。

50G TDM PON关于需求的标准—G.9804.1已于201911月获得批准。目前物理层和协议层的标准在持续进行中,目标是在20214月的ITU-T SG15全会完成第一版。

随着各种新型业务的出现与发展,接入网面临多业务承载现状,不同业务所需的QoS保障及管控需求也各不相同。接入网结合虚拟化技术,可为多业务承载提供相应的解决能力。

一是物理网络虚拟切片,可支持多业务承载和差异化服务。引入网络切片技术,单一物理OLT设备在逻辑上可分为多个虚拟分片设备,并采用虚拟分片来承载多个独立业务,从而满足多业务在业务规划、运行、维护等多种场景下的隔离和差异化要求,也可满足特殊客户的差异化要求。

二是VXLAN可保证网络的扩展性与穿透性。接入网和城域网的虚拟化是指将在网络中引入部署虚拟设备的数量和位置的变化,原有的大二层网络在扩展性和穿透性上可能会遇到问题,而VXLAN可以很好地解决大二层网络以下问题:虚拟机规模受网络规格限制;网络隔离能力限制;虚拟机迁移范围受网络架构限制。VXLAN技术的引入可为客户所需入云的相关业务提供支持。

三是接入网控制编排器可实现虚拟集群和统一的网络管理。软件定义的接入网将接入远端/终端设备(例如ONUMxU等)的转发与控制分离, 接入节点的控制面集中在收到控制器(Access ControllerAC)中,以实现用户会话转发可编程。基于统一的Netconf/Yang协议模型,面对不同业务的各类新型接入设备及管控需求,接入网控制编排器可实现海量接入设备与业务的解耦,并加快业务推出速度,同时实现合理管控。多业务、多接入、各种客户定制化模式都可以统一到虚拟的接入节点,从而归一化各种FTTx的控制与管理模式,简化运维,以适应未来接入技术的无缝演进。

(三)虚拟现实等新兴业务方兴未艾

运营商均已将TV视频定位为战略性基础业务,IPTV正在跨过标清和高清阶段,开始进入超高清阶段。虚拟现实也正在从业务演示向运营方向发展,为用户带来全景视频和互动体验,主要分为3个阶段。

1.起步阶段

内容以 4K VR为代表,终端屏幕分辨率为 2K4K,用户看到的画面质量相当于在传统 TV 上观看240P/380P 的效果。

2.舒适体验阶段

内容以 8K VR为代表,终端屏幕分辨率为 4K8K,终端芯片性能、人体交互有所提升,画面质量相当于传统 TV上观看480P的效果。

3.理想体验阶段

内容以12K VR为代表,终端屏幕分辨率为 8K16K,终端和内容的发展可使用户获得最佳使用体验。预计H.266 视频编码标准、视场角(Field of ViewFOV)将广泛应用。

(四)聚焦室内覆盖的5G小微基站产品陆续问世

5G时代室内覆盖具有以下重要性:高价值商用客户主要集中在室内;室内覆盖可以精确控制室内信号的分布,提高业务质量;良好的室内覆盖是吸引新客户、留住老客户的关键。根据4G建设经验,宏站在完成基础覆盖后建设将趋缓,网络建设进入补盲、吸热阶段,不同类型小站的建设规模将呈现逐年上升趋势,微宏比(小微站/宏站)逐年提升。

5G室内覆盖是运营商打造精品网络、提升用户体验的重要方向。提前对5G小微基站与室分系统的技术进展、产品能力、发展趋势进行研究,做好网络承载准备,已成为运营商的迫切要求。室内5G新业务及传输速率模型见表1

1 室内5G新业务及传输速率模型

5G新业务

子业务

传输速率

Cloud VR

入门级

60180Mbit/s

终极

14Gbit/s

超高清视频全景直播

1080P

6Mbit/s

2K视频

10Mbit/s

8K视频和云游戏

50100Mbit/s

无线医疗

远程内窥镜,3604K+触觉反馈

50Mbit/s

远程超声波,AI视觉辅助,触觉反馈

23Mbit/s

智能制造

无线工业相机

110Gbit/s

工业穿戴设备

1Gbit/s

室内定位

精度5m,(带宽:20MHz

不依赖

精度1m

不依赖

从时延角度来看:工业互联网的时延要求较高,低的小于1ms,高的为10ms;室内定位对于时延和抖动要求较高,对相位同步精度要求是几个ns级别;VR强交互业务的时延要求为20ms

针对以上要求,目前业内已有多款5G小微基站产品和方案陆续问世。

二、面临的问题及挑战

(一)新兴业务对网络能力提出更高要求

视频传输质量对网络的要求主要为带宽、时延、丢包率。4K视频点播对带宽的需求达22.5Mbit/s50Mbit/s,双向时延需求为30ms,丢包率不大于3E- 4

VR弱交互业务(例如VR视频)和VR强交互业务(例如VR游戏)的多种编码和传输方式对网络提出更高的要求,需要综合考虑分辨率、帧率、色深、视场角、编码、传输方式等。VR视频对网络的需求见表2

2 VR视频对网络的需求

 

起步阶段

舒适阶段

理想阶段

典型视频全景分辨率

4K

8K

12K

典型强交互业务内容分辨率
双目

3K

4K

8K

主流终端屏幕分辨率

3K

4K

8K

主流终端视场角

100110°

100110°

120°

色深(bit

8

8

10

编码标准

H.264

H.265

H.265/H.266

帧率FPS

30(视频),5060(游戏)

30(视频),60(游戏)

60(视频),90(游戏)

VR弱交互业务

码率

全视角:40Mbit/s

全视角:120Mbit/s

FOV80Mbit/s

FOV280Mbit/s

带宽要求

全视角:60Mbit/s

全视角:180Mbit/s

FOV120Mbit/s

FOV420Mbit/s

网络双向时延建议

30ms

20ms

20ms

丢包要求

10-4

10-5

10-6

VR强交互业务

码率

40Mbit/s

65Mbit/s

270Mbit/s

带宽要求

80Mbit/s

130Mbit/s

540Mbit/s

网络双向时延要求

20ms

20ms

10ms

丢包率

10-6

10-6

10-7

由表2可见,VR在不同发展阶段对网络带宽有不同的要求,对于现网实际带宽的需求涉及以下3个关键因素:一是VR业务的渗透率(即固宽端口开通VR业务用户比例);二是用户高峰时的并发率;三是业务的实际流量。综合以上因素,我们需对现网设备承载VR能力进行密切跟踪研究。

(二)传统网络难以满足业务定制化、差异化需求

目前接入网发展迅猛:针对公众客户,接入网目前主要提供宽带、语音、IPTV三大类基础服务及其他服务;对于中小型企业客户,接入网可同样提供企业级宽带、语音、VPNQoS等服务;根据各区域业务的发展需求与成本运营现状,公众客户与企业客户的业务存在共享同台OLT的情况。以上情况带来的问题与挑战:承载用户数量庞大、业务类型复杂、技术架构相对复杂、设备数量庞大。

与此同时,当前由各种智能设备、云服务、光纤网络和无线通信网络共同构成的全球互联网呈现爆发式发展,极大地刺激了网络业务的多样化与复杂化。随着用户对综合业务通信需求的与日俱增,以及定制化、差异化需求的出现,光网络的数据转发面朝着超长距离、超大容量、超高速率的方向发展,控制管理面则朝着智能灵活、软件定义、用户交互、安全可靠、高效节能的方向发展,因此开放化和低成本已成为未来网络发展的核心目标。

随着互联网OTTOver The Top)厂商的兴起,传统网络运营商逐步被管道化,并面临剪刀差的困境。与此同时,接入网的服务质量直接关系到电信运营商和宽带用户的切身利益。如何实现用户的快速接入、快速故障定位及恢复、方便快捷地进行用户终端的配置、提高用户体验、控制运营成本并提高网络的收益率,也成为接入网亟待解决的问题。

综上所述,接入网作为用户接入互联网的第一道门户,是用户网络体验的核心,是联系业务与用户的纽带。因此,接入网需要进一步具备智能、开放、服务化等特点。

(三)市场竞争带来降低CAPEXOPEX的压力

FTTH发展初期的资本性支出(Capital ExpenditureCAPEX)较高,随着逐渐应用,运营成本(Operating ExpenseOPEX)高的矛盾逐步凸显:安装、建设留下的隐患多,或产品质量差,矛盾被转移到运维;用户分散、数量大,服务到户的难度较大;用户知识水平不同,多数用户对FTTH技术了解甚少,需要服务的工作量大;点到多点的故障定位难度较大,维护成本较高。

目前,运营商在宽带网络建设、运维、业务和用户发展上面临着如何提高宽带网络维护管理质量、建设投资的精准性和宽带网络的支撑能力等迫切问题。为了从宽带接入网的网络质量、用户体验、工作流程、支撑系统等多个横向维度,综合地评估宽带网络建设、维护、运营、管理,我们需要建立多个评估模型。评估模型的输入参数应尽量来源于宽带网络常用的系统和平台;评估模型和算法、流程应简单明了,概念和定义应明确,计算方法和软件易处理、易实现,还要减少人为静态数据的输入,以便后续应用于各类支撑系统。

随着网络的大规模扩展,网络设备和平台的建设工作如何既能满足近期业务的需要,又能在期望的时间区间内优化CAPEXOPEX,已成为影响宽带接入网规划与建设工作的问题。

(四)家庭网关提供的Wi-Fi与用户需求有差距

由于Wi-Fi工作在非授权频段,与移动网络相比,在抗干扰、QoS、网优、运维等方面存在不足,主要应用在家庭企业、居民区、写字楼等室内场景。IEEE已经制定了802.11a/b/g/n/ac/ax的系列Wi-Fi协议标准, Wi-Fi联盟按代际划分,依次被命名为Wi-Fi 1Wi-Fi 6;国内运营商PON系列企标已要求家庭网关支持Wi-Fi,在企标等指引下,集采的家庭网关的Wi-Fi规格初步统计见表3,由于家庭网关的产品生命周期、运营商的集采流程、成本等因素,与电子市场的家庭路由器相比,国内运营商集采的PON网关(包括家庭网关、企业网关)的Wi-Fi模块的技术(主要是Wi-Fi协议类型)大致晚一代。

3 集采家庭网关的Wi-Fi规格初步统计

 

2019

2020

1G PON

家庭网关

Wi-Fi 4单频出货量占比60%85%

Wi-Fi 5双频占比增加;

尚未考虑Wi-Fi 6

Wi-Fi 5双频出货量占比30%40%

10G PON

家庭网关

Wi-Fi 5双频

分别为 311n+311ac)、 211n+211ac)、 211n+311ac)等类型

Wi-Fi 5双频为主,在万级到十万级规模;

Wi-Fi 6双频,规格2.4G/5G都为2×2

除了协议类型,影响Wi-Fi速率的关键因素还包括MIMO数量、距离、障碍物、Wi-Fi干扰,导致用户的Wi-Fi体验与用户需求有一定差距。

(五)5G小微基站承载对光接入网构成多方位挑战

5G的高速率、高频段等特性对承载网提出了以下关键要求:超高速率(20Gbit/s)、超低时延(ms级)、高精度同步(100ns级)、灵活路由、网络切片和低比特成本。面向5G的光纤网除了连接外,其网络架构、功能分布、拓扑、设备形态以及传输媒质都将发生重要变化。

由于5G的标准、频谱划分、设备形态尚未完全确定,因此光接入网可能会面临多种形态的CUDURU设备承载任务。5G的巨大容量和新架构特性给光接入网同时带来了发展机遇和成本压力,主要表现为:光纤与机房资源紧张;运维和熔纤成本高;5G回传/前传容量扩大几十倍,达到数十上百
Gbit/s量级,需引入基于25Gbit/s/50Gbit/sWDM技术等,对相关可调激光器和WDM等器件需求巨大,价格敏感。

5G宏站主要实现大范围的连续覆盖,能够吸纳较均匀分布的用户业务。对于室内和人口密集区域覆盖不均衡、容量不均衡等场景需要进行补盲和吸热(针对性地实现精准覆盖)。5G小微基站主要用以实现室内覆盖和固移融合。相同覆盖范围的小微基站数量预计远大于宏站。小微基站方式的困难为回传成本高、站点选址难、取电和维护不方便等。现有回传网络可能难以及时提速以满足小微基站的需求。

三、发展建议

(一)大力推动ITU-T 50G TDM-PON研发和PON融合,降低建维成本

标准工作涉及网络设备的功能、性能要求和实现方式,对于器件成本、设备研制成本、运营商CAPEXOPEX均有影响,我们建议国内运营商和设备厂商继续加大宽带接入网标准研究的投入力度,紧密关注涉及重大技术路线选择等重要标准的进展,着眼中国发展需求及时发声。

运营商和系统设备商、芯片和器件生产商等联合业界力量,组织团队牵引重大标准走向,具体包括以下工作:推动XGS-PON50G PON的技术发展与器件、设备研究,积极参与系列国际国内标准研究制定;研究接入网承载5G方案,包括10G PON50G TDM-PON承载5G小微基站中/回传,积极参与Co-DBA(协作动态带宽分配)等相关研究。

(二)推动运营支撑体系向投资精准、运维高效的规建维优一体化发展

为了促进支撑系统智能化以提高CAPEX效能,同时提升运维效率以降低OPEX,运营商需要推动运营支撑体系以规建维优一体化为远期目标,努力完善相关功能,例如,业务质量监测、故障诊断、网络效能及网络承载能力评估和用户行为分析等。

为了提升用户感知,我们可在原有IPTV等业务质量监测系统研究和部署建设工作的基础上,继续完善对新兴业务的质量监测和用户感知监测,以提升业务质量和改善用户感知,增强用户黏性和运营的市场竞争力。

国内运营商已在部分省份部署建设了接入网故障端到端自动诊断功能,包括宽带、语音与IPTV三大基础业务的故障诊断和质量检测分析能力,可提供全面的接入网故障自动诊断功能和解决方案,对承载网的端到端网络状况和平台的服务能力进行监测,迅速诊断和辅助解决故障,协助精准派单,提升运维效率,大幅减少OPEX。我们建议继续推动完善相关功能,扩大部署应用范围,减少无效派单,进一步降低OPEX

为了提升投资和建设的准确性,聚焦精准规划的网络承载业务能力评估功能,我们还需加大研究力度。

与传统室外网络相比,5G小微基站在同一楼宇内的部署数量可能较多,室分网络设备的进场部署需要与物业协调、安装和调试过程复杂,进场维护的成本很高。因此,网络的快速部署和可视化运营维护成为5G室内网络的基本要求,也推动了相关的管理及评测功能需具备3D评估验证能力。我们可结合无线相关管理系统能力,探索未来PON统一承载家客及5G小微基站、室分系统的实现方式,对宽带接入网管理系统的能力提升进行预研。

(三)推动接入网多业务承载与业务质量保障

针对目前接入网现状,接入网应平滑演进,从而在不影响目前业务的情况下,不断提升接入网的相关能力。平滑演进的关键内容包括:一是多业务承载时的业务及管控的独立隔离;二是业务的QoS;三是接入网运维的智能化、自动化;四是新业务的一键式开通与定制化管控。

接入网将有效通过网络切片来实现多业务间的独立承载;通过Telemetry+AI技术实现更加高效及准确的数据采集与分析,掌握网络运行状态;通过接入网控制器实现业务的灵活部署、网络的自动化配置,并可作为灵活开放的软件平台,为支撑未来互联网化新业务打下基础。

接入网通过引入各类新技术,预期可达到以下效果。

一是提升接入网资源利用率:实现网络切片之间业务资源、业务规划、业务运行、业务维护和切片管理的独立隔离以及差异化设置。通过大数据分析,掌控网络状态,提高网络管理维护的自动化程度。

二是实现网络快速自动化部署、灵活调整:通过接入网SDN控制器,完成业务的下发和配置,以及和城域设备控制面的互联互通;提供按需分流的功能和动态灵活的QoS策略部署。

三是能力开放及融合场景:一方面通过协同编排层的网络能力开放API,将接入网的能力,例如接入带宽调整、接入网络切片等开放,或者是最终用户自助服务等;另一方面通过融合的SDN控制器进行处理和控制,支持接入网及城域网类似的控制功能协议栈或者相应的管理配置策略。

目前,国内运营商接入网已开始大规模部署10G PON技术的相应设备,主要以华为、中兴、烽火、诺基亚贝尔4家为主。我们可在相应设备上对上述接入网虚拟化技术及应用场景进行相应验证。未来50G PON设备上可加大应用虚拟化技术,提升网络能力,满足客户需求。

(四)以新兴业务驱动网络演进与固移融合

由于VR强交互业务对网络端到端时延和网络丢包率提出了更高的要求,例如将VR头盔到VR业务平台的时延控制在20ms,即家庭网关到VR业务平台之间的双向时延控制在10msVR头盔到家庭网关的Wi-Fi时延控制在10ms;采用Wi-Fi 6的空口切片技术以及配置网络端到端的QoS应运而生。

5G除了带宽的提升,还可以通过切片、边缘计算为FOV、区分编码等视频技术提供更靠近用户侧的部署方案,以降低视频传输时延、节约带宽。美国、英国、澳大利亚等多个国家的运营商尝试“5G固定无线接入,即最后一千米采用毫米波代替光纤入户,中心机房和家庭的设备和架构基本不变。

我们建议现有FTTx网络继续稳步从1G PON10G PON演进以满足日益增长的业务带宽需求;建议密切跟踪和推动5G固定无线接入、50G PONWi-Fi 6E/Wi-Fi 7、固移融合的CDN等新技术的标准和产业发展,及时评估成熟度,把握演进和引入时机。