全光智慧城市關鍵技術探討

［劉杰］

1 前言

2020 年11 月，國家信息中心正式發布了《全光智慧城市白皮書》（以下簡稱“白皮書”）。白皮書結合智慧城市建設需求和全光網絡發展趨勢，提出了全光智慧城市的發展理念。隨著F5G（第五代固定寬帶網絡）技術的提出、技術特性和代表性技術的明確，使得F5G 技術成為建設全光智慧城市的基石。

白皮書旨在加速全光基礎設施的部署與升級，以高質量聯接構筑城市智慧，推動基于F5G 的智慧城市創新應用場景。F5G 將賦能智慧城市開啟全光時代，構建城市“1 ms”時延圈，實現確定性的網絡聯接。

2 F5G 概述

2020 年2 月，歐洲電信標準協會（ETSI）宣布成立第五代固定網絡工作組（ETSI ISG F5G），工作組共有10家成員，分別為：eG4U 協會、葡萄牙電信、土耳其電信、德國Fraunhofer 電信學院、意大利電信、盧森堡電信、中國電信、中國信通院、中國信科、華為。自成立以后，工作組進一步壯大，現已發展到40 多家成員。

F5G 全稱為：第五代固定網絡（The 5th generation Fixed networks）。在F5G 工作組成立之前，固定網絡并沒有明確的代級劃分。隨著F5G 關鍵技術的明確，業界對F1G～G4G 進行了重新劃分及定義，至此固定網絡代級劃分得到確定。具體劃分如表1 所示。

表1 固定網絡代級劃分信息表

第三、四代固定網絡的目標是“光進銅退”和“光纖到戶”。對于第五代固定網絡，F5G 工作組成立之初，就提出了“光聯萬物（Fiber to Everywhere）”的產業愿景，并定義了3 種F5G 的目標服務場景：

（1）住宅

對于云VR、8K 高清視頻等業務，只有家庭接入帶寬達到1 Gbit/s，端到端網絡指標得到保證，才能實現良好的客戶體驗（QoE）。

（2）商業

與園區客戶一樣，他們對寬帶網絡帶寬、服務質量和安全性都有更高的要求。因此，網絡運營商將要求提供高質量的寬帶接入和專線溢價服務。隨著公有云服務（如PaaS）的快速普及，運營商需要向越來越多的企業提供高帶寬、高質量的寬帶網絡，使企業能夠接入云。

（3）垂直行業

智慧城市將擁有許多設備，如智能監控和智能燈桿，每個都需要寬帶連接，網絡必須為這些設備提供訪問能力，并滿足帶寬和延遲的要求。

智能制造（如工業4.0），一個統一的物理網絡可以用來支持3 個獨立的具有不同要求的服務：生產線制造（生產網）、辦公系統（辦公網）和園區設備（園區網，包括閉路電視和訪問控制）。生產網絡需要超可靠和超低延遲的連接，辦公網絡需要對稱的高帶寬，園區網必須提供大量的連接和方便的維護。

F5G 的主要商業驅動因素本質上是由速度、密度和延遲3 個維度構成，而這3 個維度是基于eFBB、FFC 和GRE 三個技術特性實現的，F5G 商業驅動因素如圖1 所示，F5G 技術特性如圖2 所示。

圖1 F5G 商業驅動因素

圖2 F5G 技術特性

（1）eFBB（enhanced fixed broadband，增強型固定寬帶）

與F4G 光纖寬帶相比，F5G 進一步增加了10 倍以上的帶寬。以10G PON 為代表的光纖訪問技術提供了這種改進。每個用戶的網絡帶寬具有對稱的千兆上行和下行帶寬能力。Wi-Fi6 技術用于打破最后10 米千兆連接的瓶頸。用戶可以有效地連接到數據中心，并享受高帶寬體驗。

（2）FFC（full-fiber connection，全光聯接）

F5G 使用全覆蓋的光纖基礎設施來支持無處不在的連接，包括家庭連接、機器連接和每個房間之間的連接，支持垂直行業應用的發展。業務場景的擴展和連接數量百倍的增加，開啟了全光聯接時代。

（3）GRE（guaranteed reliable experience，極致體驗）

憑借光纖獨有的高品質傳輸能力，支持幾乎零丟包、微秒級延遲和抖動，配合人工智能和大數據的智能運維，滿足用戶對極致體驗的需求。

3 F5G 代表性技術

F5G 的代表性技術包含：10G PON、Wi-Fi6、200G/400G、OXC、NG OTN 等。

（1）10G PON

PON 是一種采用點到多點（P2MP）結構的單纖雙向光接入網絡，由以下三部分組成：局端光線路終端（OLT）、光分配網絡（ODN）和用戶側光網絡單元（ONU），其結構如圖3 所示。

圖3 PON 系統結構圖

OLT 可以是一個L2 交換機或L3 路由器，提供網絡集中和接入；ODN 為無源光分配網，主要為OLT 和ONU之間提供光傳輸的物理光纖通道；ONU 位于用戶側，用于接入用戶設備。PON下行采用1 490 nm波長，廣播方式；上行采用1 310 nm 波長，點到點方式。

PON 技術經歷了EPON、GPON、10G PON 等3 個階段，現在國內各大運營商傾力打造的“三千兆”（千兆5G+千兆WiFi+千兆寬帶）全場景立體化高速率的網絡覆蓋，當中的“千兆寬帶”就是基于10G PON 技術（網絡側接口10 Gbit/s，用戶側接口1 Gbit/s）。

（2）Wi-Fi6

IEEE 802.11 是針對WIFI 技術制定的一系列標準，第一個版本發表于1997 年，其中定義了介質訪問接入控制層和物理層。到目前為止已經發展到第六代WIFI 技術，其主要標準間的技術屬性對比如表2 所示。

表2 WIFI 技術對比表

當前國內各大運營商傾力打造的“三千兆”（千兆5G+千兆WiFi+千兆寬帶）全場景立體化高速率的網絡覆蓋，當中的“千兆WiFi”指的就是Wi-Fi 6。另外，在人流量巨大的室內場所，Wi-Fi 6 也可以作為5G 信號的補充來使用。

（3）200G/400G

200G/400G 指的是200G/400G 波分復用技術，主要應用在骨干傳輸網，其基本技術原理為：將一束調制過的光（相干光）劃分為80～120 個波道，每個波道的速率為200 Gbit/s/400 Gbit/s，單束光可接入的帶寬=波道數*單波道速率=80（96/120）*200G（400G）。波分復用技術的演進路線分別為2.5G、10G、40G、100G、200G、400G 等等，其演進規律基本符合摩爾定律。

在超100G 時代，波分復用技術主要有3 個維度：波道數、單通道速率、QAM 調制技術，其關系如圖4 所示。

圖4 波分復用技術關系圖

波道數指的是把一束可用光劃分為多少個可用光波長的數量，波道數=可用頻率范圍/波道間隔。在當前技術下，能被波分復用技術使用的光源頻率有C 波段和C++波段，因此光源頻率可用范圍有限。在當前技術下，波道間隔有50 GHz、75 GHz、100 GHz、150 GHz 等。波長間隔的取定，就好比高速公路行駛的車輛，當車速越快，車輛間的間隔越大就越安全。同理，單波速率越高，波道的間隔就需要越寬，否則就得犧牲傳輸距離。

單波道速率由單通道速率、QAM 調制技術和相干接收技術（PDM）決定。單通道速率當前有25G 和50G（100G業界暫時還沒有），由于有開銷等其他數據，因此單通道波特率為32G 和64G；QAM 調制技術有BPSK（2QAM）、QPSK（4QAM）、16QAM、64QAM 等，2QAM 調 制 單通道攜帶1bit 數據，4QAM 攜帶2 bit 數據，16QAM 攜帶3bit數據，64QAM攜帶4 bit數據，以2的N次方依次類推；相干接收技術（PDM）指的是把單通道調制成垂直的2 路信號，可以理解為攜帶2 bit 數據。

因此單波道速率=單通道速率*QAM 調制技術數據位數*2，當前超100G 波分復用技術已商用的情況如表3所示。

表3 超100G 技術商用情況表

OXC 全稱為光交叉連接（optical cross-connect），是波分復用技術的一部分，其技術的本質為“WSS+光背板”技術。

（4）OXC

WSS 全稱為波長選擇開頭（Wavelength Selective Switch），是一種把束光分成N 束光或把N 束光合并成一束光的器件。WSS 與分路器/合路器的區別在于：首先WSS 對光信號幾乎沒損耗，其次WSS 可以對波道信號按需選取。而一個110 的分路器出來的每路光信號強度只有原始信號強度的1/10，而且每路光信號與原始信號一樣。

由多個WSS 相互聯接就可以組成一個光交叉矩陣，既可以在線路側完成光層轉發，也可以在本地側完成業務落地和電層中繼，其結構如圖5 所示。

圖5 WSS 光交叉矩陣結構圖

隨著WSS 的維度（當前最高維度為32 維）越來越大，WSS 互聯的光跳纖數量也越發的龐大，光交叉矩陣高度集成的需求變得愈發迫切，OXC 應運而生。

OXC 的光背板技術原理就是把光跳纖類似于印刷電路板一樣，將其印刷到光背板上，然后預留光接口給線路側和本地側WSS 使用。與此同時，線路側WSS 與波分設備的部分板卡集成在一起變成光線路板，本地側WSS 組集成在一起變成光支路板。光背板技術原理較簡單，難的是制造工藝。

OXC 技術的應用使得全光交叉網絡得到升級，實現無纖化、光端口全互聯。

（5）NG OTN

NG OTN 全稱為下一代光傳送網（Next Generation Optical Transport Network）。NG OTN 在國內三大運營商的名稱有細微的差別，其中中國移動為NG-OTN，中國電信為M-OTN，中國聯通為SD-OTN，其技術核心均大致相同。

光傳送網的發展共經歷了5 代，其代表技術如表4所示。

表4 光傳送網代表技術

OTN、PeOTN、NG OTN 的區別如圖6 所示。

圖6 OTN、PeOTN、NG OTN 的區別

NG OTN 創新性的引入具備靈活帶寬調整能力的光業務單元（OSU：Optical Service Unit）技術，可以實現對2 Mbit/s～100 Gbit/s 級粒度業務的高效承載，補齊了傳統OTN 技術在小顆粒業務承載效率方面的短板，有利于降低設備復雜度和成本，簡化網絡運維。同時基于硬管道安全隔離的屬性，提供穩定的低時延、靈活可調可控能力，可以有效地匹配高品質專線入云業務的差異化需求，是面向高品質云網融合應用的最佳承載技術。

4 低時延分析

F5G 強調的速度、密度和延遲3 個因素，其中速度和密度在接入端由10GPN、Wi-Fi 6、NG OTN 等技術可實現，速度在長途傳輸層由200G/400G+OXC 技術可實現，延遲（即時延）主要與光傳送網絡的光路長度相關，較低的時延可使用戶獲得極佳的體驗，下面重點分析一下時延。

光傳送網絡時延指的是業務從接入端傳送到業務落地端所花費的時間，共分為兩種：光路傳輸時延、業務處理時延。

（1）傳輸時延

光傳送網絡在物理上是由承載在光纖之上，其光路傳輸的時延主要與光路傳輸距離相關，另一部分就是光放大器（OA）時延。

光在真空中的折射率為1，光速為c=30 萬公里/秒。光在其他介質傳送時，假設介質的折射率為n,那么光在該介質的速度就降為v=c/n。光纖的折射率大約為1.48，計算傳送時延時，可以按1.5 計取，因此光在光纖中的傳輸速度近似為v=c/1.5=20 萬公里/秒，即1 公里的光纖時延為5 μs。另外每個光放大器（OA）的時延大約為0.25 μs。

（2）處理時延

在波分復用系統中，處理時延主要體現在電層設備上，包括電中繼、支線路合一單板收發處理、電交叉處理（含支線路分離板處理），處理時延=業務解/封裝時延+電交叉時延*2+FEC 編/解碼時延。其中：業務解/封裝時延可以按10 μs 估算，交叉時延*2 可以按2 μs 估算，FEC 編/解碼可以按50 μs 估算。

因此在無電中繼的情況下，業務的處理時延=10*2+2+50*2=122 μs，如果要實現1 ms 時延圈的目標，那么光傳送網的范圍要控制在（1 000-122）/5=175 km 以內。

（3）時延優化建議

綜合上述分析，在全光傳送網絡層面，引起時延的最大因素就是光路的距離，因此優化時延的關鍵在于縮短光纜的長度。

在省際、城際的骨干傳送網絡層面，應充分利用高鐵、高速公路、國道等的管道資源，加大光纜的投資建設，加強共建共享的力度，通盤考慮，逐步優化、打造低時延光纜網。在城域范圍內，隨著城市建設的日益加快，城區的范圍越來越大，打造“1 ms 時延圈”的目標任重而道。因此城域范圍內的光纜建設應結合城市發展和建設的方向，同步建設與布置，與此同時加強共建共享的力度，在減少道路施工開挖的同時，能夠最大限度地構造低時延光纜網。

5 結語

全光網2.0 時代已經到來，F5G 全光傳送網絡構造了智慧城市的軀體，輔以云計算、AI、算力、大數據、機器學習等等技術賦予城市智慧的大腦，未來人類社會必將會走向高度智能化道路。