PON 系統(tǒng)中的物理設(shè)備及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

最近的十幾年間，受益于通信技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的巨大投入，家庭固網(wǎng)經(jīng)歷了幾輪的迭代升級(jí)，僅在“帶寬”（傳輸速率）這一個(gè)參數(shù)上，從最初的 64Kbps（ADSL 電話線撥號(hào)上網(wǎng)），到幾兆，幾十兆，以及現(xiàn)在已經(jīng)普遍達(dá)到的一兩百兆，甚至從 2019 年下半年起逐漸走向千兆時(shí)代。但不為眾人所知的是，家庭固網(wǎng)在迭代升級(jí)的過程中，除了帶寬以外，還有其它幾個(gè)重要（會(huì)顯著影響用戶體驗(yàn)）的參數(shù)也同步進(jìn)行了優(yōu)化提升。

本文將重點(diǎn)介紹“千兆寬帶”好在哪，并分析“千兆寬帶”在時(shí)延、抖動(dòng)、誤碼率等性能參數(shù)上的提升原理。

“千兆寬帶”好在哪？

1、家庭寬帶接入網(wǎng)長(zhǎng)什么樣？

PON 是英語 Passive Optical Network 的首字母縮寫，譯為無源光網(wǎng)絡(luò)，“無源”指 ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）不含有電源，無需供電，ODN 全部由光分路器 Splitter（實(shí)際上為玻璃器件）組成。

圖 1：PON 的體系結(jié)構(gòu)

運(yùn)營(yíng)商在 PON 系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，一般在用戶數(shù)達(dá)幾千上萬戶的一個(gè)社區(qū)，建設(shè)一個(gè) PON 系統(tǒng)，部署一臺(tái) OLT、幾百臺(tái)光分路器 Splitter、一戶一臺(tái) ONU（俗稱光貓）。

圖 2：PON 系統(tǒng)中的物理設(shè)備

圖 3：分路器 Splitter 及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PON 系統(tǒng)上下行數(shù)據(jù)傳輸在同一根光纖中的不同波長(zhǎng)上，單芯“皮光纖”即可實(shí)現(xiàn)光纖入戶，無需使用雙纖芯的光纜。當(dāng)前主流的 PON 系統(tǒng)包括 GPON 和 EPON，它們有相同的上下行波長(zhǎng)，即中心波長(zhǎng)為 1310nm 和 1490nm。而“千兆寬帶”普遍采用新一代的是 10G-PON 系統(tǒng)，它的上下行波長(zhǎng)在 1270nm 和 1577nm 左右［3］。因此，兩代 PON 系統(tǒng)之間，可以通過波分復(fù)用器件共存在同一個(gè) ODN 上，帶寬升級(jí)不影響原有業(yè)務(wù)。正是由于這個(gè)原因，運(yùn)營(yíng)商在實(shí)現(xiàn)小區(qū)“千兆寬帶”覆蓋時(shí)，并不需要重新在小區(qū)地下管道和樓道弱電井施工，僅需更換 OLT 上的一兩個(gè) XG-PON 板卡，在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)“千兆寬帶入小區(qū)”的建設(shè)施工。

千兆小區(qū)

值得一提的是，中國移動(dòng)家庭固網(wǎng)普遍采用 GPON 進(jìn)行家庭接入，網(wǎng)上關(guān)于 GPON 與 EPON 比較的文章已經(jīng)很多了，筆者不在此贅述，請(qǐng)讀者自行百度：詳細(xì)分析 EPON vs GPON 哪種更好？由此看來“裝千兆寬帶，就選中國移動(dòng)”，還是很有道理的。

下面用某地市的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，結(jié)束本小節(jié)的介紹：

家庭寬帶端到端拓?fù)鋱D

2、傳輸資源是怎么分的？

在本節(jié)開始之前，有一點(diǎn)需要提前說明：家庭寬帶不是專線，傳輸資源是“競(jìng)爭(zhēng)共享”的。我們平時(shí)講的“我開了 100M 的寬帶”指的是：你家里的寬帶“最大可用帶寬”是 100M，同小區(qū)的人都不用網(wǎng)，僅你自己用網(wǎng)時(shí)，頂多用到 100M 的傳輸速率。很自然地，大家就會(huì)問：大家都用網(wǎng)時(shí)，我實(shí)得帶寬是多少？本節(jié)就來解答這個(gè)疑惑。

以性能相對(duì)較好的 GPON 系統(tǒng)為例， OLT 的一個(gè) PON 端口的下行傳輸速率是 2.5Gbps，上行傳輸速率為 1.25Gbps，分光比最高可達(dá) 1：128，其中分光比可以簡(jiǎn)單理解為：有多少 ONU（光貓）競(jìng)爭(zhēng)這下行 2.5G 和上行 1.25G 的傳輸資源。顯然，分光比 1:N 中 N 越小，用戶分得的傳輸資源越多，實(shí)得帶寬越大，體驗(yàn)越好。

在“百兆時(shí)代”運(yùn)營(yíng)商的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，分光比一般為 1：64（第一級(jí)分光 8*第二級(jí)分光 8），戶均實(shí)得帶寬=2.5Gbps/64=39Mbps，這是競(jìng)爭(zhēng)最激烈、最極端時(shí)的情況。一般情況下，這 64 戶不可能同時(shí)都這么“忙”，一般符合“泊松分布”統(tǒng)計(jì)模型，所以實(shí)得帶寬基本上都能達(dá)到簽約的百兆。

但正是因?yàn)檫@種“競(jìng)爭(zhēng)共享”機(jī)制，導(dǎo)致用戶實(shí)得帶寬是不穩(wěn)定的，抖動(dòng)較大，時(shí)延時(shí)大時(shí)小，誤碼率也不穩(wěn)定。對(duì)于一些時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)體驗(yàn)在晚上 8 點(diǎn)左右的用網(wǎng)高峰期就會(huì)下降。這就是出現(xiàn)“家里的網(wǎng)，白天好好的，晚上 8 點(diǎn)比較卡”現(xiàn)象的一個(gè)重要原因（但這不是全部原因，晚上下班時(shí)間，家里和鄰居家里的 Wi-Fi 設(shè)備增多，向空間中收發(fā)數(shù)據(jù)量增大，出現(xiàn)嚴(yán)重的 Wi-Fi 資源競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致 Wi-Fi 丟包率高，是另一個(gè)重要原因，這也就是為什么說中國移動(dòng)千兆寬帶與全家 WiFi 業(yè)務(wù)是“黃金搭檔”）。

3、“千兆寬帶”怎么提升了網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)？

正如上一節(jié)所述，讓用戶獲得更大的實(shí)得帶寬、減小時(shí)延、減小抖動(dòng)、降低誤碼率，全面提升網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)，主要有兩個(gè)重要途徑：1）提高一個(gè) PON 端口傳輸容量；2）減小分光比 1:N 中的 N。“千兆寬帶”正是圍繞這兩點(diǎn)，進(jìn)行了 PON 系統(tǒng)升級(jí)改造。

如在某運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)中，有三種支持千兆寬帶接入的 PON 系統(tǒng)，在資管系統(tǒng)以“可接入帶寬”進(jìn)行標(biāo)識(shí)為：1000a/1000b/1000c。

從上表可以看出，“千兆寬帶”一方面提升了 OLT 系統(tǒng)的傳輸容量；另一方面限制了 OLT 單 PON 口接入客戶數(shù)，最大只允許 6 個(gè)用戶參與資源競(jìng)爭(zhēng)，并且在接入數(shù)超過 2 個(gè)后就會(huì)預(yù)警擴(kuò)容。

就拿上一節(jié)討論過的“競(jìng)爭(zhēng)最激烈、最極端時(shí)的情況”為例，僅就“下行帶寬”這一個(gè)參數(shù)而言，“千兆寬帶”1000a 為 10Gbps/64=156Mbps，較“百兆寬帶”（39Mbps，見上一節(jié)）提升了 400%；“千兆寬帶”1000b 和 1000c 為 1Gbps/6=167Mbps，較“百兆寬帶”提升了 428%。

除此之外，“千兆寬帶”在時(shí)延、抖動(dòng)、誤碼率等性能參數(shù)上，較“百兆寬帶”有顯著提升。這個(gè)篇 SCI 論文中的數(shù)據(jù)（下圖）可以看出，誤碼率 BER 與單 PON 口下 ONU 數(shù)成反比，由于“千兆寬帶”嚴(yán)格地控制了單 PON 口接入客戶數(shù)（即 ONU 數(shù)），“千兆寬帶”較“百兆寬帶”將成倍地降低誤碼率，顯著減少用戶數(shù)據(jù)“丟包重傳”的概率，進(jìn)而降低用戶的時(shí)延和抖動(dòng)，提升游戲等時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)的體驗(yàn)。

接入 ONU 數(shù)與誤碼率 BER 的關(guān)系

4、“千兆寬帶”的黃金搭檔

在文章的第二小節(jié)提到了空間中 Wi-Fi 資源競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的 Wi-Fi 丟包率高，是影響家庭網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的一個(gè)重要原因，而僅靠“千兆寬帶”是無法解決該問題的，還需“千兆寬帶”的黃金搭檔—中國移動(dòng)全家 WiFi 業(yè)務(wù)。

中國移動(dòng)全家 WiFi 通過雙千兆路由器，提供有線千兆+無線（Wi-Fi）千兆的家庭內(nèi)網(wǎng)覆蓋能力，解決千兆到 PC、千兆到手機(jī)的最后十來米的問題。中國移動(dòng)全家 WiFi 業(yè)務(wù)針對(duì)房屋面積、戶型、墻體結(jié)構(gòu)和周圍 Wi-Fi 的情況，提供個(gè)性化的組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)，同時(shí)優(yōu)化同頻干擾和臨頻干擾的影響，保證用戶獲得真正的千兆體驗(yàn)。除此之外，隨著 Wi-Fi6 設(shè)備的普及，中國移動(dòng)全家 WiFi 業(yè)務(wù)還將提供 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的差異化服務(wù)能力，基于 OFDMA 信道切片技術(shù)，動(dòng)態(tài)為關(guān)鍵用戶和應(yīng)用分配獨(dú)占的專用子載波資源，根據(jù)服務(wù)等級(jí)將業(yè)務(wù)調(diào)度在不同的 Wi-Fi 子載波上，從而實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間上“用戶和應(yīng)用”不必排隊(duì)等待，不必因競(jìng)爭(zhēng) Wi-Fi 空口資源而丟包，為用戶在游戲、云 VR 期間帶去高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

“千兆寬帶”的黃金搭檔—中國移動(dòng)全家 WiFi 業(yè)務(wù)

5、“千兆寬帶”引領(lǐng)未來

2019 年世界移動(dòng)大會(huì)期間，各運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商達(dá)成共識(shí)，宣布固定網(wǎng)絡(luò)向 Fifth Generation Fixed Network （F5G）發(fā)展演進(jìn)，2020 年 2 月 26 日歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）成立了一個(gè)新工作組，專門負(fù)責(zé)制定第五代固定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（ETSI ISG F5G）。從相關(guān)的業(yè)界動(dòng)態(tài)可以看出，以 10G-PON 和 Wi-Fi6 為技術(shù)硬核的“千兆寬帶”，符合 F5G 的演進(jìn)方向，未來，則可能是 50G PON 和“全光連接”為技術(shù)硬核的“萬兆時(shí)代”。當(dāng)前，“千兆寬帶”正與 5G 移動(dòng)通信協(xié)同聯(lián)動(dòng)，共同實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的體驗(yàn)升級(jí)。

綜上所述，“千兆寬帶”好在哪？它不僅僅好在上下行傳輸速率的成倍提升，它還好在時(shí)延、抖動(dòng)、誤碼率等性能參數(shù)上的全面優(yōu)化，非常適用于對(duì)家庭寬帶有更高品質(zhì)要求的用戶。
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