全光智慧城市关键技术探讨

［刘杰］

1 前言

2020 年11 月，国家信息中心正式发布了《全光智慧城市白皮书》（以下简称“白皮书”）。白皮书结合智慧城市建设需求和全光网络发展趋势，提出了全光智慧城市的发展理念。随着F5G（第五代固定宽带网络）技术的提出、技术特性和代表性技术的明确，使得F5G 技术成为建设全光智慧城市的基石。

白皮书旨在加速全光基础设施的部署与升级，以高质量联接构筑城市智慧，推动基于F5G 的智慧城市创新应用场景。F5G 将赋能智慧城市开启全光时代，构建城市“1 ms”时延圈，实现确定性的网络联接。

2 F5G 概述

2020 年2 月，欧洲电信标准协会（ETSI）宣布成立第五代固定网络工作组（ETSI ISG F5G），工作组共有10家成员，分别为：eG4U 协会、葡萄牙电信、土耳其电信、德国Fraunhofer 电信学院、意大利电信、卢森堡电信、中国电信、中国信通院、中国信科、华为。自成立以后，工作组进一步壮大，现已发展到40 多家成员。

F5G 全称为：第五代固定网络（The 5th generation Fixed networks）。在F5G 工作组成立之前，固定网络并没有明确的代级划分。随着F5G 关键技术的明确，业界对F1G～G4G 进行了重新划分及定义，至此固定网络代级划分得到确定。具体划分如表1 所示。

表1 固定网络代级划分信息表

第三、四代固定网络的目标是“光进铜退”和“光纤到户”。对于第五代固定网络，F5G 工作组成立之初，就提出了“光联万物（Fiber to Everywhere）”的产业愿景，并定义了3 种F5G 的目标服务场景：

（1）住宅

对于云VR、8K 高清视频等业务，只有家庭接入带宽达到1 Gbit/s，端到端网络指标得到保证，才能实现良好的客户体验（QoE）。

（2）商业

与园区客户一样，他们对宽带网络带宽、服务质量和安全性都有更高的要求。因此，网络运营商将要求提供高质量的宽带接入和专线溢价服务。随着公有云服务（如PaaS）的快速普及，运营商需要向越来越多的企业提供高带宽、高质量的宽带网络，使企业能够接入云。

（3）垂直行业

智慧城市将拥有许多设备，如智能监控和智能灯杆，每个都需要宽带连接，网络必须为这些设备提供访问能力，并满足带宽和延迟的要求。

智能制造（如工业4.0），一个统一的物理网络可以用来支持3 个独立的具有不同要求的服务：生产线制造（生产网）、办公系统（办公网）和园区设备（园区网，包括闭路电视和访问控制）。生产网络需要超可靠和超低延迟的连接，办公网络需要对称的高带宽，园区网必须提供大量的连接和方便的维护。

F5G 的主要商业驱动因素本质上是由速度、密度和延迟3 个维度构成，而这3 个维度是基于eFBB、FFC 和GRE 三个技术特性实现的，F5G 商业驱动因素如图1 所示，F5G 技术特性如图2 所示。

图1 F5G 商业驱动因素

图2 F5G 技术特性

（1）eFBB（enhanced fixed broadband，增强型固定宽带）

与F4G 光纤宽带相比，F5G 进一步增加了10 倍以上的带宽。以10G PON 为代表的光纤访问技术提供了这种改进。每个用户的网络带宽具有对称的千兆上行和下行带宽能力。Wi-Fi6 技术用于打破最后10 米千兆连接的瓶颈。用户可以有效地连接到数据中心，并享受高带宽体验。

（2）FFC（full-fiber connection，全光联接）

F5G 使用全覆盖的光纤基础设施来支持无处不在的连接，包括家庭连接、机器连接和每个房间之间的连接，支持垂直行业应用的发展。业务场景的扩展和连接数量百倍的增加，开启了全光联接时代。

（3）GRE（guaranteed reliable experience，极致体验）

凭借光纤独有的高品质传输能力，支持几乎零丢包、微秒级延迟和抖动，配合人工智能和大数据的智能运维，满足用户对极致体验的需求。

3 F5G 代表性技术

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

（1）10G PON

PON 是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网络，由以下三部分组成：局端光线路终端（OLT）、光分配网络（ODN）和用户侧光网络单元（ONU），其结构如图3 所示。

图3 PON 系统结构图

OLT 可以是一个L2 交换机或L3 路由器，提供网络集中和接入；ODN 为无源光分配网，主要为OLT 和ONU之间提供光传输的物理光纤通道；ONU 位于用户侧，用于接入用户设备。PON下行采用1 490 nm波长，广播方式；上行采用1 310 nm 波长，点到点方式。

PON 技术经历了EPON、GPON、10G PON 等3 个阶段，现在国内各大运营商倾力打造的“三千兆”（千兆5G+千兆WiFi+千兆宽带）全场景立体化高速率的网络覆盖，当中的“千兆宽带”就是基于10G PON 技术（网络侧接口10 Gbit/s，用户侧接口1 Gbit/s）。

（2）Wi-Fi6

IEEE 802.11 是针对WIFI 技术制定的一系列标准，第一个版本发表于1997 年，其中定义了介质访问接入控制层和物理层。到目前为止已经发展到第六代WIFI 技术，其主要标准间的技术属性对比如表2 所示。

表2 WIFI 技术对比表

当前国内各大运营商倾力打造的“三千兆”（千兆5G+千兆WiFi+千兆宽带）全场景立体化高速率的网络覆盖，当中的“千兆WiFi”指的就是Wi-Fi 6。另外，在人流量巨大的室内场所，Wi-Fi 6 也可以作为5G 信号的补充来使用。

（3）200G/400G

200G/400G 指的是200G/400G 波分复用技术，主要应用在骨干传输网，其基本技术原理为：将一束调制过的光（相干光）划分为80～120 个波道，每个波道的速率为200 Gbit/s/400 Gbit/s，单束光可接入的带宽=波道数*单波道速率=80（96/120）*200G（400G）。波分复用技术的演进路线分别为2.5G、10G、40G、100G、200G、400G 等等，其演进规律基本符合摩尔定律。

在超100G 时代，波分复用技术主要有3 个维度：波道数、单通道速率、QAM 调制技术，其关系如图4 所示。

图4 波分复用技术关系图

波道数指的是把一束可用光划分为多少个可用光波长的数量，波道数=可用频率范围/波道间隔。在当前技术下，能被波分复用技术使用的光源频率有C 波段和C++波段，因此光源频率可用范围有限。在当前技术下，波道间隔有50 GHz、75 GHz、100 GHz、150 GHz 等。波长间隔的取定，就好比高速公路行驶的车辆，当车速越快，车辆间的间隔越大就越安全。同理，单波速率越高，波道的间隔就需要越宽，否则就得牺牲传输距离。

单波道速率由单通道速率、QAM 调制技术和相干接收技术（PDM）决定。单通道速率当前有25G 和50G（100G业界暂时还没有），由于有开销等其他数据，因此单通道波特率为32G 和64G；QAM 调制技术有BPSK（2QAM）、QPSK（4QAM）、16QAM、64QAM 等，2QAM 调 制 单通道携带1bit 数据，4QAM 携带2 bit 数据，16QAM 携带3bit数据，64QAM携带4 bit数据，以2的N次方依次类推；相干接收技术（PDM）指的是把单通道调制成垂直的2 路信号，可以理解为携带2 bit 数据。

因此单波道速率=单通道速率*QAM 调制技术数据位数*2，当前超100G 波分复用技术已商用的情况如表3所示。

表3 超100G 技术商用情况表

OXC 全称为光交叉连接（optical cross-connect），是波分复用技术的一部分，其技术的本质为“WSS+光背板”技术。

（4）OXC

WSS 全称为波长选择开头（Wavelength Selective Switch），是一种把束光分成N 束光或把N 束光合并成一束光的器件。WSS 与分路器/合路器的区别在于：首先WSS 对光信号几乎没损耗，其次WSS 可以对波道信号按需选取。而一个110 的分路器出来的每路光信号强度只有原始信号强度的1/10，而且每路光信号与原始信号一样。

由多个WSS 相互联接就可以组成一个光交叉矩阵，既可以在线路侧完成光层转发，也可以在本地侧完成业务落地和电层中继，其结构如图5 所示。

图5 WSS 光交叉矩阵结构图

随着WSS 的维度（当前最高维度为32 维）越来越大，WSS 互联的光跳纤数量也越发的庞大，光交叉矩阵高度集成的需求变得愈发迫切，OXC 应运而生。

OXC 的光背板技术原理就是把光跳纤类似于印刷电路板一样，将其印刷到光背板上，然后预留光接口给线路侧和本地侧WSS 使用。与此同时，线路侧WSS 与波分设备的部分板卡集成在一起变成光线路板，本地侧WSS 组集成在一起变成光支路板。光背板技术原理较简单，难的是制造工艺。

OXC 技术的应用使得全光交叉网络得到升级，实现无纤化、光端口全互联。

（5）NG OTN

NG OTN 全称为下一代光传送网（Next Generation Optical Transport Network）。NG OTN 在国内三大运营商的名称有细微的差别，其中中国移动为NG-OTN，中国电信为M-OTN，中国联通为SD-OTN，其技术核心均大致相同。

光传送网的发展共经历了5 代，其代表技术如表4所示。

表4 光传送网代表技术

OTN、PeOTN、NG OTN 的区别如图6 所示。

图6 OTN、PeOTN、NG OTN 的区别

NG OTN 创新性的引入具备灵活带宽调整能力的光业务单元（OSU：Optical Service Unit）技术，可以实现对2 Mbit/s～100 Gbit/s 级粒度业务的高效承载，补齐了传统OTN 技术在小颗粒业务承载效率方面的短板，有利于降低设备复杂度和成本，简化网络运维。同时基于硬管道安全隔离的属性，提供稳定的低时延、灵活可调可控能力，可以有效地匹配高品质专线入云业务的差异化需求，是面向高品质云网融合应用的最佳承载技术。

4 低时延分析

F5G 强调的速度、密度和延迟3 个因素，其中速度和密度在接入端由10GPN、Wi-Fi 6、NG OTN 等技术可实现，速度在长途传输层由200G/400G+OXC 技术可实现，延迟（即时延）主要与光传送网络的光路长度相关，较低的时延可使用户获得极佳的体验，下面重点分析一下时延。

光传送网络时延指的是业务从接入端传送到业务落地端所花费的时间，共分为两种：光路传输时延、业务处理时延。

（1）传输时延

光传送网络在物理上是由承载在光纤之上，其光路传输的时延主要与光路传输距离相关，另一部分就是光放大器（OA）时延。

光在真空中的折射率为1，光速为c=30 万公里/秒。光在其他介质传送时，假设介质的折射率为n,那么光在该介质的速度就降为v=c/n。光纤的折射率大约为1.48，计算传送时延时，可以按1.5 计取，因此光在光纤中的传输速度近似为v=c/1.5=20 万公里/秒，即1 公里的光纤时延为5 μs。另外每个光放大器（OA）的时延大约为0.25 μs。

（2）处理时延

在波分复用系统中，处理时延主要体现在电层设备上，包括电中继、支线路合一单板收发处理、电交叉处理（含支线路分离板处理），处理时延=业务解/封装时延+电交叉时延*2+FEC 编/解码时延。其中：业务解/封装时延可以按10 μs 估算，交叉时延*2 可以按2 μs 估算，FEC 编/解码可以按50 μs 估算。

因此在无电中继的情况下，业务的处理时延=10*2+2+50*2=122 μs，如果要实现1 ms 时延圈的目标，那么光传送网的范围要控制在（1 000-122）/5=175 km 以内。

（3）时延优化建议

综合上述分析，在全光传送网络层面，引起时延的最大因素就是光路的距离，因此优化时延的关键在于缩短光缆的长度。

在省际、城际的骨干传送网络层面，应充分利用高铁、高速公路、国道等的管道资源，加大光缆的投资建设，加强共建共享的力度，通盘考虑，逐步优化、打造低时延光缆网。在城域范围内，随着城市建设的日益加快，城区的范围越来越大，打造“1 ms 时延圈”的目标任重而道。因此城域范围内的光缆建设应结合城市发展和建设的方向，同步建设与布置，与此同时加强共建共享的力度，在减少道路施工开挖的同时，能够最大限度地构造低时延光缆网。

5 结语

全光网2.0 时代已经到来，F5G 全光传送网络构造了智慧城市的躯体，辅以云计算、AI、算力、大数据、机器学习等等技术赋予城市智慧的大脑，未来人类社会必将会走向高度智能化道路。