“千兆寬帶”提升的，其實(shí)不僅僅是帶寬

  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(guò)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(yǔ)Passive Optical Network的首字母縮寫，譯為無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，“無(wú)源”指ODN(光分配網(wǎng)絡(luò))不含有電源，無(wú)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)[1]

  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(wàn)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)[2]

  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(wú)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(guò)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。

圖4：千兆小區(qū)

  值得一提的是，中國(guó)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(lái)“裝千兆寬帶，就選中國(guó)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：

圖5：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(kāi)始之前，有一點(diǎn)需要提前說(shuō)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(kāi)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(wèn)：大家都用網(wǎng)時(shí)，我實(shí)得帶寬是多少?本節(jié)就來(lái)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[4]，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[4](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(shuō)中國(guó)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?！?A href="http://m.odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%8d%83%e5%85%86&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">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(guò)2個(gè)后就會(huì)預(yù)警擴(kuò)容。

  就拿上一節(jié)討論過(guò)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(jiàn)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。從參考文獻(xiàn)[5]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)。

  圖6: 接入ONU數(shù)與誤碼率BER的關(guān)系[5]

  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(wú)法解決該問(wèn)題的，還需“千兆寬帶”的黃金搭檔—中國(guó)移動(dòng)全家WiFi業(yè)務(wù)。

  中國(guó)移動(dòng)全家WiFi通過(guò)雙千兆路由器，提供有線千兆+無(wú)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(lái)米的問(wèn)題。中國(guó)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(guó)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)。

圖7：“千兆寬帶”的黃金搭檔—中國(guó)移動(dòng)全家WiFi業(yè)務(wù)

  5、“千兆寬帶”引領(lǐng)未來(lái)

  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(lái)，則可能是50G PON和“全光連接”為技術(shù)硬核的“萬(wàn)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。

  參考文獻(xiàn)：

  [1] Yadav R. Passive optical network (PON) based converged access network[J]. IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, 2012, 4(11):B124-B130.

  [2] Fibre Optic Splitters

  [3]下一代PON 技術(shù)，周小平，華為技術(shù)有限公司.

  [4] Lee J Y, Hwang I S, Nikoukar A A, et al. Comprehensive performance assessment of bipartition upstream bandwidth assignment schemes in GPON[J]. IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, 2013, 5(11): 1285-1295.

  [5] Yan, Jhih-Heng, et al. "An experimental demonstration for carrier reused bidirectional PON system with adaptive modulation DDO-OFDM downstream and QPSK upstream signals." Optics express 21.23 (2013): 28154-28166.