低時(shí)延增強(qiáng)，為光接入網(wǎng)提供確定性低時(shí)延

  隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的興起以及5G網(wǎng)絡(luò)的逐步部署，網(wǎng)絡(luò)大帶寬和低時(shí)延性能越來越受到重視。時(shí)延敏感型的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)將隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程逐步深入家庭與政企行業(yè)，如4K/8K、AR/VR等高質(zhì)量視頻應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)IoT海量連接場景等，都要求網(wǎng)絡(luò)具有極低的確定性時(shí)延來保障業(yè)務(wù)連接質(zhì)量。企業(yè)傳統(tǒng)的ICT業(yè)務(wù)逐漸向云業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型，大量分布式計(jì)算逐漸在金融技術(shù)、公共安全等領(lǐng)域得到應(yīng)用，低時(shí)延是各數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行協(xié)同工作的基礎(chǔ)。超低時(shí)延作為5G時(shí)代的三大應(yīng)用場景之一，未來也將成為接入網(wǎng)的必備場景，為運(yùn)營商進(jìn)入各垂直行業(yè)奠定基礎(chǔ)。

  國際標(biāo)準(zhǔn)組織ITU IMT-2020系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最早指出，在5G超低時(shí)延場景中，網(wǎng)絡(luò)用戶面的端到端雙向時(shí)延要從4G時(shí)代的20ms降低至1ms。2018年10月，ITU-T也將光接入網(wǎng)的低時(shí)延需求采納進(jìn)下一代光接入網(wǎng)技術(shù)50G-PON G.9804.1的標(biāo)準(zhǔn)中。

  端到端時(shí)延由多段路徑上的時(shí)延累加而成，僅靠單獨(dú)優(yōu)化某一局部的時(shí)延無法滿足1ms的極致時(shí)延要求，因此超低時(shí)延的實(shí)現(xiàn)需要各段路徑同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。研究認(rèn)為，在工業(yè)控制場景中，光接入網(wǎng)部分的端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延需要降低至500μs，才能滿足應(yīng)用需求。然而，目前光接入網(wǎng)PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)延下限并不能滿足新業(yè)務(wù)場景下的時(shí)延需求，如何降低接入網(wǎng)時(shí)延成為運(yùn)營商下一個(gè)亟待解決的問題。

  面對未來低時(shí)延接入場景的需求，中興通訊提出創(chuàng)新的低時(shí)延增強(qiáng)解決方案(見圖1)。通過改進(jìn)原有標(biāo)準(zhǔn)PON機(jī)制或引入WDM獨(dú)立波長疊加機(jī)制，降低接入網(wǎng)時(shí)延，推動接入網(wǎng)在確定性低時(shí)延場景的發(fā)展和演進(jìn)。

圖1 通過PON技術(shù)優(yōu)化和引入WDM機(jī)制改進(jìn)PON網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

  改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的PON機(jī)制

  光接入網(wǎng)的時(shí)延包括上行時(shí)延和下行時(shí)延，上/下行時(shí)延又分別由幾個(gè)部分組成，包括OLT轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、ONU轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、光纖傳輸時(shí)延、動態(tài)帶寬分配和ONU輪詢過程產(chǎn)生的時(shí)延，以及ONU開窗注冊流程造成的不確定性時(shí)延。以上行時(shí)延為例，傳輸距離在20km左右的光接入網(wǎng)時(shí)延在1.5ms~2.5ms之間，無法滿足5G時(shí)代光接入網(wǎng)的低時(shí)延要求。

  針對PON標(biāo)準(zhǔn)在優(yōu)化時(shí)延性能時(shí)天然存在的機(jī)制上的限制，中興通訊進(jìn)行了相關(guān)研究和實(shí)踐，通過優(yōu)化傳統(tǒng)PON網(wǎng)絡(luò)機(jī)制來降低時(shí)延。

  中興通訊低時(shí)延增強(qiáng)方案通過固定帶寬分配機(jī)制、縮短ONU輪詢周期及帶外開窗引入第三方波長等機(jī)制來降低時(shí)延。

  - 固定帶寬分配機(jī)制(Fixed Bandwidth Allocation，F(xiàn)BA)

  通過固定帶寬分配機(jī)制代替PON標(biāo)準(zhǔn)中的動態(tài)帶寬分配機(jī)制(Dynamic Bandwidth Allocation，DBA)，消除原有動態(tài)帶寬機(jī)制中存在的ONU帶寬申請、OLT帶寬分配及下發(fā)過程，降低接入網(wǎng)時(shí)延。

  - 縮短ONU輪詢周期

  通過軟件升級配置，將ONU傳輸數(shù)據(jù)的4個(gè)輪詢周期(每個(gè)周期125μs)降低至1個(gè)，減少時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的等待時(shí)間，進(jìn)而降低接入網(wǎng)時(shí)延。

  - 帶外開窗，引入第三波長

  光接入網(wǎng)時(shí)延的不確定性是由OLT不定期靜默所有下掛ONU、檢查新ONU上線并進(jìn)行注冊等過程引起的。中興通訊低時(shí)延增強(qiáng)采用第三波長負(fù)責(zé)新ONU的發(fā)現(xiàn)與注冊過程，獲得確定性低時(shí)延。

  2020年，中興通訊與蘇州移動合作，通過優(yōu)化PON網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，綜合運(yùn)用低時(shí)延技術(shù)，將PON的最大時(shí)延降低為原來的1/6以下，從而使得PON系統(tǒng)不僅具備高帶寬能力，還被賦予了更低時(shí)延能力。

  引入WDM獨(dú)立疊加波長機(jī)制

  在PON機(jī)制的優(yōu)化方案中，通過引入FBA機(jī)制和降低ONU輪詢周期來降低時(shí)延的過程中將不可避免地增大帶寬開銷，減小PON口的帶寬利用率。為了平衡網(wǎng)絡(luò)帶寬與效率之間的關(guān)系，低時(shí)延增強(qiáng)在Combo PON的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入WDM獨(dú)立疊加波長，創(chuàng)新性推出Combo PON Plus方案。

  Combo PON Plus解決方案通過獨(dú)立波長疊加機(jī)制，在PON網(wǎng)絡(luò)中引入WDM技術(shù)，提供確定極致低時(shí)延。創(chuàng)新的Combo PON Plus線卡一個(gè)端口含5個(gè)波長通道，其中2個(gè)波長通道分別用于GPON和10G PON，提供兩種速率的FTTx固定接入，ONU終端按需靈活部署，實(shí)現(xiàn)GPON向10G PON的平滑升級。另外3個(gè)通道分別用于1個(gè)10G/25G WDM波長，提供10/25Gbps帶寬，無傳輸距離下的端到端時(shí)延低至0.399μs，相對20km光纖傳輸時(shí)延100μs可忽略不計(jì)，滿足光接入網(wǎng)在云專線、5G基站接入、工業(yè)互聯(lián)等場景的應(yīng)用要求。

  WDM獨(dú)立疊加波長接入無DBA調(diào)度、ONU輪詢及開窗過程，提供確定極致低時(shí)延接入。邏輯上的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸可避免流氓ONU的干擾，提高網(wǎng)絡(luò)安全性。此外Combo PON Plus方案可重用現(xiàn)網(wǎng)已部署的FTTx資源于5G的傳輸通道，如FTTx網(wǎng)絡(luò)的接入機(jī)房、ODF、主干光纖及其管道、配線光纖及其管道、街邊柜/室外柜等空閑資源，滿足5G建設(shè)過程中運(yùn)營商對大量光纖和機(jī)房資源的需求，同時(shí)縮短業(yè)務(wù)發(fā)放時(shí)間，助力運(yùn)營商進(jìn)行以資源共享、節(jié)約建網(wǎng)為目標(biāo)的綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)建設(shè)。

  在新基建戰(zhàn)略的助推下，各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求迫切，數(shù)字化進(jìn)程持續(xù)深入。中興通訊作為行業(yè)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，致力于創(chuàng)新方案的研究，在低時(shí)延領(lǐng)域積極探索。通過對原有PON技術(shù)的不斷迭代與優(yōu)化，在接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)極致的確定性低時(shí)延，滿足各行各業(yè)對低時(shí)延的需求，助力運(yùn)營商在垂直行業(yè)獲得更大的競爭優(yōu)勢。

  作者：中興通訊 王新盛