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2024年4月5日发(作者:)
工程与应用
家庭光纤组网技术方案探讨
马智勇
(中国电信股份有限公司上海分公司,上海200120)
摘 要:针对“家庭内部组网段”的光纤组网介绍了基于ITU-T标准的“光组网方案”、参考PON接入
网技术的“类接入网方案”、基于IEEE标准的“光以太网P2P方案”,从技术特点、标准化、产业链发展情况
等方面进行了分析、对比和展望。针对“FTTH入户段”,阐述了网关位置优化、入户光缆延伸成端的价值和
实施建议,试验数据显示其可以显著提升家庭网关Wi-Fi网络覆盖范围和无线接入速率体验。
关键词:家庭组网;光纤;;光以太网;PON;入户光缆成端
中图分类号:TN929
文献标识码:A
doi: 10.11959/.1000−0801.2021101
Discussion on technical solutions to fibre-optic home networking
MA Zhiyong
Shanghai Branch of China Telecom Co., Ltd., Shanghai 200120, China
Abstract: Technical solutions for fibre-optic home networking, including ITU-T standard , PON access net-
works, and IEEE fibre-optic Ethernet, were introduced, and they were analyzed and compared from the aspects of
technical characteristics, standardization, industrial chain, future development, etc. Proposals on home gateway loca-
tion and drop fibre cable termination were also given, and the experiment results show that the proposed solution can
improve the Wi-Fi coverage of the home gateway and the wireless access rate.
Key words: home networking, fibre, , fibre-optic Ethernet, PON, drop fiber cable termination
1 引言
工业和信息化部《2020年前三季度通信业经
济运行情况》数据显示,截至2020年9月国内
FTTH/FTTO(fibre to the home/fibre to the office,
光纤到户/光纤到办公室)用户数量为4.45亿户,占固
定互联网宽带接入用户总数的93.5%,1 000 Mbit/s
及以上接入速率的固定互联网宽带接入用户达
4 250 000户。根据上海市经济和信息化委员会、
收稿日期:2021−04−20;修回日期:2021−05−10
市通信管理局《上海“双千兆宽带城市”加速度三
年行动计划(2021—2023年)》 要求,2022年上海
市新增家庭及企业宽带用户套餐原则上500 Mbit/s
起步,2023年上海市新增家庭及企业用户套餐原则
上1 000 Mbit/s起步,至 2023年年底,千兆用户达到
百万级。家庭千兆宽带接入的普及已触手可及,家庭
内部网络亟待能力提升以支持千兆及以上速率传输。
国内5G移动通信系统工作在至少2.1 GHz
频段,其无线信号室内穿墙衰减大,在当前的基
·171· 电信科学 2021年第5期
站密度下,5G还不足以稳定承载家庭千兆接入。
Wi-Fi(wireless fidelity,无线保真)工作于ISM
(industrial scientific medical,工业科学医学)开放
频段,易受穿墙衰减、信道拥挤、邻居干扰等因
素影响,即便是使用Wi-Fi 6也无法保证能够稳定
实现家庭千兆骨干网。Wi-Fi更适合用于在家庭骨
干网络的末端提供无线高速接入。
家庭内部“有线”网络的承载能力是家庭高
带宽速率体验的基石。光纤因其线径小(易部署)、
寿命长(超20年)、成本低(约0.2元/m)、高容
量(可至少高达Tbit/s级)等特点,使其胜过电
话线、电力线、同轴线、以太网线,成为更优的
家庭内部有线组网介质。
本文将家庭内部有线网络划分为“FTTH入户
段”和“家庭内部组网段”分别讨论,如图1所
示。“FTTH入户段”是FTTH入户光缆进入用户
住宅后,至家庭网关之间的光缆延伸段。“家庭内
部组网段”是家庭网关至用户住宅内各组网终端、
各个房间网络接入点或用户终端之间的有线网络
延伸段。下文首先针对“家庭内部组网段”的光
纤组网分析讨论了基于ITU-T标准的“光组
网方案”、参考PON(passive optical network,无源
光网络)接入网技术的“类接入网方案”、基于IEEE
标准的“光以太网P2P方案”,然后针对“FTTH入
户段”的入户光缆成端位置也给出了优化建议。
Standardization Sector,国际电信联盟电信标准化
部门)编制,利用电话线、同轴线、电力线、光
纤等传输介质实现家庭内部组网的国际标准,包
括G.9960、G.9961等系列规范书
[1-2]
。定义了
域(domain)的概念,将组网节点分为域主节点
(domain master)、域从节点(node),如图2所示。
域主节点负责从节点准入、传输介质的访问、QoS
(quality of service,服务质量)、域间通信等域管
理功能。各节点以TDM(time division mul-
tiplexing,时分复用)方式,通过MAC Cycle(media
access control cycle,介质访问控制周期)调度实
现各节点对传输介质的共享,如图3所示。每个
介质访问控制周期都包含多个时隙,其中至少一
个时隙被分配给域主节点用于传输域管理信息和
MAP(medium access plan,介质访问规划),其余
为TXOP(transmission opportunity,数据传输时
机),被分配给各个从节点发送数据。
2 家庭内部组网段的光纤网络方案
2.1 光组网方案
是由ITU-T(ITU Telecommunication
图2 网络架构参考模型
在光纤组网方面,G.9960在 Annex F中定义
了基于塑料光纤的组网技术参数,包括:中心波
图1 FTTH场景下家庭内部网络组成示意图
工程与应用
图3 介质访问规划控制的示意图
长为640~660 nm,最大光发射功率为0 dBm,最
小接收灵敏度为−20 dBm,以及子载波间隔
195.3125 kHz分别对应512个子载波的100 MHz
带宽、1 024个子载波的200 MHz带宽的两套
OFDM(orthogonal frequency division multiplex-
ing,正交频分复用)传输配置参数等。理论上,
光纤组网物理层传输速率可超过1 Gbit/s。
2012年,Genexis、Teleconnect等多方合作,
采用芯径为1 mm的SI-POF(Step Index POF阶跃
折射率塑料光纤),首次实现了光纤组网
[3]
。
受限于产业链条件,实验采用的是80 MHz带宽、
3 202个子载波、24.41 kHz子载波间隔的同
轴线OFDM传输配置参数。实验中采用有限几个
1
:
2光分路器和光处理模组,通过光分路器
正向、反向级联实现了双纤传输、单纤传输,
搭建了P2P(point to point,点到点)、P2MP(point
to multi-point,点到多点)拓扑,模拟了1个主节
点、2个从节点的家庭场景,以1 518 byte分组长
度测得192 Mbit/s吞吐性能,首次演示了光
纤组网的文件传输和视频承载。
近年,产业链关注点集中在电力线、电话
线、同轴线传输,基于这3种介质的解决方案目前都
已有规模应用。但在光纤介质方面,截至2021年
2月,产业链上仍未推出AFE(analog front end,模
拟前端)芯片,因此该方案在产品化方面暂无进展。
2.2 类接入网方案
类接入网方案是将FTTH接入网技术方案下
沉应用到家庭内部,参考了PON技术架构,由主
网关、光分路器、从设备组成,如图4所示。其
·172·
中,主网关提供类似PON系统中OLT(optical line
terminal,光线路终端)的功能,从设备具备PON
系统中ONU(optical network unit,光网络单元)
功能。类接入网方案以WDM(wavelength division
multiplexing,波分复用)方式实现单纤双向传输。
以GPON(gigabit-capable passive optical network,
吉比特无源光网络)为例:下行光波长为1 490 nm、
上行光波长为1 310 nm;GPON class B+的最大光
发射功率为5 dBm,最小接收灵敏度为−27 dBm。
在下行方向上,主网关以广播方式发送数据,每
个从设备只接收处理自己需接收的报文。在上行
方向上,由主网关统一管理,各从设备以TDM方
式将报文发送给主网关。
图4 P2MP光组网示意图
类接入网方案中主网关的一个下联光口通过
光分路器与多台从设备实现P2MP物理连接。可
以根据从设备的数量选择1
:
4、1
:
8、1
:
16等不同
的分光比。根据实际安装条件,也可以采用几个
光分路器级联方式安装,此时也可以选择不等比
分光,使级联光口比非级联光口输出更高的功率。
应用P2MP方案时需注意如下两点:
(1)多个从设备接入到主网关的同一个下联
光口,共享该光口的转发带宽。以GPON光口为例,
假设一个下联光口连接了9个从设备,那么这9个
从设备共享该GPON光口的下行为2.5 Gbit/s、上行
为1.25 Gbit/s的物理层吞吐量。
(2)光分路器分支数量、级联个数、不等比
分光等都会影响主网关下联光口至每个光信息点
的插入损耗。为了保证网络中所有光接收机正常
工作,需要核算各光接入点位的光功率预算。
类接入网方案光纤、光缆的选用可参照FTTH
·173·
接入网。G.657A2(最小弯曲半径为7.5 mm)和
G.657B3(最小弯曲半径为5 mm)的室内蝶形光
缆都可使用。
类接入网方案与FTTH PON接入网方案的差
异在于:前者只运行在一个家庭网络内,信息点
数少,光传输距离在200 m以内;后者为多个租
户提供电信级有保障的宽带接入,最远光传输距
离为20 km。因此,类接入网方案对于设备准入、
密钥安全、网络保护、综合管控以及传输距离等
方面的需求会弱化。为了降低实现成本和系统复
杂度,必然需要在传统PON的基础上进行精简和
调整。但目前缺乏标准化的指引,不同的理解、
关注点和设计思路会导致不同的精简方案,甚至
会增加私有定义。华为在2020年推出的家庭光纤
组网方案就是类接入网方案的具体实现。
2.3 光以太网P2P方案
光以太网P2P方案是在主网关和从设备之间
构建光纤以太网。不同从设备与主网关的不同光
口实现P2P光纤直连,采用以太网光模块,从设
备独享该光口带宽,如图5所示。在从设备数量
小于主网关下联光口数量时,不需要增加额外设
备既可以组网。在从设备数量大于主网关光口数
量时,可按需引入光交换机。
图5 点到点光组网示意图
家庭内光以太组网的传输距离短,发送端和接
收端光口直连,光功率衰减很小,应降低光模块发
光功率以满足光模块的最小接收灵敏度和最大饱和
光功率的参数要求。通常千兆光以太网光口最大光
发射功率为−3 dBm,最小接收灵敏度为−19 dBm。
家庭光以太网P2P方案遵循IEEE(Institute of
Electrical and Electronics Engineers,电气电子工程
电信科学 2021年第5期
师学会)802.3z、IEEE 802.3ah等标准
[4-5]
。可供选择
的千兆光模块有1 000 BASE-LX、1 000 BASE-SX、1
000 BASE-BX等规格。其中,1 000 BASE-LX、1 000
BASE-SX需通过两根光纤分别进行接收和发送,而
1 000 BASE-BX采用2个波长可通过WDM方式在
一根光纤中进行数据双向传输。
可供光以太网P2P方案选择的光纤包括单
模石英光纤(中心波长为1
310 nm、1 490 nm、
1 550 nm)、多模石英光纤(中心波长为850 nm、
1 300 nm)、塑料光纤(中心波长为850 nm、1 300 nm)
650 nm波长,但IEEE
并未定义在千兆光以太网中使用该波长)。这3类
光纤在传输距离、最高带宽、弯曲半径、接续技
术、发光光源、成缆尺寸等方面存在差异。在远
距离、高速传输时采用单模光纤;在短距离较多
节点本地互连时可采用多模光纤;在注重柔韧性
好、重量轻、易接续、耐震动等场景中会使用塑
料光纤,例如传感器、飞机、汽车应用等。这3类
光纤都可适用于家庭光以太网。考虑家庭内部节
点数规模、墙内穿管布放光缆的数量等因素,并
且为了给传输能力预留更大的提升空间,笔者
更倾向于推荐单模、单纤双向、光缆尺寸小的
1 000 BASE-BX方案来构建家庭光以太网。
2020年中国电信上海公司与中兴联合研制发
布了家庭光以太网P2P方案产品
[6]
。
2.4 “家庭内部组网段”的光网方案展望
光组网方案产业链推进相对滞后,但作为
ITU-T的家庭组网标准,其影响力和接受度具有独
特优势,其在电话线、电力线、同轴线方面的产业
化积累也有助于光组网产品的启动和推广。因此,
在后续家庭全光纤组网应用和标准化的过程中,
必然是一个重要的备选方案,至少在ITU-T
层面讨论家庭光纤组网时是无法绕过的。
光以太网经过多年的应用和技术积累,基带芯
片和光模块成熟,产业链资源丰富,有助于光以太
网向家庭光组网拓展,为家庭网关、家用组网AP、
(注:塑料光纤也可工作在
工程与应用 ·174·
智能家电、家用交换机等产品集成光以太网技术提
供了便利条件。基于IEEE以太网标准,光以太P2P
组网方案也比较容易实现产品之间的兼容、互通,
进而打造完整的家庭光以太网网络设备生态。
目前仅有单厂商提供类接入网方案产品。虽
然参照了既有的PON接入网技术,但也涉及私有
化裁剪和自定义。那么,A厂商的主网关和B厂
商的从设备无法共同组网。在相当长的一段时间
内,将形成主网关和从设备的单供应商绑定局面。
因为多数电信行业外的厂商(例如家用AP、家电、
家庭物联网等)不熟悉PON接入网的OLT、ONU
技术,一定时间内,类接入网方案供应商范围可
能只局限在电信行业内的少数厂商。在当前国际
上动辄对个别厂商封锁、打压,以及全球芯片紧
缺的大背景下,类接入网方案的可选供应商范围
狭窄、设备不互通、单供应商绑定会增加设备采
购、供货环节的不确定性,提高运维、用户服务
的风险和成本。因此,标准化及在此基础上的互
通性是类接入网方案亟待解决的问题。这也提醒
运营商和已获得先发优势的厂商,应在以技术封
闭获取市场主导和以技术开放繁荣生态之间权衡
利弊,恰当地做出选择。
从成本角度对比光以太网P2P方案和类接入
网方案,在千兆速率级的家庭光纤组网场景下,
前者的光模块价格低于后者,前者的光模数量需
求略多于后者,后者需引入光分路器。以1主网
关+2从设备组网为例,当采用BOB(bi-directional
optical sub-assembly on board,双向光模组在板)
设计时,光以太网P2P方案、类接入网方案的设
备成本相当,市场应用初期设备成本在2 000元数
量级,后续随着产业链的陆续跟进和生产规模的
扩大,价格将逐步降低。
未来,上述3个方案都将是家庭内部组网段光
网方案的强有力竞争者。方案共存,互相借鉴,彼
此竞争也有利于推动方案完善、产业链发展和成本
下降。政府部门、运营商、设备厂商、配件厂商也
将合作推进方案的试验、完善、标准化探索和技术
成果转化。表1汇总了本文对上述3个方案的对比。
表1 “家庭内部组网段”的光网方案对比
对比项
遵循标准
组网模式
信息点数量扩展方式
纤数和方向
类接入网方案 光以太网P2P方案 光组网方案
暂无,PON的自定义裁剪版 IEEE 802.3z、IEEE 802.3ah等 ITU-T G.9960、G.9961等
P2MP P2P
光分路器
单纤双向
光交换机(按需)
1 000 BASE-SX:双纤双向;
1 000 BASE -LX:双纤双向;
1 000 BASE-BX:单纤双向
双纤或单纤WDM
P2MP
光分路器
双纤双向或单纤双向
光模块 PON光模块 以太网光模块 光模块
复用方式 WDM+上行TDM
中心波长 下行1 490 nm;上行1 310 nm
TDM
1 000 BASE-SX:850 nm;1 000 BASE-LX:
650 nm
1 300 nm(多模光纤)、1 310 nm(单模光纤);
1 000 BASE-BX:1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm
光纤
最大发光功率
接收灵敏度
物理层理论速率(以
4个从设备为例)
产业链
1 000 BASE-SX:多模石英光纤、塑料光纤;
塑料光纤
1 000 BASE-LX:单模石英光纤、多模石英
光纤;1 000 BASE-BX:单模石英光纤
0 dBm
以GPON Class B+光模块为例,
−3 dBm
5 dBm
−20 dBm
以GPON Class B+光模块为例,
−19 dBm
−27 dBm
以GPON光口为例:上行
上行1.25 Gbit/s、下行1.25 Gbit/s(4个从
1 Gbit/s(由4个从设备共享)
1.25 Gbit/s,下行2.5 Gbit/s
设备互不影响)
(由4个从设备共享)。
目前为单厂商封闭方案 有成熟的基带芯片和光电模块,产业链推
广容易
缺乏基带和模拟前端芯片,
无成熟的可商用产品
单模石英光纤
·175·
3 “FTTH入户段”的光网优化
家庭网关是“FTTH入户段”和“家庭内部组
网段”之间的连接点,如图1所示。家庭网关不
仅具备较高的有线网络转发能力,也内置了Wi-Fi
接入点功能。理想环境下Wi-Fi 5在5G频段、80 MHz
频宽、2发2收配置时的应用层吞吐可以达到数百
兆比特每秒。最新一代家庭网关已经集成了
2.4 GHz/5 GHz双频、160 MHz频宽的Wi-Fi 6模
块,理想环境下应用层吞吐可超过1 Gbit/s。通常
情况下,入户光缆成端于家庭信息箱,家庭网关
被放置在家庭信息箱内。没有家庭信息箱的用户
对入户光缆成端和网关摆放位置的选择因为缺乏
指导往往会比较随意。对于入户光缆成端在何处,
很多用户都忽略了一点,那就是家庭网关位置会
影响其无线性能的发挥。
家庭网关放在信息箱内外Wi-Fi信号强度的
实验室测得值对比见表2。数据显示,将家庭网关
放置信息箱外,手机接收的Wi-Fi信号强度提升
13 dB(金属门信息箱)。笔者也针对用户住宅内
不同家庭网关摆放位置对其Wi-Fi接入速率的影
响进行了测试,如图6所示,家庭网关置于金属
门信息箱内(位置1)、家庭网关就近置于信息箱
外(位置2)、家庭网关置于客厅电视柜(位置3),
各房间的5G频段、80 MHz频宽、2发2收、Wi-Fi5
应用层吞吐量测试结果如图7所示。数据显示,
将家庭网关由信息箱内改放到客厅电视柜上,客
厅、饭厅等用户主要活动区域的Wi-Fi网速基本
能提升百兆以上。
表2 家庭网关位于信息箱内外Wi-Fi信号强度测得值
对比项 信息箱外 塑料门信息箱 金属门信息箱
信号强度/dBm
−42 −49 −55
由此可见,在“FTTH入户段”适当延伸入户
光缆,将家庭网关布放在客厅理想位置,基本可
实现对中小房型用户主要活动区域内的较好Wi-Fi
电信科学 2021年第5期
图6 家庭网关不同摆放位置示意图
图7 家庭网关不同摆放位置的Wi-Fi吞吐量
覆盖,其覆盖效果与单个组网AP可比;对于需
要多个组网AP实现Wi-Fi全覆盖的大房型,也有
助于减少1个组网AP的需求。
因此,针对“FTTH入户段”,笔者建议的实
施方案为:将入户光缆进行适当延伸,入户光缆
的端接以及家庭网关的安装位置宜选择住宅建筑
户内中心区域,一般为客厅;入户光缆宜就近端
接于家庭网关安装位置附近,终结于墙面的光纤
面板上,通过光跳线连接至家庭网关;同时,为
了实现住宅内其他有线联网终端接入家庭网关,
可由客厅入户光缆成端位置回拉线缆至信息箱或
住宅其他房间。2019年至今,中国电信上海公司
已开展了数千用户的“FTTH入户段”的光网优化
试点,对用户无线接入速率感知的提升效果显著,
工程与应用
相关技术方案已于2020年纳入上海市信息家电行
业协会团体标准
[7]
。后续将扩大此方案在家庭光
纤组网中的应用。
4 结束语
家庭上网、办公、信息化推动了对家庭网络
高带宽承载能力提出了更高的需求,家庭千兆宽
带接入即将普及。家庭光纤组网成为智慧家庭组
网演进重要方向。本文将家庭内部有线网络分为
FTTH入户段”和“家庭内部组网段”分别讨论。
针对“家庭内部组网段”的光纤组网,本文介绍了
基于ITU-T标准的“光组网方案”、参考PON
接入网技术的“类接入网方案”、基于IEEE标准的
P2P方案”等家庭光纤组网方案,从技
术特点、标准化、产业链发展情况等进行了分析、
对比和展望,后续将多方合作推进家庭光纤组网方
案的试验、完善、标准化探索和技术成果转化。针
对“FTTH入户段”,本文阐述了网关位置优化、入
户光缆延伸成端的价值和实施建议,试验数据证明
通过“FTTH入户段”光缆延伸成端到客厅,可以
显著提升家庭网关Wi-Fi网络覆盖范围和接入速率
体验,值得在家庭光纤组网中扩大应用。
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术指南: T/SIAA000006—2020[S]. 2020.
Shanghai Information Appliance Industry cal
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T/SIAA000006—2020[S]. 2020.
[作者简介]
马智勇(1976− ),男,中国电信股份有
限公司上海分公司高级工程师,主要从事
光接入网、家庭网络与终端方面的技术研
究工作。
“
“光以太网
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