馬智勇

（中國電信股份有限公司上海分公司，上海200120）

1 引言

工業(yè)和信息化部《2020年前三季度通信業(yè)經(jīng)濟運行情況》數(shù)據(jù)顯示，截至2020年9月國內(nèi)FTTH/FTTO（fibre to the home/fibre to the office，光纖到戶/光纖到辦公室）用戶數(shù)量為4.45億戶，占固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入用戶總數(shù)的93.5%，1 000 Mbit/s及以上接入速率的固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入用戶達4 250 000戶。根據(jù)上海市經(jīng)濟和信息化委員會、市通信管理局《上?！半p千兆寬帶城市”加速度三年行動計劃（2021—2023年）》 要求，2022年上海市新增家庭及企業(yè)寬帶用戶套餐原則上500 Mbit/s起步，2023年上海市新增家庭及企業(yè)用戶套餐原則上1 000 Mbit/s起步，至 2023年年底，千兆用戶達到百萬級。家庭千兆寬帶接入的普及已觸手可及，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)亟待能力提升以支持千兆及以上速率傳輸。

國內(nèi)5G移動通信系統(tǒng)工作在至少2.1 GHz頻段，其無線信號室內(nèi)穿墻衰減大，在當前的基站密度下，5G還不足以穩(wěn)定承載家庭千兆接入。Wi-Fi（wireless fidelity，無線保真）工作于ISM（industrial scientific medical，工業(yè)科學醫(yī)學）開放頻段，易受穿墻衰減、信道擁擠、鄰居干擾等因素影響，即便是使用Wi-Fi 6也無法保證能夠穩(wěn)定實現(xiàn)家庭千兆骨干網(wǎng)。Wi-Fi更適合用于在家庭骨干網(wǎng)絡(luò)的末端提供無線高速接入。

家庭內(nèi)部“有線”網(wǎng)絡(luò)的承載能力是家庭高帶寬速率體驗的基石。光纖因其線徑?。ㄒ撞渴穑?、壽命長（超20年）、成本低（約0.2元/m）、高容量（可至少高達Tbit/s級）等特點，使其勝過電話線、電力線、同軸線、以太網(wǎng)線，成為更優(yōu)的家庭內(nèi)部有線組網(wǎng)介質(zhì)。

本文將家庭內(nèi)部有線網(wǎng)絡(luò)劃分為“FTTH入戶段”和“家庭內(nèi)部組網(wǎng)段”分別討論，如圖1所示。“FTTH入戶段”是FTTH入戶光纜進入用戶住宅后，至家庭網(wǎng)關(guān)之間的光纜延伸段?！凹彝?nèi)部組網(wǎng)段”是家庭網(wǎng)關(guān)至用戶住宅內(nèi)各組網(wǎng)終端、各個房間網(wǎng)絡(luò)接入點或用戶終端之間的有線網(wǎng)絡(luò)延伸段。下文首先針對“家庭內(nèi)部組網(wǎng)段”的光纖組網(wǎng)分析討論了基于ITU-T標準的“G.hn光組網(wǎng)方案”、參考PON（passive optical network，無源光網(wǎng)絡(luò)）接入網(wǎng)技術(shù)的“類接入網(wǎng)方案”、基于IEEE標準的“光以太網(wǎng)P2P方案”，然后針對“FTTH入戶段”的入戶光纜成端位置也給出了優(yōu)化建議。

圖1 FTTH場景下家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

2 家庭內(nèi)部組網(wǎng)段的光纖網(wǎng)絡(luò)方案

2.1 G.hn光組網(wǎng)方案

G.hn是由ITU-T（ITU Telecommunication Standardization Sector，國際電信聯(lián)盟電信標準化部門）編制，利用電話線、同軸線、電力線、光纖等傳輸介質(zhì)實現(xiàn)家庭內(nèi)部組網(wǎng)的國際標準，包括G.9960、G.9961等系列規(guī)范書[1-2]。G.hn定義了域（domain）的概念，將組網(wǎng)節(jié)點分為域主節(jié)點（domain master）、域從節(jié)點（node），如圖2所示。域主節(jié)點負責從節(jié)點準入、傳輸介質(zhì)的訪問、QoS（quality of service，服務(wù)質(zhì)量）、域間通信等域管理功能。G.hn各節(jié)點以TDM（time division multiplexing，時分復(fù)用）方式，通過MAC Cycle（media access control cycle，介質(zhì)訪問控制周期）調(diào)度實現(xiàn)各節(jié)點對傳輸介質(zhì)的共享，如圖3所示。每個介質(zhì)訪問控制周期都包含多個時隙，其中至少一個時隙被分配給域主節(jié)點用于傳輸域管理信息和MAP（medium access plan，介質(zhì)訪問規(guī)劃），其余為TXOP（transmission opportunity，數(shù)據(jù)傳輸時機），被分配給各個從節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 G.hn網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)參考模型

在光纖組網(wǎng)方面，G.9960在 Annex F中定義了基于塑料光纖的組網(wǎng)技術(shù)參數(shù)，包括：中心波長為640～660 nm，最大光發(fā)射功率為0 dBm，最小接收靈敏度為-20 dBm，以及子載波間隔195.3125 kHz分別對應(yīng)512個子載波的100 MHz帶寬、1 024個子載波的200 MHz帶寬的兩套OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用）傳輸配置參數(shù)等。理論上，G.hn光纖組網(wǎng)物理層傳輸速率可超過1 Gbit/s。

2012年，Genexis、Teleconnect等多方合作，采用芯徑為1 mm的SI-POF（Step Index POF階躍折射率塑料光纖），首次實現(xiàn)了G.hn光纖組網(wǎng)[3]。受限于產(chǎn)業(yè)鏈條件，實驗采用的是80 MHz帶寬、3 202個子載波、24.41 kHz子載波間隔的G.hn同軸線OFDM傳輸配置參數(shù)。實驗中采用有限幾個1:2光分路器和G.hn光處理模組，通過光分路器正向、反向級聯(lián)實現(xiàn)了G.hn雙纖傳輸、單纖傳輸，搭建了P2P（point to point，點到點）、P2MP（point to multi-point，點到多點）拓撲，模擬了1個主節(jié)點、2個從節(jié)點的家庭場景，以1 518 byte分組長度測得192 Mbit/s吞吐性能，首次演示了G.hn光纖組網(wǎng)的文件傳輸和視頻承載。

圖3 G.hn介質(zhì)訪問規(guī)劃控制的示意圖

近年，G.hn產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)注點集中在電力線、電話線、同軸線傳輸，基于這3種介質(zhì)的解決方案目前都已有規(guī)模應(yīng)用。但在光纖介質(zhì)方面，截至2021年2月，產(chǎn)業(yè)鏈上仍未推出AFE（analog front end，模擬前端）芯片，因此該方案在產(chǎn)品化方面暫無進展。

2.2 類接入網(wǎng)方案

類接入網(wǎng)方案是將FTTH接入網(wǎng)技術(shù)方案下沉應(yīng)用到家庭內(nèi)部，參考了PON技術(shù)架構(gòu)，由主網(wǎng)關(guān)、光分路器、從設(shè)備組成，如圖4所示。其中，主網(wǎng)關(guān)提供類似PON系統(tǒng)中OLT（optical line terminal，光線路終端）的功能，從設(shè)備具備PON系統(tǒng)中ONU（optical network unit，光網(wǎng)絡(luò)單元）功能。類接入網(wǎng)方案以WDM（wavelength division multiplexing，波分復(fù)用）方式實現(xiàn)單纖雙向傳輸。以GPON（gigabit-capable passive optical network，吉比特無源光網(wǎng)絡(luò)）為例：下行光波長為1 490 nm、上行光波長為1 310 nm；GPON class B+的最大光發(fā)射功率為5 dBm，最小接收靈敏度為-27 dBm。在下行方向上，主網(wǎng)關(guān)以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，每個從設(shè)備只接收處理自己需接收的報文。在上行方向上，由主網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一管理，各從設(shè)備以TDM方式將報文發(fā)送給主網(wǎng)關(guān)。

圖4 P2MP光組網(wǎng)示意圖

類接入網(wǎng)方案中主網(wǎng)關(guān)的一個下聯(lián)光口通過光分路器與多臺從設(shè)備實現(xiàn)P2MP物理連接?？梢愿鶕?jù)從設(shè)備的數(shù)量選擇1:4、1:8、1:16等不同的分光比。根據(jù)實際安裝條件，也可以采用幾個光分路器級聯(lián)方式安裝，此時也可以選擇不等比分光，使級聯(lián)光口比非級聯(lián)光口輸出更高的功率。

應(yīng)用P2MP方案時需注意如下兩點：

（1）多個從設(shè)備接入到主網(wǎng)關(guān)的同一個下聯(lián)光口，共享該光口的轉(zhuǎn)發(fā)帶寬。以GPON光口為例，假設(shè)一個下聯(lián)光口連接了9個從設(shè)備，那么這9個從設(shè)備共享該GPON光口的下行為2.5 Gbit/s、上行為1.25 Gbit/s的物理層吞吐量。

（2）光分路器分支數(shù)量、級聯(lián)個數(shù)、不等比分光等都會影響主網(wǎng)關(guān)下聯(lián)光口至每個光信息點的插入損耗。為了保證網(wǎng)絡(luò)中所有光接收機正常工作，需要核算各光接入點位的光功率預(yù)算。

類接入網(wǎng)方案光纖、光纜的選用可參照FTTH接入網(wǎng)。G.657A2（最小彎曲半徑為7.5 mm）和G.657B3（最小彎曲半徑為5 mm）的室內(nèi)蝶形光纜都可使用。

類接入網(wǎng)方案與FTTH PON接入網(wǎng)方案的差異在于：前者只運行在一個家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，信息點數(shù)少，光傳輸距離在200 m以內(nèi)；后者為多個租戶提供電信級有保障的寬帶接入，最遠光傳輸距離為20 km。因此，類接入網(wǎng)方案對于設(shè)備準入、密鑰安全、網(wǎng)絡(luò)保護、綜合管控以及傳輸距離等方面的需求會弱化。為了降低實現(xiàn)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，必然需要在傳統(tǒng)PON的基礎(chǔ)上進行精簡和調(diào)整。但目前缺乏標準化的指引，不同的理解、關(guān)注點和設(shè)計思路會導致不同的精簡方案，甚至會增加私有定義。華為在2020年推出的家庭光纖組網(wǎng)方案就是類接入網(wǎng)方案的具體實現(xiàn)。

2.3 光以太網(wǎng)P2P方案

光以太網(wǎng)P2P方案是在主網(wǎng)關(guān)和從設(shè)備之間構(gòu)建光纖以太網(wǎng)。不同從設(shè)備與主網(wǎng)關(guān)的不同光口實現(xiàn)P2P光纖直連，采用以太網(wǎng)光模塊，從設(shè)備獨享該光口帶寬，如圖5所示。在從設(shè)備數(shù)量小于主網(wǎng)關(guān)下聯(lián)光口數(shù)量時，不需要增加額外設(shè)備既可以組網(wǎng)。在從設(shè)備數(shù)量大于主網(wǎng)關(guān)光口數(shù)量時，可按需引入光交換機。

圖5 點到點光組網(wǎng)示意圖

家庭內(nèi)光以太組網(wǎng)的傳輸距離短，發(fā)送端和接收端光口直連，光功率衰減很小，應(yīng)降低光模塊發(fā)光功率以滿足光模塊的最小接收靈敏度和最大飽和光功率的參數(shù)要求。通常千兆光以太網(wǎng)光口最大光發(fā)射功率為-3 dBm，最小接收靈敏度為-19 dBm。

家庭光以太網(wǎng)P2P方案遵循IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣電子工程師學會）802.3z、IEEE 802.3ah等標準[4-5]?？晒┻x擇的千兆光模塊有1 000 BASE-LX、1 000 BASE-SX、1 000 BASE-BX等規(guī)格。其中，1 000 BASE-LX、1 000 BASE-SX需通過兩根光纖分別進行接收和發(fā)送，而1 000 BASE-BX采用2個波長可通過WDM方式在一根光纖中進行數(shù)據(jù)雙向傳輸。

可供光以太網(wǎng)P2P方案選擇的光纖包括單模石英光纖（中心波長為1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm）、多模石英光纖（中心波長為850 nm、1 300 nm）、塑料光纖（中心波長為850 nm、1 300 nm）（注：塑料光纖也可工作在650 nm波長，但IEEE并未定義在千兆光以太網(wǎng)中使用該波長）。這3類光纖在傳輸距離、最高帶寬、彎曲半徑、接續(xù)技術(shù)、發(fā)光光源、成纜尺寸等方面存在差異。在遠距離、高速傳輸時采用單模光纖；在短距離較多節(jié)點本地互連時可采用多模光纖；在注重柔韌性好、重量輕、易接續(xù)、耐震動等場景中會使用塑料光纖，例如傳感器、飛機、汽車應(yīng)用等。這3類光纖都可適用于家庭光以太網(wǎng)?？紤]家庭內(nèi)部節(jié)點數(shù)規(guī)模、墻內(nèi)穿管布放光纜的數(shù)量等因素，并且為了給傳輸能力預(yù)留更大的提升空間，筆者更傾向于推薦單模、單纖雙向、光纜尺寸小的1 000 BASE-BX方案來構(gòu)建家庭光以太網(wǎng)。

2020年中國電信上海公司與中興聯(lián)合研制發(fā)布了家庭光以太網(wǎng)P2P方案產(chǎn)品[6]。

2.4 “家庭內(nèi)部組網(wǎng)段”的光網(wǎng)方案展望

G.hn光組網(wǎng)方案產(chǎn)業(yè)鏈推進相對滯后，但作為ITU-T的家庭組網(wǎng)標準，其影響力和接受度具有獨特優(yōu)勢，其在電話線、電力線、同軸線方面的產(chǎn)業(yè)化積累也有助于光組網(wǎng)產(chǎn)品的啟動和推廣。因此，在后續(xù)家庭全光纖組網(wǎng)應(yīng)用和標準化的過程中，G.hn必然是一個重要的備選方案，至少在ITU-T層面討論家庭光纖組網(wǎng)時是無法繞過G.hn的。

光以太網(wǎng)經(jīng)過多年的應(yīng)用和技術(shù)積累，基帶芯片和光模塊成熟，產(chǎn)業(yè)鏈資源豐富，有助于光以太網(wǎng)向家庭光組網(wǎng)拓展，為家庭網(wǎng)關(guān)、家用組網(wǎng)AP、智能家電、家用交換機等產(chǎn)品集成光以太網(wǎng)技術(shù)提供了便利條件?；贗EEE以太網(wǎng)標準，光以太P2P組網(wǎng)方案也比較容易實現(xiàn)產(chǎn)品之間的兼容、互通，進而打造完整的家庭光以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生態(tài)。

目前僅有單廠商提供類接入網(wǎng)方案產(chǎn)品。雖然參照了既有的PON接入網(wǎng)技術(shù)，但也涉及私有化裁剪和自定義。那么，A廠商的主網(wǎng)關(guān)和B廠商的從設(shè)備無法共同組網(wǎng)。在相當長的一段時間內(nèi)，將形成主網(wǎng)關(guān)和從設(shè)備的單供應(yīng)商綁定局面。因為多數(shù)電信行業(yè)外的廠商（例如家用AP、家電、家庭物聯(lián)網(wǎng)等）不熟悉PON接入網(wǎng)的OLT、ONU技術(shù)，一定時間內(nèi)，類接入網(wǎng)方案供應(yīng)商范圍可能只局限在電信行業(yè)內(nèi)的少數(shù)廠商。在當前國際上動輒對個別廠商封鎖、打壓，以及全球芯片緊缺的大背景下，類接入網(wǎng)方案的可選供應(yīng)商范圍狹窄、設(shè)備不互通、單供應(yīng)商綁定會增加設(shè)備采購、供貨環(huán)節(jié)的不確定性，提高運維、用戶服務(wù)的風險和成本。因此，標準化及在此基礎(chǔ)上的互通性是類接入網(wǎng)方案亟待解決的問題。這也提醒運營商和已獲得先發(fā)優(yōu)勢的廠商，應(yīng)在以技術(shù)封閉獲取市場主導和以技術(shù)開放繁榮生態(tài)之間權(quán)衡利弊，恰當?shù)刈龀鲞x擇。

從成本角度對比光以太網(wǎng)P2P方案和類接入網(wǎng)方案，在千兆速率級的家庭光纖組網(wǎng)場景下，前者的光模塊價格低于后者，前者的光模數(shù)量需求略多于后者，后者需引入光分路器。以1主網(wǎng)關(guān)+2從設(shè)備組網(wǎng)為例，當采用BOB（bi-directional optical sub-assembly on board，雙向光模組在板）設(shè)計時，光以太網(wǎng)P2P方案、類接入網(wǎng)方案的設(shè)備成本相當，市場應(yīng)用初期設(shè)備成本在2 000元數(shù)量級，后續(xù)隨著產(chǎn)業(yè)鏈的陸續(xù)跟進和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，價格將逐步降低。

未來，上述3個方案都將是家庭內(nèi)部組網(wǎng)段光網(wǎng)方案的強有力競爭者。方案共存，互相借鑒，彼此競爭也有利于推動方案完善、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展和成本下降。政府部門、運營商、設(shè)備廠商、配件廠商也將合作推進方案的試驗、完善、標準化探索和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。表1匯總了本文對上述3個方案的對比。

表1 “家庭內(nèi)部組網(wǎng)段”的光網(wǎng)方案對比

3 “FTTH入戶段”的光網(wǎng)優(yōu)化

家庭網(wǎng)關(guān)是“FTTH入戶段”和“家庭內(nèi)部組網(wǎng)段”之間的連接點，如圖1所示。家庭網(wǎng)關(guān)不僅具備較高的有線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)能力，也內(nèi)置了Wi-Fi接入點功能。理想環(huán)境下Wi-Fi 5在5G頻段、80 MHz頻寬、2發(fā)2收配置時的應(yīng)用層吞吐可以達到數(shù)百兆比特每秒。最新一代家庭網(wǎng)關(guān)已經(jīng)集成了2.4 GHz/5 GHz雙頻、160 MHz頻寬的Wi-Fi 6模塊，理想環(huán)境下應(yīng)用層吞吐可超過1 Gbit/s。通常情況下，入戶光纜成端于家庭信息箱，家庭網(wǎng)關(guān)被放置在家庭信息箱內(nèi)。沒有家庭信息箱的用戶對入戶光纜成端和網(wǎng)關(guān)擺放位置的選擇因為缺乏指導往往會比較隨意。對于入戶光纜成端在何處，很多用戶都忽略了一點，那就是家庭網(wǎng)關(guān)位置會影響其無線性能的發(fā)揮。

家庭網(wǎng)關(guān)放在信息箱內(nèi)外Wi-Fi信號強度的實驗室測得值對比見表2。數(shù)據(jù)顯示，將家庭網(wǎng)關(guān)放置信息箱外，手機接收的Wi-Fi信號強度提升13 dB（金屬門信息箱）。筆者也針對用戶住宅內(nèi)不同家庭網(wǎng)關(guān)擺放位置對其Wi-Fi接入速率的影響進行了測試，如圖6所示，家庭網(wǎng)關(guān)置于金屬門信息箱內(nèi)（位置1）、家庭網(wǎng)關(guān)就近置于信息箱外（位置2）、家庭網(wǎng)關(guān)置于客廳電視柜（位置3），各房間的5G頻段、80 MHz頻寬、2發(fā)2收、Wi-Fi5應(yīng)用層吞吐量測試結(jié)果如圖7所示。數(shù)據(jù)顯示，將家庭網(wǎng)關(guān)由信息箱內(nèi)改放到客廳電視柜上，客廳、飯廳等用戶主要活動區(qū)域的Wi-Fi網(wǎng)速基本能提升百兆以上。

表2 家庭網(wǎng)關(guān)位于信息箱內(nèi)外Wi-Fi信號強度測得值

由此可見，在“FTTH入戶段”適當延伸入戶光纜，將家庭網(wǎng)關(guān)布放在客廳理想位置，基本可實現(xiàn)對中小房型用戶主要活動區(qū)域內(nèi)的較好Wi-Fi覆蓋，其覆蓋效果與單個組網(wǎng)AP可比；對于需要多個組網(wǎng)AP實現(xiàn)Wi-Fi全覆蓋的大房型，也有助于減少1個組網(wǎng)AP的需求。

圖6 家庭網(wǎng)關(guān)不同擺放位置示意圖

圖7 家庭網(wǎng)關(guān)不同擺放位置的Wi-Fi吞吐量

因此，針對“FTTH入戶段”，筆者建議的實施方案為：將入戶光纜進行適當延伸，入戶光纜的端接以及家庭網(wǎng)關(guān)的安裝位置宜選擇住宅建筑戶內(nèi)中心區(qū)域，一般為客廳；入戶光纜宜就近端接于家庭網(wǎng)關(guān)安裝位置附近，終結(jié)于墻面的光纖面板上，通過光跳線連接至家庭網(wǎng)關(guān)；同時，為了實現(xiàn)住宅內(nèi)其他有線聯(lián)網(wǎng)終端接入家庭網(wǎng)關(guān)，可由客廳入戶光纜成端位置回拉線纜至信息箱或住宅其他房間。2019年至今，中國電信上海公司已開展了數(shù)千用戶的“FTTH入戶段”的光網(wǎng)優(yōu)化試點，對用戶無線接入速率感知的提升效果顯著，相關(guān)技術(shù)方案已于2020年納入上海市信息家電行業(yè)協(xié)會團體標準[7]。后續(xù)將擴大此方案在家庭光纖組網(wǎng)中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

家庭上網(wǎng)、辦公、信息化推動了對家庭網(wǎng)絡(luò)高帶寬承載能力提出了更高的需求，家庭千兆寬帶接入即將普及。家庭光纖組網(wǎng)成為智慧家庭組網(wǎng)演進重要方向。本文將家庭內(nèi)部有線網(wǎng)絡(luò)分為“FTTH入戶段”和“家庭內(nèi)部組網(wǎng)段”分別討論。針對“家庭內(nèi)部組網(wǎng)段”的光纖組網(wǎng)，本文介紹了基于ITU-T標準的“G.hn光組網(wǎng)方案”、參考PON接入網(wǎng)技術(shù)的“類接入網(wǎng)方案”、基于IEEE標準的“光以太網(wǎng)P2P方案”等家庭光纖組網(wǎng)方案，從技術(shù)特點、標準化、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況等進行了分析、對比和展望，后續(xù)將多方合作推進家庭光纖組網(wǎng)方案的試驗、完善、標準化探索和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。針對“FTTH入戶段”，本文闡述了網(wǎng)關(guān)位置優(yōu)化、入戶光纜延伸成端的價值和實施建議，試驗數(shù)據(jù)證明通過“FTTH入戶段”光纜延伸成端到客廳，可以顯著提升家庭網(wǎng)關(guān)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和接入速率體驗，值得在家庭光纖組網(wǎng)中擴大應(yīng)用。