基于智慧家庭千兆级应用的宽带组网研究

王怡娟

摘要：近年来，我国光纤宽带网络建设取得了巨大成就，随着通信技术向大带宽、数字化以及智能化方向发展和新兴高带宽业务如高清视频、智慧家庭等的逐步应用，千兆级宽带将成为下一步全球宽带发展的焦点。基于这样的背景，家庭网络宽带技术面临着重要的机遇, 且伴随着智能终端的普及， 智慧家庭应用场景也越发丰富。本文围绕网络带宽提升和千兆智能组网应用两方面进行相关探索和研究。

关键词：千兆接入；智慧家庭；组网研究

引言：谷歌2012年7月推出了千兆宽带服务Google Fiber，之后千兆宽带服务推进缓慢。随着入云业务、云VR业务、高清视频业务、行业应用等不断出现，对网络提出了上行大带宽、低时延、大吞吐量以及网络隔离的需求，推动了千兆网络的加速发展。2019年5月15日，国务院常务会议提出“在 300 个以上城市部署千兆宽带接入网络，推动固定和移动宽带迈入千兆时代”。2021年3月，工信部印发《“双千兆”网络协同发展行动计划（2021-2023年）》的通知，大力推进5G和千兆光网建设应用。新一代信息基础设施正成为全球价值链的驱动力，对促进经济、社会发展具有重大意义。加快建设千兆宽带网络是运营商提高竞争力的重要手段， 随着 5G 网络的建设，“双千兆”逐渐成为各大运营商争夺的热点，

1、千兆智慧家庭网络发展现状

1.1以10G PON光纤接入技术为核心

        截至2022年4月，我国固定互联网宽带接入用户总数达5.55亿户，其中，100Mbps及以上接入速率的用户达5.18亿户，占总用户数的93.4%；1000Mbps及以上接入速率的用户达5051万户，比上年末净增1595万户；光纤接入FTTH/O 端口占比达94.9%。FTTH从局端到用户全程以光纤为介质，理论上，光缆的带宽可以做到无穷大，FTTH 的普及为千兆宽带建设打下了良好基础。目前局端主要采用 GPON/EPON OLT 设备，FTTH 模式下单个PON树下用户数量一般不超过64个。由于 EPON/10G-EPON标准完成时间较早，并且具有实现方案简单、成本低等优点。

1.2家庭智能家居普遍应用

智慧家庭是以高带宽网络为基础，综合运用云计算、大数据、物联网等技术，通过感应与控制技术实现家庭设施的智能化联动，满足用户智慧化的家庭生活方式。智慧家庭已成为智能领域的发展重点，电信运营商、家电及终端企业等产业链各方均在积极布局，意图在智慧家庭这个蓝海市场中抢占先机。智慧家庭的发展将呈现出业务多元化、终端多样化、管理智能化等特征，对支撑网络的承载需求提出了更高的要求。扩大高速宽带网络及移动网络覆盖，提升家庭网络接入能力，是推动智慧业务发展的基础保障。随着网络通信技术、自动控制技术和音视频技术的发展，智能家居得以普遍应用，各类智能终端呈现指数式增长，给传统的家庭组网带来挑战。智能家居涉及家庭宽带接入、物联网和智慧家庭应用等多个方面。对于运营商宽带而言，主要通过智能网关提供宽带接入以及业务的控制入口。在智能家居应用中，家庭安防中的视频监控、云存储等应用需要较高的上联带宽。这些变化将会推动光纤网络突破传统的产业边际，更多的联接万物：包括家庭的每一个房间，每一栋办公楼宇，每一台工业设备等等，以前所未有的方式推动社会运行。

1.3宽带业务需求大幅提高

        宽带业务主要包括普通上网业务、互联网电视业务、OTT 业务三部分。其中互联网电视业务又分为 4K 电视、高清电视和标清电视三种，对应的带宽分别按45M、10M、2.5M测算；OTT 业务目前主要是基于互联网电视的宽带应用，其带宽与之相对应。随着技术发展，未来宽带应用场景也会拓宽至各类更高带宽的视频应用，以4K/8K/AR/VR为代表的视频内容业务已经进入井喷期，中国4K内容时长已经超过1万小时、新增4K电视的渗透率已经超过70%，全球VR的主流平台应用数量也超过了6000个。Cloud VR作为下一代IPTV，产业界已构建起了完整的端到端生态体系，对宽带业务需求也相应大幅提高。随着智慧家庭新业务、新应用的日趋丰富，对接入家庭的网络速率要求也将越来越高。几种主要智慧家庭业务的带宽要求见下表1。近期智慧家庭业务对接入带宽要求应不低于100Mb/s，中远期接入带宽要求应不低于1000Mb/s。

表1            几种主要智慧家庭业务的带宽要求

阶 段	序 号	业务类型	带宽要求 （Mb/s）	时延要求 （/ms）	泛在要求
近期	1.1	高清电视业务	20	400	无
	1.2	移动视频业务	10	400	有
	1.3	游戏业务	20	100	有
	1.4	视音频通信业务	8	150	有
中远期	2.1	大屏电视业务（VR/AR）	超百兆	100	有
	2.2	游戏业务（VR）	超百兆	20	有
	2.3	视音频通信（远程医疗）	超百兆	10	有
	2.4	家庭云业务	超百兆	150	有
	2.5	家庭物联网业务	1	秒级	有
	2.6	家庭监控业务	20	秒级	有

2、千兆网络部署

2.1 千兆网络的演进方案

        10G EPON全面兼容原有EPON ODN，保护了运营商光分配网建设投资;10G EPON可以兼容原有EPON MDU，设备主体、电源与用户配线均保持不变，保护了运营商终端投资;EPON升级到10GEPON，管理运维一脉相承，可以实现一键式升级，显著减少运营商管理维护工作量。从EPON演进到10G EPON秉承的是网络能力升级的方式。升级前后，维持了单一的PON OLT端口接入各类型终端，一个OLT端口可以自适应接入上下行对称、上下行非对称、1G速率等不同等级用户，具有融合接入的能力。整个接入网络，保持了原有单一的网络架构，原有批量配置数据基本无需更改。类似自适应以太网，每个端口下，不同速率的用户可以自动识别、自适应接入。EPON和10G EPON可以共享已部署ODN，在OLT侧，可混插EPON/10G EPON线卡，实现共平台管理，在升级时可以保持原有OLT平台保持不变，只需要新增10G EPON线卡;10G EPON OLT实现在同一PON口下10G EPON对称ONU，10G EPON非对称ONU，EPON ONU共存，实现终端按需部署。

2.2 城区千兆宽带的建设策略

        城区千兆宽带建设应以市场部门为主导，由市场部门提交计划开通千兆业务的热点区域名单，然后建设部门针对这部分区域优先部署10G EPON网络，建成一批，交付运维一批，实现市场和建设联动，保障建设投资。后续根据市场部门获得的客户反馈和网管系统的流量监控信息，分批次建设10G EPON 网络，避免在初期千兆需求量较小时就盲目建设千兆网络。部署千兆宽带应参照宽带网络拓扑结构，以OLT为中心，采用端到端思路进行建设。OLT部署应综合考虑现网OLT状况和预期业务量。城区新增、替换OLT设备应选择新平台OLT设 备 。 新平台设备交叉、上联、接入能力 较老平台设备有大幅提升，以中兴产品为例，老平台C300和新平台C600相比，背板交换能力分别为6.4 Tbit/s 和 14 Tbit/s，10GE 上联端口数分别为16和136，XGS-PON 端口数分别为128和272。此外，新平台设备还支持 SDN（软件定义网络）、虚拟 OLT 切片、VxLAN（虚拟可扩展局域网）等新技术，未来可向智能化演进。

2.3非城区千兆宽带的建设策略

非城区开展千兆业务应更充分考虑经济效益，以OLT的合理部署为前提。 充分利旧城区替换下来的老平台机架式 OLT，严格控制小型盒式OLT的规模。可以将非城区区域分为中心地带和外围地带两个区域。中心地带为非城区具有明显城区特征的区域。在中心地带，若原有OLT为小型盒式OLT，可替换为机架式 OLT，以提升其收敛能力。中心地带外的农村区域，可考虑将小型盒式 OLT 归并至其所属中心地带机架式OLT。非城区不建议提前新增10G-EPON板卡，可待EPON口流量超限或有集中发展业务需求时，再考虑新增10G-EPON板卡。由于EPON下行带宽为1.25G，可承载的用户数可通过数学模型计算。此外，还可采取降低分光比的方式，这样既可延长中心地带 OLT 辐射外围地带的范围，又可提升现有OLT高带宽用户接入数量。

3、智慧家庭千兆 WiFi 组网

电信运营商提出的三千兆是千兆光带宽、千兆5G 以及千兆 WiFi 的总称，其为用户提供室内外超高速、超高效以及高性能的无线家庭网络。随着 5G 建网的加速，智慧交通、智慧大脑、智慧医疗以及智慧家庭等应用已经实现。未来“5G 主外，WiFi 6主内”这种黄金应用组合将会全面满足用户的各种网络体验，使泛网络无处不在。WiFi 6是由WiFi 联盟提出的命名规则，将802.11ax 改为 WiFi 6，于2019年发布，面向室内的 WiFi 技术由 WiFi 5升级到 WiFi 6。现在 WiFi 6的性能更加出色，具有网速更快、时延更低、设备功耗更省以及容纳数量更多等特点，最高网速可达9.6 Gb/s，而且优化了信号上行覆盖。同时，WiFi EasyMesh 技术具有高扩展性，使用户在需要的地方能很方便地增加无线 AP，实现室内信号无死角。

千兆智慧家庭组网快速向千兆接入设备升级，向双频和 WiFi 6路由器演进，推动智慧家庭网络迈进千兆时代，助力智慧家庭迈向家庭云和全光化。从新协议、新入口、新平台以及新应用4个方面对千兆家庭组网进行全新定义。同时，千兆家庭组网后能全面守护用户家庭信息安全，同时也能极大改善家庭网络环境，提升网络品质。WiFi 6路由技术具有网速更快、时延更低、设备功耗更省以及容纳数量更多的特点，为千兆智慧家庭构建起的强劲 WiFi 网络，将为8K/XR 大带宽的视频应用、Cloud VR 低时延的游戏应用以及全屋智能广连接的智能家居应用等提供更坚实的网络保障。千兆智慧家庭还将打造安全路由器，将网络诈骗、信息泄漏、设备劫持以及网络沉迷等网络“害虫”全部拒之家外，打造智慧家庭的安全堡垒，实施绿色上网服务，守护千万家庭的网络安全。

千兆组网技术已经实现全光FTTR超千兆组网时代，让千兆体验无处不在，是实现千兆网络、万物互联、各相关产业发展以及各个数字化转型的关键基础和动力，也是下一代通信网络的一个关键组成部分。千兆组网在延时、抖动以及误码率（低于1 ns) 等性能可靠指标上较百兆宽带而言有本质上的提高，对实现未来家庭和社会服务建设向数字化、智能化以及网络化方面发展具有重要的基础作用，会带来广阔的市场空间。

4、智慧家庭千兆级网络应用分析

        千兆智慧家庭网络能够综合运用宽带网络、云计算等技术将家庭设备智能控制以及信息交流、消费服务等家居生活有效地结合起来，配合智能家居产品为消费者提供、健康、舒适、易用、安全、可靠等智能体验

        不论从智能家居的角度，还是为了家庭娱乐的目的，千兆网络都成为家庭互联网的服务终端和新中枢，千兆网络具有高可靠性、高效率、低延时等突出特点，它的极高网速将在视听生态为家庭生活带来全新的变革。在国家“宽带中国”及“智慧城市”两大战略的指引下，开展智慧家庭业务，如智能远程医疗、智能远程教育、智能家电家居、家庭安防、家庭能源管理等。千兆网络的应用场景非常多，创新模式也非常多。比如在智能远程教育方面，三维影像对网速和延时的要求比较高，千兆网络突破了这限制，可利用传输过来的数据解码成三维影像。这便为电视发挥教育功能提供了实现的可能性，由于普通网络的网速达不到虚拟投影的速度，互动性与真实感不够强，我们可以利用千兆网络高速的特点实现虚拟投影，实现真人讲解，增强学习趣味性与真实感。用户随时可以观看4K、8K的视频，足不出户即可在家享受极致流畅、色彩鲜艳、画质细腻、极富现场感的观感体验。传统智能家居一般是通过手机APP进行控制，但是存在屏幕小、不便于监控多个设备等问题。后来，亚马逊推出echo、Google Home 等智能音箱产品，不少人便认为智能音箱可成为智能家居的控制中心，但是智能音箱又仅靠语音交互，没有语音+屏幕互动更直观、高效。但是10G-EPON网络技术以其独一无二的信息传递优势为具备视听能力的智能大屏提供便利，弥补了手机APP与智能音箱存在的缺点，还可以带来额外的便利功能。集成了智能语音助手的家庭大屏将会是未来智能家居的中心，也将会成为家庭情感中心。

        结束语

        随着多媒体、高清视频、在线游戏、VR/AR 等宽带业务的持续发展，用户对带宽的需求不断增加。在宽带中国战略推动下，各主流运营商也在接入网光纤化改造基本完成后，网络带宽大幅提升至千兆级，各种智慧家庭应用不断涌现，一体化的智能家庭网络建设受到到越来越多的关注，同时随着5G和家庭全千兆组网的普及，实现了千兆级应用从网络设备到最终智能终端间的高速、泛在、低时延的连接，为应用的普及提供了强有力的基础。

        参考文献：

        [1]武志军  5G催生智慧家庭[J].中国品牌

        [2]张勤贵  千兆宽带网络建设策略研究[J].信息技术与信息化

        [3]田永民  基于大宽带背景下探析家庭网络应用技术研究及发展[J].数字技术与应用

[4]黄文凤 智慧家庭中的智能家居产业发展现状及趋势 [J].集成电路应用

[5]雷芳，王玉磊，李云霞 面向千兆宽带的 PON 网络演进策略研究[J].通信电源技术