NGOAN技术发展白皮书（2022）

NGOAN技术发展白皮书 中国移动通信有限公司研究院 1 2022 · 主编单位 中国移动通信有限公司研究院 联合编写单位 （排名不分先后） 中国移动通信有限公司计划建设部中国信息通信研究院 中国联通研究院华为技术有限公司 中兴通讯股份有限公司烽火通信科技股份有限公司 上海诺基亚贝尔股份有限公司瑞斯康达科技发展股份有限公司博通公司 达发科技（苏州）有限公司武汉光迅科技股份有限公司 青岛海信宽带多媒体技术有限公司希烽光电科技（南京）有限公司 · 参编人员 中国移动通信有限公司研究院：张德朝、李俊玮、李晗、段晓东、朱景龙、王宁、胡蕾雅、张楠楠；计划建设部：白立荣 中国信息通信研究院：敖立、刘谦、程强中国联通研究院：邵岩、孙越 华为技术有限公司：冯志山、罗勇、王世光、袁贺、胡淑宝、黄世魁、徐云平 中兴通讯股份有限公司：方晖、李明生、张海军、陈爱民、刁渊炯、黄新刚 烽火通信科技股份有限公司：熊伟成、王志峰、李明、罗文毅、尹宝青、王志军 上海诺基亚贝尔股份有限公司：罗晔、耿丹、孙曦光 瑞斯康达科技发展股份有限公司：朱雪梅、刘贤、孙志远博通公司：孙岳 达发科技（苏州）有限公司：叶妙永、张强武汉光迅科技股份有限公司：高建河、蒋波 青岛海信宽带多媒体技术有限公司：赵其圣、张强 希烽光电科技（南京）有限公司：于让尘、陈旺、赵永鹏 · 前言 随着宽带网络的全面普及和互联网应用的蓬勃发展，同时，科技竞争和产业革命大潮澎湃，经济社会的数字化转型进程加速前进，有线接入网从单一的带宽提升走向了以千兆、全光连接、极致体验为特征的千兆光接入网时代。从人机时代到M2M时代，千兆光网是第二次光改革命，支撑家宽高品质发展和千行百业数字转型，带来了业务、体验、运营等方面的持续创新和融合。为适应固定宽带网络新形势发展需求，2021年11月2日在中国移动全球合作伙伴大会上，移动研究院联合7家合作伙伴共同发布了《NGOAN智能光接入网白皮书》。 一年以来，为推动国家新基建战略的落实，中国移动充分发挥中央企业“网络强国、数字中国、智慧社会”主力军的作用，积极构建“连接+算力+能力”的新型信息服务体系，制定了算力网络总体发展策略。为进一步推动NGOAN技术和产业发展，本白皮书在去年发布的《NGOAN智能光接入网白皮书》基础上，结合算力网络全新发展计划，以及最新的政策、产业、标准发展情况，本白皮书阐述了50GPON高功率预算收发技术及基于跨层协同机制的低时延技术方案的研究进展及趋势，同时向业界展示了中国移动创新提出的基于光层OAM的原生管控维、Wi-Fi集中管控、PON+FTTR协同等FTTR架构设计与关键技术的研究进展及发展趋势，以期和产业界协同推动下一代光接入网技术和产业的发展。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 目录 1.下一代光接入网演进驱动力6 2.下一代光接入网技术发展理念8 3.下一代PON关键技术10 3.1高速光器件10 3.2高速电器件13 3.3PON低时延技术14 3.4PON支持网络切片16 4.FTTR关键技术17 4.1网络原生管控维架构17 4.2集中管控的Wi-Fi组网18 4.3FTTR物理层20 4.4FTTR平滑演进技术21 5.PON+FTTR协同关键技术22 5.1光层OAM能力延伸22 5.2高速数据采集底座23 5.3智能化关键技术24 6.应用场景25 6.1直播宽带25 6.25G小基站承载25 6.3工业PON26 6.4HDICT场景27 6.5中小企业场景27 7.未来展望28 缩略语列表29 1.下一代光接入网演进驱动力 当前，千兆光网在我国全面蓬勃发展，5G千兆和千兆光网为代表的“双千兆”网络发展，对于促进国家信息消费、数字经济发展和新动能壮大，全面支撑我国社会经济高质量发展具有重要意义。中国移动正在积极构建“连接+算力+能力”的算力网络新型信息服务体系，千兆光网络作为算力网络基础设施层的底座，是承载算网服务的高品质运力保障。光接入网一方面支撑千兆光网规模发展，另一方面是算力网络的入口，也是用户入算体验保障的关键。 国家《十四五规划和2035年远景目标纲要》和2021年《政府工作报告》均对加快“双千兆”网络发展提出了明确要求。光网络已全面进入千兆光网时代，为数字经济持续高质量发展奠定坚实光网底座。光接入网给家庭带来的规模红利正在向垂直行业渗透以普惠千行百业。目前，中小企业的光接入网业务已拓展到企业上云、平安城市（雪亮工程、智慧厨房）、平安乡村、智慧社区等场景应用。中国移动今年推出的全光e企组网对中小企业产生重要影响，促使企业内网体验从几兆、几十兆升级到千兆以上的体验，未来光纤到桌面、光纤到终端的技术发展，将极大提升企业办公和生产效率。同时，千兆2B即千兆光网在行业中的应用也逐渐成为趋势，光接入网将融入到小微企业智能制造、智慧医院、智慧酒店、智能园区等行业应用，随着“光华杯”的带动影响，光接入网到千行百业已呈现出蓬勃发展的产业生态，将深刻影响行业数字化转型。为企业和行业提供万兆到企业、千兆到桌面、内网百微秒等极致体验，将极大拓展光接入网的服务边界，促进中小企业的数字化转型升级，有效服务办公、生产和生活，助力千行百业智能普惠发展。 受疫情、新型互联网、先进显示及交互技术发展等多重因素影响，家庭已 从娱乐中心变化为多元的生活和生产中心，将催生更丰富的宽带新业务并带动下一代光接入网持续演进：一、4K/8K大屏视频业务蓬勃发展，当前4K大屏的存量用户占比已超过70%，8K、120帧刷新率等视频终端和业务逐渐进入消 费舞台，1路视频就需要800Mbps甚至1Gbps以上的接入带宽；二、XR/云宇 宙等沉浸式体验业务不断发展，将从8K向16K/32K甚至更高清晰度升级，以远程办公为代表的多方视频通话、虚拟会议、沉浸式云游戏等将成为常态；三、实时交互RTC业务形态（如直播、在线办公/教育等）日益丰富，叠加甚高清和沉浸式视频，将不只是对网络的大带宽有需求，同时对网络小于20ms、10ms的低时延会产生需求；四、家庭网络Wi-Fi满屋覆盖，Wi-Fi覆盖本身已成为一种业务，相比自购路由器运营商为用户提供Wi-Fi服务将成为行业主流，运营商以网络优势和服务优势，家庭真正形成一张电信级的Wi-Fi网络，支撑用户在家庭固定场景达到千兆到终端的业务体验。 中国移动从2021年开始全面转向10GGPON系统构建，基于“10GGPON+千兆智能网关+Wi-Fi6”实现端到端千兆固网宽带能力，目前千兆光宽带用户覆盖已超2亿，200M-1G签约带宽用户成为绝对主流。面向家庭HDICT和行业数字化的未来发展，下一代光接入网需全面提升接入网络的带宽、时延、可靠性、泛在接入和覆盖等能力，并构建极简架构、融合网络智能化能力、切片能力和全光延伸能力，保障算力网络服务端到端体验，促进宽带业务、家庭HDICT、行业数字化的繁荣发展。 2.下一代光接入网技术发展理念 图1NGOAN网络架构图 接入网作为接入运营商网络的第一跳入口，是业务入算的保障。面对算力网络发展需求，光接入网立足于提升网络的带宽、时延和确定性等网络基础能力的同时，还需要融合网络感知和网络切片能力，并能将以上能力向下延伸直达用户终端，支撑端到端面向服务的差异化网络和链路承载资源的匹配和路径调度的优化等，从而提供可承诺的算力接入。因此，下一代光接入网从FTTH向FTTR演进过程中，需从三个方面持续提升网络能力： 提升全光接入性能：在带宽层面，由10GPON逐步向50GPON升级实现带宽倍增，为算网服务提供可保证的超千兆带宽需求。在时延层面，50GPON创新引入跨层协同DBA调度、单帧多突发、队列调度等机制全面提升低时延性能。同时50GPON需兼容已部署的10GPON系统，实现共平台平滑演进。 增强千兆无缝覆盖：FTTx网络进一步向FTTR延伸，FTTR主从设备全面支持Wi-Fi6千兆能力，未来向Wi-Fi7超千兆能力演进。同时基于管控集中的FTTR一张网架构支撑光接入网服务能力向用户侧延伸，对运营商算网服务能力直达用户和终端提供保障。 引入智能感知：将大数据底座能力进一步延伸到用户侧（家庭网络/园区网络），引入Telemetry和MQTT秒级采集机制，光纤基础设施数字化，充分挖掘PON和FTTR的网络和业务数据，以OLT和FTTR智能化实现业务感知和网络质量可视、分析和调优，保障算和网能力的精准匹配。 光联万物导致网络规模变大，网络复杂性增强，中国移动积极推动光接入网络围绕以上维度构建面向用户和场景直接提供更灵活敏捷、更高品质的算网服务的能力，以实时动态响应算力业务需求变化，满足接入运力随需调度的需求。支持算网资源智能化、实时化呈现，帮助运维人员直观、全面地评估算网能力。面向算网业务，管控析层需要自动化评估用户入算的PON和FTTR的连接能力，支撑上层算网大脑智能决策算力和网络的调度方案。 3.下一代PON关键技术 当前，50GPON已明确成为全球范围内下一代光接入网技术体系，相比已部署的XG(S)-PON系统，除带宽提升外，还需满足低时延、高精度时间同步以及支持PON切片等功能，以满足未来多场景综合承载的需求。同时，满足已部署PON系统平滑演进的需求，50GPON还应兼容现网C+等级功率预算，并能够和XG(S)-PON实现共存。 3.1高速光器件 50GPON光模块结构如下图2所示，其中下行线路速率为50Gb/s，上行速率包括25Gb/s和50Gb/s两种规格。为满足C+等级32dB的高功率预算要求，需要更高功率和更大带宽的激光器，并且需要提升接收灵敏度，同时引入DSP解决色散以及大带宽突发接收问题。当前50GPON光模块产业链尚未完全成熟，核心器件需要产业界协同持续突破。 图250GPON光模块内部结构示意图 1)大功率50GEML 为了满足C+等级32dB功率预算，首先要提升OLT发射光功率。ITU-TG.9804.3已发布OLT光模块发射机的光接口指标，其中下行50Gb/s速率工作波长为1340-1344nm，满足C+等级功率预算的最小发送光功率为8.5dBm。 常规的EML激光器虽然可以实现较高带宽的，但这类激光器的发射光功率一般仅达到0~2dBm左右。为满足C+等级ODN链路预算的需求，需要激光器芯片的原始出光功率达至少到50mW以上。然而，如此高的发射功率进入调制器时，常规EML的电吸收调制器已达到饱和状态，输出功率无法持续线性增加。所以当前规模使用的EML激光器难以在 兼顾带宽、色散的条件下满足如此高的功率输出指标。因此，可使用 EML集成SOA外置放大的方案来满足50GPON下行链路预算的需求。 近几年业内出现的硅光MZM调制器，具有带宽大、啁啾小、尺寸小的优点，容易实现50Gb/s的NRZ信号调制，且易于集成。但是，硅光MZM调制器耦合插损较大，对外部激光器的入射光功率要求更高。若满足C+链路预算，DFB激光器发射光功率至少达到80mW。如此高的入射光功率会在硅基光波导中产生Kerr效应、双光子吸收等非线性效应，严重影响输出光信号质量。后续进一步提升耦合效率后，硅光MZM也可用于50GPON下行发射机。 2)25G/50GDML 50GPON上行，考虑ONU对成本较为敏感，通常使用DML激光器。和下行方向类似，上行方向也需要满足现网C+等级32dB功率预算。因此，除带宽提升外，发送光功率相比10GGPONONU也要进一步提升。目前ITU-TG.9804.3已明确上行25Gb/s满足C+功率预算等级的ONU发送光功率最小值为5dBm，而上行50Gb/s考虑到接收机灵敏度劣化影响，发送光功率将会更高。 图3基于失谐负载效应的DML原理示意图 常规的单段式DML激光器具有尺寸小、成本低的优点，制作工艺已经非常成熟。然而，直调激光器的主要技术难点是无法同时满足高功率和高带宽要求，目前仅能满足25Gb/s上行功率预算需求，暂时无法完全满足