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2020/7/21 17:53

技術干貨:“千兆寬帶”提升的,其實不僅僅是帶寬!

移動Labs  董先存

概述

最近的十幾年間,受益于通信技術的發展和運營商網絡基礎設施的巨大投入,家庭固網經歷了幾輪的迭代升級,僅在“帶寬”(傳輸速率)這一個參數上,從最初的64Kbps(ADSL電話線撥號上網),到幾兆,幾十兆,以及現在已經普遍達到的一兩百兆,甚至從2019年下半年起逐漸走向千兆時代。但不為眾人所知的是,家庭固網在迭代升級的過程中,除了帶寬以外,還有其它幾個重要(會顯著影響用戶體驗)的參數也同步進行了優化提升。

本文將重點介紹“千兆寬帶”好在哪,并分析“千兆寬帶”在時延、抖動、誤碼率等性能參數上的提升原理。

“千兆寬帶”好在哪?

1、家庭寬帶接入網長什么樣?

PON是英語Passive Optical Network的首字母縮寫,譯為無源光網絡,“無源”指ODN(光分配網絡)不含有電源,無需供電,ODN全部由光分路器Splitter(實際上為玻璃器件)組成。

圖1:PON的體系結構[1]

運營商在PON系統建設時,一般在用戶數達幾千上萬戶的一個社區,建設一個PON系統,部署一臺OLT、幾百臺光分路器Splitter、一戶一臺ONU(俗稱光貓)。

圖2:PON系統中的物理設備

圖3:分路器Splitter及內部結構[2]

PON系統上下行數據傳輸在同一根光纖中的不同波長上,單芯“皮光纖”即可實現光纖入戶,無需使用雙纖芯的光纜。當前主流的PON系統包括GPONEPON,它們有相同的上下行波長,即中心波長為1310nm和1490nm。而“千兆寬帶”普遍采用新一代的是10G-PON系統,它的上下行波長在1270nm和1577nm左右[3]。因此,兩代PON系統之間,可以通過波分復用器件共存在同一個ODN上,帶寬升級不影響原有業務。正是由于這個原因,運營商在實現小區“千兆寬帶”覆蓋時,并不需要重新在小區地下管道和樓道弱電井施工,僅需更換OLT上的一兩個XG-PON板卡,在幾分鐘的時間內即可實現“千兆寬帶入小區”的建設施工。

圖4:千兆小區

值得一提的是,中國移動家庭固網普遍采用GPON進行家庭接入,網上關于GPON與EPON比較的文章已經很多了,筆者不在此贅述,請讀者自行百度:詳細分析EPON vs GPON哪種更好?由此看來“裝千兆寬帶,就選中國移動”,還是很有道理的。

下面用某地市的真實網絡拓撲圖,結束本小節的介紹:

圖5:家庭寬帶端到端拓撲圖

2、傳輸資源是怎么分的?

在本節開始之前,有一點需要提前說明:家庭寬帶不是專線,傳輸資源是“競爭共享”的。我們平時講的“我開了100M的寬帶”指的是:你家里的寬帶“最大可用帶寬”是100M,同小區的人都不用網,僅你自己用網時,頂多用到100M的傳輸速率。很自然地,大家就會問:大家都用網時,我實得帶寬是多少?本節就來解答這個疑惑。

以性能相對較好的GPON系統為例, OLT的一個PON端口的下行傳輸速率是2.5Gbps,上行傳輸速率為1.25Gbps,分光比最高可達1:128[4],其中分光比可以簡單理解為:有多少ONU(光貓)競爭這下行2.5G和上行1.25G的傳輸資源。顯然,分光比1:N中N越小,用戶分得的傳輸資源越多,實得帶寬越大,體驗越好。

在“百兆時代”運營商的真實網絡中,分光比一般為1:64[4](第一級分光8*第二級分光8),戶均實得帶寬=2.5Gbps/64=39Mbps,這是競爭最激烈、最極端時的情況。一般情況下,這64戶不可能同時都這么“忙”,一般符合“泊松分布”統計模型,所以實得帶寬基本上都能達到簽約的百兆。

但正是因為這種“競爭共享”機制,導致用戶實得帶寬是不穩定的,抖動較大,時延時大時小,誤碼率也不穩定。對于一些時延敏感型業務,業務體驗在晚上8點左右的用網高峰期就會下降。這就是出現“家里的網,白天好好的,晚上8點比較卡”現象的一個重要原因(但這不是全部原因,晚上下班時間,家里和鄰居家里的Wi-Fi設備增多,向空間中收發數據量增大,出現嚴重的Wi-Fi資源競爭,導致Wi-Fi丟包率高,是另一個重要原因,這也就是為什么說中國移動千兆寬帶與全家WiFi業務是“黃金搭檔”)。

3、“千兆寬帶”怎么提升了網絡品質?

正如上一節所述,讓用戶獲得更大的實得帶寬、減小時延、減小抖動、降低誤碼率,全面提升網絡品質,主要有兩個重要途徑:1)提高一個PON端口傳輸容量;2)減小分光比1:N中的N。“千兆寬帶”正是圍繞這兩點,進行了PON系統升級改造。

如在某運營商現網中,有三種支持千兆寬帶接入的PON系統,在資管系統以“可接入帶寬”進行標識為:1000a/1000b/1000c。

從上表可以看出,“千兆寬帶”一方面提升了OLT系統的傳輸容量;另一方面限制了OLT單PON口接入客戶數,最大只允許6個用戶參與資源競爭,并且在接入數超過2個后就會預警擴容。

就拿上一節討論過的“競爭最激烈、最極端時的情況”為例,僅就“下行帶寬”這一個參數而言,“千兆寬帶”1000a為10Gbps/64=156Mbps,較“百兆寬帶”(39Mbps,見上一節)提升了400%;“千兆寬帶”1000b和1000c為1Gbps/6=167Mbps,較“百兆寬帶”提升了428%。

除此之外,“千兆寬帶”在時延、抖動、誤碼率等性能參數上,較“百兆寬帶”有顯著提升。從參考文獻[5]這個篇SCI論文中的數據(下圖)可以看出,誤碼率BER與單PON口下ONU數成反比,由于“千兆寬帶”嚴格地控制了單PON口接入客戶數(即ONU數),“千兆寬帶”較“百兆寬帶”將成倍地降低誤碼率,顯著減少用戶數據“丟包重傳”的概率,進而降低用戶的時延和抖動,提升游戲等時延敏感型業務的體驗。

圖6: 接入ONU數與誤碼率BER的關系[5]

4、“千兆寬帶”的黃金搭檔

在文章的第二小節提到了空間中Wi-Fi資源競爭導致的Wi-Fi丟包率高,是影響家庭網絡體驗的一個重要原因,而僅靠“千兆寬帶”是無法解決該問題的,還需“千兆寬帶”的黃金搭檔—中國移動全家WiFi業務。

中國移動全家WiFi通過雙千兆路由器,提供有線千兆+無線(Wi-Fi)千兆的家庭內網覆蓋能力,解決千兆到PC、千兆到手機的最后十來米的問題。中國移動全家WiFi業務針對房屋面積、戶型、墻體結構和周圍Wi-Fi的情況,提供個性化的組網方案設計,同時優化同頻干擾和臨頻干擾的影響,保證用戶獲得真正的千兆體驗。除此之外,隨著Wi-Fi6設備的普及,中國移動全家WiFi業務還將提供Wi-Fi網絡的差異化服務能力,基于OFDMA信道切片技術,動態為關鍵用戶和應用分配獨占的專用子載波資源,根據服務等級將業務調度在不同的Wi-Fi子載波上,從而實現在任何時間上“用戶和應用”不必排隊等待,不必因競爭Wi-Fi空口資源而丟包,為用戶在游戲、云VR期間帶去高品質網絡體驗。

圖6: 接入ONU數與誤碼率BER的關系[5]

圖7:“千兆寬帶”的黃金搭檔—中國移動全家WiFi業務

5、“千兆寬帶”引領未來

2019年世界移動大會期間,各運營商和設備商達成共識,宣布固定網絡向Fifth Generation Fixed Network (F5G)發展演進,2020年2月26日歐洲電信標準協會(ETSI)成立了一個新工作組,專門負責制定第五代固定網絡標準(ETSI ISG F5G)。從相關的業界動態可以看出,以10G-PON和Wi-Fi6為技術硬核的“千兆寬帶”,符合F5G的演進方向,未來,則可能是50G PON和“全光連接”為技術硬核的“萬兆時代”。當前,“千兆寬帶”正與5G移動通信協同聯動,共同實現網絡的體驗升級。

綜上所述,“千兆寬帶”好在哪?它不僅僅好在上下行傳輸速率的成倍提升,它還好在時延、抖動、誤碼率等性能參數上的全面優化,非常適用于對家庭寬帶有更高品質要求的用戶。

參考文獻:

[1] Yadav R. Passive optical network (PON) based converged access network[J]. IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, 2012, 4(11):B124-B130.

[2] Fibre Optic Splitters

[3]下一代PON 技術,周小平,華為技術有限公司.

[4] Lee J Y, Hwang I S, Nikoukar A A, et al. Comprehensive performance assessment of bipartition upstream bandwidth assignment schemes in GPON[J]. IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, 2013, 5(11): 1285-1295.

[5] Yan, Jhih-Heng, et al. "An experimental demonstration for carrier reused bidirectional PON system with adaptive modulation DDO-OFDM downstream and QPSK upstream signals." Optics express 21.23 (2013): 28154-28166.

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