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2020/7/21 17:53

技术干货:“千兆宽带”提升的,其实不仅仅是带宽!

移动Labs  董先存

概述

最近的十几年间,受益于通信技术的发展和运营商网络基础设施的巨大投入,家庭固网经历了几轮的迭代升级,仅在“带宽”(传输速率)这一个参数上,从最初的64Kbps(ADSL电话线拨号上网),到几兆,几十兆,以及现在已经普遍达到的一两百兆,甚至从2019年下半年起逐渐走向千兆时代。但不为众人所知的是,家庭固网在迭代升级的过程中,除了带宽以外,还有其它几个重要(会显著影响用户体验)的参数也同步进行了优化提升。

本文将重点介绍“千兆宽带”好在哪,并分析“千兆宽带”在时延、抖动、误码率等性能参数上的提升原理。

“千兆宽带”好在哪?

1、家庭宽带接入网长什么样?

PON是英语Passive Optical Network的首字母缩写,译为无源光网络,“无源”指ODN(光分配网络)不含有电源,无需供电,ODN全部由光分路器Splitter(实际上为玻璃器件)组成。

图1:PON的体系结构[1]

运营商在PON系统建设时,一般在用户数达几千上万户的一个社区,建设一个PON系统,部署一台OLT、几百台光分路器Splitter、一户一台ONU(俗称光猫)。

图2:PON系统中的物理设备

图3:分路器Splitter及内部结构[2]

PON系统上下行数据传输在同一根光纤中的不同波长上,单芯“皮光纤”即可实现光纤入户,无需使用双纤芯的光缆。当前主流的PON系统包括GPONEPON,它们有相同的上下行波长,即中心波长为1310nm和1490nm。而“千兆宽带”普遍采用新一代的是10G-PON系统,它的上下行波长在1270nm和1577nm左右[3]。因此,两代PON系统之间,可以通过波分复用器件共存在同一个ODN上,带宽升级不影响原有业务。正是由于这个原因,运营商在实现小区“千兆宽带”覆盖时,并不需要重新在小区地下管道和楼道弱电井施工,仅需更换OLT上的一两个XG-PON板卡,在几分钟的时间内即可实现“千兆宽带入小区”的建设施工。

图4:千兆小区

值得一提的是,中国移动家庭固网普遍采用GPON进行家庭接入,网上关于GPON与EPON比较的文章已经很多了,笔者不在此赘述,请读者自行百度:详细分析EPON vs GPON哪种更好?由此看来“装千兆宽带,就选中国移动”,还是很有道理的。

下面用某地市的真实网络拓扑图,结束本小节的介绍:

图5:家庭宽带端到端拓扑图

2、传输资源是怎么分的?

在本节开始之前,有一点需要提前说明:家庭宽带不是专线,传输资源是“竞争共享”的。我们平时讲的“我开了100M的宽带”指的是:你家里的宽带“最大可用带宽”是100M,同小区的人都不用网,仅你自己用网时,顶多用到100M的传输速率。很自然地,大家就会问:大家都用网时,我实得带宽是多少?本节就来解答这个疑惑。

以性能相对较好的GPON系统为例, OLT的一个PON端口的下行传输速率是2.5Gbps,上行传输速率为1.25Gbps,分光比最高可达1:128[4],其中分光比可以简单理解为:有多少ONU(光猫)竞争这下行2.5G和上行1.25G的传输资源。显然,分光比1:N中N越小,用户分得的传输资源越多,实得带宽越大,体验越好。

在“百兆时代”运营商的真实网络中,分光比一般为1:64[4](第一级分光8*第二级分光8),户均实得带宽=2.5Gbps/64=39Mbps,这是竞争最激烈、最极端时的情况。一般情况下,这64户不可能同时都这么“忙”,一般符合“泊松分布”统计模型,所以实得带宽基本上都能达到签约的百兆。

但正是因为这种“竞争共享”机制,导致用户实得带宽是不稳定的,抖动较大,时延时大时小,误码率也不稳定。对于一些时延敏感型业务,业务体验在晚上8点左右的用网高峰期就会下降。这就是出现“家里的网,白天好好的,晚上8点比较卡”现象的一个重要原因(但这不是全部原因,晚上下班时间,家里和邻居家里的Wi-Fi设备增多,向空间中收发数据量增大,出现严重的Wi-Fi资源竞争,导致Wi-Fi丢包率高,是另一个重要原因,这也就是为什么说中国移动千兆宽带与全家WiFi业务是“黄金搭档”)。

3、“千兆宽带”怎么提升了网络品质?

正如上一节所述,让用户获得更大的实得带宽、减小时延、减小抖动、降低误码率,全面提升网络品质,主要有两个重要途径:1)提高一个PON端口传输容量;2)减小分光比1:N中的N。“千兆宽带”正是围绕这两点,进行了PON系统升级改造。

如在某运营商现网中,有三种支持千兆宽带接入的PON系统,在资管系统以“可接入带宽”进行标识为:1000a/1000b/1000c。

从上表可以看出,“千兆宽带”一方面提升了OLT系统的传输容量;另一方面限制了OLT单PON口接入客户数,最大只允许6个用户参与资源竞争,并且在接入数超过2个后就会预警扩容。

就拿上一节讨论过的“竞争最激烈、最极端时的情况”为例,仅就“下行带宽”这一个参数而言,“千兆宽带”1000a为10Gbps/64=156Mbps,较“百兆宽带”(39Mbps,见上一节)提升了400%;“千兆宽带”1000b和1000c为1Gbps/6=167Mbps,较“百兆宽带”提升了428%。

除此之外,“千兆宽带”在时延、抖动、误码率等性能参数上,较“百兆宽带”有显著提升。从参考文献[5]这个篇SCI论文中的数据(下图)可以看出,误码率BER与单PON口下ONU数成反比,由于“千兆宽带”严格地控制了单PON口接入客户数(即ONU数),“千兆宽带”较“百兆宽带”将成倍地降低误码率,显著减少用户数据“丢包重传”的概率,进而降低用户的时延和抖动,提升游戏等时延敏感型业务的体验。

图6: 接入ONU数与误码率BER的关系[5]

4、“千兆宽带”的黄金搭档

在文章的第二小节提到了空间中Wi-Fi资源竞争导致的Wi-Fi丢包率高,是影响家庭网络体验的一个重要原因,而仅靠“千兆宽带”是无法解决该问题的,还需“千兆宽带”的黄金搭档—中国移动全家WiFi业务。

中国移动全家WiFi通过双千兆路由器,提供有线千兆+无线(Wi-Fi)千兆的家庭内网覆盖能力,解决千兆到PC、千兆到手机的最后十来米的问题。中国移动全家WiFi业务针对房屋面积、户型、墙体结构和周围Wi-Fi的情况,提供个性化的组网方案设计,同时优化同频干扰和临频干扰的影响,保证用户获得真正的千兆体验。除此之外,随着Wi-Fi6设备的普及,中国移动全家WiFi业务还将提供Wi-Fi网络的差异化服务能力,基于OFDMA信道切片技术,动态为关键用户和应用分配独占的专用子载波资源,根据服务等级将业务调度在不同的Wi-Fi子载波上,从而实现在任何时间上“用户和应用”不必排队等待,不必因竞争Wi-Fi空口资源而丢包,为用户在游戏、云VR期间带去高品质网络体验。

图6: 接入ONU数与误码率BER的关系[5]

图7:“千兆宽带”的黄金搭档—中国移动全家WiFi业务

5、“千兆宽带”引领未来

2019年世界移动大会期间,各运营商和设备商达成共识,宣布固定网络向Fifth Generation Fixed Network (F5G)发展演进,2020年2月26日欧洲电信标准协会(ETSI)成立了一个新工作组,专门负责制定第五代固定网络标准(ETSI ISG F5G)。从相关的业界动态可以看出,以10G-PON和Wi-Fi6为技术硬核的“千兆宽带”,符合F5G的演进方向,未来,则可能是50G PON和“全光连接”为技术硬核的“万兆时代”。当前,“千兆宽带”正与5G移动通信协同联动,共同实现网络的体验升级。

综上所述,“千兆宽带”好在哪?它不仅仅好在上下行传输速率的成倍提升,它还好在时延、抖动、误码率等性能参数上的全面优化,非常适用于对家庭宽带有更高品质要求的用户。

参考文献:

[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 技术,周小平,华为技术有限公司.

[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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