中国联通50G PON园区类场景应用白皮书

中国联通50GPON园区类应用场景白皮书2023年5月中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0 1 2 2(二).大带宽、超低时延、安全可信的50GPON 4 5(四).50GPON在自智网络的应用 7三、园区类场景需求 9(一).智慧教室 9(二).智慧办公 (三).智慧工业 (四).全光医院 (五).直播基地 (七).智慧交通 四、万兆接入应用分析 中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0近年来，数字经济和数字化转型成为促进社会和经济发展的重要推动力量，而以5G和光纤网络为代表的新型基础设施，则构成了数字经济和数字化转型的“核心支撑”和数字底座。全光网络的推广为数字经济发展注入了新的活力，是促进数字产业化和产业数字化主要抓手。全光网络是园区网络、5G、数据中心、物联网等新型基础设施的“承载底座”,在拉动有效投资、促进信息消费、赋能千行百业等方面发挥了重要作用。到2022年，我国数字经济规模达50.2万亿元，稳居世界第二，占GDP比重提升至41.5%。工信部2021年制定《“双千兆”网络协同发展行动计划》极大地推动千兆光网的建设。截止到2023年2月，已有超过95%的用户通过光纤接入使用固定宽带，而其中千兆用户超过了一亿。在2023年第二届“千兆城市”高峰论坛上，有81个城市获得了“千兆城市”的授牌，千兆城市累计总数已达到110个，在全球处于领先地位。中国联通是国家通信建设的主力军，2022年底光纤入户已覆盖4.5亿户家庭，10GPON占比40%,全面支撑千兆业务和FTTR业务，截止2023年1月已通过全屋光宽带发展120万FTTR用户，让广大消费者享受到全光真千兆的体验，在国内处于领先地位。在全球范围内，F5G已经形成产业共识，推动了全光产业快速发展。在2022年中国联通牵头联合20多家国内外运营商和行业伙伴发F5G后续发展的关键特征之一，而50GPON则是支撑万兆泛在接入的关键基础技术。日益繁荣的全光产业链为宽带业务的跨代发展奠定了坚实的社会、需求和技术基础，正推动着宽带从千兆向万兆时代稳步迈进。50GPON做为下一代万兆时代的关键支撑技术，可以基于当前ODN网络完成从千兆向万兆的升级，实现用PON全光网络作为基座的广泛联接。在面向校园、医院和工业互联网等园区类应用场景中，50GPON的超高带宽、超低时延和超低抖动等特性可以满足确定性网络需求，支撑园区XR教学，CT电子化阅片，机器视觉等新应用技术的普及，将全光万兆业务和服务能力推广到园区类场景，进而推动产业数字化的高质量发展。为此，中国联通对园区类场景的应用发布此白皮书，供业界同仁研讨。(一)50GPON技术标准进展2018年，ITU-T启动50GPON标准的制定，其兼容现有10GPON网络的融合发展路线得到业界普遍认可，50GPON成为下一代PON的主流技术，系统采用点到多点架构和时分复用技术；2021年4月ITU-T完成第一版50G-PON的发布：此版本支持了下行50Gb/s接入的带宽能力，上行支持12.5Gb/s和25Gb/s的非对称接入，并支持与GPON或者10GPON两代共存的能力；2022年9月ITU-T发布50GPON的鼓长鼓长第一个修订版本，新增了对称50GPON的技术规格，以及支持GPON、10GGPON和50GPON三代共存的特性。中国通信标准化协会CCSA也紧跟国际标准，开启了中国50G-PON标准的制定。CCSA50GPON的总体需求、物理层和协议层标准均已完成报批稿，即将发布。中国联通联合其他运营商和设备商，共同推动了50GPON标准的成熟。50GPON标准与原有的10GPON(包括10GGPON和10GEPON)网络融合共存。50GPON下行波长选择了1342±2nm,上行波长有三选项一：1270±10nm,可与GPON共存；选项二：1300±10nm,可与10GPON共存；选项三：1286±2nm,可以与GPON、10GPON共存；EPON由于存在宽谱ONU(波长为1310±50nm),其上行波长与50GPON的上行波(波长为1310±20nm)共存。圆中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0为了与现网10GPON网络共存，其ODN链路预算需要维持32db甚至更高。而50GPON接入带宽相比10GPON提升5倍，OLT、ONU设备要达到同样功率预算的技术挑战更大。与此同时，多代PON技术共存对OLT光模块尺寸挑战巨大。支持MPM(Multi-PONModule)光模块的小型化光模块标准待制定，此模块需要同时支持50GPON和10GPON接入，甚至包括1GPON接入。50GPON技术相对与原有的PON技术具备更大的带宽、更低的时延和更加安全的网络通信：>支持上下行最大50Gbps速率，同时上行还可以根据实际需求选择12.5Gbps或25Gbps;>平均单向延迟不超过100μs,定时精度不超过50ppb,可以通过以下技术共同实现：1)使用独立波长开窗技术，可以消除因ONU上线、测距的开窗导致的时延；2)使用单帧多burst可以有效降低上行业务的排队时延；支持上下行加密使用国密SM4算法。基于以上技术特点，50GPON不仅提供能为每个接入点提供超过10Gbps的能力，还在业务体验保障上进行了升级。50GPON不但可以升级传统的家宽业务，还可以为运营商拓展和升级园区类业务场景，如企业高速上网、高速入云业务、园区Wi-Fi7回传、工业互联网等。中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.050GPON不仅带来带宽的提升，还包含全业务承载、低时延、智能化等丰富内涵。同时将Wi-Fi7等技术的融合进50GPON的FTTH 于政企、园区、工业互联网、入云等多样化的业务场景。对于50GPON组网来说，接入方式分为下列两种方式：1)有线接入有线接入是连接固定设备的主要方式之一，在ONU升级到50GPON后可以提供更大的带宽。主要的接口类型包括：网线接口，主要形态为1G和10G接口；光纤接口，主要形态为1G、10G和25G接口；语2)无线接入当前无线接入的主要方式为Wi-Fi5和Wi-Fi6。Wi-Fi7(IEEE定稿，预计2024年底完成标准发布，Wi-Fi7可向后兼容前代Wi-Fi设备。Wi-Fi7理论支持高达30Gbps的吞吐量，大约是Wi-Fi6的3倍，如果不使用6Ghz频段，理论吞吐量也可达14Gbps。Wi-Fi7协议带来的主要技术变革点包括：>理论支持最大320MHz带宽，如果6GHz频段在中国不可使用，则最大频宽为240MHz;>支持Multi-RU机制允许将多个RU分配给单用户的机制；>支持更高阶的4096-QAM调制技术；游特性提供低时延的无缝漫游能力；>支持更多的数据流，MIMO功能增强；随着光纤部署的不断下移，FTTR将光纤资源从中心机房延伸到每一个办公室、每一个机器。在企业内部放置主FTTR设备，然后使用光电复合缆或光缆连接从FTTR设备，实现企业内每一个房间和机器的千兆甚至万兆Wi-Fi覆盖。同时，FTTR主从一张网管理，支持极简的业务发放和智能运维。有线接入-》桌面云业务互联安防监控园区无线智能楼宇生产网互动娱乐园区IOT图2典型50GPON园区组网中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0(四)50GPON在自智网络的应用电信管理论坛(TelecomManagementForum,TMForum)和欧洲电信标准协会(EuropeanTelecommunicationStandardsInstitute,ETSI)、中国通信标准化协会(ChinaCommunicationsStandardsAssociation,CCSA)等标准组织近年来发布多个关于自智网络的标准。通过引入大数据、Al等新技术，通过构建数据与知识驱动的智能极简网络，实现家宽、政企、工业业务端到端数字化运维能力，实现高度自动化的网络感知、分析、决策和执行。商业层售前：商业意图交互业务意图交互网络Ai网络资源融知--面向用户中心的宽带接入网络智慧运葺----面向融合业务的云化核心网络面向算网一体的融合承藏网络面向品质连接的全光网络可信指令础设施网络数据意图闭环意困闭环数字化决策分析图3中国联通自智网络目标架构中国联通基于市场需求和技术发展，结合自身“网络+平台+应用”的实践与“四零四自”(四零：零等待、零故障、零接触、零风险；四自：自规划、自配置、自修复、自优化)愿景，提出中国联通自智网络“三化三层三闭环”的目标架构。该架构围绕“网络层-业务层-商业层"构建“数字化、智能化、敏捷化”的能力，通过“知中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0识闭环、任务闭环、意图闭环”牵引中国联通自智网络演进，推动网络高质量发展。50GPON作为自智网络底座的关键构成，其目标是提供一个大带宽、低时延的全光接入和全面、准确、快速、高并发的数据采集和数据上报。全面是指50GPON网络将提供ODN、物理层、控制层、网元层、网络层全方位的数据；准确是指OLT对光功率、距离、时延的测量等需要提升一个精度；快速是指OLT将现有的分钟级采集提高至秒级甚至毫秒级；高并发是指OLT能同时采集的ONU个数将从K级别升级到十K级别。随着采集精度、频度和并行度的提升，对数据传输的带宽要求和CPU算力要求将会提升数倍，甚至数十倍，数据采集依赖于50GPON的大带宽、低时延、数字化(DSP)能力；数据上报则需要更加实时的Telemetry等技术。控制器和OLT/ONU内置的Al组件为50GPON园区类场景带来丰富的智能化体验。Al组件通过深入探析网络及应用指标，在此基础调优、动态功耗节能、设备故障定位、设备寿命预测等特性，支撑质差整治闭环、重点客户保障、行业特色应用。随着数字经济的发展，全光接入网从面向家庭走向千行百业，助力数字化转型升级。在园区类场景中，大并发、强实时交互类应用，如XR课堂师生互动、医院综合业务并发(3D阅片、手术辅助、介入式影像等)、工业质检等新型业务落地，需要万兆技术保障卓越的网络性能和差异化体验。此外，大带宽、高突发类应用，如直播基地、智慧文旅、智慧交通等场景下的视频回传，需要以50GPON为代表的万兆技术带来体验升级。图4园区类场景万兆接入需求概览教育部在《教育信息化“十三五”规划》和《教育信息化2.0行动计划》明确，通过信息技术实现区域教育资源均衡配置机制，缓解教育数字鸿沟，实现教育公平。同时，加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设，加强大容量智能教学资源建设，加快建设在线智能教室、智能实验室等智能学习空间，提升教学效果。《北京市“十四中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0五”时期教育改革和发展规划(2021-2025年)》明确，到2025年智慧校园覆盖率达到85%以上。在智慧教室，学生和老师的互动不会局限在教室的“第一空间”,拟空间中，师生边界更加模糊，师生互动更加自然，且不受地理因素制约，真正实现教育资源的共享；另一方面，XR技术结合虚拟和现实，将复杂、危险、被动的示教过程，转变为虚拟仿真中的自主探索学习。通过对新知的反复尝试，达到更好地教学效果。未来智慧教室业务需要通过万兆接入来承载，即50GPON光纤接入+Wi-Fi7无线连接。原因有三：其一，通常XR设备的平稳带宽>300Mbps,需要较高的数据码率和数据传输可靠性，保证XR业务的良好体验。其二，XR教学内容的互动是高交互业务。典型的业务如VR示教需要网络时延<20ms,对网络时延及Wi-Fi空口抗干扰有非常高的要其三，教室教学互动是高并发的。老师下达统一指令时会产生较高的流量并发。这不仅要考虑到教室出口带宽是所有师生设备平稳流量的叠加，也要考虑到内容点播时的高峰值带宽。假设一个教室35个学生同时上课，一个XR设备的连接带宽达380Mbps,这就需要13.3Gbps的网络带宽支撑单教室数据回传。中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0在中央及地方政府推动下，各地产业园区快速发展。高质量的网络接入质量，逐渐成为吸引优秀企业入驻的重要因素。尤其是在近些年，新型办公方式，如高清视频会议、社交化办公工具、共享文件、虚拟现场等，极大地推动了办公园区及楼宇对ICT基础能力的需求。基于终端机和集中式服务器的云桌面办公模式已十分普遍。这一云化办公模式的体验始终不理想。虚拟桌面的经常出现卡顿，时延等问题。此外，数据读写、媒体播放也相比独立PC设备有明显差距。这位问题的本质，还是在于带宽不足以支撑端-云的无差异体验。万兆园区时代，由于网络传输带宽与PC总线传输速率相当(~5Gbps),业务部署在本地还是中心化服务器内，没有明显差别。而万兆上行连接能力，拓宽了企业与云之间的管道。企业云业务的体验发生质变，如资料极速传输、算力租用，推动真正意义上的企业上在出现并普及，如裸眼3D的平板、AR眼镜，智慧桌面和投影仪。保障这些设备的使用体验，需要更高的无线接入带宽和更小的漫游时延。Wi-Fi是园区场景无线覆盖的最佳选择。相比于5G,Wi-Fi具备成本优势，并且能在园区、楼宇等动线明确的区域，做更加有针对性的信中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0目前，Wi-Fi6正逐步向Wi-Fi7演进，其理论峰值传输速率达端口下挂4个ONU,每个ONU携带4个Wi-Fi接入点，即16倍汇聚。这意味着一个PON端口的平均汇聚速率达48Gbps,需要用50GPON接入技术承载。即使考虑20%的活跃度，汇聚速率达9.6Gbps,超过了10GPON的承载能力，产生带宽升级需求。我国是全球制造业第一大国。2022年，我国全部工业增加值突破40万亿元大关，占GDP比重达到33.2%;其中制造业增加值占GDP比重为27.7%,制造业规模连续13年居世界首位。而今，“中国制造”又再向“中国智造”转型。通过ICT技术赋能传统企业，重塑业务流程，提高生产效能，以实现深层次的数字化转型。在众多的工业数字化转型的业务中，工业质检是最具代表性的。尤其是基于工业相机的A0I(自动光学检测)质检技术是明确具备万兆带宽升级需求的业务。以往的工业部件质量检测是人工完成的。这不仅要求工人有丰富的经验，还要能在精神高度专注的状态下长时间工作。相比之下，使用专业的分辨率工业相机，配合机器视觉算法，能够自动不间断地完延传输，回传的图像数据是不压缩传输的(单摄像头输出信号带宽近1Gbps)。另一方面，由于工况限制，承载计算视觉算法的服务器一般远离产线(>100米距离)。这两个因素叠加，就使得光纤连接成为最佳解决方案。然而，随着AOI质检的要求越来越高，彩色工业相机成为主流，并在分辨率(500万像素升级到5000万像素)、帧率(30帧升级到120帧)以及色深(8比特升级为16比特单通道)的要求上有大幅提升。一个典型的工业相机原始输出码率达7-8Gbps。甚至在一些特殊场合下，传统的单目2DAOI需要升级为双目3DAOI质检。这些对网络传输能力提出了更高要求。在这个背景下，工业光网升级的万兆就成为刚需，也成为万兆园区技术在工业场景下的典型应用。医院作为行业数字化转型重要的目标场景正在经历快速ICT升级。伴随着医院各类业务的深度数字化，面向未来的全光医院将是万兆园区接入一个重要的应用场景，从高带宽、高可靠、低时延、敏捷部署和极简运维等多个维度，给园区基础网络带来革新。首先，随着医学工程技术的发展，医疗设备换代产生的数据量及数据传输带宽需求急剧增加。比如，CT影像设备已演进至双源128螺旋CT,并且有望向基于C臂的锥形束马鞍面扫描方向发展。这带来了成倍的数据传输需求，一次半身扫描可达几十吉比特的数据量。又如，多模态影像是医学影像的前沿，将多种影像设备的数据聚合，并通过数据技术，能够达到更高的检测精度和诊断准确度。设备升级带来的传输带宽需求，依赖设备联网技术的升级。中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0其次，医院的许多业务正在越发依赖网络的高可靠性。比如，介入式影像技术可以辅助手术。为了保证手术的顺利进行，对数据传输有非常高的可靠性要求，如6个9的可靠性。对于这点，无线传输技术由于空口干扰，信号衰减等原因，很难达成。而以50GPON为基础编码技术和主备传输，可将大带宽转换为高可靠传输，以满足苛刻的可靠性要求。再者，医生阅片的方式也在发生革命性变化。传统的灯箱胶片读片方式，转变为多维实时体积渲染图像，辅助Al病灶识别。医生将能直观地读取非常逼真的渲染图像，并在Al的辅助下，快速定位病灶区域。同时，能够自由选取视角，以获取更加准确的诊断依据。为了达到自然顺畅的阅片体验，网络传输需要满足<20毫秒的传输时延，将带宽转换为低时延传输，以满足较高的时延要求。对带宽的需求增加20倍以上。这一点是其他任何数据传输方式无法比拟的。最后，为满足隔离要求，现有医院院区网络由多个独立网络组成的。网络设备冗余，且管理复杂。而50GPON技术从两个方面很好地络拓扑和网络设备的部署。只需在中心机房部署设备，网络直达终端，整网无源，极大降低部署难度。另一方面，PON网络可以通过硬切片机制，实现芯片级的网络隔离。可以用一同张ODN网络，通过切片的中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0方式，承载不同的院区业务。这种一网多用，综合承载的方式，将极大地简化网络管理的难度。但是切片的应用影响了原有DBA算法的效率，降低了整网带宽效率。需要50GPON技术在不影响网络原有终端传输质量的前提下，提供灵活的切片配置能力。从网络视频点播到短视频，再到网络直播，近年来网络视频业务发展繁荣。互联网企业在网络直播的创新也层出不穷，比如3D特效，VR直播等。满足终端用户拥有更多交互体验的直播方式业务在发展中，比如多机位直播，自由视角直播。多机位直播允许观众从有限多个不同视角来观看同一场活动，观众拥有切换视角的权利，而不再受限于导播的调度，因此，每个观众对于同一活动会拥有独一无二的故事线。多机位直播已经广泛应用在了演艺和赛事直播中。自由视角直播是增强版的多视点直播，其同步使用30-60台不等数量的专用相机拍摄，用户可通过滑动屏幕或操作遥控器切换视角，边缘服务器接受指令后，将选定视角的视频，经过处理后推送给用户。目前，看到科技、腾讯云、华为云已销售端到端自由视角直播方案，应用于活动直播、网红直播、教学直播等领域。在直播基地场景下，采集端有30~60路8K相机阵列，每路相机带宽需求约200Mbps,总带宽需求为6Gbps~18Gbps。因此50GPON园区接入技术能很好地满足直播基地设备数据高带宽回传的需求。中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.0自从2020年开始，文化和旅游部、国家发改委等部门陆续发布《文化和旅游部关于推动数字文化产业高质量发展的意见》《关于深化“互联网+旅游”推动旅游业高质量发展的意见》《和旅游发展规划》《“十四五”文化产业发展规划》,着力推动数字文旅产业，希望通过数字技术，改造并提升文化旅游体验。数字文旅的一个典型场景是通过AR技术，实现文化景观和虚拟世界的融合体验。比如以现实古建筑为背景，通过虚拟影像合成了解建筑在历史上的变迁，展示场景中的历史事件；又如，通过叠加到文文化艺术价值高的展品，可以根据个人偏好，选择不同频道，叠加不同的虚拟内容。比如面对一盏龙泉窑瓷器，艺术爱好者可以选择了解如何品鉴；而历史爱好者则可能更多会关注瓷器及窑口的历史演进过程。虚实结合的文旅技术，才能真正做到“千人千面”的体验。然而，在博物馆、展厅等人流密集区域使用XR设备，并发高带宽将是刚需。定量地，假设单个XR设备的平均上下行带宽380Mpbs,并且一个PON口下的Wi-Fi接入点同时覆盖30个用户，一个PON口带宽就需要11.4Gbps。此外，要保证有良好的虚实结合体验，需尽量减少设备空口干扰。而在展区内四处走动，又需要低时延漫游技术(<10ms漫游切换时延)的保障。因此，部署带宽充足的万兆园区网络十分必要。Wi-Fi中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.07接入点保障足够的带宽和漫游切换低时延，50GPON技术保障并发高峰值带宽汇聚条件下的网络平稳传输。道路管理一直是城市管理的难题，道路拥堵的城市病制约着超大型城市的发展和人居环境。通过数字基础设施改造，将道路、路口的图像实时回传云端，通过云端大数据分析，发现道路拥堵根因，并通过如交通灯控制、潮汐车道变换、及未来智能汽车系统交通控制信息广播等方法，实现拥堵疏导，并进一步实现态势感知、拥堵预测和及时干预。智慧交通理念的实现，需要依靠数字基础设施的改造。万兆光接入能很好地适配智慧交通场景，成为重要的使能技术之一。一方面，道路管理使用的摄像头回传需要较高的传输可靠性和环需要特殊的中继设备，才能覆盖隧道内的设备连接。而光纤网络不存在此类问题。类似的情况还发生在电磁环境复杂和无线基站覆盖稀疏的局域。另一方面，万兆光接入能够很好满足高汇聚带宽的需求。目前智慧交通的发展方向是用不同类型的摄像机应对同一路口或路段的不回传速率200Mbps计算，一个路口会产生超过4Gbps的回传带宽需求，50GPON技术解决能够轻松满足这些设备数据的并发回传需求。中国联通50GPON园区类应用场景白皮书1.050GPON和Wi-Fi7为基础的万兆接入成为新一代信息基础设施的重要组成部分，以获得更大带宽、更广覆盖、更高品质、更优体验，助力社会全面数字化转型，加速数字经济发展。(一)园区场景平滑演进随着企业数字化程度加深，10GPON已不能完全满足所有园区类场景需求，出现了万兆接入和超低时延的新场景，园区网络将面临升级。对于新建园区类网络，建议客户使用50GPON和10GPON两代共模式，同一个OLT下可支持三代共存即同时支持GPON功能、10GGPON功能和50GPON功能；如果原有网络为10GEPON网络，采用50GPONCombo模式，同一个OLT下可同时支持两代共存即同时支持10GEPON功能和50GPON功能。中国联通50GPON园