新型家庭全光网技术

王新余/WANG Xinyu，孔雪/KONG Xue，贺峰/HE Feng

（中兴通讯股份有限公司，中国 深圳 518057 ）

1 FTTR背景和概念

近几年，居家办公、在线网课、网红直播、4K/8K 超高清视频、增强现实（AR）/虚拟现实（VR）[1-2]、云游戏等新业务层出不穷，对网络的带宽、时延、抖动等都提出了更高的要求。基本宽带已无法满足现代家庭的多元业务需求。

在中国“双千兆”战略和“十四五”规划的明确指引下，光纤入户要向用户端进一步延伸，以实现光纤到房间（FTTR）、到桌面、到机器[3]。

在业务和政策的双轮驱动下，家庭全光网络FTTR相关技术应运而生。FTTR 将光纤部署进一步延伸到家庭和小微企业内部的房间，实现全屋超千兆的网络覆盖。基于无源光网络（PON）点到多点（P2MP）物理架构，FTTR 由主网关、从网关和室内光纤分布式网络（ODN）3部分组成。主网关上行连接光线路终端（OLT）的PON口，下行经分光器及光纤连接多个从网关，为每个区域提供高速可靠的网络，实现全屋高质量的网络覆盖。

2 FTTR技术创新研究

中兴通讯围绕FTTR开展了深入研究，目前已实现多项技术创新。其中，有些技术创新已取得专利认证，有些创新技术已经在实际产品中落地应用。

FTTR 技术主要分为底层技术、网络管理技术、业务保障技术三大类，如图1所示。基于核心软硬件能力和算法创新，我们做了一系列的技术创新和方案改进。

▲图1 FTTR技术架构

2.1 底层技术

2.1.1 芯片技术

FTTR 是基于P2MP 架构的家庭PON 网络技术。相比于传统家庭网关，主网关具备类OLT功能，对下挂从网关具有光路拓展、从网关注册和业务分配等局端主控功能。这对主网关内核心芯片的架构设计、处理能力、功能扩展等都提出了更高的要求。

中兴通讯研制的PON芯片能够匹配主从网关的P2MP架构和技术功能。目前中兴通讯已研发多款FTTR PON 芯片，是首家支持XGS-PON/XG-PON/10G-EPON/GPON 全系列上行制式的厂商。当前，FTTR 主网关采用现场可编程门阵列（FPGA）芯片，实现主网关的OLT化功能，但这种方式存在功耗大、成本高等问题。因此，中兴通讯已启动新一代芯片的开发。新一代芯片设计功耗更低、成本更优，可帮助FTTR技术实现大规模推广应用。

2.1.2 光缆与连接技术

相比于传统的宽带入户，FTTR需整体考虑室内ODN的网络规划和布线施工，这也是FTTR技术得以落地商用的重要环节。ODN 网规主要分为普通场景和大户型场景。普通场景不超过4个房间，采用1∶4的单级ODN，可支持4个从网关的接入；大户型场景包括大平层、复式、别墅等，房间数大多超过4 个，采用不等比分光的多级级联ODN（例如1∶5 分光器级联，最多可支持4 级级联、16个从网关接入）。

为了满足不同户型的ODN 布线需求，可采用弯曲损耗不敏感的G.657.A2或G.657.B3 光纤。施工方式具体包括暗管和明线两种：对于新装修房屋，可采用蝶形光缆进行暗管施工，利用管道内旧线缆抽拉引导布放，或者借助橄榄头弹簧穿管器进行穿管；对于已装修房屋，可视情况采用暗管或明线施工，明线施工采用隐形光缆和短线槽部署，以确保整体家居的美观度。

据此，中兴通讯编制了《家庭光纤施工技术白皮书》，详拟了FTTR 标准化的网络规划和施工步骤，提供了工程物料、辅助工具的详细清单，以及施工常见问题（FAQ）等，解决了落地推广中ODN 布线施工难的问题。

2.2 网络管理技术

FTTR 技术架构使家庭组网演变成了一个小型网络接入系统。如何实现对从网关的可管理、可检测、可运维，是FTTR能否成功推向市场的关键。

FTTR 远程管理由3 个管理单元组成：接入网网元管理单元、网关管理单元、网络管理单元。其中，接入网网元管理单元负责FTTR网络PON层的管理，网关管理单元负责主网关的网关业务功能管理，网络管理单元负责FTTR网络的管理。三者协同管理，实现FTTR网络的主动管理、主动诊断、主动质差和智能调优。

2.2.1 接入网网元管理单元

接入网网元管理单元基于OLT 代理方式实现PON 层的管理，采用光网络单元管理控制接口（OMCI）/操作管理维护（OAM）协议[4]。传统光纤到户（FTTH）的OLT 管理模型只能管理主网关，无法管理从网关。对此，中兴通讯提出两大创新技术，使OLT可直接管理从网关，并拥有网关的注册、动态带宽分配（DBA）、告警、性能统计、组播、版本升级等功能。

1）定义了主网关下联PON 口与从网关的OMCI 管理模型，如图2 所示。通过光网络单元管理控制通道（OMCC）（PON原生OAM通道），OMCI消息直通从网关，从而实现OLT 对主网关下联PON口和从网关的全管理。

▲图2 主网关下联PON口与从网关的光网络单元管理控制接口管理模型

2）定义了用户网络接口（UNI）PON Interface ME 和Sub ONU Control ME。OLT 发现从网关并建立直接管理通道。OLT 负责下行，主网关负责上行，在发送信息前，先发送点灯消息，以告知后续信息所属，如图3所示。此项创新技术不仅降低了FTTR PON层的管理复杂度，还提升了管理效率。相关成果已形成专利[5]。

2.2.3 网络管理单元

上述两个管理单元主要是单个网关设备层面的管理，无法进行FTTR网络的管理运维。中兴通讯研发的智能管理云平台可实现FTTR 网络两个方面的管理：一是FTTR 主从一张网的网络管理，该管理主要基于消息队列遥测传输（MQTT）/JSON（JS 对象简谱）协议，包括网络拓扑管理、Wi-Fi 信息管理和配置；二是FTTR 主从一张网的性能数据采集管理，该管理基于MQTT/GPB（gRPC ProtoBuf 编码格式）协议，包括信息协同收集、性能与告警上报、协同漫游与调优、交互式网络电视（IPTV）业务配置和版本升级。

▲图4 FTTR网关管理平台架构创新

如图5所示，我们创新定义了主从网关管理插件，通过主网关代管从网关的方式，实现智能管理平台对主从一张网的管理，采用OMCC和高性能编码协议GPB，自定义结构化数据传递，保证了同步的实时性。GPB协议对采集的带宽需求仅为JSON协议的1/3，因此大大减少了对主网关下联PON口带宽的占用。

▲图5 中兴通讯智能管理平台

此项创新技术填补了FTTR网络管理的空白，提高了管理能力和效率，相关成果已形成专利[7]。

2.3 业务保障技术

2.3.1 漫游控制技术

无线接入终端（STA）在Wi-Fi 网络中移动时，可以在各网关接入点（AP）之间无缝切换。这解决了大户型家庭和小微企业场景下的Wi-Fi全覆盖问题。当用户终端在家中随意移动时，如何确保网络不掉线和业务不中断？对此，基于多AP协同与整网感知技术，中兴通讯创新性地提出了智能决策技术与快速切换技术，实现STA的全域无缝漫游，业务不中断，用户无感知。

智能决策技术主要解决“何时漫游”与“漫向何处”的问题，采用动态检测技术，结合STA漫游历史，综合判断漫游时机，并预防漫游乒乓现象的发生，如图6（a）。漫游目标的决策是FTTR 漫游技术的核心，会直接影响用户的接入带宽。对此，我们提出五维评分体系，以决策出最佳漫游目标。

1）接收信号强度指示（RSSI）策略。如图6（b），当在网络中移动时，STA 与不同AP 之间的信号强度持续变化。该策略基于整网感知技术，综合多个AP 与STA 的测量信息，选择信号质量较好的AP作为切换目标。

2）负载均衡策略。如图6（c），当AP 或射频的接入用户数较FTTR 组网网关较多，容易多时，单用户的上网速率会大幅下降。负载均衡策略会平衡STA 在AP 及射频上的分布，提升网络的利用率。

3）流量分布均衡。如图6（d），部分用户在进行大数据传输时会占据大量的带宽，此时选择流量较小的AP进行漫游，可避免单AP上的传输竞争。

4）层级策略。如图6（e），FTTR 存在多级组网或无线组网的情况。对于处于尾端层级的无线组网AP，接入体验相对较差。因此在进行漫游决策时，应尽量避免选择此类AP。

5）5 GHz频段优先策略。大量的实测和分析研究表明，5 GHz 频段的接入体验在多数时候都优于2.4 GHz 频段。因此，在同等条件下可优先选择漫游到5 GHz频段。

快速切换技术主要解决漫游过程中“不切换”和“切换慢”的问题。独创的STA 切换模型能够分析STA 频段、802.11 k/v/r、Wi-Fi 模式等，判断最优的漫游切换方式；结合组网协同，选取最小的信道集合进行802.11k 测量扫描，如图6（f），将漫游切换时延降低到20 ms。

▲图6 漫游决策与切换

上述漫游控制技术方案已经在实际产品中落地应用，其中部分研究成果已形成专利[8-9]。

2.3.2 容量扩张技术

未来，智慧家庭场景会有多终端同时接入网络的情况，例如中小企业中两三百个终端同时接入网络。这就需要扩展传统网络的容量，在大量数据报文高并发下，保障FTTR的网络性能。

终端接入流程如图7所示。在第一阶段，系统在终端接入后进行动态主机配置协议（DHCP）地址获取和域名系统（DNS）处理，通过协议栈处理业务报文，构建连接；在第二阶段，系统对报文进行加速处理（先软加速后硬加速）。

▲图7 终端接入及报文转发流程

1） 连接构建优化

终端接入时以IPv4网络为主。我们对DHCP地址分配和DNS转发两个关键技术进行改进，优化了接入流程，提升了效率。

当大量终端接入时，DHCP 地址分配过程会出现大量discovery 消息堆积，导致超时且无法完成DHCP 地址分配。为此，我们提出了两项研究改进：

一是采用报文分类队列调度技术。我们将DHCP报文按类型分类（如discovery、request 等）并将其纳入不同队列，随后按照一定权重出队列（优先处理request，然后处理discovery），以此解决消息堆积导致的超时问题。当DHCP地址池容量超过C类地址段时，可采用跨段分配机制，扩充地址容量。

二是采用三重重复地址检测技术。相比于传统的单种重复检测技术，我们使用地址解析协议（ARP）检测、网际报文控制协议（ICMP）检测和邻居表信息对要分配的地址进行三重重复检测。该方法能大幅提高地址可用性的检测准确度，兼容有线和无线多种链路，匹配原先网络的地址状态。

在DNS 转发处理上，我们通过3 个方面的优化来提升DNS转发性能：

一是DNS 程序的flowcache 和dnscache 容量扩展：flowcache 容量扩大到原先的4 倍，单DNS 请求记录调整为原先1/4，并进行Hash查找优化；dnscache容量也扩大到原来的4倍，采用环形队列和Hash查找方式。

二是DNS 转发路径优化：配置数据预读，降低频繁读取文件，提升查找效率。

三是DNS 功能模块化标准化：注入DNS 解析流程，减少DNS重复解析。

2）报文加速优化

我们改进了加速条目容量和快速查询算法，实现了FTTR网络的容量扩充和性能提升。

软加速将报文直接转发，避免走协议栈。我们将软加速的连接跟踪数和条目增加到原来的8倍，同时引入环形队列和Hash 算法以实现快速查找。软加速学习到连接条目后，将其配置到硬加速。报文直接经硬件转发，不通过CPU。将硬加速条目数也扩大8 倍，采用Hash 算法快速查询，可避免通过五元组在整个表中进行对比。

2.3.3 业务感知应用识别技术

面对日益丰富的家庭应用，应用流量的精确控制是网络管理面临的重大挑战。精确识别是实现精确控制的必要前提。业务感知应用识别技术[10]通过提取报文中特定字段或报文的行为特征，与业务感知特征库进行匹配，进而识别应用。相比于传统的协议识别技术，该技术适用范围更广，智能化程度更高。

中兴通讯研发了业务感知应用识别插件ZXDPI。ZXDPI持续从互联网应用中提取常见应用的特征，并将其存储到智能管理云平台的业务感知特征库中。特征库保持动态更新，避免APP应用对深度包检测（DPI）插件的反制。FTTR网关也定期同步，动态加载新增的特征库。当业务流量进入网络后，ZXDPI进行应用分类和业务流分析，将分析结果和网关的特征库进行对比，识别出该应用程序，进而实施精细化服务质量（QoS）策略控制。

目前该技术实现了游戏、视频、办公、支付、社交5类应用的智能管控，已经在实际产品中落地应用。

2.3.4 绿色节能

FTTR 组网网关较多，容易出现流量不均衡的情况。有些从网关的业务流量大，有些从网关的流量较小甚至没有流量。对此，我们开发了绿色节能机制，对整网流量进行动态智能分析，在用户无感知的情况下实施节能控制，实现网络负载均衡和整体能耗最低，如图8所示。主网关定时获取所有从网关的业务信息，计算出整网的业务分配和从网关的资源占用情况，并制定业务平衡调整策略；从网关调整好自身业务，并执行节能控制。如果从网关的业务情况发生变化，从网关可及时退出节能控制，以确保不影响用户的业务。

▲图8 绿色节能机制流程图

基于大量的研究测试，我们形成了3个层面的节能控制措施：

1）LAN口层面：进行快速以太网切换或关停操作。

2）Wi-Fi层面：进行多输入多输出（MIMO）切换或关停操作。

3）芯片层面：进行降频或复位操作。通过多轮优化与验证，我们将FTTR网关的功耗降低了50%。

2.3.5 分段测速

目前，多数家庭网络报障多为“上网慢”“卡顿”等，运营商无法定位具体的故障原因。我们研发了FTTR分段测速方案，将网络分为主网关出口至服务器、主网关至从网关和各网关至用户终端，以测试各分段网络的速率。通过速率对比，该方案能够实现故障快速定界，从而找出故障原因。

分段测速方案如图9 所示，主从网关之间采用iPerf 测速。原先的方案需要经过整个协议栈，并且中央处理器（CPU）全程参与。这导致CPU满载，只能测到线速的25%，影响网络诊断的准确性。对此，我们设法减少CPU的参与，使主网关到从网关的测速能达到下行线速值，从网关到主网关的测速能到上行线速值。

▲图9 分段测速方案

FTTR 分段测速方案已经在实际产品中落地应用，实现了运维零上门、用户零操作。该方案不仅能够实现对故障的快速定界定位，还可以实现全网批量测速、问题批量整改。

3 FTTR的机遇与挑战

随着各类新兴应用的发展，家庭网络也在飞速演进，FTTR 势必会面临诸多挑战。中兴通讯在持续思考和探索，不断推动FTTR技术的创新发展。

在底层技术方面，我们已经启动新一代FTTR PON芯片的研发，以更好适配未来FTTR 的产品竞争力和网络技术要求。针对落地推广中面临的ODN布线施工难题，我们已研发出面板式从网关和吸顶式从网关，并有多种安装部署方案可供选择。

在网络管理方面，基于FTTH管理平台，我们研发了中兴智能管理云平台，实现了FTTR网络管理。目前该平台还存在标准规范上的不足，无法管理到FTTR 的每一个层面。因此，对于FTTR的管理标准，我们将逐步细化和优化。

在业务保障方面，当前FTTR 技术实现了300 STA 并发场景，未来会突破300 STA接入能力。因此我们还需要进一步研究网络扩容和性能优化方案，不断提高智能业务感知应用技术的识别效率，扩大应用范围，以实现更多家庭和企业复杂网络中业务流量的精确管控。

在网络演进方面，10G PON 向50G PON 演进，会给FTTR 提供更高的带宽。在Wi-Fi 6 向Wi-Fi 7 的演进中，除了具有更高的速率外，Wi-Fi 7 引入了多链路设备（MLD）技术，把传统的Wi-Fi单链路改造成多链路，在射频链路上增加了冗余，未来升级到Wi-Fi 7 的FTTR 可以更好地实现无缝漫游。

4 结束语

继FTTH 的巨大成功之后，FTTR开启了第二次光纤革命。中兴通讯在芯片和连接技术、网络管理平台、业务保障机制等方面实现了多项技术创新，为用户提供高速网络和极致体验，助力运营商打造高质量的家庭千兆网络。未来，我们将持续进行FTTR 技术攻关，探索与FTTR 相结合的前沿技术和创新应用，推动家庭全光新基建，筑基智慧家庭新未来。

致谢

本文得到中兴通讯股份有限公司李二洁、羊兆磊、武云飞、董志华、石宏宇的帮助，在此表示感谢！