全域光网FTTR开启ASIC时代

随着网络运营商率先提出“全家智享三千兆”目标，各路大军纷沓而至。将光纤延展至用户的各个房间（即FTTR： Fiber To The Room），为全域提供千兆宽带的覆盖，是未来千兆家庭宽带升级的技术方向之一。 本文介绍基于无源光网传输PON技术在全域光网采用专用芯片ASIC的宽带网络方案。

一、宽带升级需求势不可挡

PON技术1正适合于城市和城镇化乡村的生态环境布局。随着PON深入应用于接入网，EPON/GPON芯片2已趋成熟。网络生活场景中，视频直播、在线教育、VR、超高清视频、家庭服务机器人等千兆应用的不断扩展，传输性能提升已成为刚需。 PON-FTTR传输已提上日程， 正孕育着新一代更适合FTTR的芯片诞生。

FTTR和FTTH虽然只有一字之差，在技术和实施上却有很大区别。运营商要把光纤铺设到用户的每个房间，需彻底解决网络传输的“瓶颈”问题。当前解决办法之一是靠多台路由器组成Mesh网， 在不同区域漫游时，路由器Mesh系统自动切换，这个过程用户基本是无感的。因一般使用的仍是常见的双绞网线铜缆和普通路由器，而非光纤， 因此带宽受限。

二、全屋光纤组网基本要求

全屋光纤组网FTTR具备以下特点:

光纤延伸到家庭每个房间，构建基础信息网络底座。通过光纤真正实现千兆带宽, 突破网线等连接方式引起的带宽瓶颈；

给每个房间提供有线、无线业务接口，配合Wi-Fi6技术，实现全屋千兆覆盖到房间，到用户的终端设备；

由光缆、分光器、光缆面板构成家庭内光纤基础设施，支持多级分光，实现主、从网关设备的全光纤链接。

三、PON-FTTR组网拓扑

图1. 基于PON传输技术的用户FTTR系统组成图

如图所示，光线路终端设备OLT安装在中心机房，用于连接光纤干线，通过分光器连到节点，到室内布线，然后连接终端设备。

PON-FTTR网络方案特点突出：

• 简洁部署，即插即用的方式，扁平化层次少，无需安装大量交换机；
• 灵活扩展，带宽高，不拥塞， 整个链路中间节点少，部署更快捷；
• 统一标准，向上接口和协议统一，方便数据互通，连接各类终端；
• 集中管理，实时监测网络状况，兼顾远程维护方式，可视化智能诊断，提高管理效率；
• 故障自测，支持冗余，主动检测链路故障，毫秒级内自动实施保护切换，让用户享受极致无感体验；
• 提升网络可靠性和安全性，防止不明外来入侵。

四、ASIC应运而生

目前市场流行的全屋组网中，常见子光猫共享2.5G下行和1.25G上行带宽，造成同时访问外网和内部数据时带宽不够的问题。尤其当内部互访时，实际最高达1G带宽，这与传统以太网仍区别不大。

普通FTTR主网关产品大多采用FPGA，缺点明显。因此也导致在大规模推广中遇到问题。性能上FPGA基本止步于2.5G。 如若实现10G，必须更换FPGA，导致成本成倍增加。另外，较大的功耗也会引起功能上对周边设备的局限。

如何真正实现“全屋三千兆”，需要内部实施和提升到XGPON技术。在GPON下， ASIC相较于FPGA的功耗，有明显的降低，同时外围电路也随之更简化。 然而仅有此技术仍不足够。唯有通过核心技术向ASIC更新换代，无缝升级到10G XGPON/XGSPON, 显著提高整体网络性能，达到合理标准，方能真正发挥全光网优势。

XG-PON和XGS-PON均为10G PON，其主要区别在于XG-PON是不对称PON, PON口的上/下行速率为2.5G/10G; 而XGS-PON是对称PON，PON口的上行/下行速率均为10G/10G。

五、ASIC方案胜出一筹

随着全光网应用的持续加温，替代传统FPGA的方案也陆续浮现。此前，鹏瞰科技推出专为F5G打造的SoC芯片，嵌入FTTR主从网关，与现有的光猫集成互联，可迅速搭建全光网链路。该系统芯片具有以下特点：

• 支持对称/非对称1.25G，2.5G，10G；
• 支持动态带宽分配DBA，可在极短间隔内完成对上行带宽的动态分配；
• 时延小，功耗小，效率高，具有高性价比，吸引客户青睐。

其创新研发出全光纤工业控制网PonCAN技术3,4，同时也适应于FTTR应用。 芯片特有的ONU之间可配置隔离或非隔离功能，降低布网的复杂性，也减轻运营商主干网络压力。 同时，其芯片特有的QoS功能为全网络通信带来更好的确定性，解决实际应用中因多种混合业务并发、所产生的关键业务流被影响的问题。

相比之下，FPGA要达到10G性能，设计上尤为复杂，不仅要更换功能更强的FPGA, 成本也因此增加。由于FPGA自带了SerDes（串行器/解串器）/ 以太网等IP，仍需配备接口通讯协议IP， 因而增加了FPGA设计转向ASICS的难度。

六、全域光网应用前景

国内用户对宽带提速的需求持续攀升。除了家庭用户外，政企单位、园区院校等场所的需求也日益增长。 POL (Passive Optical LAN) 作为新型无源全光局域网组网方案，以单芯片提供多以太网口方式，优化了传统局域网的基础布线和网络结构。其不仅继承了PON网络大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优点，也更适应基于园区局域网的特性要求，比如802.1x认证、POE等，具备在园区大规模商用的能力。

伴随用户系统目标提升到10G，推动各大运营商继续提高带宽，已是铁板钉钉的趋势。高质量的用户涌现，也就意味着用户的平均收入ARPU值提升。其次，对10G光器件的大量需求有助于降低运营商接入网运营成本。对于网络OEM（或ODM）将带来更多商机。全光网铺设成本大幅降低，促使为用户带来更好的体验，就此形成良性循环，总之，新一代宽带网络升级高潮， 必将铸造“双千兆”战略的里程碑。

附注：技术术语说明

1. ASIC，全称Application Specific Integrated Circuit专用集成电路，即针对某种特定应用开发的专用芯片。
2. FPGA，全称Field Programmable Gate Array 可编程的逻辑列，属于专用集成电路中的一种半定制电路。
3. FTTH，全称Fiber To The Home 光纤到家，是目前国内各大运营商采用的主要宽带服务。
4. FTTR，全称Fiber To The Room 光纤到房间，是光纤到家后的升级宽带覆盖服务。
5. PON，全称Passive Optical Network 无源光网络， 是一种以光纤为传输媒介的宽带接入技术，其中无源表示网络中负责光纤分配的分光器是不需要供电的。
6. EPON，全称Ethernet Passive Optical Network 以太网无源光网络，上下行传输速率为1Gbps/1Gbps。
7. GPON, 全称Gigabit Passive Optical Network 吉比特无源光网络，上下行传输速率为1.25Gbps/2.5Gbps。
8. XG-PON, 全称10 Gigabit Passive Optical Network 10千兆比特无源光网络，上下行传输速率为2.5Gbps/10Gbps。
9. XGS-PON，全称10 Gigabit Symmetrical Passive Optical Network 10千兆比特对称无源光网络, 上下行传输速率为 10Gbps/10Gbps。
10. PonCAN，全称Pon based Control Area Network. 以PON技术为基础的控制器局域网络，这是鹏瞰科技独创的技术，用于解决工业4.0、机器人、车载等领域的通信网络与控制中遇到的带宽不够和时延过长等问题。PonCAN可以实现10Gbps/10Gbps双向通信，同时可以将网络时延从10ms提升到10us。
11. POL，全称Passive Optical LAN, 无源光纤局域网络。基于PON技术的新型局域网组网方式,优化了局域网的基础布线和网络结构，网络结构更加扁平和简洁。

参考来源：

1. 费宗莲，1999年8月， 《当代通信》期刊， “无源光纤接入网的关键技术”
2. 费宗莲，2012年，《通信世界网》，“EPON/GPON双模芯片解决方案”
3. 费宗莲， 2021年1月7日， 《电子工程专辑》，“介绍新一代全光纤工业传输控制网”
4. 费宗莲， 2021年1月26日， 《电子工程专辑》，“未来工业传输控制网向全光纤发展之态势 ”