1.4　光接入技术在智慧城市通信网络应用简介

智慧城市以互联网、物联网、电信网、广电网、无线宽带网等网络为基础，是继工业化、电气化、信息化之后，世界科技革命又一次新的突破。利用智慧技术建设智慧城市，是当今世界城市发展的趋势和特征。利用物联网传感器把市民、交通、能源、商业、通信、水和土地资源等需求数据收集到客户端，客户端通过接入网接入到城域网（互联网），各项应用的云平台或服务器平台通过互联网接收客户端数据，并通过互联网控制客户端。该建设对城市的活动产生的各种需求做出智能响应，使城市具备感知、反应、服务和辅助城市管理功能。

1.4.1　智慧城市数据流向简介

智慧城市决策的架构如图1-6所示，首先从接入层收集终端信息，然后上传到城域网。语音信息上传到电信级专网，通过智慧城市平台判断下发决策指令。智慧城市平台是市民、交通、能源、商业、通信、水和土地资源等需求的应用平台。物联网传感器数据通过移动通信（2G、3G、4G、5G、NB-IoT、eMTC技术）终端接入基站，通过无线接入数据汇聚层网络接入城域网（互联网）汇入智慧城市平台。此为上行数据流，物联网的特点是上行数据流大于下行数据流，对于一般互联网，下行数据流大于上行数据流。智慧城市平台对终端下发指令或下发数据称为下行数据流，该数据流通过城域网到接入网再下发到物联网传感器控制服务器。

图1-6　智慧城市通信网络结构

生活中的案例介绍。以目前市场上销售的空调的远程控制功能为例解释数据流动情况，空调机通过Wi-Fi接入用户家庭的无线局域网，该局域网通过FTTH的ONU接入网和城域网。空调厂商的智能空调云服务器接入城域网。安装空调时，空调的智能Wi-Fi终端接入家庭Wi-Fi网络中，并通过图1-6上下行数据流完成终端在云服务器的认证和注册，一般每一个智能终端会分配唯一的MAC地址。利用3G/4G智能手机下载App实现空调远程遥控功能，在用户手机中下载、安装智能终端控制软件，通过App输入信息到空调云进行认证，并添加控制的空调，一般可控制1～8台空调，可提供温度、风量、定时、开关等控制功能。

物联网采用NB-IoT技术覆盖停车场、电表、气表、电缆井监测，环境（水、大气、土壤）监测通过上行数据流收集物联网传感器信息，使用LTE、5G高速率技术实现视频实时监控，满足智慧城市安全的需求。

1.4.2　电信运营商语音视频数据流向简介

电信运营商固定电话、移动电话、IPTV、视频通话、数据业务数据流如图1-6所示。从图1-6中可知，上述业务依靠全IP化传输。

1.电信运营商固定电话业务

电信运营商固定电话通过软交换（SS）和互联网子系统（IMS）实现语音和视频数据交换，ONU通过RJ-11接口接入电话机。采用H.248协议提供语音业务，采用会话初始化协议（SIP）提供语音和视频业务。为了保证提供电信级的语音业务，语音数据通过ONU接入光接入数据汇聚层网络，进入电信专网接入SS或IMS。为了保证核心网络安全，引入边缘会话控制器电信（SBC）对网络进行隔离。

2.电信运营商移动电话语音业务

移动用户终端（手机）通过2G/3G/4G、5G无线信号就近接入基站，基站通过光纤构成的专用无线接入数据汇聚层网络接入电信级专网，接入SS和IMS，实现语音数据交换。

3.固定网络数据业务流向

固定网络数据业务通过接入网连入城域网，实现上网业务、IPTV业务和互联网视频（OTT）业务。为了保证IPTV业务和互联网视频业务在城域网采取质量保证技术，确保IPTV业务带宽和低时延需求。IPTV业务标清需要4M带宽、高清需要8M带宽、4K需要30M带宽。

4.移动网络数据业务

移动网络数据业务通过无线接入数据汇聚层网络连入城域网，实现上网业务、IPTV业务、视频通信业务。视频通信业务手机链接入无线基站，然后接入无线网，再接入城域网，从城域网经过SBC接入核心网中无线SS/IMS。

5.SIP视频业务

SIP视频业务可通过视频话机、手机、IPTV智能机顶盒接入ONU，接入ONU可采用Wi-Fi方式或RJ-45网口；通过光接入数据汇聚层网络接入城域网；通过SBC安全接入IMS实现视频通信业务；并可以通过IPTV智能机顶盒在TV和手机实现视频通信。

1.4.3　智慧城市对通信网络的需求分析

智慧城市市民、交通、能源、商业、通信、水和土地资源等关键资源管理的需求，对网络的要求主要为高用户容量、低时延和高带宽接入以及网络多业务融合需求、网络自身演进的需求。上述需求对现有通信网络提出了挑战，必须解决这些问题才能满足智慧城市的需求。本书就此问题介绍通信网络现状以及解决问题的方法，同时介绍通信网络演进方向。本书将由浅入深，按照从终端到承载网，最后到核心网络设备的顺序进行介绍，通过描述客户端与核心之间、网络之间的信令、协议，了解网络的工作原理和控制过程。通过讲述网络测试方法使读者可以通过实践加深对网络的了解，提高创新、研发、工程设计、维护能力，达到学以致用的目的。

1.需求分析

用户容量需求是由于物联网、三网合一的引入造成用户终端从一家一户到个人再到物（机器）产生用户的爆炸式增长。这要求网络可以同时接收海量用户的访问，物联网海量接入（M-IoT）需求通过NB-IoT和eMTC技术来实现。

针对上述需求，每个入网终端需要IP地址，现有的IPv4地址将会用尽，只能采用IPv6地址。从而引出了网上地址分配、IPv4和IPv6地址兼容问题。

低时延需求。目前，城域网时延较大，浏览网页一般要求不高。现在互联网时延可达数百毫秒。对于视频、IPTV时延大会造成分组丢失、图像产生马赛克等问题。对于物联网控制系统，例如，无人驾驶汽车，上下行时延必须控制在毫秒以内。所以扁平化网络设计、网络优先级设计得到了应用。在网络结构上，软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）引领网络发展趋势。

高带宽接入需求：虚拟现实/增强现实（VR/AR）、高清电视（IPTV 4K）、OTT。

视频业务的发展对网络带宽提出了要求。目前，用户端口带宽达到200Mbit/s才能满足业务发展需求。

如图1-7所示，目前，以4K@30帧4K节目为例，网络带宽至少为30Mbit/s。华为内部对4K的定义是3个层级：入门级4K、运营级4K、极致4K。也许随着4K编解码技术的成熟，电信运营商级4K对码率和带宽需求也会逐步下降，目前可提供。对于VR的需求大概需要4K带宽的10倍，目前网络尚无法提供。

图1-7　4K电视带宽需求演进

以天津联通宽带用户业务模型为例计算单用户端口带宽，如表1-5所示。

表1-5　单用户带宽实际使用带宽说明表

注：表中下行合计考虑同时使用最大占用带宽，实际上在一台电视机上只能同时看一套节目时，IPTV取最大值即可，例如，50Mbit/s。实际带宽与多播流推送的位置有关。

根据城域网组网结构分析上、下行流量。OLT的PON口下行带宽为295.1Mbit/s。OLT的PON口下上行带宽为8.3Mbit/s，应作为光接入网计算单用户带宽的重要依据。在规设计时注意以OLT的PON口为基准。

OLT根据VLAN确定业务类别。上网业务接入城域网（互联网）：下行200Mbit/s，上行4Mbit/s；

IPTV业务接入本地IPTV平台获得IPTV业务：下行61Mbit/s，上行0.2Mbit/s。

语音和视频业务：下行4.1Mbit/s，上行4.1Mbit/s。

2.目前通信网络承载能力状况及改进

对于固定网络高带宽需求，目前，网络带宽关键是最后到家庭1km的带宽，到2017年，天津固定接入网光纤网络覆盖全市所有用户，光纤接入成功改造443.45万户，所有家庭用户及商务用户均具备20Mbit/s以上的宽带接入能力，目前，中国联通正在开展用户提速到200Mbit/s带宽业务。天津市宽带网速已达到1000Mbit/s能力、100Mbit/s普及、20Mbit/s起步的水平。中国超过85%的固定宽带用户将使用20Mbit/s以上的带宽接入服务，超过60%的用户已使用50Mbit/s以上的带宽接入服务。中国工业和信息化部在“2018年重点工作任务”中表示，2018年将加快百兆带宽普及，实现高速光纤宽带网络城乡全面覆盖。

移动网络，3G无线基站30Mbit/s/小区，采用频率聚合技术可达到80Mbit/s/小区。4G无线基站100Mbit/s/小区，采用频率聚合技术可达到200Mbit/s/小区。所以FTTH用户50Mbit/s以上可以承载IPTV的高清和标清、4K用户。因此，承载20Mbit/s是最基本要求。

针对用户量暴增、IPv4地址严重不足，2014年以来，IP地址网络IPv6地址已经开始应用，其他电信运营商也已引入了IPv6地址，为智慧城市和物联网应用提供了充足的地址资源。同时，电信运营商的网络中相关网元路由器、交换机、DHCP必须适应IPv6地址，目前，采用IPv4和IPv6双栈方式。

3.关于物联网5G方面的演进

4G向5G发展演进如图1-8所示。2014年LTE开始商用。LTE通过高速和低速两条路径向5G演进。

图1-8　5G技术演进方向图

高速路径主要满足手机的高带宽、低时延、大数据量的移动通信需求。基于3G、4G、4G+的载波聚合（CA，Carrier Aggregation）、MIMO、LAA、高阶调制等技术的Pre 5G将4G网络频谱利用率提升4～6倍，同时兼容现有4G终端（CPE、手机等），用户无须更换终端即可享受高速带宽接入体验，利用Pre5G Massive MIMO。

中、低速路径，海量接入、低功耗，主要以上行为主，满足物联网的小数据量、低移动和固定、上行小数据、长周期、数据上报以及深度覆盖、低功耗的海量需求。

大连接、低速率，基于LTE的M2M通信，包括NB-IoT、LTE-M（Cat.M），以及非授权的LoRa、Sigfox等低功耗无线接入（LPWA）技术。其中，NB-IoT、LTE-M标准作为5G标准化制定的基础。

据统计2018年将是物联网应用爆发的时间，5G高速路径将开始试商用，2020年开始商应用，届时NG-PON2光接入网将规模应用于5G基站回传业务。

4.通信网络自身的演进

（1）核心网络演进特性。

控制集中度逐步增强。从局部向全局发展，数字时分控制交换机容量30000～100000用户。SS或IMS可控制数十万用户。

用户接入网络承载IP化。用户采用H.248协议和SIP接入SS和IMS。在网络层面，智能平台也实现了IP化，例如，各种信号音源、智能业务平台等。

业务融合度高。IMS可以融合移动、固话、视频、语音、长途业务。

核心网络结构扁平化、智能化。减少控制层级。用户数据库、局数据库集中于核心网侧，是全网用户共享各种智能化业务，例如，悦铃、即时消息等。语音基础业务和增值业务上移到核心网集中控制，例如，移机不改号、主叫号码显示限制等。

（2）用户终端演进。

用户终端智能化、移动化和多业务融合。用户终端由普通用来打电话的手机、座机变成智能手机，ONU可提供上网、Wi-Fi接入、路由、DHCP功能。IPTV智能机顶盒除了IPTV功能，可提供游戏、SIP视频、卡拉OK、OTT、度比等业务，同时，智能手机的普及使终端移动化成为可能，手机和电视可以实现换屏功能。

虚拟化用终端（vCPE）。在国外，用终端虚拟化控制功能上移至管理平台已开始应用。ONU的路由配置、NAT、DHCP、QoS等配置功能由管理平台统一下发，提高网络安全和管理水平，有效降低维护成本，方便用户使用，即把流量和用户基本设置留在ONU，其他由管理平台统一管理下发。例如，惠普在西班牙的巴塞罗那举办的2016世界移动通信大会（2016 MWC）上发布了和瑞士电信vCPE落地的商务合同，在这一过程中，惠普企业（HPE）采用杭州华三通信技术有限公司（简称华三通信）提供的虚拟服务路由器VSR/vCPE方案，打造了一套完整的由H3C的VSR/vCPE方案+惠普Hellion & NFVD方案整合的接入现网系统；促进了基于NFV的vCPE商用落地，推动NFV在全球的商用。

（3）接入网络演进。

固定网络演进方向。光纤化，EPON、GPON、XG-PON规模运营，FTTH、FTTC、FTTB会覆盖大多数用户，用户端口已达100～200Mbit/s。以数据视频业务接入为主，4K电视需要50Mbit/s带宽，3D电视需要30Mbit/s带宽。其中，10G的GPON/EPON将会大规模使用。