可见光通信技术与无源光网络的结合方案探讨_吴忠胜.pdf

2023年 第2期0引言元宇宙被称为下一代互联网，其广阔的发展前景被众多机构一致看好。然而，元宇宙业务及应用堪称带宽杀手，因为元宇宙业务及应用经常需要同时传输多路动态全真三维的极清、超清视频，还需要在多路极清、超清视频间随时切换，并且以极低的时延进行各种元宇宙的实时交互。元宇宙终端更是需要无线缆连接才能实现沉浸式的客户体验。上述这些特性不可避免地会给元宇宙终端用户宽带网络接入带来巨大的挑战。本文特此探讨采用VLC（可见光通信技术）与PON（无源光网络）的组合方案为终端用户提供无线缆束缚的10 Gbit/s级别的可独享的数据传输速率，以此助力元宇宙业务及应用真正地进入千家万户。1可见光通信技术的概述VLC（可见光通信技术）是以可见光为传输载体完成无线数据传输的一种技术。可见光通信系统结构如图1所示1。VLC利用LED（发光二极管）灯作为信号发射源，在LED灯中增加一个微芯片，控制灯的亮灭来编码信息。LED灯发出人类肉眼察觉不到的高速明暗闪烁的编码信息，光敏传感器接收到这些变化，利用解码芯片恢复出与发射端一样的数据信息，进而完成无线数据的发送与接收。与其他通信方案不同的是，可见光通信是借助可见光照明灯具进行通信的，它首先要保证可见光照明，即可见光通信不可以影响照明。科研人员选择适当的调制方式，以及利用人眼对频闪光的滞留效应，可以达到既不影响照明又保证可见光通信的目的。国内外研究人员提出并验证了很多可见光的应用场景，包括室内高速接入、室内定位、智能交通通信、水下通信等。可见光通信具有无需授权的丰富频谱和无射频辐射的核心技术优势，可以为室内深度覆盖提供绿色、泛在、廉价、超宽带的接入手段。尤其可见光通信技术与无源光网络的结合方案探讨吴忠胜，王楠，辛蓁（上海诺基亚贝尔股份有限公司，上海市201206）摘要元宇宙业务及应用前景广阔，高带宽、低延迟、无线缆连接等特性对用户终端带来巨大挑战。文章简要介绍VLC（可见光通信技术）的发展应用，讨论可见光通信技术与PON（无源光网络）的异构组网方案。得出可行的方案是让元宇宙终端下行采用可见光通信，上行的数据和信令传输使用Wi-Fi 6千兆无线连接。这种组合将为终端用户提供无线缆束缚的10 Gbit/s级别的可独享数据传输速率，并保障终端用户的沉浸式体验。关键词VLC（可见光通信技术）；PON（无源光网络）；Heterogeneous NetworkingScheme（异构组网方案）图1可见光通信系统结构图技 术 交 流72023年 第2期是在安装有敏感电子设备的场所，可见光通信不会对敏感电子设备产生任何干扰1，2。2VLC与PON的组网方案目前，元宇宙大潮兴起，元宇宙业务及应用进入家庭只是时间早晚的问题。我们认为，超清或极清VR（虚拟现实）视频是元宇宙业务及应用的必备元素，主要特征是高带宽、低时延、高并发、高感知。测试表明，在线观看8K超清视频通常需要200 Mbit/s以上的传输速率，16K极清视频对带宽的要求更高。若基于超清或极清视频来开发元宇宙VR应用，对于交互体验而言，MTP（运动到成像）延迟（从用户开始运动到相应画面显示到屏幕上所花的时间）最好低于10 ms。另外，低时延是减轻超清或极清VR视频业务用户眩晕感的关键。可见，如果要在用户家中开展元宇宙业务及应用，将明显超过百兆宽带网络的能力，只有双千兆网络才能承载。由于无线频谱和无线网络规划的限制，要想在普通家庭用户中开展元宇宙业务及应用，并且要满足终端用户无线缆束缚的沉浸式体验，将PON（无源光网络）和可见光通信相结合是一个非常有前途的发展方向。而且，与其他技术相比，PON和可见光通信收发设备可以便捷地进行异构组网。大家知道，VR终端是元宇宙的入口，要想支持元宇宙的业务及应用并且保证元宇宙VR终端用户的沉浸式体验，元宇宙VR终端必须实现无线缆束缚的超高宽带接入。面对上述要求，能够支持超高宽带无线接入VLC是相当理想的候选技术。但是，要想实现VLC的上行通信，VLC终端上必须要有VLC LED、VLC信号调制器等装置，这将增加元宇宙VR终端的复杂性和重量。元宇宙VR终端对于复杂性和重量有严苛的要求，在近几年内难以实现支持全双工VLC的元宇宙VR终端。我们认为，近期比较可行的方案是让元宇宙VR终端采用下行的可见光通信，其上行的数据和信令传输使用Wi-Fi 6千兆无线连接（VR终端的上、下行使用不同的IP地址）。我们设计了如图2所示的新型ONT模块及相关网络架构。在PON架构的基础上增加集成了可见光通信LED阵列的新型ONT，就可以实现PON和可见光通信的异构组网，达到千兆光网和元宇宙VR终端的高效桥接。支持下行VLC技术的PON网络架构如图3所示。两台含有VLC模块的从ONT满足元宇宙业务的下行超高带宽以及10 ms以下的网络延迟要求。而且，支持可见光通信的元宇宙VR终端非常易于和xPON接入设备进行异构组网，其商用部署十分简单、迅捷，4K摄像机和Wi-Fi 6 AP（访问点）通过千兆网线接入到从ONT上。另外，主ONT和从ONT直接采用轻便的、直径很小的光纤连接，加装光纤的施工工程量远远小于加装以太网线的工程量，基本上不会破坏用户家中原有的装修，用户接受度高。考虑到VLC光源的重量、体积和成本，VLC光源不适合集成到元宇宙VR/AR（增强现实）终端上。所以本方案只给每位元宇宙终端用户配备一台安装有VLC接收器的VR/AR终端，集成了VLC光源的从ONT安装在元宇宙终端用户的头部上方。也就是说，可见光通信主要用于承载大数据量的下行。具体地，所需要的下行流量经过宽带PON接入网传输到每台从ONT，转换为VLC可见光，发送到每位参与者所配备的VLC接收器。系统会给每台VLC接收器分配一个专用的下行IP地址。元宇宙终端用户独占的下行带宽可达到1 Gbit/s级别，足图2新型ONT模块组成及相关网络架构图技 术 交 流82023年 第2期以支撑超高带宽的元宇宙应用。与此同时，少量的上行数据由千兆Wi-Fi 6无线路由器来承载，Wi-Fi 6模块集成到每个VR/AR终端上，系统会给每个终端上的Wi-Fi 6模块分配一个专用的上行IP地址。而上行和下行数据传输的协调、管理由安装在用户侧的元宇宙业务边缘服务器负责。另外，我们也可以将Wi-Fi 6 AP集成到含有VLC模块的从ONT设备中，这在技术上和工程实现上都是没有问题的。这样做是否有必要还需根据市场推广和客户反馈的情况来确定。目前看来，即便对于元宇宙业务及应用来说，普通家庭也很少有终端需要上行VLC高带宽传输。有鉴于此，我们认为让普通家庭用户的元宇宙VR终端下行采用可见光通信，上行的数据和信令传输使用Wi-Fi 6千兆无线连接，是比较廉价、易实现、易被市场接受而且能够满足元宇宙终端无线缆束缚、体积小、重量轻、带宽高、延迟低等各种要求的解决方案。另外，考虑到工业生产和市场销售问题，这种支持可见光通信的新型ONT可以采用可选式冗余式设计，在ONT的机箱里留足可见光通信相关模块的安装位置和电源余量。印刷电路板上也预留线路和元器件安装孔槽，需要的用户可以将可见光通信相关模块安装上去。3结束语元宇宙时代已经来临，而元宇宙终端客户要求的是在多种传感器同时工作场景下的无线缆束缚（下转第15页）图3支持下行VLC技术的PON网络架构示意图技 术 交 流92023年 第2期（上接第9页）的、可独享的高带宽及低延迟网络接入服务。由于无线频谱和无线网络规划的限制，元宇宙终端的严苛要求给现有的5G和Wi-Fi技术带来了巨大的挑战。要想在普通家庭用户中开展元宇宙业务及应用，并且满足元宇宙终端用户要求的无线缆束缚的沉浸式体验，将PON网络和可见光通信相结合是一个非常有前途的发展方向。而且，与其他技术相比，PON网络和可见光通信收发设备可以更便捷地进行异构组网。本文认为目前比较可行的方案是元宇宙VR终端下行采用可见光通信，上行的数据和信令传输使用Wi-Fi 6千兆无线连接。此方案能够支撑元宇宙终端用户顺畅地使用要求高带宽、低延迟的新兴业务及应用，并且能够保障终端用户无线缆束缚的沉浸式体验。希望本文能够为电信运营商及电信设备厂商抓住元宇宙市场爆发的机遇提供一些有益的思路和参考方案。参考文献1张平，李文璟，牛凯，等.6G需求与愿景M.北京：人民邮电出版社，2021.2迟楠，陈慧.高速可见光通信的前沿研究进展J.光电工程，2020，47（3）：6-17.吴忠胜（1974），男，博士，主要研究方向为超宽带接入、数字家庭网络、固移融合网络等。收稿日期：2022-10-17技 术 交 流执行器执行。任务执行器负责对领到的账号分组，执行后台任务操作。可参考使用MapReduce编程模型、Quartz框架、开源PowerJob项目等。4结束语本文研究了多模式5G消息发送面临的计费问题，设计了面对5G消息发送前预计费和发送后修正计费方案，结合Redis的原子操作特点，实现了在CSP 5G消息平台中单企业账户大并发、分布式发送消息场景下的综合计费方案。该方案有以下优势：a）并发性：能大规模减少对数据库的并发操作，且无需使用数据库锁。b）准确性：在整个分布式集群系统中，每个账户的余额相关操作，在同一时刻只会在一个后台任务线程中执行，保证了计费的准确性。c）扩展性：大并发账户可独享一个Redis集群，实现大并发计费。d）容错性：出现账户余额为负的概率及额度都极低，即使出现，账户在下次充值时可优先抵扣负值。这是平衡了高并发、分布式、较少利用服务器资源的前提下，较优的5G消息综合计费方案。参考文献1吕光旭，李晓云，关威，等.5G消息业务计费方案研究J.邮电设计技术，2021（6）：59-62.2刘瑞奇，李博扬，高玉金，等.新型分布式计算系统中的异构任务调度框架J.软件学报，2022，33（3）：1005-1017.赵鸿（1984），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为电信增值业务技术、软件工程、5G消息应用等。收稿日期：2022-11-0715