家庭光纤组网技术方案探讨

工程与应用

家庭光纤组网技术方案探讨

马智勇

（中国电信股份有限公司上海分公司，上海200120）

摘 要：针对“家庭内部组网段”的光纤组网介绍了基于ITU-T标准的“G.hn光组网方案”、参考PON接入

网技术的“类接入网方案”、基于IEEE标准的“光以太网P2P方案”，从技术特点、标准化、产业链发展情况

等方面进行了分析、对比和展望。针对“FTTH入户段”，阐述了网关位置优化、入户光缆延伸成端的价值和

实施建议，试验数据显示其可以显著提升家庭网关Wi-Fi网络覆盖范围和无线接入速率体验。

关键词：家庭组网；光纤；G.hn；光以太网；PON；入户光缆成端

中图分类号：TN929

文献标识码：A

doi: 10.11959/.1000−0801.2021101

Discussion on technical solutions to fibre-optic home networking

MA Zhiyong

Shanghai Branch of China Telecom Co., Ltd., Shanghai 200120, China

Abstract: Technical solutions for fibre-optic home networking, including ITU-T standard , PON access net-

works, and IEEE fibre-optic Ethernet, were introduced, and they were analyzed and compared from the aspects of

technical characteristics, standardization, industrial chain, future development, etc. Proposals on home gateway loca-

tion and drop fibre cable termination were also given, and the experiment results show that the propod solution can

improve the Wi-Fi coverage of the home gateway and the wireless access rate.

Key words: home networking, fibre, , fibre-optic Ethernet, PON, drop fiber cable termination

1 引言

工业和信息化部《2020年前三季度通信业经市新增家庭及企业宽带用户套餐原则上500 Mbit/s

济运行情况》数据显示，截至2020年9月国内起步，2023年上海市新增家庭及企业用户套餐原则

FTTH/FTTO（fibre to the home/fibre to the office，

光纤到户/光纤到办公室）用户数量为4.45亿户，占固百万级。家庭千兆宽带接入的普及已触手可及，家庭

定互联网宽带接入用户总数的93.5%，1 000 Mbit/s

及以上接入速率的固定互联网宽带接入用户达

4 250 000户。根据上海市经济和信息化委员会、

收稿日期：2021−04−20；修回日期：2021−05−10

市通信管理局《上海“双千兆宽带城市”加速度三

年行动计划（2021—2023年）》 要求，2022年上海

上1 000 Mbit/s起步，至 2023年年底，千兆用户达到

内部网络亟待能力提升以支持千兆及以上速率传输。

国内5G移动通信系统工作在至少2.1 GHz

频段，其无线信号室内穿墙衰减大，在当前的基

·171· 电信科学 2021年第5期

站密度下，5G还不足以稳定承载家庭千兆接入。

Wi-Fi（wireless fidelity，无线保真）工作于ISM

（industrial scientific medical，工业科学医学）开放纤等传输介质实现家庭内部组网的国际标准，包

频段，易受穿墙衰减、信道拥挤、邻居干扰等因括G.9960、G.9961等系列规范书

素影响，即便是使用Wi-Fi 6也无法保证能够稳定

实现家庭千兆骨干网。Wi-Fi更适合用于在家庭骨（domain master）、域从节点（node），如图2所示。

干网络的末端提供无线高速接入。

家庭内部“有线”网络的承载能力是家庭高

带宽速率体验的基石。光纤因其线径小（易部署）、

寿命长（超20年）、成本低（约0.2元/m）、高容

量（可至少高达Tbit/s级）等特点，使其胜过电

话线、电力线、同轴线、以太网线，成为更优的

家庭内部有线组网介质。

本文将家庭内部有线网络划分为“FTTH入户个时隙被分配给域主节点用于传输域管理信息和

段”和“家庭内部组网段”分别讨论，如图1所

示。“FTTH入户段”是FTTH入户光缆进入用户

住宅后，至家庭网关之间的光缆延伸段。“家庭内

部组网段”是家庭网关至用户住宅内各组网终端、

各个房间网络接入点或用户终端之间的有线网络

延伸段。下文首先针对“家庭内部组网段”的光

纤组网分析讨论了基于ITU-T标准的“G.hn光组

网方案”、参考PON（passive optical network，无源

光网络）接入网技术的“类接入网方案”、基于IEEE

标准的“光以太网P2P方案”，然后针对“FTTH入

户段”的入户光缆成端位置也给出了优化建议。

Standardization Sector，国际电信联盟电信标准化

部门）编制，利用电话线、同轴线、电力线、光

[1-2]

。G.hn定义了

域（domain）的概念，将组网节点分为域主节点

域主节点负责从节点准入、传输介质的访问、QoS

（quality of rvice，服务质量）、域间通信等域管

理功能。G.hn各节点以TDM（time division mul-

tiplexing，时分复用）方式，通过MAC Cycle（media

access control cycle，介质访问控制周期）调度实

现各节点对传输介质的共享，如图3所示。每个

介质访问控制周期都包含多个时隙，其中至少一

MAP（medium access plan，介质访问规划），其余

为TXOP（transmission opportunity，数据传输时

机），被分配给各个从节点发送数据。

2 家庭内部组网段的光纤网络方案

2.1 光组网方案

G.hn是由ITU-T（ITU Telecommunication

图2 G.hn网络架构参考模型

在光纤组网方面，G.9960在 Annex F中定义

了基于塑料光纤的组网技术参数，包括：中心波

图1 FTTH场景下家庭内部网络组成示意图

工程与应用 ·172·

图3 G.hn介质访问规划控制的示意图

长为640～660 nm，最大光发射功率为0 dBm，最

小接收灵敏度为−20 dBm，以及子载波间隔

195.3125 kHz分别对应512个子载波的100 MHz

带宽、1 024个子载波的200 MHz带宽的两套

OFDM（orthogonal frequency division multiplex-

ing，正交频分复用）传输配置参数等。理论上，

G.hn光纤组网物理层传输速率可超过1 Gbit/s。

2012年，Genexis、Teleconnect等多方合作，

采用芯径为1 mm的SI-POF（Step Index POF阶跃

折射率塑料光纤），首次实现了G.hn光纤组网

[3]

。

受限于产业链条件，实验采用的是80 MHz带宽、

3 202个子载波、24.41 kHz子载波间隔的G.hn同

轴线OFDM传输配置参数。实验中采用有限几个

12光分路器和G.hn光处理模组，通过光分路器

:

正向、反向级联实现了G.hn双纤传输、单纤传输，

搭建了P2P（point to point，点到点）、P2MP（point

to multi-point，点到多点）拓扑，模拟了1个主节

点、2个从节点的家庭场景，以1 518 byte分组长

度测得192 Mbit/s吞吐性能，首次演示了G.hn光

纤组网的文件传输和视频承载。

近年，G.hn产业链关注点集中在电力线、电话

线、同轴线传输，基于这3种介质的解决方案目前都

已有规模应用。但在光纤介质方面，截至2021年

2月，产业链上仍未推出AFE（analog front end，模

拟前端）芯片，因此该方案在产品化方面暂无进展。

2.2 类接入网方案

类接入网方案是将FTTH接入网技术方案下

沉应用到家庭内部，参考了PON技术架构，由主

网关、光分路器、从设备组成，如图4所示。其

中，主网关提供类似PON系统中OLT（optical line

terminal，光线路终端）的功能，从设备具备PON

系统中ONU（optical network unit，光网络单元）

功能。类接入网方案以WDM（wavelength division

multiplexing，波分复用）方式实现单纤双向传输。

以GPON（gigabit-capable passive optical network，

吉比特无源光网络）为例：下行光波长为1 490 nm、

上行光波长为1 310 nm；GPON class B+的最大光

发射功率为5 dBm，最小接收灵敏度为−27 dBm。

在下行方向上，主网关以广播方式发送数据，每

个从设备只接收处理自己需接收的报文。在上行

方向上，由主网关统一管理，各从设备以TDM方

式将报文发送给主网关。

图4 P2MP光组网示意图

类接入网方案中主网关的一个下联光口通过

光分路器与多台从设备实现P2MP物理连接。可

以根据从设备的数量选择14、18、116等不同

:::

的分光比。根据实际安装条件，也可以采用几个

光分路器级联方式安装，此时也可以选择不等比

分光，使级联光口比非级联光口输出更高的功率。

应用P2MP方案时需注意如下两点：

（1）多个从设备接入到主网关的同一个下联

光口，共享该光口的转发带宽。以GPON光口为例，

假设一个下联光口连接了9个从设备，那么这9个

从设备共享该GPON光口的下行为2.5 Gbit/s、上行

为1.25 Gbit/s的物理层吞吐量。

（2）光分路器分支数量、级联个数、不等比

分光等都会影响主网关下联光口至每个光信息点

的插入损耗。为了保证网络中所有光接收机正常

工作，需要核算各光接入点位的光功率预算。

类接入网方案光纤、光缆的选用可参照FTTH

·173· 电信科学 2021年第5期

接入网。G.657A2（最小弯曲半径为7.5 mm）和。可供选择

G.657B3（最小弯曲半径为5 mm）的室内蝶形光

缆都可使用。

类接入网方案与FTTH PON接入网方案的差

异在于：前者只运行在一个家庭网络内，信息点

数少，光传输距离在200 m以内；后者为多个租一根光纤中进行数据双向传输。

户提供电信级有保障的宽带接入，最远光传输距可供光以太网P2P方案选择的光纤包括单

离为20 km。因此，类接入网方案对于设备准入、模石英光纤（中心波长为1

密钥安全、网络保护、综合管控以及传输距离等

方面的需求会弱化。为了降低实现成本和系统复

杂度，必然需要在传统PON的基础上进行精简和

调整。但目前缺乏标准化的指引，不同的理解、

关注点和设计思路会导致不同的精简方案，甚至

会增加私有定义。华为在2020年推出的家庭光纤

组网方案就是类接入网方案的具体实现。

2.3 光以太网P2P方案

光以太网P2P方案是在主网关和从设备之间

构建光纤以太网。不同从设备与主网关的不同光

口实现P2P光纤直连，采用以太网光模块，从设

备独享该光口带宽，如图5所示。在从设备数量

小于主网关下联光口数量时，不需要增加额外设

备既可以组网。在从设备数量大于主网关光口数

量时，可按需引入光交换机。

图5 点到点光组网示意图

家庭内光以太组网的传输距离短，发送端和接

收端光口直连，光功率衰减很小，应降低光模块发

光功率以满足光模块的最小接收灵敏度和最大饱和

光功率的参数要求。通常千兆光以太网光口最大光

发射功率为−3 dBm，最小接收灵敏度为−19 dBm。

家庭光以太网P2P方案遵循IEEE（Institute of

Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程

师学会）802.3z、IEEE 802.3ah等标准

[4-5]

的千兆光模块有1 000 BASE-LX、1 000 BASE-SX、1

000 BASE-BX等规格。其中，1 000 BASE-LX、1 000

BASE-SX需通过两根光纤分别进行接收和发送，而

1 000 BASE-BX采用2个波长可通过WDM方式在

310 nm、1 490 nm、

1 550 nm）、多模石英光纤（中心波长为850 nm、

1 300 nm）、塑料光纤（中心波长为850 nm、1 300 nm）

650 nm波长，但IEEE（注：塑料光纤也可工作在

并未定义在千兆光以太网中使用该波长）。这3类

光纤在传输距离、最高带宽、弯曲半径、接续技

术、发光光源、成缆尺寸等方面存在差异。在远

距离、高速传输时采用单模光纤；在短距离较多

节点本地互连时可采用多模光纤；在注重柔韧性

好、重量轻、易接续、耐震动等场景中会使用塑

料光纤，例如传感器、飞机、汽车应用等。这3类

光纤都可适用于家庭光以太网。考虑家庭内部节

点数规模、墙内穿管布放光缆的数量等因素，并

且为了给传输能力预留更大的提升空间，笔者

更倾向于推荐单模、单纤双向、光缆尺寸小的

1 000 BASE-BX方案来构建家庭光以太网。

2020年中国电信上海公司与中兴联合研制发

布了家庭光以太网P2P方案产品

[6]

。

2.4 “家庭内部组网段”的光网方案展望

G.hn光组网方案产业链推进相对滞后，但作为

ITU-T的家庭组网标准，其影响力和接受度具有独

特优势，其在电话线、电力线、同轴线方面的产业

化积累也有助于光组网产品的启动和推广。因此，

在后续家庭全光纤组网应用和标准化的过程中，

G.hn必然是一个重要的备选方案，至少在ITU-T

层面讨论家庭光纤组网时是无法绕过G.hn的。

光以太网经过多年的应用和技术积累，基带芯

片和光模块成熟，产业链资源丰富，有助于光以太

网向家庭光组网拓展，为家庭网关、家用组网AP、

工程与应用 ·174·

智能家电、家用交换机等产品集成光以太网技术提

供了便利条件。基于IEEE以太网标准，光以太P2P

组网方案也比较容易实现产品之间的兼容、互通，

进而打造完整的家庭光以太网网络设备生态。

目前仅有单厂商提供类接入网方案产品。虽

然参照了既有的PON接入网技术，但也涉及私有

化裁剪和自定义。那么，A厂商的主网关和B厂

商的从设备无法共同组网。在相当长的一段时间

内，将形成主网关和从设备的单供应商绑定局面。

因为多数电信行业外的厂商（例如家用AP、家电、

家庭物联网等）不熟悉PON接入网的OLT、ONU

技术，一定时间内，类接入网方案供应商范围可

能只局限在电信行业内的少数厂商。在当前国际

上动辄对个别厂商封锁、打压，以及全球芯片紧

缺的大背景下，类接入网方案的可选供应商范围

狭窄、设备不互通、单供应商绑定会增加设备采

购、供货环节的不确定性，提高运维、用户服务

的风险和成本。因此，标准化及在此基础上的互

通性是类接入网方案亟待解决的问题。这也提醒

运营商和已获得先发优势的厂商，应在以技术封

闭获取市场主导和以技术开放繁荣生态之间权衡

利弊，恰当地做出选择。

从成本角度对比光以太网P2P方案和类接入

网方案，在千兆速率级的家庭光纤组网场景下，

前者的光模块价格低于后者，前者的光模数量需

求略多于后者，后者需引入光分路器。以1主网

关+2从设备组网为例，当采用BOB（bi-directional

optical sub-asmbly on board，双向光模组在板）

设计时，光以太网P2P方案、类接入网方案的设

备成本相当，市场应用初期设备成本在2 000元数

量级，后续随着产业链的陆续跟进和生产规模的

扩大，价格将逐步降低。

未来，上述3个方案都将是家庭内部组网段光

网方案的强有力竞争者。方案共存，互相借鉴，彼

此竞争也有利于推动方案完善、产业链发展和成本

下降。政府部门、运营商、设备厂商、配件厂商也

将合作推进方案的试验、完善、标准化探索和技术

成果转化。表1汇总了本文对上述3个方案的对比。

表1 “家庭内部组网段”的光网方案对比

对比项 类接入网方案 光以太网P2P方案 G.hn光组网方案

遵循标准 暂无，PON的自定义裁剪版 IEEE 802.3z、IEEE 802.3ah等 ITU-T G.9960、G.9961等

组网模式

信息点数量扩展方式 光分路器 光交换机（按需） 光分路器

纤数和方向 单纤双向 1 000 BASE-SX：双纤双向；

P2MP P2P P2MP

1 000 BASE -LX：双纤双向；

1 000 BASE-BX：单纤双向

双纤或单纤WDM 复用方式 WDM+上行TDM

双纤双向或单纤双向

光模块 PON光模块 以太网光模块 G.hn光模块

中心波长 下行1 490 nm；上行1 310 nm 1 000 BASE-SX：850 nm；1 000 BASE-LX：

TDM

650 nm

1 300 nm（多模光纤）、1 310 nm（单模光纤）；

1 000 BASE-BX：1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm

光纤 1 000 BASE-SX：多模石英光纤、塑料光纤；单模石英光纤

最大发光功率 以GPON Class B+光模块为例，

接收灵敏度 以GPON Class B+光模块为例，

物理层理论速率（以上行1.25 Gbit/s、下行1.25 Gbit/s（4个从

以GPON光口为例：上行

4个从设备为例） 1.25 Gbit/s，下行2.5 Gbit/s

产业链 目前为单厂商封闭方案 有成熟的基带芯片和光电模块，产业链推缺乏基带和模拟前端芯片，

塑料光纤

1 000 BASE-LX：单模石英光纤、多模石英

光纤；1 000 BASE-BX：单模石英光纤

0 dBm −3 dBm

5 dBm

−20 dBm −19 dBm

−27 dBm

1 Gbit/s（由4个从设备共享）

设备互不影响）

（由4个从设备共享）。

广容易 无成熟的可商用产品

·175· 电信科学 2021年第5期

3 “FTTH入户段”的光网优化

家庭网关是“FTTH入户段”和“家庭内部组

网段”之间的连接点，如图1所示。家庭网关不

仅具备较高的有线网络转发能力，也内置了Wi-Fi

接入点功能。理想环境下Wi-Fi 5在5G频段、80 MHz

频宽、2发2收配置时的应用层吞吐可以达到数百

兆比特每秒。最新一代家庭网关已经集成了

2.4 GHz/5 GHz双频、160 MHz频宽的Wi-Fi 6模

块，理想环境下应用层吞吐可超过1 Gbit/s。通常

情况下，入户光缆成端于家庭信息箱，家庭网关

被放置在家庭信息箱内。没有家庭信息箱的用户

对入户光缆成端和网关摆放位置的选择因为缺乏

指导往往会比较随意。对于入户光缆成端在何处，

很多用户都忽略了一点，那就是家庭网关位置会

影响其无线性能的发挥。

家庭网关放在信息箱内外Wi-Fi信号强度的

实验室测得值对比见表2。数据显示，将家庭网关

放置信息箱外，手机接收的Wi-Fi信号强度提升

13 dB（金属门信息箱）。笔者也针对用户住宅内

不同家庭网关摆放位置对其Wi-Fi接入速率的影

响进行了测试，如图6所示，家庭网关置于金属

门信息箱内（位置1）、家庭网关就近置于信息箱

外（位置2）、家庭网关置于客厅电视柜（位置3），

各房间的5G频段、80 MHz频宽、2发2收、Wi-Fi5

应用层吞吐量测试结果如图7所示。数据显示，

将家庭网关由信息箱内改放到客厅电视柜上，客

厅、饭厅等用户主要活动区域的Wi-Fi网速基本

能提升百兆以上。

表2 家庭网关位于信息箱内外Wi-Fi信号强度测得值

对比项 信息箱外 塑料门信息箱 金属门信息箱

信号强度/dBm

−42 −49 −55

由此可见，在“FTTH入户段”适当延伸入户

光缆，将家庭网关布放在客厅理想位置，基本可

实现对中小房型用户主要活动区域内的较好Wi-Fi

图6 家庭网关不同摆放位置示意图

图7 家庭网关不同摆放位置的Wi-Fi吞吐量

覆盖，其覆盖效果与单个组网AP可比；对于需

要多个组网AP实现Wi-Fi全覆盖的大房型，也有

助于减少1个组网AP的需求。

因此，针对“FTTH入户段”，笔者建议的实

施方案为：将入户光缆进行适当延伸，入户光缆

的端接以及家庭网关的安装位置宜选择住宅建筑

户内中心区域，一般为客厅；入户光缆宜就近端

接于家庭网关安装位置附近，终结于墙面的光纤

面板上，通过光跳线连接至家庭网关；同时，为

了实现住宅内其他有线联网终端接入家庭网关，

可由客厅入户光缆成端位置回拉线缆至信息箱或

住宅其他房间。2019年至今，中国电信上海公司

已开展了数千用户的“FTTH入户段”的光网优化

试点，对用户无线接入速率感知的提升效果显著，

工程与应用 ·176·

相关技术方案已于2020年纳入上海市信息家电行

业协会团体标准。后续将扩大此方案在家庭光

[7]

纤组网中的应用。

4 结束语

家庭上网、办公、信息化推动了对家庭网络

高带宽承载能力提出了更高的需求，家庭千兆宽

带接入即将普及。家庭光纤组网成为智慧家庭组

网演进重要方向。本文将家庭内部有线网络分为

FTTH入户段”和“家庭内部组网段”分别讨论。“

针对“家庭内部组网段”的光纤组网，本文介绍了

基于ITU-T标准的“G.hn光组网方案”、参考PON

接入网技术的“类接入网方案”、基于IEEE标准的

P2P方案”等家庭光纤组网方案，从技“光以太网

术特点、标准化、产业链发展情况等进行了分析、

对比和展望，后续将多方合作推进家庭光纤组网方

案的试验、完善、标准化探索和技术成果转化。针

对“FTTH入户段”，本文阐述了网关位置优化、入

户光缆延伸成端的价值和实施建议，试验数据证明

通过“FTTH入户段”光缆延伸成端到客厅，可以

显著提升家庭网关Wi-Fi网络覆盖范围和接入速率

体验，值得在家庭光纤组网中扩大应用。

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Shanghai Information Appliance Industry cal

guide for drop fibre cable termination and indoorcables wiring:

T/SIAA000006—2020[S]. 2020.

[作者简介]

马智勇（1976− ），男，中国电信股份有

限公司上海分公司高级工程师，主要从事

光接入网、家庭网络与终端方面的技术研

究工作。