摘要：文章圍繞全光萬兆網(wǎng)絡(luò)應用場景這一主題，闡述全光萬兆網(wǎng)絡(luò)的特點以及萬兆時代在家庭業(yè)務(wù)、行業(yè)應用、城市建設(shè)方面的應用場景，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)萬兆技術(shù)對人們生活帶來的新體驗及各應用對寬帶建設(shè)提出的需求，以期為該領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞： 萬兆網(wǎng)絡(luò)；50G PON；云網(wǎng)融合

一、引言

2024年2月，工業(yè)和信息化部公布了2023年千兆城市建設(shè)情況，全年新增97個城市達到千兆城市標準，完成千兆城市總結(jié)評估工作，重點場所5G網(wǎng)絡(luò)通達率超99.5％。就在千兆寬帶推進時，下一代萬兆寬帶也處于技術(shù)試點和應用探索階段。萬兆網(wǎng)絡(luò)不僅能夠提供比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)快近百倍的網(wǎng)絡(luò)速度服務(wù)，還具備更穩(wěn)定的傳輸質(zhì)量，可以最大程度地滿足用戶日常生活中對各項網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，如智能家居控制、視頻點播、VR在線游戲、遠程辦公等。此外，萬兆光網(wǎng)呈現(xiàn)的全光連接、超高帶寬、云網(wǎng)融合、智能化和極致體驗等趨勢[1]，既能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)連接需要，又能夠支持行業(yè)數(shù)字化應用，更加速了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)變。

二、家庭萬兆數(shù)字生活

萬兆技術(shù)帶來的網(wǎng)絡(luò)升級將加速家庭新業(yè)務(wù)落地，如沉浸式交互視頻類應用、萬兆家庭云網(wǎng)新業(yè)務(wù)及3D光感知。

（一）沉浸式交互視頻類應用

家庭高帶寬業(yè)務(wù)一直是圍繞高清大屏展開的，萬兆時代的發(fā)展方向如下：更高品質(zhì)、沉浸感的大屏顯示，裸眼3D顯示、自由視角觀影及直播。

萬兆時代，主流大屏的分辨率將達到8K。目前，8K產(chǎn)業(yè)鏈正在逐漸成熟，并在國家政策的引導下加速發(fā)展。從終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到內(nèi)容制作、技術(shù)標準已形成了完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。預期到2024年末，8K應用將逐漸進入家庭。此外，幀率和色深也將在一定程度上影響高清視頻的沉浸感，不同體驗等級的典型值如表1所示。

大部分場景下，8K已接近人眼的分辨極限。8K之后，大屏分辨率進一步發(fā)展動力可能來自于裸眼3D。為了保持8K體驗，同時產(chǎn)生上下、左右各三個視點就需要32K分辨率的底屏。不同體驗等級的裸眼3D顯示屏典型值如表2所示。

自由視角視頻作為一種具備沉浸式體驗的類VR應用，近年來得到了快速發(fā)展，有望帶來全新的網(wǎng)絡(luò)觀影模式，并成為家庭寬帶訴求的重要來源。自由視角視頻在圖像采集端使用幾十個攝像機，同時從不同角度拍攝同一場景，終端用戶通過滑動屏幕、遙控器或者搖動手機選擇觀看角度。為了保證視角切換流暢，新視角視頻流需要在50毫秒內(nèi)完成切換。對于普通8K視頻，一般需要初始緩存70M～75M的比特數(shù)據(jù)，因此推算將產(chǎn)生17.6 Gbps峰值帶寬，這需要萬兆接入承載。

此外，未來大屏將被全場景地集成在不同產(chǎn)品中，如集成4K大屏的VR動感單車、座艙式辦公椅、智能臥艙、智能桌面等，大屏間的交互和信息融合將進一步推高并發(fā)帶寬的需求。

（二）萬兆家庭云網(wǎng)新業(yè)務(wù)

萬兆云網(wǎng)給家庭寬帶用戶帶來極速、安全、共享的云存儲服務(wù)。首先，萬兆網(wǎng)絡(luò)存儲能夠提供極致的云存儲體驗。由于其出口帶寬接近存儲介質(zhì)讀寫速率上限，萬兆云存儲能夠提供與本地存儲無異的極致讀寫速率，可以提升如極速終端備份、SMB/NFS文件共享、家庭多媒體中心的使用體驗等。其次，萬兆云網(wǎng)能夠提供更好的數(shù)據(jù)安全。大二層的內(nèi)網(wǎng)架構(gòu)降低了數(shù)據(jù)從家庭到云存儲的數(shù)據(jù)泄露風險，更好地保護了家庭隱私數(shù)據(jù)。最后，萬兆云網(wǎng)能夠作為家庭設(shè)備的高速數(shù)據(jù)緩存。家用攝像頭、傳感器、機器人產(chǎn)生的海量實時數(shù)據(jù)可以直接存入邊緣云，作為數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)準備階段的緩存，等待家庭IDC計算任務(wù)調(diào)用。

萬兆云網(wǎng)還帶來了強交互業(yè)務(wù)的體驗升級，如云游戲。帶寬是影響大屏云游戲體驗的重要因素[2]。當前基于IDC的云游戲運營架構(gòu)使用高壓縮比算法（如H.264，300倍壓縮）壓縮原始視頻流，以減小IDC出口帶寬，降低成本。然而，此類算法的壓縮/解壓縮過程近40毫秒，無法保證云游戲畫面順暢的時延要求（RTT小于20毫秒）。帶寬、時延、成本的制約，限制了大屏云游戲的發(fā)展。而萬兆家庭云網(wǎng)提供了新的可能：使用淺壓縮算法，甚至無壓縮推流。定量來說，原始4K視頻流在淺壓縮算法處理下，RTT可以縮減至10毫秒內(nèi)，代價是輸出碼率提升至近1Gbps，占用1.5Gbps網(wǎng)絡(luò)帶寬，即淺壓縮算法將帶寬轉(zhuǎn)換為低時延特性。另外，萬兆接入技術(shù)能夠降低每比特率成本，這將加速大屏云游戲形成從內(nèi)容到設(shè)備的商業(yè)正循環(huán)，推動商業(yè)模式落地。相同的邏輯也可以應用于其他強交互視頻類業(yè)務(wù)，如云電腦、云健身、云XR等，帶來使用體驗的全面提升。

（三）3D光感知

3D光感知是一種基于固態(tài)紅外激光雷達的光學感知技術(shù)。采集的數(shù)據(jù)是三維離散點陣。由于點陣間隔在厘米量級，無法識別明顯的人臉特征，很好地保護了個人隱私，消除了使用者的心理負擔。同時也天然適配數(shù)據(jù)安全上云，而無需在本地做額外的數(shù)據(jù)預處理。3D光感知采集的點陣數(shù)據(jù)通常很難高度壓縮。根據(jù)實測，一路實時回傳數(shù)據(jù)消耗300-550Mbps帶寬。考慮家庭使用場景，需要若干3D光感知前端同步使用，其并發(fā)流量需要用萬兆網(wǎng)絡(luò)承載上云。

3D光感知回傳數(shù)據(jù)結(jié)合萬兆家庭云網(wǎng)還能產(chǎn)生新的業(yè)務(wù)：跌倒預警和分類、慢性疾病及行為跟蹤、家電手勢控制、攝像頭聯(lián)動、云游戲及云健身動作捕捉、智慧家庭家電聯(lián)動的感動等。

三、 行業(yè)萬兆數(shù)字轉(zhuǎn)型

萬兆接入技術(shù)的部署將加速千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，如教育轉(zhuǎn)型的XR電教室、商務(wù)領(lǐng)域的企業(yè)云網(wǎng)、醫(yī)療領(lǐng)域的全光院區(qū)及工業(yè)領(lǐng)域的AI質(zhì)檢等。

（一）園區(qū)辦公

企業(yè)云網(wǎng)業(yè)務(wù)和Wi-Fi 7升級是驅(qū)動萬兆光接入在企業(yè)部署的兩大因素。

企業(yè)通過應用上云和算力租用，可以快速開局，降低TCO。這對于小微企業(yè)和初創(chuàng)公司降低初期投入非常重要，尤其是強計算依賴的行業(yè)，如建筑設(shè)計、影視動畫、芯片設(shè)計等。此外，應用的云化還有利于企業(yè)快速集成第三方服務(wù)到業(yè)務(wù)流程，如數(shù)據(jù)挖掘、AI訓練和推理等；也有利于服務(wù)提供商以功能顆粒度提供服務(wù)許可，按時按需收費。但企業(yè)數(shù)據(jù)上云涉及關(guān)鍵數(shù)據(jù)外移風險，不符合“原始數(shù)據(jù)不出域”的原則。

萬兆企業(yè)云網(wǎng)解決方案：對于企業(yè)核心數(shù)據(jù)資產(chǎn)，企業(yè)可將核心數(shù)據(jù)保留在本地。所有在遠端參與計算的核心數(shù)據(jù)直接從本地讀取，“隨用隨傳，即用即刪”，無需在公司外備份，既滿足低成本算力租用需求，又能保證企業(yè)數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全。對于企業(yè)非核心或非原始數(shù)據(jù)，如日常管理數(shù)據(jù)、協(xié)作文檔、數(shù)據(jù)共享、圖像渲染中間文件、AI模型數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)容災備份，萬兆網(wǎng)絡(luò)能保障邊緣云NAS與企業(yè)間的極速數(shù)據(jù)傳輸，提升使用體驗，加速企業(yè)上云。

萬兆部署的動力還來自園區(qū)[3]、樓宇的Wi-Fi 7覆蓋升級。隨著新型辦公終端的應用，如裸眼3D平板、AR眼鏡、MR桌面，網(wǎng)絡(luò)需要更高的無線接入帶寬和更小的漫游時延來保證使用體驗。典型的三頻Wi-Fi 7傳輸速率近8Gbps，其并發(fā)回傳數(shù)據(jù)需要萬兆網(wǎng)絡(luò)承載。

（二）全光醫(yī)院

全光醫(yī)院數(shù)字化依賴萬兆網(wǎng)絡(luò)高帶寬、高可靠、低時延、綜合承載等特性[4]。

醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的高帶寬需求主要來自醫(yī)學影像傳輸。一方面，傳統(tǒng)醫(yī)學設(shè)備升級，采集數(shù)據(jù)量急劇增加。一次半身CT掃描數(shù)據(jù)可達近10GB。另一方面，多模態(tài)醫(yī)學影像技術(shù)發(fā)展進一步推動了網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，通常需要超過1Gbps的傳輸帶寬。此外，新技術(shù)的應用也推動了院區(qū)帶寬需求，如3D光感知的應用。

醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的高可靠需求主要來自生命維護和外科手術(shù)相關(guān)的設(shè)備。萬兆光網(wǎng)絡(luò)由于抗電磁干擾特性及帶寬換可靠性能力，能滿足醫(yī)院的高可靠性需求。

醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)對低時延的要求一方面來自實時接入式影像、手術(shù)輔助；另一方面來自3D閱片技術(shù)的革新。與云渲染類似，為使閱片體驗自然順暢，視角轉(zhuǎn)換和渲染層選取的RTT要小于20毫秒，通過大帶寬換取低時延的方式能夠滿足需求。

出于隔離標準考慮，醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)由多個獨立網(wǎng)絡(luò)組成。不同業(yè)務(wù)、部分的數(shù)據(jù)相互隔離，設(shè)備冗余、管理復雜。50G PON技術(shù)具備兩方面優(yōu)勢：一方面，ODN點到多點的網(wǎng)絡(luò)拓撲，極大簡化了組網(wǎng)和設(shè)備部署；另一方面，通過芯片級硬切片，可將ODN分割成物理隔離的獨立子網(wǎng)，不同業(yè)務(wù)間互不干擾，做到“一網(wǎng)多用，極簡運維”。

（三）工業(yè)制造

萬兆接入的工業(yè)應用聚焦在萬兆工業(yè)云網(wǎng)新業(yè)務(wù)，以AI質(zhì)檢升級為例。使用工業(yè)相機和機器視覺算法的AI質(zhì)檢能降低人力投入，提高生產(chǎn)效率。但傳統(tǒng)機器視覺算法通用性不強，針對特定任務(wù)，需大量數(shù)據(jù)訓練，成本高。隨著AI通用預訓練模型不斷完善，基于人工智能的AI質(zhì)檢有望落地，提升工業(yè)質(zhì)檢的通用性：一方面，AI質(zhì)檢使用通用視覺預訓練大模型的本地蒸餾和小樣本二次訓練，獲得更加精準的任務(wù)匹配、更強的場景適應性和可復制的低成本算法解決方案。另一方面，AI質(zhì)檢能更具需求，生成多任務(wù)模型，以同時識別不同類型目標，并隨著數(shù)據(jù)累積不斷迭代完善模型性能。

萬兆工業(yè)云網(wǎng)解決方案：工廠通過萬兆工業(yè)光網(wǎng)[5]，將原始圖像數(shù)據(jù)（20Gbps/產(chǎn)線）無壓縮地傳輸至本地存儲設(shè)備。在租用邊緣節(jié)點算力的情況下，原始數(shù)據(jù)從本地設(shè)備向園區(qū)內(nèi)或更上層的邊緣算力節(jié)點按需傳輸。由于萬兆傳輸帶寬，數(shù)據(jù)隨傳隨用，無需在遠端備份。邊緣節(jié)點完成模型推理、大模型整理及本地模型場景適配與更新，并生成可對外變現(xiàn)的各類模型組建。這既解決了低成本算力可獲得性，又保障了企業(yè)原始數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全及數(shù)據(jù)變現(xiàn)。

四、 城市萬兆數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施

對一個城市的全域精細化管理，同時做到速度、精度、溫度并存，是一件極其挑戰(zhàn)的事情。以萬兆為代表的信息基礎(chǔ)設(shè)施升級將給超大城市治理體系和治理能力帶來全新的理念和更高效的手段，推動城市數(shù)字化發(fā)展。

（一）區(qū)域性萬兆行業(yè)專網(wǎng)和政務(wù)外網(wǎng)綜合承載

數(shù)字城市的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)依賴政務(wù)網(wǎng)絡(luò)及區(qū)域行業(yè)專網(wǎng)的高效可靠連接。市、區(qū)、街道各級政務(wù)、警務(wù)、公共服務(wù)站點位置接近，且組織結(jié)構(gòu)多為樹狀分支。與之類似的有各類行業(yè)專網(wǎng)，如醫(yī)療聯(lián)合體、銀行分支機構(gòu)等。萬兆接入技術(shù)在城市區(qū)域性信息綜合承載領(lǐng)域有獨特優(yōu)勢：一方面，PON接入網(wǎng)點到多點網(wǎng)絡(luò)拓撲與行業(yè)站點的組織結(jié)構(gòu)和位置分布匹配，借助萬兆接入綜合承載能力，多機構(gòu)可方便地共享網(wǎng)絡(luò)資源，做到“一網(wǎng)多用，極簡運維”，降低建網(wǎng)及運營成本。另一方面，不同行業(yè)、機構(gòu)站點間的數(shù)據(jù)傳輸應隔離，50G PON大帶寬及硬切片技術(shù)能提供芯片級時隙隔離，充足的帶寬保證了各切片擁有足夠的專屬帶寬資源。

（二）城市智慧綜合桿

城市綜合桿作為智慧交通和數(shù)字城市的重要組成部分，能提升對城市運行狀態(tài)的感知、監(jiān)測、預警能力，為城市治理提供全新手段。而城市綜合桿與萬兆城市云網(wǎng)融合將成為面向未來的城市數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。

城市智慧綜合桿的基本功能單元包括視頻、無線、感知、照明、顯示、環(huán)境傳感、應急系統(tǒng)等，根據(jù)場景有不同的組合。其中，感知單元可以是用于全天候車流檢測的毫米波雷達，也可以是用于路口精確感知和道路建筑物建模的激光雷達；無線通信單元既可以是針對高速車路協(xié)同的5G RSU，也可以是高密度公共覆蓋的Wi-Fi熱點，或是針對城市低功耗傳感器的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。

在智慧交通應用中，綜合桿將道路、路口實時信息匯聚、回傳至萬兆城市云網(wǎng)的邊緣節(jié)點，通過大數(shù)據(jù)分析，定位道路擁堵根源，并及時通過如交通燈控制、交警干預、潮汐車道變換及路況廣播等手段，實現(xiàn)疏堵。綜合桿上部署RSU后，可為全天候、全場景的無人駕駛提供高速數(shù)據(jù)連接。通過全市統(tǒng)一的“城市大腦”，可以進一步提供道路態(tài)勢感知、擁堵預測和預測性引流，實現(xiàn)“零干預”疏堵。

城市物聯(lián)應用中，綜合桿可以作為感知節(jié)點，集成微型氣象站、環(huán)境監(jiān)測站等環(huán)境監(jiān)測感知設(shè)施；作為匯聚節(jié)點，收集桿站周邊的傳感器數(shù)據(jù)，甚至向傳感器提供能量。在未來，以城市綜合桿為感知層的城市物聯(lián)系統(tǒng)將構(gòu)建一個全息的數(shù)字孿生城市平臺，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出元宇宙之城。

五、結(jié)束語

萬兆時代家庭數(shù)字生活、行業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型和城市數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的典型應用需求需要寬帶網(wǎng)絡(luò)的進一步升級[6]。萬兆光網(wǎng)呈現(xiàn)出的全光連接、超高帶寬、云網(wǎng)融合、智能化和極致體驗等特點，可以服務(wù)各行業(yè)的新業(yè)務(wù)升級，更高帶寬的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)是下一代通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的必然趨勢。

作者單位：梁娟" " 武漢交通職業(yè)學院電子與信息工程學院

參考文獻

[1]張?zhí)K慧.萬兆城市建設(shè)提上日程 運營商引領(lǐng)融合創(chuàng)新[N].通信信息報.2024.2.28.

[2]何均均，王江舟，楊倩.基于云網(wǎng)絡(luò)的家寬游戲感知提升研究[J]. 江蘇通信， 2022，38（02）： 48-50.

[3]晁杰，葛廣洲，楊光.關(guān)于智慧校園全光網(wǎng)建設(shè)的探討與應用[J]. 中國有線電視. 2022，30（07）：49-52.

[4]黎永東.F5G全光網(wǎng)在轉(zhuǎn)化醫(yī)學中心應用的研究[J].數(shù)字通信世界， 2023，19（10）：116-118.

[5]李硯博，姚麗英.礦山企業(yè)5G及萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)建設(shè)實踐[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化， 2023，13（10）：214-216.

[6]陳濱，胡搏，惠紹明. 5G時代全光網(wǎng)2.0承載需求與未來展望[J]. 信息通信. 2020，34（08）：242-243.