G.fast引领铜线进入千兆时代

一、铜线接入技术发展历史

传统铜线网络以语音业务为主，早期的数据业务通过音频拨号Modem和ISDN方式提供，其有限的接入速率很难满足日益增长的数据业务带宽的需求。8M接入速率的ADSL技术的出现第一次把人们带入宽带接入时代，其后的ADSL2+技术通过把工作频率从1.1MHz扩展到2.2MHz，将下行最高速率提升到24M以上，完全取代了ADSL技术并得到了广泛应用。VDSL技术则同时提高了上下行带宽，使得对称速率接入成为可能，弥补了ADSL2+非对称接入的不足。VDSL包含QAM和DMT两种调制技术且不兼容ADSL2+，最终被与ADSL2+后向兼容性能更好的VDSL2技术所取代，铜线接入技术正式进入"百兆"时代。VDSL2可以工作到17MHz甚至30MHz频段，划分了更多的上下行子通道，在短距离内可以提供更高的带宽，因此ADSL2+技术通常定位于局端的DSLAM设备，而VDSL2适合于距离更短的FTTC室外机柜或者FTTB楼道解决方案。由于存在线路间串扰，VDSL2在实际应用中的接入速率要达到百兆还存在非常大的挑战，而Vectoring技术的出现无疑解决了线路间串扰问题，使铜线接入真正达到百兆。由于Vectoring技术属于串扰抵消技术，本身仍是VDSL2，所达到的最佳效果等效于单线对无噪声的VDSL2速率。铜线接入要想突破百兆迈向千兆速率，无疑需要引入更新的技术，而G.fast技术正是肩负着这个使命，它将引领铜线接入进入千兆时代。

二、G.fast关键技术

早在2010年华为就开始投入研究在短距离双绞线上传输超高速率带宽的接入技术，用于规避FTTH改造场景下光纤入户难的问题。G.fast技术的市场驱动还来自于英国电信BT（British Telecom）、法国电信FT（French Telecom）等欧洲运营商，由于欧洲人工昂贵、居住分散，采用FTTH光纤入户建设超宽带网络成本高、家庭光纤改造困难，工程进展缓慢。于是他们考虑如何将光纤下移到楼道内或者家门口，最后一小段再利用原有的接入介质如电话线或者同轴电缆提供超高速宽带接入。由于接入距离短，他们希望在源物质上的接入速率达到千兆，作为FTTH光纤到户的替代方案。

G.fast技术要想获得成功，首先要能达到高速接入速率，为此必须扩展频谱资源。只有采用更高的频谱，才能获得更高的带宽。目前VDSL2的工作频率是17MHz或者30MHz，而G.fast的频谱将扩展到106MHz甚至212MHz.当然频谱不能无限制向上扩展，与无线频谱资源类似，有线接入网络的频谱资源也需要合理规划和使用，既要防止与已使用的频谱发生冲突，也要为未来技术的发展留有空间。比如英国电信监管机构Ofcom对频谱资源的使用就有严格划分，ADSL2+的频谱只能在局端DSLAM中使用，VDSL2的频谱只能在FTTC室外机柜中使用，而G.fast的频谱可能需要避开已经使用的频段并留有空隙。

G.fast的高频段初始阶段会采用106MHz，未来可扩展到212MHz，频率越高G.fast可获得的带宽也越高。但信号频率越高传输距离越短，成本和功耗越大，因此最终的标准会在性能、成本和可实现性之间取得平衡。

同VDSL2一样，实际应用中G.fast的性能也会受到线间串扰的影响。如果没有Vectoring技术配合，G.fast速率将严重下降。图1是基于100米实际线缆参数的G.fast速率仿真结果，个别线缆可以达到1.3G速率。但如果存在串扰且没有Vectoring，速率将急剧下降到200M左右。这是因为G.fast工作频率非常高，线间串扰的影响比VDSL2更大，因此G.fast必须采用更加先进的Vectoring技术进行线间串扰抵消。

图1 G.fast线路速率仿真

目前G.fast用到的Vectoring技术方案有两种，一种是改进的线性预编码算法，另一种是非线性预编码算法。非线性算法在高频部分的增益比线性算法有较大提高，但在低频部分的增益与线性算法性能接近。从图1的仿真结果可以看出，多数线缆非线性算法的带宽比线性算法高，但也有个别线缆相差不大甚至不如线性算法。由于非线性算法对处理器的性能要求大大超过线性算法，导致实现难度、功耗和成本大大提高。标准组织发布的第一版标准会采用线性预编码算法。

G.fast技术采用了与VDSL2相同的DMT线路调制技术，标准要求能后向兼容VDSL2的终端，这是因为在从VDSL2升级到G.fast时，很难保证设备和终端能同步操作。因此运营商希望先升级设备，让未升级终端的用户继续工作在VDSL2速率，等用户拿到G.fast终端后再获得更高的带宽。

G.fast在上、下行速率划分上没有采用类似VDSL2的FDD频分方式，即分不同的频段分别给上、下行工作，而是采用TDD时分复用方式，采用不同的时间窗分给上、下行流量。这样做的好处一方面是便于技术实现，另一方面可以灵活定义上、下行速率比例，方便实现对称速率接入。目前在描述G.fast的带宽超过1G比特通常是指上、下行带宽总和。

由于G.fast技术工作频率高，适用的距离短，设备将更加靠近用户，因此设备安装位置的取电可能会存在困难，为此G.fast设备将会采用反向供电的方式，通过用户终端和接入介质反向给G.fast设备端口供电。G.fast技术将更加节电，线路功耗比VDSL2更低，使得反向供电的实现也更加容易。

三、G.fast进展

华为2010年开始研究G.fast技术，并于2011年底率先在业界发布了G.fast样机。在一对100m的双绞线上实现1Gbps超高速率接入，引起行业轰动。G.fast标准自从2011年ITU-T立项以来，吸引了众多运营商、芯片商和设备商的参与。华为积极参与G.fast标准，贡献的文稿覆盖了大多数G.fast关键技术，包括TDD全双工模式、TDD基本帧结构、点对点架构、前向纠错传输机制、省电工作模式及在线重配置等。目前G.fast标准已经完成核心技术方案的选择，进入到实现流程和具体参数定义过程中，预计标准将于2013年底发布征求意见稿。

在参加标准制定的同时，华为还大力推动G.fast技术商用。目前已启动G.fast局端和终端产品的开发。华为将凭借其在标准中较多的提案贡献和技术实力有信心在业界推出第一款符合标准的G.fast产品，并预留软件可编程能力支持未来标准可能的变化。目前已有多家欧洲运营商对G.fast超高速宽带接入技术感兴趣，有的运营商最近已向媒体透露有计划开通G.fast试验局。作为G.fast技术的领先供应商，华为将积极与这些运营商配合确保试验局成功。

G.fast技术在现有铜线上能实现千兆速率接入，无疑坚定了运营商投资铜线建设超宽带网络的信心。铜线网络是固网运营商的重要基础设施，利用原有铜线资源结合新铜线技术建设超宽带网络有着接入速率高、网络建设快、投资回报快的特点，正在被越来越多的运营商所青睐。