50G-PON：10G PON之后的新一代PON技術(shù)

  PON技術(shù)發(fā)展回顧

  PON技術(shù)是一種基于無(wú)源ODN網(wǎng)絡(luò)的寬帶接入技術(shù)，采用P2MP點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上、下行傳輸波長(zhǎng)獨(dú)立，數(shù)據(jù)時(shí)分復(fù)用。PON系統(tǒng)中連接OLT和ONU的ODN網(wǎng)絡(luò)采用純光介質(zhì)，全程無(wú)源，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于擴(kuò)展和升級(jí)。過(guò)去10來(lái)年，由于在基于光纖、無(wú)源、P2MP等方面相對(duì)于銅線接入的比較優(yōu)勢(shì)，PON技術(shù)取得了巨大成功，得到了大規(guī)模部署。

  在PON技術(shù)的發(fā)展歷程中，標(biāo)準(zhǔn)組織ITU-T/FSAN和IEEE起到了巨大的推動(dòng)作用。PON技術(shù)起源于早期的APON/BPON，歷經(jīng)多代發(fā)展，GPON和EPON已經(jīng)大規(guī)模商用部署，為用戶提供高達(dá)百兆的帶寬接入能力。其下一代的10G PON技術(shù)如10G GPON和10G-EPON也已經(jīng)大規(guī)模商用，可為用戶提供高達(dá)1Gbps的帶寬，實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，滿足4K/8K視頻業(yè)務(wù)規(guī)模應(yīng)用，以及VR/AR業(yè)務(wù)的前期導(dǎo)入需求。

  隨著視頻業(yè)務(wù)成為寬帶網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，以及PON技術(shù)逐步從家寬領(lǐng)域向政企行業(yè)領(lǐng)域拓展，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)智能制造、廠礦通信等，一方面對(duì)帶寬提出了更高的要求，另一方面對(duì)時(shí)延、丟包、抖動(dòng)及業(yè)務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)也提出了相應(yīng)的要求。比如VR業(yè)務(wù)，其帶寬要求超過(guò)1Gbps，用戶體驗(yàn)提升需要5ms(RTT時(shí)延)低時(shí)延，而遠(yuǎn)程醫(yī)療的端到端通信時(shí)延小于50ms，且抖動(dòng)小于200μs。

  為了應(yīng)對(duì)后10G PON時(shí)代的業(yè)務(wù)發(fā)展需要，IEEE和ITU-T/FSAN在完成10G PON的標(biāo)準(zhǔn)制定后，開(kāi)始考慮下一代PON的技術(shù)研究工作。

  下一代PON主流技術(shù)方向：50G-PON

  業(yè)界普遍認(rèn)可將下一代光接入網(wǎng)帶寬提升至50Gbps，因此如何簡(jiǎn)單、高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)帶寬升級(jí)成為PON領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。10G PON之后的下一代PON技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要有兩個(gè)方向：一是提高單波長(zhǎng)速率;二是多波長(zhǎng)復(fù)用提高總速率。

  IEEE率先啟動(dòng)了10G PON后下一代PON技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定，單根光纖上支持25Gbps下行速率，同時(shí)支持10Gbps/25Gbps上行速率，并支持和10G-EPON的兼容。對(duì)于50Gbps帶寬需求，采用多波長(zhǎng)疊加技術(shù)和通道綁定技術(shù)提供兩個(gè)25Gbps通道，實(shí)現(xiàn)50Gbps速率。

  ITU-T/FSAN則考慮了家庭用戶、企業(yè)用戶、移動(dòng)回傳/前傳等場(chǎng)景，并逐步形成了對(duì)于下一代PON的需求，聚焦單通道速率為50Gbps的50G-PON技術(shù)。2018年，ITU-T/FSAN啟動(dòng)了基于單波長(zhǎng)50G-PON的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，命名為“G.HSP(G.Higher Speed PON)”，該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)今年下半年發(fā)布，并預(yù)計(jì)在2025年開(kāi)始具備商用能力(見(jiàn)圖1)。而在此時(shí)間點(diǎn)前，10G PON將作為業(yè)界主流的光接入技術(shù)大規(guī)模商用部署。

圖1 50G-PON標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況

  50G-PON的需求包括相對(duì)于10G PON提供4倍以上的接入帶寬、更好的業(yè)務(wù)支持能力、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)/安全，以及支持10G PON的共存和平滑演進(jìn)，并盡可能兼容已有ODN網(wǎng)絡(luò)。

  50G-PON的上下行波長(zhǎng)均工作在O波段，不支持與GPON和10G GPON的同時(shí)共存，F(xiàn)EC選用LDPC糾錯(cuò)算法。為了更好地支持低時(shí)延，50G-PON技術(shù)引入了專(zhuān)用激活波長(zhǎng)(DAW)、CoDBA(協(xié)作DBA)等技術(shù)。采用DAW技術(shù)，ONU通過(guò)專(zhuān)用波長(zhǎng)進(jìn)行注冊(cè)激活，業(yè)務(wù)波長(zhǎng)不再分配靜默窗口，可以減小因注冊(cè)開(kāi)窗而帶來(lái)的傳輸時(shí)延。采用CoDBA技術(shù)數(shù)據(jù)無(wú)需等待直接轉(zhuǎn)發(fā)，可以降低帶寬調(diào)度帶來(lái)的時(shí)延。

  50G-PON和10G GPON技術(shù)的關(guān)鍵功能性能對(duì)比如表1所示。

  表1 50G-PON和10G GPON關(guān)鍵性能對(duì)比

  10G GPON技術(shù)向50G-PON的演進(jìn)和共存

  在網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)中，盡可能地利用現(xiàn)網(wǎng)資源與節(jié)省升級(jí)演進(jìn)成本，是運(yùn)營(yíng)商歷來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)10G GPON向50G-PON的平滑演進(jìn)，滿足不同業(yè)務(wù)的組網(wǎng)需求，10G GPON和50G-PON將在一定時(shí)間內(nèi)共存。為節(jié)約機(jī)房部署空間，降低光接入設(shè)備能耗，有效利用現(xiàn)網(wǎng)的ODN資源和降低運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，局端設(shè)備采用多制式共存的光收發(fā)合一模塊是目前已被驗(yàn)證的最有效手段，如采用Combo PON理念來(lái)實(shí)現(xiàn)50G-PON和10G GPON的合波。

  對(duì)于10G GPON技術(shù)和50G-PON技術(shù)共存，需要滿足一定的要求：

  - 支持10G GPON和50G-PON技術(shù)在同一根光纖上共存;

  - 應(yīng)避免或盡量減少未升級(jí)的ONU服務(wù)中斷;

  50G-PON支持和兼容10G GPON的業(yè)務(wù)。

  ITU-T標(biāo)準(zhǔn)組織經(jīng)過(guò)多次討論，已經(jīng)明確50G-PON不會(huì)與GPON和10G GPON同時(shí)共存。因此在向50G-PON演進(jìn)的過(guò)程中對(duì)于技術(shù)共存可以考慮兩步遷移的方式，首先從GPON演進(jìn)到10G GPON，然后從10G GPON演進(jìn)到50G-PON，在兼顧網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)帶寬的持續(xù)升級(jí)。

  50G-PON關(guān)鍵技術(shù)分析

  50G-PON采用單纖雙向傳輸，下行TDM時(shí)分復(fù)用，上行TDMA時(shí)分多址接入，實(shí)現(xiàn)OLT和ONU之間的點(diǎn)到多點(diǎn)通信。其關(guān)鍵技術(shù)包括波長(zhǎng)選擇、線路編碼、線路速率、FEC糾錯(cuò)技術(shù)、Common TC技術(shù)、PHY層器件等方面。

  - 波長(zhǎng)選擇

  50G-PON目前只有O波段一小段可用波長(zhǎng)，不夠50G-PON系統(tǒng)使用。ITU-T經(jīng)過(guò)多次討論，已經(jīng)明確50G-PON不會(huì)與GPON和10G GPON同時(shí)共存。目前已確定了部分波長(zhǎng)選擇，部分還在細(xì)化討論中。

  - 線路編碼

  在ITU-T前期的討論中曾經(jīng)考慮過(guò)PAM4、雙二進(jìn)制和NRZ等多種線路編碼;由于PON系統(tǒng)光功率預(yù)算要求很高，最終選擇了接收性能最好的NRZ編碼。

  - 線路速率

  ITU-T已經(jīng)明確50G-PON速率要求，支持對(duì)稱、非對(duì)稱不同速率組合;下行1個(gè)速率，上行速率有4種線路速率可選。

  - FEC糾錯(cuò)技術(shù)

  50G-PON線路速率提高后，接收機(jī)靈敏度下降，需要提高收發(fā)機(jī)性能才能重用已經(jīng)大量部署的ODN網(wǎng)絡(luò)。為了降低高速光器件指標(biāo)要求，50G-PON引入LDPC(Low Density Parity Check，低密度奇偶校驗(yàn))編解碼方案進(jìn)行FEC的前向糾錯(cuò)。

  - Common TC技術(shù)

  50G-PON主要通過(guò)專(zhuān)用激活波長(zhǎng)(DAW)、CoDBA和減小分配周期等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延。

  DAW專(zhuān)用激活波長(zhǎng)：可以是新定義的波長(zhǎng)，也可以是50G-PON之前部署的PON系統(tǒng)波長(zhǎng)。專(zhuān)用激活波長(zhǎng)可以是一個(gè)單獨(dú)的上行波長(zhǎng)，也可以是一對(duì)上下行波長(zhǎng)。通過(guò)專(zhuān)用激活波長(zhǎng)技術(shù)，避免了在50G-PON上行波長(zhǎng)上開(kāi)放安靜窗口，取消了因安靜窗口帶來(lái)的時(shí)延。

  CoDBA：OLT通過(guò)上層設(shè)備獲知ONU的上行業(yè)務(wù)發(fā)送需求，提前將帶寬分配給ONU，使得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在ONU的緩存時(shí)間盡量少。

  減小分配周期：減小ONU獲得帶寬分配的時(shí)間間隔，從而降低業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在ONU的緩存時(shí)間。每個(gè)T-CONT在125μs周期內(nèi)可以最多發(fā)送16個(gè)突發(fā)幀。

  - PHY層器件

  50G-PON PHY層器件主要包括光發(fā)射組件、光接收組件、激光器驅(qū)動(dòng)器LDD，突發(fā)TIA以及時(shí)鐘恢復(fù)芯片CDR等關(guān)鍵光電器件。OLT光發(fā)射器件可采用EML(Electro-absorption Modulated Laser)，集成SOA(Semiconductor Optical Amplifier)EML器件等，光接收器件可采用APD(Avalanche Photodiode)，集成SOA PIN器件等。ONU與OLT的不同之處則在于，ONU驅(qū)動(dòng)器需要支持突發(fā)功能，接收不需要突發(fā)時(shí)鐘恢復(fù)BCDR。業(yè)界的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，50G-PON采用50G EML發(fā)射機(jī)器件和APD接收機(jī)器件有望獲取單波50Gbps速率。

  業(yè)界正在致力于推進(jìn)50G-PON技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，同時(shí)部分內(nèi)容和方向尚待進(jìn)一步研究，如未來(lái)支持多運(yùn)營(yíng)商或業(yè)務(wù)的獨(dú)享帶寬需求，以及為了解決50G-PON的上行光功率預(yù)算較為緊張而引入的時(shí)延要求和性能及成本等。從目前的進(jìn)展來(lái)看，預(yù)計(jì)2025年左右50G-PON將具備商用部署能力，而在此時(shí)間點(diǎn)前，10G PON技術(shù)將會(huì)大規(guī)模部署，并為后續(xù)向50G-PON的平滑演進(jìn)夯實(shí)基礎(chǔ)。

  中興通訊一直致力于推動(dòng)50G-PON的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)完善，并且在部分關(guān)鍵器件技術(shù)上取得了突破，并已提交超30篇50G-PON標(biāo)準(zhǔn)提案，其中的物理層參數(shù)、低時(shí)延、FEC等多方面提案被標(biāo)準(zhǔn)組織采納。

  作者：王新盛 中興通訊固網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)劃總工