100G通信，你認為那種方案勝出？ NRZ/Duo-Binary/PAM-4

　　ICCSZ訊  全球寬帶提速的浪潮已經(jīng)來(lái)臨，4K/8K超高清視頻、虛擬現實(shí)、智慧家庭和物聯(lián)網(wǎng)等應用將成為人們日常生活與工作的一部分，越來(lái)越多的國家都已經(jīng)或計劃提高寬帶接入速率。目前，全球已有超過(guò)50家運營(yíng)商正在提供千兆寬帶業(yè)務(wù)，在韓國、美國和中國香港等地區，運營(yíng)商更已經(jīng)針對企業(yè)和家庭用戶(hù)開(kāi)通了2G乃至10G的業(yè)務(wù);在中國，2013年國務(wù)院發(fā)布了國家寬帶戰略——計劃到2020年使發(fā)達城市家庭用戶(hù)的接入速率達到1Gb/s;在歐盟和美國，各國政府也在加速提升國家基礎帶寬，或者給予寬帶發(fā)展以較大的支持。

　　單波高速：下一代PON關(guān)鍵技術(shù)

　　隨著(zhù)用戶(hù)終端帶寬需求的不斷增大，當前主流接入網(wǎng)系統架構——PON(無(wú)源光網(wǎng)絡(luò ))網(wǎng)絡(luò )也在不斷升級。尼爾森諾曼公司的聯(lián)合創(chuàng )始人Jakob Nielsen博士于1998年提出著(zhù)名的尼爾森定律(Nielsen’s Law)：用戶(hù)帶寬將以每年50%的速率增長(cháng)。從1983年到2014年的統計結果來(lái)看，帶寬增長(cháng)趨勢很好地與該定律吻合。按此規律推演，到2020年，用戶(hù)帶寬將會(huì )達到1.6G。如果按PON網(wǎng)絡(luò )常用的1：64分光比來(lái)計算，當前主流PON系統的帶寬屆時(shí)將滿(mǎn)足不了用戶(hù)的需求。

　　現階段，GPON、EPON正在大規模批量部署，XG-PON1、10G-EPON也已經(jīng)開(kāi)始小規模商用。PON系統國際標準的主要陣營(yíng)包括FSAN主導的ITU-T系列GPON標準，以及IEEE主導的802.3系列EPON標準。其中，ITU-T GPON標準系列已經(jīng)從GPON、XG-PON1發(fā)展到NG-PON2。當前NG-PON2的標準體系已明確采用TWDM-PON系統架構，單波速率為10G，通過(guò)采用4波或8波來(lái)實(shí)現總系統容量40G或80G。

　　相對標準推進(jìn)較快的ITU-T陣營(yíng)，IEEE802.3系列標準制定則略微滯后，EPON及10G-EPON標準先后于2004年和2009年發(fā)布，而與NG-PON2通信容量對應的NG-EPON標準還處于早期階段。2015年7月，NG-EPON CFI(call for interest)正式通過(guò)，成立了研究小組(Study Group)，并在2015年9月底發(fā)布了NG-EPON標準目標。目前，NG-EPON目標已經(jīng)定義了幾種方案，包括單波25G上下行和N×25G上下行，主要調制格式技術(shù)包括NRZ(非歸零碼)、Duo-Binary(雙二進(jìn)制編碼)和PAM4(4階脈沖幅度調制編碼)等。

　　當前，雖然很多候選技術(shù)還在研討和比較當中，但單波速率超過(guò)10G已基本達成一致，目標演進(jìn)方向主要是單波速率25G。而在整個(gè)PON系統中，針對家庭用戶(hù)接入，單波25G PON可以作為主流技術(shù);而對于政企用戶(hù)，由于其帶寬需求更大，可以在單波25G的基礎上，通過(guò)波長(cháng)疊加實(shí)現2×25G或4×25G的更高帶寬。ITU-T GPON標準陣營(yíng)預計將在2016年2季度啟動(dòng)單波25G標準的立項討論。

　　由以上分析可見(jiàn)，單波25G已經(jīng)成為光接入的一個(gè)重要節點(diǎn)速率，包括華為在內，業(yè)界在前期4×10G TWDM PON的研究過(guò)程中已經(jīng)積累了不少多波疊加技術(shù)，因此，當前單波25G技術(shù)的實(shí)現成為了100G PON的關(guān)鍵。

　　單波高速PON技術(shù)的挑戰

　　在光接入領(lǐng)域，運營(yíng)商的主要訴求是在帶寬升級的同時(shí)，還能重用既有的光纖網(wǎng)絡(luò )，由于ODN(光配線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ))鏈路涉及基礎設施施工，難度大、成本高，其建設成本占了整個(gè)PON網(wǎng)絡(luò )部署的大部分。因此，運營(yíng)商在下一代PON網(wǎng)絡(luò )升級時(shí)，對于不改動(dòng)ODN鏈路都有強烈的訴求。當前ODN鏈路一般需要支持最少20Km光纖、1：32分光器，因此，單波高速PON的主要挑戰將集中在色散、功率預算以及速率選擇方面。

　　色散難題：在單波10G及以下速率中，由于NRZ的結構簡(jiǎn)單、成本低等特性，EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2均采用了該調制格式，此時(shí)色散不是PON網(wǎng)絡(luò )面臨的主要問(wèn)題。而單波速率達到或超過(guò)25G時(shí)，NRZ調制格式的色散容限無(wú)法滿(mǎn)足傳纖20Km要求。有兩種方法可以解決此問(wèn)題，一是采用零色散的O波段(光纖零色散區域)，但此波段已被EPON和GPON占用，在PON網(wǎng)絡(luò )多代共存場(chǎng)景下難以采用;二是采用電色散補償方法，其中引入高色散容限的調制格式或電均衡算法是比較可行的作法。

　　功率預算緊張：PON網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)系統架構，由于ODN鏈路中分光器會(huì )引入較大的額外插損，使得功率預算成為PON網(wǎng)絡(luò )面臨的較大挑戰。一般可通過(guò)增大發(fā)送光功率和提高接收靈敏度的方法實(shí)現，目前主流的探測器以PIN(光電二極管)和APD(雪崩光電二極管)為主。在PON系統中，由于較高的功率預算要求，主要以APD為光接收器件。APD的接收靈敏度與信號速率有明顯的關(guān)系，當信號速率由10Gb/s提升到25Gb/s時(shí)，接收機的接收靈敏度會(huì )有4dB的下降，如果沒(méi)有補償措施，會(huì )帶來(lái)系統鏈路功率預算下降。目前的25G APD芯片技術(shù)和ROSA封裝技術(shù)還不成熟，僅有少數供應商宣布擁有該技術(shù)，并且價(jià)格昂貴，低成本25G PON系統的光收發(fā)器件將是業(yè)界不得不面臨的問(wèn)題。

　　速率選擇：在單波超過(guò)10G速率后，會(huì )遇到色散困擾和功率預算不足等問(wèn)題的干擾，而且速率越高，色散對系統的影響越大，系統功率預算也會(huì )越緊張。相對于單波10G，單波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多種方案來(lái)解決上述問(wèn)題，這幾種方案都屬于多階調制，編解碼相對比較簡(jiǎn)單，對器件要求也不高。而對于單波40G來(lái)說(shuō)，由于單波數據速率提高，其代價(jià)是需要更加復雜的高階調制或更加復雜的DSP算法，且會(huì )面臨更加緊張的功率預算。理論分析及仿真表明，單波40G模式難以達到當前10G-EPON的幾種功率預算等級要求。而與之相應的是，當前業(yè)界25G的各項電路技術(shù)都已經(jīng)趨于成熟，比如25G激光驅動(dòng)器、25G跨阻放大器和25G數據時(shí)鐘恢復電路等等。

　　基于以上分析，華為將下一代單波高速速率聚焦在25G上，通過(guò)多波長(cháng)疊加最終可以達到50G、100G或者200G的系統速率。

　　3種單波高速方案解析

　　單波25G NRZ方案

　　由于NRZ調制格式簡(jiǎn)單，在EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2系統中均采用了該調制格式。在單波25G速率下，若采用O波段傳輸，NRZ格式的光信號的色散容限可以滿(mǎn)足傳纖20Km的需求;但如果采用C或L波段(光纖正色散區域)，由于色散容限不夠，單波25G NRZ方案將無(wú)法滿(mǎn)足PON系統常規的20Km傳纖需求。在此場(chǎng)景下，需通過(guò)光學(xué)或電學(xué)方式進(jìn)行色散補償，包括在發(fā)送端采用25G電吸收調制激光器和在接收端采用25G APD接收機。雖然該方案下的PON光模塊結構簡(jiǎn)單，但25G光器件成本比較高，且色散容限不夠是此方案的最大弊端，補救該弊端的方法是在接收側采用DSP算法對色散進(jìn)行補償。如果算法優(yōu)化得當，10G光器件甚至可以在接收側取代25G光器件，而且由器件帶寬不足引發(fā)的信號畸變也可通過(guò)算法一并補償。

　　單波25G Duo-Binary方案

　　Duo-Binary稱(chēng)為雙二進(jìn)制，其通過(guò)產(chǎn)生3個(gè)電平使得自身頻譜相對NRZ頻譜降低一半，對應的色散容限可提升2.5倍。根據眼圖不同，可將Duo-Binary分為兩種：一種是Electrical Duo-Binary，簡(jiǎn)稱(chēng)為EDB;另一種是Optical Duo-Binary，簡(jiǎn)稱(chēng)為ODB。其中EDB是一種常規的3電平雙二制調制格式，眼圖為3個(gè)電平，拼合成兩個(gè)眼睛;而ODB則是在電域產(chǎn)生3電平雙二進(jìn)制信號之后，再通過(guò)電光相位調制器將上下兩個(gè)眼分別調制在不同的相位上，形成類(lèi)似于NRZ但又不等同于NRZ的ODB眼圖。ODB調制格式由于在光相位上形成反轉，起到色散抵消作用，因此擁有更好的色散容限。

　　由EDB和ODB可組成兩種對稱(chēng)25G PON系統。在第一種形式中，上下行鏈路都采用EDB調制格式?？紤]到PON系統中ONU側成本比較敏感，可只在OLT發(fā)送側采用25G光器件的EDB調制，而在ONU發(fā)送側采用10G光器件產(chǎn)生EDB格式的上行信號。由器件帶寬限制引發(fā)的上行信號的畸變，可在成本不敏感的OLT接收側通過(guò)更為復雜的電域算法進(jìn)行補償。在第二種形式中，下行鏈路采用ODB調制格式，在OLT發(fā)送側通過(guò)采用馬赫曾德調制器(MZM)在產(chǎn)生的3電平基礎上進(jìn)行相位調制，形成ODB信號。而在ONU接收側只需要采用類(lèi)似于NRZ的兩電平判決接收，可極大地簡(jiǎn)化接收電路，降低ONU成本。上行調制方案與第一種形式一致，即在ONU發(fā)送側采用10G光器件產(chǎn)生3電平EDB信號。

　　單波25G PAM-4方案

　　PAM-4調制稱(chēng)為4電平脈沖幅度調制，在信號調制時(shí)將每?jì)蓚€(gè)比特組成一個(gè)波特，因此PAM-4調制的波特率將減少一半，頻率效率則提升一倍。PAM-4調制的色散容限相對于NRZ可提升4倍。25G PAM-4調制在發(fā)送端只需采用12.5G EML和12.5G線(xiàn)性驅動(dòng)器，在接收端則采用12.5G APD線(xiàn)性接收光組件。而且由于當前主流光器件都是10G，還可以采用10G光器件來(lái)代替12.5G EML或APD，再通過(guò)電補償算法進(jìn)行帶寬補償。PAM-4在發(fā)送側需要采用數模轉換器產(chǎn)生4電平，接收側采用模數轉換器解碼4電平。

　　3種技術(shù)方案的對比

　　上述3種單波高速技術(shù)方案各有利弊。25G NRZ方案結構簡(jiǎn)單，但在接收端需采用DSP進(jìn)行色散補償，同時(shí)采用25G光器件成本也較高;對稱(chēng)25G EDB方案在ONU側采用10G接收機和10G發(fā)送光器件，成本較低，但下行25G接收需采用EDB格式的3電平解碼，會(huì )引入額外的ONU成本。而下行25G ODB上行25G EDB方案，其主要優(yōu)點(diǎn)是下行接收靈敏度高、接收簡(jiǎn)單，但發(fā)送側較復雜，引入了相位調制器，同時(shí)，接收側還需要采用25G光器件;PAM-4方案波特率減半，對光電器件帶寬要求也會(huì )降低，但對器件線(xiàn)性度提出了更高的要求，并且PAM-4收發(fā)芯片會(huì )帶來(lái)成本和功耗等問(wèn)題，除此，PAM-4方案相對前幾種方案靈敏度也較低。不過(guò)，由于業(yè)界很多著(zhù)名電芯片公司擬推出PAM-4編解碼芯片，這將有望大幅降低PAM-4方案的收發(fā)難度和成本。

　　除此之外，上述各方案為了達到PON網(wǎng)絡(luò )系統的功率預算要求，基本上都需要采用光放大器，由此帶來(lái)的光放大器的成本、功耗和集成度等問(wèn)題也是單波高速PON需要面臨和解決的問(wèn)題。

　　每一代PON系統的演進(jìn)和發(fā)展都離不開(kāi)產(chǎn)業(yè)鏈的配合，當前25G光電器件正在不斷成熟。其中，25G電芯片已經(jīng)成熟商用，比如25G電吸收調制激光器驅動(dòng)器、25G馬赫曾德?tīng)栒{制器、25G數據時(shí)鐘恢復和跨阻放大器等;25G O波段的激光器基于PIN接收光組件也已經(jīng)成熟商用多年;業(yè)界正緊鑼密鼓開(kāi)發(fā)基于A(yíng)PD的25G接收光組件?？梢哉f(shuō)，25G光芯片正處于高速發(fā)展期。

　　隨著(zhù)光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的進(jìn)步，以及高速光電芯片的不斷發(fā)展，相信單波速率將會(huì )不斷得到提升，單波高速PON系統也將會(huì )迎來(lái)更加美好的明天。