25G/100G-PON進(jìn)展和演進(jìn)趨勢分析

　　ICCSZ訊    摘要：本文介紹了25G/100G-PON標準進(jìn)展，給出了25G/100G-PON調制技術(shù)和波長(cháng)規劃對比分析，論述了下一代PON演進(jìn)趨勢，介紹了產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展情況。

　　“寬帶中國”戰略首次在國家層面將寬帶網(wǎng)絡(luò )定位為“新時(shí)期我國經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的戰略性公共基礎設施”，寬帶接入網(wǎng)具有投資大，建設周期長(cháng)，網(wǎng)絡(luò )復雜的突出特點(diǎn)，是寬帶網(wǎng)絡(luò )的主要組成部分。隨著(zhù)云計算、高清視頻、虛擬現實(shí)等新業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，用戶(hù)帶寬以每5-6年10倍速度增長(cháng)，現有接入網(wǎng)技術(shù)需要不斷進(jìn)行升級以適應更高的帶寬和技術(shù)要求?；邳c(diǎn)到多點(diǎn)拓撲的PON網(wǎng)絡(luò )是主流寬帶接入技術(shù)，PON網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了從EPON和GPON到10G PON的發(fā)展歷程。當前全球寬帶接入市場(chǎng)逐步進(jìn)入千兆時(shí)代，未來(lái)10G入戶(hù)將成為寬帶接入建設的必然趨勢。隨著(zhù)4K視頻和5G技術(shù)的加速發(fā)展，10G-PON技術(shù)也難以滿(mǎn)足未來(lái)的駐地接入和移動(dòng)前傳和回傳的帶寬需求，支持25G/100G更高速率的PON技術(shù)正逐步成為業(yè)界研究熱點(diǎn)。

　　1 下一代PON標準進(jìn)展

　　10G-PON之后PON技術(shù)的演進(jìn)主要有2種方式，一種是單波長(cháng)速率提升，波特率由10G提升到25G/40G等;另一種是采用多波長(cháng)疊加方式，每波長(cháng)承載的速率是10G/25G，多波長(cháng)疊加到40G/80G/100G。

　　FSAN 組織在2011 年啟動(dòng)NGPON2 的標準研發(fā)，2015年完成標準制定。FSAN 組織選擇了TWDM-PON 作為主要技術(shù)方案，采用4/8波長(cháng)疊加方式，每波長(cháng)采用10G TDM方式，在移動(dòng)回傳和商業(yè)客戶(hù)中可選擇點(diǎn)對點(diǎn)的WDM overlay 技術(shù)。NGPON2 的關(guān)鍵需求主要為40G 下行和40G/10G 上行， 實(shí)現20km 傳輸距離和1:64 分光。ITU標準組織也在關(guān)注單波25G的研究進(jìn)展，預計近期將啟動(dòng)25G-PON的標準制定。

　　2013年IEEE開(kāi)始啟動(dòng)NG-EPON研究，成立了IEEE ICCOM對NG-EPON的市場(chǎng)需求、技術(shù)方案進(jìn)行分析，2015年3月發(fā)布了NG-EPON技術(shù)白皮書(shū)。2015年7月開(kāi)始啟動(dòng)100G-EPON標準制定，命名為IEEE 802.3ca ，預計在2018年發(fā)布100G-EPON標準。100G-EPON目標定義了3種MAC層速率25G,50G和100G。其中25G分為非對稱(chēng) 10G/25G和對稱(chēng)25G/25G二種制式。

　　2 25G/100G-PON調制技術(shù)分析

　　由于接入網(wǎng)技術(shù)升級快，規模巨大，投入高，高性能和低成本一直是決定接入網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)的關(guān)鍵因素。其中光器件由于成本占比高，更是接入網(wǎng)技術(shù)升級需要考慮的重中之重。當前E/GPON和10G-PON的光器件產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟，而10G-PON之后25G/40G光器件具有技術(shù)密集、成本高的特點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)鏈尚待培育。傳統基于OOK調制的PON技術(shù)在10G之后，會(huì )出現色散大，接收靈敏度下降等問(wèn)題，在設計中使用色散補償和均衡算法來(lái)提升性能是常見(jiàn)方案。高速光器件的帶寬是保障性能和制約其成本的核心要素，如果使用低帶寬的光器件來(lái)傳輸高速信號，就需要引入雙二進(jìn)制和PAM4等高級調制技術(shù)，這些也會(huì )提高電路實(shí)現的復雜度，例如使用高速AD/DA和DSP器件。

　　對于10G-PON之后的下一代PON，業(yè)界最近研究較多的是單波長(cháng)25G-PON，其實(shí)現方式主要有NRZ調制、雙二進(jìn)制調制和PAM4調制三種方式，分別論述如下：

　　(1)NRZ調制

　　基于NRZ調制的25G-PON主要有2種實(shí)現方式： 一種是發(fā)送端和接收端均采用25G光器件;另一種是發(fā)送端采用25G光器件，為降低成本，接收端采用10G帶寬光器件，通過(guò)DSP帶寬補償算法來(lái)實(shí)現 25G傳輸速率，以上2種方案的調制均采用OOK直接調制方式。其關(guān)鍵技術(shù)主要有如下幾點(diǎn)：一是上行25G突發(fā)模式的電芯片BCDR實(shí)現難度大;二是如果波長(cháng)規劃在O波段之外，還要增加色散補償算法;三是為滿(mǎn)足PON網(wǎng)絡(luò )功率預算要求，發(fā)送端一般引入預加重，接收端采用均衡算法提高靈敏度。NRZ調制的優(yōu)點(diǎn)是系統實(shí)現簡(jiǎn)潔，關(guān)鍵光器件可以重用100G以太網(wǎng)和10G-PON的成熟產(chǎn)業(yè)鏈。25G光收發(fā)器件當前成本較高，隨著(zhù)25G器件在數據中心和FTTx的大規模應用，未來(lái)會(huì )有一定下降空間。

　　(2)雙二進(jìn)制調制

　　雙二進(jìn)制是一種二進(jìn)制的數據編碼方式，它將二進(jìn)制中邏輯信號“0”轉換為邏輯信號“+1”和“-1”，使信號的頻譜帶寬減小為原來(lái)一半。在光纖通信中雙二進(jìn)制有兩種應用形式, 一種是采用三電平幅度調制, 這種形式的雙二進(jìn)制在接收機需要雙二進(jìn)制解碼電路, 與傳統二進(jìn)制IM-DD 系統相比, 三電平判決會(huì )導致接收機靈敏度劣化。 另一種雙二進(jìn)制實(shí)現方式是光雙二進(jìn)制, 使用M-Z 調制器, 采用幅度調制和相位調制(AM-PSK) 相結合方式, 該方案的特點(diǎn)是接收端可以與傳統二進(jìn)制IM-DD 系統的接收機兼容, 不導致靈敏度劣化。三電平幅度調制方案的優(yōu)點(diǎn)是，系統實(shí)現簡(jiǎn)單，電域、光域的信號帶寬與NRZ的系統相比可以減小一半。缺點(diǎn)是與NRZ系統相比，系統光功率預算會(huì )下降。光雙二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn)是在接收端不需要判斷所接收的相位是多少，只要取出其幅值即可，因此在接收端只需要使用傳統的直接檢測器件，其難點(diǎn)是M- Z調制器的體積大和成本高。

　　(3)PAM4調制

　　脈沖幅度調制(PAM)是高階調制技術(shù)的一種，原理是將2個(gè)或以上比特信息映射到不同的發(fā)射脈沖幅度(電壓)上增加每符號的比特傳輸速率。使用 PAM調制的主要目的是在提高傳輸速率的情況下，降低或者保持傳輸信號的帶寬不變，從而降低或保持發(fā)射和接收機的成本。PAM-4有4個(gè)幅度信息，每個(gè)幅度上可攜帶2bit的信息。PAM-4調制的色散容限相對于NRZ可提升4倍。PAM4調制可以采用12.5G帶寬光器件，傳輸25G的信號，但是相應代價(jià)是在發(fā)送端和接收端要采用高速AD和DA等技術(shù)進(jìn)行編解碼，接收端還需要采用相對復雜的算法進(jìn)行帶寬補償。

　　綜合以上分析， 單波長(cháng)25G-PON實(shí)現需要對光器件帶寬和電層實(shí)現復雜度二個(gè)核心因素進(jìn)行權衡，選擇出性?xún)r(jià)比合適的實(shí)現方案?；贜RZ編碼的25G-PON由于架構簡(jiǎn)潔，器件成熟度高，近期成為標準制定和業(yè)界研究的主要熱點(diǎn)。單波長(cháng)實(shí)現25G傳輸速率后，就可以結合多波長(cháng)疊加以及通道綁定(Channel binding)技術(shù)來(lái)實(shí)現50G-PON(2波長(cháng))和100G-PON(4波長(cháng))。

　　3 25G/100G-PON波長(cháng)規劃分析

　　25G/100G-PON系統的波長(cháng)選擇主要考慮光纖色散，光纖損耗，已有PON系統兼容性，光器件成本和技術(shù)實(shí)現復雜度等幾方面因素。

　　25G/100G-PON包含25G、50G和100G三種速率，100G采用4個(gè)波長(cháng)，每個(gè)波長(cháng)25G，可選的波長(cháng)規劃主要有以下三種方案：1)全O波段：上下行4對波長(cháng)均位于O波段;2)O/C/L波段一：第一個(gè)波長(cháng)通道Lane0上下行波長(cháng)位于O波段，其他波長(cháng)位于C、L波段;3)O/C/L 波段二：所有上行波長(cháng)位于O波段，所有下行波長(cháng)位于C、L波段。全O波段方案可以采用NRZ調制，無(wú)需復雜的色散補償處理，可以重用100G以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，可以使用DML和EML激光器，物理層實(shí)現簡(jiǎn)單。O/C/L波段方案波長(cháng)通帶范圍大，激光器波長(cháng)漂移指標降低，可以采用無(wú)制冷激光器，合分波器設計容易，可以使用EDFA放大器，但C、L波段色散大，需要采用復雜調制、均衡等技術(shù)進(jìn)行色散補償，其性能、成本影響還需進(jìn)一步研究。

　　4 下一代PON演進(jìn)趨勢

　　圖1 PON技術(shù)演進(jìn)趨勢示意圖

　　圖1給出了IEEE標準體系和ITU標準體系的PON未來(lái)演進(jìn)趨勢，PON技術(shù)演進(jìn)可從如下二方面來(lái)進(jìn)行分析：

　　(1)技術(shù)升級換代：對于IEEE標準體系，EPON演進(jìn)到10G-EPON之后，對稱(chēng)10G-EPON將逐漸成為主流;10G-EPON之后將演進(jìn)到單波長(cháng)25G-EPON和多波長(cháng)50G/100G-EPON，其中單波長(cháng)25G-EPON，采用NRZ技術(shù)是近期標準組織主要討論的技術(shù)方向， PAM4等高級調制技術(shù)在單波長(cháng)50G以上速率可能成為未來(lái)研究熱點(diǎn)。對于ITU標準體系，非對稱(chēng)XGPON1將逐步演進(jìn)到對稱(chēng)XGS-PON。 NGPON2未來(lái)要規模商用，需要解決技術(shù)復雜和成本較高的問(wèn)題。對于NGPON2之后的下一代PON技術(shù)，ITU在物理層技術(shù)上將會(huì )和IEEE逐步融合。

　　(2)平滑演進(jìn)兼容：對于下一代PON技術(shù)兼容性，考慮到帶寬需求的增長(cháng)和波長(cháng)資源和成本因素，2代PON兼容是比較合理的選擇，即EPON和 10G-EPON兼容，10G-EPON和25G/100G-EPON兼容;GPON和10GGPON兼容，10GGPON和NGPON2兼容。

　　從帶寬需求上看，10G-PON能夠提供每用戶(hù)100M~1G帶寬，可以滿(mǎn)足2020年前的用戶(hù)帶寬需求，2020年后25G-PON，NGPON2，50G/100G PON可以為用戶(hù)提供1G~10G帶寬，2020年后預計逐步進(jìn)入商用。

　　5 下一代PON產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展

　　在10G-PON之后的25G/100G-PON研究上，近期產(chǎn)業(yè)鏈上下游成果頗豐。SiFotonics近期推出針對下一代100G-PON光接入的硅光低成本25G APD器件，2016年4月中興通訊和上海大學(xué)對其進(jìn)行了測試，接收靈敏度可以達到-28.5dB。Avago和住友在25GEML/DML激光器上也積極投入研發(fā)，已經(jīng)推出成熟的產(chǎn)品。光模塊廠(chǎng)家海信和光訊也在積極開(kāi)展25G/100G-PON光模塊研發(fā)，預計2016下半年會(huì )有樣品面試。近期在OFC和ECOC上多家科研院所和設備商有研究論文和原型樣機發(fā)布。中興通訊在25G/100G-PON上也積極投入研發(fā)，是100G-EPON標準制定發(fā)起人之一，為NG-EPON技術(shù)白皮書(shū)和100G- EPON標準的主要貢獻者。2013年中興通訊開(kāi)始研發(fā)25G/100G-PON設備，先后獲得深圳市科技創(chuàng )新計劃技術(shù)攻關(guān)100G-PON項目支持，和上海市科委高新技術(shù)領(lǐng)域100G-PON項目支持。

　　6 總結

　　當前10G-PON正在規模部署，25G-EPON/100G-EPON正在進(jìn)行標準制定，單波長(cháng)25G正在成為標準和技術(shù)研究熱點(diǎn)。10G- PON滿(mǎn)足近期的帶寬需求，25G/100G-PON在2020年后將逐步商用。中興通訊在25G/100G-PON上積極投入，逐步推動(dòng)標準制定和產(chǎn)業(yè)鏈成熟。