NG-PON2技術進展及其應用研究*

蔣 銘，沈成彬，金嘉亮

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和創(chuàng)新使IPTV、高清電視、3D電視、移動多媒體等新興業(yè)務不斷涌現(xiàn)，信息傳輸帶寬的需求一直在以爆炸式的速度增長；同時，隨著4G牌照發(fā)放，LTE移動網(wǎng)絡將在今后幾年廣泛部署，這也對運營商移動基站前傳等業(yè)務提出了更高的性能要求。支持家庭、企業(yè)、無線等全業(yè)務接入是下一代PON的發(fā)展方向。目前“百兆到戶”已經(jīng)成為用戶的普遍需求，部分運營商和部分地區(qū)已經(jīng)提出了“千兆（吉比特）到戶”的目標，接入網(wǎng)絡面臨著前所未有的帶寬壓力。因此，提高光纖接入網(wǎng)容量是解決今后帶寬瓶頸限制的根本手段。

圖1給出了PON技術的演進路線。PON技術將要從速率為1 Gbit/s的PON系統(tǒng)向著10 Gbit/s，甚至40 Gbit/s的PON系統(tǒng)或更高速率的方向發(fā)展。EPON/GPON已經(jīng)在網(wǎng)絡中規(guī)模部署，10 Gbit/s速率的時分復用 （time division multiplexing，TDM）PON系統(tǒng)也在快速發(fā)展，特別是10 Gbit/s-EPON也已開始商用。從技術實現(xiàn)上來講，由于單純的時分多址（time division multiple access，TDMA）技術已經(jīng)很難有更大的突破，10 Gbit/s速率以后僅從單波長速率上提升難度很大，在后10 Gbit/s時代將多種接入技術混合會成為主流實現(xiàn)方式。

在完成XG-PON標準的制定之后，國際標準化組織全業(yè)務接入網(wǎng)（full service access network，F(xiàn)SAN）聯(lián)盟即開始了NG-PON2標準研究?；谌蚋髦髁鬟\營商對NG-PON2的技術需求，F(xiàn)SAN聯(lián)盟確定NG-PON2技術的主要特征如下。

·更好的技術性能：包括更高的上下行速率、更強的組網(wǎng)能力、更先進的業(yè)務管控和網(wǎng)絡維護能力。

·光分配網(wǎng)絡（optical distribution network，ODN）重用：ODN的生命周期長達20年以上，并且其建設成本是整個PON系統(tǒng)中最大的部分，因此NG-PON2所采用的技術方案必須盡可能重用現(xiàn)有的ODN。

·技術的平滑演進：由于各運營商的PON的部署情況和規(guī)劃不一致，因此需要考慮多樣化的PON技術演進路線并盡可能保證演進的平滑性，包括GPON演進到 NG-PON2、XG-PON演進到 NG-PON2以及GPON/XG-PON同時演進到NG-PON2。

·多業(yè)務承載：能夠承載家庭客戶、企業(yè)專線以及基站回傳和基站前傳等業(yè)務。

NG-PON2的主流備選技術方案包括高速TDMA-PON、TWDM PON、OFDM-PON及WDM-PON。FSAN聯(lián)盟對上述技術進行了系統(tǒng)的分析和對比，包括傳輸距離、分光比、功耗、器件成熟度和成本、ODN重用、與已有PON系統(tǒng)的共存等方面，并在2012年4月份的FSAN會議上確定采用TWDM PON技術作為NG-PON2的實現(xiàn)方案，并且開始起草G.989系列標準。

2 NG-PON2技術分析

2.1 NG-PON2系統(tǒng)架構

NG-PON2選擇TWDM PON作為主要技術方案，主要的訴求就是充分利用傳統(tǒng)PON技術在器件層面的長期技術積累和已經(jīng)成熟的XG-PON芯片協(xié)議層技術，并且能夠與傳統(tǒng)的GPON/XG-PON共存于已有的ODN中，并在網(wǎng)絡和用戶兩個維度上都能支持平滑演進。TWDM PON系統(tǒng)采用波分時分混合復用技術，技術思路是在一個ODN上將多個時分PON通道（類XG-PON系統(tǒng)）通過波長通道堆疊起來，提高系統(tǒng)的能力。圖2給出了TWDM PON的邏輯架構，其中OLT同時對多路波長通道進行復用和解復用，在任何時刻，ONU通過可調(diào)光收發(fā)器選擇具體一個波長通道（接收波長和發(fā)送波長）和OLT進行通信。在每個波長通道中，采用現(xiàn)有的XG-PON的傳輸匯聚（TC）層協(xié)議，實現(xiàn)OLT和ONU之間的交互。另外，在NG-PON2技術方案中還可選支持可調(diào)諧的點對點波長堆疊（point-to-point WDM）技術。其中，每個ONU被分配獨有的上行波長和下行波長，因此ONU之間的功能、性能都互不影響，通信業(yè)務特征也具有低時延、高帶寬等優(yōu)點，適用于對時延和帶寬非常敏感的移動前傳和企業(yè)應用等場景。

NG-PON2技術有一個關鍵系統(tǒng)需求，也是其最大特點，就是能與傳統(tǒng)已經(jīng)部署的PON共存在同一張ODN中，也就是重用ODN，這點是運營商最為關注的特性。圖3給出了NG-PON2系統(tǒng)通過波分復用器/解復用器（CEx）在同一個 ODN上實現(xiàn) TWDM PON、PtP WDM與 OTDR、GPON/XG-PON以及RF視頻等技術的共存，并可基于業(yè)務需求及后續(xù)器件成熟度，擴展堆疊更多的波長通道，實現(xiàn)系統(tǒng)能力的擴容以及靈活部署。

2.2 NG-PON2的關鍵技術特性

盡管NG-PON2技術在TC層重用XG-PON的協(xié)議，但是由于引入了波長堆疊的技術方案，因此仍然有很多獨特的技術特性，以支持新的架構和功能。擴展功能主要集中在多速率上行支持、波長通道管理、OLT端口間通信等方面。

（1）基本要求

傳統(tǒng)的XG-PON技術只支持上行2.5 Gbit/s、下行10 Gbit/s速率，而在NG-PON2系統(tǒng)中除了要求單波長支持上述速率外，還額外增加了兩類對稱速率的要求：上下行 10 Gbit/s和上下行2.5 Gbit/s，見表1。

表1 TWDM PON速率要求

OLT支持端口速率有4種類型，其中包含上行雙速率的支持。正常情況下，ONU在上行和下行各僅需支持一種速率。對稱速率的要求源自運營商開展對稱寬帶業(yè)務的需求，但是在XG-PON技術中TC層協(xié)議未對對稱速率做過標準化，因此NG-PON2技術中需要在TC層協(xié)議上增加對稱速率的要求，并且考慮3種速率混合組網(wǎng)的情況。協(xié)議層設計中對帶寬分配規(guī)則進行了增強，并納入了多速率的ID設計，以支持上述提到的多種速率場景要求。

系統(tǒng)容量方面，標準要求NG-PON2系統(tǒng)至少支持4個波長的堆疊，可選支持8個波長的堆疊。也就是說NG-PON2系統(tǒng)單OLT PON端口可以達到40 Gbit/s的系統(tǒng)能力。

傳輸距離方面，充分考慮了運營商局點融合的部署思路，減少接入站點的數(shù)量，要求在無源ODN下傳輸距離至少是40 km，并具備擴展到60 km（有源室外站或無源室外站，優(yōu)選后者）的能力。

ODN重用是運營商最關注的特性，因此NG-PON2技術明確要求支持部署有功率分光器（power splitter）方式的傳統(tǒng)ODN。NG-PON2系統(tǒng)盡管要求至少支持1∶256的分光比，但是考慮到技術成熟度和成本，提出結合應用場景在速率、傳輸距離和分光比上做出靈活調(diào)整，比如1∶64分光比以及20 km傳輸距離下可以達到下行40 Gbit/s、上行10 Gbit/s的速率能力，或者在相同傳輸距離下降低分光比至1∶32，將系統(tǒng)能力提升到上下行對稱40 Gbit/s。

（2）波長規(guī)劃

NG-PON2技術與傳統(tǒng)的TDM PON最大的區(qū)別，就是引入了波長維度，因此NG-PON2需要明確所使用的波長范圍。由于NG-PON2系統(tǒng)要能夠與傳統(tǒng)已部署的PON通過波分復用的方式在同一個ODN中共存，因此TWDM PON系統(tǒng)在規(guī)劃波長時必須避開傳統(tǒng)PON已經(jīng)占用的波段，上行波長選擇了C-波段，下行波長選擇了L+波段，具體波長參數(shù)見表2。PtP WDM的波長規(guī)劃則分為兩類：共享譜寬和擴展譜寬。其中共享譜寬主要是考慮和TWDM PON共存時的應用場景，但代價則是對于器件的技術性能要求較高（保護帶3 nm過于狹窄）。擴展譜寬則考慮沒有需要與傳統(tǒng)的XG-PON以及TWDM PON共存的應用場景，從而帶來的好處則是可以重復利用C和L兩個光學性能優(yōu)異、器件也相對成熟的波段。

另外，在NG-PON2標準中詳細定義了TWDM PON系統(tǒng)中8個下行波長的值，但考慮到 “無色”O(jiān)NU（colorless ONU）的實現(xiàn)方式不同，如溫控的波長調(diào)諧收發(fā)器以及基于TEC控制的波長調(diào)諧收發(fā)器，因此沒有規(guī)定上行方向的絕對波長值。但是這種方式可能會導致不同廠商的設備提供的上行方向的值以及相應波長復用/解復用器件的指標不同，給統(tǒng)一管理和異廠商的設備互操作帶來相當?shù)碾y度。

目前TWDM PON和PtP WDM的上下行波長范圍均已經(jīng)在ITU-T G.989.2中詳細定義，但是具體上下行波長間隔及格點具體值還有待進一步討論確定，波長間隔應為固定值，以保證某一信道波長隨溫度的漂移不會影響到相鄰信道。對于PtP WDM，由于存在移動前傳等室外場景應用，溫度波動較大，因此在標準制定時應考慮波長間隔和信道帶寬兩個參數(shù)的合理折中。

表2 NG-PON2波長規(guī)劃情況

（3）PMD 層關鍵技術

TWDM PON是多個時分PON通道在波長維度上堆疊而成，因此PMD層是NG-PON2的一個核心內(nèi)容。PMD層的指標要求與設備的實現(xiàn)也緊密相關，需要同步考慮設備的性能和可實現(xiàn)性。關鍵技術包括ONU可調(diào)諧器件的指標要求、OLT模塊光收發(fā)特性、FEC功能要求、共存器件CEx和WM的指標要求、高速率的編碼方式和ODN功率預算等級等。

在編碼方式上，TWDMPON的下行信號和速率為2.5 Gbit/s的上行信號的線路編碼方式均沿用非歸零（NRZ）碼。而對于對稱系統(tǒng)中的速率為10 Gbit/s的上行信號，由于考慮長距離場景線路色散加劇，沿用非歸零碼有可能會對OLT端接收機性能提出較高要求，從而增加研發(fā)難度和成本，因此目前40 km場景+10 Gbit/s速率的場景中，具體應用的線路編碼方式仍然待定，有一定可能考慮引入高階編碼方式，改善長距離光纖色散的影響。

（4）TC 層的關鍵技術

TWDM PON由4～8個時分PON通道堆疊而成，原則上每個波長通道都以XG-PON的TC層協(xié)議為基礎，進行統(tǒng)一功能和性能的擴展。比如說由于多波長的引入，TC層協(xié)議需要增加對波長管理、波長的資源分配、波長調(diào)諧以及波長監(jiān)控等方面的功能，由此ONU的激活流程、ONU的狀態(tài)機都需要在XG-PON的基礎之上進行修訂和增強。目前標準中已經(jīng)基本明確了ONU的激活流程、波長調(diào)諧和波長校準的PLOAM消息，但是ONU的狀態(tài)機、動態(tài)帶寬分配算法、TWDM PON保護、流氓 ONU（rogue ONU）等方面都是目前持續(xù)討論的研究熱點。

在TWDM PON的保護中，波長是新的保護元素，且“無色”O(jiān)NU的需求，也給保護機制帶來了更高的靈活性。除了典型的Type B、Type C等保護結構之外，圖4給出了TWDM PON系統(tǒng)中的新型保護架構。

ONU的波長調(diào)諧和波長校準均需要花費毫秒級別的時間，對保護倒換時間造成一定影響。通過設計合理的TC層協(xié)議，例如，OLT提前通過PLOAM（物理層運行管理維護）消息或者 OMCI（ONU management and control interface）消息通知ONU備用波長的相關信息，使ONU在保護倒換前已經(jīng)完成備用波長的校準和切換準備工作，可以有效縮短保護倒換時間。同時，ONU保護過程中涉及波長的調(diào)諧和校準，ONU的狀態(tài)轉移也需要重新規(guī)范。

另外，流氓ONU的問題也是TC層中討論的熱點。在傳統(tǒng)的TDM PON中，流氓ONU的情況源自于ONU沒有按照協(xié)議的要求發(fā)光或者發(fā)光的光功率過高或過低，造成自身上行數(shù)據(jù)與其他正常ONU的上行數(shù)據(jù)發(fā)生重疊，造成干擾后分組丟失。在TWDM PON中由于多波長和可調(diào)諧技術的引入，會產(chǎn)生更多的流氓ONU可能性。例如ONU的上行波長在注冊激活階段由于自身波長校準精度不高，漂移到了相鄰工作信道中；或者ONU在工作狀態(tài)時，由于自身故障，將自身工作波長切換到其他信道等。因此檢測、隔離流氓ONU的機制也是研究和標準制定的關鍵點。

最后TWDM PON在討論需求的過程中，還引入了PAYG（pay as your grow）的重要概念，這就需要TWDM PON OLT的不同波長OLT端口能部署在同框的不同的線卡中，甚至是不同框的設備中。目前有諸多功能（例如在線校準、波長調(diào)節(jié)、流氓ONU處理以及OLT端口節(jié)能等）都需要不同程度的OLT波長端口間的通信和協(xié)作。目前研究關注點在于通信協(xié)作所需要的信息，而將具體的通信協(xié)議留作未來的研究內(nèi)容之一。

3 NG-PON2系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵器件

在傳統(tǒng)的TDM PON中，定義了上行和下行波長值，OLT和ONU按照標準的波長進行發(fā)送和接收。而NG-PON2系統(tǒng)考慮到多波長系統(tǒng)工作的靈活性，明確要求TWDM PON和PtP WDM系統(tǒng)中支持“無色”O(jiān)NU，也就是說ONU具備可調(diào)諧發(fā)送和可調(diào)諧接收的能力，可以調(diào)諧至指定的波長信道進行注冊和工作，因此對ONU的器件實現(xiàn)提出了很大的挑戰(zhàn)。另外，OLT側的光模塊要集成4～8個波長小型化緊湊型設計也具有很高的難度。

（1）ONU 可調(diào)激光器

半導體可調(diào)諧激光器按照調(diào)諧機理分類，主要可以分為電控制調(diào)諧、熱調(diào)諧和機械調(diào)諧三大類。目前國際上已商用的可調(diào)諧半導體激光器，主要是采用第一種方式實現(xiàn)大范圍可調(diào)激光器，范圍可達30 nm，主要用于傳輸網(wǎng)，這種大范圍可調(diào)激光器芯片都需要進行額外的外延生長和光柵制作，工藝復雜、成本高昂、尺寸大，無法直接用于PON領域。在下一代光接入技術發(fā)展推動下，目前已經(jīng)有一批企業(yè)、研究所進行研究。可調(diào)激光器目前主要是研究采用DFB、DBR激光器溫度調(diào)諧，在一些廠商的原型機上已經(jīng)有所采用，而要實現(xiàn)低成本的光組件，最終形態(tài)必須是TO（transistor-outline）型封裝，以利用現(xiàn)有的PON光組件制造技術。

（2）ONU 可調(diào)濾波器

ONU光接收機所用的可調(diào)濾波器也是一個研究熱點，目前商用的可調(diào)濾波器大多基于調(diào)整薄膜濾波器的光入射角實現(xiàn)。這種機械式可調(diào)諧濾波器體積大、成本高，需要對每個濾波器單獨組裝和測試，無法用于TWDM PON光組件中。因此開發(fā)可置于TO內(nèi)的微型可調(diào)諧濾波器芯片將是TWDM PON光組件成功的關鍵。目前的研究熱點主要集中在基于薄膜、微機電系統(tǒng)（MEMS）、液晶或硅光子集成技術的微型可調(diào)諧濾波器的小型化和產(chǎn)業(yè)化方向。

（3）OLT 緊湊型光模塊

由于OLT端光器件及配套電層芯片的性能指標（例如激光器線寬、波長穩(wěn)定性、調(diào)諧精度、突發(fā)接收性能等）均高于ONU端同類器件，造成目前大多數(shù)廠商的原型機的OLT端光模塊均為 CFP（centum form-factor pluggable）等大體積封裝形式，單塊線卡上可用端口有限。提高OLT的端口密度可以有效降低部署成本，采用集成光電子的相關技術，將多個功能模塊集成到單一器件上，遠景上可以大幅度縮小光模塊封裝尺寸，達到目前單線卡4～8個端口的性能要求。

4 NG-PON2技術的標準化進展

2012年確定采用TWDM PON技術方案后，F(xiàn)SAN聯(lián)盟就啟動了NG-PON2標準化的工作，制定G.989.x系列標準。其中，ITU-T G.989.1規(guī)范了NG-PON2的總體技術要求，該標準的主體內(nèi)容來自于FSAN聯(lián)盟中運營商牽頭制定的NG-PON2白皮書，2013年初通過表決，2014年將制定G.989.1 Amd1，增加NG-PON2保護功能以及節(jié)能相關的總體要求；G.989.2規(guī)范了物理介質關聯(lián)（PMD）層要求，在2013年12月的ITU-T SG15會議上通過表決；G.989.3規(guī)范了TC層的技術要求，現(xiàn)處于研究和起草階段，其中TC層多種ID的標識方法、ONU的狀態(tài)機、ONU波長調(diào)諧相關的PLOAM消息等方面是當前討論的熱點問題，尚未達成一致意見且PtP WDM的TC層要求完全空白，還需要大量的工作，預計該標準最早在2014年11月通過表決。在OMCI層面，仍然沿用G.988標準，2014年會啟動修訂工作，將NG-PON2的新需求納入該標準中。預計在2015年，將形成比較完善的NG-PON2國際標準。

歐美主流運營商對NG-PON2的態(tài)度十分積極，特別是以Verizon為代表的運營商提出現(xiàn)有的PON已經(jīng)存在局限，計劃在2015年部署NG-PON2技術。另外BT、FT等運營商也提出NG-PON2技術必須支持移動前傳、移動回傳以及企業(yè)專線承載的應用，并指出會將NG-PON2技術優(yōu)先應用在移動前傳的場景。這些需求極大地推動了NG-PON2的技術標準制定和廠商設備的研制。設備廠商紛紛開展了技術研究和原型機研制工作，緊湊型的OLT光模塊和“無色”O(jiān)NU的光模塊都已經(jīng)有樣品，華為技術、中興通訊等公司已研制出NG-PON2的原型機。但是從目前來看，受限于低成本、高可靠性的可調(diào)光器件不成熟等問題，NG-PON2的規(guī)模商用尚待時日。

5 結束語

NG-PON2作為下一代PON的技術方案，在提升性能、滿足新興應用需求的同時，兼顧了與現(xiàn)有PON的兼容性，是PON技術的發(fā)展方向，受到了國際主流運營商的高度關注和廣泛支持。NG-PON2的國際標準處于制定中，預計在2015年將形成比較完善的技術標準。產(chǎn)業(yè)鏈也在快速發(fā)展中，一些設備廠商和器件廠商已經(jīng)推出了相關的樣機和樣品。隨著高速寬帶接入、移動基站前傳等新型應用的快速發(fā)展，以TWDM PON和PtP WDM為基礎的NG-PON2技術將在今后作為接入網(wǎng)領域的主力得到廣泛部署應用。

1 ITU-T G.989.1.40-Gigabit-Capable Passive Optical Networks(NG-PON2):General Requirements，2013

2 ITU-T G.989.2，40-Gigabit-Capable Passive Optical Networks 2(NG PON2):PhysicalMedia Dependent(PMD)Layer Specification，2013

3 ITU-T G.989.3 Draft， 40-Gigabit-Capable Passive Optical Networks(NG-PON2):Transmission Convergence Layer,2014