NG-PON技術(shù)背景、應(yīng)用和展望

（中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057）

1 技術(shù)背景

寬帶網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為各國(guó)信息化的戰(zhàn)略性公共基礎(chǔ)設(shè)施，寬帶光接入網(wǎng)具有投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的突出特點(diǎn)，是寬帶網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著云計(jì)算、高清視頻等新業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，用戶帶寬以每5～6年10倍速度增長(zhǎng)，面對(duì)用戶對(duì)帶寬不斷增加的市場(chǎng)需求，當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始規(guī)模部署10 G無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON），為用戶提供高帶寬業(yè)務(wù)。其中，住宅用戶帶寬將會(huì)達(dá)到1 Gbit/s，企業(yè)用戶帶寬超過1 Gbit/s。未來隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）業(yè)務(wù)的加速應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃采用下一代（NG）-PON技術(shù)為每個(gè)用戶提供最高10 Gbit/s帶寬。同時(shí)隨著5G時(shí)代的到來，高頻基站的導(dǎo)入導(dǎo)致基站密度將大為增加，基于同一光纖接入（FTTX）光配線網(wǎng)（ODN），實(shí)現(xiàn)5G前傳或回傳的統(tǒng)一承載。NG-PON由于節(jié)省了大量光纖資源，成為運(yùn)營(yíng)商研究熱點(diǎn)。

寬帶接入網(wǎng)是一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，PON技術(shù)是主流寬帶的重要接入技術(shù)，PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)歷了從以太無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）和吉比特?zé)o源光網(wǎng)（GPON）到10 G PON的發(fā)展歷程。隨著AR/VR和5G技術(shù)的加速發(fā)展，10 G PON技術(shù)也難以滿足未來的駐地接入和移動(dòng)前傳/回傳的帶寬需求，因此下一代更高速率的PON技術(shù)正逐步成為業(yè)界研究熱點(diǎn)。

2 技術(shù)進(jìn)展

從技術(shù)路線角度看，NG-PON分成單波長(zhǎng)提速和多波長(zhǎng)疊加2條路線演進(jìn)，具體如圖1所示。對(duì)于下一代單波長(zhǎng)提速技術(shù)路線，考慮到當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀以及未來低成本規(guī)模商用，基于25 Gbit/s基礎(chǔ)速率可以復(fù)用現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心25 G/100 G以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，并可以通過高階調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)50 Gbit/s的速率。對(duì)于有更高帶寬的需求，可以采用多波長(zhǎng)的疊加方式擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。一些特殊高帶寬和低延遲需求（如5G前傳）可以采用密集波分復(fù)用（WDM）-PON方式，其中每個(gè)通道實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）直連。當(dāng)前電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）就是基于這個(gè)思路演進(jìn)[1]。

其中，IEEE率先啟動(dòng)了NG-PON技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定，單根光纖上支持25 Gbit/s下行速率，同時(shí)也可以支持10 Gbit/s或25 Gbit/s的上行速率，并且可以和10 G EPON兼容。而對(duì)于50 Gbit/s需求帶寬，采用多波長(zhǎng)疊加技術(shù)和通道綁定技術(shù)可以提供2個(gè)25 Gbit/s通道，實(shí)現(xiàn)50 Gbit/s帶寬，其標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2019年中提交發(fā)布。

圖1 無源光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)示意圖

同時(shí)，ITU-T也在考慮10 G PON（XG-PON1和XGS-PON）后的技術(shù)?；谇捌贕.sup.hsp后10 G PON技術(shù)研究白皮書，并考慮了家庭用戶、企業(yè)用戶、移動(dòng)回傳和前傳的需求，運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商等產(chǎn)業(yè)鏈逐步形成了對(duì)于NG-PON的需求，于2018年1月立項(xiàng)了50 G PON的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)立項(xiàng)的還有基于多波長(zhǎng)疊加的NGPON2下一代，其中每個(gè)通道的速率為50 Gbit/s。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

NG-PON將極大地?cái)U(kuò)展PON技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為各類用戶提供低成本、高帶寬的接入業(yè)務(wù)。當(dāng)前NGPON聚焦在固網(wǎng)新業(yè)務(wù)挖掘和5G承載新領(lǐng)域的擴(kuò)展，具體包括：

（1）AR/VR高帶寬應(yīng)用；

（2）5G回傳業(yè)務(wù)；

（3）5G前傳業(yè)務(wù)。

AR/VR技術(shù)對(duì)于帶寬有著極高要求，以VR技術(shù)為例（具體如表1所示），進(jìn)入規(guī)模商用階段的高級(jí)VR，帶寬需要近500 Mbit/s，依照1：64分光比計(jì)算，即使考慮實(shí)際用戶并發(fā)率，10 G PON也難以滿足要求；而對(duì)于極致級(jí)VR的1 G帶寬需求，則需要PON口帶寬近50 Gbit/s。另外，還對(duì)NG-PON的帶寬演進(jìn)提出了明確的需求。

表1 VR幾個(gè)階段帶寬需求表

圖2 無源光纖網(wǎng)絡(luò)無線回傳場(chǎng)景

5G基站回傳組網(wǎng)如圖2所示，其對(duì)于帶寬需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4G基站，單站回傳帶寬需求從4G的數(shù)百兆到Sub6G低頻5G基站的近5 Gbit/s，高頻基站要大于10 G。依照正常PON回傳應(yīng)用的分光比1：8來計(jì)算，需要至少大于40 Gbit/s以上帶寬，這就需要NG-PON來滿足5G的帶寬需求。為此，下一代單波50 G PON技術(shù)可以承載Sub6G的低頻5G基站回傳，NG-PON2可以支持大于100 Gbit/s帶寬，用于高頻5G基站回傳。同時(shí)，5G業(yè)務(wù)對(duì)延遲要求更高，增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬（eMMB）需要1～4 ms，高可靠超低時(shí)延通信（uRLLC）業(yè)務(wù)需要0.5 ms。相比現(xiàn)在10 G PON，NG-PON在動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBA）方面會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化，滿足5G低時(shí)延業(yè)務(wù)的要求[2]。

圖3 25 G WDM-PON 5G前傳場(chǎng)景

如圖3所示，對(duì)于5G前傳，WDM-PON技術(shù)基于FTTX ODN的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?shí)現(xiàn)了單纖10～20通道的密集波分，能大量節(jié)省光纖布線資源，且每個(gè)通道提供25～50 Gbit/s的帶寬，滿足5G前傳通用公共無線電接口（eCPRI）的帶寬需求。對(duì)于采用集中化無線接入（C-RAN）架構(gòu)，需要在城區(qū)實(shí)現(xiàn)5G基站密集連續(xù)覆蓋，同時(shí)骨干光纖資源非常緊張的場(chǎng)景，WDM-PON是一個(gè)非常合適的技術(shù)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

NG-PON技術(shù)中單波長(zhǎng)提速技術(shù)路線沿用現(xiàn)在TDM-PON技術(shù)，具有下行廣播連續(xù)發(fā)送和上行時(shí)分多址突發(fā)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，其主要關(guān)鍵技術(shù)包括調(diào)制技術(shù)、光模塊大功率收發(fā)技術(shù)、高性能前向糾錯(cuò)碼（FEC）、突發(fā)接收、超低延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)等技術(shù)。對(duì)于多波長(zhǎng)疊加技術(shù)路線，尤其是WDMPON技術(shù)，其核心技術(shù)聚焦于無色ONU技術(shù)。

4.1 調(diào)制技術(shù)

關(guān)于50 G PON調(diào)制方案，目前業(yè)界仍在研究中，具體包括不歸零碼（NRZ）、NRZ+均衡和四級(jí)電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）等。為了更好實(shí)現(xiàn)50 Gbit/s速率，NRZ需要50 Gbit/s的速率器件，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈不夠成熟。NRZ+均衡和PAM4基于25 Gbit/s速率器件，器件相對(duì)成熟，是50 G PON調(diào)制技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

4.2 光模塊大功率收發(fā)技術(shù)

PON已經(jīng)歷了好幾代技術(shù)變革，ODN網(wǎng)絡(luò)也已基本完成部署，功率預(yù)算達(dá)到32 dB。50 G PON需要兼容已有ODN網(wǎng)絡(luò)，功率預(yù)算是重大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心使用25 G激光器，其發(fā)射光功率在0 dBm左右，不能滿足32 dB光功率預(yù)算要求。25 G雪崩光電二極管（APD）接收50 G PAM4時(shí)的接收靈敏度大約為-20 dBm@1E-3，通過均衡補(bǔ)償高頻響應(yīng)。雖然當(dāng)前靈敏度有所改善，但要滿足32 dB功率預(yù)算仍存在挑戰(zhàn)，需要產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行突破。

4.3 高速突發(fā)接收技術(shù)

PON系統(tǒng)上行采用突發(fā)機(jī)制，不同ONU占用不同時(shí)隙突發(fā)發(fā)射，光線路終端（OLT）接收機(jī)需要突發(fā)跨阻放大器（TIA）快速建立工作電平，并需要突發(fā)模式時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)（BCDR）快速恢復(fù)時(shí)鐘，才能正確接收信號(hào)。目前還沒有針對(duì)50 G PON應(yīng)用的突發(fā)TIA和BCDR，需要產(chǎn)業(yè)鏈加大研究。

4.4 高性能FEC技術(shù)

高性能FEC是為了解決功率預(yù)算問題而提出新技術(shù)方向。目前PON采用的是冗余度為7%左右的里所碼（RS）編碼，能夠?qū)?E-3誤碼糾正到1E-12。低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）、Turbo乘積碼（TPC）、Polar碼等高性能FEC技術(shù)可以將1E-2誤碼率糾正到1E-12以下，但需要更高的編碼冗余、更高計(jì)算復(fù)雜度和更大的處理時(shí)延。

4.5 超低延遲轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)前GPON/XG(S)-PON技術(shù)存在上行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延過長(zhǎng)的問題，主要原因是：PON數(shù)據(jù)依照125 us周期進(jìn)行傳輸，一般DBA調(diào)度在4個(gè)周期左右?？紤]到數(shù)據(jù)包分片，如果不做特殊處理，上行時(shí)延將達(dá)到1 ms，這樣不能滿足5G回傳對(duì)接入段最低數(shù)百微秒的時(shí)延要求。同時(shí)，ONU開窗發(fā)現(xiàn)需要PON下面所有ONU在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)停止數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致時(shí)延達(dá)到數(shù)個(gè)毫秒以上，從而使得時(shí)延和抖動(dòng)更加惡劣。NG-PON技術(shù)將在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲和ONU開窗發(fā)現(xiàn)這2個(gè)方面做深入優(yōu)化，滿足5G回傳的要求。

4.6 無色ONU技術(shù)

作為WDM-PON系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，無色ONU一般采用波長(zhǎng)可調(diào)ONU技術(shù)方案，該方案采用可調(diào)諧激光器，實(shí)現(xiàn)在ONU側(cè)波長(zhǎng)的靈活配置。激光器波長(zhǎng)調(diào)諧采用電流調(diào)諧、溫度調(diào)諧或微機(jī)械調(diào)諧等方式來改變?cè)鲆娼橘|(zhì)折射率或者外腔反饋條件，以保證每一個(gè)ONU均工作在特定波長(zhǎng)上。直接調(diào)制可調(diào)諧激光器速率可達(dá)10 Gbit/s，與外調(diào)制器集成時(shí)能實(shí)現(xiàn)25 Gbit/s速率傳輸。波長(zhǎng)可調(diào)方案部署方式靈活，帶寬可擴(kuò)展性高，光信號(hào)質(zhì)量高，利于長(zhǎng)距離傳輸，是應(yīng)用最為成熟的無色ONU技術(shù)解決方案。目前業(yè)界有多種已商用的可調(diào)激光器技術(shù)方案，如：分布布拉格反射激光器（DBR）、數(shù)字超模DBR激光器（DS-DBR）、采樣光柵DBR激光器（SG-DBR）、外腔激光器（ECL）等。當(dāng)前可調(diào)激光器成本過高，影響規(guī)模商用，同時(shí)對(duì)于5G前傳的應(yīng)用場(chǎng)景，還面臨著功耗和工作溫度范圍的挑戰(zhàn)，對(duì)模塊自身溫度控制提出了較高的要求。

5 結(jié)束語

龐大的FTTX ODN光纖資源是運(yùn)營(yíng)商的巨大財(cái)富，充分利用這個(gè)資源實(shí)現(xiàn)用戶接入的低成本/高帶寬/低延遲普遍覆蓋，滿足各種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，是NG-PON的主要目標(biāo)。NGPON技術(shù)將實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有PON技術(shù)在同一個(gè)ODN下共存，不僅滿足當(dāng)前普通家寬業(yè)務(wù)，還可以提供滿足AR/VR應(yīng)用的更高帶寬家寬業(yè)務(wù)、更高帶寬/低延遲的企業(yè)業(yè)務(wù)，還可以實(shí)現(xiàn)5G基站回傳和前傳。NG-PON技術(shù)面向這些未來應(yīng)用，以更高速率、更低時(shí)延、更低成本和功耗等為技術(shù)目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)組織、運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備廠家以及產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)方面都在積極努力，以實(shí)現(xiàn)NG-PON技術(shù)的早日成熟。由于5G時(shí)代的到來，預(yù)計(jì)25 G WDMPON技術(shù)將在2020年左右實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用，下一代單波50 G PON將在2023年產(chǎn)生商用產(chǎn)品，開始試商用，2025年進(jìn)入規(guī)模商用。下一代PON技術(shù)的應(yīng)用必將有利于促進(jìn)未來固移融合新一代光接入網(wǎng)的規(guī)模建設(shè)。

專題預(yù)告

《中興通訊技術(shù)》2019年專題計(jì)劃