基于專用激活波長的低時延50G-PON原理與實現(xiàn)

張偉良/ZHANG Weiliang，黃新剛/HUANG Xingang，馬壯/MA Zhuang

（1.中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057；2.移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，中國 深圳 518055）

1 50G-PON承載低時延業(yè)務(wù)的需求

針對50G-無源光網(wǎng)絡(luò)（PON），國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）G.9804.1[1]指出了兩種承載低時延業(yè)務(wù)的場景——5G前傳和高級視頻傳輸，并通過引用G.Sup66[2]對5G前傳業(yè)務(wù)的時延要求做了相應(yīng)規(guī)定。

ITU-T G.Sup66標(biāo)準(zhǔn)[2]討論了PON承載移動前傳的需求和應(yīng)用場景，并給出了時分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）承載5G前傳業(yè)務(wù)的示例。該標(biāo)準(zhǔn)同時指出了不同5G業(yè)務(wù)端到端的時延需求，其中超可靠低時延通信（URLLC）業(yè)務(wù)的端到端時延為1～2.5 ms。表1進(jìn)一步提供了5G業(yè)務(wù)基于功能切分選項的時延指標(biāo)，其中選項4—8相應(yīng)的單向傳輸時延為100μs到幾百微秒。

▼表1 不同功能劃分的傳輸速率和時延范圍[2]

2 50G-PON低時延的技術(shù)難題及其解決方案分析

傳統(tǒng)TDM-PON架構(gòu)如圖1所示。光線路終端（OLT）通過單點到多點光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）連接多個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）。OLT和ONU之間采用一對上下行波長：下行方向采用TDM機(jī)制，此時OLT在不同的下行時隙中的向各ONU發(fā)送下行數(shù)據(jù)，各ONU篩選并接收屬于自己的數(shù)據(jù)；上行方向采用TDMA機(jī)制，此時OLT給各ONU分配上行帶寬，各ONU在屬于自己的上行帶寬內(nèi)向OLT發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

圖1 傳統(tǒng)時分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

當(dāng)ONU初次接入OLT時，一般OLT會對ONU進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和測距。為了發(fā)現(xiàn)并測距ONU，OLT需要開放安靜窗口，如圖2所示。在OLT發(fā)現(xiàn)和測距ONU的過程中，為了避免可能發(fā)生的上行沖突，OLT會停止給正常工作的ONU分配上行帶寬，此時正常工作的ONU也不能向OLT發(fā)送上行數(shù)據(jù)。如果用戶數(shù)據(jù)剛好在安靜窗口到達(dá)正常工作的ONU，則該用戶數(shù)據(jù)將至少緩存安靜窗口大小的時間。安靜窗口長度與OLT和ONU之間的最大差分距離相關(guān)。以O(shè)LT和ONU之間的最大差分距離為20 km為例，該安靜窗口時間至少為200μs。這將給正常工作ONU的上行數(shù)據(jù)發(fā)送帶來最大200μs的數(shù)據(jù)緩存時延。如果考慮各ONU在響應(yīng)發(fā)現(xiàn)/測距請求時的本地處理時間和隨機(jī)時延之間的差異，安靜窗口會更大，這也會給正常工作ONU的上行數(shù)據(jù)發(fā)送帶來更大的數(shù)據(jù)緩存時延。

圖2 發(fā)現(xiàn)和測距ONU過程中安靜窗口對工作ONU的時延影響

傳統(tǒng)TDM-PON中除了安靜窗口帶來的時延外，還包括光纖傳輸時延、動態(tài)帶寬分配時延、OLT和ONU內(nèi)部處理時延等。

50G-PON若繼續(xù)采用傳統(tǒng)TDM-PON架構(gòu)，包括安靜窗口等因素的總時延將無法滿足5G前傳的低時延要求。雖然減少OLT和ONU之間的光纖長度可以降低傳輸時延，也可以減小安靜窗口帶來的時延，但是安靜窗口帶來的時延仍然是重要因素。例如，假設(shè)OLT和ONU之間的最大距離差為10 km，安靜窗口仍然會帶來至少100μs的時延；假設(shè)OLT和ONU之間的最大距離差為5 km，安靜窗口仍然會帶來至少50μs的時延。

ITU-T曾提出多種50G-PON安靜窗口消除方案，如表2所示，包括預(yù)先獲知ODN特性、利用空閑時隙開放安靜窗口、利用低幅低頻信號傳遞ONU發(fā)現(xiàn)信息等。然而，這些方案都存在很大局限性，而專用激活波長（DAW）方案因為其可以在升級演進(jìn)過程中采用舊系統(tǒng)的上行波長，簡單易實現(xiàn)，逐漸脫穎而出。

▼表2 不同安靜窗口的消除方案比較

3 基于DAW的低時延50G-PON工作原理

基于DAW的低時延50G-PON是指，在50G-PON的工作波長之外引入額外的DAW，以用于發(fā)現(xiàn)和測距ONU的安靜窗口，并使其在DAW上開放，從而避免在50G-PON工作波長上開放安靜窗口，以達(dá)到在50G-PON工作波長上消除開放安靜窗口的目的。低時延50G-PON先通過DAW完成ONU的發(fā)現(xiàn)和測距，再將DAW上的ONU發(fā)現(xiàn)和測距結(jié)果應(yīng)用到50G-PON工作波長上，從而完成50G-PON ONU的激活。如圖3所示，上行DAW用于OLT開放安靜窗口，待激活ONU在上行DAW的安靜窗口內(nèi)發(fā)送發(fā)現(xiàn)響應(yīng)和測距響應(yīng)。在上行工作波長的對應(yīng)時隙內(nèi)，工作ONU可以正常發(fā)送上行業(yè)務(wù)。這里待激活ONU和工作ONU彼此不沖突。

圖3 基于上行專用激活波長的50G-PON工作原理

下面我們介紹基于DAW的低時延50G-PON兩種實現(xiàn)以及DAW及工作波長的測距結(jié)果換算。

3.1 增加一個上行DAW的低時延50G-PON

在50G-PON原有工作波長基礎(chǔ)上，我們可以增加一個上行的DAW，如圖4所示。

圖4 基于上行專用激活波長的50G-PON架構(gòu)

在引入上行DAW的50G-PON系統(tǒng)中，ONU激活工作流程更新為：

（1）待激活ONU上電后工作在λ50Gd和λDAu，并在λ50Gd等待OLT發(fā)送的序列號（SN）請求；

（2）OLT在λDAu上開放安靜窗口，并在λ50Gd上廣播發(fā)送序列號（SN）請求；

（3）待激活ONU收到SN請求后，在λDAu上發(fā)送序列號（SN）；

（4）OLT在λDAu上獲取待激活ONU的SN；

（5）OLT在λ50Gd上給待激活ONU分配ONU身份標(biāo)識（ONU-ID），在λDAu上開放安靜窗口，并在λ50Gd上向該ONU發(fā)送測距請求；

（6）待激活ONU在收到測距請求后，在λDAu上發(fā)送測距響應(yīng)；

（7）OLT獲取測距響應(yīng)，計算出λ50Gd和λDAu上的往返行程時延（RTD）（相關(guān)計算過程如公式（1）—（6）所示），并根據(jù)波長折射率特性進(jìn)一步計算出λ50Gd和λ50Gu上的RTD以及均衡時延，然后將均衡時延發(fā)送給ONU；

（8）ONU收到并應(yīng)用λ50Gd/λ50Gu上的均衡時延后，開始在λ50Gu上工作。

3.2 增加一對上下行DAW的低時延50G-PON

在原有50G-PON原有工作波長基礎(chǔ)上，我們可以增加一個上行DAW和下行DAW，如圖5所示。

圖5 基于上下行專用激活波長的無源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在引入上行和下行DAW的50G-PON系統(tǒng)中，ONU激活工作流程更新為：

（1）待激活ONU上電后工作在λDAd和λDAu,，在λDAd上等待OLT發(fā)送的SN請求；

（2）OLT在λDAu上開放安靜窗口，并在λDAd上廣播發(fā)送SN請求；

（3）待激活ONU收到SN請求后，在λDAu上發(fā)送SN；

（4）OLT在λDAu上獲取待激活ONU的SN；

（5）OLT在λDAd上給該ONU分配ONU-ID，并在λDAu開放安靜窗口，在λDAd上向該ONU發(fā)送測距請求；

（6）ONU在收到測距請求后，在λDAu上發(fā)送測距響應(yīng)；

（7）OLT獲取測距響應(yīng)，計算出λDAd和λDAu上的RTD（相關(guān)計算過程如公式（7）—（13）所示），并根據(jù)波長折射率特性進(jìn)一步計算出λ50Gd和λ50Gu上的RTD以及均衡時延，然后將均衡時延發(fā)送給ONU；

（8）ONU收到并應(yīng)用λ50Gd/λ50Gu均衡時延后，開始在λ50Gd/λ50Gu上工作。

3.3 DAW及工作波長的測距結(jié)果換算

在只有一個上行DAW的情況下，DAW測距RTDDA為工作波長下行傳輸時間T50Gd、ONU DAW響應(yīng)時間TDArsp和DAW上行傳輸時間TDAu之和。在測距結(jié)果換算過程中，基于50G-PON的系統(tǒng)采用單纖雙向傳輸方式，上下行經(jīng)過同一根光纖鏈路。不同波長傳輸時延之比等于對應(yīng)波長的光纖折射率之比。TDAu可以被換算為工作波長上行傳輸時間T50Gu，如公式（1）—（6）所示。其中，n50Gd為下行工作波長折射率，nDAu為DAW折射率，n50Gu為上行工作波長的折射率，RTDw為上下行工作波長上的往返時間，Twrsp為上下行工作波長時的ONU響應(yīng)時間。

在有下行和上行DAW的情況下，DAW測距往返時間RTDDA為DAW下行傳輸時間TDAd、ONU DAW響應(yīng)時間TDArsp和DAW上行傳輸時間TDAu之和。在測距結(jié)果換算過程中，TDAu可以被換算為工作波長上行傳輸時間T50Gu，TDAd被換算為工作波長下行傳輸時間T50Gd，如公式（7）—（13）所示。其中，nDAu、n50Gu分別為上行DAW和上行工作波長的折射率，nDAd、n50Gd分別為下行DAW和下行工作波長的折射率，RTDw為上下行工作波長時的往返時間，Twrsp為上下行工作波長時的響應(yīng)時間。

G.hsp.ComTC[4]規(guī)定ONU響應(yīng)時間為35±1 μs，且ONU能夠獲得該響應(yīng)時間。因此，按照公式（6）和（13），并根據(jù) 測 試值 RTDDA和已知值TDArsp、Twrsp、n50Gd、n50Gu、nDAd、nDAu，我們可以換算得到RTDw。

4 基于DAW的低時延50G-PON實現(xiàn)

50G-PON的下行工作波長為1 340～1 344 nm。50G-PON的上行工作波長有兩個選項：一個選項是1 260～1 280 nm，與非對稱/對稱萬兆無源光網(wǎng)絡(luò)（XG(S)-PON）上行波長重疊；另一個選項是1 290～1 310 nm，與千兆無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）上行波長重疊[3]。圖6列出了50G-PON的上下行工作波長和其他相關(guān)波長。上行DAW可以選擇一個新定義的波長，如1 420～1 450 nm[5]，也可以選擇舊系統(tǒng)中的波長，例如采用GPON、XG(S)-PON、時分波分混合無源光網(wǎng)絡(luò)（TWDM-PON）中的上行波長。

圖6 50G-PON工作波長及備選DAW

DAW與50G-PON上下行工作波長的間隔至少為10 nm，這可以通過濾波器來實現(xiàn)。另外，當(dāng)DAW采用舊系統(tǒng)波長時，雖然舊系統(tǒng)波長帶寬被占用，但是此時發(fā)現(xiàn)和測距ONU的管理信息所占帶寬很小，對舊系統(tǒng)的影響可以忽略。

4.1 場景A：新定義一個波長作為DAW

在該場景中，低時延50G-PON包含3個波長，如表3所示。

▼表3 新定義上行DAW場景

4.2 場景B：利用舊系統(tǒng)中的上行波長作為DAW

我們假設(shè)50G-PON采用與GPON重疊的上行波長，舊系統(tǒng)為XG(S)-PON，50G-PON和舊系統(tǒng)共存，并且包含4個波長，如表4所示。在該場景中，50G-PON和XG(S)-PON需協(xié)調(diào)開放安靜窗口。

▼表4 重用舊系統(tǒng)上行DAW場景

4.3 場景C：利用舊系統(tǒng)中的上下行波長作為DAW

該場景中50G-PON采用GPON上行波長，舊系統(tǒng)為XG(S)-PON，50G-PON和舊系統(tǒng)共存，包含4個波長，舊系統(tǒng)中的上下行波長共同完成DAW功能，如表5所示，在該場景中50G-PON和XG(S)-PON能夠共享發(fā)現(xiàn)信息和測距信息。

▼表5 重用舊系統(tǒng)上下行DAW場景

5 基于DAW的低時延50G-PON驗證

低時延50G-PON除了用于消除安靜窗口的DAW外，還可以改進(jìn)動態(tài)帶寬分配，例如采用協(xié)作動態(tài)帶寬分配（CODBA）、固定帶寬分配、多次帶寬授權(quán)等帶寬分配措施以降低時延。

在實際DAW時延效果驗證測試中，系統(tǒng)的具體配置為：XGS-PON作為低時延PON，GPON上下行波長用于DAW，GPON ONU完成激活后的發(fā)現(xiàn)信息可用于XGS-PON ONU，GPON ONU測距結(jié)果經(jīng)過換算后用于XGS-PON ONU。OLT和ONU之間光纖長度10 km，XGS-PON ONU采用固定帶寬分配，每125μs分配16次。ONU上行總帶寬為1 Gbit/s，發(fā)送上行流量為950 Mbit/s，數(shù)據(jù)包長為1 518 B，并且數(shù)據(jù)包從ONU（用戶網(wǎng)絡(luò)接口UNI）側(cè)端口發(fā)送、從OLT網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口（NNI）側(cè)端口接收。測試結(jié)果顯示，最大時延不超過90 μs。

6 結(jié)束語

本文通過引入DAW以消除50G-PON工作波長上的安靜窗口，解決了50G-PON中安靜窗口帶來的時延問題。結(jié)合相應(yīng)的帶寬分配方法，基于DAW的方法能夠使50G-PON系統(tǒng)滿足承載5G前傳的時延要求。本文所述的DAW方法已經(jīng)被ITU-T G.Sup66[2]、G.hsp.ComTC[4]標(biāo)準(zhǔn)所采納。