25G/100G-PON進展和演進趨勢分析

　　ICCSZ訊    摘要：本文介紹了25G/100G-PON標準進展，給出了25G/100G-PON調制技術和波長規(guī)劃對比分析，論述了下一代PON演進趨勢，介紹了產業(yè)鏈進展情況。

　　“寬帶中國”戰(zhàn)略首次在國家層面將寬帶網(wǎng)絡定位為“新時期我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性公共基礎設施”，寬帶接入網(wǎng)具有投資大，建設周期長，網(wǎng)絡復雜的突出特點，是寬帶網(wǎng)絡的主要組成部分。隨著云計算、高清視頻、虛擬現(xiàn)實等新業(yè)務的迅猛發(fā)展，用戶帶寬以每5-6年10倍速度增長，現(xiàn)有接入網(wǎng)技術需要不斷進行升級以適應更高的帶寬和技術要求?；邳c到多點拓撲的PON網(wǎng)絡是主流寬帶接入技術，PON網(wǎng)絡技術已經(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逐步進入千兆時代，未來10G入戶將成為寬帶接入建設的必然趨勢。隨著4K視頻和5G技術的加速發(fā)展，10G-PON技術也難以滿足未來的駐地接入和移動前傳和回傳的帶寬需求，支持25G/100G更高速率的PON技術正逐步成為業(yè)界研究熱點。

　　1 下一代PON標準進展

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

　　FSAN 組織在2011 年啟動NGPON2 的標準研發(fā)，2015年完成標準制定。FSAN 組織選擇了TWDM-PON 作為主要技術方案，采用4/8波長疊加方式，每波長采用10G TDM方式，在移動回傳和商業(yè)客戶中可選擇點對點的WDM overlay 技術。NGPON2 的關鍵需求主要為40G 下行和40G/10G 上行， 實現(xiàn)20km 傳輸距離和1:64 分光。ITU標準組織也在關注單波25G的研究進展，預計近期將啟動25G-PON的標準制定。

　　2013年IEEE開始啟動NG-EPON研究，成立了IEEE ICCOM對NG-EPON的市場需求、技術方案進行分析，2015年3月發(fā)布了NG-EPON技術白皮書。2015年7月開始啟動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 10G/25G和對稱25G/25G二種制式。

　　2 25G/100G-PON調制技術分析

　　由于接入網(wǎng)技術升級快，規(guī)模巨大，投入高，高性能和低成本一直是決定接入網(wǎng)技術演進的關鍵因素。其中光器件由于成本占比高，更是接入網(wǎng)技術升級需要考慮的重中之重。當前E/GPON和10G-PON的光器件產業(yè)鏈已經(jīng)成熟，而10G-PON之后25G/40G光器件具有技術密集、成本高的特點，產業(yè)鏈尚待培育。傳統(tǒng)基于OOK調制的PON技術在10G之后，會出現(xiàn)色散大，接收靈敏度下降等問題，在設計中使用色散補償和均衡算法來提升性能是常見方案。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傳輸高速信號，就需要引入雙二進制和PAM4等高級調制技術，這些也會提高電路實現(xiàn)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25G-PON，其實現(xiàn)方式主要有NRZ調制、雙二進制調制和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種實現(xiàn)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DSP帶寬補償算法來實現(xiàn) 25G傳輸速率，以上2種方案的調制均采用OOK直接調制方式。其關鍵技術主要有如下幾點：一是上行25G突發(fā)模式的電芯片BCDR實現(xiàn)難度大;二是如果波長規(guī)劃在O波段之外，還要增加色散補償算法;三是為滿足PON網(wǎng)絡功率預算要求，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)點是系統(tǒng)實現(xiàn)簡潔，關鍵光器件可以重用100G以太網(wǎng)和10G-PON的成熟產業(yè)鏈。25G光收發(fā)器件當前成本較高，隨著25G器件在數(shù)據(jù)中心和FTTx的大規(guī)模應用，未來會有一定下降空間。

　　(2)雙二進制調制

　　雙二進制是一種二進制的數(shù)據(jù)編碼方式，它將二進制中邏輯信號“0”轉換為邏輯信號“+1”和“-1”，使信號的頻譜帶寬減小為原來一半。在光纖通信中雙二進制有兩種應用形式, 一種是采用三電平幅度調制, 這種形式的雙二進制在接收機需要雙二進制解碼電路, 與傳統(tǒng)二進制IM-DD 系統(tǒng)相比, 三電平判決會導致接收機靈敏度劣化。 另一種雙二進制實現(xiàn)方式是光雙二進制, 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, 該方案的特點是接收端可以與傳統(tǒng)二進制IM-DD 系統(tǒng)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)點是，系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，電域、光域的信號帶寬與NRZ的系統(tǒng)相比可以減小一半。缺點是與NRZ系統(tǒng)相比，系統(tǒng)光功率預算會下降。光雙二進制的優(yōu)點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(tǒng)的直接檢測器件，其難點是M- Z調制器的體積大和成本高。

　　(3)PAM4調制

　　脈沖幅度調制(PAM)是高階調制技術的一種，原理是將2個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個幅度信息，每個幅度上可攜帶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，但是相應代價是在發(fā)送端和接收端要采用高速AD和DA等技術進行編解碼，接收端還需要采用相對復雜的算法進行帶寬補償。

　　綜合以上分析， 單波長25G-PON實現(xiàn)需要對光器件帶寬和電層實現(xiàn)復雜度二個核心因素進行權衡，選擇出性價比合適的實現(xiàn)方案。基于NRZ編碼的25G-PON由于架構簡潔，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。單波長實現(xiàn)25G傳輸速率后，就可以結合多波長疊加以及通道綁定(Channel binding)技術來實現(xiàn)50G-PON(2波長)和100G-PON(4波長)。

　　3 25G/100G-PON波長規(guī)劃分析

　　25G/100G-PON系統(tǒng)的波長選擇主要考慮光纖色散，光纖損耗，已有PON系統(tǒng)兼容性，光器件成本和技術實現(xiàn)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個波長，每個波長25G，可選的波長規(guī)劃主要有以下三種方案：1)全O波段：上下行4對波長均位于O波段;2)O/C/L波段一：第一個波長通道Lane0上下行波長位于O波段，其他波長位于C、L波段;3)O/C/L 波段二：所有上行波長位于O波段，所有下行波長位于C、L波段。全O波段方案可以采用NRZ調制，無需復雜的色散補償處理，可以重用100G以太網(wǎng)產業(yè)鏈，可以使用DML和EML激光器，物理層實現(xiàn)簡單。O/C/L波段方案波長通帶范圍大，激光器波長漂移指標降低，可以采用無制冷激光器，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、均衡等技術進行色散補償，其性能、成本影響還需進一步研究。

　　4 下一代PON演進趨勢

　　圖1 PON技術演進趨勢示意圖

　　圖1給出了IEEE標準體系和ITU標準體系的PON未來演進趨勢，PON技術演進可從如下二方面來進行分析：

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

　　(2)平滑演進兼容：對于下一代PON技術兼容性，考慮到帶寬需求的增長和波長資源和成本因素，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100M~1G帶寬，可以滿足2020年前的用戶帶寬需求，2020年后25G-PON，NGPON2，50G/100G PON可以為用戶提供1G~10G帶寬，2020年后預計逐步進入商用。

　　5 下一代PON產業(yè)鏈進展

　　在10G-PON之后的25G/100G-PON研究上，近期產業(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對其進行了測試，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)推出成熟的產品。光模塊廠家海信和光訊也在積極開展25G/100G-PON光模塊研發(fā)，預計2016下半年會有樣品面試。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技術白皮書和100G- EPON標準的主要貢獻者。2013年中興通訊開始研發(fā)25G/100G-PON設備，先后獲得深圳市科技創(chuàng)新計劃技術攻關100G-PON項目支持，和上海市科委高新技術領域100G-PON項目支持。

　　6 總結

　　當前10G-PON正在規(guī)模部署，25G-EPON/100G-EPON正在進行標準制定，單波長25G正在成為標準和技術研究熱點。10G- PON滿足近期的帶寬需求，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，逐步推動標準制定和產業(yè)鏈成熟。