ICCSZ訊 摘要:本文介紹了25G/100G-PON標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展,給出了25G/100G-PON調(diào)制技術(shù)和波長(zhǎng)規(guī)劃對(duì)比分析,論述了下一代PON演進(jìn)趨勢(shì),介紹了產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展情況。
“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略首次在國(guó)家層面將寬帶網(wǎng)絡(luò)定位為“新時(shí)期我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性公共基礎(chǔ)設(shè)施”,寬帶接入網(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)的主要組成部分。隨著云計(jì)算、高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等新業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展,用戶帶寬以每5-6年10倍速度增長(zhǎng),現(xiàn)有接入網(wǎng)技術(shù)需要不斷進(jìn)行升級(jí)以適應(yīng)更高的帶寬和技術(shù)要求?;邳c(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)涞?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=PON&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">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(dāng)前全球?qū)拵Ы尤胧袌?chǎng)逐步進(jìn)入千兆時(shí)代,未來10G入戶將成為寬帶接入建設(shè)的必然趨勢(shì)。隨著4K視頻和5G技術(shù)的加速發(fā)展,10G-PON技術(shù)也難以滿足未來的駐地接入和移動(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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)速率提升,波特率由10G提升到25G/40G等;另一種是采用多波長(zhǎng)疊加方式,每波長(zhǎng)承載的速率是10G/25G,多波長(zhǎng)疊加到40G/80G/100G。
FSAN 組織在2011 年啟動(dòng)NGPON2 的標(biāo)準(zhǔn)研發(fā),2015年完成標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)疊加方式,每波長(zhǎng)采用10G TDM方式,在移動(dòng)回傳和商業(yè)客戶中可選擇點(diǎn)對(duì)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(xiàn)20km 傳輸距離和1:64 分光。ITU標(biāo)準(zhǔn)組織也在關(guān)注單波25G的研究進(jìn)展,預(yù)計(jì)近期將啟動(dòng)25G-PON的標(biāo)準(zhǔn)制定。
2013年IEEE開始啟動(dòng)NG-EPON研究,成立了IEEE ICCOM對(duì)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。2015年7月開始啟動(dòng)100G-EPON標(biāo)準(zhǔn)制定,命名為IEEE 802.3ca ,預(yù)計(jì)在2018年發(fā)布100G-EPON標(biāo)準(zhǔn)。100G-EPON目標(biāo)定義了3種MAC層速率25G,50G和100G。其中25G分為非對(duì)稱 10G/25G和對(duì)稱25G/25G二種制式。
2 25G/100G-PON調(diào)制技術(shù)分析
由于接入網(wǎng)技術(shù)升級(jí)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(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(jí)需要考慮的重中之重。當(dāng)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(tǒng)基于OOK調(diào)制的PON技術(shù)在10G之后,會(huì)出現(xiàn)色散大,接收靈敏度下降等問題,在設(shè)計(jì)中使用色散補(bǔ)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(hào),就需要引入雙二進(jìn)制和PAM4等高級(jí)調(diào)制技術(shù),這些也會(huì)提高電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度,例如使用高速AD/DA和DSP器件。
對(duì)于10G-PON之后的下一代PON,業(yè)界最近研究較多的是單波長(zhǎng)25G-PON,其實(shí)現(xiàn)方式主要有NRZ調(diào)制、雙二進(jìn)制調(diào)制和PAM4調(diào)制三種方式,分別論述如下:
(1)NRZ調(diào)制
基于NRZ調(diào)制的25G-PON主要有2種實(shí)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(bǔ)償算法來實(shí)現(xiàn) 25G傳輸速率,以上2種方案的調(diào)制均采用OOK直接調(diào)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(xiàn)難度大;二是如果波長(zhǎng)規(guī)劃在O波段之外,還要增加色散補(bǔ)償算法;三是為滿足PON網(wǎng)絡(luò)功率預(yù)算要求,發(fā)送端一般引入預(yù)加重,接收端采用均衡算法提高靈敏度。NRZ調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(dāng)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(yīng)用,未來會(huì)有一定下降空間。
(2)雙二進(jìn)制調(diào)制
雙二進(jìn)制是一種二進(jìn)制的數(shù)據(jù)編碼方式,它將二進(jìn)制中邏輯信號(hào)“0”轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)“+1”和“-1”,使信號(hào)的頻譜帶寬減小為原來一半。在光纖通信中雙二進(jìn)制有兩種應(yīng)用形式, 一種是采用三電平幅度調(diào)制, 這種形式的雙二進(jìn)制在接收機(jī)需要雙二進(jìn)制解碼電路, 與傳統(tǒng)二進(jìn)制IM-DD 系統(tǒng)相比, 三電平判決會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度劣化。 另一種雙二進(jìn)制實(shí)現(xiàn)方式是光雙二進(jìn)制, 使用M-Z 調(diào)制器, 采用幅度調(diào)制和相位調(diào)制(AM-PSK) 相結(jié)合方式, 該方案的特點(diǎn)是接收端可以與傳統(tǒng)二進(jìn)制IM-DD 系統(tǒng)的接收機(jī)兼容, 不導(dǎo)致靈敏度劣化。三電平幅度調(diào)制方案的優(yōu)點(diǎn)是,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,電域、光域的信號(hào)帶寬與NRZ的系統(tǒng)相比可以減小一半。缺點(diǎn)是與NRZ系統(tǒng)相比,系統(tǒng)光功率預(yù)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(tǒng)的直接檢測(cè)器件,其難點(diǎn)是M- Z調(diào)制器的體積大和成本高。
(3)PAM4調(diào)制
脈沖幅度調(diào)制(PAM)是高階調(diào)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(hào)的比特傳輸速率。使用 PAM調(diào)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(hào)的帶寬不變,從而降低或保持發(fā)射和接收機(jī)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(diào)制的色散容限相對(duì)于NRZ可提升4倍。PAM4調(diào)制可以采用12.5G帶寬光器件,傳輸25G的信號(hào),但是相應(yīng)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(duì)復(fù)雜的算法進(jìn)行帶寬補(bǔ)償。
綜合以上分析, 單波長(zhǎng)25G-PON實(shí)現(xiàn)需要對(duì)光器件帶寬和電層實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度二個(gè)核心因素進(jìn)行權(quán)衡,選擇出性價(jià)比合適的實(shí)現(xiàn)方案。基于NRZ編碼的25G-PON由于架構(gòu)簡(jiǎn)潔,器件成熟度高,近期成為標(biāo)準(zhǔn)制定和業(yè)界研究的主要熱點(diǎn)。單波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)25G傳輸速率后,就可以結(jié)合多波長(zhǎng)疊加以及通道綁定(Channel binding)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)50G-PON(2波長(zhǎng))和100G-PON(4波長(zhǎng))。
3 25G/100G-PON波長(zhǎng)規(guī)劃分析
25G/100G-PON系統(tǒng)的波長(zhǎng)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(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)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(zhǎng),每個(gè)波長(zhǎng)25G,可選的波長(zhǎng)規(guī)劃主要有以下三種方案:1)全O波段:上下行4對(duì)波長(zhǎng)均位于O波段;2)O/C/L波段一:第一個(gè)波長(zhǎng)通道Lane0上下行波長(zhǎng)位于O波段,其他波長(zhǎng)位于C、L波段;3)O/C/L 波段二:所有上行波長(zhǎng)位于O波段,所有下行波長(zhǎng)位于C、L波段。全O波段方案可以采用NRZ調(diào)制,無需復(fù)雜的色散補(bǔ)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(xiàn)簡(jiǎn)單。O/C/L波段方案波長(zhǎng)通帶范圍大,激光器波長(zhǎng)漂移指標(biāo)降低,可以采用無制冷激光器,合分波器設(shè)計(jì)容易,可以使用EDFA放大器,但C、L波段色散大,需要采用復(fù)雜調(diào)制、均衡等技術(shù)進(jìn)行色散補(bǔ)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(shì)
圖1 PON技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)示意圖
圖1給出了IEEE標(biāo)準(zhǔn)體系和ITU標(biāo)準(zhǔn)體系的PON未來演進(jìn)趨勢(shì),PON技術(shù)演進(jìn)可從如下二方面來進(jìn)行分析:
(1)技術(shù)升級(jí)換代:對(duì)于IEEE標(biāo)準(zhǔn)體系,EPON演進(jìn)到10G-EPON之后,對(duì)稱10G-EPON將逐漸成為主流;10G-EPON之后將演進(jìn)到單波長(zhǎng)25G-EPON和多波長(zhǎng)50G/100G-EPON,其中單波長(zhǎng)25G-EPON,采用NRZ技術(shù)是近期標(biāo)準(zhǔn)組織主要討論的技術(shù)方向, PAM4等高級(jí)調(diào)制技術(shù)在單波長(zhǎng)50G以上速率可能成為未來研究熱點(diǎn)。對(duì)于ITU標(biāo)準(zhǔn)體系,非對(duì)稱XGPON1將逐步演進(jìn)到對(duì)稱XGS-PON。 NGPON2未來要規(guī)模商用,需要解決技術(shù)復(fù)雜和成本較高的問題。對(duì)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(duì)于下一代PON技術(shù)兼容性,考慮到帶寬需求的增長(zhǎng)和波長(zhǎng)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(yù)計(jì)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(duì)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(duì)其進(jìn)行了測(cè)試,接收靈敏度可以達(dá)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。光模塊廠家海信和光訊也在積極開展25G/100G-PON光模塊研發(fā),預(yù)計(jì)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(shè)備商有研究論文和原型樣機(jī)發(fā)布。中興通訊在25G/100G-PON上也積極投入研發(fā),是100G-EPON標(biāo)準(zhǔn)制定發(fā)起人之一,為NG-EPON技術(shù)白皮書和100G- EPON標(biāo)準(zhǔn)的主要貢獻(xiàn)者。2013年中興通訊開始研發(fā)25G/100G-PON設(shè)備,先后獲得深圳市科技創(chuàng)新計(jì)劃技術(shù)攻關(guān)100G-PON項(xiàng)目支持,和上海市科委高新技術(shù)領(lǐng)域100G-PON項(xiàng)目支持。
6 總結(jié)
當(dāng)前10G-PON正在規(guī)模部署,25G-EPON/100G-EPON正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定,單波長(zhǎng)25G正在成為標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究熱點(diǎn)。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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)業(yè)鏈成熟。