50G-PON：10G PON之后的新一代PON技術

  PON技術發展回顧

  PON技術是一種基于無源ODN網絡的寬帶接入技術，采用P2MP點到多點拓撲結構，上、下行傳輸波長獨立，數據時分復用。PON系統中連接OLT和ONU的ODN網絡采用純光介質，全程無源，環境適應性強，易于擴展和升級。過去10來年，由于在基于光纖、無源、P2MP等方面相對于銅線接入的比較優勢，PON技術取得了巨大成功，得到了大規模部署。

  在PON技術的發展歷程中，標準組織ITU-T/FSAN和IEEE起到了巨大的推動作用。PON技術起源于早期的APON/BPON，歷經多代發展，GPON和EPON已經大規模商用部署，為用戶提供高達百兆的帶寬接入能力。其下一代的10G PON技術如10G GPON和10G-EPON也已經大規模商用，可為用戶提供高達1Gbps的帶寬，實現千兆網絡的覆蓋，滿足4K/8K視頻業務規模應用，以及VR/AR業務的前期導入需求。

  隨著視頻業務成為寬帶網絡的基礎業務，以及PON技術逐步從家寬領域向政企行業領域拓展，如遠程醫療、工業智能制造、廠礦通信等，一方面對帶寬提出了更高的要求，另一方面對時延、丟包、抖動及業務質量和用戶體驗也提出了相應的要求。比如VR業務，其帶寬要求超過1Gbps，用戶體驗提升需要5ms(RTT時延)低時延，而遠程醫療的端到端通信時延小于50ms，且抖動小于200μs。

  為了應對后10G PON時代的業務發展需要，IEEE和ITU-T/FSAN在完成10G PON的標準制定后，開始考慮下一代PON的技術研究工作。

  下一代PON主流技術方向：50G-PON

  業界普遍認可將下一代光接入網帶寬提升至50Gbps，因此如何簡單、高效地實現系統帶寬升級成為PON領域研究的熱點。10G PON之后的下一代PON技術發展趨勢主要有兩個方向：一是提高單波長速率;二是多波長復用提高總速率。

  IEEE率先啟動了10G PON后下一代PON技術的標準制定，單根光纖上支持25Gbps下行速率，同時支持10Gbps/25Gbps上行速率，并支持和10G-EPON的兼容。對于50Gbps帶寬需求，采用多波長疊加技術和通道綁定技術提供兩個25Gbps通道，實現50Gbps速率。

  ITU-T/FSAN則考慮了家庭用戶、企業用戶、移動回傳/前傳等場景，并逐步形成了對于下一代PON的需求，聚焦單通道速率為50Gbps的50G-PON技術。2018年，ITU-T/FSAN啟動了基于單波長50G-PON的標準制定工作，命名為“G.HSP(G.Higher Speed PON)”，該標準預計今年下半年發布，并預計在2025年開始具備商用能力(見圖1)。而在此時間點前，10G PON將作為業界主流的光接入技術大規模商用部署。

圖1 50G-PON標準進展情況

  50G-PON的需求包括相對于10G PON提供4倍以上的接入帶寬、更好的業務支持能力、網絡保護/安全，以及支持10G PON的共存和平滑演進，并盡可能兼容已有ODN網絡。

  50G-PON的上下行波長均工作在O波段，不支持與GPON和10G GPON的同時共存，FEC選用LDPC糾錯算法。為了更好地支持低時延，50G-PON技術引入了專用激活波長(DAW)、CoDBA(協作DBA)等技術。采用DAW技術，ONU通過專用波長進行注冊激活，業務波長不再分配靜默窗口，可以減小因注冊開窗而帶來的傳輸時延。采用CoDBA技術數據無需等待直接轉發，可以降低帶寬調度帶來的時延。

  50G-PON和10G GPON技術的關鍵功能性能對比如表1所示。

  表1 50G-PON和10G GPON關鍵性能對比

  10G GPON技術向50G-PON的演進和共存

  在網絡的演進中，盡可能地利用現網資源與節省升級演進成本，是運營商歷來關注的重點。為了實現10G GPON向50G-PON的平滑演進，滿足不同業務的組網需求，10G GPON和50G-PON將在一定時間內共存。為節約機房部署空間，降低光接入設備能耗，有效利用現網的ODN資源和降低運營商的網絡建設成本，局端設備采用多制式共存的光收發合一模塊是目前已被驗證的最有效手段，如采用Combo PON理念來實現50G-PON和10G GPON的合波。

  對于10G GPON技術和50G-PON技術共存，需要滿足一定的要求：

  - 支持10G GPON和50G-PON技術在同一根光纖上共存;

  - 應避免或盡量減少未升級的ONU服務中斷;

  50G-PON支持和兼容10G GPON的業務。

  ITU-T標準組織經過多次討論，已經明確50G-PON不會與GPON和10G GPON同時共存。因此在向50G-PON演進的過程中對于技術共存可以考慮兩步遷移的方式，首先從GPON演進到10G GPON，然后從10G GPON演進到50G-PON，在兼顧網絡演進和成本的同時實現帶寬的持續升級。

  50G-PON關鍵技術分析

  50G-PON采用單纖雙向傳輸，下行TDM時分復用，上行TDMA時分多址接入，實現OLT和ONU之間的點到多點通信。其關鍵技術包括波長選擇、線路編碼、線路速率、FEC糾錯技術、Common TC技術、PHY層器件等方面。

  - 波長選擇

  50G-PON目前只有O波段一小段可用波長，不夠50G-PON系統使用。ITU-T經過多次討論，已經明確50G-PON不會與GPON和10G GPON同時共存。目前已確定了部分波長選擇，部分還在細化討論中。

  - 線路編碼

  在ITU-T前期的討論中曾經考慮過PAM4、雙二進制和NRZ等多種線路編碼;由于PON系統光功率預算要求很高，最終選擇了接收性能最好的NRZ編碼。

  - 線路速率

  ITU-T已經明確50G-PON速率要求，支持對稱、非對稱不同速率組合;下行1個速率，上行速率有4種線路速率可選。

  - FEC糾錯技術

  50G-PON線路速率提高后，接收機靈敏度下降，需要提高收發機性能才能重用已經大量部署的ODN網絡。為了降低高速光器件指標要求，50G-PON引入LDPC(Low Density Parity Check，低密度奇偶校驗)編解碼方案進行FEC的前向糾錯。

  - Common TC技術

  50G-PON主要通過專用激活波長(DAW)、CoDBA和減小分配周期等方式來實現低時延。

  DAW專用激活波長：可以是新定義的波長，也可以是50G-PON之前部署的PON系統波長。專用激活波長可以是一個單獨的上行波長，也可以是一對上下行波長。通過專用激活波長技術，避免了在50G-PON上行波長上開放安靜窗口，取消了因安靜窗口帶來的時延。

  CoDBA：OLT通過上層設備獲知ONU的上行業務發送需求，提前將帶寬分配給ONU，使得業務數據在ONU的緩存時間盡量少。

  減小分配周期：減小ONU獲得帶寬分配的時間間隔，從而降低業務數據在ONU的緩存時間。每個T-CONT在125μs周期內可以最多發送16個突發幀。

  - PHY層器件

  50G-PON PHY層器件主要包括光發射組件、光接收組件、激光器驅動器LDD，突發TIA以及時鐘恢復芯片CDR等關鍵光電器件。OLT光發射器件可采用EML(Electro-absorption Modulated Laser)，集成SOA(Semiconductor Optical Amplifier)EML器件等，光接收器件可采用APD(Avalanche Photodiode)，集成SOA PIN器件等。ONU與OLT的不同之處則在于，ONU驅動器需要支持突發功能，接收不需要突發時鐘恢復BCDR。業界的實驗和仿真結果表明，50G-PON采用50G EML發射機器件和APD接收機器件有望獲取單波50Gbps速率。

  業界正在致力于推進50G-PON技術的標準化工作，同時部分內容和方向尚待進一步研究，如未來支持多運營商或業務的獨享帶寬需求，以及為了解決50G-PON的上行光功率預算較為緊張而引入的時延要求和性能及成本等。從目前的進展來看，預計2025年左右50G-PON將具備商用部署能力，而在此時間點前，10G PON技術將會大規模部署，并為后續向50G-PON的平滑演進夯實基礎。

  中興通訊一直致力于推動50G-PON的標準化和產業鏈的持續完善，并且在部分關鍵器件技術上取得了突破，并已提交超30篇50G-PON標準提案，其中的物理層參數、低時延、FEC等多方面提案被標準組織采納。

  作者：王新盛 中興通訊固網產品規劃總工