25G100G-PON进展和演进趋势分析

      “宽带中国”战略首次在国家层面将宽带网络定位为“新时期我国经济社会发展的战略性公共基础设施”。宽带接入网具有投资大、建设周期长、网络复杂的突出特点，是宽带网络的主要组成部分。随着云计算、高清视频、虚拟现实等新业务的迅猛发展，用户带宽以每7年10倍速度增长，现有接入网技术需要不断升级以适应更高的带宽和技术要求。基于点到多点拓扑的PON网络是主流宽带接入技术，PON网络技术已经经历了从EPON和GPON到10G PON的发展历程。当前全球宽带接入市场逐步进入千兆时代，未来10G入户将成为宽带接入建设的必然趋势。随着4K视频和5G技术的加速发展，10G-PON技术也难以满足未来的驻地接入、移动前传和回传的带宽需求，支持25G/100G更高速率的PON技术正逐步成为业界研究热点。

下一代PON标准进展

　　10G-PON之后PON技术的演进主要有2种方式，一种是单波长速率提升，波特率由10G提升到25G/40G等；另一种是采用多波长叠加方式，每波长承载的速率是10G/25G，多波长叠加到40G/80G/100G。
   

　　FSAN组织在2011年启动NGPON2的标准研发，2015年完成标准制定。FSAN组织选择了TWDM-PON作为主要技术方案，采用4/8波长叠加方式，每波长采用10G TDM方式，移动回传和商业客户可选择点对点的WDM overl-ay 技术。NGPON2的关键需求主要为40G下行和40G/10G上行，实现20km传输距离和1:64分光。ITU标准组织也在关注单波25G的研究进展，预计近期将启动25G-PON的标准制定。
   

　　2013年IEEE开始启动NG-EPON研究，成立了IEEE ICCOM对NG-EPON的市场需求、技术方案进行分析，2015年3月发布了NG-EPON技术白皮书。2015年7月开始启动100G-EPON标准制定，命名为IEEE 802.3ca，预计在2019年发布100G-EPON标准。100G-EPON目标定义了3种MAC层速率：25G、50G和100G。其中25G分为非对称10G/25G和对称25G/25G两种制式。

25G/100G-PON调制技术分析
   

　　由于接入网技术升级快、规模巨大、投入高，高性能和低成本一直是决定接入网技术演进的关键因素。其中光器件由于成本占比高，更是接入网技术升级需要考虑的重中之重。当前E/GPON和10G-PON的光器件产业链已经成熟，而10G-PON之后25G/40G光器件具有技术密集、成本高的特点，产业链尚待培育。传统基于OOK调制的PON技术在10G之后，会出现色散大、接收灵敏度下降等问题，在设计中使用色散补偿和均衡算法来提升性能是常见方案。高速光器件的带宽是保障性能和制约其成本的核心要素，如果使用低带宽的光器件来传输高速信号，就需要引入双二进制和PAM-4等高级调制技术，这些也会提高电路实现的复杂度，例如使用高速AD/DA和DSP器件。
   

　　对于10G-PON之后的下一代PON，业界最近研究较多的是单波长25G-PON，其实现方式主要有NRZ调制、双二进制调制和PAM-4调制3种方式。

NRZ调制
   

　　基于NRZ调制的25G-PON主要有2种实现方式：一种是发送端和接收端均采用25G光器件；另一种是发送端采用25G光器件，为降低成本，接收端采用10G带宽光器件，通过DSP带宽补偿算法来实现25Gbps传输速率。以上2种方案的调制均采用OOK直接调制方式。该调制方式技术关键点为：首先，上行25G突发模式的电芯片BCDR实现难度大；其次，如果波长规划在O波段之外，还要增加色散补偿算法；第三，为满足PON网络功率预算要求，发送端一般引入预加重，接收端采用均衡算法提高灵敏度。NRZ调制的优点是系统实现简洁，关键光器件可以重用100G以太网和10G-PON的成熟产业链。25G光收发器件当前成本较高，随着25G器件在数据中心和FTTx的大规模应用，未来会有一定下降空间。

双二进制调制
   

　　双二进制是一种二进制的数据编码方式，它将二进制中逻辑信号“0”转换为逻辑信号“+1”和“-1”，使信号的频谱带宽减小为原来的一半。在光纤通信中双二进制有两种应用形式，三电平幅度调制和光双二进制。三电平幅度调制形式，接收机需要双二进制解码电路，与传统二进制IM-DD系统相比，三电平判决会导致接收机灵敏度劣化。三电平幅度调制方案的优点是，系统实现简单，电域、光域的信号带宽与NRZ的系统相比可以减小一半。缺点是与NRZ系统相比，系统光功率预算会下降。光双二进制，使用M-Z调制器，采用幅度调制和相位调制（AM-PSK）相结合方式，该方案的特点是接收端可以与传统二进制IM-DD系统的接收机兼容，不会导致灵敏度劣化。光双二进制的优点是在接收端不需要判断所接收信号的相位是多少，只要取出其幅值即可，因此在接收端只需要使用传统的直接检测器件，其难点是M-Z调制器的体积大和成本高。

PAM-4调制
   

　　脉冲幅度调制（PAM）是高阶调制技术的一种，原理是将2个或以上比特信息映射到不同的发射脉冲幅度（电压）上，增加每符号的比特传输速率。使用PAM调制的主要目的是在提高传输速率的情况下，降低或保持传输信号的带宽不变，从而降低或保持发射和接收机的成本。PAM-4有4个幅度信息，每个幅度上可携带2bit信息。PAM-4调制的色散容限相对于NRZ可提升4倍。PAM-4调制可以采用12.5G带宽光器件传输25G信号，但是相应代价是在发送端和接收端要采用高速AD和DA等技术进行编解码，接收端还需要采用相对复杂的算法进行带宽补偿。
   

　　综合以上分析，单波长25G-PON实现需要对光器件带宽和电层实现复杂度两个核心因素进行权衡，选择出性价比合适的实现方案。基于NRZ编码的25G-PON由于架构简洁、器件成熟度高，近期成为标准制定和业界研究的主要热点。单波长实现25G传输速率后，就可以结合多波长叠加以及通道绑定（Channel binding）技术来实现50G-PON（2波长）和100G-PON（4波长）。

25G/100G-PON波长规划分析

　　25G/100G-PON系统的波长选择主要考虑光纤色散、光纤损耗、已有PON系统兼容性、光器件成本和技术实现复杂度等几方面因素。

　　25G/100G-PON包含25Gbps、50Gbps和100Gbps 3种速率。100Gbps速率采用4个波长，每个波长25Gbps，可选的波长规划主要有以下3种方案：全O波段，上下行4对波长均位于O波段；O/C/L波段一，第一个波长通道Lane0上下行波长位于O波段，其他波长位于C、L波段；O/C/L波段二，所有上行波长位于O波段，所有下行波长位于C、L波段。全O波段方案可以采用NRZ调制，无需复杂的色散补偿处理，可以重用100G以太网产业链，可以使用DML（直接调制激光器）和EML（电吸收调制激光器），物理层实现简单。O/C/L波段方案波长通带范围大，激光器波长漂移指标降低，可以采用无制冷激光器，合分波器设计容易，可以使用EDFA放大器；但C、L波段色散大，需要采用复杂调制、均衡等技术进行色散补偿，其性能、成本影响还需进一步研究。

下一代PON演进趋势
    

    图1是IEEE标准体系和ITU标准体系的PON未来演进趋势，PON技术演进可从技术升级换代和平滑演进两方面来进行分析。
   

　　技术升级换代方面，对于IEEE标准体系，EPON演进到10G-EPON之后，对称10G-EPON将逐渐成为主流；10G-EPON之后将演进到单波长25G-EPON和多波长50G/100G-EPON，其中单波长25G-EPON，采用NRZ技术是近期标准组织主要讨论的技术方向，PAM-4等高级调制技术在单波长50Gbps以上速率可能成为未来研究热点。对于ITU标准体系，非对称XGPON1将逐步演进到对称XGS-PON。NGPON2未来要规模商用，需要解决技术复杂和成本较高的问题。对于NGPON2之后的下一代PON技术，ITU在物理层技术上将会和IEEE逐步融合。
   

　　对于下一代PON技术的兼容性，考虑到带宽需求的增长、波长资源和成本因素，2代PON兼容是比较合理的选择，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。
   

　　从带宽需求上看，10G-PON能够提供每用户100Mbps~1Gbps带宽，可以满足2020年前的用户带宽需求，2020年后25G-PON、NGPON2、50G/100G PON可以为用户提供1Gbps~10Gbps带宽。

下一代PON产业链进展
   

　　在10G-PON之后的25G/100G-PON研究上，近期产业链上下游成果颇丰。SiFotonics近期推出针对下一代100G-PON光接入的硅光低成本25G APD器件，2016年4月中兴通讯和上海大学对其进行了测试，接收灵敏度可以达到-28.5dB。Avago和住友在25GEML/DML激光器上也积极投入研发，已经推出成熟的产品。光模块厂家海信和光讯也在积极开展25G/100G-PON光模块研发，已有样品面试。2016年3月，在OFC和ECOC上多家科研院所和设备商发布研究论文和原型样机。中兴通讯在25G/100G-PON上也积极投入研发，是100G-EPON标准制定发起人之一，为NG-EPON技术白皮书和100G-EPON标准的主要贡献者。2013年中兴通讯开始研发25G/100G-PON设备，先后获得深圳市科技创新计划技术攻关100G-PON项目支持，和上海市科委高新技术领域100G-PON项目支持。
   

　　当前10G-PON正在规模部署，25G-EPON/100G-EPON正在进行标准制定，单波长25G正在成为标准和技术研究热点。10G-PON满足近期的带宽需求，25G/100G-PON在2020年后将逐步商用。中兴通讯在25G/100G-PON上积极投入，逐步推动标准制定和产业链成熟。