单波50G PON实现和应用前景分析

光接入网技术发展趋势

随着用户带宽需求不断增长，近年来光接入网技术发展十分迅速。EPON、GPON接入技术已逐渐不能满足需求，市场开始大规模建设10G PON网络，国际标准组织IEEE也在进行NG-EPON标准制定，ITU-T 对50G PON标准已经立项并开始了标准制定。

10G PON之后是采用单波长速率提升还是多波长复用提高系统带宽，业界看法不太统一，主要有以下几种讨论方案：单波长25G PON技术难度相对较小，相比于10G PON，速率提升幅度较小；50G PON速率提升较大，但实现PON系统功率预算存在挑战，预计需要采用放大技术；单波长100G PON对器件要求高，一般考虑通过4个25G波长或2个50G波长来实现100G传输。单波长25G和50G成本是决定哪种技术路线胜出的关键。

单波50G PON实现

单波长50Gbps可以采用NRZ（非归零码）或高阶调制实现，NRZ调制需要50G光器件，但目前业界50G光器件仍处于样品阶段；高阶调制有PAM-4（四电平脉冲幅度调制）、双二进制、DMT（离散多音调制）等不同调制方案。PAM-4和双二进制调制需要采用25G光器件，DMT调制是一种正交频分复用技术，需要进行FFT（快速傅里叶变换）处理，DMT器件带宽与每个子载波的调制阶数有关，调制阶数越高则器件带宽越小，灵敏度变差。灵敏度方面，NRZ最好，双二进制次之，之后是PAM-4，DMT最差。

光接入网的单波长50Gbps传输主要考虑PAM-4调制或双二进制调制来实现，便于重用已经十分成熟的数据中心25G器件产业链。

基于PAM-4调制技术的单波50G PON
普通的NRZ信号一个符号只有两个电平承载1bit信息，而PAM-4信号一个符号有4个电平承载2bit信息，器件带宽降为NRZ码的一半，采用25G器件实现50Gbps信号传输。PAM-4调制虽然能够降低器件带宽要求，但与NZR信号相比，接收灵敏度有5~6dB损失。

通常的PAM-4发射和接收需要DSP（数字信号处理）算法处理。要发送的数据进入DSP进行PAM-4映射，预均衡处理，DAC（数字模拟转换器）采样后送给光发射机发送到光链路。接收端信号经过光接收机光电转换后，ADC（模拟数字转换器）信号采样后进入DSP处理。采样信号经过时钟恢复，然后进行均衡处理，符号判决解映射后就恢复出原始数据了。为了降低对物理层指标要求，一般会在收发端进行FEC（前向纠错）编解码来提高传输性能。

图1是50Gbps PAM-4信号误码率曲线，发射机采用25G EML（电吸收调制激光器），分别测试了APD（雪崩光电二极管）和SOA+PIN（半导体光放大器+光电二极管）两种接收机。从图中可以看出采用里德-索罗蒙编码RS（255,239） FEC算法时，接收灵敏度分别为-20dBm和-22dBm。如果要实现PON系统29dB功率预算，考虑链路传输代价后，发射光功率分别要达到10dBm和8dBm以上，发射机需要集成SOA放大器。如果采用LDPC（低密度奇偶校验码）纠错算法将接收机误码率放宽到10E-2时，接收灵敏度分别为-22.5dBm和-26dBm，发射机光功率需要分别大于6.5dBm和3dBm，前者发射机需要集成SOA放大器，后者普通激光器即可达到。
 

基于双二进制调制的单波50G PON
双二进制码的符号率虽然没有变化，但频谱带宽降为NRZ码的一半。双二进制的发射和接收有多种方式。发射包括延迟相加和低通滤波方案，接收包括三电平判决、DSP均衡恢复。延迟相加方案采用FIR（有限长冲击响应）滤波器实现，数据延迟1bit后再加上下一比特后输出即得到双二进制码；低通滤波器具有延迟相加的特性，因此NRZ信号通过带宽合适的低通滤波器就变成了双二进制信号。双二进制码接收可以采用三电平判决在接收端恢复出发送的双二进制码序列后再经过双二进制解码得到原始信号；也可以采用DSP均衡算法恢复，将接收到的双二进制数据看作是带宽受限的NRZ数据，通过DSP均衡消除符号间串扰恢复出原始数据。

图2是50Gbps双二进制信号误码率曲线，数据恢复采用DSP均衡，比较了有无MLSD（最大似然序列检测）判决时的误码性能，发射机采用25G EML激光器，分别测试了APD和SOA+PIN两种接收机。从图中可以看出，当采用RS（255，239） FEC算法时，当使用MLSD判决时，APD和SOA+PIN的接收灵敏度分别为-23dBm和-25.5dBm，即采用APD接收时发射机需要达到6dBm以上才能支持29dB功率预算，预计需要集成SOA放大器才能满足，如果是SOA+PIN接收机，普通发射机即可达到要求。如果采用LDPC FEC算法，灵敏度进一步提升到-24.5dBm和-28dBm，发射机不需要集成放大器就可以满足要求。


单波50G PON的发展方向

50G PON传输所需激光器、接收机、调制解调芯片、SerDes等器件可以重用或部分重用数据中心产业链，有利于推动50G PON技术成熟。但PON系统特有的上行突发传输、大动态范围、高功率预算等问题尚未解决。

50G PON采用PAM-4或双二进制都需要解决上行突发传输。ONU上行发射端突发激光器驱动；OLT上行接收25G线性突发TIA（跨阻放大器），仍存在技术难度，需要产业链进行重点突破。现有的25G激光器和接收机难以支持PON系统29dB功率预算，需要开发更高发射功率的激光器、更低接收灵敏度的接收机。速率上升到50Gbps之后，接收机灵敏度变差，过载功率不变，接收机动态范围减小，如何解决动态范围较小也是50G PON商用必须克服的困难。

光接入，相比数据中心，传输距离和功率预算比数据中心指标要求高；相比传送网，传输距离短，但ODN使用分光器功率预算要求高。接入网的终端用户规模庞大、成本敏感，50G PON必须在光器件和电器件两方面进行平衡，实现性价比最优的方案才能推动产业发展。数据中心采用PAM-4高阶调制方案实现高速信号传输，对PAM-4调制解调芯片、光收发机的设计、测试等技术积累多，产业链成熟。50G PON采用PAM-4调制方案可能性更大。突发传输、大动态范围、高功率预算等技术实现方案将是未来50G PON研究的重要方向。