聊聊50G PON的技術(shù)細(xì)節(jié)

上周，小棗君給大家介紹了50G PON的最新進展（50G PON，又有新進展?。?/a>。

PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）是一個接入網(wǎng)技術(shù)。它的核心作用，就類似一個“有線”基站，通過大量的光纖和分光器，讓海量的家庭和企業(yè)用戶能夠連入運營商骨干傳輸網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。

PON網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

作為PON技術(shù)的最新版本，50G PON比上一代肯定有顯著的性能提升。

首先當(dāng)然是速率帶寬。

50G PON的下行速率，當(dāng)然就是50Gbps（相比上一代提升了5倍）。這是OLT側(cè)單口的速率，經(jīng)過ODN分光，到用戶這邊，肯定不能承諾是50G。一般來說，說是萬兆（10Gbps），問題不大。

上行速率方面，ITU定義了12.5G/25G/50G三種速率（本來還有10G，離12.5G太近，被拋棄了）。

50G上行/50G下行，叫對稱50G PON。12.5G上行/50G下行、25G上行/50G下行，叫非對稱50G PON。這個和以前的叫法習(xí)慣是一樣的。

按照行業(yè)的設(shè)想，12.5G面向家寬（家庭寬帶）用戶，25G面向家寬和政企用戶，50G面向政企用戶。

其實，業(yè)界現(xiàn)在普遍覺得12.5G也有點多余，不如直接收斂到25G和50G兩種速率，更加簡單。

除了速率之外，50G PON還有以下要求：

平均單向延遲不超過350μs（也有說是100μs），定時精度不超過50ppb（十億分之一，也就是納秒級）；支持上下行加密使用國密SM4算法。

時延對工業(yè)制造或5G回傳場景會有意義，對家庭用戶來說不太敏感。定時精度也沒啥意義。加密是安全性的要求，不會帶來網(wǎng)絡(luò)體驗差異。

█ 50G PON，到底難在哪里？

50G PON，技術(shù)上到底難不難實現(xiàn)呢？

小棗君可以告訴大家，如果要從運營商機房拉一根光纖到你家，提供50Gbps的寬帶，這毫無難度。

別說50G，運營商現(xiàn)在搞骨干網(wǎng)升級，幾千公里的距離，400Gbps速率，都能夠?qū)崿F(xiàn)?，F(xiàn)在的光纖單波帶寬，甚至能達到1Tbps以上，單根光纖甚至可以實現(xiàn)120Tbps的速率。

50G PON的挑戰(zhàn)，不在于光通信技術(shù)自身的能力極限，而是在于外部條件限制。

什么條件限制呢？

1、必須利舊現(xiàn)有的ODN網(wǎng)絡(luò)。

50G PON并不是重新建網(wǎng)。過去這些年，運營商花了很大的功夫，才給每個小區(qū)每個家庭都敷設(shè)了光纖線路。如果再重建一次，投資太大。所以，必須利用現(xiàn)有的ODN網(wǎng)絡(luò)。

這等于說，路還是那條路，你車要開得更快。

2、必須兼容已有的PON技術(shù)。

這個更難搞。50G PON并不是一口氣升級的?，F(xiàn)在大家都在用光纖寬帶，有的是EPON/GPON（1G），也有的是XG(S)-PON（10G）。都還用得好好的，不可能全部報廢換新。

升級必須是無感知的。也就是運營商升級了50G PON，用戶可能都不知道，現(xiàn)有業(yè)務(wù)不能受影響。

這相當(dāng)于，路不僅沒換，舊的奧拓、大眾還在開，你現(xiàn)在要在上面跑法拉利。

3、盡可能利舊現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈。

50G PON和基站一樣，是需要大量采購的設(shè)備。產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度，對價格成本影響很大。所以，它使用的光通信技術(shù)，不是追求多么先進，而是最好利舊現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈，價格更重要。

以剛才開車的例子，就是你的法拉利最好也用奧拓、大眾的零配件，價格必須低。

大家都看明白了吧？50G PON，面對的就是這樣變態(tài)的局面。換句話說，是綁著你的手和腿，還讓你跳“科目三”。

█ 50G PON的關(guān)鍵技術(shù)

更變態(tài)的是，50G PON還真的做到了。

盡管產(chǎn)業(yè)鏈上還有一些磕磕絆絆，但目前從技術(shù)實現(xiàn)的角度，50G PON真的基本做到了剛才提到的那些要求。

接下來，我們看看它到底是怎么做到的。

先說說兼容共存的問題。50G PON在兼容共存方面可以支持GPON、XG(S)-PON、10G EPON共存演進，最大程度地實現(xiàn)平滑升級，以此保護運營商的投資。

50G PON的兼容共存，包括二代兼容共存和三代兼容共存。

二代兼容共存情況包括多種：

· GPON/50G PON
· XG(S)-PON/50G PON
· 10G EPON/50G PON

三代兼容共存情況則是：
· GPON/XG(S)-PON/50G PON
（注：大家會發(fā)現(xiàn)，好像沒有帶上1G的EPON，原因待會再說。）

兼容共存的方式分為兩種，一種是內(nèi)置合波（采用MPM多模內(nèi)置合波組件，MPM=Multi PON Model），一種是外置合波（采用獨立的CEx合波器，CEx=Coexistence）。

50G PON與XG(S)-PON共存

50G PON與10G EPON共存

50G/10G/1G三代共存

簡單來說，既然要通過一張ODN網(wǎng)，來傳輸多個PON系統(tǒng)的信號，就必須進行合波。把多個不同系統(tǒng)的波，合在一起。

內(nèi)置合波（MPM），更受歡迎。但是它基于多模合一光模塊，對光模塊的性能、體積、功耗有一定的要求。

外置合波（CEx），實現(xiàn)起來更簡單，缺點是占用更多的設(shè)備空間，以及帶來更大的功耗。

三代兼容共存還有一個非常值得關(guān)注的問題，那就是工作波長。

單纖雙向，那么多代的PON系統(tǒng)塞在一根光纖里，到底如何使用波長，是一個很麻煩的問題。50G PON可供選擇的波長范圍非常有限，需要確保不和其它老PON系統(tǒng)的波長發(fā)生沖突。

目前三代兼容共存的波長情況，如下圖所示

由圖可以看出，50G PON的上行有3個波段，那是因為ITU-T基于不同的共存場景，提供了三個選項。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界目前已經(jīng)基本歸一到1286nm（也就是圖里的藍色“上行3”）。

如果是這樣的話，50G PON和GPON的上行波長間隔只有2nm，要實現(xiàn)30dB隔離度的波分復(fù)用，難度非常大，需要在工藝上進行創(chuàng)新解決。

大家可能也會問，為什么要用一個看上去很窄的窄波長？

原因稍微有點復(fù)雜。50G PON為了重用已有的ODN網(wǎng)絡(luò)，需要提升接收機的靈敏度（更好地識別光信號）。采用前置放大器，會比較容易實現(xiàn)。但是，放大器存在ASE帶外噪聲，會影響接收機性能。為此，需要增加光濾波器，而且濾波器波長要與發(fā)射機波長匹配。

如果采用寬波長，濾波器的設(shè)計就會變復(fù)雜，用到可調(diào)濾波器，增加成本。因此，才選擇了窄波長的方案。

前面說50G PON無法和EPON兼容共存，也是和波長有關(guān)。

現(xiàn)網(wǎng)的EPON存在未收窄（1260~1360nm）和收窄（1290~1330nm）兩種上行波長。未收窄的話占用了100nm，根本沒有50G-PON的空間，所以只能作罷。

我們再來看看ODN網(wǎng)絡(luò)復(fù)用的問題。

ODN是1根光纖變成N根光纖的一張網(wǎng)絡(luò)，而且是無源（沒有外部電源進行增強）的。這相當(dāng)于無法在傳輸?shù)倪^程中，進行信號增強。

所以，ODN網(wǎng)絡(luò)是有極限的。覆蓋距離、分光比，都不能無限增加。不然信號衰減嚴(yán)重，就無法正常工作。

業(yè)界對ODN有相應(yīng)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，光功率預(yù)算等級有多種，例如N1級（29dB）和C+級（32dB）。后者衰減更大，要求更高。運營商現(xiàn)有PON系統(tǒng)的ODN網(wǎng)絡(luò)，兩種都有，所以還是按C+級別的標(biāo)準(zhǔn)來要求。

也就是說，50G PON系統(tǒng)，在發(fā)送端進行信號加強（+m Db），在接收端進行敏感度提升（-n dB），兩者相結(jié)合（m+n），能夠克服（≥）32dB的差值。

50G PON采用單波長TDM-PON架構(gòu)，上行TDMA（時分多址接入），下行TDM（時分復(fù)用）。在編碼上，為提升接收靈敏度，選用了糾錯能力為1E-2的LDPC FEC碼型。在調(diào)制方式上，考慮到鏈路環(huán)境，也沒有用復(fù)雜的PAM4之類，而是用了基本的NRZ。

50G PON標(biāo)準(zhǔn)制定時，并沒有嚴(yán)格限定廠商們在光收發(fā)（光模塊）上具體用什么方案，來實現(xiàn)32dB這個目標(biāo)。各個廠商自己提光模塊方案，然后進行驗證。（最后看誰的好，再收斂。）

這很考驗廠商的技術(shù)水平，在光發(fā)射和光接收方面需要進行很多創(chuàng)新改進。既要實現(xiàn)上下行50Gbps的速率，還要應(yīng)對所帶來的光纖色散、受激布里淵散射、單幀多突發(fā)等各方面的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)EML（電吸收調(diào)制激光器）和DML（直接調(diào)制激光器）發(fā)射功率達不到要求，可以通過集成SOA（光放大器）提升發(fā)射功率，滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。未來新型EML器件如果發(fā)射功率增大且滿足要求，就不需要使用SOA。

在接收端，需要提升接收機靈敏度，可以采用集成APD（雪崩光電二極管）、SOA光放大器和高靈敏度PIN光探測器的方式。

50G PON，還開始引入DSP（數(shù)字信號處理）芯片，通過算法消除高速信號傳輸中光器件帶寬限制和傳輸色散的影響，改善鏈路功率預(yù)算。

各廠商選擇方案，除了實現(xiàn)32dB目標(biāo)之外，還要盡可能考慮前面說的產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)用。如果能利用已有的成熟產(chǎn)業(yè)鏈，那肯定是再好不過的。

上面小棗君介紹的這一塊內(nèi)容，涉及到光模塊的基本工作原理。大家感興趣的話，可以看小棗君之前寫過的光通信基礎(chǔ)文章。

前面小棗君也提到了內(nèi)置合波對光模塊的要求。50G PON在OLT側(cè)，單線卡支持16個端口，應(yīng)該是基本要求。這樣的話，可以確保不增加體積占用。從光模塊封裝來看，小型化的SFP-DD是一個主流趨勢。

對于產(chǎn)業(yè)界來說，50G PON的光模塊，最多需要支持3發(fā)3收等六向合分波，發(fā)射和接收要增強，速率要高，體積還要減小。這個技術(shù)要求非常高，挑戰(zhàn)非常大。

現(xiàn)有的幾家光通信大廠商，也不是都能輕松搞定的。不過，50G PON規(guī)模商用是明年，產(chǎn)業(yè)鏈還有時間。

█ 最后的話

以上小棗君說的，主要是滿足速率、兼容并存等方面的基本要求。

事實上，為了實現(xiàn)時延、切片的要求，50G PON還進行了很多創(chuàng)新。限于篇幅，就不一一介紹了。如果大家感興趣，我再找機會單獨寫專題。

好了，關(guān)于50G PON的技術(shù)分析，暫時就寫到這里。感謝大家的耐心閱讀，我們下期再見！

參考資料：

1、《高速PON和FTTR國際標(biāo)準(zhǔn)進展》，劉德坤，華為；

2、《50G-PON技術(shù)白皮書》，中興；

3、《中國聯(lián)通50G PON園區(qū)類應(yīng)用場景白皮書》，中國聯(lián)通；

4、《50G-PON 技術(shù)和應(yīng)用白皮書》，中國電信；

5、《50G PON助力寬帶網(wǎng)絡(luò)從千兆邁向萬兆》，劉謙，信通院；

6、《50G PON發(fā)展筑基萬兆光網(wǎng)》，張德朝，中國移動；

7、《50G PON技術(shù)發(fā)展與演進探討》，張德智，中國電信；

8、《50G-PON關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用需求分析》，邵巖，中國聯(lián)通；

9、《50G PON，開啟萬兆接入新篇章》，吳穎，中興通訊；

10、ITU-T、IEEE官網(wǎng)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件。