下一代PON技術(shù),即50G-PON技術(shù),是實現(xiàn)萬兆光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),其發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景備受關(guān)注。相比10G-PON,50G-PON的帶寬增長近5倍,參考?xì)v史經(jīng)驗,這符合每代際PON容量增加4~5倍的發(fā)展規(guī)律,這樣的容量增長也能夠滿足創(chuàng)新業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)展的需求。50G-PON將成為賦能企業(yè)辦公、園區(qū)生產(chǎn)制造、智慧家庭、數(shù)字城市等領(lǐng)域的光接入網(wǎng)技術(shù)。根據(jù)PON技術(shù)發(fā)展歷史,相鄰代際的光接入技術(shù)部署時間間隔為7~8年,在產(chǎn)業(yè)和政策的助推下,50G-PON技術(shù)日趨成熟、主體標(biāo)準(zhǔn)日益完善,預(yù)計將在2025年前后實現(xiàn)商用。
01、50G-PON幾個關(guān)鍵技術(shù)問題取得進(jìn)展
功率預(yù)算
50G-PON需要利用現(xiàn)有PON網(wǎng)絡(luò)的ODN,實現(xiàn)N1(29dB)、C+(32dB)等級的功率預(yù)算,支持至少20km的光纖傳輸距離。50G-PON線路速率相比10G-PON提升5倍,而隨著傳輸速率的提高,鏈路色散代價也增大,50G-PON色散容限只有10G-PON的1/25。此外,有研究表明,線路速率提高,光發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率隨之增大,會產(chǎn)生非線性效應(yīng),因此對系統(tǒng)設(shè)計提出新的挑戰(zhàn)。
為了滿足50G-PON系統(tǒng)的功率預(yù)算,需要在發(fā)送端增強(qiáng)光信號發(fā)送功率,同時在接收端提高器件接收靈敏度,多種技術(shù)結(jié)合方可實現(xiàn)鏈路功率預(yù)算。在系統(tǒng)發(fā)射端,根據(jù)ITU-T標(biāo)準(zhǔn),為滿足C+(32dB)等級的功率預(yù)算,克服色散對系統(tǒng)的影響,OLT側(cè)發(fā)送光功率需要≥8.5dBm。
OLT發(fā)射端可以增加半導(dǎo)體光放大器(SOA)結(jié)構(gòu)的電吸收調(diào)制激光器(EML)芯片數(shù)量,參考D(35dB)等級XGS-PON相似的OLT發(fā)射端結(jié)構(gòu),通過采用集成SOA的EML激光器,提供超過10dBm的發(fā)射功率。在ONU側(cè),其上行波長在光纖零色散波長區(qū)(US1)或負(fù)色散區(qū)(US2)附近。其中,US3的窄波長波段選項是在ITU-T的G.9804.3 Amd1修訂標(biāo)準(zhǔn)中引入的,這個波長帶位于GPON和XGS-PON波段之間,允許PON系統(tǒng)的三代共存,如圖1所示。
相比OLT側(cè),ONU側(cè)能夠采用更簡單的光器件,如采用直接調(diào)制激光器(DML),以進(jìn)一步降低終端成本。但根據(jù)ITU-T標(biāo)準(zhǔn)要求,對稱速率50G-PON系統(tǒng)ONU側(cè)發(fā)射功率接近7dBm,如采用低成本DML方案,ONU側(cè)需要配置高功率DML激光器。此外,如ONU上行波長在US3的窄波長帶(1286±2nm),為確保上行波長穩(wěn)定并性能最優(yōu),光模塊內(nèi)需要增加TEC以實現(xiàn)模塊內(nèi)部溫度控制較優(yōu)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)接收端,50G-PON采用高性能光探測器,以進(jìn)一步提高接收靈敏度,實現(xiàn)鏈路功率預(yù)算指標(biāo)。
目前業(yè)界傾向于在接收端采用APD探測器,并研究通過優(yōu)化APD材料體系(如采用Ge/Si等)提高接本較高,尚未有成熟的產(chǎn)品。為進(jìn)一步提高鏈路光功率預(yù)算,50G-PON系統(tǒng)收靈敏度,當(dāng)前25G APD已較為成熟,但50G APD產(chǎn)業(yè)鏈仍未完善,處于樣品階段。此外,也有研究人員采用“PIN+SOA”組合的方案提高接收靈敏度,目前PIN產(chǎn)業(yè)鏈能夠滿足50Gbit/s帶寬需求,但與SOA集成的方案工藝復(fù)雜且成的上下行FEC采用低密度奇偶校驗(LDPC)碼,替代之前PON系統(tǒng)采用的里德-所羅門(RS)碼。
在下行方向,F(xiàn)EC對于所有ONU強(qiáng)制開啟;在上行方向,F(xiàn)EC默認(rèn)開啟,并可由OLT控制關(guān)閉。目前,業(yè)界為提升50G-PON功率預(yù)算,在系統(tǒng)收發(fā)側(cè)采用多項關(guān)鍵技術(shù),包括引入SOA、采用高靈敏度APD、部署LDPC FEC等,并已在實驗室對系統(tǒng)N1和C+等級功率預(yù)算進(jìn)行了驗證,取得顯著進(jìn)展。但仍需完善核心光電器件(如50G DML、50G APD、BM-DRV、BM-TIA等)產(chǎn)業(yè)鏈,提高光電器件產(chǎn)品的性能,以形成規(guī)模、降低成本。此外,50G-PON將采用高功率器件,這也將進(jìn)一步提高系統(tǒng)功耗和對散熱效率的要求,系統(tǒng)性能有待研究并優(yōu)化。
多代共存
多代共存是運(yùn)營商非常關(guān)注的50G-PON系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)能力。目前,GPON系列和EPON系列光接入網(wǎng)已大量部署,而支持多代共存的50G-PON系統(tǒng)能夠在網(wǎng)關(guān)側(cè)設(shè)備無需改動的情況下升級局端設(shè)備,降低運(yùn)營商機(jī)房空間占用率,節(jié)省現(xiàn)網(wǎng)投資。
目前支持多代共存的50G-PON,上行波長方案已收斂至1286nm±2nm,能夠支持GPON系列三代共存和EPON系列兩代共存。其中,GPON系列支持G/XG(S)/50GPON三代共存;EPON系列由于早期部分ONU激光器頻寬較寬(1260nm—1360nm),與50G-PON上行波長沖突,因此,目前支持兩代共存,三代共存方案仍在研究中。
在共存實現(xiàn)方式上,運(yùn)營商多采用內(nèi)置合波(即在50G-PON光模塊內(nèi)集成MPM合分波組件)的方式。多代共存時,50G-PON上行波長(1284nm—1288nm)與GPON上行波長(1290nm—1330nm)僅間隔2nm區(qū)間,需要實現(xiàn)30dB高隔離度,對內(nèi)置的合分波器件要求極高,對光模塊封裝方式也有很高要求,需要模塊廠商優(yōu)化光模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計,提升工藝水平。
在業(yè)界持續(xù)攻關(guān)下,目前已有器件廠商研制出高隔離度的合分波器件產(chǎn)品,并在系統(tǒng)方面也取得進(jìn)展,業(yè)界已相繼完成50G-PON系統(tǒng)三代共存能力驗證和三代共存速率驗證,取得預(yù)期成效。但在共存方面仍有難關(guān)需業(yè)界攻克,如多代共存使用的高性能合分波器件、模塊選擇性較少等,供應(yīng)鏈也有待完善;同時,支持三代共存的50G-PON光模塊需要內(nèi)置“3發(fā)3收”六向合波的MPM器件,而多模光模塊如何實現(xiàn)小型化,以進(jìn)一步提高系統(tǒng)密度并降低功耗也是一大難點。此外,目前用于驗證多模50G-PON系統(tǒng)的商用測試工具仍不完備,如商用支持多模50G-PON系統(tǒng)測試的光功率計仍然缺失,影響系統(tǒng)精度驗證,需加快研發(fā)進(jìn)度。
多速率突發(fā)接收
ITU-T標(biāo)準(zhǔn)確定了三種50G-PON系統(tǒng)上行速率,分別是12.5Gbit/s、25Gbit/s和50Gbit/s。這意味著PON系統(tǒng)需要在不同的上行速率的ONU之間動態(tài)接收,滿足不同用戶或應(yīng)用場景的需求。
50G-PON首次引入數(shù)字信號處理器(DSP)均衡技術(shù),動態(tài)補(bǔ)償不同速率和位置的ONU在接入系統(tǒng)時所受到線路損傷的差異。此外,有研究表明,部署DSP能夠降低系統(tǒng)對光器件帶寬的要求,在ONU側(cè)部署使用25G光器件和DSP,能夠補(bǔ)償色散對下行鏈路的影響以實現(xiàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算。
ITU也在制定50G-PON標(biāo)準(zhǔn)時提出評估發(fā)射機(jī)的新指標(biāo)TDEC(發(fā)射機(jī)和色散眼圖閉合),用于關(guān)注背靠背及長距離傳輸后線路損傷導(dǎo)致的功率裕量損失,尤其關(guān)注采用均衡后的信號眼圖閉合現(xiàn)象。TDEC、ER與靈敏度指標(biāo)綜合評估,能夠使制造商更加靈活地選擇系統(tǒng)配置。DSP的部署對實現(xiàn)50G-PON系統(tǒng)多速率突發(fā)接收起到關(guān)鍵作用。
參考國內(nèi)50G-PON產(chǎn)業(yè)發(fā)展,50G-PON系統(tǒng)上行速率已收斂到25Gbit/s(非對稱)和50Gbit/s(對稱)雙速率。為了提升系統(tǒng)性能,在OLT側(cè),通過引入DSP技術(shù),實現(xiàn)了對多速率上行突發(fā)信號的動態(tài)均衡。在ONU側(cè),通過引入輕量化的DSP,降低了器件帶寬的限制,并能夠有效地補(bǔ)償下行色散等因素對鏈路造成的影響,提高系統(tǒng)功率預(yù)算。
當(dāng)前,50G-PON系統(tǒng)的DSP產(chǎn)業(yè)鏈借鑒了數(shù)通產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)產(chǎn)品,但OLT側(cè)的DSP需要支持多模突發(fā)時鐘恢復(fù)和突發(fā)動態(tài)均衡等功能,目前高性能DSP產(chǎn)品的可獲得性仍然不足,這對設(shè)備廠家的自主研發(fā)能力提出了挑戰(zhàn)。此外,隨著DSP的加入,系統(tǒng)的成熟度以及可能帶來的成本、功耗影響也需要進(jìn)一步評估。
02、主體標(biāo)準(zhǔn)制定工作基本完成,現(xiàn)網(wǎng)試點持續(xù)開展
主體標(biāo)準(zhǔn)制定工作基本完成,現(xiàn)網(wǎng)試點持續(xù)開展在國際上,ITU-T SG15的光纖接入網(wǎng)絡(luò)光系統(tǒng)研究組(Q2)早在2016年便啟動了后10G-PON項目研究,其研究項目ITU-T G.Sup64于2018年完成并發(fā)布,研究了后10G-PON的各種可行性路線及其關(guān)鍵技術(shù)。
2018年的ITU-T SG15會議經(jīng)過多次討論,最終確定將50G-PON作為下一代PON系統(tǒng)代際技術(shù),并建立新的G.HSP(G.Higher Speed PON)系列標(biāo)準(zhǔn)項目,體系內(nèi)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括G.9804.1面向網(wǎng)絡(luò)基本需求、G.9804.2面向TC協(xié)議層、G.9804.3面向物理層。系列標(biāo)準(zhǔn)第一版(包括需求標(biāo)準(zhǔn)及修訂G.9804.1Amd1、通用協(xié)議層標(biāo)準(zhǔn)G.9804.2及物理層標(biāo)準(zhǔn)G.9804.3)于2019年4月在ITU-T SG15全會上正式通過,標(biāo)志著50G-PON的基礎(chǔ)功能完成標(biāo)準(zhǔn)化。
此后,系列標(biāo)準(zhǔn)的完善工作持續(xù)開展,截至2024年4月,50G-PON系列已增補(bǔ)需求補(bǔ)充、物理層對稱指標(biāo)、協(xié)議層以及共存等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并陸續(xù)完成發(fā)布。至此,50G-PON的國際標(biāo)準(zhǔn)研制主體工作已基本完成。在國內(nèi),中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)的TC6工作組也早在2017年便開展了下一代PON的技術(shù)研究工作,并于2020年開始50G-PON系列標(biāo)準(zhǔn)研制。
截至2024年4月,50G-PON系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(包括總體、物理層、TC層等)已在TC6WG2完成并發(fā)布。在模塊器件方面,50G單模、10G/50G雙模光模塊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已在TC6WG4完成報批,三模光模塊[G/XG(S)/50G]標(biāo)準(zhǔn)已立項,處于征求意見稿編制階段。此外,CCSA TC615WG全光垂直行業(yè)工作組也立項“50G-PON垂直行業(yè)應(yīng)用技術(shù)研究”的課題,探索50G-PON可率先應(yīng)用賦能的垂直行業(yè)領(lǐng)域。
國際和國內(nèi)50G-PON主體標(biāo)準(zhǔn)的完成為產(chǎn)業(yè)鏈上下游全面推進(jìn)50G-PON商用創(chuàng)造了條件。全球眾多運(yùn)營商也積極開展50G-PON技術(shù)驗證,中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、瑞士電信、法國電信等30多家運(yùn)營商相繼開展50G-PON試點。在國內(nèi),三大運(yùn)營商自2021年起便積極通過試點驗證50G-PON的各個發(fā)展階段,我國50G-PON現(xiàn)網(wǎng)試點情況如圖2所示。
03、需求驅(qū)動、政策推動,寬帶網(wǎng)絡(luò)向萬兆挺進(jìn)
“十四五”規(guī)劃明確提出要推廣升級千兆光網(wǎng)。截至2023年底,我國千兆網(wǎng)絡(luò)加速普及,千兆及以上寬帶用戶達(dá)1.63億戶,占總用戶數(shù)的25.7%。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面,我國已建設(shè)具備千兆網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的10G-PON端口數(shù)達(dá)到2302萬個,千兆光網(wǎng)具備覆蓋超過5億戶家庭的能力。千兆光網(wǎng)的快速發(fā)展帶動產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)繁榮,并進(jìn)一步推動家庭及行業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展,沉浸式家庭應(yīng)用開始涌現(xiàn),智慧城市和智慧園區(qū)加速創(chuàng)新,用戶體驗要求和對網(wǎng)絡(luò)的需求同步提升。以沉浸式“裸眼3D”為例,84視點的4K分辨率壓縮數(shù)據(jù)流需要2.7Gbit/s的吞吐量,如視點分辨率提升至8K,則網(wǎng)絡(luò)帶寬將大于10Gbit/s。
應(yīng)用創(chuàng)新、更優(yōu)的用戶體驗需求推動寬帶網(wǎng)絡(luò)向萬兆光網(wǎng)邁進(jìn)。50G-PON作為萬兆光網(wǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動技術(shù),可以為每個接入點提供超過10Gbit/s的超高帶寬、實現(xiàn)微秒級的系統(tǒng)傳輸時延和抖動、支持至少為1:64的物理最大分路比,并可以重用現(xiàn)有的ODN基礎(chǔ)設(shè)施,與現(xiàn)有PON網(wǎng)絡(luò)共存。50G-PON的新特性使它能夠用于承載FTTX各類場景服務(wù),滿足創(chuàng)新應(yīng)用(如虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實等沉浸式應(yīng)用)的網(wǎng)絡(luò)需求和用戶體驗要求,還將為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、AI等技術(shù)的發(fā)展提供堅實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),賦能行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新,引領(lǐng)萬物的光纖互聯(lián),因而具有廣闊的應(yīng)用前景。
根據(jù)Omdia預(yù)測,新興應(yīng)用不斷涌現(xiàn)將推動新一代PON網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增長,促使50G-PON在2030年前保持高速發(fā)展,預(yù)計2024—2029年,亞洲地區(qū)50G-PON OLT端口出貨量年復(fù)合增長率將達(dá)到90%,50G-PON投資占比逐年增高。我國政府也高度重視萬兆光網(wǎng)的發(fā)展,多次提出加大以50G-PON為代表的萬兆光網(wǎng)研發(fā)力度。
目前,已有多地政府出臺具體措施助推萬兆光網(wǎng)發(fā)展。北京于2023年9月發(fā)布《“光網(wǎng)之都,萬兆之城”行動計劃(2023—2025年)》,計劃到2025年成為以萬兆光網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)能力領(lǐng)先、創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)先、前沿示范領(lǐng)先的“全光萬兆”樣板城市。上海市于2024年5月啟動“‘光耀申城’萬兆啟航行動計劃(2024—2025年)”,目標(biāo)是到2025年建成萬兆光網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施體系,同時明確了50G-PON端口發(fā)展規(guī)模,并計劃在新建住宅、商務(wù)樓宇以及產(chǎn)業(yè)園區(qū)全面部署50G-PON。50G-PON作為萬兆光網(wǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動技術(shù),能夠滿足不斷增長的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。未來其應(yīng)用將不僅圍繞家庭超寬帶業(yè)務(wù)接入,還將圍繞垂直行業(yè)的不同領(lǐng)域賦能企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
此外,50G-PON的部署還將帶動光通信產(chǎn)業(yè)模塊、器件、設(shè)備、管理方式的全面升級,促進(jìn)整個光通信產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)革新和發(fā)展,創(chuàng)造新的市場機(jī)遇。目前,50G-PON的功率預(yù)算、多代共存、多速率突發(fā)接收等幾項關(guān)鍵技術(shù)已取得顯著進(jìn)展,產(chǎn)業(yè)界正在加速完善核心光電器件產(chǎn)業(yè)鏈,深入優(yōu)化系統(tǒng)性能,為后續(xù)的規(guī)模商用部署提供完備的技術(shù)支撐,預(yù)計50G-PON將在2025年前后迎來商用部署,光接入網(wǎng)將進(jìn)入萬兆時代。
*本文刊載于《通信世界》總第947期 2024年7月10日 第13期?原文標(biāo)題:50G-PON發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景分析
作者:中國信息通信研究院 曹小波 劉謙責(zé)編/版式:蓋貝貝
審校:王 濤?梅雅鑫
監(jiān)制:劉啟誠