50G-PON:10G PON之后的新一代PON技术

2024-05-30 17:47:58

PON技术发展回顾

 

        PON技术是一种基于无源ODN网络的宽带接入技术,采用P2MP点到多点拓扑结构,上、下行传输波长独立,数据时分复用。PON系统中连接OLT和ONU的ODN网络采用纯光介质,全程无源,环境适应性强,易于扩展和升级。过去10来年,由于在基于光纤、无源、P2MP等方面相对于铜线接入的比较优势,PON技术取得了巨大成功,得到了大规模部署。

        在PON技术的发展历程中,标准组织ITU-T/FSAN和IEEE起到了巨大的推动作用。PON技术起源于早期的APON/BPON,历经多代发展,GPONEPON已经大规模商用部署,为用户提供高达百兆的带宽接入能力。其下一代的10G PON技术如10G GPON和10G-EPON也已经大规模商用,可为用户提供高达1Gbps的带宽,实现千兆网络的覆盖,满足4K/8K视频业务规模应用,以及VR/AR业务的前期导入需求。

        随着视频业务成为宽带网络的基础业务,以及PON技术逐步从家宽领域向政企行业领域拓展,如远程医疗、工业智能制造、厂矿通信等,一方面对带宽提出了更高的要求,另一方面对时延、丢包、抖动及业务质量和用户体验也提出了相应的要求。比如VR业务,其带宽要求超过1Gbps,用户体验提升需要5ms(RTT时延)低时延,而远程医疗的端到端通信时延小于50ms,且抖动小于200μs。

        为了应对后10G PON时代的业务发展需要,IEEE和ITU-T/FSAN在完成10G PON的标准制定后,开始考虑下一代PON的技术研究工作。

 

下一代PON主流技术方向:50G-PON

 

        业界普遍认可将下一代光接入网带宽提升至50Gbps,因此如何简单、高效地实现系统带宽升级成为PON领域研究的热点。10G PON之后的下一代PON技术发展趋势主要有两个方向:一是提高单波长速率;二是多波长复用提高总速率。

        IEEE率先启动了10G PON后下一代PON技术的标准制定,单根光纤上支持25Gbps下行速率,同时支持10Gbps/25Gbps上行速率,并支持和10G-EPON的兼容。对于50Gbps带宽需求,采用多波长叠加技术和通道绑定技术提供两个25Gbps通道,实现50Gbps速率。

        ITU-T/FSAN则考虑了家庭用户、企业用户、移动回传/前传等场景,并逐步形成了对于下一代PON的需求,聚焦单通道速率为50Gbps的50G-PON技术。2018年,ITU-T/FSAN启动了基于单波长50G-PON的标准制定工作,命名为“G.HSP(G.Higher Speed PON)”,该标准预计今年下半年发布,并预计在2025年开始具备商用能力(见图1)。而在此时间点前,10G PON将作为业界主流的光接入技术大规模商用部署。

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          图1  50G-PON标准进展情况

50G-PON的需求包括相对于10G PON提供4倍以上的接入带宽、更好的业务支持能力、网络保护/安全,以及支持10G PON的共存和平滑演进,并尽可能兼容已有ODN网络。

50G-PON的上下行波长均工作在O波段,不支持与GPON和10G GPON的同时共存,FEC选用LDPC纠错算法。为了更好地支持低时延,50G-PON技术引入了专用激活波长(DAW)、CoDBA(协作DBA)等技术。采用DAW技术,ONU通过专用波长进行注册激活,业务波长不再分配静默窗口,可以减小因注册开窗而带来的传输时延。采用CoDBA技术数据无需等待直接转发,可以降低带宽调度带来的时延。

50G-PON和10G GPON技术的关键功能性能对比如表1所示。

                                 表1  50G-PON和10G GPON关键性能对比

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10G GPON技术向50G-PON的演进和共存

 

在网络的演进中,尽可能地利用现网资源与节省升级演进成本,是运营商历来关注的重点。为了实现10G GPON向50G-PON的平滑演进,满足不同业务的组网需求,10G GPON和50G-PON将在一定时间内共存。为节约机房部署空间,降低光接入设备能耗,有效利用现网的ODN资源和降低运营商的网络建设成本,局端设备采用多制式共存的光收发合一模块是目前已被验证的最有效手段,如采用Combo PON理念来实现50G-PON和10G GPON的合波。

对于10G GPON技术和50G-PON技术共存,需要满足一定的要求:

- 支持10G GPON和50G-PON技术在同一根光纤上共存;

- 应避免或尽量减少未升级的ONU服务中断;

50G-PON支持和兼容10G GPON的业务。

ITU-T标准组织经过多次讨论,已经明确50G-PON不会与GPON和10G GPON同时共存。因此在向50G-PON演进的过程中对于技术共存可以考虑两步迁移的方式,首先从GPON演进到10G GPON,然后从10G GPON演进到50G-PON,在兼顾网络演进和成本的同时实现带宽的持续升级。

 

50G-PON关键技术分析

 

50G-PON采用单纤双向传输,下行TDM时分复用,上行TDMA时分多址接入,实现OLT和ONU之间的点到多点通信。其关键技术包括波长选择、线路编码、线路速率、FEC纠错技术、Common TC技术、PHY层器件等方面。

- 波长选择

50G-PON目前只有O波段一小段可用波长,不够50G-PON系统使用。ITU-T经过多次讨论,已经明确50G-PON不会与GPON和10G GPON同时共存。目前已确定了部分波长选择,部分还在细化讨论中。

- 线路编码

在ITU-T前期的讨论中曾经考虑过PAM4、双二进制和NRZ等多种线路编码;由于PON系统光功率预算要求很高,最终选择了接收性能最好的NRZ编码。

- 线路速率

ITU-T已经明确50G-PON速率要求,支持对称、非对称不同速率组合;下行1个速率,上行速率有4种线路速率可选。

- FEC纠错技术

50G-PON线路速率提高后,接收机灵敏度下降,需要提高收发机性能才能重用已经大量部署的ODN网络。为了降低高速光器件指标要求,50G-PON引入LDPC(Low Density Parity Check,低密度奇偶校验)编解码方案进行FEC的前向纠错。

- Common TC技术

50G-PON主要通过专用激活波长(DAW)、CoDBA和减小分配周期等方式来实现低时延。

DAW专用激活波长:可以是新定义的波长,也可以是50G-PON之前部署的PON系统波长。专用激活波长可以是一个单独的上行波长,也可以是一对上下行波长。通过专用激活波长技术,避免了在50G-PON上行波长上开放安静窗口,取消了因安静窗口带来的时延。

CoDBA:OLT通过上层设备获知ONU的上行业务发送需求,提前将带宽分配给ONU,使得业务数据在ONU的缓存时间尽量少。

减小分配周期:减小ONU获得带宽分配的时间间隔,从而降低业务数据在ONU的缓存时间。每个T-CONT在125µs周期内可以最多发送16个突发帧。

- PHY层器件

50G-PON PHY层器件主要包括光发射组件、光接收组件、激光器驱动器LDD,突发TIA以及时钟恢复芯片CDR等关键光电器件。OLT光发射器件可采用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与OLT的不同之处则在于,ONU驱动器需要支持突发功能,接收不需要突发时钟恢复BCDR。业界的实验和仿真结果表明,50G-PON采用50G EML发射机器件和APD接收机器件有望获取单波50Gbps速率。

业界正在致力于推进50G-PON技术的标准化工作,同时部分内容和方向尚待进一步研究,如未来支持多运营商或业务的独享带宽需求,以及为了解决50G-PON的上行光功率预算较为紧张而引入的时延要求和性能及成本等。从目前的进展来看,预计2025年左右50G-PON将具备商用部署能力,而在此时间点前,10G PON技术将会大规模部署,并为后续向50G-PON的平滑演进夯实基础。

 

中兴通讯一直致力于推动50G-PON的标准化和产业链的持续完善,并且在部分关键器件技术上取得了突破,并已提交超30篇50G-PON标准提案,其中的物理层参数、低时延、FEC等多方面提案被标准组织采纳。


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