25G/100G-PON进展和演进趋势分析
发布时间：2016-06-16 08:23:43 热度：3392
6/16/2016,本文介绍了25G/100G-PON标准进展，给出了25G/100G-PON调制技术和波长规划对比分析，论述了下一代PON演进趋势，介绍了产业链进展情况。
“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5-6年10倍速度增长，现有接入网技术需要不断进行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和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。
1 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，在移动回传和商业客户中可选择点对点的WDM overlay 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2018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二种制式。
2 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PAM4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PAM4调制三种方式，分别论述如下：
(1)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25G传输速率，以上2种方案的调制均采用OOK直接调制方式。其关键技术主要有如下几点：一是上行25G突发模式的电芯片BCDR实现难度大；二是如果波长规划在O波段之外，还要增加色散补偿算法；三是为满足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。
(2)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一半。在光纤通信中双二进制有两种应用形式, 一种是采用三电平幅度调制, 这种形式的双二进制在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。 另一种双二进制实现方式是光双二进制, 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, 不导致灵敏度劣化。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。光双二进制的优点是在接收端不需要判断所接收的相位是多少，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。
(3)PAM4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，降低或者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的信息。PAM-4调制的色散容限相对于NRZ可提升4倍。PAM4调制可以采用12.5G带宽光器件，传输25G的信号，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二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）。
3 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25G、50G和100G三种速率，100G采用4个波长，每个波长25G，可选的波长规划主要有以下三种方案：1）全O波段：上下行4对波长均位于O波段；2）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；3）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和EML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。
4 下一代PON演进趋势
图1 PON技术演进趋势示意图
图1给出了IEEE标准体系和ITU标准体系的PON未来演进趋势，PON技术演进可从如下二方面来进行分析：
（1）技术升级换代：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， PAM4等高级调制技术在单波长50G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。
（2）平滑演进兼容：对于下一代PON技术兼容性，考虑到带宽需求的增长和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100M~1G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1G~10G带宽，2020年后预计逐步进入商用。
5 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，预计2016下半年会有样品面试。近期在OFC和ECOC上多家科研院所和设备商有研究论文和原型样机发布。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。
6 总结
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。
来源中兴通讯
“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5-6年10倍速度增长，现有接入网技术需要不断进行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和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。
1 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，在移动回传和商业客户中可选择点对点的WDM overlay 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2018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二种制式。
2 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PAM4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PAM4调制三种方式，分别论述如下：
(1)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25G传输速率，以上2种方案的调制均采用OOK直接调制方式。其关键技术主要有如下几点：一是上行25G突发模式的电芯片BCDR实现难度大；二是如果波长规划在O波段之外，还要增加色散补偿算法；三是为满足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。
(2)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一半。在光纤通信中双二进制有两种应用形式, 一种是采用三电平幅度调制, 这种形式的双二进制在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。 另一种双二进制实现方式是光双二进制, 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, 不导致灵敏度劣化。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。光双二进制的优点是在接收端不需要判断所接收的相位是多少，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。
(3)PAM4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，降低或者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的信息。PAM-4调制的色散容限相对于NRZ可提升4倍。PAM4调制可以采用12.5G带宽光器件，传输25G的信号，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二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）。
3 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25G、50G和100G三种速率，100G采用4个波长，每个波长25G，可选的波长规划主要有以下三种方案：1）全O波段：上下行4对波长均位于O波段；2）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；3）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和EML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。
4 下一代PON演进趋势
图1 PON技术演进趋势示意图
图1给出了IEEE标准体系和ITU标准体系的PON未来演进趋势，PON技术演进可从如下二方面来进行分析：
（1）技术升级换代：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， PAM4等高级调制技术在单波长50G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。
（2）平滑演进兼容：对于下一代PON技术兼容性，考虑到带宽需求的增长和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100M~1G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1G~10G带宽，2020年后预计逐步进入商用。
5 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，预计2016下半年会有样品面试。近期在OFC和ECOC上多家科研院所和设备商有研究论文和原型样机发布。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。
6 总结
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。
来源中兴通讯
