下一代无源光网络发展策略解析

作者：宋军
    1/7/2009，在光接入技术领域，无源光网络（PON）无疑是话题最多，也是最受系统开发商推崇的技术。大家知道目前商用的PON以EPON和GPON为主，实际系统又以EPON居多，事实上真正的GPON系统并不多见。随着IPTV、HDTV、双向视频、数字家庭娱乐等多元化业务的发展，现有PON的容量已日显捉襟见肘。随之下一代PON（NG-PON）的开发和商用开始被系统开发商提上技术储备日程。关于这方面的技术研究和预测很多。这里我想就我自己的知识背景和研发经验，对NG-PON的发展步骤，和每一步非常有潜力的技术做一些预测和总结分析。
    就NG-PON，综合现有商用系统和潜力技术两方面综合考虑，其发展趋势大致分为三个步骤，可以将其归纳为EPON/GPON无缝升级（NG1）、WDM-PON（NG2）和超高速超大容量PON（NG3）。以爱立信为例，其希望能在2010年推出10Gb/s的NG1系统，在2015年推出至少40Gb/s的NG2系统。而NG3目前更多的是停留在实验原理研究阶段。
    如果我们将现有PON的技术起点定在EPON/GPON，以GPON为例，能提供2.5Gb/s的下行传输和1.25Gb/s的上行传输。就NG1而言，其概念要点在于成本考虑，即我们不希望对现有EPON、GPON网络做太多的改变，希望通过平滑的技术升级，在不影响已有服务的情况下，对系统做升级，支持具有更高容量需求的新业务。通常这种升级希望下行至少实现10Gb/s的容量，上行至少实现2.5Gb/s的传输。就这一步，我将重点分析潜在的“无缝”升级技术，目标是对已存在的EPON/GPON用户接入不产生任何影响情况下，实现最低成本的系统升级。此外，我将重点介绍在这一步里非常具有应用潜力的两项技术，光学双二进制调制和电子色散补偿。
    就NG2，通常指的是容量超过40Gb/s的系统。我们知道时分复用（TDM）在这个容量要求上已经无能为力。但就这一步而言，究竟采用何种技术还没有定论，在没有更好替代技术前提下，无疑WDM-PON会被提上应用日程。我们知道WDM-PON原理上有数不清的优势，但之所以这些年来，被开发商和运营商冷遇，原因在于其高昂的成本。要让其走向实用化，如何有效降低成本是关键。也许有朋友已经获悉，今年爱立信刚从欧盟拉到一个数额庞大的资助项目，并成立了一个名为GigaWaM的小组，专门致力于WDM-PON成本降低的研究。欧洲力图重点攻关，解决WDM-PON推广的最大瓶颈——价格。就我所知，除了爱立信，欧洲还有Tellabs Inc., France Telecom SA, Intracom Holdings S.A., FiconTEC GmbH等公司或机构正开展着相似的工作。因此在这一步里，我将重点分析降低WDM-PON成本的关键技术。
    就NG3，目标锁定在几百Gb/s，甚至Tb/s的超高速，超大容量系统。这似乎离眼前的市场需求相去甚远。但技术的开拓是永无止境的，很多知名公司的预研部门，如NTT、Bell实验室等都开展着相关研究。在这一步里，我将就现有提出的，对超高速，超大容量的NG3系统应用最具潜力的三项技术，偏振复用、DQPSK调制和相干检测做概括介绍。并重点揭示这些技术结合使用的集团性优势。
一、对EPON/GPON的无缝升级（smooth update）：
    就NG1而言，前面已经提到了，开发原则归纳为两个字，就是兼容。即开发的10Gb/s的新系统只能是对现有EPON/GPON的升级，让新系统同时支持已有EPON/GPON的用户和新购买更大带宽的新用户。以下行GPON为例，就是要让系统同时传输2.5Gb/s的老服务和10Gb/s以上的新服务，且要求两者互不干扰。即升级指导思想是两个，一是平滑，二是低成本。要做到平滑的无缝升级，就不可能对现有系统的传输骨干网做任何改动，而只能在收发端略作调整。
  
                     图1. NG1的构成示意图
    图1是爱立信的NG1传输网络示意图，其符合我们上述描述的应用模式，让骨干网里同时传输两种服务模式。爱立信这里并没有直接告诉我们如何实现这种无缝对接。但已有很多技术性论文阐述了这一点。如果要把图1的模式现实化，最容易想到是把图中的Co-exister用一个WDM器取代，即采用波分复用，使用两个不同的波长来传输两种不同的服务。但简单的这样做，会带来很多麻烦。最直接的问题是在ONU端，新旧用户通过分束器都会接收到两种业务，如何区分开呢，通常我们必须要在每个ONU前加一个粗解复用器。这对用户数量巨大的局域网，显然不是一个经济性的解决方案。换个角度，我们所期望的无缝升级就是不对已存在的ONU做任何改进，而只对新服务使用的那些ONU做一些小的客户端升级，让其享受更新的带宽服务。类似的实现方式也有不少，比较典型的是图2所示，Bell实验室的一个方案。
  
                    图2. Bell实验室建议的NG1方案
    图中可以看到，该计划仍使用四个波长，两个支持原EPON/GPON服务上下行传输，另两个支持新的10Gb/s服务上下行传输。而在下行方向上，新服务使用略大的波长做载波。在OLT，新老服务被独立调制后经过一个波分复用器复用到骨干网传输。这里有特色的是新服务信号的调制方式，可以从图2看到，新服务没有被调制在载波基带上，而被调制在边带上。而老服务信号采用正常的调制方式。在ONU端，我们知道每个ONU的构成上，通常都含有一个电子的低通滤波器（LPF）。因此在信号被探测后，在电子域，对老的那些ONU，可以容易的通过LPF滤除加载新服务的那些边带信号（近似于噪声的影响）。而享用新服务的那些ONU则需要一个CWDM器来区分两个波长信号。从图2可看到，采用这样的技术策略，对原有老用户，没有做任何改动，却避免了来自新服务的串扰影响。而对新用户，则需要使用一个2×1的粗波分复用器，这样的器件，采用光纤熔融拉锥工艺，单个成本通常在几十块钱以内。
    总结来看，NG1将仍使用时分复用模式，如何对现有系统做最小改动，实现最大兼容才是关键。而新服务毕竟具有更高传输速率，特别对超过10Gb/s的系统，色散成为影响信号质量的最关键系统损伤因素。如何有效维持数据在原有系统里稳定传输，抑制串扰呢？显然，我们在前述的技术框架下，只能对新服务的OLT和ONU做适当改进。我认为，以下两种技术非常适合NG1支持高比特率新服务应用：
1.光学双二进制调制：    如图3所示
         
                       图3. 光学双二进制调制原理示意图
    通常的强度调制，以两个不同的强度阶表示数字信号的“1”和“0”。所谓光学双二进制调制最直观的想法是在“1”和“0”间引入一个新的强度阶“0.5”，这样频谱利用效率便得到加倍。但显然这样的三阶强度调制会给信号检测带来压力，对探测器要求大大提高，不是经济的选择。因此通常所说的光学双二进制调制是指图3最右边所示，仍使用两个强度阶来表示“1”和“0”，但使用两个不同的相位“0”和“π”来产生“1”和“-1”，实现类似的三个阶。具体到实现方式上，就是先对信号进行一次OOK强度调制，再进行一次相位调制，产生AM-PSK这样的强度-相位混合调制。
    为什么建议进行光学双二进制调制呢？原因有两个，其一自然是频谱利用效率得到翻倍，但这只是次要原因；其二是该格式的色散公差比起单纯的强度调制得到翻倍，这才是该技术受到瞩目的关键所在。通常的光学双二进制调制能达到±600 ps/nm的色散公差，这对大多数城域接入都足够了，不必再使用很多价格昂贵的色散补偿光纤。
    
                       图4. 不同调制格式下的信号谱宽比较
    通常存在这样一个经验关系，信号传输的色散公差与其谱宽的平方成正比。图4比较了几种常见信号调制格式的谱宽，可见到红线所示的光学双二进制调制具有最窄的线宽，这说明其天然具有良好的色散抵御力，甚至好于我们常提到的DPSK格式。
2.电子色散补偿（EDC）：
    前面提到的光学双二进制是从调制上来对色散的影响打了一个预防针。但对长距离传输，色散的累积影响，不可避免的会恶化高速信号质量，导致误码。这就需要对色散进行补偿。前面说了对NG1，补偿只能发生在新客户的ONU端。这里我推荐的是EDC，电子色散补偿。但对该技术，一直以来都是富有争议的话题。很多公司推崇具有强大补偿能力的光学色散补偿方法，例如具有很多相关成品的Civcom和TeraXion公司。而另一派则推崇灵活且廉价的EDC技术，比如AMCC、Broadcom 和Scintera等公司，都有成熟的EDC模块，可以与探测器直接集成使用。从我的角度，我更推荐使用EDC技术，特别是对NG1应用，毕竟提倡的概念是升级，当然成本是最重要的考量因素。更何况，EDC的补偿力也并不弱。且其实现起来非常灵活，信号经过探测器转换为电信号后，经过一个DSP模块，以数据图像处理的方式，滤除色散影响，恢复出传输信号。简单又实用。
二、WDM-PON的成本降低：
    时分复用到了10Gb/s以上的传输，已经越来约接近容量极限。因此如果要推广更大容量的系统，必须要采用新技术。而比较来比较去，似乎只有WDM-PON最有希望。需要特别注意的是，与NG1不同，NG2由于基于新的技术组网，因此我们不再是对原系统进行升级，而是重新组网，新铺设主干线。这时候考虑对旧服务的兼容不再是关键，而应该把重点放在如何有效降低整个网络的建设和运营成本上。而WDM-PON哪都好，就是价格不好。所以，目前的问题就卡在这，如何有效降低WDM-PON的成本是这一步如何走的关键。
    就原理上，降低WDM-PON成本，有两个主要考虑方向，一是优化网络结构，二是降低器件成本。优化网络结构，可做的工作有很多，举个例子，我们可以优化网络拓扑结构，在使用最小数量EDFA、色散补偿光纤的情况下，获得相对最优的性能。对器件成本的降低，最主要的是降低光源成本。我们知道WDM技术，最终目标是用波长取代IP的作用，每个目标用户分配一个波长。在下行方向上，我们可以通过一个宽带光源，调制不同波长信号，经过复用器复用在一根光纤上传输，到终端通过解复用器，各个波长分开到达目标客户端。这并没有什么问题。但上行端就不容易了。要知道对典型的点对多点网络，存在数量庞大的ONU群体，如果我们在每个ONU上都使用一个光源，那整个系统的成本就是无法接受的了。为此，眼下有个非常时髦的概念，就是“无色”光源。所谓光源的无色，就是说将光源中心化，局域化，在ONU尽量不使用光源，而力求对已有波长信息再利用。通过减少光源数目，甚至只用一个光源来降低整个系统成本，实现波分复用应用。现有的光源无色化方案有很多，这里仅举一个例子，
     
                      图5. 光源无色化应用的WDM-PON
    如图5所示，整个网络中仅在OLT存在一个宽带光源，其光谱范围至少覆盖使用波分复用器AWG的两个相邻自由光谱范围（FSR）。在发射端，仅第二个FSR的波长被用来调制信号，下行传输用。由于AWG是典型的线性器件，因此具有环形光谱响应特性，这样在RN，使用解复用器后，对特定的ONU，例如ONUn，将有两个波长输出，如图中标识的λUn和λDn。对每个ONU，通过一个WDM滤波器，将λUn和λDn分开，其中λDn信号被探测解调。而空白波长λUn直接照射在一个反射式的半导体放大器（RSOA）上，用于上行信号调制。这里的RSOA起到三个作用，其实是可以对信号预放大，其二是相当于一个强度直接调制器，对上行信号调制，其三是由于其工作于增益饱和区，因此对噪声具有较强抑制力。图5所示的系统，通常被称为使用RSOA的无色WDM-PON。这里以它为例，主要是因为该模式简单，且原理非常清晰，能够容易的解释无色化的含义。但并不是说该方式是最好的，最起码来说RSOA的调制速率不高，不可能用于超过2.5Gb/s的调制。因此，近年来类似的系统时有报道，原理类似，但采用不同的器件，例如RSOA可换成反射式电吸收调制器等。但这些方法至少从目前来看，都是互有优劣，不存在绝对最佳的方案。
    至于爱立信从成立GigaWaM小组以来，这几个月是否有什么实质性的突破，来降低WDM-PON的成本，目前尚是个未知数。
三、超高速超大容量PON：
    由于WDM-PON的信息复用模式与TDM不同，因此对40Gb/s的系统，如果采用了WDM-PON，例如使用的AWG有32个通道，那么单通道的调制速率也仅仅1.25Gb/s，这样色散、非线性的影响都并不强烈。而第三代PON，所说的超大容量，超高速，是说单通道调制就达到或超过40Gb/s的系统。与单通道10Gb/s的系统不同，此时不仅色散会严重恶化信号质量，非线性，以及PMD同样会对传输产生致命影响。因此，这里我对这样的系统，概括近来最有应用潜力的三项技术，并重点揭示他们的整合优势：
1.偏振复用技术：
    偏振作为光的一个基本物理属性，和波长、时间、频率等参数一样，都可以用于信息复用。而传统系统要使用偏振复用并不容易，因为光纤中的偏振态会随着传输距离的增加而改变，特别对于高速系统，由于偏振相关损耗（PDL）和偏振模式色散（PMD）的交互影响，信号质量的稳定性值得商榷。但对于超高速，超大容量系统，偏振复用的使用能够简单的让单通道传输容量加倍，其常规现方式如图6所示。
      
                        图6. 偏振复用的实现
2.差分四相相移键控（DQPSK）调制格式：
    DQPSK是近年来非常受关注的信号调制格式。和偏振复用一样，使用DQPSK调制也能将频谱利用效率加倍。两者的差别可以从图7看到。
  
                图7. 偏振复用与DQPSK概念比较示意图
    我们知道相位漂移监控（DPSK）是非常受关注的调制格式，因为其是基于相位上的“0”和“π”来表示两个不同的信号阶，因此强度上维持了常数的包络。这对高调制速率信号很有意义，因为常数强度包络对非线性具有良好的抵御力。但是从图中可以看到，DPSK是典型的二进制调制，频谱利用率不高。为了进一步提高频谱利用率，有两种技术可以被采用。其一是上面提到的偏振复用技术，其二就是DQPSK调制格式的采用。我们对比图7和图3就可以容易的理解，DQPSK本质上就是一种光学双二进制调制，在“0”和“π”之间引入了“π/2”这个中间参考阶，进而将频谱利用率翻倍。当然，如图7所示，如果我们同时采用偏振复用和DQPSK调制，就可以将频谱利用率提高四倍。和前面提高的光学双二进制调制类似，DQPSK格式除了在频谱利用率上具有优势，同时也能提高对色散、非线性以及PMD的公差。
3.相干检测技术：
    我们知道现有的光通信系统都是非相干系统，当然采用的检测技术基本都是以直接探测为基础的非相干检测。相干探测则常采用零差和外差两种方式。显然其实现起来比非相干检测要难很多，要求也高很多。但相干检测从性能上具有明显优势，首先其高灵敏度特性能有效提高无中继传输距离，其次相干检测能显著抑制噪声的影响，降低带间串扰的影响，这对密集波分复用系统尤为有利。
4.三种技术结合使用的集团优势：
    以上谈到的三种技术，都是近年来研究密集，受关注颇多的技术。但可以看到，单独用任何一项，尽管具有很多优势，但也具有很多难点。如果权衡性价比要求，似乎为改善性能带来的额外成本问题，会让技术推广得不偿失。但我们结合使用这些技术，却能实现良好的优势互补，产生1+1>2的独特效果。
    例如，我们知道偏振复用能将频谱利用率加倍，但其对偏振非常敏感，特别对高速系统，由于PMD的影响，偏振态的微小变化既会影响复用效果，也会影响信号传输质量。显然，单独应用偏振复用，我们必须对偏振严格控制，并对PMD监控，补偿。但如果我们同时使用偏振复用和DQPSK调制格式，因为DQPSK对色散、非线性、PMD都具有很高的公差，使得两种技术结合使用时，偏振复用也不再对PMD影响那么敏感。起到了优势互补的作用。
   
                图8. 结合使用偏振复用、DQPSK的相干检测系统
    此外，对偏振复用的系统解复用也是一个难点，需要附加的元器件和子系统都相对昂贵。图8给出了对偏振复用、DQPSK混合使用系统的相干检测系统。从图中可以看到，相干检测系统本身就可以用于对相位调制的DQPSK信号解调。同时在相干探测，将光信号转换为电信号后，就能在电子域对偏振复用的信号进行偏振解复用。使得三者变得都很容易。这样的混合系统既集成了各自的独立优势，又能难点互补。总结来看，三者的混合技术具有如下特点：
（1） DQPSK+偏振复用，能获得最大化的频谱利用率，每字符加载四字节信号；
（2） DQPSK为系统提供了对色散、非线性和PMD最大化的公差；
（3） 相干检测可以和相位解调并行使用，且能在电子域对偏振复用信号解复用；
（4） 用于偏振解复用的DSP模块同时也能用于电子色散补偿功能，并可对非线性、PMD在电子域进一步补偿。
    作一个总结，我在这里就个人知识背景，总结了未来一段时间内，无源光网络的发展趋势，就技术选择和预期提供的网络容量来讲，可分三个台阶。每个台阶都有自己的焦点问题，和富有潜力的技术。