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全球寬帶提速的浪潮已經來臨，4K/8K超高清視頻、虛擬現實、智慧家庭和物聯網等應用將成為人們日常生活與工作的一部分，越來越多的國家都已經或計劃提高寬帶接入速率。目前，全球已有超過50家運營商正在提供千兆寬帶業務，在韓國、美國和中國香港等地區，運營商更已經針對企業和家庭用戶開通了2G乃至10G的業務；在中國，2013年國務院發布了國家寬帶戰略——計劃到2020年使發達城市家庭用戶的接入速率達到1Gb/s；在歐盟和美國，各國政府也在加速提升國家基礎帶寬，或者給予寬帶發展以較大的支持。 單波高速：下一代PON關鍵技術 隨著用戶終端帶寬需求的不斷增大，當前主流接入網系統架構——PON（無源光網絡）網絡也在不斷升級。尼爾森諾曼公司的聯合創始人Jakob Nielsen博士于1998年提出著名的尼爾森定律（Nielsen’s Law）：用戶帶寬將以每年50%的速率增長。從1983年到2014年的統計結果來看，帶寬增長趨勢很好地與該定律吻合。按此規律推演，到2020年，用戶帶寬將會達到1.6G。如果按PON網絡常用的1:64分光比來計算，當前主流PON系統的帶寬屆時將滿足不了用戶的需求。 現階段，GPON、EPON正在大規模批量部署，XG-PON1、10G-EPON也已經開始小規模商用。PON系統國際標準的主要陣營包括FSAN主導的ITU-T系列GPON標準，以及IEEE主導的802.3系列EPON標準。其中，ITU-T GPON標準系列已經從GPON、XG-PON1發展到NG-PON2。當前NG-PON2的標準體系已明確采用TWDM-PON系統架構，單波速率為10G，通過采用4波或8波來實現總系統容量40G或80G。 相對標準推進較快的ITU-T陣營，IEEE802.3系列標準制定則略微滯后，EPON及10G-EPON標準先后于2004年和2009年發布，而與NG-PON2通信容量對應的NG-EPON標準還處于早期階段。2015年7月，NG-EPON CFI（call for interest）正式通過，成立了研究小組（Study Group），并在2015年9月底發布了NG-EPON標準目標。目前，NG-EPON目標已經定義了幾種方案，包括單波25G上下行和N×25G上下行，主要調制格式技術包括NRZ（非歸零碼）、Duo-Binary（雙二進制編碼）和PAM4（4階脈沖幅度調制編碼）等。 當前，雖然很多候選技術還在研討和比較當中，但單波速率超過10G已基本達成一致，目標演進方向主要是單波速率25G。而在整個PON系統中，針對家庭用戶接入，單波25G PON可以作為主流技術；而對于政企用戶，由于其帶寬需求更大，可以在單波25G的基礎上，通過波長疊加實現2×25G或4×25G的更高帶寬。ITU-T GPON標準陣營預計將在2016年2季度啟動單波25G標準的立項討論。 由以上分析可見，單波25G已經成為光接入的一個重要節點速率，包括華為在內，業界在前期4×10G TWDM PON的研究過程中已經積累了不少多波疊加技術，因此，當前單波25G技術的實現成為了100G PON的關鍵。 單波高速PON技術的挑戰 在光接入領域，運營商的主要訴求是在帶寬升級的同時，還能重用既有的光纖網絡，由于ODN（光配線網絡）鏈路涉及基礎設施施工，難度大、成本高，其建設成本占了整個PON網絡部署的大部分。因此，運營商在下一代PON網絡升級時，對于不改動ODN鏈路都有強烈的訴求。當前ODN鏈路一般需要支持最少20Km光纖、1:32分光器，因此，單波高速PON的主要挑戰將集中在色散、功率預算以及速率選擇方面。 色散難題：在單波10G及以下速率中，由于NRZ的結構簡單、成本低等特性，EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2均采用了該調制格式，此時色散不是PON網絡面臨的主要問題。而單波速率達到或超過25G時，NRZ調制格式的色散容限無法滿足傳纖20Km要求。有兩種方法可以解決此問題，一是采用零色散的O波段（光纖零色散區域），但此波段已被EPON和GPON占用，在PON網絡多代共存場景下難以采用；二是采用電色散補償方法，其中引入高色散容限的調制格式或電均衡算法是比較可行的作法。 功率預算緊張：PON網絡是一個點到多點系統架構，由于ODN鏈路中分光器會引入較大的額外插損，使得功率預算成為PON網絡面臨的較大挑戰。一般可通過增大發送光功率和提高接收靈敏度的方法實現，目前主流的探測器以PIN（光電二極管）和APD（雪崩光電二極管）為主。在PON系統中，由于較高的功率預算要求，主要以APD為光接收器件。APD的接收靈敏度與信號速率有明顯的關系，當信號速率由10Gb/s提升到25Gb/s時，接收機的接收靈敏度會有4dB的下降，如果沒有補償措施，會帶來系統鏈路功率預算下降。目前的25G APD芯片技術和ROSA封裝技術還不成熟，僅有少數供應商宣布擁有該技術，并且價格昂貴，低成本25G PON系統的光收發器件將是業界不得不面臨的問題。 速率選擇：在單波超過10G速率后，會遇到色散困擾和功率預算不足等問題的干擾，而且速率越高，色散對系統的影響越大，系統功率預算也會越緊張。相對于單波10G，單波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多種方案來解決上述問題，這幾種方案都屬于多階調制，編解碼相對比較簡單，對器件要求也不高。而對于單波40G來說，由于單波數據速率提高，其代價是需要更加復雜的高階調制或更加復雜的DSP算法，且會面臨更加緊張的功率預算。理論分析及仿真表明，單波40G模式難以達到當前10G-EPON的幾種功率預算等級要求。而與之相應的是，當前業界25G的各項電路技術都已經趨于成熟，比如25G激光驅動器、25G跨阻放大器和25G數據時鐘恢復電路等等。 基于以上分析，華為將下一代單波高速速率聚焦在25G上，通過多波長疊加最終可以達到50G、100G或者200G的系統速率。 3種單波高速方案解析 單波25G NRZ方案 由于NRZ調制格式簡單，在EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2系統中均采用了該調制格式。在單波25G速率下，若采用O波段傳輸，NRZ格式的光信號的色散容限可以滿足傳纖20Km的需求；但如果采用C或L波段（光纖正色散區域），由于色散容限不夠，單波25G NRZ方案將無法滿足PON系統常規的20Km傳纖需求。在此場景下，需通過光學或電學方式進行色散補償，包括在發送端采用25G電吸收調制激光器和在接收端采用25G APD接收機。雖然該方案下的PON光模塊結構簡單，但25G光器件成本比較高，且色散容限不夠是此方案的最大弊端，補救該弊端的方法是在接收側采用DSP算法對色散進行補償。如果算法優化得當，10G光器件甚至可以在接收側取代25G光器件，而且由器件帶寬不足引發的信號畸變也可通過算法一并補償。 單波25G Duo-Binary方案 Duo-Binary稱為雙二進制，其通過產生3個電平使得自身頻譜相對NRZ頻譜降低一半，對應的色散容限可提升2.5倍。根據眼圖不同，可將Duo-Binary分為兩種：一種是Electrical Duo-Binary，簡稱為EDB；另一種是Optical Duo-Binary，簡稱為ODB。其中EDB是一種常規的3電平雙二制調制格式，眼圖為3個電平，拼合成兩個眼睛；而ODB則是在電域產生3電平雙二進制信號之后，再通過電光相位調制器將上下兩個眼分別調制在不同的相位上，形成類似于NRZ但又不等同于NRZ的ODB眼圖。ODB調制格式由于在光相位上形成反轉，起到色散抵消作用，因此擁有更好的色散容限。 由EDB和ODB可組成兩種對稱25G PON系統。在第一種形式中，上下行鏈路都采用EDB調制格式�？紤]到PON系統中ONU側成本比較敏感，可只在OLT發送側采用25G光器件的EDB調制，而在ONU發送側采用10G光器件產生EDB格式的上行信號。由器件帶寬限制引發的上行信號的畸變，可在成本不敏感的OLT接收側通過更為復雜的電域算法進行補償。在第二種形式中，下行鏈路采用ODB調制格式，在OLT發送側通過采用馬赫曾德調制器（MZM）在產生的3電平基礎上進行相位調制，形成ODB信號。而在ONU接收側只需要采用類似于NRZ的兩電平判決接收，可極大地簡化接收電路，降低ONU成本。上行調制方案與第一種形式一致，即在ONU發送側采用10G光器件產生3電平EDB信號。 單波25G PAM-4方案 PAM-4調制稱為4電平脈沖幅度調制，在信號調制時將每兩個比特組成一個波特，因此PAM-4調制的波特率將減少一半，頻率效率則提升一倍。PAM-4調制的色散容限相對于NRZ可提升4倍。25G PAM-4調制在發送端只需采用12.5G EML和12.5G線性驅動器，在接收端則采用12.5G APD線性接收光組件。而且由于當前主流光器件都是10G，還可以采用10G光器件來代替12.5G EML或APD，再通過電補償算法進行帶寬補償。PAM-4在發送側需要采用數模轉換器產生4電平，接收側采用模數轉換器解碼4電平。 3種技術方案的對比 上述3種單波高速技術方案各有利弊。25G NRZ方案結構簡單，但在接收端需采用DSP進行色散補償，同時采用25G光器件成本也較高；對稱25G EDB方案在ONU側采用10G接收機和10G發送光器件，成本較低，但下行25G接收需采用EDB格式的3電平解碼，會引入額外的ONU成本。而下行25G ODB上行25G EDB方案，其主要優點是下行接收靈敏度高、接收簡單，但發送側較復雜，引入了相位調制器，同時，接收側還需要采用25G光器件；PAM-4方案波特率減半，對光電器件帶寬要求也會降低，但對器件線性度提出了更高的要求，并且PAM-4收發芯片會帶來成本和功耗等問題，除此，PAM-4方案相對前幾種方案靈敏度也較低。不過，由于業界很多著名電芯片公司擬推出PAM-4編解碼芯片，這將有望大幅降低PAM-4方案的收發難度和成本。 除此之外，上述各方案為了達到PON網絡系統的功率預算要求，基本上都需要采用光放大器，由此帶來的光放大器的成本、功耗和集成度等問題也是單波高速PON需要面臨和解決的問題。 每一代PON系統的演進和發展都離不開產業鏈的配合，當前25G光電器件正在不斷成熟。其中，25G電芯片已經成熟商用，比如25G電吸收調制激光器驅動器、25G馬赫曾德爾調制器、25G數據時鐘恢復和跨阻放大器等；25G O波段的激光器基于PIN接收光組件也已經成熟商用多年；業界正緊鑼密鼓開發基于APD的25G接收光組件�？梢哉f，25G光芯片正處于高速發展期。 隨著光網絡技術的進步，以及高速光電芯片的不斷發展，相信單波速率將會不斷得到提升，單波高速PON系統也將會迎來更加美好的明天。 |
