下一代PON技術(shù)展望

張寧

【摘要】 光接入技術(shù)是接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。PON技術(shù)的提出成功的解決了接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難等技術(shù)問(wèn)題，并且極大的提高了接入用戶的帶寬。但是隨著HDTV、VOD和在線游戲等高帶寬業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的PON技術(shù)已不能滿足日益膨脹的用戶帶寬需求，于是OFDM-PON、WDM-PON、TWDM-PON等下一代PON技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。本文較為詳細(xì)的闡述了下一代PON網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)已經(jīng)完成標(biāo)準(zhǔn)化10G EPON、10G GPON技術(shù)做了簡(jiǎn)單的介紹。

【關(guān)鍵詞】 下一代PON 10G-PON WDM 無(wú)色ONU

一、前言

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）作為主要的光接入技術(shù)，由于其光配送網(wǎng)絡(luò)（ODN）均由無(wú)源器件組成的特性，所以， 在20世紀(jì)90年代中期FSAN提出APON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即引起了大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)承載業(yè)務(wù)多樣化，F(xiàn)SAN和ITU-T SG15工作組在2002年提出了吉比特PON（GPON）的概念，并與2004年完成了G.984.x的標(biāo)準(zhǔn)化工作。與此同時(shí)，IEEE802.3EFM工作組也在IEEE 802.3ah中也正式發(fā)布了基于以太PON（EPON）的標(biāo)準(zhǔn)。這兩項(xiàng)PON技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的完成極大的推動(dòng)了光接入網(wǎng)的發(fā)展和FTTH的普及，用戶接入帶寬也比傳統(tǒng)的xDSL接入技術(shù)所提供的帶寬有著成倍的增加。但是隨著高清視頻、網(wǎng)絡(luò)游戲等高帶寬業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，終端用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)對(duì)品質(zhì)也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的PON技術(shù)所能提供的帶寬和技術(shù)瓶頸已經(jīng)不能滿足用戶日益增長(zhǎng)的帶寬需求。

二、PON技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

ITU-T SG15于2012年完成并發(fā)布了G.987.x標(biāo)準(zhǔn)，正式提出10G GPON的技術(shù)方案。FSAN和ITU-T提出的XG-PON1為上行帶寬為2.5G，下行為10G的非對(duì)稱模式。線路編碼方式和傳統(tǒng)1G GPON使用的線路編碼方式一樣是不歸零碼（NRZ）。ITU-T在定義XG-PON標(biāo)準(zhǔn)時(shí)在G.987.1提出10G GPON需要兼容1G GPON ONU和ODN，但是由于10G GPON定義的工作波長(zhǎng)窗口較狹窄，和1G GPON的工作波長(zhǎng)不存在重疊部分，所以在10G GPON和1 G GPON共存時(shí)，需要增加波分復(fù)用器（WDM1r）將XG-PON OLT和GPON OLT以及波長(zhǎng)為1550納米的有線電視信號(hào)合波以后在ODN中傳輸，并且在ONU接收信號(hào)側(cè)還需要增加波長(zhǎng)阻塞濾波器（WBF），以濾除非下行工作波長(zhǎng)的干涉信號(hào)（GPON和XG-PON下行工作波長(zhǎng)不同）。

三、下一代PON技術(shù)展望

3.1 基于波分復(fù)用的PON技術(shù)（WDM-PON）

WDM-PON系統(tǒng)的ODN使用陣列波導(dǎo)光柵（AWG）取代光功率分路器，AWG在下行方向可以將不同波長(zhǎng)的光分離并送達(dá)相應(yīng)的ONU端口。WDM-PON系統(tǒng)的OLT包含不同波長(zhǎng)通道的光收發(fā)器，每個(gè)器件獨(dú)立地收發(fā)光信號(hào)。WDM-PON系統(tǒng)的各ONU在上行方向通過(guò)不同波長(zhǎng)的ONU與OLT通信，這樣的設(shè)計(jì)在理論上是可行的，但是在實(shí)際部署時(shí)，存在成本高，ONU維護(hù)困難等問(wèn)題。目前，為了降低成本和避免維護(hù)困難，WDM-PON系統(tǒng)要求ONU實(shí)現(xiàn)無(wú)色，所謂無(wú)色ONU是指ONU的發(fā)射機(jī)可以發(fā)出不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。無(wú)色ONU是WDM-PON的關(guān)鍵技術(shù)，目前主要的無(wú)色ONU方案有可調(diào)諧分布式反饋（DFB）激光器、注入鎖定法布里-玻羅激光器（IL FP-LD）以及基于波長(zhǎng)重用的反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）。

WDM-PON系統(tǒng)和PS-PON系統(tǒng)一樣，在ODN中不需要有源光器件；并且每個(gè)ONU使用獨(dú)立的波長(zhǎng)傳輸信息，所以安全性較高；由于是P2P的連接，所以不需要指定相關(guān)的媒體接入控制（MAC）協(xié)議；和PS-PON不同，每個(gè)ONU可以根據(jù)客戶的需求升級(jí)速率。但WDM-PON目前仍然存在較多不足，WDM-PON不能和傳統(tǒng)PON共存，現(xiàn)在的ODN需要改造并安裝AWG和BPF等光器件；無(wú)色技術(shù)仍然存在成本高的問(wèn)題。一般WDM-PON的波長(zhǎng)通道間隔為100GHZ或50GHZ，當(dāng)波長(zhǎng)通道間隔減小到幾GHZ的WDM-PON稱為超密集WDM-PON。 對(duì)WDM- PON系統(tǒng)的技術(shù)研究仍在進(jìn)行中，相信隨著相關(guān)光器件成本的降低和技術(shù)的成熟，WDM-PON會(huì)成為NG-PON3的主流發(fā)展技術(shù)，因?yàn)閃DM-PON對(duì)光纖的帶寬利用率明顯高于其他的PON技術(shù)。

3.2 時(shí)分波分堆疊PON技術(shù)（TWDM-PON）

如圖1所示，TWDM-PON從系統(tǒng)架構(gòu)上可以認(rèn)為是4個(gè)上行2.5G，下行10G的10G-PON的簡(jiǎn)單疊加。但在實(shí)際部署時(shí)，仍然存在許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。為了和10G-PON兼容，TWDM-PON的波長(zhǎng)需要重新規(guī)劃，目前提出可行的兩種波長(zhǎng)劃分方案是O波段的長(zhǎng)波段（1340-1360nm）/C波段的短波段（1528-1535nm）和C波段的短波段（1528-1535nm）/L波段的長(zhǎng)波段（1596-1604nm）。這兩種波長(zhǎng)劃分方案可以避免與已有的PON系統(tǒng)所占用的波長(zhǎng)沖突，從而可以與現(xiàn)有的10G-PON系統(tǒng)共存，支持ONU按需逐個(gè)升級(jí)。

在TWDM-PON系統(tǒng)中，仍然需要使用ONU波長(zhǎng)可調(diào)的無(wú)色技術(shù)。TWDM-PON的ONU發(fā)射機(jī)和接收器一般只需要4～8個(gè)波，幾個(gè)nm的調(diào)諧范圍，而技術(shù)成熟并已大規(guī)模應(yīng)用在DWDM傳輸系統(tǒng)的支持80波以上的調(diào)諧技術(shù)，由于器件成本原因不適合應(yīng)用在TWDM-PON系統(tǒng)中。目前，技術(shù)較為成熟并有望在TWDM-PON系統(tǒng)中部署的可調(diào)諧激光器有溫控DFB激光器（TC DFB-LD），局部溫控DFB激光器（Partial TC DFB-LD），無(wú)冷卻模塊的外腔半導(dǎo)體激光器（External cavity laser without cooling）。這些在技術(shù)上較為成熟的可調(diào)諧激光器還需要進(jìn)一步降低成本才有可能在接入網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用。雖然少數(shù)設(shè)備制造商已經(jīng)推出了基于TWDM-PON技術(shù)的原型機(jī)，但距離大規(guī)模商用尚需較長(zhǎng)時(shí)日，諸如：波長(zhǎng)控制協(xié)議、數(shù)據(jù)包封裝格式等標(biāo)準(zhǔn)化工作需要完成，設(shè)備生產(chǎn)成本需要優(yōu)化，穩(wěn)定性和安全性也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

四、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于下一代PON技術(shù)除了本文論述的三種主要研究熱點(diǎn)以外，還包括高速TDM-PON，CDM-PON等技術(shù)方向。各種技術(shù)方向均可滿足ITU-T G.989.1針對(duì)NG-PON2提出的總體需求，但基于成本、10G-PON后向兼容性以及網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面的考慮，F(xiàn)SAN最終選定TWDM-PON作為NG-PON2的主流技術(shù)方向。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟和光器件成本的降低，相信在不久的將來(lái)，帶寬利用率更高的WDM技術(shù)會(huì)取代TWDM成為PON的主流發(fā)展技術(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ITU-T G.987.1， 10Gigabit-Capable Passive Optical Network （XG-PON）： General Requirements

[2] ITU-T G.989.1 40-Gigabit-Capable Passive Optical Network （NG-PON2）： General Requirements

[3] Cedric F. Lam， Passive Optical Network principles and pracrtice （2007）

[4] 陳雪，許明等. 下一代光接入技術(shù)簡(jiǎn)述 （2012）