下一代PON技術展望

張寧

【摘要】 光接入技術是接入網的發展趨勢。PON技術的提出成功的解決了接入網絡結構復雜、維護困難等技術問題，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務的出現，傳統的PON技術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技術就應運而生。本文較為詳細的闡述了下一代PON網絡的技術特點及發展現狀，并對已經完成標準化10G EPON、10G GPON技術做了簡單的介紹。

【關鍵詞】 下一代PON 10G-PON WDM 無色ONU

一、前言

無源光網絡（PON）作為主要的光接入技術，由于其光配送網絡（ODN）均由無源器件組成的特性，所以， 在20世紀90年代中期FSAN提出APON技術標準時，即引起了大多數運營商的關注。為了實現承載業務多樣化，FSAN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的標準化工作。與此同時，IEEE802.3EFM工作組也在IEEE 802.3ah中也正式發布了基于以太PON（EPON）的標準。這兩項PON技術標準化的完成極大的推動了光接入網的發展和FTTH的普及，用戶接入帶寬也比傳統的xDSL接入技術所提供的帶寬有著成倍的增加。但是隨著高清視頻、網絡游戲等高帶寬業務的出現，終端用戶的業務體驗對品質也提出了更高的要求。傳統的PON技術所能提供的帶寬和技術瓶頸已經不能滿足用戶日益增長的帶寬需求。

二、PON技術發展現狀

ITU-T SG15于2012年完成并發布了G.987.x標準，正式提出10G GPON的技術方案。FSAN和ITU-T提出的XG-PON1為上行帶寬為2.5G，下行為10G的非對稱模式。線路編碼方式和傳統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標準時在G.987.1提出10G GPON需要兼容1G GPON ONU和ODN，但是由于10G GPON定義的工作波長窗口較狹窄，和1G GPON的工作波長不存在重疊部分，所以在10G GPON和1 G GPON共存時，需要增加波分復用器（WDM1r）將XG-PON OLT和GPON OLT以及波長為1550納米的有線電視信號合波以后在ODN中傳輸，并且在ONU接收信號側還需要增加波長阻塞濾波器（WBF），以濾除非下行工作波長的干涉信號（GPON和XG-PON下行工作波長不同）。

三、下一代PON技術展望

3.1 基于波分復用的PON技術（WDM-PON）

WDM-PON系統的ODN使用陣列波導光柵（AWG）取代光功率分路器，AWG在下行方向可以將不同波長的光分離并送達相應的ONU端口。WDM-PON系統的OLT包含不同波長通道的光收發器，每個器件獨立地收發光信號。WDM-PON系統的各ONU在上行方向通過不同波長的ONU與OLT通信，這樣的設計在理論上是可行的，但是在實際部署時，存在成本高，ONU維護困難等問題。目前，為了降低成本和避免維護困難，WDM-PON系統要求ONU實現無色，所謂無色ONU是指ONU的發射機可以發出不同波長的光信號。無色ONU是WDM-PON的關鍵技術，目前主要的無色ONU方案有可調諧分布式反饋（DFB）激光器、注入鎖定法布里-玻羅激光器（IL FP-LD）以及基于波長重用的反射半導體光放大器（RSOA）。

WDM-PON系統和PS-PON系統一樣，在ODN中不需要有源光器件；并且每個ONU使用獨立的波長傳輸信息，所以安全性較高；由于是P2P的連接，所以不需要指定相關的媒體接入控制（MAC）協議；和PS-PON不同，每個ONU可以根據客戶的需求升級速率。但WDM-PON目前仍然存在較多不足，WDM-PON不能和傳統PON共存，現在的ODN需要改造并安裝AWG和BPF等光器件；無色技術仍然存在成本高的問題。一般WDM-PON的波長通道間隔為100GHZ或50GHZ，當波長通道間隔減小到幾GHZ的WDM-PON稱為超密集WDM-PON。 對WDM- PON系統的技術研究仍在進行中，相信隨著相關光器件成本的降低和技術的成熟，WDM-PON會成為NG-PON3的主流發展技術，因為WDM-PON對光纖的帶寬利用率明顯高于其他的PON技術。

3.2 時分波分堆疊PON技術（TWDM-PON）

如圖1所示，TWDM-PON從系統架構上可以認為是4個上行2.5G，下行10G的10G-PON的簡單疊加。但在實際部署時，仍然存在許多技術問題需要解決。為了和10G-PON兼容，TWDM-PON的波長需要重新規劃，目前提出可行的兩種波長劃分方案是O波段的長波段（1340-1360nm）/C波段的短波段（1528-1535nm）和C波段的短波段（1528-1535nm）/L波段的長波段（1596-1604nm）。這兩種波長劃分方案可以避免與已有的PON系統所占用的波長沖突，從而可以與現有的10G-PON系統共存，支持ONU按需逐個升級。

在TWDM-PON系統中，仍然需要使用ONU波長可調的無色技術。TWDM-PON的ONU發射機和接收器一般只需要4～8個波，幾個nm的調諧范圍，而技術成熟并已大規模應用在DWDM傳輸系統的支持80波以上的調諧技術，由于器件成本原因不適合應用在TWDM-PON系統中。目前，技術較為成熟并有望在TWDM-PON系統中部署的可調諧激光器有溫控DFB激光器（TC DFB-LD），局部溫控DFB激光器（Partial TC DFB-LD），無冷卻模塊的外腔半導體激光器（External cavity laser without cooling）。這些在技術上較為成熟的可調諧激光器還需要進一步降低成本才有可能在接入網中大規模應用。雖然少數設備制造商已經推出了基于TWDM-PON技術的原型機，但距離大規模商用尚需較長時日，諸如：波長控制協議、數據包封裝格式等標準化工作需要完成，設備生產成本需要優化，穩定性和安全性也需要進一步驗證。

四、結束語

對于下一代PON技術除了本文論述的三種主要研究熱點以外，還包括高速TDM-PON，CDM-PON等技術方向。各種技術方向均可滿足ITU-T G.989.1針對NG-PON2提出的總體需求，但基于成本、10G-PON后向兼容性以及網絡擴展性方面的考慮，FSAN最終選定TWDM-PON作為NG-PON2的主流技術方向。隨著相關技術的成熟和光器件成本的降低，相信在不久的將來，帶寬利用率更高的WDM技術會取代TWDM成為PON的主流發展技術。

參 考 文 獻

[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. 下一代光接入技術簡述 （2012）