50G PON承載特性和應用淺析

黃旭陽，羅智明，唐慧敏

（中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000）

隨著行業(yè)數(shù)字化轉型、寬帶普及率的提高和寬帶提速的深入，千兆業(yè)務及應用場景不斷豐富，千兆光網(wǎng)絡從消費領域向垂直行業(yè)領域延伸，千行百業(yè)的數(shù)字化轉型對光接入網(wǎng)絡提出了更多的需求和更高的要求。大視頻是網(wǎng)絡流量增長的重要驅動力：在千兆時代，4K/8K/VR以及端到端千兆的需求涌現(xiàn)；時代迎來了新挑戰(zhàn)，疫情改變了生活，線下活動線上化，在線會議、在線教育、在線娛樂等方面要求網(wǎng)絡帶寬、時延、穩(wěn)定性全方位提升；工業(yè)制造、行業(yè)數(shù)字化、5G小基站等新場景也要求低時延、確定性、高可靠性。千兆寬帶時代已經(jīng)到來，超百兆帶寬已成為用戶套餐主流，數(shù)字化服務的連接基礎進一步增強。千兆光接入網(wǎng)作為“連接+算力+能力”的第一跳入口，需全面提升光接入網(wǎng)絡的帶寬、時延和確定性等網(wǎng)絡基礎能力，并融合網(wǎng)絡感知和網(wǎng)絡切片能力，支撐面向服務的差異化承載[1]。50G PON技術的發(fā)展和產業(yè)成熟為此提供了重要的方案，起到了重要的作用。

1 50G PON技術簡介

50G PON是下一代光接入網(wǎng)系統(tǒng)，除帶寬能力提升外，多場景綜合承載需求對系統(tǒng)時延和時間同步能力提出新的要求。

1.1 50G PON系統(tǒng)要求

一是單端口帶寬提升4倍以上，主控板交換能力大幅提升；二是兼容現(xiàn)網(wǎng)ODN功率預算，上下行滿足Class C+ 32 dB功率預算要求；三是要支持承載差異化業(yè)務的PON切片，保障不同類型業(yè)務的帶寬時延等指標；四是支持PON低時延能力，實現(xiàn)系統(tǒng)雙向時延小于300 μs；五是支持高精度時間同步，滿足5G小站承載場景同步指標要求。

1.2 50G PON物理層關鍵技術及進展

50G PON相比10G PON物理層速率提升了5倍，需要進一步提升收發(fā)端高速光電器件性能，以滿足兼容現(xiàn)網(wǎng)ODN 32 dB功率預算需求。50G PON物理層技術結構如圖1所示。在光發(fā)射組件（TOSA）方面，標準要求的入纖功率為8.5～14 dBm。傳統(tǒng)的EML使用O波段電吸收調制器，受限于材料特性，輸出光功率僅能達到約5 dBm。而利用EML+SOA的方式，在傳統(tǒng)EML小信號后集成SOA外置光放大器，能夠提升入纖功率[2]，實驗結果表明，入纖功率可達到+11 dBm。

圖1 50G PON物理層技術

在光接收組件（ROSA）方面，標準要求50 Gbps速率下接收靈敏度達到-24 dBm。這對于傳統(tǒng)的InP光電探測器，靈敏度挑戰(zhàn)較大，而采用鍺硅APD，可有效提升增益帶寬積，由實驗測50 Gbps信號下接收靈敏度達到-24.5 dBm。此外，也可采用SOA+PIN的方案，采用SOA預放大技術匹配PIN接收，并加入帶通濾波器過濾ASE噪聲，該方案需額外引入TEC溫控裝置。

1.3 50G PON協(xié)議層關鍵技術

50G PON系統(tǒng)主要通過單幀多突發(fā)和專用注冊開窗技術來降低時延，單幀多突發(fā)技術增加了時延相關原則。DBA調度同時考慮帶寬效率和時延特性，其增加了單幀內突發(fā)數(shù)目，可顯著降低時延。在單幀4突發(fā)時，背靠背平均時延可降低約50%，但吞吐量下降明顯[3]。專用注冊開窗技術引入了新波長用于上線注冊，在ONU上線時在信道上打開注冊窗口，對在線ONU造成時延和抖動。此技術方案通過注冊專用波長，即增加了第三波長用于ONU上線注冊，使得在新ONU上線時不影響在線業(yè)務時延[4]。帶外開窗可降低抖動約230 μs（約為65%～84%），抖動改善明顯且與突發(fā)數(shù)量無關。

2 50G PON技術在應用中的優(yōu)勢分析

相比10G PON，50G PON技術不僅可以提升5倍的帶寬速率，還可以有效滿足5G、Cloud VR等創(chuàng)新性業(yè)務對時延、時鐘同步的嚴苛要求，被業(yè)界標準組織、運營商、設備商等上下游產業(yè)認為是下一代P ON技術標準[5]。

3 50G PON設備測試分析

測試中，在同一OLT PON接口下連接n個（4個以上）ONU，其中一個ONU支路使用10 km光纖，主干光纖為10 km光纖通過測試儀雙向轉發(fā)大流量，測試最大不丟包的轉發(fā)能力，業(yè)務流1 500字節(jié)。測試結果表明，在PON口下行L1速率吞吐量能夠達到40 Gbps以上，上行L1速率吞吐量能夠達到18 Gbps/35 Gbps以上，其吞吐量有著明顯的優(yōu)勢。時延性能的測試采用單幀多BURST低時延方式測試，其中單幀多BURST技術定義參考ITU-T G.987/G.9807，使用背靠背系統(tǒng)測試，驗證了OLT在使用單幀多BURST技術情況下，上行時延顯著降低。在50G PON與10G GPON共平臺的情況下，10G PON和50G PON ONU工作均正常，上下行業(yè)務流也均轉發(fā)正常；50G PON和10G PON ONU均注冊成功，業(yè)務正常，驗證了50G PON機框與10G GPON共平臺的能力強。50G GPON與10G GPON通過MPM方式共存測試組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 50G GPON與10G GPON通過MPM方式共存測試組網(wǎng)

對50G PON樣機的測試分析直觀地體現(xiàn)出了50G PON設備的性能優(yōu)勢。50G PON設備PON口的轉發(fā)能力強，吞吐量高，時延顯著降低，并且50G PON機框與10G GPON共平臺的能力優(yōu)。

4 50G PON承載5G小站回傳現(xiàn)網(wǎng)分析

4.1 FTTH與5G業(yè)務在同一PON端口下共存測試

在測試方案中，使用網(wǎng)絡分析儀構造背景流擁塞PON口，先測5G業(yè)務時延，再測FTTH時延。FTTH與5G業(yè)務在同一PON端口下共存測試組網(wǎng)，如圖3所示。在整體測試中，首先確保全部5G終端進行正常上網(wǎng)操作，進而使用網(wǎng)絡分析儀向其中一個ONU雙向發(fā)流，然后提升網(wǎng)絡分析儀打流流量，使PON口造成擁塞，此時查看5G終端上下行速率及時延、FTTH鏈路時延和丟包情況。結果表明，5G終端可以正常上網(wǎng)，5G業(yè)務正常，F(xiàn)TTH業(yè)務出現(xiàn)丟包和時延異常。由此可以看出，50G GPON QoS功能能夠優(yōu)先保障5G業(yè)務。

圖3 FTTH與5G業(yè)務在同一PON端口下共存測試組網(wǎng)

4.2 語音測試、視頻點播測試、上傳/下載速率測試分析

該測試驗證了PON + 5G小站回傳場景下的語音通話能力、視頻點播能力以及單個PON端口下的終端轉發(fā)性能，測試組網(wǎng)如圖4所示，前置條件包括的DBA和線路模板已經(jīng)添加，ONU都已經(jīng)添加上線；配置小站及核心網(wǎng)，無線終端注冊上線；對測速服務器和測試終端之間任何節(jié)點網(wǎng)絡帶寬不做任何限制。在以上前置條件下，通過兩個5G終端之間撥號通話進行測試，結果表明，兩個終端能通話，語言質量正常，同時，使用5G終端點播平臺的視頻，視頻點播均無卡頓。觀察多個終端同時測速，下行速率總和超過4 Gbps（實際測試速率取決于基站能力以及網(wǎng)絡帶寬）。

圖4 測試組網(wǎng)

可以看出，在50G PON承載5G小站回傳場景中，終端轉發(fā)性能強、速率高，語音通話能力和視頻點播能力佳、質量高，并且其QoS功能優(yōu)先保障5G業(yè)務。

5 50G PON新特性承載的現(xiàn)網(wǎng)試點

在某城市區(qū)域率先完成50G PON新特性承載的現(xiàn)網(wǎng)試點，結果顯示，50 G PON系統(tǒng)方案可充分滿足未來8K、XR等多個應用場景。通過在現(xiàn)網(wǎng)搭建端到端“50G PON +SPN”實驗局，重點測試下一代智能光接入網(wǎng)的大帶寬、低時延等能力。50G PON實現(xiàn)了下行全速50 Gbps的線路速率、約為41 Gbps的業(yè)務傳輸速率、約為80 μs的上行平均時延，業(yè)務傳輸速率是當前XG-PON的4倍以上，業(yè)務上行時延降低了50%以上。50G PON技術指標對光模塊的發(fā)送功率、接收敏感度和處理性能提出了極為嚴格的要求，而測試中的50G PON樣機創(chuàng)新地采用摻餌材料、多層反射吸收光子和高速ODSP等手段實現(xiàn)了該技術領域的突破。此外，50G PON系統(tǒng)可以完全平滑復用GPON/XG-PON網(wǎng)絡現(xiàn)有的ODN基礎設施，最大程度地保護運營商在光纖基礎設施上的投資。

6 結束語

本文結合運營商及行業(yè)數(shù)字化轉型發(fā)展特征，對50G PON承載特性、相關技術和應用進行了分析，并在此基礎上分析具體的50G PON現(xiàn)網(wǎng)試點情況。50G PON技術作為下一代的光接入網(wǎng)系統(tǒng)，相比10G PON其物理層速率提升了5倍，并通過單幀多突發(fā)和專用注冊開窗技術來降低時延，50G PON技術實現(xiàn)的大帶寬、低時延等新特性完全可以滿足未來8K、XR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、行業(yè)數(shù)字化等新型業(yè)務場景對網(wǎng)絡接入能力的要求，可以適應未來網(wǎng)絡應用發(fā)展的需要，為實現(xiàn)萬兆入戶做好技術儲備并積累重要經(jīng)驗。■