從成本和功耗的角度比較NG-PON2實現方案

【摘要】本文選取了兩個典型的40G-PON實現技術方案：TWDM-PON和OFDM-PON，從成本和功耗的角度分析和比較了這兩種方案，最后對NG-PON2的技術方案做了總結。

【關鍵詞】TWDM-PONOFDM-PONNG-PON2

NG-PON2 solution comparison from the aspect of cost and power consumption Chen Ge Huang Chuan He Yan

Fiberhome Telecommunication Technologies Co.，Ltd

【Abstract】This paper first introduce the typical TWDM-PON and OFDM-PON architecture for 40G-PON system， then analysis and compare the two solution from the aspect of cost and power consumption， and finally make the conclusion that the TWDM-PON solution would be the best choice for NG-PON2.

【Keyword】TWDM-PON；OFDM-PON；NG-PON2

一、前言

隨著大量高級多介質應用的發展，IPTV、高清視頻、移動多媒體等新業務不斷涌現，網絡帶寬的需求出現了迅猛增長。由于新興應用的出現和不斷增加帶寬的需求，NG-PON（Next-Generation PON）自然要求有更高的帶寬能力。如圖1所示，NG-PON技術包括兩個階段：NG-PON1和NG-PON2，其中NG-PON2是對現有GPON標準的革命性變革，也被視為一個長期的解決方案。NG-PON2的演進方向也是ITU-T和FSAN等國際標準組織的討論熱點。正因為如此，使得NG-PON2目前有多種可選的技術方案，主流技術包括純WDM PON（Wavelength Division Multiplexed PON）、OFDM PON（Orthogonal Frequency Division Multiplexed PON）、TWDM PON（Time and Wavelength Division Multiplexed PON）等。在這些備選的技術方案中，方案的ODN兼容性、帶寬、容量、功耗和經濟性等特點[1]將直接決定該方案是否能成為NG-PON2的標準。本文將選取兩個最為典型的40G-PON技術方案進行方案論述與比較。方案一為基于TDMA技術的4λ×10G/λ的TWDM-PON實現方案，方案二為基于OFDMA技術的2λ×20G/λ的OFDM-PON實現方案。之所以選擇TWDM-PON和OFDM-PON作為比較對象，一方面是同樣作為NG-PON2備選解決方案，兩者的上下行速率相當，下行速率均為40Gbit/s，上行速率均為10Gbit/s，這有利于比較二者的總體成本和功耗。另一方面，OFDM-PON和TWDM-PON集中體現了提升網絡聚合帶寬的兩種不同思路[2]。即在OFDM-PON中通過引入高階調制方式以提高單個波長承載的速率（例如2λ×20G/λ），而TWDM-PON則是將多個較低速率的通道聚合以實現更高速率（例如40λ×1G/λ）。

二、方案及系統架構概述

2.1TWDM-PON的系統架構

·波分復用器

·OLT端光交錯濾波器

·10G可調接收機

·OLT和ONU端的DSP

·OLT側2個DAC

·ONU側ADC及可調10G接收機

以上我們針對兩種方案的實現原理和系統架構進行了簡要描述，下面將著重從系統關鍵器件的成本及功耗兩個方面對兩種方案進行對比和分析。

三、核心器件的成本對比

基于以上系統架構，本節將會對兩種方案的核心器件成本進行分析比較。其中，電子器件的成本將按照倍數關系等價換算為光模塊的成本，以便于得出比較直觀的結果。對OFDM-PON和TWDM-PON的核心器件成本對比如表1所示：

從以上數據來看，OFDM-PON的系統器件成本比TWDM-PON系統要高。DAC、ADC芯片在速度和精度上都受限，目前還難以實現高速率的轉換，而高速DSP芯片目前仍比較昂貴，ONU的成本難以控制。從長遠來看，光器件的應用范圍不及電子器件廣泛，因此光器件在成本下降的可能性及幅度上都不及電子器件。所以，可以預計OFDM-PON系統中使用的DAC/ADC/DSP等電子器件的成本應該還有一定的壓縮空間，這也表明OFDM-PON的實際成本還有較大的不確定性。如果要滿足NG-PON2標準化進程的時間表，即在2015年完成標準化工作，且能夠實際投入生產和運營，則OFDM-PON的成本屆時能否達到可接受的范圍還存在較大的疑問。

在2012年FSAN漢茨維爾會議上，阿爾卡特朗訊公司以XG-PON為基準，將NG-PON2中的備選方案在每ONU的有效成本上做了對比，結果顯示OFDM-PON的有效成本在所有備選方案中是最高的（見圖4[3]）。雖然OFDM技術用于高速光接入系統已經成為可能，且業界已推出了實驗樣機，但距離成熟的產品技術、低成本的系統還有相當的距離。在NG-PON2的標準化進程中，這些都是不能忽視的因素。

反觀TWDM-PON是通過堆疊XG-PON的方式來實現，額外增加的器件較少，與現有的XG-PON技術有良好的繼承性，有著強大的后向兼容能力，能夠大幅度地節約成本。在對成本因素更為敏感的運營商群體中，TWDM-PON已經獲得了絕大多數運營商的青睞。

四、核心器件的功耗對比

近年來，隨著寬帶互聯網業務的普及以及三網融合的推進，通信網絡自身的建設步伐不斷加快，隨之而來也帶來了能源消耗與環境污染的問題。在此背景下，采用綠色節能設備，構建可持續發展的綠色通信網絡，對通信行業來說是大勢所趨，因此每種技術方案的功耗也是需要考慮的目標之一。本節我們首先分析NG-PON2系統的功耗主要是由哪些部分組成，明確功耗產生的來源，建立功耗的計算模型。之后分別針對TWDM-PON和OFDM-PON計算出理想狀態下系統的總功耗，得出明確的對比值。計算功耗時用到的數據均取自主流廠商的器件手冊及仿真測試結果[4]。

NG-PON2系統的功耗主要由三大部分組成，即：物理層光學器件、協議層處理，以及系統中通用組件產生的功耗。其中物理層的光學器件以及協議層的處理是與特定的系統方案相關的，可以將NG-PON2系統分解為下表2中的各個組件：

為了便于計算，我們忽略系統的通用組件不計，只對核心器件產生的功耗進行計算。根據本文第二節提出的兩種NG-PON2方案，每個OLT都需要支持64個ONU，則系統總功耗可計為：System = 1×OLT + 64×ONU。分解TWDM-PON可得到表3所示的結果：

同樣，將OFDM-PON分解也可以得到類似的結果，只是還需要在協議處理中加入DSP/ADC/DAC的功耗。

根據表3和表4，我們可以計算出理想狀態下TWDM-PON系統的整體功耗為：

可見在核心器件的功耗對比上，OFDM-PON仍然不占優勢。

五、結論

本文主要針對4λ×10G/λ的TWDM-PON與2λ×20G/λ的OFDM-PON在成本以及功耗方面做了比較。我們需要在引入新型電子器件與擴展的多波長通道疊加這兩種方式之間尋求平衡點[5]。

除了對核心器件的成本和功耗方面的考慮，從技術角度來看，由于TWDM-PON不需要改動運營商已鋪設的ODN網絡，在協議上最接近已廣泛部署的GPON或XG-PON，是GPON和XG-PON的自然演進，因此該方案對運營商的網絡繼承型演進特性表現最佳，能夠最大化地降低運營商光接入網演進成本，并且已獲得了華為、中興通訊、阿爾卡特朗訊、BroadLight、Calix、Mitsubishi、PMC等主流系統和芯片廠商的推動和認可。而OFDM-PON雖然在學術界的呼聲很高，但實現成本較高，系統復雜度高。各大設備商對OFDM-PON的支持還只停留在樣機試制的階段，而從近期FSAN標準會議的討論結果來看，TWDM-PON已經被確定為主要的NG-PON2標準。因此在實現成本上TWDM-PON將會是更好的選擇。

參考文獻

[1]陳雪，許明，馬壯，等下一代光接入技術簡述[J].信息通信技術2012.2：31-35

[2]趙光磊NG PON2塑造全新PON網絡架構[J].通信世界2012.5：35-35

[3] JOE S. NGPON2 Cost Comparison[R]. FSAN NGPON2 Workshop， Huntsville 2012.2

[4] Denis A. NG-PON2 Power Consumption Estimates[R]. FSAN NGPON2 Workshop， Huntsville 2012.2

[5] NEDA C. The Role of Spectrum in Measuring Cost and Power Consumption for NG-PON2[R]. FSAN NGPON2 Workshop， San Diego. 2011.11