下一代無源光網絡的標準進展

程強　茍書智

探討了ITU-T G.989.2下一代無源光網絡標準（NG-PON2）物理媒質相關層（PMD）的物理層需求和規范，包括下一代無源接入網絡的架構、用戶網絡側接口與業務節點接口、對光配線網絡（ODN）的需求、NG-PON2的X/S容限、時分波分復用無源光網絡（TWDM-PON）和點對點連接波分復用無源光網絡（PtP WDM-PON）的PMD層要求。認為NG-PON2單PON口實現40 Gbit/s的帶寬能力，面向大容量、全業務的光接入網絡，應用時間窗口應在2016年之后。

下一代無源光網絡；物理媒質相關層；波長可調光網絡單元

The requirements and specifications for the PMD of next-generation-2 （NG-PON2） defined in ITU-T G.989.2 are discussed in this paper. These include network architecture， user networks interface and service node interface， requirements for ODN， X/S tolerance of NG-PON2， PMD of TWDM-PON and PtP WDM-PON. In our view， large-capacity， full-service NG-PON2 access network with a bandwidth of 40 Gbit/s per PON port will be realized after 2016.

next generation passive optical network； physical media dependent layer； tunable ONU

無源光網絡（PON）技術是寬帶光接入光纖到戶（FTTH）和光纖到大樓（FTTB）網絡的主要解決方案。截至2013年底，全球固定寬帶接入用戶約6.78億，其中FTTH或FTTB網絡所服務的用戶已經占到所有寬帶用戶數的30%，并排在所有接入技術的用戶數增長率的前兩名[1]。

PON相關技術領域的標準化活動主要集中在ITU-T第15研究組和IEEE 802.3工作組。在2003到2004年間，兩個組織分別完成了千兆比無源光網絡（GPON）的ITU-T G.984系列標準和以太網無源光網絡（EPON）的IEEE 802.3ah標準，奠定了現有PON技術路線兩大陣營。隨后在2008到2010年，GPON和EPON標準分別演進為ITU-T G.987系列的XG-PON和IEEE 802.3av的10G-EPON。

為了適應下一代高速、靈活、全業務的光接入網絡的需求，在運營商主導的全業務接入網（FSAN）論壇的引領下[2]，ITU-T第15研究組率先開展了對下一代無源光網絡標準（NG-PON2）的研究。到目前為止，ITU-T關于下一代無源光網絡標準體系的布局已經基本完成，形成了以G.989系列為代表的NG-PON2標準系列，并逐步完成該系列標準。

1 NG-PON2標準體系

在完成GPON/XG-PON的標準化工作之后，FSAN/ITU-T以“低成本、高容量、廣覆蓋、全業務、高互通”為演進目標，迅速推進下一代PON技術標準的研究和制訂。同時，FSAN/ITU-T也提出面對更長期的演進，NG-PON2系統可以不考慮與舊有的TDM（時分復用）PON光配線網絡（ODN）兼容，以全新場景為牽引，選擇除TDM PON以外的更多的可用技術。

ITU-T NG-PON2標準目前主要包括以下幾個部分：

（1） ITU-T G.989

ITU-T G.989標準規范了NG-PON2系列規范中所用到的定義、術語和縮略語。該標準計劃于2014年12月在ITU-T SG15全會通過[3]。

（2）ITU-T G.989.1

ITU-T G.989.1標準規范了對NG-PON2的總體要求，概括性地闡述了NG-PON2系統的物理層傳輸規格、業務能力和網絡性能等內容，于2012年9月ITU-T第15研究組全會上通過。該標準提出NG-PON2應當支持40 GHz下行帶寬、10 GHz上行帶寬（可擴展到40 GHz）、40 km最大差分距離（20 km～40 km可配置），最大支持60 km傳輸距離，支持1：256的最大分路比，上下行至少4個時分波分復用（TWDM）通道[4]。

（3）ITU-T G.989.1 Amendment 1

ITU-T G.989.1 Amendment 1標準對G.989.1進行增補。計劃對G.989.1補充NG-PON2的保護架構和無線前傳等要求。

（4）ITU-T G.989.2

ITU-T G.989.2標準的范圍是規范NG-PON2的物理媒質層參數，直接決定了NG-PON2的實現技術和網絡性能，是NG-PON2系列規范中最具代表性的規范，其中包括了時分波分復用無源光網絡（TWDM-PON）和波分復用無源光網絡（WDM-PON）兩部分的物理媒質相關層（PMD）參數。G.989.2草案已經討論了近兩年的時間，標準主要內容已達成一致，目前處于最后公示階段，計劃于2014年12月在ITU-T SG15全會上提交批準[5]。

（5）ITU-T G.989.2 Amendment 1

ITU-T G.989.2 Amendment 1標準對G.989.2進行增補。目前沒有時間計劃。

（6）ITU-T G.989.3

ITU-T G.989.3標準的范圍是規范NG-PON2中TWDM-PON系統的傳輸匯聚（TC）層的功能特性，包括成幀、動態帶寬分配（DBA）、物理層適配、物理層運行、管理和維護消息（PLOAM）、光網絡單元（ONU）激活以及光線路終端（OLT）與ONU的定時關系等一系列的內容。與GPON/XG-PON的TC層相比，TWDM-PON系統的傳輸匯聚層需要在多個波長中進行協調，因此在相關章節中都加入了對波長調諧和控制的功能[6]。

2 NG-PON2物理媒質相關

層規范

G.989.2描述了NG-PON2 PMD層的物理層需求和規范。其中包括下一代無源接入網絡的架構、用戶網絡側接口與業務節點接口、對ODN的需求、NG-PON2的X/S容限、TWDM-PON和點對點連接波分復用無源光網絡（PtP WDM-PON）的PMD層要求等。

G.989.2是NG-PON2規范中最為基礎的部分，下面對標準中定義的主要內容進行介紹。

（1）系統架構

圖1給出了NG-PON2在PMD層面的系統架構，其定義的各參考點如下：

·S：到網絡側的發送接口

·R：來自于網絡側的接收接口

·S/R，R/S：當系統工作在雙向模式時，S/R與R/S指S、R的組合同時存在于單根光纖，其中，S/R參考點特指OLT側，R/S參考點特指ONU側。

在圖1顯示的單OLT環境下NP-PON2 PMD層的邏輯架構中，每一個ONU都配備了波長可調發射機與波長可調接收機。ONU波長可調發射機必須滿足表1所規定的TWDM-PON或PtP WDM-PON分配的任何上行波長。ONU波長可調接收器必須能滿足校準至任何表1所指定的TWDM-PON或PtP WDM-PON分配的下行波長。這種架構同時滿足點對多點連接TWDM-PON與虛擬點對點連接WDM-PON兩種物理層面的實現方式。

（2）光功率預算

NG-PON2系統定義了4種光功率預算等級：等級N1、等級N2、等級E1和等級E2，分別與XG-PON1系統定義的對應等級兼容，其中等級N1與等級E1分別對應于GPON系統等級Class B+和Class C+。光功率預算等級如表2所示。

（3）波長規劃

G.989.2標準規定了如表1所示的TWDM-PON和PtP WDM-PON頻譜。任何時候，當TWDM-PON與/或者傳統PON系統頻帶內不使用頻譜的某些部分時，PtP WDM-PON應被允許在上行與/或下行方向使用那個特定的子頻帶，但此時PtP WDM-PON的波長應該考慮與TWDM-PON與/或者傳統PON系統的隔離需求。當TWDM-PON與PtP WDM-PON共存時，兩種技術的波長通道可以占有相鄰的頻率柵格，但是此時TWDM-PON與PtP WDM-PON通道不允許交錯。當分別使用波分復用器時，TWDM-PON與PtP WDM-PON之間的保護帶最小為3 nm。在1 603～1 625 nm共享頻譜場景中，PtP WDM-PON上行通道應在共享頻譜中使用較短波長。當PtP WDM-PON與TWDM-PON使用共享的波分復用器時，保護帶最小要求為100 GHz。

PtP WDM-PON子頻帶的波長規劃定義取決于與TWDM-PON共存的需求。在擴展頻譜場景中，G.694.1[7]或G.698.3[8]所定義的DWDM柵格將被使用。如果需要完全共存，那么應使用表1所示的共享頻譜范圍。

（4）線路速率

NG-PON2針對TWDM系統和PtP WDM系統分別定義了線路速率。TWDM定義了3種上下行速率組合，即下行10 GHz、上行2.5 GHz，上下行10 GHz，上下行2.5 GHz，其單波長下行/上行線路速率與XG-PON1對應速率相同。線路編碼依然維持XG-PON1加擾不歸零（NRZ）碼。為減輕對Video RF系統的拉曼效應干擾可選支持8B10B或密勒代碼（Miller Code）。

PtP WDM根據線路速率的高低分為4個速率等級，共支持12種業務速率，線路編碼由對應業務的編碼方式確定。TWDM-PON線速率選擇如表3所示，PtP WDM-PON線速率選擇如表4所示。

（5）光收發器波長調諧時間

NG-PON2方案的關鍵特點就是采用波長可調的發射機、接收機。在從OLT至ONU的下行方向，一個波長可調ONU接收機需要能選擇合適的波長信道。在從ONU至OLT的上行方向，ONU發射機可在指定的波長通道上發送信號。

G.989.2針對可調發射機的波長特性定義了中心頻率、波長偏移、通道間隔和調諧特性等一系列參數。其中波長通道調諧時間根據不同的用途分為3類，如表5所示。

（6）NG-PON2的X/S容限

由于NG-PON2為多波長系統，因此對于（OLT側或ONU側）某波長的接收機來說，存在來自于其他NG-PON2波長通道的干擾信號。在ONU場景中，干擾信號也可能來自于例如GPON、XG-PON1、光時域反射儀（OTDR）管理波長這樣的傳統共存系統。為了盡量減少干擾信號的影響，NG-PON2接收器需要一個合適的波長濾波器來過濾它們。

標準里沒有直接指定波長過濾器的隔離特征，而是指定NG-PON2接收機的X/S容限。在這里，S是指在單個波長通道內的聚合NG-PON2信號光功率，X指聚合干擾信號，傳統系統的信號與其他NG-PON2波長通道信號。以上兩者都在接收機參考點R處測量。

為測試X/S容限，應使用NRZ偽隨機碼所構成的干擾信號模版。其中，NRZ偽隨機碼線速率相同于NG-PON2信號。在TWDM-PON場景下，8個通道被認為是最惡劣的場景配置。

（7）參考點R處的接收機參數

參考點R處的接收機參數包括接收機靈敏度、接收機過載、最大光通道代價、接收波長最大反射比、差分光路損耗、時鐘提取能力、連續相同數字免疫、接收機反射功率容限、傳輸質量和誤碼特性等。

接收機靈敏度指標中考慮了由幾種消極因素所引起的光功率代價，包括使用發射機在標準允許條件下最差的消光比、脈沖上升與下降時間、R點處的光回波損耗，以及接收機連接器老化、測量公差等。但接收機靈敏度不包括與色散、抖動相關引入的代價和光通道反射引入的代價。這些影響因素分配在最大光通道代價指標中。

（8）參考點S處的發射機參數

參考點S處的發射機參數主要涉及源類型、光譜特性、平均發射功率、發送眼圖模版等。

由于ONU發射機波長可調，在頻譜特性中定義了波長調諧范圍、波長調諧粒度、最大可調的頻譜偏移等相關指標。

標準以參考點S處的發射眼圖模版形式指定了通用發射脈沖波形特征，其中包括上升時間、下降時間、脈沖超調、脈沖下沖和振鈴，這些特征都應被控制來防止接收機靈敏度的過度惡化。

（9）抖動特性

TWDM-PON光接口定義了抖動轉移特性、抖動容限和輸出抖動3個指標。

其中抖動轉移特性僅針對ONU定義，考察了ONU對接收的下行光信號的抖動轉移到上行發送信號的抖動的增益，應小于0.1 dB。

抖動容限定義為TWDM-PON接收機當收到正弦抖動信號疊加在輸入的TWDM-PON信號，在光設備中引起1 dB的鏈路代價時，此時正弦抖動信號的峰峰振幅值定義為抖動容限。ONU和OLT的抖動容限的模板如圖2所定義。其中對OLT抖動容限的要求是參考性的，因為OLT的接收機是突發接收，而抖動容限的測量只能在允許連續上行信號的條件下。

當沒有外部抖動信號加入OLT或ONU的定時參考時，OLT和ONU的PON口輸出抖動都應滿足表6所示的要求。

3 結束語

下一代無源光網絡（NG-PON2）單PON口實現40 Gbit/s的帶寬能力，面向大容量、全業務的光接入網絡，應用時間窗口應在2016年之后。NG-PON2技術上采用了可調波長收發器等全新的技術手段，相比目前實用化的GPON、EPON在技術上將有重大突破[9-15]。

NG-PON2的標準化工作目前先行一步，希望可以在NG-PON2時代通過全球統一的標準整合產業研發方向，降低網絡部署成本。2014年和2015年，NG-PON2標準是ITU-T SG15的重要工作內容，包括G.989.3在內的NG-PON2系列標準將逐步完善。

參考文獻

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[15] ITU-T. ITU-T G.989.2. ITU-T TD 112 （WP 1/15）： Living list [S]. ITU-T. 2013.

（8）參考點S處的發射機參數

參考點S處的發射機參數主要涉及源類型、光譜特性、平均發射功率、發送眼圖模版等。

由于ONU發射機波長可調，在頻譜特性中定義了波長調諧范圍、波長調諧粒度、最大可調的頻譜偏移等相關指標。

標準以參考點S處的發射眼圖模版形式指定了通用發射脈沖波形特征，其中包括上升時間、下降時間、脈沖超調、脈沖下沖和振鈴，這些特征都應被控制來防止接收機靈敏度的過度惡化。

（9）抖動特性

TWDM-PON光接口定義了抖動轉移特性、抖動容限和輸出抖動3個指標。

其中抖動轉移特性僅針對ONU定義，考察了ONU對接收的下行光信號的抖動轉移到上行發送信號的抖動的增益，應小于0.1 dB。

抖動容限定義為TWDM-PON接收機當收到正弦抖動信號疊加在輸入的TWDM-PON信號，在光設備中引起1 dB的鏈路代價時，此時正弦抖動信號的峰峰振幅值定義為抖動容限。ONU和OLT的抖動容限的模板如圖2所定義。其中對OLT抖動容限的要求是參考性的，因為OLT的接收機是突發接收，而抖動容限的測量只能在允許連續上行信號的條件下。

當沒有外部抖動信號加入OLT或ONU的定時參考時，OLT和ONU的PON口輸出抖動都應滿足表6所示的要求。

3 結束語

下一代無源光網絡（NG-PON2）單PON口實現40 Gbit/s的帶寬能力，面向大容量、全業務的光接入網絡，應用時間窗口應在2016年之后。NG-PON2技術上采用了可調波長收發器等全新的技術手段，相比目前實用化的GPON、EPON在技術上將有重大突破[9-15]。

NG-PON2的標準化工作目前先行一步，希望可以在NG-PON2時代通過全球統一的標準整合產業研發方向，降低網絡部署成本。2014年和2015年，NG-PON2標準是ITU-T SG15的重要工作內容，包括G.989.3在內的NG-PON2系列標準將逐步完善。

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（8）參考點S處的發射機參數

參考點S處的發射機參數主要涉及源類型、光譜特性、平均發射功率、發送眼圖模版等。

由于ONU發射機波長可調，在頻譜特性中定義了波長調諧范圍、波長調諧粒度、最大可調的頻譜偏移等相關指標。

標準以參考點S處的發射眼圖模版形式指定了通用發射脈沖波形特征，其中包括上升時間、下降時間、脈沖超調、脈沖下沖和振鈴，這些特征都應被控制來防止接收機靈敏度的過度惡化。

（9）抖動特性

TWDM-PON光接口定義了抖動轉移特性、抖動容限和輸出抖動3個指標。

其中抖動轉移特性僅針對ONU定義，考察了ONU對接收的下行光信號的抖動轉移到上行發送信號的抖動的增益，應小于0.1 dB。

抖動容限定義為TWDM-PON接收機當收到正弦抖動信號疊加在輸入的TWDM-PON信號，在光設備中引起1 dB的鏈路代價時，此時正弦抖動信號的峰峰振幅值定義為抖動容限。ONU和OLT的抖動容限的模板如圖2所定義。其中對OLT抖動容限的要求是參考性的，因為OLT的接收機是突發接收，而抖動容限的測量只能在允許連續上行信號的條件下。

當沒有外部抖動信號加入OLT或ONU的定時參考時，OLT和ONU的PON口輸出抖動都應滿足表6所示的要求。

3 結束語

下一代無源光網絡（NG-PON2）單PON口實現40 Gbit/s的帶寬能力，面向大容量、全業務的光接入網絡，應用時間窗口應在2016年之后。NG-PON2技術上采用了可調波長收發器等全新的技術手段，相比目前實用化的GPON、EPON在技術上將有重大突破[9-15]。

NG-PON2的標準化工作目前先行一步，希望可以在NG-PON2時代通過全球統一的標準整合產業研發方向，降低網絡部署成本。2014年和2015年，NG-PON2標準是ITU-T SG15的重要工作內容，包括G.989.3在內的NG-PON2系列標準將逐步完善。

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