10/40/100 Gbit/s PON技術的發展和應用展望

張成良，王慶，余景文，萬芬

（1. 中國電信股份有限公司北京研究院，北京 102209；2. 湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430024）

10/40/100 Gbit/s PON技術的發展和應用展望

張成良1，王慶2，余景文1，萬芬2

（1. 中國電信股份有限公司北京研究院，北京 102209；2. 湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430024）

當前，EPON/GPON向更高速率的升級演進已成為光接入領域頗受關注的議題。基于此，對XG(S)-PON、TWDM PON、WDM PON、100 Gbit/s EPON的現狀與面臨的問題進行了分析，并對各種技術的應用現狀與前景進行了展望。

XG(S)-PON；TWDM PON；WDM PON；100 Gbit/s EPON

1 引言

眾所周知，提高單波長的承載速率和挖掘單根光纖的可用帶寬是光傳輸領域研發與創新不變的主題，同樣地，在光接入領域這一規律同樣適用。經過近幾年國內三大運營商基于EPON/GPON技術大力建設 FTTH，中國已有上億家庭享受到了光纖到戶帶來的20～100 MHz接入帶寬的極速上網體驗。但在政府“提速降費”的要求及運營商自身推出“千兆入戶”“4K高清視頻”等超高速業務需求的驅動下，EPON/GPON向更高速率的升級演進已成為當下光接入領域頗受關注的議題。

IEEE在EPON之后制定了10 Gbit/s EPON標準，且已發布多年，2013年成立了IEEE 802.3ca工作組，標志著IEEE已開始關注100 Gbit/s EPON標準的制定；FSAN/ITU-T在GPON之后制定了10 Gbit/s PON（對稱、非對稱）標準，較10 Gbit/s EPON晚幾年發布，隨后馬上啟動了 40 Gbit/s PON標準的制定，2016年標準已定稿，因其通過4個波長、每波長10 Gbit/s GPON的方式實現40 Gbit/s GPON，故稱為TWDM PON，40 Gbit/sPON在FSAN的標準體系中被稱為NG-PON2（最初10 Gbit/s GPON被定義為NG-PON，不過這個名字在業界很少使用），NG-PON2除定義了TWDM PON之外，還以附錄形式定義了一種波分復用的可選機制，使得在TWDM PON系統中能以點到點波分的方式為有特殊需求的客戶提供專屬的高速連接，目前定義的單波長速率最高為10 Gbit/s，這一可選方式在業界被認為是WDM PON的實現標準。因此，PON技術的演進需關注 10 Gbit/s EPON、10 Gbit/s GPON、TWDM PON、WDM PON、100 Gbit/s EPON的技術進展與產業鏈面臨的問題。其中，10 Gbit/s EPON已經在現網規模部署，不是本文討論的重點。本文將對10 Gbit/s GPON、TWDM PON、WDM PON的應用前景與面臨挑戰進行分析闡述，同時對100 Gbit/s EPON標準的進展做簡單介紹。

2 10 Gbit/s GPON技術進展及應用情況

在標準上，10 Gbit/s GPON細分為兩種配置：上下行對稱10 Gbit/s的XG(S)-PON與上行1.25 Gbit/s、下行10 Gbit/s的XG-PON。受芯片與光模塊成熟度限制，目前只有XG-PON可提供商用設備。在前期多次實驗室測試的基礎上，2016年中國電信開展了XG-PON的現場試驗，主要驗證了高速上網業務承載、設備性能和功能、網管配置、WDM1r對ODN的影響等，包括以下內容。

· XG-PON用于新建FTTH場景。

· XG-PON（外置WDM1r）用于FTTH升級場景：GPON與XG-PON共存，OLT新增XG-PON板卡，GPON ONU按需更換為XG-PON ONU。

· XG-PON用于FTTB升級場景：選擇已有GPON FTTB 網絡，局端更換為XG-PON板卡，MDU上聯板更換為XG-PON板卡。試點表明，非對稱的XG-PON技術與設備已滿足現網規模部署的要求，預計2017年底中國電信將完成數十萬端口的 XG-PON建設規模。XG-PON的成熟商用得益于互通性和與GPON兼容性兩個關鍵問題的解決。

2.1 10 Gbit/s GPON互通性測試進展

為推動XG(S)-PON的成熟商用，FSAN曾組織了多次XG-PON的互通性測試，但是由于全球各運營商的部署計劃尚不明確，廠商參與積極性不高，進展始終比較緩慢。但中國電信較早地意識到了XG(S)-PON對網絡升級演進的重要性，并且認為需通過推動異廠商互通促進產業鏈的成熟，分別在2012年、2013年、2015年、2016年組織了共計4次互通性測試。在最近一次的2016年6—8月的測試中，共有華為、中興、烽火和諾基亞4個廠商參與，解決了前期遺留的若干問題，同時進行了互通場景下的多業務承載和長期穩定性測試，為現網規模部署開展了大量準備工作。

互通測試主要包括以下幾部分。

· 基本傳輸匯聚層互通性測試：包括ONU發現和激活，OAM管理操作，DD40差異接入操作，帶寬分配，對不同ONU的相鄰分配，嵌入式OAM操作（PON-ID設置、斷電報警（dying gasp）識別、PLOAM隊列狀態識別、動態帶寬報告），PLOAM通道運行（多PLOAM消息共幀、突發配置版本更改、ONU停用和序列號失效操作），Alloc-ID分配及De-allocation刪除，前向糾錯（FEC）。

· ONU二層功能操作：基于LOID的認證，

ONU的VLAN功能測試，ONU的QoS功能測試，ONU上行業務流分類、標記和調度功能測試，ONU上/下行端口限速功能測試，ONU的多播功能測試，IGMP snooping功能測試，ONU跨VLAN多播功能復制測試，強行剝除ONU下行VLAN多播功能測試，多播容量（group capacity）測試。· OMCI互通性測試：狀態告警上報、重啟，

能力集查詢，配置模型測試，OMCI的通道建立互通性測試，OLT對 ONU能力集查詢測試，ONU的狀態告警上報功能測試，重啟 ONU功能測試，ONU支持的TCONT的類型和數量的互通性測試，MDU SNMP的配置測試，MIB reset和MIB upload過程中邏輯標識認證測試，ONU環路檢測功能測試，ONU的遠程重啟功能測試，N:MP配置模型驗證測試，基于VEIP 1:MP配置模型測試。· 單播和多播業務混合組網測試。· 系統以太網業務RFC2544測試。

盡管測試中還存在一些小問題留待后續進一步解決完善，但是與前3次相比，XG-PON的異廠商互通性有了明顯的進步，幾個主要廠商的設備已經實現互通。總體來講，XG-PON產業鏈漸趨成熟，具備了小規模商用的條件。

2.2 10 Gbit/s GPON與GPON兼容性進展

10 Gbit/s GPON由ITU-T G.987系列標準定義，標準定義之初考慮了與GPON系統的共存。G.987標準為10 Gbit/s GPON定義的頻譜規劃如圖1所示，其中，10 Gbit/s GPON上行頻譜范圍為1 260～1 280 nm、下行頻譜范圍為1 575～1 580 nm，上述頻段被稱為基礎波段，其他系統的頻譜范圍為增強波段，GPON系統的上下行頻譜正好處于1 310 nm窗口與1 550 nm窗口的增強波段內，分別為1 290～1 320nm和1 480～1 500 nm。因此，從頻譜規劃可知，10 Gbit/s GPON與GPON的兼容共存是通過波分復用的方式實現的。

圖2是G.987定義的GPON與10 Gbit/s GPON共存方式。其中，WDM1r器件完成的功能是將GPON、10 Gbit/s GPON兩個系統的信號進行合分波，這一器件的引入在技術上較易實現，但在實際部署實施時會對ODN帶來較大的調整割接工作量，是GPON網絡存量較大的運營商所不愿意看到的。為此，中國電信開展了內置WDM1r器件技術方案的研究，在業界被稱為雙模光模塊技術，該方案將GPON MAC、10 Gbit/s GPON MAC、WDM1r器件集成在一個業務板卡甚至一個模塊內實現，網絡升級改造時，運營商只需對設備板卡進行升級，而不用對ODN進行任何改造，具有易規模實施的特點。目前該技術已經通過了實驗室測試，測試結果表明，GPON/XG-PON雙模光模塊方案較為成熟，穩定性較好，光路指標及業務性能均滿足現網部署要求，可用于現網GPON的升級場景。

圖1 10 Gbit/s GPON的頻譜規劃

目前雙模光模塊技術指標已經寫入了 CCSA相關標準，主要包括以下兩點。

· class D1級別的光指標要求，對應 GPON

class B1、XG-PON classN1a。

· class D2級別的光指標要求，對應 GPON

class C++、XG-PON classN2a。

可以說，無論采用外置 WDM1r器件，還是采用雙模光模塊方案，10 Gbit/s GPON與GPON的兼容性都已解決，可支持現網規模部署。

圖2 G.987定義的GPON與10 Gbit/s GPON共存方式

3 TWDM PON技術進展與面臨的問題

3.1 TWDM PON技術架構

TWDM PON由ITU-T G.989系列標準定義，因突發模式的光模塊在10 Gbit/s以上成本高昂，且技術實現難度太大，故標準定義的實現40 Gbit/s速率的方式是采用4個波長進行粗波分復用，每波長工作在 XG(S)-PON模式下，一個典型的TWDM PON系統架構如圖3所示。

圖3 典型的TWDM PON系統架構

3.2 TWDM PON面臨的問題

從技術架構可知，TWDM PON重用了XG(S)-PON的技術方案，在設備研發上只需增加粗波分復用及遠端光模塊的無色可調機制即可，可以說相對于 XG(S)-PON增加的實現難度并不大。但因為XG-PON剛剛成熟，XG(S)-PON遲遲沒有商用芯片與光模塊支持，何時可成熟商用尚不可預測，因此，設備商何時能推出可商用的TWDM PON設備仍需等待，目前個別廠商推出的基于自研芯片或FPGA版本的TWDM PON板卡多數處于技術驗證與演示階段，距離以商用芯片、商用光模塊、可異廠商互通為標志的成熟階段尚有較大的差距。

出現上述問題的原因在于絕大多數國際主流運營商都對TWDM-PON持觀望態度，不能給出明確的應用時間表，導致主流設備廠商和光模塊廠商投入有限。這一現象與10 Gbit/s EPON、10 Gbit/s GPON標準發布初期極其相似。回顧當初EPON/GPON迅速成熟商用的發展過程可知，只有在業界出現幾百萬甚至上千萬級別的市場需求才能促進設備的成熟商用。而目前國內運營商采用的是比較穩妥的逐步試驗推廣 XG-PON、XG(S)-PON的發展戰略，在一定程度上更加讓人看不到TWDM PON應用的明朗前景。

不過，值得注意的是Verizon在TWDM PON應用上表現了積極的態度。2016年，Verizon與合作廠商在實驗室測試TWDM PON，關注系統波長調諧能力、同平臺承載家庭和政企業務、互通性等，并宣稱計劃在2017年實現TWDM PON的政企場景商用部署。Verizon接入技術總經理Vincent O’Byrne在 2017年接受采訪時表示，NG-PON2可以在一根光纖上支持4個波長，每個波長均可以承載10 Gbit/s上下行對稱速率，極大地增加了帶寬；另外，采用TWDM的波長綁定技術，可以將多個波長綁定提供給1個用戶使用，最大可以將所有的 40 Gbit/s提供給 1個用戶。Vincent O’Byrne也提到，2020年北美家庭接入速率有望達到10 Gbit/s，屆時必然需要下一代的PON接入技術來保證帶寬。Verizon跳過 XG-PON選擇TWDM PON的戰略，有可能會一定程度上加快該技術的商用與規模部署。

3.3 Google光纖的TWDM PON技術實現

Google光纖(Google Fiber)作為寬帶接入領域的新進入運營商，在技術創新上有很大的動力，同時為快速部署新技術，其對ITU-T等標準組織的依賴程度比傳統運營商要小，在這種背景下，Google光纖推出了基于私有技術的TWDM PON，并已現網部署，其項目名稱為go long。go long系統由12波、每波2.5 GB（GPON）構成，總系統容量為30 GB。因其利用了現已成熟的GPON技術，且通過 AWG+分光器的ODN架構，用戶終端不需要成本較高的可調光接收機，因此實現難度與整體成本比 ITU-T G.989定義的 TWDM要低，且支持每波長向10 Gbit/s速率的平滑演進。這一創新實現雖然不是經過國際標準化推廣的技術，但其思路是非常值得借鑒的。

4 WDM PON技術的發展和應用

4.1 WDM PON技術方案

在G.989.2的附錄中，針對波長選擇型WDM PON的技術實現和相關技術指標進行了規范，具體內容介紹如下。

· 波長選擇型WDM-PON系統架構。

· 波長選擇型WDM-PON PMD層要求：4個等級的線路速率、FEC碼、線路碼型、2個波段的工作波長以及相關參數。

· 波長選擇型WDM-PON系統OLT和ONU

的發射激光器相關內容。

WDM PON為每個最終用戶（可以是商業用戶、基站、家庭客戶等）提供了一個波長級的接入通道，在帶寬能力上無疑比TDM方式有了較大的提升及無限的想象空間。在討論WDM PON的技術特性時，業界公認的一點是ONU的無色化是實現WDM PON規模應用、最終走進家庭寬帶用戶的關鍵。無色化是指雖然每個ONU的工作波長不同，但在ONU發布到用戶手中時是不需要每個ONU預先配置不同波長的，工作波長的分配與選擇完全由系統上電后OLT自動化地實現遠程的配置，就好像ONU是無波長特性的，即“無色”。無色的概念既是WDM PON最重要的應用特性之一，也是技術方案上最大的難點，業界在近些年進行了各種實現方案的探索。

表1列出了5種經過嘗試的實現無色光模塊的技術方案。5種實現方案中，外部注入方案的要點是通過在 OLT的種子光源注入實現無色光模塊，ONU采用RSOA或FP-LD；在實際部署時由于需要種子光源，整體實現成本較高，由于受到光鏈路反射影響嚴重，傳輸距離受限在20 km以內。波長重用方案的要點是ONU采用RSOA激光器，上下行采用不同的調制格式（IRZ/RZ）；此方案由于不同方向的調整格式不同，并且上行方向需要重用下行數據光作為種子光導致復雜性增加；此方案的優點是無需額外的種子光源，缺點是上行發射功率受限，光功率預算較小。可調型方案的要點是ONU采用可調激光器，可以靈活地調整上下行的波長；由于可調激光器內需要控制波長的電路，結構復雜，同時可調激光器的成本也比較高，需要采用新型的無制冷器和波長鎖定器的激光器；此方案的優點也比較明顯，功率預算高并且可以支持很高的帶寬（10 Gbit/s以上）。超密集方案的要點是相干PON技術、ONU可調激光器作為上行發射和下行接收本振；由于上下行采用相干接收技術，光功率預算大，具有更高的靈敏度，從而支持更大的分光比（1:1 000）和更遠的傳輸距離（100 km），但是成本過高、技術尚不成熟導致近幾年來并無突破性進展，此方案適合作為未來NG PON3的可選技術。自注入方案屬于波長路由型 WDM PON，采用自注入鎖定RSOA方案，無需種子光源，采用法拉第旋轉反射鏡，可以控制注入種子光偏振，結構簡單，成本很低，但是目前只能支持2.5 Gbit/s以下的速率。

在這些WDM PON的技術方案中，業界普遍認為比較可行的是可調型和自注入兩種，主要原因是這兩種方案性能好，實際部署上也比較可行。早期在2.5 Gbit/s速率以下時，自注入獲得更多青睞，主要由于其成本較低、實現簡單。但是隨著近期WDM PON的主要應用場景定位為無線前傳，并且CPRI的速率逐漸升高到10 Gbit/s級別，目前5G的前傳帶寬需求也基本確定為25/50 Gbit/s，自注入技術方案只能被放棄，可調型方案成為唯一有可能實現25/50 Gbit/s速率的無色光模塊技術方案。

表1 WDM-PON各種實現方案比較

無色光模塊中的低成本可調激光器也是TWDM PON、WDM PON和Q6 G.Metro的核心器件。最近兩年，10 Gbit/s級別的無色光模塊漸漸成熟，主要采用QSFP28和SFP28封裝，但目前成本仍然較高，未來在降低成本的同時將向25 Gbit/s速率繼續發展，借助于100 Gbit/s DWDM客戶側光模塊（4×25 Gbit/s）的成熟產業鏈，25 Gbit/s速率從激光器和調制器等器件角度來講，有望較快成熟。

4.2 WDM PON應用進展

可以說，在光接入領域，WDM PON是目前最為前沿、距離落地部署最遙遠的技術。因為其2016年才基本完成多種技術方案的歸一化（可調激光器成為主流），所以2016年有關WDM PON的標準才有實質性的進展；產業鏈的進展也比較緩慢，目前廠商可提供的WDM PON樣機在傳輸性能上都不能支持單波長10 Gbit/s。但因為WDM PON可應用于4G、5G網絡的移動前傳場景，在這方面的研究與試驗還是有一定的進展。

中國電信在2015年完成了WDM PON在商用環境中承載LTE前傳的試驗，采用了2.5 Gbit/s速率的無色光模塊，驗證了WDM PON用于前傳的可行性。圖4展示了試驗環境，將WDM-PON設備直接部署在無線 BBU和 RRU設備之間，WDM PON的OLT和ONU之間通過無色光模塊連接，可以自動適配任何支持的波長，OLT與BBU以及ONU與RRU之間通過白光光模塊通信。試驗測試了前傳的物理性能，包括抖動、頻偏、時延，并對業務承載能力進行了驗證，包括無線終端實時觀看高清視頻（包括上網卡與手機）與 FTP大文件上傳/下載等。測試結果表明，采用WDM PON的LTE前傳性能完全等同于采用光纖直驅的性能。

此外，中國電信在安徽試點了無源彩光前傳方案，韓國運營商規模部署了各種點到點 WDM方案承載LTE和LTE-Advanced前傳，有源和無源WDM均有應用，法國電信也在實驗室驗證了CPRI速率壓縮后采用WDM-PON承載前傳。

總體來講，LTE時代運營商對于各種點到點WDM前傳技術（包括WDM PON）進行了大量的試驗甚至部署，在前傳帶寬、傳輸時延要求更高的5G時代，WDM PON在某些光纖資源緊張的場景下將是一種比較可行的技術選擇，但因 eCPRI最新發布的版本顯示25 Gbit/s將是5G前傳的主要接口帶寬，在標準支持、光模塊與設備研發方面，還需進一步推進才能促進其商用化進程。

圖4 WDM PON承載商用LTE前傳試驗拓撲

5 100 Gbit/s EPON標準化介紹

NG-EPON于2013年7月在IEEE 802全會提出了立項討論，得到了多數廠商的響應，并由此建立了興趣組討論NG-EPON的需求以及可能的技術方案。正式立項為IEEE 802.3ca（包含25/50/100 Gbit/s EPON）標準后，預計2017年底前發布第一版草案，2019年上半年發布標準正式版本。標準實際研發進度目前落后當初的預期，主要由于物理層和協議層影響因素多，關鍵技術的決策緩慢，主要包括以下兩點。

· 物理層指標：通道波長、功率預算、發射

功率、接收靈敏度等指標相互影響。

· 協議層機制：MPRS、MPCP（CH、OLT、

ONU）機制的調整復雜。

為了提高國內運營商和廠商在IEEE 100 Gbit/s EPON標準制定中的話語權，體現國內未來可能的應用需求，由中國電信牽頭，召集國內主要設備和光模塊廠商于 2016年 4月成立 100 Gbit/s EPON討論組，討論關鍵技術，明確技術建議，并共同推動IEEE會議上的討論和決策。目前已經取得的工作成果如下。

· 明確國內未來可能的應用場景中，100 Gbit/s

EPON系統的技術需求。

· 共同推動100 Gbit/s EPON中“1+3”波長

組合，在IEEE全會上決策通過。

· 研究討論波長規劃，對方案 A（上下行所

有波長通道都在O波段）進行修改。

· 討論并明確10 Gbit/s EPON上行波長收窄

方案。

6 結束語

綜上所述，1 Gbit/s速率PON的演進路徑并不是唯一的，10 Gbit/s GPON與TWDM PON都有可能是運營商下一步的選擇，甚至在5G前傳場景下有可能直接部署WDM PON。可以說，技術標準提供了豐富完善的可選項，芯片、光模塊、設備商、運營商也分別進行了有益的技術探索與積累，當前各種技術進展緩慢的原因還在于需求不明朗，國內運營商雖然在進行10 Gbit/s PON的部署，但總體來說目前國內外還是處在 EPON/GPON的時代，在市場沒有實質性需求的現階段，10/40/100 Gbit/s的PON技術都是應重點關注的方向。

[1] ITU-T G.987.1. 10-Gigabit-capable passive optical networks(XG-PON): general requirements[S]. 2010.

[2] ITU-T G.987.2. 10-Gigabit-capable passive optical networks(XG-PON): physical media dependent (PMD) layer specification[S]. 2016.

[3] ITU-T G.989.2. 40-Gigabit-capable passive optical networks(NG PON2): physical media dependent (PMD) layer specification[S]. 2014.

Development and forecast of 10/40/100 Gbit/s PON technology

ZHANG Chengliang1, WANG Qing2, YU Jingwen1, WAN Fen2
1. Beijing Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China 2. China Comservie Hubei PTPD Co., Ltd., Wuhan 430024, China

Currently, the evolution of EPON/GPON to higher bitrate technology has become a hot topic in optical access field. Based on this, the current situation and problems of XG(S)-PON, TWDM PON, WDM PON and 100 Gbit/s EPON were analyzed, then some forecast of above technologies was given.

XG(S)-PON, TWDM PON, WDM PON, 100 Gbit/s EPON

TN929.1

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017300

2017?10?10；

2017?11?10

張成良（1970?），男，中國電信股份有限公司北京研究院副院長、教授級高級工程師，主要研究方向為光接入及光傳輸技術。

王慶（1969?），男，湖北郵電規劃設計有限公司總工程師、教授級高級工程師，主要研究方向為光接入及光傳輸技術。

余景文（1973?），男，中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師，主要研究方向為光接入及光傳輸技術。

萬芬（1978?），女，湖北郵電規劃設計有限公司高級工程師，主要研究方向為光接入及光傳輸技術。