NG-PON技術背景、應用和展望

（中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057）

1 技術背景

寬帶網絡已經成為各國信息化的戰略性公共基礎設施，寬帶光接入網具有投資大、建設周期長、網絡復雜的突出特點，是寬帶網絡的重要組成部分。隨著云計算、高清視頻等新業務網絡的迅猛發展，用戶帶寬以每5～6年10倍速度增長，面對用戶對帶寬不斷增加的市場需求，當前運營商已經開始規模部署10 G無源光纖網絡（PON），為用戶提供高帶寬業務。其中，住宅用戶帶寬將會達到1 Gbit/s，企業用戶帶寬超過1 Gbit/s。未來隨著增強現實（AR）/虛擬現實（VR）業務的加速應用，運營商計劃采用下一代（NG）-PON技術為每個用戶提供最高10 Gbit/s帶寬。同時隨著5G時代的到來，高頻基站的導入導致基站密度將大為增加，基于同一光纖接入（FTTX）光配線網（ODN），實現5G前傳或回傳的統一承載。NG-PON由于節省了大量光纖資源，成為運營商研究熱點。

寬帶接入網是一個點到多點的網絡架構，PON技術是主流寬帶的重要接入技術，PON網絡技術已經歷了從以太無源光網絡（EPON）和吉比特無源光網（GPON）到10 G PON的發展歷程。隨著AR/VR和5G技術的加速發展，10 G PON技術也難以滿足未來的駐地接入和移動前傳/回傳的帶寬需求，因此下一代更高速率的PON技術正逐步成為業界研究熱點。

2 技術進展

從技術路線角度看，NG-PON分成單波長提速和多波長疊加2條路線演進，具體如圖1所示。對于下一代單波長提速技術路線，考慮到當前產業鏈現狀以及未來低成本規模商用，基于25 Gbit/s基礎速率可以復用現在數據中心25 G/100 G以太網產業鏈，并可以通過高階調制技術實現50 Gbit/s的速率。對于有更高帶寬的需求，可以采用多波長的疊加方式擴展實現。一些特殊高帶寬和低延遲需求（如5G前傳）可以采用密集波分復用（WDM）-PON方式，其中每個通道實現了點對點（P2P）直連。當前電氣和電子工程師協會（IEEE）和國際電信聯盟電信標準分局（ITU-T）就是基于這個思路演進[1]。

其中，IEEE率先啟動了NG-PON技術的標準制定，單根光纖上支持25 Gbit/s下行速率，同時也可以支持10 Gbit/s或25 Gbit/s的上行速率，并且可以和10 G EPON兼容。而對于50 Gbit/s需求帶寬，采用多波長疊加技術和通道綁定技術可以提供2個25 Gbit/s通道，實現50 Gbit/s帶寬，其標準預計2019年中提交發布。

圖1 無源光纖網絡技術演進趨勢示意圖

同時，ITU-T也在考慮10 G PON（XG-PON1和XGS-PON）后的技術。基于前期G.sup.hsp后10 G PON技術研究白皮書，并考慮了家庭用戶、企業用戶、移動回傳和前傳的需求，運營商和設備商等產業鏈逐步形成了對于NG-PON的需求，于2018年1月立項了50 G PON的相關標準，同時立項的還有基于多波長疊加的NGPON2下一代，其中每個通道的速率為50 Gbit/s。

3 應用場景

NG-PON將極大地擴展PON技術的應用領域，為各類用戶提供低成本、高帶寬的接入業務。當前NGPON聚焦在固網新業務挖掘和5G承載新領域的擴展，具體包括：

（1）AR/VR高帶寬應用；

（2）5G回傳業務；

（3）5G前傳業務。

AR/VR技術對于帶寬有著極高要求，以VR技術為例（具體如表1所示），進入規模商用階段的高級VR，帶寬需要近500 Mbit/s，依照1：64分光比計算，即使考慮實際用戶并發率，10 G PON也難以滿足要求；而對于極致級VR的1 G帶寬需求，則需要PON口帶寬近50 Gbit/s。另外，還對NG-PON的帶寬演進提出了明確的需求。

表1 VR幾個階段帶寬需求表

圖2 無源光纖網絡無線回傳場景

5G基站回傳組網如圖2所示，其對于帶寬需求遠遠大于4G基站，單站回傳帶寬需求從4G的數百兆到Sub6G低頻5G基站的近5 Gbit/s，高頻基站要大于10 G。依照正常PON回傳應用的分光比1：8來計算，需要至少大于40 Gbit/s以上帶寬，這就需要NG-PON來滿足5G的帶寬需求。為此，下一代單波50 G PON技術可以承載Sub6G的低頻5G基站回傳，NG-PON2可以支持大于100 Gbit/s帶寬，用于高頻5G基站回傳。同時，5G業務對延遲要求更高，增強型移動帶寬（eMMB）需要1～4 ms，高可靠超低時延通信（uRLLC）業務需要0.5 ms。相比現在10 G PON，NG-PON在動態帶寬分配（DBA）方面會進一步優化，滿足5G低時延業務的要求[2]。

圖3 25 G WDM-PON 5G前傳場景

如圖3所示，對于5G前傳，WDM-PON技術基于FTTX ODN的點對多點樹型網絡拓撲，實現了單纖10～20通道的密集波分，能大量節省光纖布線資源，且每個通道提供25～50 Gbit/s的帶寬，滿足5G前傳通用公共無線電接口（eCPRI）的帶寬需求。對于采用集中化無線接入（C-RAN）架構，需要在城區實現5G基站密集連續覆蓋，同時骨干光纖資源非常緊張的場景，WDM-PON是一個非常合適的技術。

4 關鍵技術

NG-PON技術中單波長提速技術路線沿用現在TDM-PON技術，具有下行廣播連續發送和上行時分多址突發傳輸的特點，其主要關鍵技術包括調制技術、光模塊大功率收發技術、高性能前向糾錯碼（FEC）、突發接收、超低延時轉發等技術。對于多波長疊加技術路線，尤其是WDMPON技術，其核心技術聚焦于無色ONU技術。

4.1 調制技術

關于50 G PON調制方案，目前業界仍在研究中，具體包括不歸零碼（NRZ）、NRZ+均衡和四級電平脈沖幅度調制（PAM4）等。為了更好實現50 Gbit/s速率，NRZ需要50 Gbit/s的速率器件，當前產業鏈不夠成熟。NRZ+均衡和PAM4基于25 Gbit/s速率器件，器件相對成熟，是50 G PON調制技術的研究熱點。

4.2 光模塊大功率收發技術

PON已經歷了好幾代技術變革，ODN網絡也已基本完成部署，功率預算達到32 dB。50 G PON需要兼容已有ODN網絡，功率預算是重大挑戰。數據中心使用25 G激光器，其發射光功率在0 dBm左右，不能滿足32 dB光功率預算要求。25 G雪崩光電二極管（APD）接收50 G PAM4時的接收靈敏度大約為-20 dBm@1E-3，通過均衡補償高頻響應。雖然當前靈敏度有所改善，但要滿足32 dB功率預算仍存在挑戰，需要產業鏈進行突破。

4.3 高速突發接收技術

PON系統上行采用突發機制，不同ONU占用不同時隙突發發射，光線路終端（OLT）接收機需要突發跨阻放大器（TIA）快速建立工作電平，并需要突發模式時鐘與數據恢復（BCDR）快速恢復時鐘，才能正確接收信號。目前還沒有針對50 G PON應用的突發TIA和BCDR，需要產業鏈加大研究。

4.4 高性能FEC技術

高性能FEC是為了解決功率預算問題而提出新技術方向。目前PON采用的是冗余度為7%左右的里所碼（RS）編碼，能夠將1E-3誤碼糾正到1E-12。低密度奇偶校驗碼（LDPC）、Turbo乘積碼（TPC）、Polar碼等高性能FEC技術可以將1E-2誤碼率糾正到1E-12以下，但需要更高的編碼冗余、更高計算復雜度和更大的處理時延。

4.5 超低延遲轉發

當前GPON/XG(S)-PON技術存在上行轉發時延過長的問題，主要原因是：PON數據依照125 us周期進行傳輸，一般DBA調度在4個周期左右?？紤]到數據包分片，如果不做特殊處理，上行時延將達到1 ms，這樣不能滿足5G回傳對接入段最低數百微秒的時延要求。同時，ONU開窗發現需要PON下面所有ONU在較長時間內停止數據傳輸，導致時延達到數個毫秒以上，從而使得時延和抖動更加惡劣。NG-PON技術將在數據轉發延遲和ONU開窗發現這2個方面做深入優化，滿足5G回傳的要求。

4.6 無色ONU技術

作為WDM-PON系統的關鍵技術，無色ONU一般采用波長可調ONU技術方案，該方案采用可調諧激光器，實現在ONU側波長的靈活配置。激光器波長調諧采用電流調諧、溫度調諧或微機械調諧等方式來改變增益介質折射率或者外腔反饋條件，以保證每一個ONU均工作在特定波長上。直接調制可調諧激光器速率可達10 Gbit/s，與外調制器集成時能實現25 Gbit/s速率傳輸。波長可調方案部署方式靈活，帶寬可擴展性高，光信號質量高，利于長距離傳輸，是應用最為成熟的無色ONU技術解決方案。目前業界有多種已商用的可調激光器技術方案，如：分布布拉格反射激光器（DBR）、數字超模DBR激光器（DS-DBR）、采樣光柵DBR激光器（SG-DBR）、外腔激光器（ECL）等。當前可調激光器成本過高，影響規模商用，同時對于5G前傳的應用場景，還面臨著功耗和工作溫度范圍的挑戰，對模塊自身溫度控制提出了較高的要求。

5 結束語

龐大的FTTX ODN光纖資源是運營商的巨大財富，充分利用這個資源實現用戶接入的低成本/高帶寬/低延遲普遍覆蓋，滿足各種業務的服務質量，是NG-PON的主要目標。NGPON技術將實現現有PON技術在同一個ODN下共存，不僅滿足當前普通家寬業務，還可以提供滿足AR/VR應用的更高帶寬家寬業務、更高帶寬/低延遲的企業業務，還可以實現5G基站回傳和前傳。NG-PON技術面向這些未來應用，以更高速率、更低時延、更低成本和功耗等為技術目標。標準組織、運營商和設備廠家以及產業鏈各個方面都在積極努力，以實現NG-PON技術的早日成熟。由于5G時代的到來，預計25 G WDMPON技術將在2020年左右實現規模商用，下一代單波50 G PON將在2023年產生商用產品，開始試商用，2025年進入規模商用。下一代PON技術的應用必將有利于促進未來固移融合新一代光接入網的規模建設。

專題預告

《中興通訊技術》2019年專題計劃