F5G時代PON技術的演進方向和策略

范 立

(中國移動通信集團上海有限公司，上海 200042)

0 引言

F5G與移動5G共同構建了國內運營商“雙千兆”接入的基石，是我國新基建建設的重要組成部分。而PON技術作為F5G的代表技術，也在不斷演進升級，在承載現有海量用戶的同時，滿足未來各種類型業務對網絡的新需求。因此，需要進一步梳理確立PON網絡的升級路徑，框定和指導F5G時代的固網投資建設方向。

1 F5G概念與特點

1.1 F5G的定義

隨著移動5G的迅速普及，固網也對應推出了F5G的概念。F5G面向千兆級別帶寬的低時延、大連接的固網場景，助力我國新基建建設。

與以往的固網技術相比，F5G采用10G PON為代表的技術，倡導“光聯萬物”，具備千兆超寬的接入能力，如表1所示。

表1 各代固網接入技術速率

1.2 F5G的特點

與5G的增強型移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMMB)，大規模機器類型通信(Massive MachineType Communication，mMTC)，超高可靠與低時延通信(Ultra reliable and low latency communication，uRLLC)三大場景特征類似，F5G也提出了3個關鍵特點。分別是全光聯接(Full-Fiber Connection，FFC)，增強型固定寬帶(Enhanced Fixed Broadband，eFBB)和極致體驗(Guaranteed Reliable Experience，GRE)[1]。

其中FFC主要通過光聯萬物的光纖接入(Fiber to the X，FTTx)技術以及新型的光分配網(Optical Distribution Network，ODN)架構工藝和技術實現。

eFBB目前通過10 G PON，WiFi6的高帶寬低成本的演進，以及200 G/400 G 光傳送網(Optical Transport Network，OTN)的大帶寬和高性能實現。

GRE則通過采用軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)/網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)等可編程技術，提升網絡的敏捷性、互通性，提升業務質量。

通過這些特性，F5G具備了確定的大帶寬、海量的連接和低時延零丟包等特點，可以提供覆蓋廣泛的高品質固網連接，未來將實現每平方公里10萬級別的連接覆蓋，10倍于上一代網絡的帶寬和穩定可靠性。

1.3 F5G的價值

4K/8K以及3D高清視頻，VR和AR的應用等需要大帶寬、低時延網絡的支撐，工業企業的內部網絡則要求新的工業網絡能在安全、網絡性能、業務接入能力等方面全面超越現有的以太網技術，實現全光、扁平的網絡連接。這些都是F5G的應用價值所在。

與5G相比，F5G缺乏可移動性，連接數較少。但全光固網帶來了高帶寬、低時延、低抖動、抗干擾能力強、可靠性高等優勢，使得F5G在包括金融、能源、交通、政府等行業的一些數字化轉型應用方面要更具優勢。

F5G和5G是我國新型信息基礎設施的核心。通過F5G和5G的融合，可以實現網絡傳輸能力與網絡連接能力的一體化，為我國未來各類業務的泛在連接和承載提供了堅實的數字底座。

2 PON技術在F5G網絡的發展現狀及趨勢

2.1 F5G的發展需求

在新基建的浪潮下，F5G網絡將漸進提升優化，應對各類新型互聯網的需求和變化。

在網絡層面上，不斷涌現的新型互聯網技術正推動電信網絡的升級換代，多個層面的網絡都要求采用云化方式進行部署，由此帶來的流向不確定性需要F5G具備穩定的架構來應對。

在業務層面上，疫情加速了我國數字化的進程，各行各業由傳統的線下向線上轉移，特別是辦公、政務、醫療、教育等行業的云化需求，要求F5G網絡能夠滿足此類高品質業務的承載。同時，各行業的工業信息化和自動化需求要求能夠以較低的成本實現工業級的網絡部署需求，實現對智能制造生產線的工業控制、數據采集分析、視頻監控等功能。

為滿足上述需求，F5G網絡現階段的技術實現包括以10G PON，WiFi6為基礎的千兆寬帶網絡，以200G/400G單載波技術為基礎的光傳送網絡。而未來下一代的演進方向則是50G PON，WiFi7和800G OTN等。其中，PON技術作為固網的代表技術，在其中承擔著核心作用。

2.2 PON發展現狀

依托大帶寬、長距離和光層流量統計復用的優點，PON在運營商的網絡部署中取得了巨大的成功。依托國內建立的廣泛的光纜資源和規模龐大的用戶覆蓋，PON網絡簡單、高效地滿足了互聯網時代的業務需求。其中家庭寬帶和PON專線是兩大主要的應用場景。目前，PON家庭寬帶已進入平穩發展時期，每年新增1 400萬左右的家寬用戶。而PON專線則為各類中小型集客用戶提供了各類高性價比的語音、互聯網專線解決方案。據統計，目前國內各運營商的PON專線占比已超過80%。

截至2020年4月，國內已部署各類FTTH/FTTO端口8.8億個，占比93%；各類FTTH/FTTO用戶達到4.54億，占比94%。隨著國務院常務會明確“雙G雙提”目標的部署落實，固定互聯網寬帶網絡提速卓有成效，固定帶寬邁入千兆時代。100Mbps及以上接入速率的接入用戶占比達到85.4%。

2.3 PON發展趨勢

根據國家部署，國務院常務會議明確提出了“雙G雙提”的目標，國內各大運營商均將千兆寬帶的建設和發展作為近期的發力重點，構建支撐我國新型基礎設施的“數字底座”。作為F5G中面向用戶的PON網絡也順應發展趨勢，不斷演進，滿足用戶的各類需求。

對于家庭寬帶而言，除了千兆帶寬之外，還對網絡提出了高品質需求。從傳統的電話、上網、電視業務逐漸擴展到各類體驗敏感的剛需業務，如游戲、居家辦公、線上學習、云網超帶寬等。這要求PON網絡具備完善的故障預警能力，及時快速地故障定位和排障，以及能夠實時對用戶體驗指標進行檢測，以保障用戶的體驗。

而對于PON專線來說，現有PON網絡在保持低成本、易部署、廣覆蓋的特點之外，還需滿足企業用戶提升專線品質的需求，以及業務上云的趨勢。PON專線將從傳統的主要滿足小型和微型企業覆蓋，擴展到可服務更高價值的客戶；從傳統的通過城域數據網入云轉為通過OTN網絡“一跳入云”，以保證網絡質量的確定性。

3 下一代PON技術發展

3.1 技術路線選擇

PON技術的主要發展目標是增強網絡的基礎能力。主要是從網絡帶寬和網絡切片兩個維度著手，提升有線寬帶接入網絡的基礎能力。

為滿足F5G下千兆業務時代對于家寬、中小微型企業、5G小基站以及工業互聯網等多種場景的差異化接入承載需求，PON系統在現有網絡已升級到10G PON的基礎上，繼續向著下一代PON網絡發展。

從下一代PON網絡的技術路線選擇上來看，主要存在25G PON和50G PON兩種路線。經過充分研究討論，由于25G PON相較10G PON來說帶寬提升較小，近似于同代技術。因此，目前業內均將50G PON作為下一代PON選定的主流技術，實現4倍以上的帶寬能力提升，滿足PON網絡代際演進的需求。

3.2 技術能力

50G PON采用下行時分復用(time-division multi-plexing，TDM)，上行時分多址(time-division multiple acces，TDMA)的架構，具備下行50G，上行12.5G/25G/50G的線路速率，同時支持不同光網絡單元(Optical Network Unit，ONU)速率組合，滿足家庭客戶、普通政企客戶及高端政企客戶的不同需求。網絡方面，具備同PON口下，50G PON ONU與10G PON ONU共存的能力，支持現網的平滑演進，兼容現有的ODN網絡，并通過低時延滿足國內運營商5G一體化小站的接入回傳和實時應用。

除了帶寬的提升，受業務驅動，以50G PON為代表的下一代PON還將具備端到端的切片管理能力。現有的PON網絡受限于前期研發部署的需求，主要承載對于安全性和性能要求較低的上網業務，承載理念是盡力而為。在面向新型5G等業務接入時，將成為端到端網絡切片的能力瓶頸。而下一代PON網絡在未來仍然需要低成本提供盡力而為的轉發能力。另外，還要為一些特殊業務需求提供滿足帶寬隔離、低時延的硬管道的網絡切片能力。

50G PON的關鍵技術是實現高速高功率光預算，主要解決的方案一方面通過在收端或發端設置半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)，從而增加接收靈敏度和發射功率，進而實現鏈路光功率預算的提升；另一方面，通過包括均衡算法與FEC(Forward Error Correction，前向糾錯)編解碼的DSP(Digital Signal Processing，數字信號處理)接收算法技術，提升設備的接收性能[2]。

3.3 演進部署策略

50G PON的部署可采用以下兩個原則進行：

(1)通過波長規劃來回收利用間隔一代的PON網絡波長，而與鄰代的波長共存。如通過回收GPON的波長用于50G PON，同時與10G PON分波共存，實現網絡的平滑演進。

(2)通過功率預算來兼容現網的ODN網絡。即保持原有的分光比不變，通過簡化和統一終端ONU設備的復雜度，更換局端OLT相關設備，實現網絡的整體升級演進，降低更新無源設備產生的管線建設成本。

根據上述原則，結合現網PON網絡的部署現狀，規劃50G PON的演進部署策略。

當前，我國各運營商的PON網絡正處于10G PON的大規模商用階段。10G PON歸一化地引入三模Combo，進一步降低了建設成本，降低了網絡規劃和運維的復雜度。各運營商通過對原有GPON/EPON網絡設備進行升級改造，實現向10G PON網絡的平滑演進，滿足大規模高帶寬業務的接入[3]。

而下一代50G PON規模部署時，需要進一步整合現有的兩條PON路線的產業鏈，同時兼容原有的ODN網絡，滿足從10G PON逐步平滑演進的需求。具體實現時，在結構層面上繼續利用原有網絡和新增光纜、分光器、ODF等無源基礎資源的部署，并仍將主要依托Combo PON的機制作為演進的路線，將原先部署的10G EPON和10G GPON進行融合共存。

從歷史上看，PON網絡的發展主要由帶寬驅動。PON技術每一代的演進，線路帶寬提升一般都不低于4～5倍，而代際之間PON的規模部署通常間隔5～7年。預計下一代50G PON網絡部署將在2022年后啟動。

4 PON技術演進展望

PON網絡滿足了數據互聯網時代的業務需求，得到了廣泛的部署。未來，隨著新業務和新應用場景的涌現，除了網絡帶寬持續提升之外，用戶對于時延、抖動、安全隔離等方面都提出了更高的需求[4]。

總結過去的發展規律，預期后續的后50G PON技術的演進將基于以下兩點。

4.1 基于現有已部署的ODN網絡演進

ODN網絡屬于有線接入網的基礎設施，相關的投資占比在70%以上。為了保證前期投資的成本和網絡的平滑演進，未來的PON網絡需要繼續采用點到多點的技術應用于ODN網絡上。

4.2 成本與能耗成倍降低

PON網絡最大的優勢就是低成本的高帶寬解決方案。未來的PON網絡技術若要得到更加廣泛的應用和演進，需要在代際的單比特成本和能耗上有著指數級的優化降低，才具備海量部署的可行性。

5 結語

從PON，10G PON到50G PON，各代PON網絡一脈相承，具備可持續演進的能力,并且滿足帶寬躍升大、系統架構簡單、設備成本低、開發難度低、標準融合好等特點。在過去，PON網絡在國內運營商中的大規模部署有效支撐了F5G時代各項業務的展開。未來，PON網絡將持續助力下一代固網寬帶的高速發展。