单波速率的选择及实现是PON未来的关键

全球宽带提速的浪潮已经来临，4K/8K超高清视频、虚拟现实、智慧家庭和物联网等应用将成为人们日常生活与工作的一部分，越来越多的国家都已经或计划提高宽带接入速率。目前，全球已有超过50家运营商正在提供千兆宽带业务，在韩国、美国和中国香港等地区，运营商更已经针对企业和家庭用户开通了2G乃至10G的业务；在中国，2013年国务院发布了国家宽带战略——计划到2020年使发达城市家庭用户的接入速率达到1Gb/s；在欧盟和美国，各国政府也在加速提升国家基础带宽，或者给予宽带发展以较大的支持。

单波高速：下一代PON关键技术

随着用户终端带宽需求的不断增大，当前主流接入网系统架构——PON（无源光网络）网络也在不断升级。尼尔森诺曼公司的联合创始人Jakob Nielsen博士于1998年提出着名的尼尔森定律（Nielsen’s Law）：用户带宽将以每年50%的速率增长。从1983年到2014年的统计结果来看，带宽增长趋势很好地与该定律吻合。按此规律推演，到2020年，用户带宽将会达到1.6G。如果按PON网络常用的1:64分光比来计算，当前主流PON系统的带宽届时将满足不了用户的需求。

现阶段，GPON、EPON正在大规模批量部署，XG-PON1、10G-EPON也已经开始小规模商用。PON系统国际标准的主要阵营包括FSAN主导的ITU-T系列GPON标准，以及IEEE主导的802.3系列EPON标准。其中，ITU-T GPON标准系列已经从GPON、XG-PON1发展到NG-PON2。当前NG-PON2的标准体系已明确采用TWDM-PON系统架构，单波速率为10G，通过采用4波或8波来实现总系统容量40G或80G。

相对标准推进较快的ITU-T阵营，IEEE802.3系列标准制定则略微滞后，EPON及10G-EPON标准先后于2004年和2009年发布，而与NG-PON2通信容量对应的NG-EPON标准还处于早期阶段。2015年7月，NG-EPON CFI（call for interest）正式通过，成立了研究小组（Study Group），并在2015年9月底发布了NG-EPON标准目标。目前，NG-EPON目标已经定义了几种方案，包括单波25G上下行和N×25G上下行，主要调制格式技术包括NRZ（非归零码）、Duo-Binary（双二进制编码）和PAM4（4阶脉冲幅度调制编码）等。

当前，虽然很多候选技术还在研讨和比较当中，但单波速率超过10G已基本达成一致，目标演进方向主要是单波速率25G。而在整个PON系统中，针对家庭用户接入，单波25G PON可以作为主流技术；而对于政企用户，由于其带宽需求更大，可以在单波25G的基础上，通过波长叠加实现2×25G或4×25G的更高带宽。ITU-T GPON标准阵营预计将在2016年2季度启动单波25G标准的立项讨论。

由以上分析可见，单波25G已经成为光接入的一个重要节点速率，包括华为在内，业界在前期4×10G TWDM PON的研究过程中已经积累了不少多波叠加技术，因此，当前单波25G技术的实现成为了100G PON的关键。

单波高速PON技术的挑战

在光接入领域，运营商的主要诉求是在带宽升级的同时，还能重用既有的光纤网络，由于ODN（光配线网络）链路涉及基础设施施工，难度大、成本高，其建设成本占了整个PON网络部署的大部分。因此，运营商在下一代PON网络升级时，对于不改动ODN链路都有强烈的诉求。当前ODN链路一般需要支持最少20Km光纤、1:32分光器，因此，单波高速PON的主要挑战将集中在色散、功率预算以及速率选择方面。

色散难题：在单波10G及以下速率中，由于NRZ的结构简单、成本低等特性，EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2均采用了该调制格式，此时色散不是PON网络面临的主要问题。而单波速率达到或超过25G时，NRZ调制格式的色散容限无法满足传纤20Km要求。有两种方法可以解决此问题，一是采用零色散的O波段（光纤零色散区域），但此波段已被EPON和GPON占用，在PON网络多代共存场景下难以采用；二是采用电色散补偿方法，其中引入高色散容限的调制格式或电均衡算法是比较可行的作法。

功率预算紧张：PON网络是一个点到多点系统架构，由于ODN链路中分光器会引入较大的额外插损，使得功率预算成为PON网络面临的较大挑战。一般可通过增大发送光功率和提高接收灵敏度的方法实现，目前主流的探测器以PIN（光电二极管）和APD（雪崩光电二极管）为主。在PON系统中，由于较高的功率预算要求，主要以APD为光接收器件。APD的接收灵敏度与信号速率有明显的关系，当信号速率由10Gb/s提升到25Gb/s时，接收机的接收灵敏度会有4dB的下降，如果没有补偿措施，会带来系统链路功率预算下降。目前的25G APD芯片技术和ROSA封装技术还不成熟，仅有少数供应商宣布拥有该技术，并且价格昂贵，低成本25G PON系统的光收发器件将是业界不得不面临的问题。

速率选择：在单波超过10G速率后，会遇到色散困扰和功率预算不足等问题的干扰，而且速率越高，色散对系统的影响越大，系统功率预算也会越紧张。相对于单波10G，单波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多种方案来解决上述问题，这几种方案都属于多阶调制，编解码相对比较简单，对器件要求也不高。而对于单波40G来说，由于单波数据速率提高，其代价是需要更加复杂的高阶调制或更加复杂的DSP算法，且会面临更加紧张的功率预算。理论分析及仿真表明，单波40G模式难以达到当前10G-EPON的几种功率预算等级要求。而与之相应的是，当前业界25G的各项电路技术都已经趋于成熟，比如25G激光驱动器、25G跨阻放大器和25G数据时钟恢复电路等等。

基于以上分析，华为将下一代单波高速速率聚焦在25G上，通过多波长叠加最终可以达到50G、100G或者200G的系统速率。

3种单波高速方案解析

1、单波25G NRZ方案

由于NRZ调制格式简单，在EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2系统中均采用了该调制格式。在单波25G速率下，若采用O波段传输，NRZ格式的光信号的色散容限可以满足传纤20Km的需求；但如果采用C或L波段（光纤正色散区域），由于色散容限不够，单波25G NRZ方案将无法满足PON系统常规的20Km传纤需求。在此场景下，需通过光学或电学方式进行色散补偿，包括在发送端采用25G电吸收调制激光器和在接收端采用25G APD接收机。虽然该方案下的PON光模块结构简单，但25G光器件成本比较高，且色散容限不够是此方案的最大弊端，补救该弊端的方法是在接收侧采用DSP算法对色散进行补偿。如果算法优化得当，10G光器件甚至可以在接收侧取代25G光器件，而且由器件带宽不足引发的信号畸变也可通过算法一并补偿。

2、单波25G Duo-Binary方案

Duo-Binary称为双二进制，其通过产生3个电平使得自身频谱相对NRZ频谱降低一半，对应的色散容限可提升2.5倍。根据眼图不同，可将Duo-Binary分为两种：一种是Electrical Duo-Binary，简称为EDB；另一种是Optical Duo-Binary，简称为ODB。其中EDB是一种常规的3电平双二制调制格式，眼图为3个电平，拼合成两个眼睛；而ODB则是在电域产生3电平双二进制信号之后，再通过电光相位调制器将上下两个眼分别调制在不同的相位上，形成类似于NRZ但又不等同于NRZ的ODB眼图。ODB调制格式由于在光相位上形成反转，起到色散抵消作用，因此拥有更好的色散容限。

由EDB和ODB可组成两种对称25G PON系统。在第一种形式中，上下行链路都采用EDB调制格式。考虑到PON系统中ONU侧成本比较敏感，可只在OLT发送侧采用25G光器件的EDB调制，而在ONU发送侧采用10G光器件产生EDB格式的上行信号。由器件带宽限制引发的上行信号的畸变，可在成本不敏感的OLT接收侧通过更为复杂的电域算法进行补偿。在第二种形式中，下行链路采用ODB调制格式，在OLT发送侧通过采用马赫曾德调制器（MZM）在产生的3电平基础上进行相位调制，形成ODB信号。而在ONU接收侧只需要采用类似于NRZ的两电平判决接收，可极大地简化接收电路，降低ONU成本。上行调制方案与第一种形式一致，即在ONU发送侧采用10G光器件产生3电平EDB信号。

3、单波25G PAM-4方案

PAM-4调制称为4电平脉冲幅度调制，在信号调制时将每两个比特组成一个波特，因此PAM-4调制的波特率将减少一半，频率效率则提升一倍。PAM-4调制的色散容限相对于NRZ可提升4倍。25G PAM-4调制在发送端只需采用12.5G EML和12.5G线性驱动器，在接收端则采用12.5G APD线性接收光组件。而且由于当前主流光器件都是10G，还可以采用10G光器件来代替12.5G EML或APD，再通过电补偿算法进行带宽补偿。PAM-4在发送侧需要采用数模转换器产生4电平，接收侧采用模数转换器解码4电平。

3种技术方案的对比

上述3种单波高速技术方案各有利弊。25G NRZ方案结构简单，但在接收端需采用DSP进行色散补偿，同时采用25G光器件成本也较高；对称25G EDB方案在ONU侧采用10G接收机和10G发送光器件，成本较低，但下行25G接收需采用EDB格式的3电平解码，会引入额外的ONU成本。而下行25G ODB上行25G EDB方案，其主要优点是下行接收灵敏度高、接收简单，但发送侧较复杂，引入了相位调制器，同时，接收侧还需要采用25G光器件；PAM-4方案波特率减半，对光电器件带宽要求也会降低，但对器件线性度提出了更高的要求，并且PAM-4收发芯片会带来成本和功耗等问题，除此，PAM-4方案相对前几种方案灵敏度也较低。不过，由于业界很多着名电芯片公司拟推出PAM-4编解码芯片，这将有望大幅降低PAM-4方案的收发难度和成本。

除此之外，上述各方案为了达到PON网络系统的功率预算要求，基本上都需要采用光放大器，由此带来的光放大器的成本、功耗和集成度等问题也是单波高速PON需要面临和解决的问题。

每一代PON系统的演进和发展都离不开产业链的配合，当前25G光电器件正在不断成熟。其中，25G电芯片已经成熟商用，比如25G电吸收调制激光器驱动器、25G马赫曾德尔调制器、25G数据时钟恢复和跨阻放大器等；25G O波段的激光器基于PIN接收光组件也已经成熟商用多年；业界正紧锣密鼓开发基于APD的25G接收光组件。可以说，25G光芯片正处于高速发展期。

随着光网络技术的进步，以及高速光电芯片的不断发展，相信单波速率将会不断得到提升，单波高速PON系统也将会迎来更加美好的明天。