5G/50G PON技术的发展趋势
摘要：在10g无源光网络(pon)商用之后，下一代pon的成本和向前兼容性是影响后续发展的重要因素。为了尽量利用运营商在现有光分配网络(odn)上的投资以及与原来的pon共存，着重讨论基于时分复用(tdm)的单波长 25g pon方案的物 理层技术以及成本控制相关的技术要点。对于50 gpon的技术演进，则简要介绍了调制方案的特点和新引入的数字信号处理(dsp)技术。最后对25g和50g pon在行业内的现状和发展做了归纳和展望。
0 引言
经过十几年无源光网络(pon)的商用化部署，在 2019 年 ， 中国运营商通过招标正式启动 了 10g pon 在中国的大规模部署 ， 使得 pon 的下行线路速率从 2.5 gb/s 升级到了 10 gb/s。
10g pon 分为 10g ethernet pon(epon)和 10g gigabit pon(gpon)。2006 年，电气与电子工程师协会 (ieee) 802.3av 开 始 研 究 和 制 定 10g epon 标 准 ;2009 年 9 月，ieee 802.3av 正式发布 了 10g epon 标准。10g epon 根据下、上行速率速率分为非对称方式 (下 、上行速率分别为 10 gb/s、1 gb/s) 和对称方式 (下、上行速率均为 10 gb/s)。从 2008 年起，国际电信 联盟电信标准(itu-t)开始制定下一代 gpon 技术的 标准，即 ng-pon1 和 ng-pon2。ng-pon1 通常指的 是 xg -pon1(itu -t g.987)，下 、上 行 速 率 分 别 为 10 gb/s、2.5 gb/s。在 ng-pon2(itu-t g.989)[1]得到商 用前 ， 根据下 、上行 10 gb/s 对称速率的市场需求和 pon 技术演进 的规划，itu-t 制定 了对称 10g gpon 的 xgs-pon 标准(itu-t g.9807.1)，该标 准在 2016 年 6 月被 itu-t 审核批准。
在 10g pon 之后的技术演进主要体现在速率 的 升级，它可以通过单波长支持 25g/50g 或更高速率来 实 现 ， 或 者 通 过 多 波 长 堆 叠 方 式 来 支 持 40g/80g/ 100g 。ng-pon2 采用时分与波分复用(twdm)的技 术方案，支持 4× 10 gb/s 或更多波长堆叠的波分复用。但 ng-pon2 标准制定后并没有得到多数运营商的支 持，另外可调多波长的光器件还没有降到可商用化 的 成本。
不管是支持 25g pon 或者更高速率，提高单波长速率是下一代 pon 系统演进的关键技术。本文以基于 tdm 的单波长速率提升作为技术出发点 ， 就 25g 和 50g pon 的现状和发展进行讨论。
1 25g pon 技术
2016 年，ieee 成立了 p802.3ca [2] 任务组，北美的 mso(multiple system operator)是驱动标准制 定 的主 要厂商 。任务组致力于基于 tdm 的 25g epon 的标 准定义，也包含对 50g pon 技术的研究和讨论。目前 物理层规范基本稳定 ， 期望在 2020 年公布最后的规 范。itu-t 则没有对 25g pon 进行正式立项，因为不 同的厂家对于 pon 的技术演进有不同的理解和要求， 所 以 25g pon 的 立 项 建 议 没 有在 itu -t 中 得 到 批 准。
25g pon 速率只比 10g pon 速率增长了 2.5 倍， 但提升 10g pon 速率 需要解决色散容 限和光功率损 耗预算的技术挑战，同时避免光器件成本偏高是实现 25g pon 方案的关键因素。25g pon 能够被商用的基 本前提是在 10g pon 基础上只有少量的成本増长，否 则 运 营 商 更 愿 意 把 投 资 放 在 速 率 提 升 较 高 的 50g pon 技术 。其次，在全球各个地区已经有大量的 pon 系统在使用，运营商不会因为新的 pon 技术而重新搭 建光纤传输的基础设施 ， 如果运营商要引入下一代 pon 技术，则他们期望新技术在光路分配系统(odn) 中与已有的 gpon 和 10g pon 系统相兼容和共存，新 的 pon 标准要在波长定义、传输距离和光功率预算等 规格定义上兼容实际已部署 的 pon 系统 。所 以研究 25g pon 技术，要把成本控制和向前兼容性作为技术 发展的前提。下面以 25g epon 标准的演进以及其它 相关 25g pon 物理层技术讨论作为参考来介绍如何 支持这两方面的技术要求。
波长范围。波长选择与光纤损耗、光纤色散、光 器件实现复杂度和已有 pon 兼容性都有关系。零色散波 长(zdw)在 1310 nm附近, 为 了 有 效 利 用 这个特性 ， 对于 25g pon的演进 ， 建议把波长放在 o 波 段 [3]，25g pon上行可 以分别与 gpon 和 xgs-pon 的上行波长进行波分复用 ， 而下行可以 作为单根波长在光纤中进行传输 。ng-pon2 的波长 则是定义在 c 和 l 波段 。在 o 波段的 25g pon 可以 采用非归零(nrz)调制，因为它不需要复杂 的色散补 偿，从而可以采用无制冷激光器 。而在 c 和 l 波段的 传输通常需要均衡等技术进行色散补偿。25g pon 波 长范围示例如图 1 所示。
图 1 25g pon 波长范围的示例
光功率损耗。与 10g pon 相比，25g pon 有额 外 5db 的功率损耗 ， 为了使 25g pon 达到 10g pon 系统 的 29 db 的功率损耗预算 的要求(itu-t 的 n1 和 ieee802.3 的 pr30)， 并且避免使用额外的光功率 放大器，则系统设计时要在发射功率、调制方式、接收 灵敏度性能和前 向纠错(fec)都要进行组合优化，并 选择合适的发送光器件和接收光器件确保成本控制 和色散容限 的权衡 。对于 5 db 的功率损耗 ， 在 25g pon 下行方 向，基于低密度奇偶校验(ldpc)的 fec 机制可以获得 1 db 的增益;商业 10 gb/s 的雪崩光电 二极管(apd)在 2009 年之后已经提高了 1 db 的接收 灵敏度[3];剩下 的 3 db 可 以 由光线路终端(olt)的光 发送器件电吸收调制激光器(eml) 来支持 。在 25g pon 上行方 向，25g 制冷直调激光器(dml)可以支持 与 25g pon 下行一样的功率损耗预算。
调制方式。目前可以选择的调制技术有 nrz 调 制、双二进制(edb)调制和脉冲幅度调制(pam4)。 虽 然高阶调制的 pam4 比 nrz 提高了 4 倍的色散容限， 但同时在发送端和接收端增加了实现的复杂度和额 外的成本。与 pam4 相比，基于 nrz 的方案在实现上 比较简单，器件成熟度也较高，是 25g pon 的推荐方 案。
光器件的选择。从光发送器件来看，相比 eml 而言，dml 的复杂度和成本都较低。如果使用 eml 进 行传输，nrz 调制下的色散容限与速率平方成反比[3]。gpon 和 10g pon 选 择 的 是 dml，p802.3ca 在 25g pon 的上行邻近 zdw 的波长范围也选择 dml ， 减少 了 25g onu 的总体成本。但在 25g pon 下行方向，则 可以在 olt 上使用 eml 。对于光接收器件，为了控制 成本，可以考虑使用 10g apd 和 edb 检测技术[4]来实现 onu 接收端处 的信号处理，这种方式 需要在发射端进行预编码 ， 以及接收端 通过均衡算法来恢复 25g 速率的信号。
非对称模式 。为了控制 25g pon 系统的成本 ， 其中关键之一是控制 onu 的成本。在 25g 商业化时，可以首先使用 25 gb/s 下行和 10 gb/s 上行 的非对称方 式 ， 它在 上 行 方 向 能重 用 10g 无 制 冷 dml，从而使 onu 的成本相对较低 。 如 果支持 25g 上、下行对称速率，则需要使 用 成 本 较 高 的 25g 制 冷 dml 。因 此 ， 25g pon 的商用化可以先从非对称模式 开始。
图 2 25g pon 的实现方案的例子
图 2 是 基 于 上 述 技 术 讨 论 的 25g pon 框架图。其中，onu 有 2 种接收方案(10g apd 和 25g apd)可选择，当 前建议选择 10g apd ， 随着 25g apd 商用之后 的成本下降，可以过渡到 25g apd 的方案。
2 50g pon 技术
2018 年 2 月的 itu-t sg15 会议中 ， 经过对多种 下一代高速 pon 系统候选方案的充分讨论后，在中国 运营商和厂家为主的推动下 ， 基于 tdm 的 50g pon 成功完成了标准立项 。50g tdm-pon 标准体系将包 含总体要求标准、50g 物理层标准和统一传输汇聚层 标准。50g tdm-pon 通过单波长提供 50 gb/s 速率能 力，仍然沿用点到多点的 pon 的架构以及 tdm 技术， 能够支持现有 odn 部署及传统网络的共存升级。
下面是 50g pon 在技术演进和标准研究过程 中 的相关技术特点。
支持单波长 50g 速率 的系统 的基本方案可 以 由 25g 光器件和 pam4 来实现 ，在接收端则增加数字信 号处理(dsp)技术，提供信号处理的均衡算法、去除非 线性干扰因素或者其它影响 pam4 性能的问题。但不 管是 pam4 技术，还是 dsp 技术，它们都给 50g pon 系统带来理论和技术实现的复杂性。
2.1 50g 的调制方式
在发送端和接收端上实现 pam4 技术使得 pon 系统在不同的场景下都增加了复杂性，例如 50g pon 上行方向的突发模式，光 网络终端(ont)在启动过程中 的测距过程等都有 了在实现上 的新 的技术挑 战[3]; 对于来自异厂家的 olt 和 ont，pam4 在物理层上增 加了 olt 与 ont 之间互通的难度。
对于光功率损耗预算的计算 ， 文献 [3] 认为 50g pon pam4 的功率损耗要比 25g pon 的 nrz 调制至 少高 4.8 db 以上。
nrz 调制在复杂度和兼容性方面要好于 pam4。 但在 nrz 调制的条件下，如果使用 eml 进行传输，与 25g pon 相比，50g pon 下的色散容限要小 4 倍 。如 果没有色散补偿机制，基于 nrz 的方案只能使波长在 上行方向上选择非常靠近 zdw 的波段范围 。研究人 员指出，如果使用 nrz 调制和 edb 检测技术，则波长 范围可以选择 1344 nm[3]。
文献[5]采用 25g eml 和 25g apd 来传输 nrz 信号，激光器工作波长选择在 o 波段，利用最大似然 序列估计(mlse)和基于最小均方误差(lms)算法 的 判决反馈均衡(dfe)进行译码，在 25 km 长度 的标准 单模光纤上实现了 50 gb/s 的传输。也有使用 10g 光 器件进行 50g 传输研究 ， 例如使用 10g dml 和 10g apd 在 o 波段上实现 50 gb/s dmt 信号 的 20 km 下 行传输[6]，误码率为 10-3 时，灵敏度达到-18 dbm。但使 用低带宽的器件则需要更复杂的 dsp 算法，成本和实 现的难度也相应增加 。 因此，如果 25g 光器件趋于成 熟，则优先考虑使用这样的高带宽光器件。
2.2 dsp 技术
dsp 可以应用在 olt 或 onu 侧 ， 它起到的作用 是提高信号处理的能力和性能，支持在低带宽的光器 件上传输高速信号。例如，在 onu 中使用 nrz 调制和dsp 技术 ， 可以获得与 nrz 调制加上 edb 检测技术 所类似的色散容限的测试结果。然而，dsp 技术同时也 给 pon 系统带来了新的技术难度和复杂性，例如每一 个 onu 的光发射器件在初始化时都要对 dsp 进行数 据训练。另外，额外的 dsp 也必然增加了 onu 的成本 和功耗。
单波长 50g pon 也要在 odn 中与已有 的 gpon 和 10g pon 系统相兼容，它所要解决的色散容限和光 功率损耗预算的挑战要比 25g pon 更大，使用 pam4 和 dsp 技术使 50g pon 方案 比 25g pon 复杂很多， 在 itu-t 标准制定过程 中必然有成本和技术方案 的 反复讨论和确认。
3 结束语
10g pon 从标准制定到商用化经历 了 10 年，支 持多波长堆叠复用的 ng-pon2 并没有得到规模商用 化，除了 ng-pon2 的成本居高不下的原因以外，单波 长速率提升的技术得到了研究人员的认可和厂家的 支持，使得 10g 速率的波长复用变得不再重要 。基于 单波长的方案可 以支持 25g pon 或 50g pon ， 如果 能兼容已有的 odn ， 并控制较小幅度的成本增长，则 会使得运营商愿意把 pon 升级到下一代 pon 系统。 至于是 25g pon 还是 50g pon 先得到商业应用，全球不同运营商与设备厂家有不同的判断和愿景，目前行业内没有统一的认识 。25g pon 的 ieee p802.3ca 标准得到了北美 mso 的支持 ， 而 itu-t 的 50g pon 的标准和规范制定得到了中国运营商和厂家的推动。 相比 25g pon 目前在 itu-t 中处于徘徊和讨论 的状 态 ， 可以预见 itu-t 制定的 50g pon 在中国会得到 更大的发展和商用。
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10g pon 分为 10g ethernet pon(epon)和 10g gigabit pon(gpon)。2006 年，电气与电子工程师协会 (ieee) 802.3av 开 始 研 究 和 制 定 10g epon 标 准 ;2009 年 9 月，ieee 802.3av 正式发布 了 10g epon 标准。10g epon 根据下、上行速率速率分为非对称方式 (下 、上行速率分别为 10 gb/s、1 gb/s) 和对称方式 (下、上行速率均为 10 gb/s)。从 2008 年起，国际电信 联盟电信标准(itu-t)开始制定下一代 gpon 技术的 标准，即 ng-pon1 和 ng-pon2。ng-pon1 通常指的 是 xg -pon1(itu -t g.987)，下 、上 行 速 率 分 别 为 10 gb/s、2.5 gb/s。在 ng-pon2(itu-t g.989)[1]得到商 用前 ， 根据下 、上行 10 gb/s 对称速率的市场需求和 pon 技术演进 的规划，itu-t 制定 了对称 10g gpon 的 xgs-pon 标准(itu-t g.9807.1)，该标 准在 2016 年 6 月被 itu-t 审核批准。
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不管是支持 25g pon 或者更高速率，提高单波长速率是下一代 pon 系统演进的关键技术。本文以基于 tdm 的单波长速率提升作为技术出发点 ， 就 25g 和 50g pon 的现状和发展进行讨论。
1 25g pon 技术
2016 年，ieee 成立了 p802.3ca [2] 任务组，北美的 mso(multiple system operator)是驱动标准制 定 的主 要厂商 。任务组致力于基于 tdm 的 25g epon 的标 准定义，也包含对 50g pon 技术的研究和讨论。目前 物理层规范基本稳定 ， 期望在 2020 年公布最后的规 范。itu-t 则没有对 25g pon 进行正式立项，因为不 同的厂家对于 pon 的技术演进有不同的理解和要求， 所 以 25g pon 的 立 项 建 议 没 有在 itu -t 中 得 到 批 准。
25g pon 速率只比 10g pon 速率增长了 2.5 倍， 但提升 10g pon 速率 需要解决色散容 限和光功率损 耗预算的技术挑战，同时避免光器件成本偏高是实现 25g pon 方案的关键因素。25g pon 能够被商用的基 本前提是在 10g pon 基础上只有少量的成本増长，否 则 运 营 商 更 愿 意 把 投 资 放 在 速 率 提 升 较 高 的 50g pon 技术 。其次，在全球各个地区已经有大量的 pon 系统在使用，运营商不会因为新的 pon 技术而重新搭 建光纤传输的基础设施 ， 如果运营商要引入下一代 pon 技术，则他们期望新技术在光路分配系统(odn) 中与已有的 gpon 和 10g pon 系统相兼容和共存，新 的 pon 标准要在波长定义、传输距离和光功率预算等 规格定义上兼容实际已部署 的 pon 系统 。所 以研究 25g pon 技术，要把成本控制和向前兼容性作为技术 发展的前提。下面以 25g epon 标准的演进以及其它 相关 25g pon 物理层技术讨论作为参考来介绍如何 支持这两方面的技术要求。
波长范围。波长选择与光纤损耗、光纤色散、光 器件实现复杂度和已有 pon 兼容性都有关系。零色散波 长(zdw)在 1310 nm附近, 为 了 有 效 利 用 这个特性 ， 对于 25g pon的演进 ， 建议把波长放在 o 波 段 [3]，25g pon上行可 以分别与 gpon 和 xgs-pon 的上行波长进行波分复用 ， 而下行可以 作为单根波长在光纤中进行传输 。ng-pon2 的波长 则是定义在 c 和 l 波段 。在 o 波段的 25g pon 可以 采用非归零(nrz)调制，因为它不需要复杂 的色散补 偿，从而可以采用无制冷激光器 。而在 c 和 l 波段的 传输通常需要均衡等技术进行色散补偿。25g pon 波 长范围示例如图 1 所示。
图 1 25g pon 波长范围的示例
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调制方式。目前可以选择的调制技术有 nrz 调 制、双二进制(edb)调制和脉冲幅度调制(pam4)。 虽 然高阶调制的 pam4 比 nrz 提高了 4 倍的色散容限， 但同时在发送端和接收端增加了实现的复杂度和额 外的成本。与 pam4 相比，基于 nrz 的方案在实现上 比较简单，器件成熟度也较高，是 25g pon 的推荐方 案。
光器件的选择。从光发送器件来看，相比 eml 而言，dml 的复杂度和成本都较低。如果使用 eml 进 行传输，nrz 调制下的色散容限与速率平方成反比[3]。gpon 和 10g pon 选 择 的 是 dml，p802.3ca 在 25g pon 的上行邻近 zdw 的波长范围也选择 dml ， 减少 了 25g onu 的总体成本。但在 25g pon 下行方向，则 可以在 olt 上使用 eml 。对于光接收器件，为了控制 成本，可以考虑使用 10g apd 和 edb 检测技术[4]来实现 onu 接收端处 的信号处理，这种方式 需要在发射端进行预编码 ， 以及接收端 通过均衡算法来恢复 25g 速率的信号。
非对称模式 。为了控制 25g pon 系统的成本 ， 其中关键之一是控制 onu 的成本。在 25g 商业化时，可以首先使用 25 gb/s 下行和 10 gb/s 上行 的非对称方 式 ， 它在 上 行 方 向 能重 用 10g 无 制 冷 dml，从而使 onu 的成本相对较低 。 如 果支持 25g 上、下行对称速率，则需要使 用 成 本 较 高 的 25g 制 冷 dml 。因 此 ， 25g pon 的商用化可以先从非对称模式 开始。
图 2 25g pon 的实现方案的例子
图 2 是 基 于 上 述 技 术 讨 论 的 25g pon 框架图。其中，onu 有 2 种接收方案(10g apd 和 25g apd)可选择，当 前建议选择 10g apd ， 随着 25g apd 商用之后 的成本下降，可以过渡到 25g apd 的方案。
2 50g pon 技术
2018 年 2 月的 itu-t sg15 会议中 ， 经过对多种 下一代高速 pon 系统候选方案的充分讨论后，在中国 运营商和厂家为主的推动下 ， 基于 tdm 的 50g pon 成功完成了标准立项 。50g tdm-pon 标准体系将包 含总体要求标准、50g 物理层标准和统一传输汇聚层 标准。50g tdm-pon 通过单波长提供 50 gb/s 速率能 力，仍然沿用点到多点的 pon 的架构以及 tdm 技术， 能够支持现有 odn 部署及传统网络的共存升级。
下面是 50g pon 在技术演进和标准研究过程 中 的相关技术特点。
支持单波长 50g 速率 的系统 的基本方案可 以 由 25g 光器件和 pam4 来实现 ，在接收端则增加数字信 号处理(dsp)技术，提供信号处理的均衡算法、去除非 线性干扰因素或者其它影响 pam4 性能的问题。但不 管是 pam4 技术，还是 dsp 技术，它们都给 50g pon 系统带来理论和技术实现的复杂性。
2.1 50g 的调制方式
在发送端和接收端上实现 pam4 技术使得 pon 系统在不同的场景下都增加了复杂性，例如 50g pon 上行方向的突发模式，光 网络终端(ont)在启动过程中 的测距过程等都有 了在实现上 的新 的技术挑 战[3]; 对于来自异厂家的 olt 和 ont，pam4 在物理层上增 加了 olt 与 ont 之间互通的难度。
对于光功率损耗预算的计算 ， 文献 [3] 认为 50g pon pam4 的功率损耗要比 25g pon 的 nrz 调制至 少高 4.8 db 以上。
nrz 调制在复杂度和兼容性方面要好于 pam4。 但在 nrz 调制的条件下，如果使用 eml 进行传输，与 25g pon 相比，50g pon 下的色散容限要小 4 倍 。如 果没有色散补偿机制，基于 nrz 的方案只能使波长在 上行方向上选择非常靠近 zdw 的波段范围 。研究人 员指出，如果使用 nrz 调制和 edb 检测技术，则波长 范围可以选择 1344 nm[3]。
文献[5]采用 25g eml 和 25g apd 来传输 nrz 信号，激光器工作波长选择在 o 波段，利用最大似然 序列估计(mlse)和基于最小均方误差(lms)算法 的 判决反馈均衡(dfe)进行译码，在 25 km 长度 的标准 单模光纤上实现了 50 gb/s 的传输。也有使用 10g 光 器件进行 50g 传输研究 ， 例如使用 10g dml 和 10g apd 在 o 波段上实现 50 gb/s dmt 信号 的 20 km 下 行传输[6]，误码率为 10-3 时，灵敏度达到-18 dbm。但使 用低带宽的器件则需要更复杂的 dsp 算法，成本和实 现的难度也相应增加 。 因此，如果 25g 光器件趋于成 熟，则优先考虑使用这样的高带宽光器件。
2.2 dsp 技术
dsp 可以应用在 olt 或 onu 侧 ， 它起到的作用 是提高信号处理的能力和性能，支持在低带宽的光器 件上传输高速信号。例如，在 onu 中使用 nrz 调制和dsp 技术 ， 可以获得与 nrz 调制加上 edb 检测技术 所类似的色散容限的测试结果。然而，dsp 技术同时也 给 pon 系统带来了新的技术难度和复杂性，例如每一 个 onu 的光发射器件在初始化时都要对 dsp 进行数 据训练。另外，额外的 dsp 也必然增加了 onu 的成本 和功耗。
单波长 50g pon 也要在 odn 中与已有 的 gpon 和 10g pon 系统相兼容，它所要解决的色散容限和光 功率损耗预算的挑战要比 25g pon 更大，使用 pam4 和 dsp 技术使 50g pon 方案 比 25g pon 复杂很多， 在 itu-t 标准制定过程 中必然有成本和技术方案 的 反复讨论和确认。
3 结束语
10g pon 从标准制定到商用化经历 了 10 年，支 持多波长堆叠复用的 ng-pon2 并没有得到规模商用 化，除了 ng-pon2 的成本居高不下的原因以外，单波 长速率提升的技术得到了研究人员的认可和厂家的 支持，使得 10g 速率的波长复用变得不再重要 。基于 单波长的方案可 以支持 25g pon 或 50g pon ， 如果 能兼容已有的 odn ， 并控制较小幅度的成本增长，则 会使得运营商愿意把 pon 升级到下一代 pon 系统。 至于是 25g pon 还是 50g pon 先得到商业应用，全球不同运营商与设备厂家有不同的判断和愿景，目前行业内没有统一的认识 。25g pon 的 ieee p802.3ca 标准得到了北美 mso 的支持 ， 而 itu-t 的 50g pon 的标准和规范制定得到了中国运营商和厂家的推动。 相比 25g pon 目前在 itu-t 中处于徘徊和讨论 的状 态 ， 可以预见 itu-t 制定的 50g pon 在中国会得到 更大的发展和商用。
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